BÁO CÁO PRO II - chưng cất khí methane - chưng cất benzen toluen

A.TỔNG QUAN PRO II.I.Tổng quan về PRO II3II.7 bước sử dụng phần mềm PRO II31.Vẽ sơ đồ qui trình sản xuất42.Định rõ những thành phần43.Lựa chọn phương án nhiệt động54.Định rõ dòng nhập liệu65.Cung cấp những điều kiện cho quy trình66.Chạy mô phỏng77.Xem kết quả8III.Sơ đồ một quy trình sử dụng PRO II8IV.Nhập dữ liệu và chọn thuật toán81.Nhập dữ liệu82.Chọn thuật toán8V.Kiểm tra độ tin cậy của kết quả9VI.Một số công cụ hỗ trợ10B.CÁC THIẾT BỊ VÀ CÔNG CỤ ĐƯỢC SỬ DỤNG17I.Flash 17II.Shortcut 20III.Distillation24IV.Slide column34V.Caculator371.Tổng quan372.Caculator setup373.Caculator procedure40VI.Optimizer44VII.Case study48C.VÍ DỤ 50I.Ví dụ về hệ thống chưng cất khí methane501.Đặt vấn đề502.Xây dựng hệ thống sản xuất51a.Nhập cấu tử51b.Chọn hệ nhiệt động52c.Nhập thông số dòng nhập liệu533.Sử dụng tháp Distillation554.Tiến hành mô phỏng60a.Xuất kết quảb.Chạy kết quảII.Ví dụ về hệ thống chưng cất benzen – toluen1.Đặt vấn đề672.Xây dựng hệ thống sản xuất67

MỤC LỤC

A TỔNG QUAN PRO II.

I Tổng quan về PRO II -3

II 7 bước sử dụng phần mềm PRO II -3

1 Vẽ sơ đồ qui trình sản xuất -4

2 Định rõ những thành phần -4

3 Lựa chọn phương án nhiệt động -5

4 Định rõ dòng nhập liệu -6

5 Cung cấp những điều kiện cho quy trình -6

6 Chạy mô phỏng -7

7 Xem kết quả -8

III Sơ đồ một quy trình sử dụng PRO II -8

IV Nhập dữ liệu và chọn thuật toán -8

1 Nhập dữ liệu -8

2 Chọn thuật toán -8

V Kiểm tra độ tin cậy của kết quả -9

VI Một số công cụ hỗ trợ -10

B CÁC THIẾT BỊ VÀ CÔNG CỤ ĐƯỢC SỬ DỤNG -17

I Flash -17

II Shortcut -20

III Distillation -24

IV Slide column -34

V Caculator -37

1 Tổng quan -37

2 Caculator setup -37

3 Caculator procedure -40

VI Optimizer -44

VII Case study -48

C VÍ DỤ -50

I Ví dụ về hệ thống chưng cất khí methane -50

1 Đặt vấn đề -50

2 Xây dựng hệ thống sản xuất -51

a Nhập cấu tử -51

b Chọn hệ nhiệt động -52

c Nhập thông số dòng nhập liệu -53

3 Sử dụng tháp Distillation -55

4 Tiến hành mô phỏng -60

a Xuất kết quả b Chạy kết quả II Ví dụ về hệ thống chưng cất benzen – toluen 1 Đặt vấn đề -67

2 Xây dựng hệ thống sản xuất -67

b Chọn gói nhiệt động -68

c Nhập thông số dòng nhập liệu -68

3 Tính toán tháp shortcut -68

a Chạy mô phỏng -69

b Tính số mâm lý thuyết -69

4 Sử dụng tháp Distillation -69

5 Sử dụng caculator và optimizer -70

6 Tiến hành mô phỏng -72

a Tiến hành mô phỏng -73

b Xuất kết quả -74

D TÀI LIỆU THAM KHẢO -74

A TỔNG QUAN 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 ph¬ương pháp dựđoán 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 mỗiđơn vị công nghệ

2 Khai báo cấu tử

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

3 Lựa chọn phương án nhiệt động

Kích nút 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 nhập liệu

5 Cung cấp các điều kiện cho quy trình

6 Chạy mô phỏng

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

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 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 vẫncòn 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 vàphù 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

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 sốvòng lặp tối đa cho phép hoặc giảm hệ số “damping”

Sai số khắc khe, khó đạt được

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 :

1 Thay đổi bộ tính toán tính chất (phải phù hợp với hệ đang mô phỏng)

2 Thay đổi cấu tử giả của dòng nhập liệu

3 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

Tính năng cơ bản của Calculator:

 Tính toán tính chất của các dòng đặc biệt

 Mô phỏng một số thiết bị như bình phản ứng

 Xác định điều kiện vận hành

 Kết quả tính toán từ số liệu của quy trình công nghệ

 Tính toán chi phí hoặc lợi nhuận kinh tế

 Phục vụ cho công cụ Controller và là hàm mục tiêu của công cụ Flowsheetoptimizers

Tiện ích của Calculator phụ thuộc nhiều vào người sử dụng

Calculator gồm 2 phần chính : Setup và Procedure.

 Setup: truy xuất thông số của thiết bị và dòng được từ sơ đồ quy trình; gán các

hằng số; thiết lập các chuỗi cho dòng ra và dòng vào; xác định kích thước của cácmảng chế độ làm việc và có thể mở rộng nếu muốn

 Procedure: thể hiện các phép tính được viết theo ngôn ngữ FORTRAN, cho phép

thực hiện các chức năng tính toán, mở rộng hay tính lặp Một số hàm có thể truyxuất thành phần và tính chất của dòng từ sơ đồ quy trình Các chương trình conđặc biệt giúp ta tính ra kết quả trực tiếp từ dòng lưu chất

Kết quả từ Calculator được sử dụng cho việc vận hành các thiết bị khác trong quy trình.Cách sử dụng Calculator:

- Nhấn vào Edit/View Declarations trong cửa sổ Calculator để mở View Area.

- Nhấn Parameters… để nhập các thông số từ sơ đồ quy trình cho Calculator Những thông số này sẽ được truy cập vào Calculator procedure như là các phần tử của ma

trận P

- Nhấn vào Constants… để nhập các hằng số sử dụng trong quá trình tính toán

Những hằng số này sẽ được truy cập vào Calculator procedure như là các phần tử

của ma trận C Tuy các hằng số có thể nhập trực tiếp trong quá trình viết code ở

phần Procedure, nhưng ma trận C giúp ta tập hợp tất cả những hằng số để có thể

thay đổi khi cần

- Nhấn vào Results… để nhập tên cho các kết quả tính toán Những giá trị này sẽ được truy cập vào Calculator procedure như là các phần tử của ma trận R và được dùng

trong báo cáo kết quả đầu ra

Hình 21

- Nhấn vào Arrays… để khai báo độ lớn cho các ma trận sử dụng trong Calculator,

bao gồm ma trận P, C, R đã khai báo trước đó và ma trận IS được dùng trong việc

sử dụng giữ các biến của dòng lưu chất

- Nhấn vào Stream Sequence… để thiết lập trật tự cho các dòng Bảng này có 2 chức năng chính: kết nối thông tin dòng chảy giữa các Procedure và các dòng trong sơ

đồ quy trình; kiểm soát vòng lặp trong quá trình thực hiện thủ tục

- Khi hoàn thành việc khai báo trong Setup, click Hide Declarations để đóng cửa sổ View Area.

- Những ký tự phía sau dấu “$” được xem là chú thích thêm

* Các biến số đã được định nghĩa sẵn:

Các biến này bao gồm kích thước cho các ma trận Ta có thể dùng lệnh

DIMENSION trong phần Calculator setup để đặt lại số phần tử của mỗi ma trận.

Hàm mục tiêu có thể là tiêu chuẩn vận hành như để thu được lượng sản phẩm là lớn nhất hay tổn thất ít nhất, hoặc tiêu chuẩn về kinh tế như lợi nhuận cực đại hay chi phí thấp

nhất Để có thể tối ưu các mục tiêu về kinh tế, ta phải bổ sung thêm công cụ Calculator

trong sơ đồ quy trình để tính lợi nhuận hay tổn thất, sau đó mới sử dụng công cụ

Optimizer để cực tiểu hay cực đại kết quả từ Calculator (hàm mục tiêu).

Hàm mục tiêu:

Ta tiến hành việc xác định hàm mục tiêu là cực tiểu hay cực đại trong cửa sổ Optimizer Nhập hàm mục tiêu bằng cách nhấp vào chữ Parameter được gạch dưới để mở cửa sổ Parameter Hàm mục tiêu có thể là một tham số của sơ đồ quy trình hoặc là một biển

thức toán học liên qua đến 2 tham số khác nhau của sơ đồ quy trình

Biến số:

Biến số của quá trình được nhập vào bằng cách click vào chữ Variables Trong cửa sổ Parameter, xác định thông số sẽ thay đổi, tương tự như trong việc xác định hàm mục tiêu.

Đối với biến số cho dòng hay thiết bị, ta phải nhập vào giá trị cực tiểu và cực đại

Kích thước bước tiến và giới hạn:

Click vào default step sizes trong cửa sổ Optimizer để mở cửa sổ Variable Step Sizes Ở đây, step sizes (kích thước bước tiến) đã được mặc định là 1.0, (giá trị mặc định có thể

thay đổi), ta có thể nhập vào kích thước bước tương đối hay tuyệt đối cho mỗi bước tínhlặp

Specifications

có thể được nhập thêm vào để làm biến điều khiển

Click vào Specifications…trong cửa sổ Optimizer để mở cửa sổ Specifications Check vào Use Specifications để có thể nhập các tham số cho mỗi SPECification SPECification có

thể là một tham số của quy trình hoặc là một biểu thức toán học liên quan đến 2 tham sốkhác nhau Kế tiếp, ta nhập các giá trị và sai số cho quá trình tính

Constraints (ràng buộc): giới hạn các biến số trong phạm vi sử dụng

Click vào Constraints… trong cửa sổ Optimizer để mở cửa sổ Constraints Check vào Use Constraints để có thể nhập các tham số cho mỗi CONStraint Trong cửa sổ Parameter cho phép ta xác định dòng hay thiết bị dùng cho ràng buộc, tương tự như Specifications.

Các chọn lựa khác:

Có rất nhiều chọn lựa cho việc thiết lập công cụ Optimizer được chỉ ra bằng cách click vào Options… trong cửa sổ chính Optimizer.

- Số vòng lặp:

Số vòng lặp mặc định của Pro/II là 20 cộng với số biến hiện tại Tuy nhiên ta có thể thay

đổi số vòng lặp theo ý muốn bằng cách check vào Specified Number và nhập số vòng lặp.

- Scaling of Optimization Variables:

Theo mặc định, công cụ Optimizer tính theo phương pháp hội tụ Các mức có thể được thay đổi bằng cách check vào Use Scaling trong cửa sổ Options để bỏ chọn Khi đó giá trị mặc định cho kích thước bước tiến trong cửa sổ Variable Step Sizes sẽ tăng từ 2% lên 5%.

- Sai số chung cho các biến số (Overall Error in any Variable):

Giá trị sai số ngầm định cho các biến là 10-7 Ta có thể thay đổi nếu muốn bằng cách nhậpvào ô tương ứng

- Thay đổi tương đối nhỏ nhất (Minimum Relative Change in Objective Function)

Giá trị mặc định là 0.005 Ta có thể thay đổi bằng cách nhập vào ô tương ứng trong cửa

sổ Options.

* Advanced Options:

Click vào Advanced Options… để thêm vào các chọn lựa cho công cụ Optimizer, nhưng

điều này không cần thiết đối với những người chưa có kinh nghiệm sử dụng Pro/II

Còn một số lựa chọn khác để nâng cao hiệu quả cho công cụ Optimizes, ta có thể tham khảo thêm trong User’s Guide

B CHI TIẾT CÁC THIẾT BỊ

I FLASH

1 Giới thiệu tổng quan

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 tính 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

 Hệ thống các phương trình:

3 Flash drum

Đơn vị của Flash drum có thể được vận hành với những thông số điều kiện , đẳng nhiệt điểm sương , điểm sủi bọt khác nhau …Điểm sủi bọt cũng có thể đựơc xác định cho pha hydrocacbon hay pha nước Điểm cao hơn điểm 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

4 Flash setup

Chọn các thông số cho flash drum

1 Giới thiệu 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 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

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, 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

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

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 loại mô hình chưng cất:

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

Mô hình tiêu chuẩn:

Được mặc định sẵn trong ProII

Chế độ dòng hoàn lưu tổng được cài

đặt sẵn trong tháp

Mô hình tinh chế:

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

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

III DISTILLATION

Đối với hầu hết các hệ, SimSci thường sử dụng thuật toán Inside Out ( 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

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 dựatrên 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 hồilưu 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:

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 :

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 thôkhi 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 :

Cân bằng khối lượng:

. exp( , ) exp( 1. )( 1 D1) exp( 1, )( 1 D1) ,L V1,

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

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 cânbằng 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

Cân bằng cấu tử:

Cân bằng lỏng –hơi:

Cân bằng năng lượng:

4 Tính toán thuỷ động lực học cho tháp chưng c ất

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

5 Tốc độ và kích thước 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

a .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 cácđĩa 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 tathấy các yếu tố hệ thống được dùng để tính toán chính xác yếu tố năng suất hơi

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

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

i 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 : h sh 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.

ii Độ giảm áp của lỏng

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

h s chiều cao cột chất lỏng gây ra áp suất tĩnh

h ow chiều cao phần đỉnh trên van

h hg gradient thuỷ động lực học chảy màng

IV SIDE COLUMN

1 Giới thiệu

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 loại:

 Tháp phụ 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 phụ đóng vai trò tháp ngưng tụ:

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

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

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 đăctrưng cho điều kiện của môi trường phân tách

3 Phương pháp tính toán:

Thuật toán Insde-Out gắn tháp phụ vào tháp chính để dùng cho việc tính toán Phươngpháp 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.

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 vàmỗi tháp hụ đều phải cân bằng

Thuật toán Chemist không cho sử dụng tháp phụ

1 Giới thiệu

Calculator gồm 2 phần chính : Setup và Procedure

- Setup: truy xuất thông số của thiết bị và dòng được từ sơ đồ quy trình; gán các hằng số; thiết lập các chuỗi cho dòng ra và dòng vào; xác định kích thước của các mảng chế độ làm việc và có thể mở rộng nếu muốn

- Procedure: thể hiện các phép tính được viết theo ngôn ngữ FORTRAN, cho phép thực hiện các chức năng tính toán, mở rộng hay tính lặp Một số hàm có thể truy xuất thành phần và tính chất của dòng từ sơ đồ quy trình Các chương trình con đặc biệt giúp ta tính ra kết quả trực tiếp từ dòng lưu chất

Kết quả từ Calculator được sử dụng cho việc vận hành các thiết bị khác trong quy trình

2 Setup

- Click vào nút bấm Parameters… để nhập các thông số từ sơ đồ quy trình cho Calculator Những thông số này sẽ được truy cập vào Calculator procedure như là

các phần tử của ma trận P