I Giới Thiệu Phần Mềm ProII 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.simsciesscor.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 PROII 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, PROII kết hợp những tài nguyên dữ liệu của thư¬ viện thành phần hóa học rộng lớn và ph¬ương pháp dự đoán thuộc tính nhiệt động tiên tiến nhất. PROII 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 PROII để biết chi tiết về phần mềm,cách dùng và nhiều hổ trợ khác,có thể đăng kí mua bản PROII. 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 PROII 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 mỗi đơn vị công nghệ. 2) Định rõ những thành phần: 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 những phương thức Tính toán Nhiệt động: Kích nút sơ đồ pha 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 được nhập liệu: Nhấn đúp vào mỗi dòng nhập liệu ngoài để cung cấp dữ liệu dòng (lưu luợng chảy, thành phần, nhiệt độ, áp suất). 5) Cung cấp những điều kiện cho qui trình Nhấn đúp vào mỗi biểu tượng đơn vị hoạt động trong sơ đồ qui trình sản xuất, và cung cấp dữ liệu (những vùng dữ liệu đuợc phác thảo màu đỏ). Khi nhập dữ liệu quá trình, vùng dữ liệu thay đổi màu từ đỏ đến xanh. 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 7) Xem kết quả: Sau khi chạy xong quá trình mô phỏng, bạn có thể xem lại những kết quả và xếp thành bảng sử dụng báo cáo đ¬ể in mặc định hoặc trực tiếp trong Excel. III Sơ đồ một quy trình dùng phần mềm PROII 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 vẫn còn 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 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 IO và Chemdist trong PROII. Khi mô phỏng quá trính chưng cất dầu mỏ thì IO thường được sử dụng vì giải nhanh và phù hợp cho các hệ Hydrocacbon. Phương pháp tính lặp IO (insideoutside): chia công việc tính toán thành hai vòng lặp, vòng lặp nội và vòng lặp ngoại.Vòng lặp nội PROII 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 PROII 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. PROII 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.
Trang 1PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ 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, cungcấp 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 tàinguyên dữ liệu của thư viện thành phần hóa học rộng lớn và phương pháp dự đoán thuộc tính nhiệtđộng 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 thểđăng 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 biểutượng, kích chuột, và thả đơn vị trong phạm vi hoạt động bằng cách kích lần nữa Xác định rõ nhữngdòng bằng cách chọn nút STREAM, kích chuột cho đầu vào và ra mỗi đơn vị công nghệ
2) Định rõ những thành phần:
Kích nút biểu tượng những thành phần để vào một danh sách tất cả các thành phần trong quátrình Chọn từ hơn 1,700 thành phần đuợc xây dựng trong cơ sở dữ liệu của SIMSCI bằng cách đánhvào tên thành phần hoặc lựa chọn từ danh sách đuợc xác định trước đó
Trang 23) Lựa chọn những phương thức Tính toán Nhiệt động:
Kích nút sơ đồ pha để chọn những phương thức nhiệt động từ danh sách những phương thứcthường sử dụng, khái quát hóa, phương trình trạng thái, phương thức chất lỏng hoạt động, và nhữnggói dữ liệu đặc biệt
4) Định rõ những dòng được nhập liệu:
Trang 3Nhấn đúp vào mỗi dòng nhập liệu ngoài để cung cấp dữ liệu dòng (lưu luợng chảy, thành phần,nhiệt độ, áp suất).
5) Cung cấp những điều kiện cho qui trình
Trang 4Nhấn đúp vào mỗi biểu tượng đơn vị hoạt động trong sơ đồ qui trình sản xuất, và cung cấp dữ liệu(những vùng dữ liệu đuợc phác thảo màu đỏ) Khi nhập dữ liệu quá trình, vùng dữ liệu thay đổi màu
từ đỏ đến xanh
6) Chạy mô phỏng
Trang 5Một 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
7) Xem kết quả:
Sau khi chạy xong quá trình mô phỏng, bạn có thể xem lại những kết quả và xếp thành bảng sửdụng báo cáo để in mặc định hoặc trực tiếp trong Excel
Trang 6III - Sơ đồ một quy trình dùng phần mềm PRO/II
IV - Nhập dữ liệu và chọn thuật toán
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 trìnhmới 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 vẫn còn thiếu thì ô cómàu 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 PRO II tự động ước lượngbằng công cụ IEG dựa trên các thông số đã cung cấp IEG chỉ được sử dụng hai thuật toán lặp I/O vàChemdist trong PRO/II Khi mô phỏng quá trính chưng cất dầu mỏ thì I/O thường được sử dụng vìgiải 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 lặpnội và vòng lặp ngoại.Vòng lặp nội PRO/II giải các phương trình của cột chưng cất: phương trình cânbằng vật chất, cân bằng nhiệt và điều kiện biên Vòng lặp nội dùng phương pháp tính gần đúng nênxác định các biên số rất nhanh
Trang 7Sau khi vòng lặp nội đã hội tụ (sai số giữa hai lần lặp đạt yêu cầu) thì PRO/II chuyển sang tínhvòng 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 cóthể 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 hiệnđược
- Do mô hình không hợp lý như không đủ số mâm lý thuyết, thuật toán chọn sai, bộ tính toántính 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 số vòng lặp tối đa cho phép hoặcgiảm 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 qui trình thực tế thì kiểm tra độ tincậy của kết quả tính toán bằng cách :
o Thay đổi bộ tính toán tính chất (phải phù hợp với hệ đang mô phỏng)
o Thay đổi cấu tử giả của dòng nhập liệu
o Khi tăng số cấu tử giả mà kết quả tính toán chênh lêch không đáng kể thì phải lấy kết quả mớichính xác hơn
Nói chung bước kiểm tra độ tin cậy không nhất thiết phải được thực hiện nếu không có mối nghingờ nào
VI - Một số công cụ hỗ trợ
Bộ phận ngưng tụ:
Sản phẩm đỉnh từ tháp có bộ phận ngưng tụ tương tự như sản phẩm từ reflux accumulator drum
Trang 8Việc lựa chọn bộ phận ngưng tụ tuỳ thuộc vào các yếu tố:Thành phần,Nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ làmviệc, nhiệt độ quá lạnh, độ giảm nhiệt độ quá lạnh.
Bộ phận đun lại(nồi đun lại)
-Thường được tự mặc định dạng tiêu chuẩn(kettle):được xây dựng dựa trên năng suất của mâm đáycủa tháp với sản phẩm cân bằng lỏng là sản phẩm đáy
-Đối với thuật toán I/O và I/O mở rộng, ta có thể dùng các dang sau: nồi đun lại có điều chỉnh lưulượng và ồi đun lại không điều chỉnh lưu lượng
-Đối với các thuật toán khác thì chỉ có thể dùng nồi đun lại tiêu chuẩn
Lưu ý:
-Những nồi đun lại có điều chỉnh lưu lượng(nồi đun lại sẽ đưa dòng lại bồn chứa của nồi đun và chảytràn vào bồn chứa sản phẩm) thì tương tự nồi đun không điều chỉnh lưu lượng về mục đích mô phỏng
và được tạo mẫu như nhau
-Các cài đặt của thermosiphon nồi đun:
+Thành phần của dòng lỏng hồi lưu của nồi đun
+ Nhiệt độ của dòng hồi lưu
+ Nhiệt độ thay đổi khi đi qua nồi đun
+ Tốc độ quay vòng của nồi đun
Trang 9PHẦN 2: DISTILLATIONI/Giới thiệu: Distillation là một đơn vị mô phỏng quá trình chưng cất của PRO/II được sử dụng nhằm
mục đích mô phỏng và tính toán quá trình chưng cất các chất trong công nghiệp hóa dầu và khí
II/ Nguyên lý tính toán:
Cơ sở tính toán cho thiết bị:
Giả sử:
- Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp là thiết bị ngưng tụ hoàn toàn hơi thành lỏng ở nhiệt độ tsôi
- Thiết bị đun sôi đáy tháp không làm thay đổi thành phần của hỗn hợp
- Nguyên liệu được đưa vào tháp ở nhiệt độ sôi
- Không có mất mát nhiệt
Cân bằng vật chất :
Cho toàn tháp: F= D+W
Cho thiết bị ngưng tụ: G1=D+L0
Cho cấu tử dễ bay hơi: F.xF=D.xD+W.xW
Cho đoạn luyện: G.y+L0.xL0=G1.y1+L.x
Trang 14III/ Thuật toán tính toán:
Đối với hầu hết các hệ, SimSci thường sử dụng thuật toán I/O Khi 1 bài toán có thể sử dụngnhiều 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 chứamột số thuộc tính mới mẻ đã góp phần tạo nên tính chất hội tụ tuyệt vời của nó Thuật toán này đượcchia 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 vònglặp trong Cùng với những mô hình đơn giản thì sự lựa chọn biến ban đầu cho phép vòng lặp tronggiải 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 dựa trên nhữngthành phần mới và kết quả của quá trình tính toán nhiệt động chặt chẽ Khi nào mà giá trị các giá trịEnthalpy và K tính được phù hợp với mô hình nhiệt động đơn giản và các đặc tính thiết kế kĩ thuậtđược 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 hồi lưu.Những phương trình của một vòng lặp trong bao gồm phương trình cân bằng enthalpy cho các đĩa vàphương 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:
Trang 15Trong 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
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 tưởngkhông cao Chemdish là phương pháp thuần Newton Raphson với việc phân tích đầy đủ những phátsinh, bao gồm phát sinh trong hoạt động và trong hệ số nhớt Chemdish cho phép 2 pha lỏng được tạothành trên bất kì đĩa nào trong tháp và cung cấp cấu hình của 2 pha lỏng ngưng tụ Chemdish vớinhững phản ứng hóa học cho phép thủ tục In-Line cho những phản ứng phi động lực học
Trang 16Chemdish 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 thô khi mà lẽ ra nên lựa chọn phương phápI/O Chemdish dùng để giải quyết tốt cả vấn đề cân bằng hơi- lỏng và cân bằng hơi- lỏng- lỏng như 1phản 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:
Trang 17X 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 Nóđược giải quyết nhờ sử dụng nhóm phần mếm thứ 3 từ hệ thống OLI Máy tính tính toán trực tiếp giátrị độ bay hơi tương đối K mà đã được chuyển hóa thành K cân bằng 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 hìnhtoán 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 lặpvòng 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 củapha 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 Newton
Có 2 cấu tử + 3 phương trình và 2 cấu tử + 3ẩn trên mỗi đĩa lí thuyết Những biến đổi độc lập trênmỗi đĩa là:
Trang 18Cân 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 môhình 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 nhữngtrường hợp có sự ăn mòn.Tất cả các tính toán cho tháp đĩa và tháp đệm đều yêu cầu biết độ nhớt độnghọc Thông số độ nhớt động học sẽ là cơ sở để người dùng lựa chọn các công cụ tính toán nhiệt độnglực học phù hợp
Trang 195 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 sửdụng như là 1 công cụ tính toán thử nghiệm.Quy trình đựơc phát biểu bởi Glitsch dùng để ước tínhnăng suất hoặc chế độ dòng chảy, chênh lệch áp suất của van thuỷ lực Đối với tháp đĩa lỗ hoặc đĩanhập liệu sôi ở đỉnh, năng suất được ước tính là 95% và năng suất tương ứng là 85% đối với van
Năng suất:
Năng suất của tháp đĩa được định nghĩa bằng yếu tố năng suất lượng hơi không chứa lỏng Đồ thịđược dùng để đạt tới yếu tố năng suất yêu cầu dựa trên khoảng cách giữa các đĩa 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 ta thấy các yếu tố
hệ thống được dùng để tính toán chính xác yếu tố năng suất hơi
Trang 20Để thiết kế tháp đĩa ta tính toán phần trăm các dòng để tìm kích thước đừơng kính tháp, lượng hơicần 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
G: tỷ trọng hơi
L: tỷ trọng lỏng
Độ giảm áp
Đối với van, tháp đĩa lỗ, tháp đĩa tầng sôi độ giảm áp toàn bộ là tổng của độ giảm áp trên tháp khô và
độ giảm áp gây ra do lỏng bị nghẽn trên đĩa
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 trọnglượng của van tại dòng hơi có tốc độ thấp và bình phương tốc độ ban đầu của dòng hơi có tốc độ cao
a 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 theophương 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 : hsh 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
b 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)
Trang 21 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 : hds 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/ Thiết bị và ứng dụng của Distillation trong tính toán:
Chọn Distillation từ bảng PFD, sau đó nhấp vào màn hình mô phỏng:
Trang 22Khi đó hộp thoại column configulation xuất hiện:
Trong Number of Theoretical Trays , ta điền số mâm lý thuyết của thiết bị chưng cất( để xác
định số mâm lý thuyết này, ta có thể sử dụng thiết bị shortcut distillation để tìm số mâm cần thiết căn cứvào các dữ liệu dòng đầu vào)
Ngoài ra, trong hộp thoại cũng có 2 option là Condenser và Reboiler( tương ứng với thiết bị
ngưng tụ và nồi đun),nếu trong quá trình chưng cất mà ta tiến hành có sử dụng thiết bị ngưng tụ và nồiđun thì ta chọn các option này,khi đó trong thiết bị chưng cất sẽ có các thiết bị đã chọn Thiết bị ngưng tụ
và nồi đun vẫn được tính như là một mâm lý thuyết
Trong distillation, số mâm được đánh số thứ tự từ trên xuống, bắt đầu từ thiết bị ngưng tụ và kết thúc ởnồi đun( nếu có)
Để thiết bị chưng cất hoạt động, ta cần thiết lập các dòng đầu vào ,và các dòng đầu ra cho thiết bị(tương ứng với dòng sản phẩm đỉnh và dòng sản phẩm đáy), các thông số ban đầu như nhiệt độ, áp suất,thành phần các cấu tử trong nguyên liệu ban đầu được nhập cho dòng đầu vào, điểm kết thúc của dòngđầu vào nối vào thân của thiết bị chưng cất, ở vị trí ứng với số mâm nhập liệu (được xác định bằng
shortcut distillation)
Trang 23Distillation cung cấp rất nhiều tiện ích giúp mô phỏng quá trình chưng cất theo các điều kiện hoạt
- Calculated Phases: lựa chọn pha cho việc tính toán.
- Number of Stages: số mâm lý thuyết của thiết bị.
- Number of Iterations: số vòng lặp cần thực hiện, thông thường số vòng lặp càng lớn thì mức độ chính
xác càng cao, nhưng quá trình xử lý sẽ chậm hơn
Trang 24Để thiết bị chưng cất hoạt động ta cần phải cung cấp dữ kiện cho ít nhất 3 phần( được viền đỏ trên
hộp thoại PRO/II- Column: Pressure Profile, Feed and Products, Performance Specification.
* Pressure Profile: cung cấp các thông số về áp suất hoạt động của thiết bị chưng cất, bao gồm áp suất
trên mâm chưng cất áp suất cho toàn bộ thiết bị
+ Nhấp vào tab Pressure Profile, hộp thoại column- pressure Profile xuất hiện:
Trong Pressure Specification Mode- kiểu áp suất áp dụng cho thiết bị
+ Nếu ta chọn option Overall- áp suất cho thiết bị nói chung thì sau đó cần phải thiết lập các dữ kiện tiếp theo trong Overall Specification bao gồm các dữ liệu về áp suất của mâm trên cùng (Top Tray Pressure), và độ giảm áp (Pressure Drop) trên mỗi mâm( Per Tray) hay độ giảm áp của toàn bộ tháp chưng cất (Column).
+ Nếu cần thiết lập áp suất cho mỗi mâm thì ta chọn By Individual Trays trong Pressure Specification Mode, khi đó Individual Tray Specification sẽ hiện sáng và lúc này ta có thể thiết lập các thông số áp
suất cho từng mâm
Trang 25*Sau khi đã thiết lập các thông số áp suất cho thiết bị hoạt động, các thông số tiếp theo cần phải cung cấp
là các thông số về dòng nhập liệu đi vào và dòng sản phẩm đi ra của thiết bị chưng cất Các thông số này
được cung cấp trong tab Feed and Products.
Trong hộp thoại Column -Feed and Products, ta cung cấp các dữ liệu về vị trí mâm(Tray) đối với dòng nhập liệu (Feed), dòng sản phẩm(Product), kiểu sản phẩm(Type of Product) (bottoms- đối với sản phẩm đáy và Overhead-đối với sản phẩm đỉnh), dạng pha (Phase) của sản phẩm, và lưu lượng của
Trang 26mỗi dòng sản phẩm (Rate), có thể cung cấp thông tin về lưu lượng cho 1 dòng sản phẩm, ProII sẽ tự ước
đoán lưu lượng cho dòng còn lại
Trong Feed Flash Convention- quy ước về pha của dòng nhập liệu
+ nếu chọn Vapor ang liquid to be on the feed tray- thì khi dòng nhập liệu vào, pha lỏng và pha hơi của
dòng nhập liệu sẽ cùng đi xuống mâm nhập liệu
+ Nếu chọn Flash The Feed adiabatically, vapor onto the tray above and liquid onto the feed
tray-thì khi dòng nhập liệu vào, pha lỏng sẽ đi xuống dưới mâm nhập liệu, còn pha hơi sẽ đi lên trên mâmnhập liệu
*Các yêu cầu kỹ thuật khác của quá trình chưng cất sẽ được thiết lập trong từ tab Performance Specification
Trong hộp thoại Column- Specifications and Variables, ta thiết lập các thông số kỹ thuật(Specification)và các biến(Variable) của quá trình chưng cất.
Tất cả các thông số kỹ thuật của quá trình chưng cất đều có thể được Distillation biểu diễn trong Specification dưới dạng biểu thức toán học Parameter = value Trong đó Parameter liên quan đến các
tham số được của thiết bị chưng cất hay bất kỳ thiết bị nào có tham gia vào quá trình chưng cất( kể cả các
dong nhập liệu và dòng sản phẩm) và được distillation định nghĩa trước
Trang 27Value- là giá trị của tham số Parameter.
Ứng với mỗi biểu thức về tham số kỹ thuật sẽ có một option Active ở cuối, nếu option này đượcchọn thì biểu thức đã thiết lập sẽ là điều kiện để ProII đưa vào chương trình tính toán, nếu không thìkhông ảnh hưởng đến quá trình tính Điều này cho phép người thiết lập mô phỏng khảo sát được ảnhhưởng của các ràng buộc đưa vào đến kết quả sau cùng, từ đó dự đoán được ảnh hưởng của các ràng buộc
đó đên quá trình họat động thực tế của thiết bị
Variable- Các biến cần tìm của quá trình chưng cất.
Trang 28Ứng với mỗi Specifications có một Variables
Để thêm một Specifications ( hay một Variables) ta chọn tab insert Specification Variable.
Nhìn chung, Specifications and Variables cung cấp cho người sử dụng rất nhiều tiện ích để đánh giá quá
trình chưng cất Trong tab này, người sử dụng có thể tiến hành thiết lập các điều kiện hoạt động của thiết
bị do mình đưa ra, khảo sát các ràng buộc đó thông qua các biến Variable, từ đó giúp đa dạng hóa quá
trình tính tóan hơn, đánh giá được nhiều tham số ảnh hưởng đến quá trình chưng cất hơn
Về cơ bản, các thông số cần thiết để chạy chương trình tính toán tháp chưng cất là đã đầy đủ, ngoài ra,
distillation còn cung cấp các tab khácgiúp cho việc xác định điều kiện làm việc của tháp chưng cất được
Các tab này có thể thấy trong hộp thoại PRO/II-Column, sau đây sẽ trình bày về ứng dụng của một số
tab đã nêu ở trên
*Condenser: giúp cho việc định nghĩa thiết bị ngưng tụ được cụ thể và chính xác hơn
Trang 29Trong hộp thoại Column-condenser, người sử dụng có thể lựa chọn cho mình loại thiết bị ngưng tụ mà mình muốn trong Condenser Type, bao gồm các option sau:
- Partial: ngưng tụ từng phần.
- Bubble Temperature: ngưng tụ ở nhiệt độ sôi
- Subcooled, Fixed Temperature: được làm lạnh dưới nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ ngưng tụ phải
được đặt trước
- Subcooled, Fixed Temperature Drop: tương tự như trên, nhưng trong quá trình ngưng tụ, nhiệt
độ đặt trước có thể giảm xuống
Trong Condenser Data, người sử dụng có thể nhập các thông số cho thiết bị ngưng tụ như áp suất (pressure), nhiệt độ ước đoán( Temperature estimates), nhiệt độ đặt trước( fixed Temperature, khi chọn Subcooled, Fixed Temperature), mức độ làm lạnh( Degrees Subcooled, khi chọn Subcooled, Fixed Temperature Drop) và năng lượng cần cung cấp cho thiết bị ngưng tụ( Duty).
*Heaters and coolers: cho phép người sử dụng cung cấp các thông tin về năng lượng được cung cấp
cho từng mâm lý thuyết
Trang 30Trong hộp thoại Column- Side Heaters/coolers, cho phép nhập các dữ liệu về tổn thất nhiệt bằng cách sử dụng Heat Leak.
Chọn Calculation with Heat Leak để nhập các dữ kiện về tổn thất nhiệt.
Trong Heat Leak Specification Mode- chọn kiểu tổn thất nhiệt:
- Overall-cho toàn thiết bị: nếu chọn option này thì người sử dụng sẽ cung cấp các thông tin về tổn thất nhiệt trong Overall Heat Leak( bao gồm tổn thất nhiệt trong thiết bị ngưng tụ- Condenser, nồi đun- Reboiler, và tổn thất nhiệt trung bình cho mỗi mâm-Per Tray,hay tổn thất nhiệt trung bình của toàn thiết bị- Column)
- By Individual Trays-tổn thất nhiệt cho từng mâm chưng cất, lúc này, người sử dụng sẽ nhập các giá trị về tổn thất nhiệt cho từng mâm trong Individual Tray Specification.
Trong hộp thoại Column- Side Heaters/coolers, nếu chọn nút Flash Zones