Nguyên lý hóa công nghiệp

Nguyên lý hóa công nghiệp, nội dung bao gồm chưng luyện, trích ly, thiết bị phản ứng, thiết bị trao đổi nhiệt và thực hành: vận dụng phần mềm PROII để mô phỏng một số sơ đồ trong công nghiệp hóa

NGUYÊN LÝ HÓA CÔNG NGHIỆP

30 tiết (15 LT + 7,5 BT + 7,5 TH)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 J.P MOULIN, Génie des procédés, tập 1 & 2, Technip, 1999

2 Đỗ Văn Đài - Nguyễn Trọng Khuôn - Trần Quang Thảo - Võ Thị Ngọc Tươi

- Trần Xoa, Cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hóa học, Tập 1 & 2, Nhà xuất bản Đại Học và Trung học chuyên nghiệp

3 P TRAMBOUZE - H VAN LANDEGHEM - J.P WAUQUIER, Les réacteurs chimiques, Technip, 1984

4 Vũ Bá Minh, Kỹ thuật phản ứng, Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, 1999

5 R.E TREYBAL, Mass transfer operations, 1980

NỘI DUNG MÔN HỌC

Lý thuyết và bài tập

Chương I: Mở đầu

Chương II: Chưng luyện

Chương III: Trích ly

Chương IV: Thiết bị phản ứng – Bài tập áp dụng

Chương V: Thiết bị trao đổi nhiệt

Thực hành

Vận dụng phần mềm PROII để mô phỏng một số sơ đồ trong công

nghiệp hóa học

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 5

1.1 PHÂNLOẠICÁCQUÁTRÌNHTRONGCÔNGNGHỆHÓAHỌC 5

1.2 NHỮNGKIẾNTHỨCCƠBẢNCỦAQUÁTRÌNHCHUYỂNKHỐI 6

1.2.1 Định nghĩa 6

1.2.2 Phân loại 6

CHƯƠNG 2: CHƯNG LUYỆN 7

2.1 ĐỊNHNGHĨACHƯNG 7

2.2 PHÂNLOẠICÁCPHƯƠNGPHÁPCHƯNG 7

2.3 PHÂNLOẠIHỖNHỢPHAICẤUTỬ 8

2.4 CÂNBẰNGLỎNGHƠICỦAHỖNHỢP2CẤUTỬ 9

2.4.3 Giản đồ đẳng nhiệt P-x-y 9

2.4.4 Giản đồ đẳng áp T-x-y 10

2.4.5 Giản đồ phần mol x-y 11

2.5 THÁPCHƯNGLUYỆN 12

2.5.1 Nguyên tắc hoạt động 12

2.5.2 Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp (Condenser) 13

2.5.3 Thiết bị đun sôi đáy tháp (Reboiler) 14

2.5.4 Cân bằng vật chất 16

2.5.5 Xác định chỉ số hồi lưu r f và số đĩa lý thuyết tối thiểu N min 17

2.5.6 Xác định số đĩa thực tế N TT 19

THỰC HÀNH VẬN DỤNG PHẦN MỀM PROII ĐỂ MÔ PHỎNG MỘT SỐ SƠ ĐỒ TRONG CÔNG NGHIỆP HÓA HỌC I- GIớI THIệU TổNG QUAN 21

1-MụC ĐÍCH, VAI TRÒ CủA THIếT Kế MÔ PHỏNG 21

2-CÁC PHầN MềM MÔ PHỏNG TRONG CÔNG NGHệ HÓA HọC 22

II- PHầN MềM PRO/II 22

1-LĨNH VựC Sử DụNG 22

2-QUÁ TRÌNH MÔ PHỏNG BằNG PHầN MềM PRO/II 23

III- LÝ THUYếT NHIệT ĐộNG HọC 24

IV- CƠ Sở LựA CHọN MÔ HÌNH NHIệT ĐộNG 25

V- CÁC PHầN CƠ BảN CủA PROII 28

1-GIAO DIệN CủA PROII-QUI ƯớC BAN ĐầU 28

2- Cửa sổ PRO/II 29

VI- CÁC THAO TÁC THƯờNG DÙNG TRONG MÔ PHỏNG BằNG PRO/II 30

1-Mở MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG MớI (OPENING A NEW SIMULATION) 30

2-Mở MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG ĐÃ CÓ (OPENING AN EXISTING SIMULATION) 30

3-GHI MộT FILE MÔ PHỏNG ĐANG HIệN HÀNH (SAVING THE CURRENT SIMULATION) 30

a- Ghi một file mô phỏng đang hiện hành 30

b- Ghi một file mô phỏng với một tên khác 31

4-XÓA MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG (DELETING A SIMULATION) 31

5-SAO CHÉP MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG (COPY A SIMULATION) 31

6-THAY ĐổI DạNG ĐƯờNG VIềN CÁC DÒNG (MODIFYING THE FLOWSHEET STREAM BORDER

STYLE) 32

7-HIểN THị TÍNH CHấT CủA DÒNG TRÊN SƠ Đồ MÔ PHỏNG 32

8- Sử DụNG FLASH HOT-KEY TOOL 33

9-XUấT MộT SƠ Đồ MÔ PHỏNG RA CửA Sổ LƯU TRữ TạM (EXPORTING THE PFD TO THE WINDOWS CLIPBOARD) 34

10-NHậP MộT FILE PRO/II CÓ SẳN (IMPORTING A PRO/IIKEYWORD INPUT FILE) 34

11-XÁC ĐịNH CÁC TÍNH CHấT Về CÂN BằNG LỏNG - HƠI CủA CÁC Hệ 2 CấU Tử (DISPLAY BVLE) 34

VII- BÀI TẬP ÁP DỤNG 36

BÀI TOÁN 1:MÔ PHỏNG SƠ Đồ CÔNG NGHệ CủA PHÂN XƯởNG TÁCH MÉTHANE 36

BÀI TOÁN 2:MÔ PHỏNG THIếT Bị TÁCH KHÍ - LỏNG 38

BÀI TOÁN 3:TÍNH NHIệT Độ SÔI CủA MộT HỗN HợP HAI PHA ở MộT ÁP SUấT NHấT ĐịNH 39

BÀI TOÁN 4:MÔ PHỏNG THÁP TÁCH PROPANE 40

BÀI TOÁN 5:XÁC ĐịNH ĐĨA NạP LIệU TốI ƯU CHO THÁP TÁCH PROPANE BằNG CÔNG Cụ OPTIMISER 42

BÀI TOÁN 6:XÁC ĐịNH Số ĐĨA LÝ THUYếT TốI THIểU VÀ CHỉ Số HồI LƯU TốI THIểU CHO THÁP TÁCH PROPANE BằNG PHƯƠNG PHÁP SHORTCUT 44

CHƯƠNG 3: TRÍCH LY 46

3.1 NGUYÊN TắC 46

3.2 SƠ Đồ 46

3.3 ỨNG DụNG 46

CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 47

4.1 ĐẠICƯƠNG 47

4.1.1 PHÂN LOẠI THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 47

a- Theo pha của hệ 47

b- Điều kiện tiến hành quá trình 47

c- Theo điều kiện thủy động 47

4.1.2 PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THEO PHƯƠNG THỨC LÀM VIỆC 48

a- Thiết bị phản ứng gián đoạn : 48

b- Thiết bị phản ứng liên tục : 49

c- Thiết bị phản ứng bán liên tục : 50

4.1.3 NHIỆM VỤ THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 50

4.2 CÂNBẰNGVẬTCHẤTVÀCÂNBẰNGNHIỆTTỔNGQUÁT 51

4.2.4 Cân bằng vật chất 51

4.2.5 Cân bằng nhiệt 51

4.3 MÔTẢMỘTSỐDẠNGTHIẾTBỊPHẢNỨNGĐỒNGTHỂCƠBẢN 52

Thiết bị phản ứng liên tục 52

a- Thiết bị phản ứng dạng ống : 52

b- Thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn lý tưởng 55

c- Thiết bị phản ứng nhiều ngăn (étagé) 59

4.4 ÁPDỤNGPHƯƠNGTRÌNHTHIẾTKẾ 60

4.4.7 SO SÁNH CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐƠN 60

4.4.8 HỆ NHIỀU THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 67

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1 PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Nhìn chung các quá trình trong công nghệ hóa học được phân thành 4 loại sau:

1 Các quá trình cơ học: gồm các quá trình: đập, nghiền, sàng, … các vật liệu

rắn

2 Các quá trình thuỷ lực: nghiên cứu về:

− Các định luật về thủy tĩnh, thủy động, chuyển động của chất lỏng, chất khí

− Các thiết bị vận chuyển khí, lỏng (bơm, quạt, máy nén, …)

− Các phương pháp và thiết bị phân riêng các hệ khí, lỏng không đồng nhất (lắng,

lọc, ly tâm, …)

3 Các quá trình nhiệt: nghiên cứu về:

− Các định luật về truyền nhiệt (dẫn nhiệt, cấp nhiệt, bức xạ nhiệt, …)

− Các quá trình và thiết bị trao đổi nhiệt (đun nóng, làm nguội, ngưng tụ, cô đặc)

− Các quá trình làm lạnh

4 Các quá trình chuyển khối: nghiên cứu về:

− Các định luật về sự di chuyển vật chất giữa các pha với nhau

− Các thiết bị chuyển khối (chưng luyện, hấp thụ, hấp phụ, sấy, trích ly, kết tinh,

…)

1.2 NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI

1.2.1 Định nghĩa

- Là quá trình di chuyển vật chất từ pha này sang pha khác khi hai pha tiếp xúc

trực tiếp với nhau;

- Đây là quá trình đóng vai trò quan trọng trong nền công nghiệp hóa học vô cơ,

hữu cơ, lọc hóa dầu, thực phẩm, …

1.2.2 Phân loại

Tuỳ theo đặc trưng của sự di chuyển vật chất và tính chất của 2 pha → phân loại:

- Chưng: là quá trình tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt, trong đó

vật chất di chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại Đây là quá trình rất phổ

biến (quá trình chưng cất cồn, chưng cất dầu thô, …)

- Hấp thụ: là quá trình vật chất di chuyển từ pha khí vào pha lỏng (điều chế oléum

bằng cách cho H2SO4 đậm đặc hấp thụ khí SO2; tách khí acide bằng dung dịch

alkanolamine);

- Hấp phụ: là quá trình vật chất di chuyển từ pha khí vào pha rắn (tách khí acide

ra khỏi hỗn hợp khí tự nhiên hay khí đồng hành bằng rây phân tử);

- Trích ly: là quá trình tách hoàn toàn hay một phần chất hòa tan trong chất lỏng

hay chất rắn bằng một chất lỏng khác;

- Kết tinh: là quá trình tách chất rắn trong dung dịch, trong đó vật chất di chuyển

từ pha lỏng vào pha rắn (kết tinh đường, kết tinh phân lân, …);

- Sấy khô: là quá trình tách nước ra khỏi vật chất ẩm, trong đó vật chất (hơi nước)

di chuyển từ pha lỏng hay pha rắn vào pha khí (sấy nông sản thực phẩm);

- Hòa tan: là quá trình vật chất di chuyển từ pha rắn vào pha lỏng (hòa tan muối

hoặc đường vào nước);

CHƯƠNG 2: CHƯNG LUYỆN

2.1 ĐỊNH NGHĨA CHƯNG

- Là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí

lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử

trong hỗn hợp;

- Trong trường hợp đơn giản nhất thì chưng và cô đặc gần như nhau, nhưng giữa

chúng có một ranh giới cơ bản:

• Chưng: Dung môi và chất tan đều bay hơi;

• Cô đặc: Chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi;

- Khi chưng → thu được nhiều sản phẩm và thường có bao nhiêu cấu tử ta sẽ được

bấy nhiêu sản phẩm;

- Đối với trường hợp 2 cấu tử :

• sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi lớn + ε cấu tử có độ bay hơi bé;

• sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé + ε cấu tử có độ bay hơi lớn;

2.2 PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP CHƯNG

Trong sản xuất, thường gặp các phương pháp chưng sau:

1 Chưng đơn giản:

- dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau

- thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất

2 Chưng bằng hơi nước trực tiếp:

- dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi

- thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước

3 Chưng chân không: Dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu

tử (đối với các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao hay có nhiệt độ

sôi quá cao)

4 Chưng luyện:

- Là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay

hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau;

- Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao;

- Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất

thường;

2.3 PHÂN LOẠI HỖN HỢP HAI CẤU TỬ

1 Dung dịch lý tưởng:

- là dung dịch mà trong đó lực liên kết giữa các phân tử cùng loại và lực liên kết

giữa các phân tử khác loại bằng nhau

- Khi đó các cấu tử hòa tan vào nhau theo bất cứ tỷ lệ nào cân bằng lỏng-hơi hoàn

toàn tuân theo định luật Raout;

2 Dung dịch thực:

- Là những dung dịch hoàn toàn không tuân theo định luật Raout;

- Sự sai lệch với định luật Raout là dương nếu lực liên kết giữa các phân tử khác

loại < lực liên kết giữa các phân tử cùng loại;

- Sự sai lệch với định luật Raout là âm nếu lực liên kết giữa các phân tử khác loại

> lực liên kết giữa các phân tử cùng loại;

- Trường hợp lực liên kết giữa các phân tử khác loại << lực liên kết giữa các phân

tử cùng loại → dung dịch sẽ phân lớp

Hình 2-1: Quan hệ giữa áp suất và

thành phần của dung dịch 2 cấu tử

1 Tuân theo định luật Raout;

2.4 CÂN BẰNG LỎNG HƠI CỦA HỖN HỢP 2 CẤU TỬ

2.4.3 Giản đồ đẳng nhiệt P-x-y

xM, yM: thành phần của cấu tử A trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất

xM, yM: thành phần của cấu tử A trong pha lỏng và pha hơi ở Pvà TM

→ thành phần của cấu tử B trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất PM là:

1-xM, 1-yM

2.4.5 Giản đồ phần mol x-y

Ví dụ ta có giản đồ phần mol x-y của hệ 2 cấu tử Propane và Butane Trong đó :

− Trục x : biễu diễn phần mol của cấu tử nhẹ Propane trong pha lỏng ;

− Trục y : biễu diễn phần mol của cấu tử nhẹ Propane trong pha hơi

90

90

2.5 THÁP CHƯNG LUYỆN

2.5.1 Nguyên tắc hoạt động

Tháp chưng luyện gồm có 2 đoạn :

− Đoạn luyện : Là phần trên, gồm từ

đĩa tiếp liệu trở lên đỉnh ;

− Đoạn chưng : Là phần dưới, gồm

từ đĩa tiếp liệu trở xuống dưới;

Tháp chưng luyện gồm có nhiều đĩa

⇒ Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình

chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi

Pha hơi đi từ dưới lên qua các lỗ của

đĩa xuyên qua pha lỏng đi từ trên

xuống theo các ống (vách) chảy

chuyền

⇒ Vì nhiệt độ trong tháp càng lên cao càng giảm nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới

lên, các cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ lại và cuối cùng ở trên đỉnh tháp, ta

sẽ thu được hỗn hợp sản phẩm gồm hầu hết là các cấu tử nhẹ (dễ bay hơi) Hơi này

sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ (condenser) (một phần hoặc hoàn toàn) ở đỉnh tháp để

hồi lưu lỏng ngưng tụ được về lại tháp và lấy ra làm sản phẩm đỉnh

Ngược lại, pha lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử

có nhiệt độ sôi thấp sẽ bốc hơi ⇒ nồng độ của cấu tử nặng (khó bay hơi) trong pha

lỏng sẽ càng tăng và cuối cùng ở đáy tháp, ta sẽ thu được hỗn hợp sản phẩm gồm

hầu hết là các cấu tử nặng Một phần sản phẩm đáy sẽ đi vào thiết bị đun sôi lại

(reboiler) ở đáy tháp để tạo một lượng hơi đưa vào từ đáy tháp, đảm bảo trong tháp

luôn luôn có sự tiếp xúc giữa 2 pha lỏng và hơi

⇒ Quâ trình bốc hơi vă ngưng tụ lặp

lại nhiều lần ở câc đĩa

⇒ Pha hơi đi lín căng giău cấu tử nhẹ

⇒ Pha lỏng đi xuống căng giău cấu tử

nặng

− Theo lý thuyết → Mỗi đĩa lă một

bậc thay đổi nồng độ : thănh phần hơi

khi rời khỏi đĩa cđn bằng với thănh

phần lỏng khi đi văo đĩa ⇒ số đĩa = số

bậc thay đổi nồng độ

− Thực tế → trín mỗi đĩa quâ trình chuyển khối giữa 2 pha thường không đạt cđn

bằng ⇒ Số đĩa thực tế > số đĩa lý thuyết

⇒ Hiệu suất đĩa

thuyếtlý

đĩaSố

2.5.2 Thiết bị ngưng tụ đỉnh thâp (Condenser)

có 4 dạng Condenser :

1 Partial (ngưng tụ một phần): Hơi đi ra từ đỉnh thâp được lăm lạnh vă chỉ ngưng

tụ một phần Loại Condenser năy thực sự lă một bậc thay đổi nồng độ Nhiệt độ

trong Condenser chính lă nhiệt độ điểm sương của hỗn hợp hơi cđn bằng

Gồm 2 loại :

- loại Distillat vapor : lỏng ngưng tụ chỉ để hồi lưu về đỉnh thâp, còn sản

phẩm lấy ra ở thể hơi được gọi lă Overhead

- Loại Distillat mixe : lỏng ngưng tụ một phần để hồi lưu về đỉnh tháp, còn

lại lấy ra làm sản phẩm ⇒ sản phẩm đỉnh gồm 2 loại là sản phẩm hơi và

sản phẩm lỏng

2 Bubble Temperature : Hơi đi ra từ đỉnh tháp được làm lạnh đến nhiệt độ điểm

sôi của hỗn hợp và ngưng tụ hoàn toàn, một phần cho hồi lưu về đỉnh tháp, phần

còn lại lấy ra dạng sản phẩm lỏng, được gọi là Fixe Rate Draw

Loín

Håi

Loíng Håi

a- Dạng Partial Distillate vapor Distillate mixe

b- Dạng Bubble

2.5.3 Thiết bị đun sôi đáy tháp (Reboiler)

có 4 dạng Reboiler :

- Thermosiphon without baffles và with baffles

- Dạng Kettle : được mặc định (qui chuẩn)

- Dạng “one through”

- Dạng lò

Trong đó, loại Thermosiphon gồm 2 loại: without baffles và with baffles

Để đạt được chất lượng sản phẩm đáy cao hơn, người ta đã thiết kế loại

Thermosiphon with baffles có cấu tạo như sau:

aF, aP, aW : nồng độ % khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp nguyên liệu,

trong sản phẩm đỉnh và trong sản phẩm đáy

Phương trình cân bằng vật chất toàn tháp : F = P + W

Nếu đối với cấu tử dễ bay hơi : F.aF = P.aP + W.aW

Ta tính được P :

W P

W F

aa

aaFP

−

−

×

Chuyển từ nồng độ % khối lượng sang nồng độ phần mol :

B F A

a

a

xF = + −

B P A

P A P

MM

Ma1a

a

xP = + −

B W A

W A W

MM

Ma1a

a

xW = + −

Với MA, MB: khối lượng mol của cấu tử nhẹ và cấu tử nặng

Tính khối lượng mol trung bình của:

Lưu lượng khối lượng, kg/h

Lưu lượng mol, kg/h

F

MF

P

MP

W

MW

2.5.5 Xác định chỉ số hồi lưu r f và số đĩa lý thuyết tối thiểu N min

Chỉ số hồi lưu rf là tỉ số giữa lượng lỏng hồi lưu và lượng sản phẩm đỉnh

Để xác định chỉ số hồi lưu rf và số đĩa lý thuyết tối thiểu Nmin, ta thực hiện theo

những bước sau:

1- Xác định rf min:

F

* F

* F P min f

x y

y x r

−

−

=

Với y*F - nồng độ phần mol cân bằng ứng với xF

2- Xác định các giá trị rf = b rfmin với b = 1,2 ÷ 2,5

3- Xác định các giá trị

1r

xB

f

P

+

=

4- Trên đường cân bằng lỏng hơi x-y của hệ hai cấu tử → Vẽ đường làm việc của:

- Đoạn luyện: bằng cách nối điểm (xP, yP) với điểm (0, B)

- Đoạn chưng: bằng cách nối điểm (xW, yW) với giao điểm của đường làm

việc của đoạn luyện với đường x = xF (nếu hỗn hợp nguyên liệu vào ở điểm sôi)

5- Xác định số bậc thay đổi nồng độ NLT bằng cách vẽ các đường thẳng song song

với trục hoành và trục tung bắt đầu từ điểm xP cho đến khi quá điểm xW NLT thông

thường không phải là số nguyên

6- Giá trị thích hợp của chỉ số hồi lưu rf và số đĩa lý thuyết tối thiểu Nmin tương ứng

với giá trị cực tiểu của NLT(rf + 1)

Đường làm việc đoạn luyện

Đường làm việc đoạn chưng

NN

η

=

3

W F

P tb

η + η + η

= η

Với : ηP, ηF, ηW - hiệu suất của đĩa đầu tiên ở đỉnh tháp, của đĩa nạp liệu và của đĩa

Trong đó : α - độ bay hơi tương đối của hỗn hợp

µ - độ nhớt của hỗn hợp lỏng, N.s/m2

Độ bay hơi tương đối của các hỗn hợp thực được xác định theo công thức:

x

x 1 y 1

−

= α

y, x : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi và pha lỏng

Sau khi tính được tích (α , µ) ⇒ Tra đồ thị “Correlation de O’Connel”⇒ xác

định được ηP, ηF, ηW ⇒ xác định ηtb ⇒ NTT

THỰC HÀNH VẬN DỤNG PHẦN MỀM PROII ĐỂ MÔ PHỎNG MỘT

SỐ SƠ ĐỒ TRONG CÔNG NGHIỆP HÓA HỌC

I- Giới thiệu tổng quan

1- Mục đích, vai trò của thiết kế mô phỏng

• Thiết kế mô phỏng là quá trình thiết kế với sự trợ giúp của máy tính với các

phần mềm chuyên nghiệp

• Mô phỏng là một công cụ cho phép người kỹ sư tiến hành công việc một cách

hiệu quả hơn khi thiết kế một quá trình mới hoặc phân tích, nghiên cứu các yếu

tố ảnh hưởng dến một quá trình đang hoạt động trong thực tế

• Tốc độ của công cụ mô phỏng cho phép khảo sát nhiều trường hợp hơn trong

cùng thời gian với độ chính xác cao hơn nếu so với tính toán bằng tay Hơn nữa,

chúng ta có thể tự động hóa quá trình tính toán các sơ đồ công nghệ để tránh

việc phải thực hiện các phép tính lặp không có cơ sở hoặc mò mẫm

• Thiết kế mô phỏng thường được sử dụng để :

- Thiết kế (Designing) một quá trình mới

- Thử lại, kiểm tra lại (Retrofitting) các quá trình đang tồn tại

- Hiệu chỉnh (Troubleshooting) các quá trình đang vận hành

- Tối ưu hóa (Optimizing) các quá trình vận hành

• Để xây dựng một mô hình mô phỏng hiệu quả, chúng ta phải xác định đúng mục

tiêu Bước đầu tiên trong bất cứ một quá trình mô phỏng nào là lượng hóa các

mục tiêu càng nhiều càng tốt Các kết quả đạt được thường phụ thuộc vào các

yêu cầu đặt ra Như vậy, trước khi mô phỏng một quá trình nên đặt ra các câu

hỏi sau :

- Mục đích sử dụng công cụ mô phỏng trong trường hợp này để làm gì ?

- Quá trình mô phỏng sẽ thực hiện những việc gì ?

- Sự phức tạp có cần thiết không ?

- Cần thiết phải tìm ra các kết quả nào từ quá trình mô phỏng ?

• Cần nhớ rằng các giá trị thu được từ kết quả mô phỏng phụ thuộc rất nhiều vào

những lựa chọn ban đầu mà chúng ta đã nhập vào

2- Các phần mềm mô phỏng trong công nghệ hóa học

• Trong công nghệ hóa học, người ta sử dụng rất nhiều các phần mềm mô phỏng :

- DESIGN II (WINSIM) : sử dụng trong công nghiệp hóa học nói chung

- PRO/II (SIMSCI) : sử dụng trong công nghiệp hóa học, công nghiệp lọc -

hóa dầu

- PROSIM : sử dụng trong công nghiệp hóa học

- HYSIM (HYSYS) : sử dụng trong công nghiệp chế biến khí

• Trong các phần mềm kể trên, phần mềm PRO/II là phần mềm nổi tiếng nhất,

được sử dụng rộng rãi nhất trong nhiều lĩnh vực công nghiệp

II- Phần mềm PRO/II

1- Lĩnh vực sử dụng

• Phần mềm PRO/II là phần mềm tính toán chuyên dụng trong các lĩnh vực công

nghệ hóa học nói chung, đặc biệt trong lĩnh vực lọc dầu, hóa dầu, polymer, hóa

dược, Đây là phần mềm tính toán rất chính xác các quá trình chưng cất Là

sản phẩm của SIMSCI, hình thành từ năm 1967 và được chính thức sử dụng vào

năm 1988 sau nhiều lần được cải tiến Hiện nay, chúng ta đang sử dụng phiên

bản PRO/II 7.0

• PRO/II vận hành theo các modul liên tiếp, mỗi thiết bị được tính riêng lẽ và lần

lượt tính cho từng thiết bị

• PRO/II bao gồm các nguồn dữ liệu phong phú : thư viện các cấu tử hóa học, các

phương pháp xác định các tính chất nhiệt động, các kỹ xảo vận hành các thiết bị

hiện đại để cung cấp cho các kỹ sư công nghệ các kỹ năng để biểu diễn tất cả

các tính toán cân bằng vật chất và năng lượng cần thiết khi mô phỏng các trạng

thái dừng của các sơ đồ công nghệ

• Phần mềm PRO/II được sử dụng theo nhằm 2 mục đích chính:

- Thiết kế một phân xưởng mới (Sizing)

- 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 (Rating) như : thay đổi

nguồn nguyên liệu, điều kiện vận hành hoặc tiêu chuẩn kỹ thuật của sản

phẩm,

2- Quá trình mô phỏng bằng phần mềm PRO/II

• Trước khi tiến hành mô phỏng, chúng ta phải diễn đạt các dữ liệu từ sơ đồ thực

tế thành mô hình mô phỏng Quá trình này bao gồm các bước sau :

- Xác định hệ đơn vị đo : có 3 hệ đơn vị đo : hệ Anh, hệ Mét và hệ SI Tuỳ

trường hợp, chúng ta chọn hệ đơn vị đo cho thích hợp, thông thường chọn

hệ Mét;

- Xác định thành phần cấu tử có trong hệ : được chọn từ nguồn dữ liệu

phong phú các cấu tử của PROII;

- Lựa chọn các phương trình nhiệt động thích hợp : trên cơ sở thành phần

hóa học của nguyên liệu và điều kiện vận hành của thiết bị ;

- Lựa chọn các dòng nguyên liệu và sản phẩm : xác định thành phần, trạng

thái nhiệt của các dòng;

- Xác định các dữ liệu về thiết bị và điều kiện vận hành cho các thiết bị

• Hơn nữa, trong nhiều trường hợp chúng ta phải thay đổi sơ đồ công nghệ thực tế

sang mục đích mô phỏng Mặc dù có sự tương ứng giữa sơ đồ công nghệ thực tế

và sơ đồ mô phỏng nhưng vẫn có những sự khác biệt cần chú ý

• Vì công cụ mô phỏng chỉ mô tả trạng thái dừng nên trong sơ đồ mô phỏng

không nên bố trí các thiết bị điều khiển, kiểm tra

• PRO/II mặc định Condenser được xem là 1 bậc thay đổi nồng độ (1 đĩa lý

thuyết) và Reboiler cũng được xem là một bậc thay đổi nồng độ và dạng Kettle

được mặc định sử dụng

III- Lý thuyết nhiệt động học

Các tính chất nhiệt động là cơ sở dữ liệu quan trọng nhất cho việc tính toán quá

trình phân tách toàn hệ thống

Có nhiều phương pháp tính toán các tính chất này, trong đó, quan trọng nhất là 2

phương pháp :

- Phương pháp tương quan : API và Rackett

- Phương pháp phương trình trạng thái : phương trình bậc ba tổng quát, công

thức Alpha, các qui luật hỗn hợp, phương trình SRK, phương trình PR,

phương trình SRKP, SRKM, SRKS,

Phương pháp API và Rackett tính toán khá chính xác tỉ trọng của pha lỏng, còn

các tính chất nhiệt động khác như : enthalpie, entropie lỏng và hơi, tỉ trọng pha hơi,

thì được tính toán rất chính xác bằng các phương trình trạng thái như : SRK,

SRKM,

IV- Cơ sở lựa chọn mô hình nhiệt động

• Lựa chọn mô hình nhiệt động thích hợp cho một ứng dụng cụ thể đóng một vai

trò rất quan trọng, ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của kết quả mô phỏng

• Mỗi phương pháp nhiệt động cho phép tính các thông số sau :

- Hằng số cân bằng pha K : thể hiện sự phân bố cấu tử giữa các pha ở điều

kiện cân bằng

- Enthapie của các pha lỏng và pha hơi : xác định năng lượng cần thiết để

chuyển một hệ từ trạng thái nhiệt động này sang trạng thái khác

- Enthapie của các pha lỏng và pha hơi : nhằm phục vụ việc tính toán các

máy nén, giản nở và năng lượng tự do tối thiểu ở các thiết bị phản ứng

- Tỉ trọng của pha lỏng và pha hơi : để tính toán quá trình truyền nhiệt, trở

lực và xác định kích thước tháp chưng cất

• Để lựa chọn mô hình nhiệt động thích hợp, nên dựa vào các yếu tố sau :

- Bản chất của các đặc trưng nhiệt động của hệ như : Hằng số cân bằng

lỏng-hơi (VLE : Vapor Liquid Equilibrium) của các quá trình chưng cất,

cô đặc hoặc bốc hơi, quá trình trích ly,

- Thành phần của hỗn hợp

- Phạm vi nhiệt độ và áp suất

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

• Cụ thể, ta có thể dựa vào sơ đồ sau :

V- Các phần cơ bản của PROII

1- Giao diện của PROII- Qui ước ban đầu

Khi khởi động PROII, đầu tiên sẽ xuất hiện một cửa sổ giao diện qui ước ban đầu:

Các nút hoặc các biểu tượng trong một vài trường hợp được viền quanh bởi 1 trong

6 màu: đỏ, xanh lục, xanh dương, vàng, nâu và đen Ý nghĩa của mỗi màu như sau :

• Đỏ : dữ liệu yêu cầu cần phải nhập

• Xanh lục : dữ liệu mặc định hoặc lựa chọn

• Xanh dương : dữ liệu bạn vừa cung cấp thoả mãn yêu cầu

• Vàng : báo rằng số liệu bạn vừa nhập ngoài khoảng cho phép

• Nâu : dữ liệu không có giá trị

• Đen : dữ liệu không yêu cầu nhập vào

2- Cửa sổ PRO/II

Từ File menu ⇒ Chọn New : một cửa sổ View1 sẽ xuất hiện cho chúng ta một

flowsheet mới như sau:

Màn hình bao gồm :

• Dòng trên cùng gọi là Application Title Bar (Thanh tiêu đề ứng dụng), ở đó có tên

của ứng dụng là PRO/II with PROVISION, kèm theo là Document Title Bar

(Thanh tiêu đề tài liệu) ở đó có tên của chương trình mô phỏng đang thực hiện (chẳng

hạn là View 1 - là tên nguyên của tài liệu khi mới khởi động PRO/II)

• Dòng thứ hai gọi là Menu Bar (Thanh trình đơn) gồm 10 mục từ File đến Help ;

• Dòng thứ ba gọi là Standard Tool Bar (Thanh công cụ chuẩn) chứa biểu tượng của

các lệnh thường dùng

• Bên phải và phía dưới màn hình là thanh trượt dọc và thanh trượt ngang

• Bên phải màn hình, bên ngoài thanh trượt dọc là thanh công cụ floating PFD (Pipe

Flow Diagram) Nếu thanh công cụ PFD không hiển thị thì ta có thể gọi nó như sau :

- click vào biểu tượng Show or Hide PFD Palette trên Standard Tool Bar

- hoặc từ View ⇒ Palettes ⇒ nhắp chọn (hoặc không) PFD

• Ngoài ra còn có thanh công cụ Run Để làm xuất hiện hoặc biến mất thanh công cụ

này cũng từ View ⇒ Palettes ⇒ nhắp chọn (hoặc không) Run

VI- Các thao tác thường dùng trong mô phỏng bằng PRO/II

1- Mở một chương trình mô phỏng mới (Opening a New Simulation)

• Từ File Menu ⇒ New

• Nếu bạn muốn PRO/II luôn luôn được mở với một chương trình mô phỏng mới ⇒

Options Menu ⇒ New File on Startup

2- Mở một chương trình mô phỏng đã có (Opening an Existing Simulation)

Bạn có thể mở bất kỳ một chương trình mô phỏng nào đã được ghi trước đó để chỉnh sửa,

xem hoặc in Qui trình :

• Từ File Menu ⇒ Open ⇒ hiển thị cửa sổ Open Simulation

• Đánh tên chương trình vào hoặc chọn tên file mô phỏng

• OK hoặc Enter ⇒ hiển thị file Simulation cần thiết

3- Ghi một file mô phỏng đang hiện hành (Saving the Current Simulation)

a- Ghi một file mô phỏng đang hiện hành

• Từ File Menu ⇒ Save ⇒ nếu bạn chưa ghi chương trình mô phỏng này lần nào thì sẽ

hiển thị cửa sổ Save as ⇒ nhập tên ⇒ Chọn OK hoặc nhắp Enter Còn sau lần ghi

đầu tiên, muốn ghi lại file đang hiện hành ⇒ nhắp vào biểu tượng Save

• Chương trình PRO/II sẽ tự động nén 3 file dữ liệu (*.pr1, pr2, pr3) và 1 file

flowsheet biểu đồ các dòng (*.sfd) thành một file đơn *.prz Vì vậy, bên cạnh việc

giảm kích thước của các file lưu trữ còn đảm bảo rằng việc cài đặt file đã hoàn thành

mỗi khi chúng ta ghi các chương trình mô phỏng

• Chức năng Autosave của PRO/II sẽ tự động tạo một file sao chép dự phòng (backup

file) Nếu bạn đóng hoặc thoát ra chương trình mô phỏng mà không ghi thì file này sẽ

bị xóa Hãy chọn Options / simulation Defaults / Autosave từ menu bar ⇒ hiển thị

cửa sổ Autosave Options ⇒ nhắp chọn Automatic Save File every ⇒ nhập chu kỳ

save (phút) ⇒ OK

b- Ghi một file mô phỏng với một tên khác

Từ File Menu ⇒ chọn Save as ⇒ hiển thị cửa sổ Save as ⇒ Nhập tên mới cho chương

trình mô phỏng ⇒ Chọn OK hoặc nhắp Enter

4- Xóa một chương trình mô phỏng (Deleting a Simulation)

• Từ File Menu ⇒ chọn Delete ⇒ PRO/II sẽ hiển thị một danh sách các file mô phỏng

5- Sao chép một chương trình mô phỏng (Copy a Simulation)

• PRO/II có thể copy tất cả các file liên kết với chương trình mô phỏng (3 file dữ liệu

và 1 flowsheet) vào một file mô phỏng mới hoặc đang hiện hành Nếu bạn muốn

copy vào một file mô phỏng đang hiện hành ⇒ PRO/II sẽ hỏi bạn có muốn viết đè lên

file hiện hành này không ?

• Từ File Menu ⇒ chọn Copy ⇒ PRO/II sẽ hiển thị cửa sổ Select File to Copy ⇒

Hãy chọn tên file cần copy (Bạn không thể copy một chương trình mô phỏng đang

hiện hành) ⇒ Nhập tên file đích (target) ⇒ OK

6- Thay đổi dạng đường viền các dòng (Modifying the Flowsheet Stream Border

Style)

• Thông thường đường viền các dòng thường có dạng hình chữ nhật ⇒ Chúng ta có thể

thay đổi thành đường viền dạng tròn Qui trình như sau :

- Right-click vào dòng được chọn ⇒ hiển thị cửa sổ lựa chọn

- Chọn Display ⇒ xuất hiện cửa sổ Stream Style

- Chọn Circle từ drop-down list box của Stream Label Border

- click OK ⇒ đường viền dòng được chọn từ dạng hình chữ nhật chuyển thành

đường viền dạng tròn

• Với cách như trên, bạn có thể thay đổi dạng đường viền cho từng dòng riêng lẽ Còn

nếu muốn, bạn có thể click chuột trái và quét chọn một hình chữ nhật bao xung quanh

các dòng muốn thay đổi dạng đường viền rồi tiến hành qui trình như trên Hoặc bạn có

thể mặc định dạng đường viền cho tất cả các dòng ngay từ đầu theo qui trình sau :

- Từ Options Menu ⇒ Drawing Defauts ⇒ Stream Display ⇒ hiển thị cửa sổ

Stream Style

- Chọn Circle từ drop-down list box của Stream Label Border Và lựa chọn này

chỉ có giá trị khi chúng ta chọn Name ở mục Stream Label Type ⇒ OK

7- Hiển thị tính chất của dòng trên sơ đồ mô phỏng

• Qui trình như sau :

- Right-click vào dòng được chọn ⇒ hiển thị cửa sổ lựa chọn

- Chọn Display ⇒ xuất hiện cửa sổ Stream Style

- Chọn Properties từ drop-down list box ở mục Stream Label Type

- Mặc định ở mục Property List là Property Label List ⇒ sẽ hiển thị tên, nhiệt

độ, áp suất và lưu lượng dòng ⇒ OK

8- Sử dụng Flash Hot-Key Tool

• PRO/II có một công cụ hữu ích cho phép hiển thị nhanh chóng các tính toán flash của

bất kỳ dòng nào được chọn ⇒ Đó là công cụ Flash Hot-Key, cung cấp một phương

tiện nhanh chóng, dễ dàng để xác định hàm lượng và thành phần của pha lỏng và pha

hơi của bất kỳ dòng nào

9- Xuất một sơ đồ mô phỏng ra cửa sổ lưu trữ tạm (Exporting the PFD to the

Windows Clipboard)

Từ Clipboard, bạn có thể dán một cách đơn giản hình vẽ lên bất kỳ một chương trình

soạn thảo nào như trong Microsoft Word Qui trình như sau :

• Từ Menu ⇒ File ⇒ Export

• Chọn Flowsheet Drawing

• Click OK ⇒ PRO/II sẽ hiển thị một hộp hội thoại để khẳng định rằng flowsheet đã

được xuất ra cửa sổ lưu trữ tạm

10- Nhập một file PRO/II có sẳn (Importing a PRO/II Keyword Input File)

Bạn có thể nhập một file keyword Input của PRO/II dạng *.inp có sẳn vào giao diện

PRO/II đang hiện hành PRO/II sẽ tự động chuyển đổi file này thành một sơ đồ tính toán

và chúng ta có thể tiến hành mô phỏng như mô phỏng trên một sơ đồ PFD, từ đó chúng ta

có thể chỉnh sửa theo ý mình

• Từ Menu ⇒ File ⇒ Import

• Nhập hoặc chọn tên của flie muốn nhập

• Chọn OK hoặc nhắp Enter

11- Xác định các tính chất về cân bằng lỏng - hơi của các hệ 2 cấu tử (Display

BVLE)

Để xác định các tính chất về bằng lỏng - hơi của các hệ 2 cấu tử này ở áp suất thường (1

atm) hay ở một áp suất bất kỳ nào đó, ta sử dụng công cụ Display BVLE

Qui trình như sau :

• Chọn hệ đơn vị

• Chọn cấu tử

• Chọn mô hình nhiệt động thích hợp

• Nhắp chọn biểu tượng Display BVLE ⇒ Chọn các cấu tử, chọn áp suất và nhắp chọn

Calculate ⇒ Ta sẽ được 5 loại biểu đồ:

• Biểu đồ X - Y

• Biểu đồ T - X - Y

• Biểu đồ hệ số Fugacity

• Biểu đồ hằng số cân bằng K thay đổi theo thành phần mol

• Biểu đồ hằng số cân bằng K thay đổi theo

VII- BÀI TẬP ÁP DỤNG

Bài tốn 1: Mơ phỏng sơ đồ cơng nghệ của phân xưởng tách Méthane

Tháp Demethanizer để tách methane ra khỏi hỗn hợp khí trong sơ đồ sử dụng

turbo-expander

Lưu lượng dịng khí nguyên liệu : 8 m3/s

Nhiệt độ : 120 oF

Aïp suất : 602,7 psia (pound per square inch absolute)

(1 psi = 0,06896 bar; 602,7 psia = 588,2 psig; 1pound = 453,6 g)

Thành phần của hỗn hợp khí ban đầu như sau :

Trong đĩ: Hiệu suất của máy nén là 75%; Hiệu suất của thiết bị giản nở: 80%

Yêu cầu chất lượng của sản phẩm đáy là tỉ lệ C1/C2 = 0.015 Hãy xác định:

1 Cơng suất thực của máy nén C1?

2 Thành phần, nhiệt độ và áp suất của các dịng sản phẩm khí và lỏng?

⇒ Phương pháp tiến hành: Chúng ta sẽ chia sơ đồ trên thành 2 vùng :

• Vùng 1 : mơ phỏng 3 thiết bị đơn giản để làm quen với phần mềm PROII

• Vùng 2 : Chúng ta sẽ mơ phỏng tồn bộ quá trình để tìm hiểu những điểm ưu việt

của phần mềm PROII