Hướng dẫn học HYSYS va ứng dụng vào mô phỏng- bản full

Hướng dẫn học HYSYS va ứng dụng vào mô phỏng- bản full

HƯỚNG DẪN HỌC

HYSYS Nguyễn Thị Minh Hiền – ĐH Bách Khoa Hà Nội

2 - Các dòng vật chất và

dòng năng lượng

2.1 Dòng vật chất 2

2.1.1 Worksheet Tab 3

2.1.2 Attachments Tab 9

2.1.3 Dynamics Tab 9

2.1.4 User Variables Tab 9

2.2 Dòng năng lượng……… 10

2.2.1 Stream Tab 10

2.2.2 Unit Ops Tab 11

2.2.3 Dynamics Tab …… 11

2.2.4 User Variables Tab 11

2

2.1 Dòng vật chất

Các dòng vật liệu được nhập vào một bản mô phỏng trong môi trường mô phỏng chính, mà ở đó có thể xác định các tính chất và

thành phần của dòng Biểu tượng dòng vật chất trong Object Palette

là mũi tên màu xanh Có nhiều cách để nhập một dòng vật chất Một trong các cách đơn giản nhất để thiết lập một dòng vật chất là

sử dụng phím F11 Các thông tin về phương pháp này, đã được trình bày kỹ trong Section 3.3 - Installing Streams and Operations trong tài liệu User’s Guide

Giao diện hiển thị tính chất của dòng vật chất chứa một số tab kết hợp với các page cho phép xác định các tham số, nhập thêm các

tiện ích và xác định rõ các thông tin động Trong hình dưới là giao diện thuộc tính ban đầu của một dòng vật chất mới

Các phím và thanh trang thái (Status Bar) ở phía dưới cửa sổ thuộc

tính luôn hiển thị khi giao diện thuộc tính dòng vật chất được mở

ra Nếu muốn sao chép các tính chất hay thành phần từ các dòng có sẵn trong lưu trình, có thể thực hiện bằng cách bấm vào phím

Define from Other Stream Phím này sẽ mở một cửa sổ mà từ đó

có thể lựa chọn các tính chất và thành phần của dòng muốn sao chép vào dòng đang thiết lập Các phím với các mũi tên màu xanh lá cây ở

bên trái của Status Bar là các phím View Upstream Operation (Xem thiết bị vận hành trước dòng) và View Downstream Operation (Xem

thiết bị vận hành sau dòng)

Mũi tên hướng về bên trái xác định vị trí thiết bị vận hành trước dòng và mũi tên hướng về bên phải xác định vị trí thiết bị vận hành sau dòng Nếu thấy một dòng gắn với một thiết bị vận hành, có thể chọn các phím này để mở các dòng trước và sau gần nhất đối với thiết bị vận hành Nếu dòng không kết nối với một thiết bị vận hành nào ở điểm cuối dòng trước và dòng sau, thì các phím này sẽ mở một khối nguyên liệu hay sản phẩm

2.1.1 Worksheet Tab

Worksheet tab có ba page có sẵn hiển thị các thông tin liên quan

đến các tính chất của dòng Các trang này là: Conditions,

Properties và Compositions

Hình dưới đây biểu diễn cửa sổ Worksheet tab của một dòng vật

chất trong môi trường mô phỏng:

Conditions Page

Phím xem thiết bị

vận hành sau dòng

4

Conditions Page hiển thị tất cả các thông tin dòng mặc định khi nó được biểu diễn trong trang Workbook của các dòng vật chất Tên và các giá trị hiện thời của các thông số được biểu diễn như sau:

để có thể tính toán nhanh một cách tự động Để một dòng có thể tính nhanh các thông tin, các thông tin sau phải có sẵn (cũng như các đặc tính hay kết quả của các phép tính toán khác của lưu trình):

• Stream CompositionHai trong số các tính chất sau phải được xác định; trong đó ít nhất phải biết trước giá trị áp suất hay nhiệt độ:

Phụ thuộc vào các biến số trạng thái đã biết, HYSYS sẽ tự động tính toán chính xác kết quả

Khi một dòng đã được tính toán, tất cả các tính chất khác của dòng cũng sẽ được tính ngay Có thể kiểm tra các tính chất này thông qua

các page kèm theo trong giao diện thuộc tính của dòng Chú ý rằng

lưu lượng dòng phải biết trước để tính ra được dòng nhiệt lượng

Ít nhất một trong

hai giá trị nhiệt độ

hoặc áp suất phải

biết trước để tính

toán các giá trị

khác của dòng vật

chất

Các giá trị của dòng có thể có sẵn trong trang Condition hay trong

Workbook Thay đổi trong một phạm vi sẽ được phản ánh qua

sẽ được biểu diễn

Đơn giản hơn việc mở rộng bảng hiển thị, cũng có thể sử dụng thanh

cuốn (Scroll Bar) để xem các tính chất pha không được hiển thị

Chú ý khi xem bảng tính chất dòng trong Column Sub-Flowsheet, sẽ

có phím Create Column Stream Spec kèm theo trong trang

Conditions Để biết chi tiết về chức năng của phím này, xem thêm Specification Types Section of Chapter 7 - Column trong Steady State Modelling Guide

6

Properties Page Cửa sổ Properties page biểu diễn tất cả Transport Properties cho

mỗi pha của dòng Các tính chất này bao gồm:

• Vapour / Phase Fraction

• Std Liquid Mass Density

• Molar Heat Capacity

• Mass Heat Capacity

• Thermal Conductivity

• Viscosity

• Vap Frac (mass basis)

• Vap Frac (volume basis)

• Molar Volume

• Act Gas Flow

• Act Liq Flow

• Lower Heating Value

• Mass Lower Heating Value

• Liquid Fraction

• Partial Pressure of CO2

• Avg Liq Density

• Heat of Vap

• Mass Heat of Vap

Mở rộng bảng hiển thị hay sử dụng Scroll Bar để xem các giá trị

pha riêng lẻ, như biểu diễn trong hình dưới đây Không một giá trị nào trong trang này (các giá trị được biểu diễn bằng màu đen) có thể thay đổi được, bởi vì chúng phụ thuộc vào các điều kiện dòng ban đầu (áp suất, nhiệt độ, thành phần, …)

Nhiệt hóa hơi

bão hòa sang

hơi bão hòa

Composition Page Chọn Composition page trên Worksheet tab để mở trang

Composition của dòng vật chất Có thể định rõ hay thay đổi thành

phần dòng bằng cách nhấp vào phím Edit hoặc nhập vào giá trị trong dòng dữ liệu và bấm phím Enter Các thao tác này sẽ nhập các cấu tử vào bảng Input Composition

Ví dụ được biểu diễn trong hình dưới đây, phần mol (mole

fractions) cho mỗi thành phần trong pha tổng, pha hơi hay pha lỏng

đều được hiển thị Cũng có thể xem thành phần bằng cách sử dụng

phím Basic

Sau khi bấm phím Basis, có thể lựa chọn một trong các phím trong

bảng hiển thị dòng để chọn đơn vị biểu diễn thành phần mới Sau

khi bấm phím Close, thành phần dòng sẽ được biểu diễn sử dụng

đơn vị biểu diễn thành phần mới

Bấm phím Edit trong bảng hiển thị dòng vật chất sẽ mở ra trang

Input Composition Khi làm việc trong trang Input Composition có

thể thay đổi các thành phần bằng cách lựa chọn một phím trong

nhóm Composition Basic và nhập chúng vào các dòng tương ứng

Không thể thay đổi các thành phần cho dòng đã được tính toán bởi

HYSYS Khi di chuyển đến trang Comp của dòng đó, phím Edit sẽ

không truy cập được

Không thể thay dổi

màu xanh và màu

đen cho các giá trị

lại nếu không có

bất kỳ thay đổi nào

8

Phím thay đổi

Erase Xóa toàn bộ các thành phần

Normalize Cho phép nhập bất kỳ giá trị phần mol của các

cấu tử thành phần và HYSYS sẽ chuẩn hóa các giá trị sao cho tổng của chúng bằng 1

Phím này rất có ích khi nhiều thành phần cùng

có mặt nhưng chỉ mong muốn cung cấp giá trị cho một vài trong số đó

Khi nhập các thành phần, bấm phím Normalize

và HYSYS sẽ bảo đảm rằng tổng của chúng bằng 1, trong khi xác định các thành phần

<empty> bằng 0 Nếu các thành phần bị bỏ trống <empty>, HYSYS sẽ không sử dụng để

tính toán nhanh cho dòng đó

Chú ý rằng phím Normalize không áp dụng

cho lưu lượng dòng, bởi vì không có sự hạn chế với lưu lượng dòng tổng

K Value Page

Trang K Value hiển thị giá trị hằng số cân bằng pha K hoặc hệ số

phân bố cho mỗi cấu tử trong dòng là tỷ lệ giữa phần mol của cấu

tử i trong pha hơi và phần mol của nó trong pha lỏng

i

i i

x

y

Trong đó: K i = hằng số cân bằng pha hoặc hệ số phân bố

y i = phần mol của cấu tử i trong pha hơi

x i = phần mol của cấu tử i trong pha lỏng

Notes Page

Có thể sử dụng trang này để chèn bất kỳ ghi chú nào tương ứng với

thiết bị vận hành cũng như đối với case mô phỏng nói chung

2.1.2 Attachments Tab

Unit Ops Page

Trong Unit Ops page, có thể xem loại và tên của các thiết bị vận

hành và các phần tử logical mà dòng gắn kèm vào Bảng hiển thị ba

nhóm:

• Nhóm thiết bị mà dòng là sản phẩm của nó

• Nhóm thiết bị mà dòng là nguyên liệu của nó

• Các công cụ logical có liên kết với các dòng

Có thể truy cập vào giao diện thuộc tính của các thiết bị vận hành hoặc công cụ logical có sẵn bằng cách nhắp đúp vào ô có tên

(Name) hay ô loại (Type)

Utilities Page

Các lựa chon trong trang Utilities cho phép:

• Đính kèm Utilities cho dòng hiện thời

• Xem Utilities có sẵn được đính kèm với dòng

• Xóa Utilities có sẵn được đính kèm với dòng

2.1.3 Dynamics Tab

Các lựa chon trong Dynamic tab cho phép thiết lập các đặc tính

động cho mô phỏng Nếu không dự định chạy case ở chế độ động,

không cần thiết phải thay đổi bất kỳ thông tin nào hiển thị trong

trang Specs của tab này

2.1.4 User Variables Tab

Trong tab này có thể thiết lập và cài đặt các biến số riêng do người

sử dụng thiết lập (User Variables) được sử dụng trong mô phỏng HYSYS Để tìm hiểu kỹ xem thêm chương User Variables trong

Customization Guide

10

2.2 Dòng năng lượng

Dòng năng lượng được biểu diễn bằng mũi tên màu đỏ trong Tool

Palete Phương pháp để nhập một dòng năng lượng là bấm vào

phím biểu tượng có trong Object Palette và đưa sang PFD Phương pháp này ngay lập tức cho phép truy cập ngay vào giao diện hiển thị thuộc tính của dòng năng lượng Cũng có thể mở bảng hiển thị dòng

năng lượng trong Workbook bằng cách nhắp đúp vào ô liên kết với

dòng năng lượng

Bảng hiển thị dòng năng lượng chứa 4 tab cho phép xác định các

giá trị của dòng, xem các đối tượng mà dòng đính kèm và định rõ

các thông tin động Các tab này là: Streams, Unit Ops, Dynamics

và User Variables

Cũng như đối với dòng vật chất, bảng hiển thị dòng năng lượng

cũng có các phím View Upstream Operation và View Downstream

Operation, cho phép xem thiết bị vận hành dòng đang kết nối Tuy

nhiên, dòng năng lượng khác với dòng vật chất ở chỗ, khi không có kết nối trước hay sau nào với dòng (mà điều này rất hay xảy ra đối với dòng năng lượng) thì phím tương ứng sẽ không hoạt động

2.2.1 Stream Tab

Từ tab này, có thể định rõ tên dòng (Stream Name) và dòng nhiệt (Heat Flow) Ngoài ra, cũng có thể chuyển dòng hiện thời sang một dòng vật chất, bằng cách lựa chọn phím Convert to Material Khi

chuyển sang dòng vật chất, sẽ mất tất cả cả các thông tin hiện thời

của dòng, ngoại trừ tên dòng Hình dưới biểu diễn Stream tab của

giao diện hiển thị thuộc tính dòng năng lượng

2.2.2 Unit Ops Tab

Unit Ops Tab hiển thị tên (Names) và loại (Type) của tất cả các đối

tượng được đính kèm Cả các thiết bị vận hành hay các phần tử

Logical trong dòng Product From hay dòng Feed To, đều phụ

thuộc tương ứng vào dòng nhận hay cung cấp năng lượng

Có thể nhắp đúp vào cả dòng Product From hay Feed To để truy

cập vào giao diện thuộc tính của thiết bị vận hành liên kết với dòng

2.2.3 Dynamics Tab

Các chức năng của Dynamics Tab cho phép thiết lập các đặc tính động cho mô phỏng Nếu không dự định chạy case trong Dynamic

mode, không cần thiết phải thay đổi bất kỳ thông tin nào hiển thị

trong trang Specs của tab này

2.2.4 User Variables Tab

Trong tab này có thể thiết lập và cài đặt các biến số riêng do người

sử dụng tạo ra (User Variables) để sử dụng trong mô phỏng HYSYS Để tìm hiểu kỹ xem thêm chương User Variables trong

Customization Guide

3-Các thiết bị truyền nhiệt

3.1 Air Cooler 2

3.1.1 Theory 2

3.1.2 Design Tab 3

3.1.3 Rating Tab 5

3.1.4 Worksheet Tab 6

3.1.5 Performance Tab 6

3.1.6 Dynamics Tab 7

3.1.7 Air Cooler Example 7

3.2 Cooler/Heater 9

3.2.1 Theory 9

3.2.2 Design Tab 9

3.2.3 Rating Tab 10

3.2.4 Worksheet Tab 11

3.2.5 Performance Tab 11

3.2.6 Dynamics Tab 13

3.2.7 Example - Gas Cooler 13

3.3 Heat Exchanger 15

3.3.1 Theory 15

3.3.2 Design Tab 16

3.3.3 Rating Tab 26

3.3.4 Worksheet Tab 38

3.3.5 Performance Tab 38

3.3.6 Heat Exchanger Examples 40

3.4 Fired Heater (Furnace) 43

3.5 LNG 43

3.5.1 Design Tab 43

3.5.2 Rating Tab 53

3.5.3 Worksheet Tab 53

3.5.4 Performance Tab 53

3.5.5 Dynamics Tab 56

3.5.6 HTFS-MUSE Tab 56

3.5.7 LNG Example 72

3.1 Air Cooler (làm mát bằng không khí)

Air Cooler sử dụng hỗn hợp không khí lý tưởng, tương tự như trao

đổi nhiệt để làm lạnh hoặc gia nhiệt dòng quá trình vào đạt tới điều kiện yêu cầu Một hoặc nhiều quạt tuần hoàn không khí qua các vỏ

để làm mát các dòng lỏng Dòng không khí có thể được khai báo ban đầu hoặc được tính toán từ thông tin về tốc độ quạt AIR COOLER có thể tính toán các thông số cài đặt khác nhau, bao gồm:

- Hệ số trao đổi nhiệt toàn phần, UA

- Tổng lưu lượng dòng không khí

- Nhiệt độ của dòng ra

Để cài đặt AIR COOLER bấm phím F12 và chọn Air Cooler từ

UnitOps view hoặc chọn từ Object Palette Để bỏ qua AIR

COOLER, chọn Ignore check box Hysys sẽ hoàn toàn bỏ qua thao

tác này (không tính toán dòng ra) tới khi khôi phục về trạng thái hoạt động bằng cách xóa check box

3.1.1 Nguyên lý Air Cooler sử dụng phương trình cơ bản giống như Heat Exchanger Tuy nhiên Air Cooler có thể tính toán dòng khí dựa

trên thông tin về tốc độ quạt Tính toán dựa trên cân bằng năng lượng giữa dòng không khí và hơi Cân bằng năng lượng cho thiết

bị làm lạnh bằng không khí được tính theo công thức sau:

M air (H out - H in ) air = M process (H in - H out ) process

Trong đó:

M air = lưu lượng khối lượng không khí

M process = lưu lượng khối lượng dòng quá trình

H = enthalpy Biểu tượng Air cooler

Nhiệt năng thiết bị trao đổi nhiệt, Q được xác định bởi hệ số trao đổi nhiệt toàn phần, diện tích bề mặt trao đổi nhiệt và độ chênh lệch nhiệt độ:

Q = - UADTLMFt

Trong đó:

U = hệ số truyền nhiệt chung

A = diện tích bề mặt trao đổi nhiệt

DT LM = logarit độ chênh lệch nhiệt độ (LMTD)

Trang này cung cấp tên nguyên liệu và dòng hơi qua thiết bị Air

Cooler, có thể thay đổi tên trong mục Name

Parameters Page

Trong trang Parameters, các thông tin sau sẽ được hiển thị:

Thông số Mô tả

Delta P Độ giảm áp DP của quá trình có thể được xác

định trước DP có thể được tính toán nếu cung cấp cả hai giá trị áp suất dòng vào và dòng ra Không có độ giảm áp liên quan với dòng không khí Áp suất không khí qua thiết bị làm lạnh giả định bằng áp suất khí quyển

tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt Hiệu suất thiết bị tỷ lệ với độ chênh lệch nhiệt độ logarit, trong đó UA là hệ số tỷ lệ UA cũng có thể được xác định trước hoặc tính toán bằng Hysys

Configuration Danh sách kéo thả configuration hiển thị sự sắp

xếp các ống trong thiết bị làm lạnh bằng không khí Có bảy loại thiết bị cấu tạo khác nhau để lựa chọn Hysys sẽ định rõ hệ số hiệu chỉnh, Ft dựa trên cấu hình thiết bị trao đổi nhiệt

Inlet/Exit Air

Temperatures

Nhiệt độ dòng không khí vào và ra có thể được xác định trước hoặc tính toán bởi Hysys

User Variables Page

Trang này giúp attach code và customize cho case mô phỏng Hysys bằng cách thêm các biến User Variables Thông tin chi tiết, xem

chương User Variables trong Customization Guide

Trong trang này hiển thị thông tin về quạt cho thiết bị Air Cooler:

Thông số quạt Mô tả

Number of Fans Xác định số lượng quạt trong thiết bị làm lạnh

Acceleration

Tham số này chỉ áp dụng trong mô phỏng động

Design speed Tốc độ quạt làm lạnh không khí.Nó dùng tính

toán cho dòng không khí qua thiết bị làm lạnh Design flow Dòng không khí của thiết bị làm lạnh không khí Current Air

Flow

Được tính toán hoặc do người sử dụng cung cấp từ đầu Nếu do người sử dụng cung cấp từ đầu thì không cần tốc độ quạt

Dòng không khí qua quạt được tính toán theo quan hệ tuyến tính:

Fan Air Flow = Speed x Design Flow /Design Speed

Mỗi quạt phân phối dòng không khí qua thiết bị làm lạnh Tổng dòng không khí được tính toán như sau:

Total Air Flow = ∑ Fan Air Flow

3.1.4.Worksheet tab

Worksheet Tab chứa toàn bộ các thông tin về dòng quá trình qua

thiết bị làm lạnh bằng không khí Air cooler Các trang Conditions,

Properties, Compositions chứa các thông tin từ các trang tương

ứng của Worksheet Tab về các thuộc tính của dòng Trang PF

Specs có tóm tắt các thuộc tính của dòng trong Dynamics Tab 3.1.5 Performance Tab

Có các trang hiển thị kết quả tính toán của Air Cooler

phần và tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt Hiệu suất thiết bị tỷ lệ với độ chênh lệch nhiệt

độ logarit, trong đó UA là hệ số tỷ lệ UA cũng có thể được xác định trước hoặc tính toán bằng Hysys

LMTD Được tính toán trong vùng nhiệt độ tiệm cận

(độ chênh lệch nhiệt độ cuối), sử dụng phương trình sau:

ΔT LM = ( ΔT 1 –ΔT 2 ) / ln ( ΔT 1 /ΔT 2 ) Trong đó : ΔT1 = T hot, out – T cold, in

ΔT2 = T hot, in – T cold, out

3.1.6 Dynamics Tab

Nếu đang mô phỏng tĩnh, không thể thay đổi giá trị các trang truy cập qua Tab này Để có thông tin chạy Cooler và Heater trên mô

phỏng động, xem chi tiết ở tài liệu Dynamic Modeling Guide

3.1.7 Ví dụ (Air Cooler Example)

Một Air Cooler sử dụng để làm lạnh dòng lỏng

1 Tạo một Fluid Package như dưới đây, thêm Material stream Feed

Property Package Components (Thành phần)

Material Stream (feed) Tab [Page] Input Area Giá trị nhập vào

Worksheet [Conditions]

Worksheet [Composition]

1-Pentanol Mole Frac 0.5

2 Thông số của AIR COOLER connections và parameters được chỉ

ra ở bảng dưới Trang Parameters gồm các thông số của quạt

AIR COOLER [AC-100]

Tab [Page] Input Area Giá trị nhập vào

Air Intake Temperature 77 °F Air Outlet Temperature 86 °F

3 Sử dụng các thông số dưới đây, Hysys có thể tính toán được lưu lượng thể tích của không khí

AIR COOLER [AC-100]

Tab [Page] Input Area Giá trị nhập vào

Rating [Sizing]

4 Air Cooler đã có đầy đủ thông số Các điều kiện của dòng ra được hiển thị trên trang Conditions của Worksheet Tab

5556opbxb

5 Các thông số của Air Cooler được chỉ ra trên trang Results của Performance tab:

3.2 Cooler / Heater

Là thiết bị trao đổi nhiệt một chiều Dòng vào được làm lạnh hoặc gia nhiệt để đạt được điều kiện yêu cầu dòng ra Dòng năng lượng hấp thụ (hoặc cung cấp) do chênh lệch Enthalpy giữa hai dòng Công cụ mô phỏng này hữu ích khi chỉ quan tâm tới dòng năng lượng yêu cầu bao nhiêu để làm lạnh hoặc gia nhiệt dòng quá trình,

mà không quan tâm đến điều kiện khác

3.2.1 Nguyên lý

Cooler và Heater sử dụng cùng một phương trình cơ sở Sự khác nhau theo quy ước về dấu Xác định rõ dòng năng lượng tuyệt đối của các dòng và Hysys sẽ thêm các giá trị sau:

- Với Cooler, Enthalpy và dòng nhiệt năng bị trừ từ dòng vào:

Heat Flowinlet - Dutycooler = Heat Flowoutlet

- Với Heater, dòng nhiệt năng được cộng vào:

Heat Flowinlet + Dutycooler = Heat Flowoutlet

Để thiết lập Cooler, bấm phím F12, chọn Cooler từ UnitOps view hoặc chọn Cooler từ Object Palette Có thể thiết lập Heater bằng

Biểu tượng Cooler

Biểu tượng Heater

Parameters Page

Parameters áp dụng tính độ giảm áp Delta P qua thiết bị và hiệu

suất của dòng năng lượng Cả độ giảm áp và dòng năng lượng có thể khai báo trực tiếp hoặc được xác định thông qua các dòng Giao

diện Parameters Page như trong hình sau:

Có thể cung cấp giá trị Negative Duty, tuy nhiên chú ý rằng

- Với Cooler, Negative Duty nghĩa là hiệu suất gia nhiệt dòng vào

- Với Heater, Negative Duty nghĩa là hiệu suất làm lạnh dòng vào

User Variables Page

Trang User Variables cho phép liên kết code và customize case mô phỏng bằng Hysys bằng cách thêm User Variables Để thêm thông tin cài đặt Option này, xem chương User Variables trong Customization Guide

Heat Loss Page

Thông tin về tổn thất nhiệt thích hợp với mô hình động, xem trong Dynamic Modeling Guide

3.2.4 Worksheet Tab

Trang này chứa thông tin tóm tắt của giao diện thuộc tính của tất cả các dòng liên kết với thiết bị Các trang Conditions, Properties, và Composition chứa các thông tin chọn lọc từ các trang tương ứng của Worksheet Tab trong giao diện thuộc tính Trang PF Specs chứa kết quả của stream property view của mô hình động

3.2.5 Performance Tab

Chứa các trang hiển thị thông tin được tính toán của các dòng

Performance parameters gồm các thuộc tính sau của dòng:

• Pressure

• Temperature

• Vapour Fraction

• Enthalpy Mọi thông tin hiển thị trên Performance Tab thì chỉ đọc được mà không thể sửa chữa được

Profiles Page

Khi làm việc trong mô phỏng tĩnh, trang Profile chỉ quan tâm tới số lượng các thông số vùng, Zones Condition sẽ được tính toán chỉ với dòng vào

Mục PF specs

chỉ dung trong

mô phỏng động

Plots Page

Trên trang Plots có thể hiển thị đồ thị biểu diễn đặc tính các thông

số ghi lại các thay đổi xảy ra trên thiết bị Ở mô phỏng tĩnh, đây là đường thẳng vì dòng được tính toán, các tính chất của dòng được lấy từ dòng vào và ra Các giá trị này không được tính toán trong thiết bị Mọi thông số đặc trưng được liệt kê trong trong các X Variable và Y Variable như đồ thị dưới đây Chọn các trục và biến cần so sánh và biểu đồ sẽ hiển thị Có thể biết số lượng các khoảng muốn tính toán qua đồ thị trong ô Intervals ở bên dưới trang này

Dễ dàng chia các đường thẳng thành nhiều đoạn, giá trị hiển thị như miêu tả ở trang Tables

Đồ thị quan hệ nhiệt độ - enthalpy của Cooler với 5 đoạn được chỉ

1 Tạo một Fluid Package như dưới đây:

Property Package Components

Peng Robinson Nitrogen, Carbon Dioxide, C1, C2, C3,

i-C4, n-i-C4, i-C5, n-C5, n-C6, n-C7, n-C8

2 Thiết lập dòng vật chất với các thông số sau:

MATERIAL STREAM [E-1 Inlet]

Tab [Page] Input Area Entry

Nitrogen Mole Frac 0.0149

Methane Mole Frac 0.9122 Ethane Mole Frac 0.0496 Propane Mole Frac 0.0148 i-Butane Mole Frac 0.0026 n-Butane Mole Frac 0.0020 i-Pentane Mole Frac 0.0010 n-Pentane Mole Frac 0.0006 n-Hexane Mole Frac 0.0001 n-Heptane Mole Frac 0.0001 n-Octane Mole Frac 0.0001

3 Thiết lập Cooler và hoàn thành trang Connections

4 Độ giảm áp 15 psi được xác định trong trang Parameters

5 Chuyển tới trang Conditions của Worksheet tab Dòng ra E-1 hoàn toàn không biết, giá trị nhiệt năng chưa biết Dùng một bậc tự

do duy trì bởi thông số nhiệt độ dòng ra E-1 là -105ºF Hysys sẽ tính toán, duy trì điều kiện dòng ra để đạt nhiệt năng làm lạnh cần thiết Các thông số được chỉ ra ở bảng dưới đây:

Name E-1 Inlet E-1 Outlet Temperature [F] 60.0000 -105.0000

Pressure [psia] 600.0000 <empty>

Molar Flow [lbmole/hr] 100.0000 <empty>

6 Kết quả chỉ ra trong Conditions page của Worksheet tab

Biểu tượng Cooler

Hiệu suất lạnh yêu

cầu của dòng lạnh

vào E-1 chính

bằng hiệu suất

dòng nóng E-1

Hiệu suất này cũng

được hiển thị trên

Parameters page

của Design tab

trong COOLER

property view

3.3 Thiết bị trao đổi nhiệt

Heat Exchanger (Thiết bị trao đổi nhiệt) trong Hysys thực hiện

tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng Công cụ mô phỏng này có tính linh hoạt, giải quyết các vấn đề về nhiệt độ, áp suất, dòng nhiệt năng (bao gồm tổn thất nhiệt do mất mát và rò rỉ), dòng vật chất…

Trong HYSYS, chọn công cụ Heat Exchanger (thiết bị trao đổi

nhiệt) để tính toán, phân tích Lựa chọn bao gồm mô hình thiết kế phân tích giới hạn, mô hình lý tưởng (Ft = 1), mô hình tĩnh, mô hình động được sử dụng trong mô phỏng động Mô hình động dựa trên mô hình cơ sở hoặc chi tiết, có thể sử dụng mô phỏng tĩnh để thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt

Để thiết lập thiết bị trao đổi nhiệt bấm phím F12, chọn thiết bị trao

đổi nhiệt từ UnitOps view hoặc chọn thiết bị trao đổi nhiệt từ Object

Palette Để bỏ qua thiết bị trao đổi nhiệt, chọn Ignored check box

HYSYS sẽ bỏ qua thao tác (không tính toán dòng ra) tới khi khôi phục nó về trạng thái hoạt động

3.3.1 Nguyên lý

Heat Exchanger tính toán dựa trên cân bằng năng lượng của dòng

nóng và lạnh Trong biểu thức dưới đây, dòng nóng cung cấp nhiệt năng cho dòng lạnh

Sai số cân bằng = (M lạnh ( H ra - H vào ) lạnh - Q r ) – (M nóng (H vào - H ra ) nóng - Q m ) Trong đó: M : Lưu lượng khối lượng dòng

H : Enthalpy

Q r : Tổn thất nhiệt do rò rỉ

Q m : Tổn thất nhiệt do mất mát

Sai số cân bằng là đặc trưng của Heat Exchanger, sẽ nhận giá trị

bằng 0 trong đa số trường hợp

Chỉ số dưới nóng và lạnh được ký hiệu cho dòng nóng và dòng lạnh, còn vào và ra được ký hiệu cho dòng vào và dòng ra

Nhiệt năng Heat Exchanger có thể được xác định từ hệ số truyền

nhiệt toàn phần, diện tích bề mặt truyền nhiệt và chênh lệch nhiệt

độ logarit:

T

LM F DT

A U

Biểu tượng thiết bị

trao đổi nhiệt

Trong đó U: Hệ số truyền nhiệt toàn phần

A: Diện tích bề mặt truyền nhiệt

DT LM : Chênh lệch nhiệt độ logarit (LMTD)

F t : Hệ số hiệu chỉnh LMTD

Lưu ý rằng hệ số truyền nhiệt và diện tích bề mặt truyền nhiệt thường được kết hợp thành đại lượng UA được sử dụng phổ biến LMTD và hệ số hiệu chỉnh của nó đã được định nghĩa trong mục

Performance

3.3.2 Design Tab

Gồm 5 trang: Connections, Parameters, Specs, User Variables và

Notes Connections Page

Ở trang này cung cấp tên dòng vào, dòng ra, cũng như tên của dòng

đi bên trong và ngoài ống

Parameters Page

Trong trang này có thể chọn mô hình tính toán và nhập dữ liệu vật

lý thích hợp Parameters Page hiển thị phụ thuộc vào lựa chọn mô hình tính toán

Lưu ý rằng khi Thiết bị trao đổi nhiệt được thiết lập như là một

bộ phận của lưu trình Column Sbub-Flowsheet (như khi sử dụng phương pháp tính toán HYSIM đã biến đổi) các mô hình thiết bị trao đổi nhiệt này không sử dụng được Thay vào đó, trong Column Sbub-Flowsheet, thiết bị trao đổi nhiệt đã tính toán từ tháp như cân bằng nhiệt và cân bằng vật chất đơn giản

Trong mục này

thảo luận về mô

phỏng tĩnh thiết bị

trao đổi nhiệt

Thông tin chi tiết

Từ danh sách kéo thả chọn phương pháp tính cho thiết bị trao đổi nhiệt Có các mô hình trao đổi nhiệt sau đây:

• Exchanger Design (Endpoint)

• Exchanger Design (Weighted)

• Steady State Rating

• Dynamic Rating

Có 2 loại tổn thất nhiệt xác định

• Heat Leak Hao tổn năng suất dòng lạnh do rò rỉ Năng suất

tăng phản ánh sự tăng nhiệt độ

• Heat Loss Hao tổn năng suất dòng nóng do mất mát Năng

suất giảm phản ánh sự giảm nhiệt độ

Tất cả các mô hình thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng cho tính toán trao đổi nhiệt xuôi dòng và ngược dòng

Mô hình thiết kế End Point

Mô hình này thiết kế dựa trên cơ sở phương trình năng suất trao đổi nhiệt tiêu chuẩn (phương trình (3.8) ở trên), xác định toàn bộ các thông số: hệ số trao đổi nhiệt, diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, chênh lệch nhiệt độ Giả thiết chính của mô hình được nêu ra:

có thể đủ để mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt Trong trường hợp đặc tuyến nhiệt là đường phi tuyến, phải thay thế bằng mô hình

Weighted

Chọn mô hình End point, có các tham số sau:

Tham số End point Mô tả

Chênh lệch áp suất trong và ngoài ống

Độ chênh áp suất DP của hai dòng trong

và ngoài ống của thiết bị trao đổi nhiệt được xác định Nếu bạn không xác định được giá trị Delta P, Hysys sẽ tính toán chúng từ áp suất của dòng

Passes

Bạn lựa chọn Hysys thực hiện các phép tính toán, các thao tác trên Counter Current (lí tưởng với Ft=1) hoặc số ống

Số lượng các ống xác định là số nguyên

từ 1 đến 7 Khi số ống xác định, Hysys

sẽ tính toán các thông số thích hợp cho thiết kế Giá trị thấp hơn 0.8 tương ứng thiết kế sử dụng không hiệu quả bề mặt trao đổi nhiệt Số ống lớn hơn hoặc chênh lệch nhiệt độ lớn không sử dụng trong trường hợp này

UA

Là tích của hệ số truyền nhiệt toàn phần

và tổng toàn bộ diện tích bề mặt trao đổi nhiệt Hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt tỷ

lệ với chênh lệch nhiệt độ logarit UA có thể được xác lập hoặc tính toán bằng Hysys

Mô hình thiết kế Weighted

Mô hình này là mô hình rất tuyệt vời trong trường hợp đường cong truyền nhiệt là phi tuyến như thay đổi thành phần pha một hoặc cả

hai dòng trong thiết bị trao đổi nhiệt Với mô hình Weighted đường

cong truyền nhiệt bị chia thành từng đoạn và cân bằng năng lượng được tính toán theo từng đoạn LMTD và UA được tính toán cho mỗi đoạn trong đường cong nhiệt và tổng tính cho toàn bộ UA trao đổi nhiệt

Mô hình này chỉ dùng cho thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng, về bản chất là mô hình cân bằng năng lượng và vật chất Cấu trúc hình học ảnh hưởng tới hệ số hiệu chỉnh Ft, không được khảo sát trong mô hình này

Khi bạn chọn mô hình Weighted, Parameters Page sẽ xuất hiện

như trong giao diện sau:

Bảng dưới đây mô tả các mục thể hiện trong giao diện:

Heat Loss/Leak

Bạn có thể định rõ có hay không có tổn thất nhiệt bằng cách chọn phím tương ứng

Nút None được mặc định Có hai lựa chọn tổn thất nhiệt khác:

• Extremes (điểm cực trị) : Trong dòng

nóng, nhiệt lượng tổn thất được xem xét

ở nơi nhiệt độ cao nhất Bản chất, đỉnh của đường cong nhiệt chuyển dịch theo lượng nhiệt tổn thất Đây là diễn biến tồi

tệ nhất có thể Trong dòng lạnh, lượng

nhiệt tăng ở nơi nhiệt độ thấp nhất

• Proportional (tỷ lệ): Lượng nhiệt tổn

thất được phân phối trên toàn bộ các khoảng

UA

Là tích của hệ số truyền nhiệt toàn phần và tổng toàn bộ diện tích bề mặt trao đổi nhiệt Hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt tỷ lệ với chênh lệch nhiệt độ logarit UA có thể được xác lập hoặc tính toán bằng Hysys Với mỗi loại thiết bị trao đổi nhiệt, các thông số dưới đây được hiển

thị (nhưng Pass Name có thể được biến đổi)

Individual Heat

Curve Details

Mô tả

Pass Name

Nhận dạng dòng trong và ngoài ống theo

như tên mà bạn cung cấp ở Connections

Page

Intervals

Số lượng các đoạn có thể định rõ Với sự thay đổi nhiệt độ không tuyến tính, cần nhiều đoạn hơn

Dew/bubble point

Chọn vào hộp thoại này để thêm vào một điểm bọt hay điểm sương trên đường cong nhiệt Nếu có sự chuyển pha xảy ra, hộp thoại thích hợp được chọn

Có 3 lựa chọn cho Step Type trong Individual Heat Curve Details

Step Type Mô tả

Equal Enthalpy Tất cả các đoạn có sự thay đổi enthalpy

Equal Temperature Tất cả các đoạn có sự thay đổi nhiệt độ

Auto Interval

Hysys sẽ xác định vị trí các điểm nên thêm vào đường cong nhiệt Đây là thiết kế để tối thiểu hóa các lỗi, sử dụng ít nhất số lượng các đoạn

Pressure profile được cập nhật trong vòng lặp ngoài, sử dụng một

trong các phương pháp dưới đây:

Pressure Profile Phương pháp tính toán

Constant dPdH Duy trì dPdH không đổi trong suốt quá

Inlet Pressure Áp suất không đổi và bằng áp suất đầu vào

Outlet Pressure Áp suất không đổi và bằng áp suất đầu ra

Steady State Rating Model

Đây là mô hình mở rộng của mô hình End point bao gồm việc tính

toán tỷ lệ và sử dụng những giả thiết và dữ kiện giống như trong mô

hình End Point Nếu cung cấp chi tiết các thông tin hình học, có

thể đánh giá thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng mô hình này Như tên gọi, mô hình này chỉ phù hợp trong mô phỏng tĩnh

Trong trường hợp đường cong nhiệt tuyến tính hoặc gần tuyến tính, nên sử dụng mô hình này Do phương pháp tính, mô hình tĩnh thực hiện tính toán nhanh hơn so với mô hình động

Khi chọn Steady State Rating Model được, các Parameters dưới

UA

Là tích của hệ số truyền nhiệt toàn phần và tổng toàn bộ diện tích bề mặt trao đổi nhiệt Hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt tỷ lệ với logarit chênh lệch nhiệt độ UA có thể được khai báo hoặc tính toán bằng Hysys

Dynamic Rating

Hai mô hình Basic và Detailed có thể sử dụng cho Dynamic rating

trong tính toán thiết bị trao đổi nhiệt Nếu có ba thông số nhiệt độ hoặc hai thông số nhiệt độ và một giá trị UA, có thể xác định thiết

bị trao đổi nhiệt bằng mô hình Basic Nếu cung cấp chi tiết các thông tin hình học, có thể sử dụng mô hình Detailed Chú ý rằng

Specs Page sẽ xuất hiện khi Dynamic Rating được chọn

Mô hình Basic dựa trên cơ sở những giả thuyết và dữ liệu giống như với mô hình thiết kế End Point, trong đó sử dụng phương trình

hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt tiêu chuẩn (phương trình 3.8) để xác định hệ số truyền nhiệt và diện tích bề mặt trao đổi nhiệt và logarit

chênh lệch nhiệt độ Mô hình Basic là bản sao của mô hình thiết kế

End Point cho mô phỏng động nhưng vẫn có thể sử dụng cho đánh

giá trao đổi nhiệt trong mô phỏng tĩnh

Mô hình Detailed dựa trên những giả thiết và dữ liệu giống mô hình Weighted và chia thiết bị trao đổi nhiệt thành các vùng nhiệt,

thực hiện cân bằng năng lượng dọc theo mỗi khoảng Mô hình này yêu cầu chi tiết thông tin hình học của thiết bị trao đổi nhiệt Mô

hình Detailed là bản sao của mô hình thiết kế Weighted cho mô

phỏng động nhưng vẫn có thể sử dụng cho đánh giá trao đổi nhiệt trong mô phỏng tĩnh

Chọn Dynamic Rating, không yêu cầu thêm thông tin từ

Parameters Page của Design Tab Chọn Basic hoặc Detailed trên Parameters page của Design tab

Specs page

Ở trang này, sẽ thấy ba hộp thoại cho biết các thông số khác nhau

và thông tin tính toán Các thông tin cung cấp trong Specs page chỉ

có giá trị với các mô hình Weighted, Endpoint and Steady State

Rating và nó không xuất hiện khi lựa chọn mô hình Dynamic Rating

Nếu làm việc với

Solver Group

Trong hộp Solver Group có chứa các thông số sau :

Solver Parameters Chi tiết Tolerance Thiết lập sai số tính toán

Curent error Khi sai số nhỏ hơn sai số tính toán cho phép,

kết quả được xem xét để hội tụ về một điểm

Iterations

Hiển thị vòng lặp ngoài Ở vòng lặp ngoài đường cong nhiệt được cập nhật và thực hiện các tính toán các đại lượng đặc trưng Các tính toán không có các điều kiện ràng buộc chặt chẽ được tính toán trong vòng lặp trong Các điều kiện ràng buộc cũng sẽ được xem xét trong vòng lặp trong

Unknown Variables Group

Hysys sẽ liệt kê tất cả các biến chưa biết theo các thông số được nhập Khi bài toán đã được giải quyết, giá trị của các biến này sẽ được hiển thị

Specification Group

Chú ý rằng việc xác định Heat Balance (được xác định từ 0 kJ/h) là điều kiện bắt buộc Duty Error có thể bỏ qua

Khi không xác định Heat Balance có thể xác định tất cả bốn dòng

trao đổi nhiệt, Hysys sẽ tính sai số cân bằng nhiệt, sẽ hiển thị giá trị

hiện thời trong hộp thoại Specifications

The UA là thông số mặc định Hysys hiển thị giá trị này như một đại lượng thông dụng Có thể sử dụng đại lượng này hoặc không

Có thể View hoặc Delete các thông số bằng cách sử dụng các phím

ở phía phải hộp thoại Các thông số tự động xuất hiện khi một thông

số mới được khai báo thông qua phím Add như thể hiện trên hình dưới đây

Specification view gồm hai trang tab: Parameters và Summary

Ví dụ, xác định Delta Temp Spec (chênh lệch nhiệt độ) yêu cầu hai

tên dòng và giá trị của thông số

vậy đây là điều

kiện bắt buộc khi

tính thiết bị trao

đổi nhiệt

Summary Page dùng để xác định các thông số Active hoặc Estimate Giá trị Spec Value cũng thể hiện trên trang này

Chú ý rằng thông tin hiển thị trên Specification view cũng hiển thị trên Specifications group

Tất cả các thông số sẽ thuộc một trong ba loại sau:

Specification Type Mô Tả Active Active là một thuật toán hội tụ Lưu ý rằng

active luôn luôn có giá trị gần đúng ban đầu (khi chọn Active, hysys sẽ tự động chọn Estimate) Active có một bậc tự do

Estimate Estimate được coi là thông số không hoạt

độngvì thuật toán hội tụ không đáp ứng Để

sử dụng chỉ estimate thì phải bỏ dấu chọn trong ô active Giá trị sau đó chỉ được thực hiện bằng giá trị gần đúng ban đầu cho thuật toán hội tụ Estimate không sử dụng bậc tự

do đã có

Completely Inactive

Để bỏ qua giá trị của các thông số tính toán trong quá trình hội tụ, bỏ dấu chọn trong cả hai ô active và estimate Bằng cách bỏ qua như vậy sẽ tốt hơn là xoá các thông số, có thể sau này bạn sẽ muốn sử dụng lại

Danh sách các thông số cho phép thử các tập hợp khác nhau của các thông số trong ba thông số nêu trên Ví dụ, giả sử có một số các thông số và muốn xác định xem các thông số nào sẽ active, các thông số nào sẽ là estimate và những thông số nào sẽ ignored Bằng

Active là một thuật

toán hội tụ Active

hoạt động khi cả hai

hộp được chọn

Estimate được sử

dụng như một thuật

toán hội tụ ban đầu, và

được coi là thông số

không hoạt động

Completely Inactive

bỏ qua hoàn toàn

thuật toán hội tụ,

nhưng có thể khôi

phục active hoặc

estimate sau đó

các thao tác chọn vào các ô tương ứng, có thể thử một vài phương

án sao cho nhận được kết quả mong muốn

Minimum Approach

Gần đúng tối thiểu nhiệt độ bên trong Chênh lệch nhiệt độ giữa dòng nóng và dòng lạnh (không nhất thiết là đầu vào hay đầu ra)

toàn phần và diện tích bề mặt truyền nhiệt)

LMTD Chênh lệch nhiệt độ logarit toàn phần

Duty

Hiệu suất toàn phần, sai số, nhiệt mất mát, nhiệt rò rỉ Sai số sẽ nhận giá trị bằng 0 khi cân bằng nhiệt được bảo toàn Tổn thất nhiệt

sẽ chỉ có khi cài đặt Extremes hoặc

Proportional trong Parameters page

Duty Ratio

Duty Ratio có thể xác định giữa bất kỳ hai trong số các đại lượng: nhiệt năng toàn phần, sai số, tổn thất nhiệt và mất mát nhiệt

Flow

Lưu lượng của dòng nối với trao đổi nhiệt (lưu lượng khối lượng, lưu lượng mol, hoặc lưu lượng thể tích lỏng)

User Variables Page

User Variables Page cho phép viết code và thiết lập các case mô

phỏng có thêm các biến mới theo yêu cầu của người sử dụng

Để có thêm thông tin, xem User Variables chapter trong tài liệu

Customization Guide

Notes Pages

Notes Pages cho phép soạn thảo dưới dạng văn bản những ghi chú

hoặc thông tin liên quan đến thiết bị trao đổi nhiệt hoặc mô phỏng nói chung

3.3.3 Rating Tab

Rating tab bao gồm 4 pages: Sizing, Parameters, Nozzles và Heat

Loss Trong đó Parameters page chỉ được sử dụng cho Dynamics Heat Exchanger trong mô phỏng động hoặc trong Dynamics khi sử dụng Dynamic Rating

Sizing Page

Sizing Page cung cấp các thông tin liên quan đến kích thước truyền

nhiệt Dựa trên các thông tin về hình dạng, Hysys sẽ tính toán độ chênh lệch áp suất và hệ số truyền nhiệt đối lưu của cả bề mặt trao đổi nhiệt và tốc độ trao đổi nhiệt

Các thông tin này được thực hiện bằng ba phím: Overall, Shell,

Tube

Overall

Khi chọn Overall, toàn bộ hình dạng thiết bị trao đổi nhiệt được hiển thị trên giao diện:

Trong phần Configuration có thể lựa chọn kiểu ống để thiết kế thiết

bị gia nhiệt, bao gồm:

Các vỏ được mắc song song

Lưu ý: hiện tại nhiều vỏ mắc song song không được hỗ trợ trong hysys

Tube Passes per Shell Số ống trong một chùm và thường là 2n ống

Exchanger Orientation

Lựa chọn đặt ống nằm ngang hay thẳng đứng Chỉ được sử dụng trong mô phỏng động Khi đặt vỏ thẳng đứng, cần xác định đầu trên và dưới của vỏ bằng cách sử dụng hộp chọn sau:

First Tube Pass Flow Direction

Lựa chọn dòng trao đổi là cùng chiều hay ngược chiều

Danh sách kéo thả

TEMA-type

Tuy nhiên, trong mô phỏng động nó được sử dụng để tính toán mức chất lỏng trong vỏ

Hình dạng của thiết bị trao đổi nhiệt có thể được xác định bằng cách sử dụng danh sách kéo thả trong TEMA-style Danh sách đầu tiên liệt kê các kiểu nắp cố định phía trước của trao đổi nhiệt Danh sách thứ hai bao gồm các kiểu vỏ Danh sách thứ ba liệt kê các kiểu đầu cuối của trao đổi nhiệt Để biết thêm thông tin chi tiết về TEMA-style của các trao đổi nhiệt dạng ống chùm, xem trang 11-

33 của Perry’s Chemical Engineers’ Handbook (1997 edition)

Trong mục Calculated Information hiển thị các thông số sau của

thiết bị trao đổi nhiệt:

• Heat Trans Area per Shell

• Tube Volume per Shell

• Shell Volume per Shell

Shell

Nếu chọn phím Shell, cấu hình vỏ và cách chia ngăn trong mỗi vỏ

sẽ được xác định