Process Design in Chemical Engineering

Nhóm Mô phỏng Công nghệ Hoá học và Dầu khí Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Welcome to Process Design in Chemical Engineering 1 Process Simulation Mô phỏng quá trình hóa học là gì ? Số liệu nào cần thiết cho quá trình mô phỏng? Chương trình mô phỏng là gì? Phương pháp mô phỏng một quá trình sử dụng computer (PC & Laptop) Mục tiêu bài học: Hiểu rõ về mô phỏng và mô phỏng trong công nghệ hóa học Các phần mềm mô phỏng hiện nay Biết cách sử dụng phần mềm Hysys/Unisim Sử dụng Hysys/Unisim để mô phỏng các thiết bị, quá trình chính 2 What is Chemical Process Simulation ? Mô phỏng quá trình vận hành của một nhà máy hóa học, hoặc một quá trình chế biến  sử dụng mô phỏng Steady State và Dynamic Đã biết Muốn biết Water (100 kg/s, 1atm, 95oC Ethanol+Water (50:50, 150 kg/s, 1atm, 83oC Process Unit (Mixer) Input-1 Input-2 Output 3 Các thông số chính (đã biết & chưa biết) Input streams: o Áp suất (P) o Nhiệt độ (T) o Thành phần dòng (x) o Tổng lưu lượng (F) Thông số thiết bị o Trạng thái ổn định o Được bảo ôn (q = 0) o Không bị rò rỉ Output stream o Áp suất? o Lưu lượng dòng tổngr? o Lưu lượng dòng cấu tử? o Thành phần cấu tử? o Nhiệt độ? Phân tách pha o Dòng vào và dòng ra Thông số vật lý khác: độ nhớt, tỷ trọng, của các dòng 4 What did We do ? Cung cấp các thông tin:  thông số đầu vào  thông số thiết bị: trộn đoạn nhiệt, không rò rỉ, Sử dụng các mô hình toán học để mô tả toàn bộ quá trình công nghệ:  Thông tin chưa biết sử dụng MB, EB, VLE và so sánh các property correlations Mô phỏng quá trình hóa học (hỗn hợp ổn định) Thực hiện mô phỏng:  Thời gian thực hiện cần thiết  Các lỗi có thể mắc phải  Độ chính xác của kết quả nhận được 5 Quá trình mô phỏng sử dụng Hysys/Unisim Hysys/Unisim là gì? Hysys/Unisim có thể làm gì? Các công cụ trong Hysys/Unisim? Cách sử dụng Hysys/Unisim? Mục đích của bài giảng: Mô phỏng được các quá trình trong công nghiệp Các ứng dụng trong Hysys/Unisim, cách sử dụng, các module, các tiện ích Biết cách sử dụng từng Module trong Hysys/Unisim Sau khi mô phỏng sẽ nhận được sơ đồ công nghệ bằng Hysys và kết quả mô phỏng rõ ràng 6 Advantages of Simulator Giao diện đồ họa đẹp Không phải lập trình Sử dụng các gói property packages có sẵn giúp tiết kiệm thời gian và công sức Thu được nhiều kết quả có giá trị lớn Có thể thực hiện nhiều chức năng 7 Hysys Modules Steady State Dynamic Chemico- Physical Reactor (general, CSTR, PFR) Movers (Pump, compressor, expander, valve) Mixer Splitter (Tee) Exchangers (Heater/ Cooler, S & T, LNG) Flash Drums (2-phase (VL), 3-phase (VLL)) Separator (Component splitter, distiller, Absorber, Cyclone, Gas filter, Extractor) Pipe segment Tank Furnace Air Cooler Logical Set Adjust Recycle Balance Spreadsheet PID Controller 8 Giao diện ban đầu Các Case đã sử dụng gần đây Chỉ dùng cho mô phỏng tháp chưng Tạo Case thông thường 9 Simulation Basis Manager Thiết lập cấu tử Xuất nhập file lưu thành phần Các Tab 10 Lựa chọn các cấu tử 11 Tạo cấu tử giả Tạo cấu tử giả 12 Thiết lập tính chất của cấu tử giả 13 Lựa chọn Fluid Packages Thiết lập hệ nhiệt động Xuất nhập file lưu hệ nhiệt động 14 Lựa chọn mô hình nhiệt động phù hợp đóng vai trò quan trọng tới độ chính xác kết quả mô phỏng Các thông số xác định từ hệ nhiệt động Hằng số cân bằng pha K Enthanpi của pha lỏng và pha hơi Entropy của pha lỏng và pha hơi Tỷ trọng của pha lỏng và pha hơi Lựa chọn Fluid Packages 15  Các mô hình nhiệt động • Dạng theo phương pháp hiệu chỉnh (Generalized Correlation Methods): GS, CS,IGS, • Dạng phương trình trạng thái (Equation of State Methods): SRK, PR, SRKS, BWRS,... • Dạng theo hoạt độ (Liquid Activity Methods): NRTL, UNIQUAC, • Dạng đặc biệt (Special Packages): AMINE, ALCOHOL, SOUR,  Cơ sở lựa chọn hệ nhiệt động: • Đặc trưng nhiệt động của hệ (hệ số K) • Thành phần hỗn hợp • Phạm vi nhiệt độ áp suất • Tính sẵn có của các thông số của hệ 16 Lựa chọn Hệ nhiệt động Lựa chọn EOS 17 Thiết lập các phản ứng Thiết lập phản ứng 18 CÁC DẠNG PHẢN ỨNG • Conversion : phản ứng tính toán dựa vào độ chuyển hóa • Equilibium: phản ứng tính toán dựa trên hằng số cân bằng K • Heterogeneous Catalytic • Kinetic: phản ứng tính toán dựa trên hằng số tốc độ phản ứng • Simple Rate 19 Thiết lập phản ứng Hệ số tỷ lượng 20 Độ chuyển hóa Độ chuyển hóa 21 Thiết lập đơn vị tính Tools / Preferences / Variable tab 22 Vào môi trường mô phỏng Vào môi trường mô phỏng 23 Hysys Module Palette 24 General Reactor  Dòng nguyên liệu, dòng sản phẩm  Cung cấp P hoặc P của dòng sản phẩm  Thiết lập dòng năng lượng  Không đặt Q: phản ứng đoạn nhiệt  Q cần thiết hoặc T của dòng sản phẩm  T phản ứng chính là T của dòng sản phẩm  Conversion: khi biết độ chuyển hoá  Equilibrium: dung cho phản ứng Equilibrium  Gibbs: phản ứng Equilibrium 25 General Reactor: Conversion 26 General Reactor: Conversion 27 General Reactor: Conversion 28 General Reactor: Conversion 29 Hysys tính toán như thế nào? Mỗi Module trong Hysys là một chương trình tính toán  cần thông số ban đầu (của dòng vào và thiết bị), trước khi tính toán dòng ra cho module đó Chỉ tính toán một module tại mỗi thời điểm Ngay khi các thông số ban đầu được nhập vào cho module, Hysys sẽ tính toán cho module đó A B C S1 S2 S3 S4 S5 A B C S1 S2 S3 S4 S5 If we specify S2 fully(A unsolved) If we specify S4 fully What will happen, if we specify S1 fully in the first (original) BFD? 30 Ví dụ Một sơ đồ có dòng tuần hoàn đơn giản Dòng đã biết Dòng chưa biết Reaction A  B Reactor Separation Unit B Purge Unreacted A ”Recycle Loop” Feed A 31 Xây dựng sơ đồ khối (BFD)  Đã biết các thông số của dòng Feed, nhưng Hysys vẫn chưa thể tính toán? Tại sao?  Làm thế nào để “kích hoạt” Hysys ? Reaction A  B Reactor Separation Unit B Purge Unreacted A ”Recycle Loop” Feed A 32 Sử dụng công cụ “Recycle”  Sử dụng công cụ Recycle  Dự đoán các thông số của dòng ra  Đã biết specs của Mixer, Hysys có thể tính gì? Reactor Component Splitter TeeRecycle Mixer 33 Hysys tính toán Mixer Reactor Component Splitter TeeRecycle Mixer 34 Hysys tính toán cho thiết bị phản ứng Reactor Component Splitter TeeRecycle Mixer 35 Hysys tính toán component splitter Reactor Component Splitter TeeRecycle Mixer 36 Hysys tính toán Tee Recycle là công cụ không thực tế Làm thế nào để dòng trước và sau Recycle “giống” nhau phụ thuộc vào suy đoán ban đầu  Recycle sẽ có màu vàng Reactor Component Splitter TeeRecycle Mixer 37 Thiết lập dòng vật liệu 38 Composisions Mol Frc. Mol Frc. C1 0.330 iC5 0.069 C2 0.143 nC5 0.059 C3 0.101 nC6 0.078 iC4 0.098 C7+ 0.042 nC4 0.080 39 Phase Envelope 40 Nhỡ tay đóng giao diện 41 Trở lại PFD Có 3 cách: • Bấm vào phím • Bấm vào phím • Bấm vào Tool  PFD, chọn View 42