THÍ NGHIỆM CHUYÊN ĐỀ MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH pps

-Các từ khóa được sử dụng trong thiết kế mô phỏng: Simulation, process simulation : Mô phỏng, quá trình mô phỏng Dynamic simulation : mô phỏng động Simulator : thiết kế mô phỏng Equati

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌCBM: CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

THÍ NGHIỆM CHUYÊN ĐỀ

MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH

Hồ Chí Minh, 2008

GV-TS Huỳnh Quyền

Mục đích:

-Trang bị cho SV những khái niệm cơ sở về mô hình, quy trình

mô hình hóa ưng dụng trong thiết kế mô phỏng các thiết bị, quá trình công nghệ.

-Trang bị những kiến thức cơ sở về chương trình PROII,

HYSYS

-Làm quen với chương trình mô phỏng proII qua các ví dụ về mô phỏng

Giới thiệu tổng quan

-Thiết kế mô phỏng là quá trình thiết kế với sự trợ giúp của máy tính và các phần mền ứng dụng chuyên nghiệp.

-Các từ khóa được sử dụng trong thiết kế mô phỏng:

Simulation, process simulation : Mô phỏng, quá trình mô phỏng Dynamic simulation : mô phỏng động

Simulator : thiết kế mô phỏng

Equation of state (EOS) : phương trình trạng thái

Steady-state simulation : mô phỏng trạng thái bền vững

To proceed by trial and error : Mô phỏng bằng cách mò mẫm Model : mô hình

Modelling : quá trình mô hình hóa

I Giới thiệu:

mô hình hoá

Phương trình mô hình hoá

Tham số hiệu suất

-Phương trình năng lượng-Phương trình vật chất-Phương trình hiệu suất của quá trìnhII.Khái niệm Model, mô hình hóa

Model mô hình hoá một thiết bị

Dựa trên:

Hệ các phương trình:

-Phương trình cân bằng vật liệu

-Phương trình cân bằng năng lượng

-Phương trình hiệu suất của thiết bị

Tham số:

- Đầu vào

- những đặc trưng

- tham số hiệu suất

Cho phép tính toán được đầu ra của thiết bị

Các bước tiến hành mô hình hoá

Quy trình mô hình hoá

Xác định vấn đề

Tham số giới hạn

Dữ liệu

Xây dựng model

Giải quyết Model

Kiểm tra model

Hiệu chỉnh model

III Ứng dụng của thiết kế mô phỏng:

-Thiết kế một quá trình mới ( designing)

-Kiểm tra một quá trình đang tồn tại (Retrofitting).

-Hiệu chỉnh quá trình đang vận hành (Troubleshooting)

-Tối ưu quá trình đang vận hành ( Optimizing)

-Tạo cơ sở cho quá trình thiết kế hệ thống điều kiển của quá trình.

Các bước cần quan tâm khi tiến hành thiết kế mô phỏng:

- Để làm gì?

- Nội dung mô phỏng

- Sự cần thiết của tính phức tạp trong quá trình mô phỏng

- Kết quả nào cần xác định của quá trình mô phỏng.

lưu ý: M ụ c tiêu là hàm c ủ a các bi ế n s ố ban đ ầ u

IV Các phần mềm ứng dụng mô phỏng trong CNHH

-Design II ( WINSIM) -Pro/II (Simsci)

-Prosim -HYSYS ( HYSIM)

+ có một thư viện dữ liệu phong phú: Đặt tính hóa lí của các cấu tử, hệ thống các phương trình động học cho phép tính toán các tính chất hóa lý, phuơng trình phản ứng

IV.2 Ứng dụng của PROII:

-Thiết kế phân xưởng mới.

- Mô phỏng một phân xưởng đang hoạt động nhằm tối ưu, hiệu chỉnh, xây dựng mô hình điều khiển quy trình

IV.3 các bước tiến hành mô phỏng bằng proII

-Chọn hệ đơn vị ( anh, mét, SI)

-Xác định thành phần cấu tử có trong hệ

-Lựa chọn phương trình nhiệt động:

-Xây dựng dòng nguyên liệu và đặc tính của sản phẩm

-Xây dựng thiết bị với các thông số của đặc trưng thiết bị và điều kiện vận hành.

Lưu ý:

-Chú ý đến độ đơn giản của sơ đồ mô phỏng.

- Mô phỏng chỉ thực hiện ở chế độ dừng

V Các khái niệm cơ bản về quá trình chưng cất:Hình vẽ:

V.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh:

Các dạng ngưng tụ:

PROII mật định quá trình ngưng tụ sản phẩm đỉnh là một bậc thay đổi nồng độ tương ứng với một đĩa lý thuyết.

V.2 Thiết bị đun sôi đáy: ( Reboiler)

ProII xem thiết bị đun sôi đáy như một bậc thay đổi nồng độ

Thiết bị đun sôi đáy có 3 dạng:

+ Kettle:

+ Thermosiphon without baffles + Thermosiphon with baffles

VI Lý thuyết về nhiệt động học

Nhưng đặc trưng nhiệt động học là cơ sở dữ liệu quan trọng cho việc tính toán phân tách tòan hệ thống

-Có nhiều phương pháp tính tóan

-Hai phương pháp nổi bậc nhất:

+API và Rackett: Tính tóan chính xác tỷ trọng của pha lỏng.

+ Phương trình trạng thái ( phương trình bậc III tổng quát, phương trình PR, SRK, SRKP Tính tóan chính xác các đựac trưng nhiệt

động học như enthanpie, entropie lỏng hơi, tỷ trọng pha hơi

VI.1 Phương trình trạng thái:

- Ứng dụng trong khoảng nhiệt độ và áp suất rộng

- Trạng thái tham khảo là trạng thái khí lý tưởng và trang thái thực được tính chênh lệch so với trạng thái lý tưởng thông qua các hệ số hoạt áp cho cả hai pha

VI.1.1 Phương trình bậc ba tổng quát

Các hệ số u, w được xác định:

VI.1.2 Phương trình Soave Redlick Kwrong

1972, tính chính xác áp suất hơi của cấu tử tinh khiết và tính toán cân bằng lỏng hơi cho hệ nhiều cấu tử

Saove xác định:

Trong đó:

VII Lựa chọn mô hình nhiệt động

VII.1 Phương pháp chung

Ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả mô phỏng

Mỗi phương pháp nhiệt động cho phép tính toán các thông

số sau:

Hằng số cân bằng K Enthanpie, entropie của các pha lỏng và hơi

tỷ trọng pha lỏng và pha hơi

Các yếu tố cần quan tâm khi chọn mô hình nhiệt động

-Bản chất đặc trưng nhiệt động của hệ: hằng số cân bằng lỏng hơi ( VLE: vapor liquide equilibrium) của các quá trình như chưng cất, cô đặc bốc hơi

-Thành phần của hỗn hợp

-Nhiệt độ áp suất

-Tính sẵn có của các thông số hoạt động của thiết bị

Phương pháp chọn lựa mô hình nhiệt động

Lựa chọn mô hình nhiệt động

Các ký hiệu

VII.2 Các ứng dụng cụ thể của các mô hình nhiệt động

VIII.1 Các qúa trình lọc dầu và chế biến khí

-Hệ thống chưng cất áp suất thấp: ( Chưng cất chân khôngm chưng cất khí quyển) Tùy thuộc vào thành phần nhẹ trong nguyên liệu, nếu phần nhẹ ít

có thể chọn GS hoặc BK10 nếu thành phần nhẹ lớn chọn PR, SRK, EOS -Hệ thống áp suất cao nên chọn SRK, PR, GS

+ chọn các biến thể của PTTT như SRKM, PRM Trong trường hợp

là việc ở áp suất cao có lẫn nước hặc trong trường hợp nguyên liệu có

methanol ( phân cực)

VIII.2 các quá trình hóa dầu:

IX Các phần cơ bản của PROII

các quy ước ban đầu:

-Các màu viền ở các nút có ý nghĩa khác nhau:Đỏ: dữ liệu cần nhập

Xanh lục: dữ liệu mật định hoặc lựa chọn

Xanh dương: dữ liệu cung cấp thõa mãn yêu cầuVàng: dữ liệu nhập ngoài vùng cho phép

Nâu: dữ liệu không có giá tri

Đen: dữ liệu không cần nhập

Giao diện

New file

-Dòng trên cùng: Application title bar

-Dòng thứ hai: Menu bar

-Dòng thứ ba: Standard tool bar

-Bên phải và phía dưới màng hình : thanh trượt

-Bên phải: công cụ Floading PFD ( PIPE FLOW DIAGRAM)-Run: chạy chương trình

X Các thao tác cơ bản chạy PROII

+Mở chương trình mới: ( opening a new simulation)

+Ghi một file

save - or save as nhập tên OK or enter

Proii sẽ tự động nén 3 file dữ liệu (*.pr1,* pr2,* pr3) và một file flowsheet ( sfd) thành một file *.prz

Bên cạnhm PROII có chức năng AUTOSAVE cho phép ghi tự động

+Xóa một chương trình mô phỏng:

File Menu - Delete

Sao chép một chương trình mô phỏng ( chép tất cả 3 file *.PRZ vào một file mô phỏng mới hoặc đang hiện hành)

File menu Copy

+ Hiển thi đặc trưng các dòng trên màng hình mô phỏng:

Hiển thị các đặc trưng của dòng

-Flash Hot-key Tool: cho phép tính toán nhanh các đặc trưng của dòng

-Exporting the PFD to the window Cliboard

Menu, File, Export chọn Flowsheet Drawing

-Importing a proII Keyword input file

Menu, File, Import

+ Xác định các tính chất bằng lỏng hơi ( Display BVLE)

-Chọn hệ đơn vị -Chọn cấu tử -Chọn mô hình nhiệt động -Chọn biểu tượng BVLE.

-Kết quả gồm 5 loại biểu đồ:

+ X-Y + T-X-Y + Fugacity +K –Mol +T-P

THỰC NGHIỆM

Bài toán 1: Mô phỏng thiết bị tách khí lỏngNguyên liệu

Nhiệt độ 30oC

Áp suất 10 bars

Điều kiện làm việc 30oC và 7 bars

Xác định

-Lưu lượng và thành phần sản phẩm đỉnh và đáy?

-Năng suất nhiệt của thiết bị tách?

22 (kmol/h) propane

38 (kmol/h) Butane

22 (kmol/h) pentane

5 (kmol/h) Lưu lượng 100kmol/h

Nhiệt độ 30 o C

Áp suất 10 bars

Điều kiện làm việc 30 o C và 7 bars

730

Xác định -Lưu lượng và thành phần sản phẩm đỉnh và đáy?

-Năng suất nhiệt của thiết bị tách?

Sơ đồ công nghệ

Bài toàn mô phỏng

Sơ đồ công nghệ

230kmol/h

Bài toán mô phỏng 2

Nguyên liệu vào

0.0023 0.0233 0.4948 0.1991 0.2805 1.000

Ethane Propene Propane Isobutane N-butane Tổng

Thành phần mol Cấu tử

-Lưu lượng nguyên liệu:343.6kmol/h

-Nhiệt độ 80 oC

-Áp suất 17 bars

+Tháp chưng:

-22 đĩa+ reboiler+ condenser

-Đĩa tiếp liệu: 8

Xác định:

-Công suất máy nén?

-Thành phần, nhiệt độ và áp suất các dòng sản phẩm lỏng khí?

Bài toán 3 Mô phỏng tháp tách propane-Năng xuất: 400tấn/ngày

Tổn thất áp suất /đĩa = 10mmbars

Ngưng tụ hòan toàn

Áp suất bình tách 16,2 bars

Tiêu chuẩn:

1% C4 trong sp đỉnh

2% C3 trong sản phẩm đáy

Xác định:

-Chỉ số hồi lưu

-Thành phần, lưu lượng sản phẩm đỉnh đáy

-Năng suất nhiệt của thiết bị đun sôi đáy và thiết bị ngưng tụ ( Mkcal/ngày)

Sơ đồ mô hình

Bài toán 4: Xác định đĩa nạp liệu tối ưu của tháp tách propane bằng công

Tổn thất áp suất /đĩa = 10mmbars

Ngưng tụ hòan toàn

Áp suất bình tách 16,2 bars

Tiêu chuẩn:

1% C4 trong sp đỉnh

2% C3 trong sản phẩm đáy

xác định đĩa nạp liệu tối ưu để năng xuất thiết bị đun sôi nhỏ nhất

Bài tóan 5: xác định sô đĩa lý thuyết tối thiểu và chỉ số hồi lưu tối thiểu của tháp tách propane bằng phương pháp shortcut

-Năng xuất: 400tấn/ngày

Tổn thất áp suất /đĩa = 10mmbars

Ngưng tụ hòan toàn

Áp suất bình tách 16,2 bars

Tiêu chuẩn:

0.5% C4 trong sp đỉnh

0.5% C3 trong sản phẩm đáy

Hãy xác định:

-Số đĩa lí thuyết tối thiểu?-Chỉ số hồi lưu tối thiểu?

Sơ đồ công nghệ

Rf=7.3

Sơ đồ công nghệ

Rf=7.3

200