Mô phỏng công nghệ hóa học và dầu khí

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 thá

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 H2O với các điều kiện sau:

• Fluid Package: Peng-Robinson

• Flowrate : 100 kgmole/h

• Pressure : 1 bar

• Temprature : 50oC

2 Thiết lập một dòng vật liệu chỉ có H2O 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 H2O 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 H2O, 189 kmol/h CO2, 63 kmol/h

H2 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 H2; 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 Cl, C2, C3, n-C4, i-C4, i-C5, n-C5, n-C6, C7+ ) 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 C7 là 110oC

Thành phần dòng:

n-C4 0.080

Thay hiệu suất định mức lên 60%, bạn có nhận xét gì về sự thay đổi?

Nếu nhiệt độ dòng ra là 400oC 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: C1 : 50%, C2 : 30%, C3 : 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 -30oC

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 25oC, 1atm lên

90oC 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 5oC Độ giảm áp 10Kp

2 Nước nóng ở 250oC 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 25oC và áp suất

là 130 psi Nhiệt độ dòng lạnh và dòng nóng ra khỏi thiết bị lần lượt là 150 oC và

190oC 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

50oF và áp suất khí quyển, lưu lượng 100 lbmol/h Nén dòng đến 50 psi sau đó làm lạnh đến 32oF, 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 10oF, thì lưu lượng và thành phần của hai dòng

là bao nhiêu?

Bài 4: Chu trình lạnh C2 - C3

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 C2 và C3

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

CH4 + 1/2 O2 →CO + 2H2 C% = 40%

CH4 + O2→ CO2+2H2 C% =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 (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 thành phần sản phẩm

Tính toán phần trăm của các cấu tử (so sánh với kết quả trong chương 9) + CO giảm:

+ Hydrogen tăng:

Bài 6 : Phản Ứng Kinetic

Mục đích : 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 lên tốc độ phản ứng người ta mới hiểu 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 ứng

Từ đó dẫn đến định nghĩa bậc phản ứng: bậc phản ứng đối với một chất cho trước là số mũ nồng độ của chất ấy 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 (−RT E)

Nội dung thí nghiệm

Thiết lập quy trình tạo ra propylene glycol

Phản ứng giữa nước và propylene oxide tạo thành propylene glycol:

H2O + C3H6O→C3H8O2

Nhập dòng nguyên liệu thứ nhất với các giá trị như trong bảng sau:

Component Mole Fraction

Nhập thêm dòng nguyên liệu thứ hai

Component Mole Fraction

r = k.[C3H6O]

k=A exp ( −RT E)

A = 1.7e13

E = 3.24e4 (btu/lbmole)

Thiết bị phản ứng CSTR có thể tích là 280ft3 và độ điền đầy là 85% Thiết bị phản ứng được giả thiết làm việc trong điều kiện đẳng nhiệt Xác định độ chuyển hóa của thiết bị?