Muc lu c

Tô ng quan vê Pro/II

I - Giới Thiệu Phần Mềm Pro/II

II - 7 bước sử dụng phần mềm PROII

III - Sơ đồ một quy  trình dùng phần mềm PRO/II

IV - Nhập dữ liệu và chọn thuật toán

V - Kiểm tra độ tin cậy của kết quả

VI -  Một số công cụ hỗ trợ 

CHI TIÊ T CA C THIÊ T BI

A- FLASH

1. Giơi thiêu2. Phương pháp tinh toán3. Flash drum

B-SHORTCUT

1. Giơi thiêu tổng quan 2. Phương pháp tinh toán3. Phân loai mô hinh chưng cât:4. Phân loai

C-CHƯNG CẤT1. Thuật toán Inside Out

2. Thuật toán Chemdist

- 1 -

3. Thuật toán Eldist

4. Tinh toán thuỷ động lực học cho tháp chưng c ât

5. Tốc độ và kich thươc của tháp đĩa

D- SIDE COLUMN

1. Giơi thiêu

2. Phân loai:

3. Phương pháp tinh toán:

VI DU

Bài toán 1

Bài toán 2

- 2 -

TỔNG QUAN VỀ PRO/II

I - Giới Thiệu Phần Mềm Pro / II

PROII là phần mềm của công ty SIMSCI, dẫn đầu trong lĩnh vực mô phỏng công nghệ từ năm 1967. Công ty SIMSCI là thành viên của Intelligent Automation Division, thuộc công ty Invensys. (địa chỉ website: http://www.simsci-esscor.com ) hoạt động trong lĩnh vực điều khiển tự động, cung cấp các phần mềm ứng dụng trong công nghệ lọc hoá dầu, thực phẩm, năng lượng,…

Phần mềm PRO/II là phần mềm mô phỏng trợ giúp các kỹ sư công nghệ hoá học, dầu khí, Polimer…Từ việc tách ra dầu và khí đến những quy trình chưng cất, PRO/II kết hợp những tài nguyên dữ liệu của thư viện thành phần hóa học rộng lớn và phương pháp dự đoán thuộc tính nhiệt động tiên tiến nhất. PRO/II là công cụ tính toán dễ dàng các cân bằng vật chất và năng lượng, nhằm mô phỏng quy trình ở trạng thái ổn định; theo dõi, tối ưu hóa, cải thiện năng suất…

Có thể vào trang chủ  PRO/II để biết chi tiết về phần mềm,cách dùng và nhiều hổ trợ khác,có thể đăng kí mua bản PRO/II.

II - 7 bước sử dụng phần mềm PROII

Sự mô phỏng kết quả tới Desktop được thực hiện qua 7 buớc:

1) Vẽ sơ đồ qui trình sản xuất:

Lựa chọn hoạt động đơn vị thích hợp từ PRO/II từ những biểu tượng thích hợp, trỏ vào nút biểu tượng, kích chuột, và thả đơn vị trong phạm vi hoạt động bằng cách kích lần nữa. Xác định rõ những dòng bằng cách chọn nút STREAM, kích chuột cho đầu vào và ra mỗi đơn vị công nghệ.

- 3 -

2) Định rõ những thành phần:

Kích nút biểu tượng những thành phần để vào một danh sách tất cả các thành phần trong quá trình. Chọn từ hơn 1,700 thành phần đuợc xây dựng trong cơ sở dữ liệu của SIMSCI bằng cách đánh vào tên thành phần hoặc lựa chọn từ danh sách đuợc xác định trước đó.

- 4 -

      3) Lựa chọn những phương thức Tính toán Nhiệt động:

- 5 -

Kích nút sơ đồ pha để chọn những phương thức nhiệt động từ danh sách những phương thức thường sử dụng, khái quát hóa, phương trình trạng thái, phương thức chất lỏng hoạt động, và những gói dữ liệu đặc biệt.

     4) Định rõ những dòng được nhập liệu:

- 6 -

Nhấn đúp vào mỗi dòng nhập liệu ngoài để cung cấp dữ liệu dòng ( lưu luợng chảy, thành phần, nhiệt độ, áp suất ).

      5) Cung cấp những điều kiện cho Qui trình

Nhấn đúp vào mỗi biểu tượng đơn vị hoạt động trong sơ đồ qui trình sản xuất , và cung cấp dữ liệu ( những vùng dữ liệu đuợc phác thảo màu đỏ). Khi nhập dữ liệu quá trình, vùng dữ liệu thay đổi màu từ đỏ đến xanh.

      6) Chạy mô phỏng

- 7 -

Một lần bạn cung cấp tất cả dữ liệu đuợc yêu cầu và không còn nhìn thấy những vùng đỏ, vậy là bạn sẵn sàng để chạy sự mô phỏng 

      7) Xem kết quả:

- 8 -

Sau khi chạy xong quá trình mô phỏng, bạn có thể xem lại những kết quả  và xếp thành bảng sử dụng báo cáo để in mặc định hoặc trực tiếp trong Excel.

III - Sơ đồ một quy   trình dùng phần mềm PRO/II

IV - Nhập dữ liệu và chọn thuật toán

     1) Nhập dữ liệu :

Khi nhập dữ liệu cần chú ý đến tính hợp lý các thông số công nghệ thực tế, do thiết bị có thể bị hư hỏng và cho kết quả sai mà không biết.Chương trình muốn hội tụ các thông số phải tương ứng và hài hoà với nhau. Một thông số  không hợp lý làm quá trình tính toán không hội tụ làm không biết nguyên nhân.

Quá trình nhập dữ liệu chỉ cần nhập một phần các giá trị cần thiết, các thông số còn lại được tính toán khi chạy chương trình.

Thông số được chia ra làm 3 loại:

Thông số không đổi: là thông số giữ cố định trong suốt quá trình tính toán như áp suất, nhiệt độ, lưu lượng dòng trích ngang…

Thông số ước lượng : là thông số phải khai báo hoặc không cần khai báo tuỳ ý. Đối với thông số này, bộ tính toán

- 9 -

xem như là giá trị đầu của thuật toán lặp, kết quả tính toán có thể khác so với giá  trị ước lượng ban đầu. Tuy nhiên kết quả ước lượng phải gần kề với giá trị kết quả thì chương trình mới hội tụ.

Thông số không cung cấp: là thông số không cần nhập, được phần mềm qui định.

Khi nhập xong dữ liệu vào, ô thông số chuyển sang màu xanh. Nếu dữ kiện vẫn còn thiếu thì ô có màu đỏ và cần bổ sung cho khi nào chuyển sang màu xanh thì mới được chạy chương trình.

      2) Chọn thuật toán:

Trong quá trình lặp, PRO II cần các giá trị ban đầu của thông số, từ đó PRÔ II tự động ước lượng bằng công cụ IEG dựa trên các thông số đã cung cấp. IEG chỉ được sử dụng hai thuật toán lặp I/O và Chemdist trong PRO/II. Khi mô phỏng quá trính chưng cất dầu mỏ thì I/O thường được sử dụng vì giải nhanh và phù hợp cho các hệ Hydrocacbon.

Phương pháp tính lặp I/O (inside/outside): chia công việc tính toán thành hai vòng lặp, vòng lặp nội và vòng lặp ngoại.Vòng lặp nội PRO/II giải các phương trình của cột chưng cất: phương trình cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt và điều kiện biên. Vòng lặp nội dùng phương pháp tính gần đúng nên xác định các biên số rất nhanh.

Sau khi vòng lặp nội đã hội tụ (sai số giữa hai lần lặp đạt yêu cầu) thì PRO/II chuyển sang tính vòng lặp ngoại. Tại vòng lặp ngoại, sẽ tính các giá trịi như K (độ bay hơi tương đối ), H (enthalpy) dựa trên kết quả vòng lặp nội về thành phần, nhiệt độ. Việc tính toán các phương trình nhiệt động có thể chiếm tới 80% thời gian tính toán vì đây là các phương trình phức tạp về thành phần và áp suất.

PRO/II chia làm hai vòng lặp nội và ngoại để giảm số lần giải các phương trình nhiệt động, trong đó có vòng lặp nội tính toán gần đúng.

- 10 -

 

Lưu đồ tính toán của phương pháp I/O

Khi chương trình không hội tụ, có nhiều nguyên nhân dẫn đến không hội tụ:

- Thông số đầu vào không chính xác, dữ kiện bị thiếu hoặc quá chặc chẽ nên không thực hiện được.

- Do mô hình không hợp lý như không đủ số mâm lý thuyết, thuật toán chọn sai, bộ tính toán tính chất không phù hợp…

- Do thông số mặc định cho phần mềm không thích hợp: mặc dù quá trình hội tụ nhưng không đủ số vòng lặp nên không có đáp số, do vậy cần phải tăng thêm số vòng lặp tối đa cho phép hoặc giảm hệ số “damping”

- Sai số khắc khe, khó đạt được …

V - Kiểm tra độ tin cậy của kết quả

Khi đã phân tích kết quả và thấy mô hình tính toán phù hợp qui trình thực tế thì kiểm tra độ tin cậy của kết quả tính toán  bằng cách :

o Thay đổi bộ tính toán tính chất (phải phù hợp với hệ

đang mô phỏng).

o Thay đổi cấu tử giả của dòng nhập liệu

- 11 -

o Khi tăng số cấu tử giả mà kết quả tính toán chênh lêch

không đáng kể thì phải lấy kết quả mới chính xác hơn .

Nói chung bước kiểm tra độ tin cậy không nhất thiết phải được thực hiện nếu không có mối nghi ngờ nào.

VI -   Một số công cụ hỗ trợ   Bộ phận ngưng tụ:

Sản phẩm đỉnh từ tháp có bộ phận ngưng tụ tương tự như sản phẩm từ reflux accumulator drum.

Việc lựa chọn bộ phận ngưng tụ tuỳ thuộc vào các yếu tố:Thành phần,Nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ làm việc, nhiệt độ quá lạnh, độ giảm nhiệt độ quá lạnh.

Bộ phận đun lại(nồi đun lại)-Thường được tự mặc định dạng tiêu chuẩn(kettle):được xây dựng

dựa trên năng suất của mâm đáy củ tháp với sản phẩm cân bằng lỏng là sản phẩm đáy.

-Đối với thuật toán I/O và I/O mở rộng, ta có thể dùng các dang sau: nồi đun lại có điều chỉnh lưu lượng và ồi đun lại không điều chỉnh lưu lượng.

-Đối với các thuật toán khác thì chỉ có thể dùng nồi đun lại tiêu chuẩnLưu y:

-Những nồi đun lại có điều chỉnh lưu lượng(nồi đun lại sẽ đưa dòng lại bồn chứa của nồi đun và chảy tràn vào bồn chứa sản phẩm) thì tương tự nồi đun không điều chỉnh lưu lượng về mục đích mô phỏng và được tạo mẫu như nhau

-Các cài đặt của thermosiphon nồi đun:+Thành phần của dòng lỏng hồi lưu của nồi đun+ Nhiệt độ của dòng hồi lưu+ Nhiệt độ thay đổi khi đi qua nồi đun+ Tốc độ quay vòng của nồi đun

Bộ phận làm nong, làm mát:

- 12 -

-Các bộ phận này được đi kem với máy bơm, năng suất âm dùng để chỉ quá trình làm mát, năng suất dương cho quá trình làm nóng. Không có giới hạn về số lượng của các bộ phận này.

-Đối với mỗi bộ phận làm nóng, làm mát, cần khai báo các thông số sau: số mâm, tên, năng suất(có dấu phù hợp)

CHI TIÊ T CA C THIÊ T BI

A- FLASH

1. Giơi thiêu:

Thiết bị phân tách cân bằng pha mô phỏng các hoạt động dựa trên sự cân bằng pha. Có thể dùng để mô phỏng 1 số thiết bị cân bằng đơn giản như thiết bị bốc hơi thiết bị lắng gạn,thiết bị cô đặc.

2. Phương pháp tinh toán:Pro/II chứa những phần tính toán cho những trạng thái cân bằng tách

chẳng hạn như flash drums , mixers,valves,splitters. Flash calculations cũng thường được dùng để xác định trạng thái nhiệt động của mỗi dòng vào cho một số đơn vị vận hành . Đối với Flash calculation cho 1 vài dòng, ở đây có sự tổng cộng của NC và 3 mức độ của tự do. NC là số của tất cả các cấu tử trong dòng này . Nếu thành phần cấu tạo của dòng và tỉ lệ được trộn lận thì cũng có 2 bậc tự do cũng được trộn . Ví dụ nhiệt độ và áp suất của tách đẳng nhiệt .Nói thêm , đối với tất cả các đơn vị vận hành, Pro cũng có thể biểu diễn 1 Flash calculation trên dòng sản phẩm tại điều kiện đầu ra.Sự khác biệt enthalpy của dòng sản phẩm và dòng vào là net duty của đơn vị vận hành.

- 13 -

Hệ thống các phương trình: Toång caân baèng khoái löôïng :

- 14 -

3. Flash drumĐơn vị của Flash drum có thể được vận hành với những thông số điều

kiện , đẳng nhiệt đỉêm sương , đỉêm sủi bọt khác nhau …Đỉêm sủi bọt cũng có thẻ đựơc xác định cho pha hydrocacbon hay pha nước . Đỉêm cao hơn đỉêm sương cũng có thể được xác định cho tổng dòng. Nói thêm, đối với 1 số dòng tổng quát đặc biệt như tốc độ cấu tử hay là đặc tính dòng đặc biệt chẳng hạn như sulfur có chứa áp suất và nhiệt độ.

- 15 -

B- SHORTCUT

1. Giơi thiêu tổng quan:Shortcut được sử dụng trong tính toán sơ bộ để xác định số bậc cần

thiết đối với 1 sự phân tách cho trước. Việc tính toán dựa trên quy trình cổ điển Fenske-Gilliland-Underwood, được làm thích ứng để xử lý các bộ ngưng tụ 1 phần hay toàn phần. Ta nên sử dụng các mô hình tính toán nhanh trong các giai đoạn đầu của tính toán flowsheeting để hội tụ các dòng hoàn lưu 1 cách dễ dàng hơn, bởi các thông số sẽ luôn luôn được thoả mãn ngay cả khi việc định kích thước có vấn đề.

Pro/II điều khiển phương pháp tính toán chưng cất shortcut nhằm xác định trạng thái làm việc của tháp như phân tách cấu tử, số đĩa cực tiểu, tỉ số hồi lưu tối thiểu. Thiết bị Shortcut giả thiết rằng luợng trung bình của chất dễ bay hơi có thể được xác định. Quy trình Fenske đuợc dùng để tính toán hiệu suất và số đĩa cực tiểu cần thiết. Tỉ số hồi lu tối thiểu đuợc xác định bởi phương pháp Underwood. Quy trình Gilliland đuợc dùng để tính số đia lý thuyết yêu cầu, tỉ lệ dòng hồi lưu thực tế. Đồng thời

- 16 -

phương pháp này cũng xác định chức năng của thiết bị ngung tụ và đun sôi để có thể đem lại tỉ số hồi lưu thấp nhất. Cuối cùng, quy trình Kirkbride dùng để xác định vị trí nhập liệu tối ưu.

Shortcut là 1 phương pháp rất có ích cho những ai lần đầu thiết kế những đồ án thực tế. Phương pháp này có nhược điểm là không hoạt động đối với một số hệ thống. Đối với hệ thống gần như không lý tửơng, shortcut sẽ cho kết quả rất xấu hoặc không có kết quả. Trong các trừơng hợp tháp có nhiều chất dễ bay hơi khác nhau shortcut cũng sẽ cho kết quả rất xấu.

Các chế độ làm việc của thiết bị ngưng tụ có thể chọn sao cho phù hợp:

Partial: ngưng tụ 1 phần

Mixed: ngưng tụ hỗn hợp

Bubble Temperature : ngưng tụ ở nhiệt độ sôi(chọn)

Subcooled, Fixed Temperature : nhiệt độ quá lạnh

Subcooled, Fixed Temperature Drop : độ giảm nhiệt độ quá lạnh

2. Phương pháp tinh toán

Quy trình Fenske:

Mối quan hệ giữa tốc độ hoá hơi giữa cấu tử i và cấu tử j trên mỗi đĩa trong tháp được thể hiện qua phương trình sau

với x:thành phần mol trong pha lỏng

y:thành phần mol trong pha hơi

chỉ số i, j tương ứng với cấu tử i và j

chỉ số N là số đĩa phản ứng.

Đối với những tháp có độ bay hơi giữa các cấu tử chênh lệch rất nhỏ,

- 17 -

ta có thể định nghĩa độ bay hơi trung bình. Đó sẽ là gía trị trung bình của sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

Số đĩa lý thuyết tối thiểu được tính theo công thức

Quy trình Underwood:

Giá trị của độ bay hơi của các cấu tử trong dòng nhập liệu quyết định cấu tử nào nhẹ cấu tử nào nặng. Cấu tử nhẹ là cấu tử dễ bay hơi và ngược lại.

Nếu ta đặt αj là độ bay hơi tương đối trung bình của cấu tử j

với j là cấu tử khóa

αj=1 cấu tử khóa

αj>1 cấu tử nhẹ hơn cấu tử khóa

αj<1 cấu tử nặng hơn cấu tử khóa

Phương pháp Underwood được dùng để xác định tỉ số hồi lưu cần thiết ứng với số mâm là vô cùng để tách hoàn toàn cấu tử khoá. Đối với 1 tháp có số mâm là vô cùng,quá trình chưng cất sẽ tách loại hoàn toàn cấu tử nặng hơn cấu tử khóa. Tương tự, sản phẩm đáy sẽ loại hết cấu tử nhẹ hơn cấu tử khóa. Đối với những cấu tử có độ bay hơi ở khoảng giữa hai cấu tử nặng nhẹ và sẽ được phân bố giữa sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy.

- 18 -

Phương trình được phát biểu bởi Shiras cũng có thể được dùng để xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu nếu chọn được cấu tử khóa chính xác :

Quy trình Kirkbride:

Vị trí đĩa nhập liệu tối ưu được xác định bởi phương trình Kirkbride

Với m là số giai đoạn lý thuyết phía trên đĩa nhập liệu.

p là số giai đoạn lý thuyết phía dưới đĩa nhập liệu

Tương quan Gilliland:

Tương quan Gilliland được Pro II sử dụng để dự đoán mối quan hệ giữa số đĩa tối thiểu và chỉ số hồi lưu tối thiểu để tìm ra chỉ số hồi lưu thực và số đĩa lý thuyết phù hợp.

Điểm phản ứng được người sử dụng chọn như điểm giữa hệ thống đĩa và dòng hổi lưu. Dựa trên tỉ số hồi lưu phù hợp, chế độ làm việc của đỉnh tháp sẽ đựơc tính toán và kết hợp xác định cho thiết bị ngưng tụ. Bộ phận đun sôi được tính toán từ phương trình cân bằng nhiệt.

3. Phân loai mô hinh chưng cât:

2 dạng được sử dụng trên ProII là: mô hình tiêu chuẩn và mô hình tinh chế

- 19 -

Mô hình tiêu chuân:

Được mặc định sẵn trong ProII

Chế độ dòng hoàn lưu tổng được cài đặt sẵn trong tháp

Mô hình tinh chê:

Tháp tính tóan nhanh bao gồm 1 dãy các tháp có 1 dòng nhập liệu và 2 dòng sản phẩm bẳt đầu từ phần ở đáy.

Không có hồi lưu giữa các phần

4. Phân loai:

Simple column

Là tháp mà chỉ có 1 dòng nhập liệu được đưa vào tháp ở vị trí giữa nồi đun và thhiết bị ngưng tụ.

Chỉ được áp dụng cho pp chưng cất nghiêm ngặt

Complex column

Là tháp có nhiều hơn 2 sản phẩm, 2 mẫu chưng cất được ứng dụng cho complex column

Tháp tinh chế sản phẩm nặng: cực kì phù hợp cho dạng mẫu chưng cất thứ 2

C- CHƯNG CẤT

Đối với hầu hết các hệ, SimSci thường sử dụng thuật toán I/O. Khi 1 bài toán có thể sử dụng nhiều hơn 1 thuật toán thì thuật toán I/O thường hội tụ nhanh hơn.

1. Thuật toán Inside Out :

Thuật toán này trong PROII dựa trên một bài viết của Russell vào năm 1983. Thuật toán này chứa một số thuộc tính mới mẻ đã góp phần tạo nên tính chất hội tụ tuyệt vời của nó. Thuật toán này được chia ra với 2 vòng lặp là vòng lặp trong và vòng lặp ngoài.

- 20 -

Ở vòng lặp trong thì nhiệt, vật chất, và những đặc tính thiết kế kĩ thuật được giải quyết. Những mô hình nhiệt động đơn giản cho enthalpy và giá trị độ bay hơi tương đối K được sủ dụng trong vòng lặp trong. Cùng với những mô hình đơn giản thì sự lựa chọn biến ban đầu cho phép vòng lặp trong giải quyết một cách chính xác và đáng tin cậy.

Ở vòng lặp ngoài những thông số của mô hình nhiệt động đơn giản được cập nhật dựa trên những thành phần mới và kết quả của quá trình tính toán nhiệt động chặt chẽ. Khi nào mà giá trị các giá trị Enthalpy và K tính được phù hợp với mô hình nhiệt động đơn giản và các đặc tính thiết kế kĩ thuật được thỏa mãn thì thuật toán được giải quyết xong.

Những biến đầu tiên trong vòng lặp trong là những yếu tố stripping và yếu tố dòng hồi lưu. Những phương trình của một vòng lặp trong bao gồm phương trình cân bằng enthalpy cho các đĩa và phương trính của các đặc tính thiết kế chi tiết kĩ thuật. Yếu tố stripping được định nghĩa như sau:

Trong đó: Sj = yếu tố Stripping của giai đoạn j

V = the net vapor leaving the stage (lượng hơi rời khỏi đĩa)

L = the net liquid leaving the stage (lượng lỏng rời khỏi đĩa)

Kb = the base component K-value from the simple K-value model (giá trị K của mô hình nhiệt động)

Vòng lặp trong giải hệ phương trình sau:

- 21 -

Trong đó Hj : Nhiệt cân bằng cho mỗi mâm.

SPk : các đặc tính thiết kế chi tiết kĩ thuật

Hệ phương trình này được giải bằng phương pháp Newton-Raphson.

Vòng lặp ngoài:

Vòng lặp ngoài trong thuật toán này cập nhật dữ liệu từ những thông số của các mô hình nhiệt động đơn giản và kiểm tra sự hội tụ. Ở vòng lặp trong, những phương trình chưng cất được tính toán cho mô hình nhiệt động hiện hành. Sự kiểm tra hội tụ trong vòng lặp ngoài so sánh với những tính toán chặt chẽ các giá trị enthalpies và các giá trị cân bằng lỏng hơi K từ những thành phần mới ( kết quả tính toán từ vòng lặp trong).

Giá trị ban đầu K b trên mỗi đĩa được tính như sau :

- 22 -

2. Thuật toán Chemdist

Chemdist là 1 thuật tóan mới được SimSci phát triển để tính toán mô phỏng cho hệ có độ lí tưởng không cao. Chemdish là phương pháp thuần Newton Raphson với việc phân tích đầy đủ những phát sinh, bao gồm phát sinh trong hoạt động và trong hệ số nhớt. Chemdish cho phép 2 pha lỏng được tạo thành trên bất kì đĩa nào trong tháp và cung cấp cấu hình của 2 pha lỏng ngưng tụ. Chemdish với những phản ứng hóa học cho phép thủ tục In-Line cho những phản ứng phi động lực học .

Chemdish trong Pro/II là phương pháp Newton phù hợp để giải quyết những vấn đề chưng cất phi lí tưởng liên quan đến 1 số lĩnh vực trong hóa hoc. (nhỏ khoảng 10%). Những điều kiện này là những va chạm chung trong chưng cất như chống lại phân đoạn thô khi mà lẽ ra nên lựa chọn phương pháp I/O. Chemdish dùng để giải quyết tốt cả vấn đề cân bằng hơi- lỏng và cân bằng hơi- lỏng- lỏng như 1 phản ứng hóa học.

Biểu đồ cân bằng đĩa cho trường hợp chưng cất 2 pha không có phản ứng hóa học.

Những biểu thức được miêu tả như sau :

- 23 -

Cân bằng khối lượng:

Cân bằng năng lượng:

Cân bằng lỏng –hơi:

Số phân mol:

Fi = tổng dòng nhập liệu ở mâm thứ i

Li = tổng dòng lỏng từ mâm thứ i

Vi = I tổng dòng khí từ mâm thứ i

Qi = nhiệt cung cấp cho mâm thứ i

Ti = nhiệt độ mâm thứ i

X i,j = ln(x i,j) của phân mol lỏng

Y i,j = ln(y i,j) của phân mol khí

NC = số cấu tử

NT = số đĩa

3. Thuật toán Eldist

- 24 -

Eldish là dạng mở rộng của Chemdish áp dụng cho mẫu chưng cất dung dịch chất điện li .Nó được giải quyết nhờ sử dụng nhóm phần mếm thứ 3 từ hệ thống OLI. Máy tính tính toán trực tiếp giá trị độ bay hơi tương đối K mà đã được chuyển hóa thành K cân bằng. Sau đó Eldish dùng gía trị này để tính toán cân bằng lỏng- hơi.

Thuật toán Eldist trong pro/II là sự kết hợp của phương pháp Newton được sử dụng trong Chemdist để giải phương trìh MESH và giải quyết phương trình riêng cho pha lỏng được mô tả trong mô hình toán Section – Electrolyte.

Thuật toán cơ bản: Phương trình Mesh được giải quyết nhờ thuật toán Newton-Raphson tính toán lặp vòng ngoài, trong khi phương trình riêng cho pha lỏng với giá trị K thì được tính toán bằng pp lặp vòng trong.

Lặp vòng trong: nhập các thông số mẫu nhiệt độ, áp suất , phân mol của cấu tử pha lỏng và pha khí. Nhiệt độ , áp suất và phân mol pha lỏng thì cần cho việc tính toán thông số và độ nhớt cho của pha lỏng. Còn phân mol pha khí thì cần để tính giá trị K và gia trị K phát sinh ước tính

Vòng lặp ngoài: Mẫu lặp vòng ngoài được giải theo thuật toán Newton

Có 2 cấu tử + 3 phương trình và 2 cấu tử + 3ẩn trên mỗi đĩa lí thuyết. Những biến đổi độc lập trên mỗi đĩa là:

a. ln(x), phân mol lỏng

b. ln(y) phân mol khí

c. đĩa pha lỏng L1

d. đĩa pha khí V1

e. đĩa nhiệt độ T1

Những phương trình để giải trên mỗi đĩa là

Cân bằng cấu tử:

- 25 -

Cân bằng lỏng –hơi:

Cân bằng năng lượng:

4. Tinh toán thuỷ động lực học cho tháp chưng c ât

Pro II chứa những phương pháp tính toán cho tốc độ và kích cỡ của tháp đĩa, và cho những mô hình tháp đệm được đệm với vật liệu bất kì hay vật liệu có cấu trúc.

Tháp đĩa được chọn nhiều hơn tháp đệm để ứng dụng cho những trường hợp tốc độ của lỏng lớn. Trong khi đó tháp đệm thích hợp hơn tháp đĩa trong trường hợp chưng cất chân không và cho những trường hợp có sự ăn mòn.Tất cả các tính toán cho tháp đĩa và tháp đệm đều yêu cầu biết độ nhớt động học. Thông số độ nhớt động học sẽ là cơ sở để người dùng lựa chọn các công cụ tính toán nhiệt động lực học phù hợp

- 26 -

5. Tốc độ và kich thươc của tháp đĩa

Tháp đĩa bao gồm van, tháp đĩa lỗ, tháp đĩa nhập liệu sôi ở đỉnh được Pro/II mô hình hoá và sử dụng như là 1 công cụ tính toán thử nghiệm.Quy trình đựơc phát biểu bởi Glitsch dùng để ước tính năng suất hoặc chế độ dòng chảy, chênh lệch áp suất của van thuỷ lực. Đối với tháp đĩa lỗ hoặc đĩa nhập liệu sôi ở đỉnh, năng suất được ước tính là 95% và năng suất tương ứng là 85% đối với van.

.Năng suất:

Năng suất của tháp đĩa được định nghĩa bằng yếu tố năng suất lượng hơi không chứa lỏng. Đồ thị được dùng để đạt tới yếu tố năng suất yêu cầu dựa trên khoảng cách giữa các đĩa và tỷ trọng hơi.

Sự sủi bọt trên các đĩa cũng được xét đến như là 1 yếu tố hệ thống. Bảng 5-7 sẽ cho ta thấy các yếu tố hệ thống được dùng để tính toán chính xác yếu tố năng suất hơi

- 27 -

Để thiết kế tháp đĩa ta tính toán phần trăm các dòng để tìm kích thước đừơng kính tháp, lượng hơi cần sử dụng.

Lượng hơi cần sử dụng được định nghĩa như sau:

Vload : dung lượng hơi

ACFS (actual vapor volumetric flow rate): thể tích thực của hơi ứơc lượng trước

G: tỷ trọng hơi

- 28 -

L: tỷ trọng lỏng

Độ giảm áp

Đối với van, tháp đĩa lỗ, tháp đĩa tầng sôi độ giảm áp toàn bộ là tổng của độ giảm áp trên tháp khô và độ giảm áp gây ra do lỏng bị nghẽn trên đĩa

Với ∆P là độ giảm áp tổng (trên 1 thể tích)

Pdry là độ giảm áp trên đĩa khô

Pl là độ giảm áp do lỏng trên đĩa gây ra.

Độ giảm áp trên đĩa khô được xác định dựa vào đồ thị thể hiện quan hệ giữa độ giảm áp do trọng lượng của van tại dòng hơi có tốc độ thấp và bình phương tốc độ ban đầu của dòng hơi có tốc độ cao .

a. Độ giảm áp trên đĩa khô

Đối với tháp đĩa lỗ, phương pháp Fair được dùng để xác định độ giảm áp trên đĩa khô theo phương trình

Với C là hệ số chảy tràn

G là tốc độ ban đầu trên bề mặt hơi

Đối với tháp đĩa tầng sôi, độ giảm áp trên đĩa khô được tính bằng phương pháp Bolles:

Với : hsh chiều cao tầng sôi

Hệ số đỉnh khô K2 trong phương trình trên là 1 hàm số theo tỷ lệ vòng của vùng ống đứng.

b. Độ giảm áp của lỏng

- 29 -

Đối với tháp đĩa van thủy lực, độ giảm áp của lỏng được tính theo công thức sau

Với L tốc độ toàn bộ dòng lỏng trong tháp (gpm)

lw chiều dài van (inch)

hw chiều cao van (inch)

Đối với tháp đĩa lỗ hay tháp đĩa tầng sôi độ giảm áp của lỏng được tính theo phương trình

i. Dùng cho tháp đĩa lỗ:

ii. Dùng cho tháp đĩa tầng sôi:

Với : hds tính toán chiều cao của chất lỏng tinh khiết ở đĩa trên cùng (động học đặc trưng)

hs chiều cao cột chất lỏng gây ra áp suất tĩnh

how chiều cao phần đỉnh trên van

hhg gradient thuỷ động lực học chảy màng

D- SIDE COLUMN

- 30 -

1. Giơi thiêu

Những tháp sử dụng thuật toán Inside-Out hay Sure thì thường được gán thêm tháp phụ, tháp này có thể đóng vai trò tháp chưng sơ bộ hay tháp ngưng tụ. tháp phụ có dòng nhập liệu từ tháp chính và hồi lưu sản phẩm về tháp chính. sản phẩm cuối cùng sẽ đựơc lấy từ tháp phụ.

Tháp phụ được lắp đặt vào hệ thống trong màn hình chính của PFD. Các tháp này được xây dựng và cái đặt bàng cách double-click vào biểu tượng của nó trên PFD.các cửa sổ nhập thông số của tháp phụ giống các cửa sổ nhập thông số của tháp ngoại trừ 1 số đặc điểm không liên quan.

2. Phân loai:

Tháp phu đóng vai trò tháp phân tách:

Tháp phân tách phụ được sử dụng rộng rãi để kiểm soát điểm phân tách of các sản phẩm lỏng như diesel, xăng,và kerosene. Các sản phẩm này được lấy từ tháp chính và đưa vào đĩa đỉnh của thiết bị phân tách ( tổng số đĩa của thiết bị khoảng 6-10 đĩa)

Môi trường phân tách (thường là hơi nước) được đưa vào ở đáy tháp để phân tách khoảng 10% dòng lỏng nhập liệu (pha nhẹ nhất). Dòng này sau đó sẽ được đưa lại về tháp chính. Dòng lỏng sau khi đã được phân tách (sản phẩm) sẽ được lấy ra ở đáy tháp phân tách phụ.

Sự khác nhau trong thiết kế của tháp phân tach phụ sẽ tuỳ thuộc vào việc sử dụng nồi đun, dùng để đun dòng lỏng nhập liệu. Tháp phân tách thường không có các bộ phận ngưng tụ,bơm hay bộ phận làm nóng ,làm lạnh.

Chỉ có thuật toán Sure mới cho phép sử dụng bộ phận ngưng tụ cho tháp phân tách phụ.

Tháp phu đóng vai trò tháp ngưng tu:

Tháp ngưng tụ phụ được dùng để loại các thành phần nặng của sản phẩm đỉnh. Sản phẩm hơi từ đỉnh tháp chính sẽ được đưa vào đáy tháp phụ (tổng số tháp phụ thường rất lớn). Tháp ngưng tụ phụ thường cần có bộ phận ngưng tụ hay làm mát ở đỉnh để làm ngưng tụ dòng hồi lưu.

- 31 -

Sản phẩm cuối được thu lấy từ đỉnh của tháp ngưng tụ. Dòng lỏng từ đáy tháp ngưng tụ phụ sẽ được đưa về lại tháp chính.

Tháp ngưng tụ phụ có cấu tạo và chức năng tượng tự như bộ phận ngưng tụ của tháp chưng cất tiêu chuẩn. Hiệu suất mâm có thể lên đến 45-55% trong nhiều quá trình. Tháp ngưng tụ thường không có bơm,bộ phận là nóng,làm mát, đặc biệt là không bao giờ có nồi đun.

Ví dụ:Bộ phận làm nóng Q3 đặt ở mâm thứ 13 được dùng để đun nóng lại dòng

thô tới nhiệt độ cần thiết để đưa vào nhằm đạt được sản phẩm như mong muốn.

- 32 -

Trong ví dụ này, các flows và compositions được cung cấp từ dòng 1,9 và 10 trong mục lục dữ liệu dòng. dòng 6 là dòng được đưa trở lại từ thiết bị phân tách phụ.

Tháp chính có các cài đặt là tốc độ dòng lỏng gasoline nhẹ và tốc độ lỏng từ mâm 12. Tháp ngưng tụ và bộ phận làm nóng ở mâm 13 là các biến số được thay đổi để thoả các cài đặt trên.

Dòng 5 ra từ tháp chính tới tháp phân tách được xác định bởi tháp phân tách nhằm thoả các cài đặt cho dòng Naphthan nặng

Dòng thô được đưa vào tháp ở trạng thái lỏng tại điều kiện ra từ nồi đun. Vì vậy, nhiệm vụ ước tính cho Q3 sẽ liên quan tới nồi đun dòng thô. Nhiệt độ của mâm 13 sẻ đăc trưng cho điều kiện của môi trường phân tách.

3. Phương pháp tinh toán:

Thuật toán Insde-Out gắn tháp phụ vào tháp chính để dùng cho việc tính toán. Phương pháp này có nghĩa là SPECs và VARYs cho tháp chính và tháp phụ không cần được thăng bằng, dù cho SPECs và VARYs chủa toàn bộ hệ thống tháp phải cân bằng.

- 33 -

Thuật toán Sure giải quyết tháp phụ như là 1 tháp riêng trong quá trình hồi lưu/ phương pháp này tốn nhiều thời gian hơn và đòi hỏi SPECs và VARYs cho tháp chính và mỗi tháp hụ đều phải cân bằng.

Thuật toán Chemist không cho sử dụng tháp phụ.

VI DU

Bài toán 1:Tháp chưng cất liên tục với mâm xuyên lỗ, phân tách ở áp suất thường 10 tấn/h hỗn hợp lỏng chứa 50% khối lượng benzen và 50% khối lượng Toluen.Nồng độ benzen trong sản phẩm đỉnh là 96% khối lượng và nồng độ sản phẩm đáy là 98% khối lượng Toluen.Nhập liệu vào ở nhiệt độ sôi.Tính và chọn tháp.

Các bước tiến hành ví dụ

I/ Xác định số đĩa lý thuyếtDùng thiết bị shortcut để xác định số đĩa lý thuyếtBước 1: Vẽ sơ đồ tiến hành như sau:

Bước 2: Nhập các cấu tử trong hệ

Nhấp vào biểu tượng trên thanh công cụ, nhập cấu tử như sau:

- 34 -

Bước 3: Nhập phương trình nhiệt động.Tùy vào từng trường hợp mà ta chọn mô hình nhiệt động cho thích hợp

Nhấp vào biểu tượng , rồi chọn mô hình nhiệt động :

Bước 4: Nhập dữ liệu cho dòng vào shortcut:Double click vào dòng S1:

-Trong discription: nhập mô tả dòng : Feed-Chọn Compositions defined ở mục Stream Type - Nhấp vào Flowrate and Composition - Nhập thông số như sau:

- 35 -

Bước 5: Nhập dữ liệu cho thiết bị-Double click vào thiết bị.-Chọn Minimum reflux, đánh dấu chọn Perform Minimum Reflux

Calculation như sau 

- 36 -

-Trong Specifications :

- 37 -

-Trong mục Products :

Bước 6 : Chạy mô phỏng

- Nhấp vào biểu tượng trên thanh công cụ.- Lưu đồ chuyển sang màu xanh như sau :

- 38 -

Bước 7 : Xuất kết quả ra màn hình.

-Lưu bằng chế độ Save as

-Nhấp vào biểu tượng Trích dẫn :

Bước 8 : Từ mối tương quan của N*(R+1) với R/Rmin ước đoán được số đĩa lý thuyết

- 39 -

Chọn số đĩa là 15, nhập liệu vào đĩa số 7.

II/ Tính toán cho thiết bị Distillation:

-Thay thiết bị Shortcut bằng thiết bị Distilation :

-Nhập số đĩa nhập liệu là 15, vị trí đĩa nhập liệu là 7

-Ước đoán giá trị ban đầu của lượng sản phẩm đáy là : 6000 kg/h.

-Nhập liệu tương tự như trong thiết bị Shortcut

- 40 -

- 41 -

-Chạy chương trình, được như sau:

-Có thể xuất kết quả ra màn hình, tùy vào yêu cầu mà ta đọc những thông số cần thiết

- 42 -

- 43 -

- Tối ưu hóa vị trí đĩa nhập liệu: Dùng Optimizer

-Số đĩa nhập liệu tối ưu là 6.

- 44 -

Bài toán 2: Cho vào thiếtbị tách lỏng khí một dòng nguyên liệu với các

dữ liệu sau:

-Lưu lượng :100kmol/h, t= 300C, p= 10 bar

-Thành phần hóa học

Methane : 13 kmol/h

Ethane: 22 kmol/h

Propane :38 kmol/h

Butane : 22 kmol/h

Pentane: 5kmol/h

Điều kiện làm việc của thiết bị tách :300C, 7 bar

Hãy xác định:

1.Phần mol bay hơi của nguyên liệu trong điều kiện của bình tách.

2.Thành phần của lỏng và hơi ra khỏi thiết bị tách?

3.Năng suất nhiệt của thiết bị tách.

Giải:

Bước 1: Tạo dựng bản sơ đồ quá trình.

Bước 2: Click vào biểu tượng phân tử benzene .Xuất hiện cửa sổ rồi sau đó ta nhập cấu tử vào.

- 45 -

Bước 3: Xác định phương pháp nhiệt động.

Click vào biểu tượng xuất hiện cửa sổ .Rồi ta chọn Most Commonly

Used và chọn Peng Robinson

- 46 -

Bước 4: Thiết lập dữ liệu đối với dòng.

Click vào dòng S1 xuất hiện ra bảng

- Nhập số liệu cho dòng với total là 100kmol/h và nhiệt độ là 300°C ,áp suất là 10 bar

Bước 5: Thiết lập dữ liệu với thiết bị flash

Click vào biểu tượng của flash.

- 47 -

Ta nhấn vào Unit specification rồi nhập áp suất và nhiệt độ vào.

Bước 6: Ta Save As bài làm.

Bước 7 :Ta cho chạy chương trình .

- 48 -

Bước 8 : Đọc kết quả

- 49 -

Reference 1. Các quá trình và thiết bị công nghệ hoá học_ tập 14 Chưng cất hỗn hợp

nhiều cấu tử, Võ Thị Ngọc Tươi-Hoàng Minh Nam, nxb Đại học Quốc gia tp Hồ Chí Minh

2. Quá trình và các thiết bị công nghệ hoá học và thực phẩm_bài tập Truyền khối, Trịnh Văn Dũng, nxb Đại học Quốc gia tp Hồ Chí Minh

3. Tập bài giảng ứng dụng tin học trong công nghệ hoá học , Nguyễn Đình Thọ

4. ProII documentation5. Tài liệu về chưng cất với phần mềm ProII trên blog`s

hoaithanh&nhatquyen

- 50 -