MÔ PHỎNG CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Bài 1: Quá trình chiết Lỏng – Lỏng Liquid - Liquid Extraction in HYSYS Dòng lỏng chứa 60% mol H2O và 40% mol aceton đi vào tháp chiết ở nhiệt độ 25oC và áp suất 1 atm, lưu lượng dòng 1 k

-*** -

BÀI THI KẾT THÚC MÔN HỌC:

MÔ PHỎNG CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ

HÓA HỌC

Người thực hiện: Học viên Lê Kiều Hưng

Lớp: Cao học Kỹ thuật hóa học 2009

Người hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Thị Minh Hiền

HÀ NỘI – 1/2010

ĐĨA GHI FILE BÀI THI KẾT THÚC MÔN HỌC

MÔ PHỎNG CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Bài 1: Quá trình chiết Lỏng – Lỏng (Liquid - Liquid Extraction in HYSYS)

Dòng lỏng chứa 60% mol H2O và 40% mol aceton đi vào tháp chiết ở nhiệt độ

25oC và áp suất 1 atm, lưu lượng dòng 1 kgmol/sec, được chiết bằng dung môi MIBK tinh khiết trong cùng điều kiện như dòng nguyên liệu (Sử dụng NRTL Fluid Package)

1 Xác định lưu lượng các dòng sản phẩm sau tháp chiết

2 Xác định thành phần các dòng sản phẩm sau tháp chiết

Các bước thực hiện:

Bước 1: Thiết lập các thông số cho Case:

- Chọn các cấu tử: Acetone, H2O và MIBK

- Chọn Fluid Package : NRTL Fluid package

Đối với bài toán chiết lỏng - lỏng, cần chọn hệ số “Binary Coeffs” cho các cấu tử Nếu một số hệ số không được thiết lập sẽ gây ra lỗi và quá trình sẽ không mô phỏng được Để thiết lập Binary Coefficients, chúng ta chọn tab “Binary Coeffs”

HYSYS tính toán ước lượng các hệ số này bằng cách dựa vào các quan hệ cân bằng Đối với quá trình chiết lỏng – lỏng, ước lượng UNIFAC LLE là ước lượng thích hợp

để sử dụng Để thiết lập, chúng ta chọn UNIFAC LLE, sau đó bấm “Unknowns Only”

Bước 2: Bước vào môi trường mô phỏng

Do đây là bài toán chiết lỏng - lỏng, nên cần thiết lập 4 dòng: Feed, Solvent, Extracted products, và Bottom products

Bước 3: Chọn và thiết lập connections và các thông số khác cho tháp chiết

(Liquid-Liquid Extraction column)

Thiết lập Connections:

Áp suất làm việc của tháp (101.3 kPa)

Cuối cùng, phần ước lượng về nhiệt độ của sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy sẽ được HYSYS tính toàn khi hoàn thành mô phỏng nên chúng ta không cần nhập các giá trị này Bấm Done để trở lại trang thiết lập tháp chiết

Với bản chất của bài toán, không cần thiết đến 10 đĩa để tách acetone, chỉ cần khoảng

4 đĩa để tách 99% acetone HYSYS để mặc định là 10 đĩa cho tháp, vì vậy ta thiết lập số đĩa bằng cách click vào “n = ” tab dưới “Num of Stages” và nhập số đĩa là 4

Bước 4: Thiết lập dòng Feed và Solvent:

Đối với dòng Feed, ta thiết lập với các thông số như sau:

Nhiệt độ: 250 C, áp suất 101.3 kPa, lưu lượng 1 kg-mol/sec, và thành phần của dòng

là 40 mol % acetone và 60 mol % water

Dòng Solvent có MIBK nguyên chất ở 2500 C, 101 kPa và lưu lượng là 1 kgmol/sec

Chạy mô phỏng:

Click đúp lên tháp và ấn vào nút “Run”, chúng ta đã có kết quả mô phỏng của quá trình chiết như hình dưới đây:

Kết quả mô phỏng:

I Lưu lượng các dòng sản phẩm sau tháp chiết:

- Lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh: 5388 kgmole/h;

- Lưu lượng dòng sản phẩm đáy: 1812 kgmole/h

II Thành phần các dòng sản phẩm sau tháp chiết:

Dòng sản phẩm đỉnh có 6,5465 mol % H2O, 66,7285 mol % MIBK và 26,725 mol % Acetone

Dòng sản phẩm đáy có 99,7501 mol % H2O, 0,2498 mol % MIBK và 0,0001 mol % Acetone

Kết luận: Như vậy ta có thể thấy rằng, chỉ với tháp 4 đĩa, chúng ta đã tách được

99,999% Acetone ra khỏi dung dịch

Bài 2: Quá trình Hấp thụ Khí – Lỏng (Gas-Liquid Absorption in HYSYS)

Dòng khí nguyên liệu có 20% mol CO2 và 80% mol methane, lưu lượng 7200

m3/h CO2 được hấp thụ bằng Propylene Carbonate trong tháp đệm Tháp hấp thị làm việc ở nhiệt độ 60oC và áp suất 60.1 atm Dòng dung môi tưới vào tháp có lưu lượng

2000 kmol/hr

1 Tính nồng độ CO2 còn lại trong dòng khí ra khỏi tháp hấp thụ (%mol)

2 Chiều cao và đường kính tháp hấp thụ

Các bước thực hiện:

Bước 1: Thiết lập các điều kiện của case:

− Components: C1, CO2 , propylenecarbonat

− Package: Sour PR

− Enter Simulation Environment

Bước 2: Thiết lập dòng vật liệu Solvent In và Gases In:

Solvent In

Gases In

Bước 3: Adding Absorber và thiết lập connections:

Thiết lập áp suất cho Absober:

Thiết lập nhiệt độ cho Absober:

Bước 4: Chạy mô phỏng:

Các bước để chuyển từ chế độ Trays sang Packing

Chọn Complete AutoSection, đóng các giao diện, trở về PFD

Nhắp đúp vào Tháp và bấm Run để tính toán lại với tháp đệm

Lấy các thông số đã thiết kế ta có kết quả bài toán như sau:

Khi lưu lượng là 2000 kmol/h và với loại đệm Ballast Rings (Metal Random) 1 inch thì đường kính tháp: 1.067 m, chiều cao tháp: 5.098 m, nồng độ CO2 ra khỏi tháp: 0.0432 phần mol (Hình ở trang sau)

Bài 3: Thiết bị phản ứng, Tháp tách và Thiết bị trao đổi nhiệt

Sản xuất Toluen từ n-heptane bằng phản ứng dehydro hóa:

CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3 → C6H5CH3 + 4H2

n-heptane được gia nhiệt trong thiết bị gia nhiệt từ 65oF tới 800°F Tiếp đó nguyên liệu đi vào thiết bị phản ứng xúc tác, làm việc ở chế độ đẳng nhiệt, chuyển

hóa 15 mol% n-heptane thành toluene Hỗn hợp sau phản ứng được làm lạnh tới 65°F

và đưa vào tháp tách (flash) Toàn bộ hệ thống làm việc ở áp suất khí quyển

1 Hãy xác định lưu lượng các dòng sản phẩm (lưu lượng dòng nguyên liệu lấy bằng 100 lbmol/hr)

2 Thêm thiết bị trao đổi nhiệt để tận dụng nhiệt của dòng khí sản phẩm sau thiết bị phản ứng để gia nhiệt cho dòng khí nguyên liệu ban đầu Có thể thay đổi nhiệt

độ dòng nguyên liệu sau khi qua trao đổi nhiệt này để đánh giá ảnh hưởng của thiết bị trao đổi nhiệt (H-Duty và UA) Xác định nhiệt độ phù hợp đảm bảo cho thiết bị trao

đổi nhiệt làm việc tốt (Gợi ý: sử dụng Databook để xem xét sự biến đổi này)

Các bước thực hiện:

Bước 1: Thiết lập các điều kiện của case:

− Components: n-heptane, toluene, H2

Bước 2: Thiết lập dòng Feed có các thông số: 650 F, 1 atm, 100% n-heptane và lưu lượng là 100 lbmol/hr

Bước 3: Thêm thiết bị gia nhiệt để gia nhiệt dòng Feed từ 65oF tới 800°F

Bước 4: Thiết lập dòng Heated Feed ở 8000 F và 1 atm

Bước 5: Thêm thiết bị phản ứng và thiết lập connections cho thiết bị

Bước 6: Thiết lập phản ứng cho thiết bị:

Bước 7: Thêm Cooler để làm lạnh hỗn hợp sau phản ứng tới 65°F

Bước 8: Thiết lập Connection và các thông số cho Cooler

Bước 9: Đặt thông số nhiệt độ và áp suất cho dòng Cooled Outlet

Ta được kết quả:

Bước 10: Thêm tháp tách, thiết lập connections và thông số cho tháp tách:

Kết quả mô phỏng:

Như vậy: Lưu lượng các dòng sản phẩm:

- Lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh: (Products) 28.43 kgmole.h

- Lưu lượng dòng sản phẩm đáy: (Bottoms) 44.14 kgmole/h

Phần 2: Thêm thiết bị trao đổi nhiệt để tận dụng nhiệt của dòng khí sản phẩm sau

thiết bị phản ứng để gia nhiệt cho dòng khí nguyên liệu ban đầu

Bước 1: Thêm thiết bị trao đổi nhiệt và thiết lập lại connection cho toàn bộ hệ thống

nhằm tận dụng nhiệt của dòng khí sản phẩm sau thiết bị phản ứng để gia nhiệt cho dòng khí nguyên liệu ban đầu

Thay đổi nhiệt độ dòng nguyên liệu sau khi qua trao đổi nhiệt này để đánh giá ảnh hưởng của thiết bị trao đổi nhiệt (H-Duty và UA)

- Đặt thông số áp suất cho dòng Shell Side Outlet:

- Đặt thông số áp suất và nhiệt độ thử nghiệm (2000 F) cho dòng Tube Side Outlet:

Kết quả mô phỏng của toàn bộ hệ thống:

Đánh giá ảnh hưởng của thiết bị trao đổi nhiệt (H-Duty và UA), xác định nhiệt độ phù hợp đảm bảo cho thiết bị trao đổi nhiệt làm việc tốt

- Đối với hệ thống có thiết bị trao đổi nhiệt:

- Đối với hệ thống ban đầu chưa có thiết bị trao đổi nhiệt:

Như vậy ta có thể thấy rằng, với thiết bị trao đổi nhiệt thì hệ thống sẽ tiết kiệm năng lượng hơn khá nhiều

Thiết lập data book để theo dõi Heat Duty:

Sử dụng Data Recorder để ghi lại các giá trị nhằm xây dựng đồ thị giá trị của Heat Duty:

Lần lượt thay đổi các giá trị nhiệt độ ở 50, 100, 150, 200 và 2500 F:

Dạng đồ thị: