Phần mềm pro II, thí dụ và bài tập (TIN học ỨNG DỤNG) (chữ biến dạng do slide dùng font VNI times, tải về xem bình thường)

Muïc luïc Bài toán 2: Mô phỏng thiết bị tách khí - lỏng Bài toán 3: Tính nhiệt độ sôi của một hỗn hợp hai pha ở một áp suất nhất định Bài toán 4: Mô phỏng tháp tách propane Bài toán 5: X

Computer-Aided Chemical

Engineering

An Introduction to Process Simulation

- Phần mềm Pro/II ® - C9 Thí dụ & Bài tập

Muïc luïc

Bài toán 2: Mô phỏng thiết bị tách khí - lỏng

Bài toán 3: Tính nhiệt độ sôi của một hỗn hợp hai pha ở một áp suất nhất định

Bài toán 4: Mô phỏng tháp tách propane

Bài toán 5: Xác định đĩa nạp liệu tối ưu cho tháp tách propane bằng công cụ Optimiser

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

Bài toán 2: Mô phỏng thiết bị tách khí - lỏng

Cho vào thiết bị tách khí lỏng một dòng nguyên liệu với các dữ liệu sau:

• Lưu lượng : 100 kmol/h; t = 30oC; P = 10 bar

• Thành phần hóa học:

Methane 13 kmol/h Ethane 22 kmol/h Propane 38 kmol/h Butane 22 kmol/h Pentane 5 kmol/h Điều kiện làm việc của thiết bị tách: 30oC và 7 bar

Hãy xác định:

1 Phần mol bay hơi của nguyên liệu trong điều kiện của bình

tách?

2 Thành phần của lỏng và hơi ra khỏi thiết bị tách?

3 Năng suất nhiệt của thiết bị tách?

Bài toán 2: Mô phỏng thiết bị tách khí - lỏng

a

Bài tốn 2: Mơ phỏng thiết bị tách khí - lỏng

Kết quả

Dựa vào các số liệu kết quả trong Program File, ta xác định được:

1 Phần mol bay hơi của nguyên liệu trong điều kiện của bình táchMOLE FRAC VAPOUR 0.94580

Vậy phần mol bay hơi của nguyên liệu trong điều kiện của bình tách là 0,9458 hay 94.58%

2 Thành phần của lỏng và hơi ra khỏi thiết bị tách

- Trên flowsheet, right-click vào dòng S2 và S3  hiển thị cửa sổ lựa chọn

- Chọn Display  xuất hiện cửa sổ Streamline

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

- Mặc định ở mục Property List là Material Balance List  sẽ hiển thị tên, trạng thái dòng, nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và thành

phần của dòng  OK

3 Năng suất nhiệt của thiết bị tách

DUTY, M*KCAL/HR 0.09956

Vậy năng suất nhiệt của thiết bị tách là 99560 kcal/h

Bài toán 2: Mô phỏng thiết bị tách khí - lỏng

a

Bài toán 3: Tính nhiệt độ sôi của một hỗn hợp hai pha ở một áp suất nhất

địnhNguyên liệu có thành phần như bài toán 2, lưu lượng = 5500 kg/h

Hãy xác định:

1 Nhiệt độ sôi của hỗn hợp nguyên liệu này ở áp suất 7 bar?

2 Hằng số cân bằng pha của các cấu tử ?

3 Thành phần hỗn hợp hơi cân bằng với lỏng?

4 Năng suất nhiệt của thiết bị tách?

 Giải quyết bài toán

Để giải quyết bài toán trên, ta tiến hành các bước:

• Giả thiết cho hỗn hợp nguyên liệu này đi vào một bình tách làm việc ở áp suất là 7 bar

• Tiến hành mô phỏng như bài toán 2

• Vì muốn xác định nhiệt độ sôi của hỗn hợp  ở cửa sổ Flash Drum, ở mục

Second Specification  Chọn Bubble point ở mục Unit Specification

• Do phải xác định hằng số cân bằng pha của các cấu tử  ở cửa sổ Flash Drum, ở mục Print Option  Chọn Include Component K - Values

Bài tốn 3: Tính nhiệt độ sơi của một hỗn hợp hai pha ở một áp suất nhất

định Kết quả

Dựa vào các số liệu kết quả trong Program File, ta xác định

2 Hằng số cân bằng pha của các cấu tử và thành phần

hỗn hợp hơi cân bằng với lỏng

VAPOR-LIQUID COMPOSITIONS AND K-VALUES FOR UNIT 1, 'F1'

COMPONENT VAPOR LIQUID K-VALUE

- - - -

1 METHANE 0.93087 0.13000 7.1605E+00

2 ETHANE 0.05887 0.22000 2.6761E-01

3 PROPANE 0.00969 0.38000 2.5507E-02

4 BUTANE 5.4730E-04 0.22000 2.4877E-03

5 PENTANE 1.8438E-05 0.05000 3.6877E-04

Bài toán 4: Mô phỏng tháp tách

propane

Tính cho tháp Depropanizer với các dữ liệu ban đầu như sau :

• Nguyên liệu : - năng suất : 400 tấn/ngày

- P = 18 bar

- có thành phần 40% hơi gồm : 26% khối lượng C3

và 74 % khối lượng C4

• Tháp : - 22 đĩa lý thuyết; nạp liệu ở đĩa 13

- áp suất đỉnh : 16,5 bar; trở lực : 10 mbar/đĩa lý thuyết

- thiết bị ngưng tụ hoàn toàn ; áp suất bình tách : 16,2 bar

• Chỉ tiêu chất lượng sau:

Bài toán 4: Mô phỏng tháp tách

propane a

Bài tốn 4: Mơ phỏng tháp tách

propane

Các bước mô phỏng

1 Xác định hệ đơn vị đo

Chọn hệ đơn vị METRIC

1 ton = 1014.04 kilograms

2000 pounds = 1 short ton = 0.907 tonne

2240 pounds = 1 long ton = 1.016 tonne

 Chọn kg

2 Xác định thành phần cấu tử có trong hệ

Hệ 2 cấu tử: Propane và Butane

3 Lựa chọn các phương trình nhiệt động thích hợp

Chọn hệ GS (Grayson-Streed)

4 Thiết lập các thiết bị có trong sơ đồ và các dòng ra và vào các thiết bị

 Thiết bị: Tháp  click chọn biểu tượng tháp từ floating PFD  hiển thị cửa sổ Column Configuration  nhấn chọn Condenser

và Reboiler  nhập giá trị 22 ở mục Number of Theoretical Trays

 OK

Bài tốn 4: Mơ phỏng tháp tách

propane

 Các dòng:

- Thiết lập dòng nguyên liệu S1 nạp vào đĩa thứ 11 của tháp

- Dòng sản phẩm đỉnh S2 là dòng lỏng đi ra từ đáy bình tách sau khi đã cho hồi lưu một phần về đỉnh tháp (ngưng tụ hoàn toàn)

- Dòng sản phẩm đáy S3

5 Xác định thành phần, trạng thái của các dòng, xác định các dữ liệu về thiết bị

Ta nhận thấy rằng chỉ có dòng S1, tháp T1 là được viền đỏ  yêu cầu nhập dữ liệu

5.1 Dòng S1

 Double-click vào dòng S1  hiển thị bảng Stream Data  ở mục Description ta có thể nhập tên FEED (nhập liệu cho dòng này)  click chọn Flowrate and Composition  chọn Total Fluid Rate

 nhập giá trị 400 Chú ý rằng, lưu lượng nhập liệu được tính bằng tấn/ngày, mà ở đây là KG-MOL/HR  click vào

UOM  xuất hiện bảng Convert Unit of Measure  chọn Mass 

TON  DAY  nhấn Change Units  OK

Bài tốn 4: Mơ phỏng tháp tách

propane

 Nhập thành phần các cấu tử của dòng S1: nhập giá trị

26 cho cấu tử 1  nhấn phím TAB  nhập 74 cho cấu tử 2

 nhấn OK để quay lại cửa sổ chính Stream Data

 Xác định nhiệt độ và áp suất của dòng S1 ở mục

Thermal Condition : ở dòng First Specification  chọn Pressure

 nhập giá trị 18 Xong nhấn chọn Liquid Weight Fraction ở mục Second Specification  nhập giá trị 0.6  OK

5.2 Tháp T1

 Double-click vào C1  xuất hiện cửa sổ Column

 Ở mục Description nhập tên DEPROP

 Nhấp chọn vào ô thứ hai được viền đỏ Feeds and Products

 xuất hiện cửa sổ Column – Feeds and Products  ở bảng trên, xác định dòng S1 được nạp vào đĩa 11  ở bảng dưới, với dòng S2  chọn Fixed Rate Draw ở mục Type of Product  chọn Liquid ở mục Phase  nhập giá trị 1 ở mục

Tray  nhập giá trị lưu lượng 104 Chú ý rằng, lưu lượng sản phẩm được tính bằng tấn/ngày, mà ở đây là KG- MOL/HR  click vào UOM  xuất hiện bảng Convert Unit of Measure  chọn Mass  TON  DAY  nhấn Change Units  OK

Pressure Drop  chọn mục Per Tray  nhập giá trị 0,01 bar  OK để trở về cửa sổ Column.

 Ở mục Condenser, nhấn chọn Bubble Temperature ở mục Condenser Type

 nhập giá trị 16.2 bar ở mục Pressure trong cửa sổ Condenser Data.

 Ở mục Performance Specification:

- Nhấn chọn  xuất hiện cửa sổ Column – Specifications and Variables

 click vào ô chọn Add Specifications and Variables  click vào Parameter

(chữ đỏ và gạch dưới đỏ) trong mục Specifications  xuất hiện cửa sổ Parameter  chọn Stream ở mục Stream/Unit và chọn dòng S3 ở mục Stream Name là dòng sản phẩm đáy của tháp.

- Click vào Parameter… (chữ trắng trên nền đỏ)  xuất hiện cửa sổ

Parameter Selection  chọn Composition ở mục Parameter  chọn

PROPANE là cấu tử đầu và cấu tử cuối  OK để trở về cửa sổ

Parameter  nhấn chọn vào Mole Fraction  click vào UOM  xuất hiện bảng Convert Unit of Measure  chọn Mass  Percent  nhấn Change Units  OK : trở về cửa sổ Parameter  OK : hoàn thành cửa sổ

Parameter  Column – trở về cửa sổ Specifications and Variables  click vào Value  nhập giá trị 2.

Composition ở mục Parameter  chọn BUTANE là cấu tử đầu và cấu tử cuối  OK để trở về cửa sổ Parameter  nhấn chọn vào Mole Fraction  click vào UOM  xuất hiện bảng Convert Unit of Measure  chọn Mass  Percent  nhấn Change Units  OK : trở về cửa sổ

Parameter  OK : hoàn thành cửa sổ Parameter  trở về cửa sổ

Column – Specifications and Variables  click vào Value  nhập giá trị 1

- Click vào Parameter (chữ đỏ và gạch dưới đỏ) trong mục Variable 1  xuất hiện cửa sổ Parameter Selection  chọn Heat Duty (năng suất nhiệt)  ở mục Heater chọn Reboiler  OK : quay lại cửa sổ Variables 

OK : quay lại cửa sổ Column – Specifications and Variables  tiếp tục click vào Parameter (chữ đỏ và gạch dưới đỏ) trong mục Variable 2  xuất hiện cửa sổ Parameter Selection  chọn Heat Duty (năng suất nhiệt)  ở mục Heater chọn Condenser  OK : quay lại cửa sổ Variables

 OK : quay lại cửa sổ Column – Specifications and Variables  OK : hoàn thành việc nhập dữ liệu cho T1

Bài toán 5: Xác định đĩa nạp liệu tối ưu cho tháp tách propane bằng công cụ

Optimiser a

- áp suất đỉnh : 16,5 bar; trở lực : 10 mbar/đĩa lý thuyết

- thiết bị ngưng tụ hoàn toàn

- áp suất bình tách : 16,2 bar

• Chỉ tiêu chất lượng sau :

- sản phẩm đỉnh : có 0,5% khối lượng C4

- sản phẩm đáy : có 0,5% khối lượng C3

 Hãy xác định đĩa nạp liệu tối ưu để năng suất của thiết bị đun sôi lại là bé nhất

Bài tốn 5: Xác định đĩa nạp liệu tối ưu cho tháp tách propane bằng cơng cụ

Optimiser

Sử dụng công cụ Optimiser

Optimiser là công cụ rất tiện ích của Pro/II nhằm cực đại hoặc cực tiểu hoá một hàm mục tiêu nào đó bằng cách thay đổi giá trị của một biến nào đó trong số các tiêu chuẩn đưa ra

Hàm mục tiêu có thể là năng suất, công suất hoặc hàm kinh tế như hàm giá cả hoặc hàm chi phí Vì vậy, tùy theo trường hợp mà sẽ tối ưu hàm mục tiêu đến giá trị cực đại hoặc cực tiểu

Biến sẽ thay đổi giá trị trong một khoảng nào đó (giữa Minimum Value và Maximum Value) để hàm mục tiêu đạt đến giá trị cực đại hoặc cực tiểu

Hướng dẫn thực hiện

 Ta sẽ tiến hành mô phỏng bài toán này như bài toán trước, sau đó sẽ cài đặt thêm thiết bị Optimiser OP1 cho tháp  OP1 được viền đỏ

 Double click vào OP1  hiển thị cửa sổ PRO/II – Optimiser

 Ở mục Description, nhập tên OPTIMISER

Bài tốn 5: Xác định đĩa nạp liệu tối ưu cho tháp tách propane bằng cơng cụ

Optimiser

 Gọi công cụ Optimiser với:

 Hàm mục tiêu: Năng suất của thiết bị đun sôi lại

 Loại bài toán: Cực tiểu (minimize)

 Biến: Vị trí đĩa nạp liệu, biến thiên từ đĩa thứ 2 đến đĩa thứ 21

 Ở mục Objective  Chọn Minimize

 Ở mục Objective Function  nhấn chọn Paramater  hiển thị cửa sổ Parameter  Ở mục Stream/Units  chọn Column  nhấn chọn

Parameter  hiển thị cửa sổ Parameter Selection  ở mục

Parameter chọn Heat Duty  ở mục Heater chọn Reboiler  OK : trở về cửa sổ Parameter  OK : trở về cửa sổ PRO/II – Optimiser

 Ở mục Variables  nhấn chọn Parameter  hiển thị cửa sổ

Parameter  Ở mục Stream/Units  chọn Column  nhấn chọn

Parameter  hiển thị cửa sổ Parameter Selection  ở mục

mục Feed Stream chọn S1  OK : trở về cửa sổ Parameter  OK : trở về cửa sổ PRO/II – Optimiser

 Tiếp tục ở mục Variables  nhập giá trị 2 cho mục Minimum Value

và giá trị 22 cho mục Maximum Value  nhấn OK: hoàn thành việc nhập dữ liệu cho OP1

- Số đĩa lý thuyết tối thiểu?

- Chỉ số hồi lưu tối thiểu?

Bài tốn 6: Xác định số đĩa lý thuyết tối thiểu và chỉ số hồi lưu tối thiểu cho tháp tách propane bằng phương pháp

shortcut Kết quả

Dựa vào các số liệu kết quả trong Program File, ta xác định được:

MINIMUM REFLUX RATIO 3.95841

FENSKE MINIMUM TRAY 13.60067

Vậy số đĩa lý thuyết tối thiểu là 13,6, chỉ số hồi lưu tối thiểu là 3,958