Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu hướng dẫn cơ bản phần mềm Unisim/Hysys vào mô phỏng trong công nghiệp hóa học được dịch bởi Tiến Sĩ Nguyễn Thị Minh HiềnNgày nay mô phỏng có vai trò rất quan trọng trong hóa học đã trở thành xu thế phát triển tất yếu. Trước nhu cầu sử dụng các phần mềm mô phỏng trong thiết kế các quá trình công nghệ hóa học và dầu khí ngày càng phổ biến, một trang Web hướng dẫn mô phỏng ra đời sẽ tạo điều kiện để các sinh viên, kỹ sư trong ngành công nghệ hóa học và công nghệ dầu khí tiếp cận với những kiến thức quý báu từ các giáo sư đang giảng dạy trong các trường đại học công nghệ và những chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực mô phỏng.BKSIM ra đời với sự cộng tác của các kỹ sư Công nghệ Hóa Dầu, kỹ sư Công nghệ Thông tin tốt nghiệp từ trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và các sinh viên năm cuối chuyên ngành Công nghệ Hữu cơ- Hoá Dầu. Hy vọng BKSIM không chỉ là nơi chia sẻ kiến thức mà còn là nơi để các bạn thể hiện sự sáng tạo của bản thân để góp một chút sức lực vào công cuộc phát triển đất nước.Mời các bạn ghé thăm trang web của chúng tôi tại địa chỉ http://www.bksim.vn
NGUYỄN THỊ MINH HIỀN MƠ PHỎNG CƠNG NGHỆ HỐ HỌC Nhóm Mơ Cơng nghệ Hóa học Dầu khí Trường Đại học Bách khoa Hà Nội ` LỜI GIỚI THIỆU Trong lĩnh vực cơng nghệ hố học có nhiều phần mềm mơ công ty phần mềm phát triển sử dụng rộng rãi thiết kế công nghệ, như: PRO/II, DYNSIM (Simsci); HYSIM, HYSYS, HTFS, STX/ACX, BDK (AspenTech); UNISIM (Honeywell-UOP); PROSIM, TSWEET (Bryan Research & Engineering); Design II (Winsim); IDEAS Simulation; Simulator 42,…, phổ biến PRO/II, DYNSIM (Simsci), HYSYS (AspenTech) UNISIM (Honeywell-UOP) Sự phát triển mạnh mẽ cơng nghệ hố học kỷ 21, địi hỏi kỹ sư cơng nghệ cần phải hiểu sử dụng thành thạo số phần mềm mô phổ biến Các phần mềm mơ có sở nhiệt động học vững đầy đủ, khả thiết kế linh hoạt, với mức độ xác tính thiết thực hệ nhiệt động cho phép thực mơ hình tính tốn gần với thực tế công nghệ Các công cụ mô công nghệ mạnh phục vụ cho nghiên cứu tính tốn thiết kế công nghệ kỹ sư sở hiểu biết q trình cơng nghệ hố học, đáp ứng yêu cầu công nghệ tảng cho mơ hình hố mơ q trình cơng nghệ từ khai thác tới chế biến nhà máy xử lý khí nhà máy làm lạnh sâu, q trình cơng nghệ lọc hố dầu cơng nghệ hố học Ở mức độ bản, việc hiểu biết lựa chọn công cụ mô cấu tử cần thiết, cho phép mơ hình hố mơ q trình cơng nghệ cách phù hợp tin cậy Điều quan trọng phải hiểu biết sâu sắc q trình cơng nghệ trước bắt đầu thực mơ phỏng, mơ cung cấp cơng cụ phục vụ cho mơ tính tốn cơng nghệ, mà suy nghĩ thay cho kỹ sư Trong số UNISIM HYSYS phần mềm mơ cơng nghệ hóa học sử dụng rộng rãi trường đại học công nghệ Quyển sách giới thiệu cho sinh viên lần sử dụng UNISIM có chưa có kinh nghiệm mơ máy tính, cũng giáo trình dành cho sinh viên năm thứ ba trường đại học công nghệ, đồng thời sách sử dụng dẫn cho khóa học cao cơng nghệ hóa học, UNISIM cơng cụ mơ để giải vấn đề cơng nghệ Hơn sử dụng sách đồng thời cho sinh viên kỹ sư thực hành, tài liệu hướng dẫn hay sổ tay cho khóa học UNISIM Phần mềm UNISIM chạy mơi trường Windows có giao diện thân thiện với người sử dụng UNISIM cũng giống tất phần mềm khác ln ln có phát triển phiên mới, nhiên phần không thay đổi từ phiên đến phiên khác, sách hướng dẫn sử dụng UNISIM DESIGN, công ty Honeywell-UOP cung cấp có quyền phịng thí nghiệm Cơng nghệ Lọc Hoá dầu Vật liệu xúc tác trường Đại học Bách khoa Hà Nội Sau cài đặt người sử dụng cần có hiểu biết máy tính sử dụng UNISIM chương trình mơ phức tạp sách đề cập đến tất vấn đề Quyển sách đặt trọng tâm vào phần UNISIM, nhằm giúp cho sinh viên lần làm quen với mô nắm bắt sử dụng thành thạo tính tốn thiết kế cơng nghệ Trong phạm vi sách nghiên cứu tìm hiểu thiết bị mô UNISIM, sử dụng công cụ UNISIM để mô số q trình cơng nghệ hố học đơn giản, nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ đến chất lượng sản phẩm Chương đưa ứng dụng mơ vận dụng kiến thức cung cấp chương trước để mơ số q trình cơng nghệ hố học từ đơn giản đến phức tạp Vì địi hỏi người sử dụng phải học nghiêm túc thực hành thành thạo tồn chương trước làm ứng dụng chương này, thấy thú vị hiệu Đặc biệt năm 2012 sinh viên K52 ngành Cơng nghệ Hố Dầu tham gia thi “Sử dụng phần mềm UNISIM Design thiết kế mô công nghệ” Honeywell tổ chức hàng năm cho sinh viên Châu Á - Thái Bình Dương, đạt giải giải nhì Các sinh viên năm cuối chun ngành Cơng nghệ Hữu Hố Dầu, trường Đại học Bách khoa Hà Nội - trợ giảng - tham gia nhiệt tình, làm việc nghiêm túc có hiệu góp phần quan trọng để tài liệu hồn thành Giáo trình biên soạn lần đầu nên khơng tránh khỏi thiếu sót, mong nhận góp ý người sử dụng để sửa chữa bổ sung cho lần tái sau tốt Xin chân thành cảm ơn Tác giả MỤC LỤC Chương GIỚI THIỆU VỀ MÔ PHỎNG 1.1 Mục đích mơ 1.2 Giới thiệu phần mềm mơ cơng nghệ hóa học 1.3 Phần mềm mô UNISIM DESIGN Chương PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI 27 2.1 Phương trình trạng thái – Các biểu thức toán học 28 2.2 Thực mô 28 2.3 Nhập thêm biến Workbook 31 2.4 Sử dụng Case Studies 34 2.5 Thay đổi Fluid Package 37 2.6 Tóm tắt ơn tập chương 37 2.7 Bài tập 38 Chương CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ 39 3.1 Bơm 40 3.2 Máy nén 45 3.3 Tuốc bin giãn nở khí (Expander) 51 3.4 Thiết bị trao đổi nhiệt 55 3.5 Tháp tách pha 58 3.6 Cyclon 64 3.7 Ejector 68 3.8 Tóm tắt ơn tập chương 85 3.9 Bài tập nâng cao 86 Chương CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 87 4.1 Thiết bị phản ứng chuyển hoá 88 4.2 Thiết bị phản ứng cân 96 4.3 Thiết bị phản ứng Gibbs 106 4.4 Thiết bị phản ứng khuấy liên tục (CSTR) 112 4.5 Thiết bị phản ứng dòng đẩy (PFR) 127 Chương CÁC CÔNG CỤ TÍNH TỐN 136 5.1 Cơng cụ logic Adjust 137 5.2 Công cụ logic Set 140 5.3 Công cụ logic Recycle 144 5.4 Tính tốn thơng số tháp chưng Shortcut Distillation 147 5.5 Phân chia dòng cấu tử Component Splitter 150 5.6 Bảng tính (Spreadsheet) 153 5.7 Tối ưu hoá (Optimizer) 161 5.8 Tóm tắt ôn tập chương 184 Chương CÁC MƠ HÌNH PHÂN TÁCH 186 6.1 Tháp hấp thụ 187 6.2 Tháp chưng luyện 196 Chương MÔ PHỎNG MỘT SỐ Q TRÌNH CƠNG NGHỆ HỐ HỌC 215 7.1 Quá trình dehydro hố n-Heptan sản xuất Toluen 216 7.2 Q trình hydroclo hố etylen 218 7.3 Q trình oxi hố Etylen 221 7.4 Quá trình chưng tách hỗn hợp hydrocacbon nhẹ 223 7.5 Quá trình tổng hợp Ethylene Glycol (EG) từ Ethylene 224 7.6 Quá trình tổng hợp Maleic Anhydride (MA) từ Benzene 225 7.7 Quá trình tổng hợp Styrene từ Ethyl Benzene (EB) 227 7.8 Quá trình tổng hợp Amoniac 228 7.9 Q trình đặc dung dịch 229 PFD Chương 231 GIẢI NGHĨA MỘT SỐ CỤM TỪ TIẾNG ANH TRONG MÔ PHỎNG 236 TÀI LIỆU THAM KHẢO 238 Chương GIỚI THIỆU VỀ MƠ PHỎNG 1.1 Mục đích mơ Mơ – Simulation phương pháp mơ hình hố dựa việc thiết lập mơ hình số, cịn gọi Digital Simulation Đây cơng cụ mạnh để giải biểu thức toán học mơ tả q trình cơng nghệ hố học Để mơ q trình thực tế địi hỏi trước hết phải thiết lập mơ hình ngun lý q trình mối liên hệ thơng số liên quan Tiếp sử dụng cơng cụ tốn học để mơ tả mơ hình ngun lý, lựa chọn thuật toán cần thiết Cuối tiến hành xử lý biểu thức với điều kiện ràng buộc Trong thực tế việc tính tốn gặp hai khó khăn Thứ giải hệ phương trình đại số phi tuyến (thường phải sử dụng phương pháp tính lặp) Thứ hai phép tính tích phân biểu thức vi phân (sử dụng biểu thức vi phân hữu hạn rời rạc để xấp xỉ biểu thức vi phân liên tục) Các mơ hình tốn học hữu ích tất giai đoạn, từ nghiên cứu triển khai đến cải tiến phát triển nhà máy, nghiên cứu khía cạnh thương mại kinh tế q trình công nghệ Trong nghiên cứu công nghệ, dựa số liệu nghiên cứu chế động học phản ứng phịng thí nghiệm phân xưởng pilot, đánh giá ảnh hưởng điều kiện tiến hành q trình để nghiên cứu tối ưu hố điều khiển trình, bao gồm nghiên cứu tính tốn mở rộng quy mơ sản xuất (scale-up) Trong nghiên cứu thiết kế, tính tốn kích thước thơng số thiết bị tồn dây chuyền công nghệ, đánh giá ảnh hưởng yếu tố động học, nghiên cứu tương tác ảnh hưởng lẫn cơng đoạn cơng nghệ có tuần hoàn nguyên liệu trao đổi nhiệt tận dụng tối ưu nhiệt q trình Mơ tính tốn điều khiển trình, khởi động, dừng nhà máy, xử lý cố tính xảy trình vận hành nhà máy Một trình cơng nghệ hố học thực tế tập hợp gồm nhiều yếu tố phức tạp có ảnh hưởng lẫn (các thơng số cơng nghệ nhiệt độ, áp suất, lưu lượng dòng, thành phần hỗn hợp phản ứng, xúc tác, trình phản ứng song song nối tiếp, hiệu ứng nhiệt phản ứng, cân pha hệ thống,…) Độ phức tạp trình tăng lên, đồng nghĩa với số lượng thông số liên quan, biến số, phương trình, biểu thức tốn học, điều kiện ràng buộc tăng lên Giải đồng thời vấn đề địi hỏi khối lượng tính tốn lớn, việc tính tốn tay địi hỏi nhiều thời gian thực cách xác tin cậy Ngày với phát triển công nghệ phần mềm tin học, đời phần mềm mơ phỏng, việc nghiên cứu tính tốn thiết kế cơng nghệ phương pháp mô ngày phát triển, trở nên phổ biến chiếm ưu Mô công nghệ phần mềm mô với trợ giúp máy vi tính giải pháp hiệu quả, toàn diện cho kết tin cậy Trong ngành cơng nghệ hố học, mơ đóng vai trị vơ quan trọng việc nghiên cứu thiết kế cơng nghệ, phân tích, vận hành tối ưu hố hệ thống, điều khiển q trình cơng nghệ gần với trình thực tế, nghiên cứu tính tốn tối ưu hố mặt kinh tế q trình cơng nghệ Chương trình mơ nói chung bao gồm thành phần sau: Thư viện sở liệu (các hệ nhiệt động, cấu tử bao gồm tính chất vật lý hoá lý chúng,…) thuật tốn liên quan đến việc truy cập tính tốn tính chất hố lý cấu tử hỗn hợp cấu tử, thiết lập cấu tử giả Có thể bổ sung cấu tử, thay đổi hệ đơn vị chương trình đáp ứng yêu cầu người sử dụng Các công cụ mô cho thiết bị có hệ thống cơng nghệ hố học như: bơm, máy nén, tuốcbin giãn nở khí, thiết bị trao đổi nhiệt, tháp tách hai pha ba pha, chưng cất, hấp thụ, trộn dịng, chia dịng… Phần có chứa mơ hình tốn thuật tốn phục vụ cho q trình tính tốn thơng số thiết bị thơng số cơng nghệ q trình cơng nghệ mơ Các công cụ logic phục vụ cho việc tính tốn tuần hồn ngun liệu, thiết lập thơng số công nghệ, điều chỉnh thông số theo yêu cầu cơng nghệ, tính tốn cân vật chất cân lượng, tính tốn cân pha,… Các cơng cụ mơ q trình điều khiển (điều khiển nhiệt độ, điều khiển áp suất, điều khiển lưu lượng dòng, điều khiển mức chất lỏng ) q trình vận hành quy trình cơng nghệ hố học Chương trình điều hành chung tồn hoạt động công cụ mô ngân hàng liệu Chương trình xử lý thơng tin: lưu trữ, xuất, nhập, in… liệu kết tính tốn từ q trình mơ Hỗ trợ việc kết nối chương trình mơ khác nhau, kết nối với module xây dựng thiết bị đặc biệt người sử dụng tạo ngơn ngữ lập trình Visual Basic, Visual C++, … vào cửa sổ hiển thị Đóng cửa sổ Lặp lại tương tự cho dòng sản phẩm đáy B Sau thêm tham số cho dòng, danh sách tham số kích hoạt cập nhật Monitor page, hai tham số kích hoạt hai tham số khác bỏ kích hoạt, đảm bảo bậc tự 10 Mở Workbook đọc kết tính tốn 7.5 Q trình tổng hợp Ethylene Glycol (EG) từ Ethylene Quá trình tổng hợp Ethylene Glycol từ Ethylene xảy qua hai giai đoạn Giai đoạn 1: tạo Ethylene Oxide: CH2=CH2 + 1/2O2 CH2OCH2 với độ chuyển hóa theo Ethylene 60% Ngồi cịn có phản ứng cháy Ethylene với độ chuyển hóa theo Ethylene 30% Giai đoạn 2: tạo Ethylene Glycol từ Ethylene Oxide: CH2OCH2 + H2O → C 2H4(OH)2 Năng lượng hoạt hóa phản ứng E=5e4 kJ/kgmole Hằng số Arrhenius 5e6 Coi không xảy phản ứng tạo Di, TriEthylene Glycol Hỗn hợp Ethylene (độ tinh khiết 98%, cịn lại Methane), khơng khí (21%O2 , 79%N2 ) 25oC, 2MPa với lưu lượng Ethylene 150 kgmole/h lưu lượng khơng khí 10 tấn/h, gia nhiệt sơ lên 150oC đưa vào thiết bị phản ứng Thiết bị phản ứng đoạn nhiệt trì khoảng nhiệt độ từ 200 ÷ 300oC, áp suất MPa Một phần hỗn hợp sau phản ứng tuần hoàn vào thiết bị phản ứng Phần hỗn hợp lại cũng giảm áp, làm lạnh xuống 200 kPa, 30o C vào thiết bị tổng hợp Ethylene Glycol loại thùng có khuấy Dịng nước 30o C, 200 kPa, lưu lượng nước 980 kgmole/h, cũng đưa vào thiết bị phản ứng loại khuấy liên tục với thể tích 5m3 , độ điền đầy 80%, làm việc 65oC, 200 kPa Sản phẩm đỉnh đưa qua thiết bị tách hồn tồn thành dịng: Ethylene, Ethylene Oxide nước chưa phản ứng, khí thải Khả phân tách thiết bị cho dòng Ethylene 99% C 2H4 ; cho dòng Ethylene Oxide 98% Ethylene Oxide, 89% nước Thiết bị làm việc áp suất 200 kPa Sản phẩm phản ứng từ đáy CSTR chuyển vào tháp chưng cất Tháp chưng 224 cất làm việc áp suất đỉnh đáy 20 30 kPa Sản phẩm thu có độ tinh khiết 99.9% chuyển thùng chứa Trình tự mô Sử dụng fluid package UNIQUAC Giai đoạn sử dụng thiết bị phản ứng Conversion Sản phẩm phản ứng đưa qua chia dòng Một phần tuần hoàn trở lại thiết bị phản ứng Conversion, phần qua Expander, qua Cooler đưa vào thiết bị tổng hợp EG Sử dụng Adjust để khống chế tỷ lệ chia dịng tuần hồn đảm bảo nhiệt độ phản ứng trì khoảng 200 ÷ 300o C Giai đoạn sử dụng thiết bị phản ứng loại thùng khuấy liên tục CSTR Dòng sản phẩm sau phản ứng có Ethylene Oxide với dịng nước đưa vào thiết bị CSTR Sử dụng công cụ Component Splitter để tách thành dòng: dòng Ethylene cho tuần hồn thiết bị phản ứng Conversion, dịng EO nước chưa phản ứng cho tuần hoàn thiết bị phản ứng CSTR, cịn lại dịng khí thải Vent chứa chủ yếu nitơ Sản phẩm phản ứng từ đáy thiết bị phản ứng CSTR đưa sang chưng cất để nhận sản phẩm Xác định thông số tháp chưng công cụ Shortcut Distillation theo số liệu đầu cho Thực tế, dòng nguyên liệu ban đầu gia nhiệt sơ phần sản phẩm khỏi thiết bị phản ứng Conversion Xây dựng lưu trình có tận dụng nhiệt Thực tuần hoàn lại hỗn hợp chưa phản ứng 10 Tính cân vật liệu cân lượng tồn cơng nghệ 7.6 Q trình tổng hợp Maleic Anhydride (MA) từ Benzene Benzene, khơng khí (21%O 2, 79%N2) ban đầu 25oC, atm với lưu lượng 200 kgmole/h nâng nhiệt, nâng áp đến 700o C, 1.5 bar vào thiết bị phản ứng dòng liên tục PFR Động học phản ứng xảy thiết bị phản ứng đưa bảng đây: 225 Phản ứng Hằng số Arrhenius Ea (kcal/kgmole) C6H6 + 9/2O2 → C4H2O3 + 2CO2 + 2H2O 4300 25000 C4H2O3 + 3O2 → 4CO2 + H2O 70000 30000 C6H6 + 15/2O2 → 6CO2 + 3H2O 26 21000 Thiết bị phản ứng PFR có dạng ống có đường kính ÷ 3m, chiều dài ống khoảng ÷ 15m Hỗn hợp sản phẩm sau phản ứng làm lạnh đưa sang tháp tách pha để tách 95% MA dạng lỏng Sản phẩm đỉnh tháp tách pha chuyển sang tháp hấp thụ nước, tháp có 10 đĩa, làm việc 25o C, 1.45 bar Sản phẩm lỏng từ đáy tháp tách pha chứa 95% MA đưa vào đĩa 19 tháp chưng cất Sản phẩm lỏng từ đáy tháp hấp thụ đưa vào đĩa 12 tháp chưng cất Tháp chưng gồm 24 đĩa, áp suất đỉnh kPa; áp suất đáy tháp 10 kPa Đĩa nạp liệu 12 19 Sản phẩm đạt độ tinh khiết 99% MA thu chuyển thùng chứa Khí từ đỉnh tháp chưng đỉnh tháp hấp thụ đưa sang tháp tách hoàn toàn benzene tuần hoàn lại benzene chưa phản ứng Tháp tách làm việc áp suất at, nhiệt độ đáy 90o C Sản phẩm đáy tháp tách chứa benzene H2O đưa vào tháp chưng cất tách nước khỏi benzene Tháp gồm đĩa, nạp liệu đĩa 2, áp suất đỉnh bar, đáy tháp 1.013 bar Độ tinh khiết Benzene thu 99% tuần hồn trở Trình tự mơ Sử dụng hệ nhiệt động Antoine Chú ý thứ tự ưu tiên xảy phản ứng thiết bị phản ứng Thiết lập thiết bị phản ứng loại dịng đẩy PFR có chiều dài 14 m, đường kính m Đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến lượng MA hỗn hợp nhận sau phản ứng Sử dụng công cụ Adjust để điều chỉnh nhiệt độ làm lạnh hỗn hợp sau phản ứng Xác định nhiệt độ làm lạnh hỗn hợp sản phẩm sau phản ứng để sau tháp tách thu phần lỏng chứa 96% MA Sử dụng công cụ Adiust để điều chỉnh lưu lượng nước cần thiết đưa vào tháp hấp thụ để loại hoàn toàn CO khỏi hỗn hợp khí từ tháp tách pha 226 (trong sản phẩm đáy tháp hấp thụ khơng cịn CO2 ) Xác định lượng nước cần thiết tưới vào tháp hấp thụ Tháp chưng có Condenser hồi lưu hồn toàn Reboiler sử dụng để tinh chế sản phẩm MA 99%, với tham số cho Sử dụng công cụ Component Splitter để thực tách hoàn toàn benzene chưa phản ứng từ hỗn hợp khí từ đỉnh tháp chưng đỉnh tháp hấp thụ Tháp chưng có Condenser hồi lưu hồn toàn Reboiler sử dụng để tách nước khỏi benzene, với tham số cho Tính cân vật liệu cân lượng tồn cơng nghệ 10 Tuần hồn lại Benzene chưa phản ứng, đảm bảo tỷ lệ benzene vào thiết bị phản ứng chiếm 3% khối lượng Sử dụng công cụ Adjust để điều chỉnh lưu lượng Benzene bổ sung 7.7 Quá trình tổng hợp Styrene từ Ethyl Benzene (EB) Dịng EthylBenzene nguyên liệu có nhiệt độ 310K, áp suất 137.8kPa, lưu lượng 500 kgmole/h, gia nhiệt lên 780K vào thiết bị phản ứng PFR Trong thiết bị phản ứng xảy phản ứng Dehydro hóa C 6H 5C 2H C6H5CH=CH2 + H2 Các tham số động học phản ứng A=4.2e3, E=9.1e4kJ/kgmole Basis: Partial, Rxn Phase: Vapour, Rate Units: gmole/L-s Các thông số thiết bị phản ứng PFR sau: DeltaP = 15kPa, Diameter = 0.5m, Length = 3.0m Thiết bị phản ứng làm việc chế độ đẳng nhiệt Trình tự mơ Sử dụng hệ nhiệt động Peng - Robinson Thiết lập thiết bị phản ứng PFR, lưu ý thực điều kiện đẳng nhiệt Xác định độ chuyển hóa phản ứng bao nhiêu? Đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng, chiều dài ống phản ứng đến độ chuyển hóa phản ứng 227 Tinh chế sản phẩm tuần hoàn EB chưa phản ứng: tách H khỏi hỗn hợp sau phản ứng, sau tăng áp lên 400kPa giảm nhiệt độ tới 80o C, đưa vào tháp chưng luyện tách EB chưa phản ứng Tính tốn thơng số tháp chưng với áp suất Pđỉnh=380kPa, Pđáy=420kPa, yêu cầu độ tinh khiết sản phẩm Styrene thu phải đạt 99% Tính tốn nhiệt độ dịng trước vào tháp tách pha cho đỉnh tháp thu H2 Tính cân vật liệu cân lượng tồn q trình 7.8 Quá trình tổng hợp Amoniac Thiết bị phản ứng PFR có đường kính 3m gồm rọ xúc tác nối tiếp có chiều dài là: m, 1.2 m, 1.3 m Dịng ngun liệu có nhiệt độ 300o C, áp suất 1.6e4kPa, lưu lượng 1.86e6 kg/h, thành phần mole: Methane Hydrogen Nitrogen Argon 0.02 0.72 0.24 0.02 Dịng ngun liệu chia thành dịng có lưu lượng vào rọ xúc tác thiết bị phản ứng Tổng tổn thất áp suất thiết bị phản ứng 45kPa chia cho rọ xúc tác Khi vào thiết bị phản ứng, xảy phản ứng tổng hợp NH 3: N2 + 3H2 2NH3 với A = 10000, E = 91000 kJ/kgmole, A' = 1.3e10, E' = 1.41e5 kJ/kgmole Hỗn hợp thu sau phản ứng có nhiệt độ 553.9oC, áp suất 1.496e4kPa tăng áp lên 1.65e4kPa làm lạnh xuống tới -39.95oC vào tháp tách pha để thu NH3 Trình tự mơ Sử dụng hệ nhiệt động EOS Peng - Robinson Sử dụng ba thiết bị dịng đẩy PFR để mơ ba rọ xúc tác 228 Đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ dòng nguyên liệu chiều dài rọ xúc tác tới độ chuyển hóa phản ứng xảy rọ xúc tác Đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ chia dòng tuần hồn phản ứng tới hiệu suất q trình theo Nitrogen Đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ dòng ngun liệu tới hiệu suất q trình tính theo N2 Tối ưu hóa nhiệt độ, áp suất dịng ngun liệu, tỷ lệ chia dòng nguyên liệu, tỷ lệ chia dịng tuần hồn để hiệu suất q trình lớn Tính cân vật liệu cân lượng tồn cơng nghệ 7.9 Q trình đặc dung dịch Hệ thống cô đặc sử dụng phổ biến cơng nghệ hố học Hỗn hợp chất tan khơng bay (ví dụ đường, muối,…) hồ tan dung mơi dễ bay (ví dụ nước) cô cấp nhiệt Trong hệ thống cô đặc nhiều nồi, dung môi bay từ nồi cô đặc thứ ngưng tụ, nhiệt ngưng tụ sử dụng để cấp nhiệt cho nồi cô đặc Điều có nghĩa nồi đặc thứ hai phải làm việc nhiệt độ áp suất thấp nồi thứ Dung dịch đường sucrose nước có nồng độ 30% theo khối lượng Lưu lượng dịng dung dịch đưa vào hệ thống đặc 50 kg/h Hệ thống đặc gồm có ba nồi cô đặc, làm việc áp suất 101,3 kPa Dung dịch sản phẩm có nồng độ sucrose yêu cầu 85% Xây dựng lưu trình cơng nghệ xác định lượng cần cung cấp cho hệ thống Trong lưu trình cơng nghệ có sử dụng cơng cụ mô sau: nồi cô đặc mô Separator thiết bị làm lạnh mô Cooler công cụ logic Set để điều chỉnh nhiệt độ dòng sản phẩm công cụ logic Adjust để điều chỉnh lượng nhiệt cấp cho nồi cô đặc thứ đảm bảo dịng sản phẩm cuối hệ thống đặc đạt nồng độ sucrose yêu cầu 85% theo khối lượng 229 Sau hồn thành mơ phỏng, lưu trình cơng nghệ q trình đặc đường sucrose chuyển sang dạng template để sử dụng mô hệ thống cô đặc khác Trình tự mơ Lựa chọn hệ nhiệt động Wilson/Ideal Một điều cần lưu ý Wilson/Ideal equation khơng phù hợp trường hợp tính tốn cân lỏng - lỏng Chuyển sang Binary Coefficients page Khi hệ số tương tác bậc hai Aij B ij chưa có giá trị cụ thể, ô Cần phải xác định hệ số nhận giá trị cách trả lời OK với thông báo hiển thị, giá trị tự động điền vào bảng hệ số tương tác bậc hai Thiết lập dòng nguyên liệu Feed có thành phần 30% theo khối lượng sucrose nước, áp suất 101.3 kPa, lưu lượng 50 kg/h Thiết lập dòng nước Stream để gia nhiệt cho nồi cô đặc đầu tiên, Vapour Fraction = 1, áp suất dòng nước 275 kPa Khởi tạo tháp tách pha Effect-1 để mô nồi cô đặc thứ nhất, dòng Feed đưa vào tháp nhận dòng sản phẩm từ đỉnh V1 dòng sản phẩm lỏng L1 Khởi tạo thiết bị làm lạnh Cooler-1 có Delta P = kPa, dòng lượng q1, dòng nước Stream qua Cooler-1 ngưng tụ thành Condensate có Vapour Fraction = 0, giá trị q1 = 2.42e4 kJ/h sử dụng để gia nhiệt cho nồi cô đặc thứ Effect-1 Tương tự, khởi tạo thiết bị làm lạnh Cooler-2 có Delta P = kPa, sử dụng để ngưng tụ dịng nước V1 từ đỉnh nồi đặc thứ Effect-1, nhận dòng dòng lượng q2 Giá trị dòng lượng q2 bao nhiêu? Tương tự, khởi tạo tháp tách pha Effect-2 để mô nồi cô đặc thứ hai, nguyên liệu vào tháp dòng lỏng từ tháp thứ L1, dòng sản phẩm V2 L2 Năng lượng cấp cho tháp dịng q2 Lưu ý: xố Delta P tháp Tại cần xố Delta P, để làm gì? 230 Khởi tạo Set-1 để thiết lập mối quan hệ nhiệt độ dòng L2 phải thấp nhiệt độ dịng Condensate sau Cooler-2 C2 3oC để sử dụng q2 cấp nhiệt cho nồi cô đặc thứ hai Effect-2 10 Tương tự, khởi tạo Cooler-3, Effect-3 (nhớ xoá Delta P) Set-2 11 Khởi tạo Adjust để thực điều chỉnh dòng lượng q1 cấp cho Effect-1 cho dòng sản phẩm cuối L3 15% nước (theo khối lượng) Sử dụng Method Secant với Step Size 2000 kJ/h 12 Sau hoàn thành mơ phỏng, đọc kết tính tốn: Năng lượng cần phải cấp cho Effect-1 để nồng độ Sucrose sản phẩm đạt 85%? Có thể thu dung dịch có nồng độ Sucrose cao bao nhiêu? Trường hợp UNISIM khơng tính tốn được, case không hội tụ? Tại sao? PFD Chương 7.3 Q trình oxi hố Etylen 231 7.4 Q trình chưng tách hỗn hợp hydrocacbon nhẹ 232 7.5 Quá trình tổng hợp Ethylene Glycol (EG) từ Ethylene 7.6 Quá trình tổng hợp Maleic Anhydride (MA) từ Benzene 233 7.7 Quá trình tổng hợp Styrene từ Ethyl Benzene (EB) 7.8 Quá trình tổng hợp Amoniac 234 7.9 Q trình đặc dung dịch 235 GIẢI NGHĨA MỘT SỐ CỤM TỪ TIẾNG ANH TRONG MÔ PHỎNG Binary Interaction Parameters (BIP) - Hệ số tương tác bậc hai Case tên gọi chung mô Case Studies công cụ sử dụng để nghiên cứu thông số công nghệ, tính chất dịng ngun liệu,… Converged hội tụ, thơng báo cho biết q trình tính tốn hồn thành Databook bảng tóm tắt liệu Dynamic Modelling mô động, mô thiết bị cơng nghệ q trình vận hành liên tục có thay đổi thơng số cơng nghệ theo thời gian Flowsheet lưu trình, biểu diễn sơ đồ công nghệ mô PFD Fluid Package hệ nhiệt động Heat Exchanger Design (End Point Model) Mơ hình thiết kế mơ thiết bị trao đổi nhiệt tuyến tính, U = const, C p = const Heat Exchanger Design (Weighted Model) Mơ hình thiết kế mô thiết bị trao đổi nhiệt phi tuyến, ngược chiều Heat Exchanger Duty Q = UADT LMF t Nhiệt trao đổi thiết bị trao đổi nhiệt tính theo cơng thức, đó: U Overall Heat Transfer Coefficient - hệ số truyền nhiệt chung; A Surface Area available for Heat Transfer - diện tích bề mặt truyền nhiệt; UA the proportionality factor - tích số UA hệ số tỷ lệ (hệ số trao đổi nhiệt); DTLM log mean temperature difference (LMTD) - logarit chênh lệch nhiệt độ Ft LMTD correction factor - hệ số hiệu chỉnh Hypothetical Component cấu tử giả xây dựng theo giả thiết Object Palette bảng có biểu tượng cơng cụ mô Process Flow Diagram (PFD) sơ đồ công nghệ mô môi trường mô Pressure Drop Độ giảm áp 236 Reactor Continuously Stirred Tank (CSTR) thiết bị phản ứng khuấy liên tục (thiết bị phản ứng khuấy lý tưởng) Reactor Plug Flow (PFR) thiết bị phản ứng dòng đẩy (thiết bị phản ứng đẩy lý tưởng) Simulation Basis Manager Giao diện quản lý sở mô phỏng, sử dụng lựa chọn cấu tử, hệ nhiệt động, hệ phản ứng, đơn vị đo,… Simulation Enviroment môi trường thực mô PFD Steady State Modelling mô tĩnh, nghiên cứu mơ q trình cơng nghệ Subflowsheet lưu trình (của tháp chưng luyện, tháp hấp thụ,…) Water Gas Shift (WGS) phản ứng chuyển hoá CO thành CO nước Workbook bảng tóm tắt tham số dịng (tương tự Worksheet) Worksheet bảng tóm tắt tham số dịng (tương tự Workbook) 237 TÀI LIỆU THAM KHẢO J.R.Elliott and C.T.Lira (1999) Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics Prentice Hall R Perry, (2005) Engineer’s Handbook of Chemical Engineering, Mc GrawHill Book Company Inc Seider W.D., Seader I.D., Lewin D.R (2003) Product and Process Design Principles Synthesis, Analysis, and Evaluation Second Edition WileyVCH Verlag GmbH & Co A.C Dimian and C.S Bildea (2008) Chemical Process Design - ComputerAided Case Studies Wiley-VCH Verlag GmbH & Co Anu Maria (1997) Introduction to Modeling and Simulation Proceeding of the 1997 Winter Simulation Conference ed S Andradottir, K.J Healy, D.H Withers, and B.L Nelson NY:IEEE 7-13 UNISIM Steady State Modeling Documents Mohd Kamarudin Abd Hamid (2007) HYSYS: An Introduction to Chemical Engineering Simulation Jonor, Malaysia 238 ... NGUYỄN THỊ MINH HIỀN MƠ PHỎNG CƠNG NGHỆ HỐ HỌC Nhóm Mơ Cơng nghệ Hóa học Dầu khí Trường Đại học Bách khoa Hà Nội ` LỜI GIỚI THIỆU Trong lĩnh vực cơng nghệ hố học có nhiều phần... phần mềm mô công nghệ hóa học Mơ q trình cơng nghệ hóa học cơng nghệ chế biến dầu khí, cơng nghệ tổng hợp hữu hóa dầu thực nhiều phần mềm mô khác Trong phổ biến PRO/II, DYNSIM (Simsci-Esscor),... thái Peng-Robinson (PR) Soave-Redlich-Kwong (SRK) Trong đó, phương trình Peng-Robinson sử dụng khoảng biến đổi rộng thông số công nghệ với hệ đa dạng Từ phương trình Peng-Robinson (PR) Soave-RedlichKwong