Thiết bị phản ứng dạng ống

Plug Flow Reactor, Conversion Reactor, Case Study, Calculator, Optimizer. Thuyết trình đề tài: Thiết bị phản ứng dạng ống. Môn: Mô Phỏng và Tối Ưu. Khoa Kỹ thuật Hóa học. Trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh

MỤC LỤC

A - TỔNG QUAN VỀ PRO/II

I Giới Thiệu Phần Mềm Pro/II

- Pro/II là sản phẩmđầu tiên của SIMSCI, một công ty dẫn đầu trong lĩnh vực mô phỏng công nghệ từ năm 1967, nó là kết quả của 4 lần nâng cấp từ chương trình đầu tiên năm 1967 đến năm 1988 thì chính thức ra đời với tên gọi Pro/II Hiện nay

- Pro/II có kèm kho dữ liệu phong phú, phương pháp dự đoán thuộc tính nhiệt động tiên tiến nhất và nhiều ứng dụng tiện ích vừa giúp cho người dùng dễ đang sử dụng, còn giúp họ hiểu hơn về bản chất quá trình từ để từ đó đưa ra những đánh giá hợp lý, biện pháp khắc phục phù hợp

- Phần mềm Pro/II được sử dụng nhằm 2 mục đích chính:

1 Thiết kế một phân xưởng mới

2 Mô phỏng một phân xưởng đã được xây dựng trong thực tế để nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự vận hành của nó

II 7 bước sử dụng phần mềm Rro/II

1 Vẽ sơ đồ quy trình sản xuất:

Tuỳ theo quá trình mô phỏng mà chọn loại thiết bị phù hợp trên thanh PFD

3 Lựa chọn những phương thức tính toán nhiệt động:

Kích , sau đó chọn gói nhiệt động phù hợp→“Add” sau đó “OK”

4 Định rõ những dòng được nhập liệu:

Nhấn đúp chuột vào lần lượt các dòng để khai báo thông tin của từng dòng

5 Cung cấp những điều kiện cho quy trình:

4

6 Chạy mô phỏng:

Nhấp nút để chạy mô phỏng Nếu sơ đồ đúng sẽ chuyển sang màu xanh

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 so với thực tế.Chương trình muốn hội tụ thì 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 rất khó 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)

6

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

• Nhập đủ dữ liệu vào, ô thông số sẽ chuyển từ màu đỏ sang xanh, bắt đầu chạy chương trình

2 Chọn thuật toán:

- Trong quá trình lặp, PRO II cần các giá trị ban đầu của thông số, từ đó PRO 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( dùng phương pháp tính gần đúng) giải các phương trình của cột chưng cất: phương trình cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt và điều kiện biên

- Sau khi vòng lặp nội đã hội tụ thì PRO/II chuyển sang tính vòng lặp ngoại dựa trên kết quả vòng lặp nội về thành phần, nhiệt độ.Việc tính toán các phương trình nhiệt động có thể chiếm tới khoảng 80% thời gian tính toán vì đây là các phương trình phức tạp về thành phần và áp suất

Lưu đồ tính toán của phương pháp I/O

Khi chạy mô phỏng chương trình có thể không hội tụ, nguyên nhân dẫn đến điều này:

• Thông số đầu vào không chính xác, dữ kiện bị thiếu hoặc quá chặc chẽ

• 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 quy trình thực tế thì kiểm tra độ tin cậy của kết quả tính toán bằng cách sau:

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

• Thay đổi cấu tử giả của dòng nhập liệu

• Khi tăng số cấu tử giả mà kết quả tính toán chênh lệch 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 cả

VI Một số công cụ hỗ trợ

1 Calculator

2 Optimizer

3 Case study…

B – CÁC THIẾT BỊ VÀ CÔNG CỤ ĐƯỢC SỬ DỤNG

I Plug Flow Reactor

- Thiết bị lưu lượng dạng ống là một mô hình lý tưởng của thiết bị dạng ống.Trong khi hỗn hợp nguyên liệu vào CSRT reator được trôn lẫn tứ thì, thì nguyên tố cho vào thiết bị lưu lượng dạng ống được coi như là chưa được trộn lẫn trong

dòng.Cho đến khi các nguyên tố trãi qua một khoảng thời gian như nhau trong reacter,PFR cũng là 1 thiết bị thuận lợi của máy hoạt động theo mẻ

- Giản đồ hoạt động của PFR được biểu diễn tức thời, dòng lưu chất vào PFR được cho rằng không trộn lẫn theo phương của dòng chảy

8

PFR Operation Modes

- PRO II cho phép những phép tính của PFR:

• Đoạn nhiệt có hay không có nhiệt lượng được thêm vào hoặc lấy ra

• Nhiệt với nhiệt độ và áp suất được mô tả

• Cùng dòng, khác dòng (nhiệt độ dòng hơi ra được cung cấp)

- Nhiệt hoạt động được mặc định

- Có 2 phương pháp có thể kết hợp số trong PRO II Phương pháp Runge-Kutta là phương pháp được mặc định, được ưu tiên nhất.Khi vector Gradient biến đổi 1 cách rõ ràng mà không được mong đợi trong thiết bị.Phương pháp Gear với nhũng bước kích thước được ưu tiên hơn

Với phản ứng tỏa nhiệt, 2 sự hòa tan hợp lệ (chuyển đổi thấp hoặc chuyển đổi cao) thì

có thể.PFR trong PROII không được trang bị để tìm dấu vết nhiệt nóng hoặc nhiệt độ cháy Người dùng có thể điều khiển cho thiết bị phản ứng khác dòng hoặc nhiệt độ sản phẩm hơi cho thiết bị nhiệt tự động cho hoặc chuyển đổi thấp hoặc chuyển đổi cao

II Convertion Reactor

- Conversion Reactor là một thiết bị chuyển đổi đơn giản Nó không cần thông tin động lực hay thông số tính toán thiết bị nào biết trước Độ chuyển hóa của các phần tử cơ bản được định trước Những sự chuyển đổi có thể được đặc trưng bởi hàm nhiệt độ như sau:

X = A + B.T + C.T 2

Trong đó:

T là nhiệt độ

C0, C1, C2 là hằng số

- Bộ phận chuyển đổi (fractional conversion) có thể dựa trên cả số lượng của thành phần cơ bản trong dòng nhập liệu vào thiết bị và hợp phần cơ bản của có thể tham gia phản ứng đặc trưng Khái niệm khuôn mẫu thích hợp cho những chuyển đổi có tính chất đặc trưng trong chuỗi phản ứng song song, còn những nhận định gần đây thích hợp hơn cho những chuỗi phản ứng nối tiếp PRO/II sẽ chọn những chuyển đổi dựa trên dòng vào như là những chuẩn chuyển đổi mặc định cho phản ứng đơn giản, song song và chuỗi phản ứng song song Chuyển đổi dựa trên phản ứng là chuyển đổi mặc định cho chuỗi phản ứng Nếu được nhận định rõ ràng thì qui trình (nhập liệu và phản ứng) chọn từ khóa CBASIS sẽ được sử dụng Trong 1 số trường hợp thì giá trị của phân đoạn chuyển đổi nhập vào với câu lệnh CONVERSION hoặc CBASIS thì cũng đươc hiểu như là 1 mặc định cơ bản.

- Thiết bị phản ứng có thể hoạt động đoạn nhiệt ở nhiệt độ cụ thể, hệ đoạn nhiệt ở nhiệt độ cụ thể Với thiết bị đoạn nhiệt, dữ liệu nhiệt độ của phản ứng phải được cho trước hoặc được tra trong sổ tay Giới hạn nhiệt độ có thể được chỉ rõ Với thiết bị phản ứng đẳng nhiệt thì dữ kiện nhiệt độ của phản ứng tùy chọn Nếu nhiệt

độ được cung cấp thì phải tính toán nhiệt tải

- 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 Flowsheet optimizers

2 Calculator 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

3 Calculator procedure

Đây là phần bắt buộc trong việc lập trình cho Calculator 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

Một số điểm lưu ý:

10

• Mỗi hàng lệnh chứa tối đa 80 ký tự, ta có thể sử dụng kí hiệu “&” đặt ở cuối hàng lệnh để biểu thị sự nối tiếp với hàng lệnh dưới tiếp theo.

• Tất cả các dòng lệnh, trừ lệnh PROCEDURE, có thể được bắt đầu bằng một dãy

số từ 1 đến 99999

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

IV Case study

Khởi động: Bấm vào biểu tưởng của Case study hoặc Input→Case study Data

Case study là một tính năng điều hành cho phép bạn thực hiện các nghiên cứu về một thông số bằng cách thay đổi các thông số và chạy lại mô phỏng

V Optimizer

1 Tổng quan

- Công cụ Optimizer tiến hành việc cực đại hay cực tiểu hàm mục tiêu bằng cách thay đổi một hay nhiều biến trong sơ đồ quy trình công nghệ đến khi đạt được yêu cầu (hội tụ) Ta có thể chọn lựa nhiều ràng buộc cho giá trị cực đại hay cực tiểu

- 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

2 Các tham số tối ưu

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: chi phí, lợi nhuận, công suất, năng suất…

- S8: axetilen 85 kmol /h, 50oC 1atm

- S9: Hidro 50 kmol/h, 25oC,1atm

- S1: HCl 50kmol/h ,N2 2 kmol/h, 25oC, 1atm

Thực hiện qua các thiết bị dạng ống và thiêt bị chuyển hóa,tách và trộn

- PFR: Dài 20 ft, đường kính 11.94 inch, gồm 4 ống, nhiệt độ đầu ra 40oC

- Conversion Reactor: độ chuyển hóa ethylene đạt 0.9

II Mô phỏng trong Pro/II:

1 Vẽ sơ đồ thiết bị

2 Khai báo cấu tử và gói nhiệt động

12

3 Thiết lập các phản ứng

4 Nhập các thông số dòng nhập liệu

16

5 Nhập các thông số cho thiết bị

6 Chạy mô phỏng:

24

7 Sử dụng Case Study

Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng sản phẩm S6 đối với thành phần của etyl clorua trong dòng sau thiết bị chuyển hóa S3

26

Xem đồ thị kết quả khảo sát Case study

8 Sử dụng công cụ Optimizer

- Sau đó chạy mô phỏng ta được kết quả:

30

9 Sử dụng công cụ Calculator

Tính toán chi phí và lợi nhuận

- Sau đó chạy mô phỏng ta được kết quả:

D - TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Tập bài giảng ứng dụng tin học trong công nghệ hóa học, Nguyễn Đình Thọ

[2] Kĩ thuật phản ứng, Vũ Bá Minh, ĐH Bách Khoa TpHCM

36