TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KĨ THUẬT HÓA HỌC Tài Liệu Thí Nghiệm Mô Phỏng Công Nghệ Hóa Học & Dầu Khí Hà Nội, 7/2014 Bài Số 1: Xác Định Các Thông Số Dòng Vật Chất & Phương Trình Trạng Thái Mục đích : Làm quen với môi trường mô phỏng bởi phần mềm Unisim/ Hysys. Xác định các thông số dòng vật chất So sánh kết quả khi thay các hệ nhiệt động khác nhau. Cơ sở lí thuyết Một dòng vật chất được khai báo bởi 4 thông số 1. Thành phần dòng 2. Lưu lượng 3. Hai trong ba thông số còn lại: Nhiệt độ, áp suất, Thành phần pha khí Các thông số dòng vật chất còn lại sẽ được tính theo các thông số trên. Khi tính toán các phương trình các trạng thái cho phép xác định được thể tích của hỗn hợp khí tại điều kiện nhiệt độ và áp suất xác định. Nếu không sử dụng các phương trình trạng thái thì hầu như không thể thiết kế được các nhà máy h oá chất. Bởi vì từ việc xác định thể tích này có thể tính toán được kích thước và hơn nữa là giá thành của các nhà máy đó. HYSYS có các phương trình trạng thái như Peng-Robinson (PR) và Soave- Redlich- Kwong (SRK). Trong đó, phương trình Peng-Robinson được sử dụng trong khoảng biến đổi rộng nhất của các thông số công nghệ và với các hệ đa dạng nhất. Từ các phương trình Peng-Robinson (PR) và Soave-Redlich-Kwong (SRK) trực tiếp tính toán ra tất cả các tính chất cân bằng và các tính chất nhiệt động của hệ. Các phương trình PR và SRK có chứa các hệ số tương tác bậc hai cho tất cả các cặp hydrocacbon-hydrocacbon (tập hợp các tham số tương tác tạo liên kết và không tạo liên kết) và hầu hết các cặp bậc hai hydrocacbon - phi hydrocacbon. Nội dung thí nghiệm 1. Thiết lập một dòng vật liệu chỉ có H 2 O với các điều kiện sau: • Fluid Package: Peng-Robinson • Flowrate : 100 kgmole/h • Pressure : 1 bar • Temprature : 50 o C 2. Thiết lập một dòng vật liệu chỉ có H 2 O với các điều kiện sau: • Fluid Package: Peng-Robinson • Flowrate : 100 kgmole/h • Pressure : 100 Kp • Vapor/phase fraction : 1.0 Nhiệt độ của dòng bằng bao nhiêu? 3. Làm lại bài toán trên, thay áp suất bằng nhiệt độ là: 150°C Áp suất của dòng bằng bao nhiêu? 4. Với cùng bài toán 2 nhưng giảm nhiệt độ đến 70°C Áp suất của dòng bây giờ bằng bao nhiêu? 5. Tạo một dòng mới chỉ có H 2 O với các điều kiện sau: • Fluid Package : Peng-Robinson • Flowrate : 100 kgmole/h • Pressure : 2 atm • Vapor/phase fraction: 1.0 Nhiệt độ của dòng này bằng bao nhiêu? 6. Với cùng điều kiện trên nhưng tăng áp suất lên 5 atm Nhiệt độ của dòng lúc này bằng bao nhiêu? 7. Với cùng điều kiện như bài 4, tăng áp suất thêm 0,5 atm Nhiệt độ của dòng mới bằng bao nhiêu? 8. Tìm Molar Volume của khí amoniac ở 56 atm và 450 K sử dụng phương trình trạng thái Soave-Redlich-Kwong (SRK), lưu lượng 100kmol/h. 9. Tìm Molar Volume của khí metanol tại áp suất 100 atm và 300ºC sử dụng phương trình trạng thái Peng-Robinson (PR). So sánh Molar Volume của khí metanol khi sử dụng phương trình trạng thái Soave-Redlich-Kwong (SRK). 10. Cho một hỗn hợp khí đi vào thiết bị chuyển hoá khí bằng hơi nước (WGS) để sản xuất hydro: 630 kmol/h CO, 1130 kmol/h H 2 O, 189 kmol/h CO 2 , 63 kmol/h H 2 . Áp suất hỗn hợp khí là 1 atm và nhiệt độ là 500K. Sử dụng phương trình trạng thái Soave-Redlich-Kwong (SRK) tính thể tích riêng của hỗn hợp khí. 11. Cho một hỗn hợp khí gồm 25% amoniac và phần còn lại là nitro và hydro với tỉ lệ là 1:3 , tại 270 atm và 550 K. S ử dụng phương trình trạng thái PengRobinson (PR) để tính thể tích riêng của hỗn hợp khí. 12. Cho hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị phản ứng tổng hợp metanol có thành phần như sau: 100 kmol/h CO; 200 kmol/h H 2 ; 100 kmol/h metanol. Hỗn hợp khí ở áp suất 100 atm và nhiệt độ 300ºC. Tính toán thể tích riêng của hỗn hợp s ử dụng phương trình trạng thái Soave-Redlich-Kwong (SRK) và so sánh với kết quả tính toán khi sử dụng phương trình trạng thái Peng-Robinson (PR). Bài 2 Các Thiết Bị Phụ Trợ: Bơm Máy Nén & Tuocbin Giãn Nở Khí Mục đích: - Tính nhiệt độ dòng ra khi biết công suất của bơm hoặc ngược lại . - Xác định được nhiệt độ của dòng sau thiết bị máy nén và Tuocbin giãn nở khí - Biết cách tạo cấu tử giả Cơ sở thí nghiệm Muốn chất lỏng chuyển động từ thấp lên cao hoặc chảy dọc theo ống, mương máng nằm ngang, người ta phải dung bơm để cung cấp năng lượng tạo nền sự chênh lệch áp lực dể đây chất lỏng thành dòng chuyên trong dó. Khi tính toán, đánh giá chất lượng bơm ta thường dựa vào các thông số đặc trung chính gồm: Năng suất, áp suất toàn phần, công suất và hiệu .suất. Bơm được sử dụng để tăng áp suất của dòng lỏng vào. Tùy thuộc vào các tham số được khai báo ban đầu, sẽ tính toán nhiệt độ, hoặc áp suất chưa biết hoặc công suất của bơm. Máy nén được sử dụng để tăng áp suất cho một dòng khí, tùy thuộc vào thông tin được cung cấp, Compressor sẽ tính toán các tính chất của dòng (nhiệt độ hoặc áp suất) hay công suất của máy nén. Expander được sử dụng làm giảm áp suất của dòng khí vào có áp suất cao và tạo dòng khí sản phẩm ra có áp suất thấp và tốc độ cao. Quá trình giãn nở là quá trình chuyển đổi nội năng của khí thành động năng và sinh công. Expander sẽ tính toán hoặc là tính chất của dòng hoặc là công suất giãn nở. Nội dung thí nghiệm 1. Bơm được dùng để vận chuyển chất lỏng. Bơm làm tăng áp suất của chất lỏng. Nước vào bơm có nhiệt độ 120°C và áp suất 5 bar được đưa vào bơm hoạt động với hiệu suất 50% định mức. Lưu lượng của dòng nước là 100 kmol/h và áp suất dòng ra khỏi bơm là 80 bar. Sử dụng phương trình trạng thái Peng-Robinson (PR), hãy xác định nhiệt độ của dòng nước ra khỏi bơm. 2. Khi nhiệt độ đầu ra của bơm là 200°C thì công suất của bơm là bao nhiêu? 3. Máy nén dùng để vận chuyển khí và làm tăng áp suất của dòng khí. Có một hỗn khí tự nhiên (gồm C l , C 2 , C 3 , n-C 4 , i-C 4 , i-C 5 , n-C 5 , n-C 6 , C 7 + ) ở áp suất 1 bar và nhiệt độ 80°C được đưa vào máy nén làm việc với hiệu suất 30%. Lưu lượng dòng khí là 100 kmol/h. Áp suất ra khỏi máy nén là 5 bar. Sử dụng phương trình PR. Xác định nhiệt độ của dòng khí ra khỏi máy nén. Nhiệt độ sôi C 7 + là 110 o C. Thành phần dòng: C 1 0.33 i-C 5 0.069 C 2 0.143 n-C 5 0.059 C 3 0.101 n-C 6 0.078 i-C 4 0.098 C 7 + 0.042 n-C 4 0.080 Thay hiệu suất định mức lên 60%, bạn có nhận xét gì về sự thay đổi? Nếu nhiệt độ dòng ra là 400 o C thì công suất máy nén là bao nhiêu? 4. Expander dùng để giảm áp suất của một dòng khí vào cao áp và tạo dòng khí sản phẩm ra có áp suất thấp và vận tốc lớn. Hỗn hợp khí gồm metan, etan, và propan ở nhiệt độ 25°C, áp suất 20 bar, được đưa vào expander với hiệu suất 40% định mức. Lưu lượng dòng khí là 100 kgmol/h, áp suất ra khỏi expander là 3 bar. Sử dụng phương trình Peng-Robinson, xác định nhiệt độ đầu ra của hỗn hợp khí. Thành phần: C 1 : 50%, C 2 : 30%, C 3 : 20% Nếu tang công suất định mức lên 70% thì có sự thay đổi gì không? Công suất của Expander là bao nhiêu khi nhiệt độ đầu ra là -30 o C Bài 3 Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt & Tháp Tách Pha Mục đích : Làm quen với các mô hình thiết bị trao đổi nhiệt Giúp sinh viên hiểu được nguyên tắc khi phân tách 2 pha Cơ sở lí thuyết: Các thiết bị trao đổi nhiệt được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp hóa học. Các thiết bị đun nóng, làm lạnh và trao đổi nhiệt trực tiếp, mỗi thiết bị có cách hoạt động khác nhau. Trong mô phỏng tĩnh, Separator phân chia hỗn hợp hai pha trong tháp thành pha lỏng và pha hơi. Hai pha lỏng và hơi được phân tách trong tháp sau khi đã đạt trạng thái cân bằng Flash Separator thực hiện tính toán xác định các tham số sản phẩm và thành phần pha. Áp suất của quá trình tách là áp suất thấp nhất của nguyên liệu trừ đi độ giảm áp qua tháp tách. Entanpy bao gồm entanpy của dòng nguyên liệu và dòng năng lượng (giá trị mang dấu cộng nếu được đun nóng, mang dấu trừ nếu được làm lạnh). Separator có khả năng tính toán kết quả ngược lại. Ngoài việc áp dụng tính toán theo tiêu chuẩn (dòng nguyên liệu vào tháp đã khai báo thông tin đầy đủ, được tách tại áp suất và entanpy của tháp tách), Separator còn có thể sử dụng thành phần đã biết của một dòng sản phẩm để tính toán thành phần của dòng sản phẩm còn lại và dựa trên cân bằng vật chất của dòng nguyên liệu vào. Nội dung thí nghiệm 1. Xác định công suất của thiết bị đun nóng khi đun nước ở 25 o C, 1atm lên 90 o C. Độ giảm áp 10Kp Dòng sau khi được đun nóng được đưa qua thiết bị làm lạnh. Xác định công suất của thiết bị làm lạnh khi làm lạnh về 5 o C. Độ giảm áp 10Kp 2. Nước nóng ở 250 o C và 1000 psi được sử dụng để gia nhiệt dòng nước lạnh trong thiết bị trao đổi nhiệt Heat Exchanger. Dòng vào có nhiệt độ 25 o C và áp suất là 130 psi. Nhiệt độ dòng lạnh và dòng nóng ra khỏi thiết bị lần lượt là 150 o C và 190 o C. Nếu lưu lượng dòng nóng là 100 kg/h, tính lưu lượng dòng lạnh đi qua thiết bị trao đổi nhiệt. Nếu lưu lượng dòng lạnh là 100 kg/h, xác định lưu lượng dòng nóng. Nhiệt lượng trao đổi giữa hai dòng là bao nhiêu? 3. Dòng vật chất bao gồm 15% etan, 20% propan, 60% i-butan, 5% n-butan ở 50 o F và áp suất khí quyển, lưu lượng 100 lbmol/h. Nén dòng đến 50 psi sau đó làm lạnh đến 32 o F, độ giảm áp của thiết bị là 10Kp. Sản phẩm là dòng hơi và dòng lỏng được tách ra. Tính lưu lượng và thành phần của hai dòng sản phẩm này. Nếu nhiệt độ dòng Cool Gas là 10 o F, thì lưu lượng và thành phần của hai dòng là bao nhiêu? Bài 4: Chu trình lạnh C 2 - C 3 Mục đích: • Xây dựng chu trình lạnh • Chuyển sang dạng Template Cơ sở lí thuyết : Chu trình lạnh được sử dụng phổ biến trong công nghệ dầu khí, hóa dầu, công nghệ hóa học, làm lạnh để nhận sản phẩm lỏng, xây dựng chu trình lạnh với tác nhân lạnh hỗn hợp C 2 và C 3 Quá trình bay hơi là quá trình thu nhiệt. Môi chất là chất trao đổi nhiệt khi nó tuần hoàn. Nó nhận nhiệt khi bay hơi và giải phóng nhiệt khi nó hoá lỏng. Các tính chất cần thiết đối với một môi chất + Dễ bay hơi và hoá lỏng + An toàn + Ổn định và chất lượng không thay đổi. Nội dung thí nghiệm: Thực hiện mô phỏng theo sơ đồ sau Bài 5: Phản Ứng Chuyển Hóa & Phản Ứng Cân Bằng Mục đích: Giúp sinh viên phát triển mô hình phản ứng dựa theo độ chuyển hóa và cân bằng phản ứng hóa học. Cơ sở lí thuyết: Loại phản ứng chuyển hoá không yêu cầu các kiến thức về nhiệt động học. Việc phải làm là nhập hệ số tỷ lượng phản ứng và độ chuyển hoá của chất phản ứng cơ bản (trong trường hợp này là metan). Độ chuyển h oá luôn luôn dưới 100%. Phản ứng tiến hành cho đến khi đạt giới hạn hoặc hết chất phản ứng. Việc nhóm các phản ứng khác loại với nhau là không thể thực hiện, tuy nhiên, có thể nhóm các phản ứng Conversion lại thành một nhóm và phân loại các phản ứng (phản ứng nối tiếp hay song song). Phản ứng có bậc thấp nhất sẽ xảy ra đầu tiên (có thể bắt đầu hoặc là 0 hoặc 1). Cũng như các phản ứng đơn lẻ, tổng độ chuyển hoá cấu tử cơ bản trong nhóm các phản ứng không được quá 100%. Các phản ứng Conversion không được sử dụng trong các thiết bị phản ứng đẩy lý tưởng (PFR) hoặc khuấy lý tưởng (CSTR). Nói chung, các phản ứng Conversion chỉ được thực hiện trong thiết bị phản ứng Conversion Reactor. Equilibrium Reactor là thiết bị mô phỏng trong đó thực hiện các phản ứng cân bằng (equilibrium reaction). Dòng ra khỏi thiết bị đạt trạng thái cân bằng hoá học và vật lý. Reaction Set được gắn cho Equilibrium Reactor bao gồm không giới hạn các phản ứng cân bằng, được diễn ra song song hoặc nối tiếp. Không có các cấu tử và quá trình lý tưởng, Unisim/Hysys có thể tính toán hoạt tính hoá học của mỗi cấu tử trong hỗn hợp phản ứng dựa trên fugat của các cấu tử đơn chất và hỗn hợp. Có thể kiểm tra độ chuyển hoá thực tế, thành phần cấu tử cơ bản, hằng số cân bằng và bậc phản ứng đối với từng phản ứng được cài đặt trong Reaction Set. Độ chuyển hoá, hằng số cân bằng và các thông số tính toán khác, tất cả được tính toán dựa trên những thông tin được cung cấp khi thiết lập Reaction Set. Nội dung thí nghiệm 1. Công nghệ sản xuất khí hydro từ hydrocacbon đã có những bước phát triển đáng kể trong thập kỷ qua. Hiệu quả của công nghệ sản xuất hydro có liên quan trực tiếp đến các thiết bị chuyển hoá năng lượng như pin nhiên liệu fuel cell). Sự chuyển hoá nhiên liệu thành hydro được thực hiện bằng quá trình oxi hoá không hoàn toàn. Phương pháp này dựa vào phản ứng của nhiên liệu ví dụ như metan với không khí để tạo ra oxit cacbon và hydro. [...]... : Giúp sinh viên làm quen với phản ứng Kinetic và hai thiết bị dòng đẩy lí tưởng (PFR) và thiết bị khuấy trộn lí tưởng (CSTR) Khảo sát về động học cho thiết bị phản ứng Cơ sở lí thuyết 1 Động hóa học Động hóa học là khoa học nghiên cứu về tốc độ phản ứng hóa học Tốc độ phản ứng hóa học bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như nồng độ, nhiệt độ, áp suất, dung môi, chất xúc tác Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng... gồm điều kiện và thành phần của các dòng sản phẩm hơi và sản phẩm lỏng Nội dung thí nghiệm Propylen carbonat hấp thụ CO2 trong tháp đệm Dòng khí nguyên liệu có 20% mol CO2 và 80% mol metan Lưu lượng dòng l à 2 m 3/s và điều kiện làm việc của tháp là 60oC và 60,1 atm Lưu lượng dòng dung môi là 2000 kmol/h Sử dụng Unisim để xác định hàm lượng CO2 (% mol) trong dòng khí ra, chiều cao tháp (m) và đường kính... độ chuyển hóa của thiết bị? Bài 7 : Tháp Hấp Thụ Mục đích : Giúp sinh viên hiểu thêm về cách thức hoạt động của tháp hấp thụ, cách chuyển từ tháp đĩa sang tháp đệm và tính các thông số của tháp Cơ sở lý thuyết Các bạn sinh viên đã làm quen với các thiết bị hấp thụ trong môn Quá trình và thiết bị trong CNHH: truyền khối, trong bài thí nghiệm này, sinh viên sẽ hiểu hơn về thiết bị này và mô phỏng quá... tháp chưng và ngược lại Các kiến thức về chưng luyện, sinh viên cần tìm hiểu lại trong Quá trình và thiết bị trong CNHH: truyền khối Nội dung thí nghiệm Sinh viên sử dụng công cụ để tính toán tháp chưng: Short cut Distillation và thiết bị Distillation để mô phỏng tháp chưng tách 2 cấu tử Một dòng vật chất có thành phần Benzen : 60%, Toluen 40% ở 250 oC, 2500Kp Lưu lượng 100kmol/h Áp suất đỉnh và đáy là... biết đầy đủ bản chất các biến hóa xảy ra trong mỗi phản ứng hóa học, xác lập được cơ chế phản ứng 2 Tốc độ phản ứng và hằng số tốc độ phản ứng Tốc độ phản ứng là biến thiên nồng độ của một chất đã cho (chất đầu hoặc chất cuối) trong một đơn vị thời gian Hệ số tỷ lệ k được gọi là hăng số tốc độ phản ứng, đó là tốc độ phản ứng khi nồng độ của mỗi chất phản ứng bằng nhau và bằng đơn vị (= 1) 3 Bậc phản... chuyển hoá khí bằng hơi nước (WGS) theo phản ứng sau: CO + H2O ↔ CO2 + H2 Phản ứng này đã được sử dụng trong công nghiệp từ 40 năm trước để sản xuất hydro từ các hydrocacbon lỏng và khí Vai trò của phản ứng WGS là tăng hiệu suất hydro và làm giảm nồng độ CO tránh gây ngộ độc xúc tác Xây dựng mô hình phản ứng WGS Thiết lập dòng vật chất với các thông tin sau: Component Mole Fraction Xác định lưu lượng... trong phương trình động học của phản ứng Nếu n = 0 thì khi đó phản ứng là bậc không, n = 1 phản ứng là bậc nhất (đối với A), n = 2 phản ứng là bậc hai (bậc nhất đối với A, B), n = 3 khi đó phản ứng là bậc 3 (bậc nhất đối với A, B, C) 4 Phương trình Arrhenius và năng lượng hoạt hóa Năm 1884, Arrhenius đã đưa ra hệ thức để biểu diễn sự phụ thuộc của hăng số tốc độ phản ứng k vào nhiệt độ T: k=A* exp... (m):……………………… Section Height (m):………………………… CO2 composition:………………………… Tăng lưu lượng dòng dung môi Solvent In từ 2000 kmol/h lên 2500 kmol/h, 3000kmol/h ghi lại kết quả Section Diameter (m):……………………… Section Height (m):………………………… CO2 composition:………………………… Bài 8 : Tháp Chưng Mục đích: giúp sinh viên mô hình hóa cách hoạt động và tính toán thiết kế tháp chưng Cơ sở lý thuyết Chưng cất là phương pháp tách các cấu... =60% Phát triển mô hình đại diện cho quá trình oxi hoá không hoàn toàn metan để sản xuất hydro Thiết lập dòng vật chất thứ nhất với các thông tin cho trong bảng sau Component Mole Fraction Tương tự với dòng thứ hai Component Mole Fraction Xác định lưu lượng thành phần của sản phẩm? việc tinh chế làm giảm nồng độ CO là vô cùng cần thiết Công nghệ phổ biến nhất hiện nay là chuyển hoá khí bằng hơi nước... sinh viên sẽ hiểu hơn về thiết bị này và mô phỏng quá trình hấp thụ khí liên tục trong tháp đệm Thiết bị hấp thụ mặc định trong Unisim/Hysys là loại tháp đĩa (Tray Section), có dòng sản phẩm hơi từ đỉnh tháp, và dòng sản phẩm lỏng từ đáy tháp Không có sẵn các thông số cho tháp hấp thụ, mà dựa trên cấu hình chung của tháp Điều kiện và thành phần của dòng nguyên liệu, cũng như áp suất làm việc sẽ xác . (btu/lbmole) Thi t bị phản ứng CSTR có thể tích là 280ft 3 và độ điền đầy là 85%. Thi t bị phản ứng được giả thi t làm việc trong điều kiện đẳng nhiệt. Xác định độ chuyển hóa của thi t bị? Bài. định công suất của thi t bị đun nóng khi đun nước ở 25 o C, 1atm lên 90 o C. Độ giảm áp 10Kp Dòng sau khi được đun nóng được đưa qua thi t bị làm lạnh. Xác định công suất của thi t bị làm lạnh. các thi t bị phản ứng đẩy lý tưởng (PFR) hoặc khuấy lý tưởng (CSTR). Nói chung, các phản ứng Conversion chỉ được thực hiện trong thi t bị phản ứng Conversion Reactor. Equilibrium Reactor là thi t