GIÁO TRÌNH mô PHỎNG HYSYS

Một trong những công việc hằng ngày của một Process engineer là nghiên cứu công nghệ tại nhàmáy bên cạnh việc lập báo cáo, phân tích thông kê số liệu. Quá trình nghiên cứu để đánh giá các thiếtbị trong hệ thống công nghệ như: separators, heat exchanger, reboiler, tower, piping, pump,compressor, valves...sẽ đánh giá nhà máy có thể nâng công suất được bao nhiêu phần trăm, có tậndụng được thu hồi nhiệt của các dòng ra tối đa hay không, việc thay đổi và lựa chọn một nguồn nguyênliệu mới có ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế, chất lượng sản phẩm và tính an toàn của nhà máy không?Đánh giá lợi nhuận hằng năm (annual profit) để quyết định đầu tư thêm thiết bị mới, một dự án mớicho việc mở rộng nhà máy...v...v. Tất cả các yếu tố này đòi hỏi một Process engineer phải có kinhnghiệm thực tế và kinh nghiệm mô phỏng

LỜI NÓI ĐẦU

KỸ SƯ CÔNG NGHỆ TẠI NHÀ MÁY (PLANT PROCESS ENGINEER)

Một trong những công việc hằng ngày của một Process engineer là nghiên cứu công nghệ tại nhà máy bên cạnh việc lập báo cáo, phân tích thông kê số liệu Quá trình nghiên cứu để đánh giá các thiết

bị trong hệ thống công nghệ như: separators, heat exchanger, reboiler, tower, piping, pump,

compressor, valves…sẽ đánh giá nhà máy có thể nâng công suất được bao nhiêu phần trăm, có tận dụng được thu hồi nhiệt của các dòng ra tối đa hay không, việc thay đổi và lựa chọn một nguồn nguyên liệu mới có ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế, chất lượng sản phẩm và tính an toàn của nhà máy không? Đánh giá lợi nhuận hằng năm (annual profit) để quyết định đầu tư thêm thiết bị mới, một dự án mới cho việc mở rộng nhà máy…v…v Tất cả các yếu tố này đòi hỏi một Process engineer phải có kinh nghiệm thực tế và kinh nghiệm mô phỏng trên các phần mềm hiện nay như Hysys, Aspen plus,

Chemcad, Aspen Exchanger Design and Rating…

Bài viết của chúng tôi có tham khảo các tài liệu nước ngoài, đặc biệt là các tài liệu hướng dẫn tự học của AspenOne, UniSim Một số nội dung của giáo trình tập 1 dưới đây hy vọng sẽ giúp ích cho:

Aspen plus trong các công việc hàng ngày

MỤC LỤC

BÀI 1: MỞ ĐẦU NHÀ MÁY XỬ LÝ KHÍ ĐƠN GIẢN 2

BÀI 2: THÁP CHƯNG CẤT - ADVANCED COLUMNS 17

BÀI 3: TEMPLATES AND SUB-FLOWSHEETS 32

BÀI 4: LỆNH RECYLE 42

BÀI 5: XỬ LÝ CÁC LỖI THƯỜNG GẶP - TROUBLESHOOTING 47

BÀI 6: MÔ PHỎNG MÁY NÉN VÀ BƠM THỰC TẾ - MODELLING REAL COMPRESSOR AND PUMP 54

BÀI 7: THIẾT BỊ PHẢN ỨNG – CỤM SẢN XUẤT KHÍ TỔNG HỢP 65

BÀI 8: THIẾT BỊ PHẢN ỨNG – MÔ PHỎNG LÒ HƠI 76

BÀI 9: MÔ PHỎNG THIẾT BỊ TÁCH PHA THỰC TẾ - MODELING REAL SEPARATORS 91

BÀI 10: THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 102

BÀI 1: MỞ ĐẦU NHÀ MÁY XỬ LÝ KHÍ ĐƠN GIẢN

I GIỚI THIỆU

Bài mở đầu chúng tôi xây dựng một nhà máy xử lý khí tự nhiên với 2 dòng sản phẩm thu được là LPG và Khí Methane Các sản phẩm thu được là nguyên liệu cho các nhà máy điện, nhà máy đạm và chúng được sử dụng để làm nhiêu liệu đốt lò, nhiêu liệu sạch sử dụng cho các phương tiện công cộng hiện nay

Một số quá trình để xử lý khí tự nhiên như: làm lạnh (Cooling), Giãn nỡ (Expanding), nén

(Compressing), tách pha (Phase Separating) và chưng cất (Distillation) Tùy theo tính chất, thành phần khí được khai thác mà công nghệ phải sử dụng nhiều thiết bị để thực hiện tách triệt để các sản phẩm khí

và sản phẩm lỏng phục vụ cho các công đoạn tiếp theo Nhưng chung quy lại, vẫn là các quá trình như trên

Mục tiêu bài học:

- Sử dụng LNG Exchanger để mô phỏng multi-pass Exchangers

- Thiết đặt tháp chưng cất có sử dụng Input Experts

- Thêm một số specs để hội tụ tháp

- Sử dụng Workbook để tính toán

- Sử dụng stream property corrections

Một số yêu cầu: Biết sử dụng qua các thiết bị: LNG Exchanger, Column, Cooler, Expander, Separator, Pump Tuy nhiên, trong bài này chúng tôi cố gắng hướng dẫn chi tiết để các bạn từng bước thực hiện

II THIẾT LẬP MÔ PHỎNG:

1 Thiết lập property

- Component List > Add các cấu tử: Nitrogen, CO2, Methane, Ethane, Propane, i-Butane,

n-Butane, i-Pentane, n-Pentane và n-Hexane

- Sử dụng phương trình trạng thái: Peng-Robinson

2 Thiết lập Simulation

Thêm dòng Feed Gas Chú ý vào Flowsheet/Modify, chọn Flip Horizontal để quay ngược lại dòng

như hình dưới

- Vào composition, nhập các thành phần cấu tử như bên dưới Thành phần cấu tử của Natural gas

có được từ phân tích sắc kí khí để xác định được thành phần cụ thể

- Sau khi nhập đầy đủ các spec như yêu cầu, dòng Feed Gas hiện thị xanh:

Thêm Multi-pass Exchanger

- Mô hình TBTĐN LNG (Liquefied Narual Gas) tính toán cân bằng vật chất và năng lượng cho

TBTĐN đa dòng

- Vào Palette chọn LNG Exchanger

- Vào LNG operation > Tab Desgin > chọn Connection và nhập các thông số như hình dưới đây:

- Trên Tab Design > vào Parameters Mô hình Rating Simple Weighted được sử dụng để chia

nhỏ đường cong nhiệt thành từng đoạn (intervals) Số đoạn có thể thay đổi tại mục Intervals trong bảng Exchange Details Step Type là loại đường cong được thiết đặt để Hysys tách ra (Temperature, enthalpy hoặc auto Intervals) Nếu chọn Dew/Bub pt (điểm sương và điểm bột nơi có sự thay đổi pha rắn lỏng khí) thì Hysys sẽ xác định điểm này trên heating curves mà có diễn ra sự thay đổi pha (Ở các tài liệu sau, chúng tôi sẽ nói về mô phỏng từng loại thiết bị cụ thể hơn)

- Vào tab Specs: Ở đây ta thấy bậc tự do là 6 Cột bên phải của tab specs thể hiện những biến

chưa biết Chúng ta sẽ thêm 2 spec để bậc tự do giảm xuống còn 4

 Minimum approach temperature 10oC

- Cooler Outlet Stream: 2

- Pressure Drop: 20 kPa

Thêm Valve và lệnh Set

- Dòng 4 của bình tách V-100 sẽ được giảm áp suất bằng với áp suất đầu ra của máy Expander

- Thiết đặt van VLV-100, với dòng ra: 8

- Đặt lệnh Set: Target Variable: 8, Pressure Source: 5

Thêm LPG Recovery Column

- Sử dụng Distillation Column trong Hysys: 5 đĩa, 1 Bình ngưng tụ và 1 Reboiler

- Nguyên liệu là dòng 8 được nạp vào đĩa số 1 Dòng số 6 từ bình tách V-101 được nạp vào bình

ngưng tụ

- Nhập thông tin tháp theo hình bên dưới:

- Vì áp suất đầu ra của máy giãn nỡ được điều khiển để thay đổi nên sẽ ảnh hưởng đến các thông

số công nghệ Ta sẽ định nghĩa áp suất đỉnh và đáy của tháp chưng cất bằng lệnh SET như sau:

- Nhấn Next đến trang Temperature Nhiệt độ của tháp có thể được ước đoán trước để giúp tháp

nhanh chống hội tụ Nếu chúng ta đang mô phỏng lại nhà máy tại nơi mình làm việc, thì nên nhập nhiệt độ theo thực tế tháp đã chạy Trong trường hợp này, nhiệt độ chưa biết nên để trống

- Click Next để tiếp tục đến trang cuối cùng Nhấn Done để hoàn thành:

- Trên Monitor page, ta thấy các spec để hội tụ tháp và tháp có 2 bậc tự do Thêm 2 thông số sau

để chạy tháp chưng cất:

 Thay đổi spec Ovhd Vap rate như sau:

- Run và hội tụ tháp Sau khi tháp hội tụ, LNG exchanger có các dòng 7 và 9 full defined

- Trộn 2 dòng 7A và 9A bằng Mixer 100 với dòng ra là 11

- Thêm một Compressor, hiệu suất 75% Dòng ra là 12, energy stream QK-101

Kết nối dòng năng lượng từ Expander K-100 đến dòng năng lượng của Compressor Ta sử dụng

lệnh SET 4

Thêm Cooler E-101 để làm lạnh dòng khí nén ra khỏi máy nén K-101 xuống 30oC Tổn thất áp suất qua thiết bị là 0.2 bar

Thêm máy nén Export Gas Compressor K-102 với dòng sản phẩm gas nén đến 70 bar

BÀI 2: THÁP CHƯNG CẤT - ADVANCED COLUMNS

- Thay thế bộ đun sôi lại mặc định (defauft reboiler) bằng bộ trao đổi nhiệt

- Thay thế thiết bị ngưng tụ mặc định (defauft condenser) bằng các bộ trao đổi nhiệt

- Đánh giá (rating) và tính toán kích thước (sizing) TBTĐN

Aspen HYSYS cũng cho phép:

- Tính toán kích thước tháp (Column Sizing)

- Tính toán kích thước và đánh giá mâm tháp (Sizing and Rating Trays)

Mục tiêu bài học

Sau khi hoàn thành bài học này, các bạn sẽ:

- Biết thiết lập một tháp chưng cất chính xác với thực tế

- Thay thế reboiler thông thường bằng thiết bị trao đổi nhiệt có kích thước

- Tính toán và đánh giá mâm tháp

Yêu cầu để bắt đầu: Biết sử dụng các templates của tháp có sẵn trong hysys, chạy và hội tụ tháp

Cột chưng tùy chỉnh cho phép người sử dụng kiểm soát mô phỏng tốt hơn

Ví dụ: thay thế Reboiler bằng TBTĐN, sử dụng sử dụng hơi nước làm dòng gia nhiệt và tính toán kích thước TBTĐN theo yêu cầu Có 2 cách thực hiện:

- Sửa đổi từ một template tháp có sẵn

- Xây dựng từ tháp mới mà không có reboiler và condenser

Hình 1: Absorber Column sub-flowsheet without reboiler and condenser Hình 2: Distillation Column Sub-Flowsheet with a reboiler and a condenser

Trong mô-đun này, tháp chưng thu hồi LPG theo template của Hysys sẽ được sửa đổi

Tiếp tục với phần Getting Started ở bài mở đầu Sử dụng tháp LPG Recovery đã thiết lập

Solver > Solving Method: Modified HYSIM Inside-Out

- Trở lại môi trường Property > Component List > Thêm cấu tử H2O

- Trở lại môi trường Simulation > Run lại tháp chưng cất

- Vào Column Enviroment > Xóa thiết bị reboiler và dòng energy Reboiler không có tổn thất áp

sẽ được thay thế bởi TBTĐN có tổn thất áp Một Pump được thêm vào để đẩy dòng sản phẩm đáy đến TBTĐN

- Thêm Pump trong Column Enviroment với các thông số sau:

- Thêm Heat Exchanger với các thông số sau:

Chú ý rằng nếu xóa reboiler trong tháp chưng cất thì áp suất đáy tháp cũng bị mất Vào Parameters

- Quay trở lại môi trường Main Flowsheet: Nhấn Parent Simulation Environment

- Vì Reboiler bị xóa nên RVP spec (Áp suất hơi bảo hòa) cần phải được nhập lại:

Từ khi thêm một Heat exchanger vào trong môi trường Column, chúng ta sẽ thấy xuất hiện thêm spec E100 – Heat Balance (thông số cân bằng nhiệt lượng ở tuyến vỏ và tuyến ống)

- Chạy tháp và hội tụ tháp Sau đó vào Column Environment > vào E100 > Performance Xem kết quả như sau:

- Kết nối dòng với Flowsheets:

Một phương pháp mô phỏng Reboiler bằng Thiết bị trao đổi nhiệt là sử dụng tính năng Internal Stream của tháp chưng cất để tạo một bản sao của Reboiler trên main flowsheet Cách mô phỏng

Reboiler này cũng chính xác như việc thêm Heat Exchanger vào column sub-flowsheet

III TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC THÁP CHƯNG - COLUMN SIZING

Aspen Hysys sẽ tính toán kích thước tháp bằng cách nhập các thông tin liên quan đến các mâm đĩa, phần bên trong tháp, ống chảy chuyền (downcomer), và gờ chảy tràn (weir) Và các giá trị Aspen Hysys chỉ là ước tính sơ bộ

1 Tính toán kích thước ở chế độ Design (Column sizing in design mode)

- Mở Column LPG Recovery > Internals > Nhấn Add New

Aspen HYSYS sẽ tính toán kích thước của tháp chưng bằng cách sử dụng các giá trị đặt trước cho các chi tiết bên trong tháp và cho các thông số khác nhau

Tóm tắt quá trình tính toán hiện diện trên Performance tab:

- Number of Flow Paths Số paths (đường đi) mà chất lỏng đi qua mâm đĩa, hầu hết mâm đĩa là dạng single-pass, hay NFP là 1

- Maximum Downcomer Backup: Lượng lỏng dâng lên tại ống chảy chuyền Đại diện cho lượng tối đa của chất lỏng giữ trong downcomer

- Maximum Weir loading: lượng chất lỏng chảy qua gờ chảy tràn

- Pressure Drops: Ước tính tổn thất áp suất qua các phần và tổn thất áp tối đa qua mỗi đĩa

Một số câu hỏi:

- Tổn thất áp suất tối đa qua mỗi đĩa là bao nhiêu?: 7.287 mbar

- Qua đĩa nào thì tổn thất áp suất này diễn ra?: Đĩa số 5

- Đường kính đĩa bên trong tháp là bao nhiêu?: 0.7924 m

- Chiều cao tổng cộng của các phần mâm là bao nhiêu?: 3.048 m

2 Column sizing in rating mode

Trong rating mode, Aspen hysys cho phép bạn đánh giá tính toán dựa trên đường kính tháp đã nhập

- Maximum % Flood = 85 (phần trăm ngập lụt)

- Maximum downcomer backup = 50% (sự ngập lụt ngược lên ống chảy chuyền)

Thực hiện theo các bước sau:

- Nhấp vào tháp > mở tab Internals > Nhấp vào View > hộp thoại xuất hiện như hình dưới > Chuyển chọn từ Mode Interactive Sizing sang Mode Rating

- Geometry > Chọn Design Parameters > Thay đổi các thông số theo yêu cầu đề bài:

- Nhập lần lượt từng đường kính và NFP còn các thông số khác là mặc định rồi chuyển qua tab Performace để xem kết quả:

- Khảo sát từng trường hợp ta được kết quả như bảng sau: (Màu xanh là số nhập, màu đen là kết quả)

conditions

Design mode

Message 1: Đường kính là 0.7924 m Chúng tôi khuyến cáo rằng cột này và bất kỳ cột nào có

đường kính nhỏ hơn 0.9144 m được thiết kế để không vượt quá 75% ngập lụt

- Ở chế độ Design ta thấy tháp được cảnh báo để tăng thêm đường kính

Message 2: Khi thay đổi điều kiện trên ở chế độ design mode, cần chú ý: Tăng đường kính đĩa,

giảm chiều rộng ống chảy chuyền, giảm số lần pass hoặc độ dốc của ống chảy chuyền

BÀI 3: TEMPLATES AND SUB-FLOWSHEETS

- Xây dựng mẫu Template hoặc sub-flowsheet

- Thiết lập mẫu template vào trong main-flowsheet

- Di chuyển đối tượng giữa các flowsheets

2 Tạo một Template mới: File menu, chọn New > Template

3 Chuyển đổi một phần Flowsheet đã dựng sẵn thành Template:

- Trên PFD, chọn thiết bị và dòng cần tạo template

- Click chuột phải chọn Cut/paste Objects

- Export to File ở dạng *.hfl, lưu tên thành 2 Stage Compressor

- Chuyển đổi flile vừa lưu thành template : Convert to Teamplate

Trong mô-đun này, chúng ta sẽ xây dựng một template về chu trình làm lạnh (refrigeration loop) và sau đó sẽ được chèn vào mô hình Turbo Expander (case đã được thiết lập sẵn ở bài mở đầu)

1 Xây dựng Template:

- Vào New Case > chọn Template và xây dựng flowsheet như sau:

- Nhập các thông số như sau:

- Nhập nhiệt lượng Chill-Q là 1.10 6 kJ/hr Sau khi chu trình đã hội tụ, lưu case với tên Mixed

Refrig.tpl

- Sau khi lưu file tpl, ta xóa giá trị của Chiller duty

- CTRL + M: Thiết lặp các Boundary lables như sau

o Internal: Sử dụng hệ nhiệt động của template mà người dùng đã tạo

o External: Sử dụng hệ nhiệt động của main flowsheet, nơi mà ta sẽ thêm template vào

- Tại tab Exported Variable: Nhập những tên này sẽ hiện thị trên main-flowsheet khi template được thêm vào main-flowsheet

2 Thiết lập Template trong main-flowsheet:

- Trở lại main-flowsheet đã xây dựng trong bài trước

- Vào Palette > chọn Blank Sub – Flowsheet > Chọn Read an Existing Template…> Chèn file Mixed Refrig.tpl vừa mới tạo

Khi Template đã được thêm vào main-flowsheet:

- Vào Conections tab > từ External Stream, chọn Q-100

- 2 dòng còn lại được cho như hình dưới đây

Transfer basic

Aspen HYSYS có tùy chọn để mô hình một sub-flowsheet mà sử dụng một hệ nhiệt động khác ở main flowsheet

Ví dụ, mô hình hóa quy trình làm ngọt bằng khí thành file template (như là sub-flowsheet) sử dụng

hệ nhiệt động PRSour trong main flowsheet có hệ nhiệt động là PR

Aspen HYSYS phải thực hiện tính toán cho bất kỳ dòng nào đi qua giữa các flowsheet vì mỗi hệ nhiệt động có thể tính toán các tính chất khác nhau Transfer Basis thiết lập các flash type được thực hiện như sau:

được chuyển qua các flowsheet Vapour fraction và nhiệt độ mới sẽ được tính toán

Vì cơ sở Enthalpy có thể khác nhau cho mỗi hệ nhiệt động, tùy chọn này thì chỉ được khuyến cáo khi cùng một hệ nhiệt động của lưu chất được sử dụng cho cả hai dòng

chuyển qua flowsheet Vapour frac mới sẽ được tính toán

được chuyển qua flowsheet Áp suất mới

sẽ được tính toán

Trong bài này:

- Chiller được mô phỏng bằng cách sử dụng cooler trong main flowsheet liên kết với một dòng năng lượng tới heater trong sub-flowsheet (template file)

- Có thể thay thế heater và cooler bằng single heat exchanger (HE)

- Thay heater và cooler bằng HE duy nhất trong main flowsheet Ưu điểm của mô hình làm lạnh chiller theo cách này là gì?

BÀI 4: LỆNH RECYLE

I GIỚI THIỆU

Mô-đun này sẽ giới thiệu cho bạn một số chủ đề nâng cao liên quan đến hoạt động và sự hội tụ của lệnh Recycle Các lệnh Recycle được sử dụng để giải quyết các hệ thống vòng lặp, nơi dòng đầu ra (downstream) được mixed ngược lại với dòng vào (upstream) trong quá trình này Với Recycle:

- Là công cụ tính toán logical

- Nó không biến đổi thông số dòng khi đi qua lệnh này

- Có thể sử dụng nhiều lệnh Recyle trong một mô phỏng

Mục tiêu bài học

Trong mô-đun này, bạn sẽ học cách:

- Xây dựng mô phỏng sử dụng Recycles

- Đặt vị trí hoạt động Recycle cho hiệu suất tối ưu

- Sử dụng các thông số khác nhau để giúp giảm thời gian hội tụ

- Xem xét các tương tác giữa lệnh Adjust và Recycles và cách kiểm soát chúng với Calc level

- Sử dụng chế độ Simultaneous khi Flowsheet chứa nhiều lệnh Adjust có tương tác với nhau