Bài giảng Computer-aided chemical engineering - Chương 2: Cơ sở tính toán cho quá trình ổn định (Steady state)
Chương 2
CƠ SỞ TÍNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH
ỔN ĐỊNH (Steady State)
Muïc luïc
I. Tieáp caän toång quaùt - Thí duï daãn nhaäp
A. Moâ taû quaù trình
B. Phaân tích baøi toaùn: 1. Caùc doøng ñaàu vaøo/ñaàu ra; 2. Phaân tích thieát bò
phaûn öùng; 3. Heä thoáng TBPU-Phaân taùch-Hoaøn löu; 4. Heä thoáng phaân taùch;
5. Ñieàu khieån caùc thoâng soá cuûa sô ñoà flowsheet; 6. Chuyeån ñoåi caùc thieát bò
thöïc sang caùc thieát bò moâ phoûng; 7. Phaân tích baäc töï do; 8. Caùc vaán ñeà veà
nhieät ñoäng hoïc; 9. Tieán trình tính toaùn
C. Qui trình moâ phoûng
II. Caùc thieát bò: 1. Thieát bò troän doøng vaø phaân doøng; 2. Thieát bò phaân taùch
caân baèng pha Flash; 3. Thieát bò trao ñoåi nhieät (a. Bieán ñoåi naêng löôïng; b.
Thieát bò trao ñoåi nhieät daïng voû-oáng; c. Thieát bò trao ñoåi nhieät ña doøng); 4.
Thieát bò chöng caát tính toaùn nhanh (shortcut); 5. Thieát bò chöng caát chi tieát
(a. Thaùp phaân taùch ña muïc ñích; b. Thaùp keát noái toaøn theå Inter-linked; c.
Thaùp loïc daàu; Chöng caát giaùn ñoaïn); 6. Thieát bò trích ly; 7. Thieát bò phaûn öùng
(a. TBPU tæ löôïng; b. TBPU caân baèng; c. Caùc moâ hình ñoäng hoïc; d. TBPU
hoaït ñoäng giaùn ñoaïn); 8. Thay ñoåi aùp suaát (a. Bôm; b. Thieát bò neùn khí/giaõn
khí; c. Van); 9. Module giaûm aùp
III. Nhieät ñoäng hoïc: Caùc caáu töû; Caùc phöông aùn nhieät ñoäng hoïc; Caùc thoâng
soá töông taùc ñoái vôùi hoãn hôïp
2
IV. Toùm taét
I. Tieáp caän toång quaùt - Thí duï daãn nhaäp
Moâ taû quaù trình
Quaù trình taùch nhoùm alkyl baèng hydrogen HDA (hydro-dealkylation caùc
alkyl-benzenes vaø alkylnaphtalenes thaønh caùc hôïp chaát voøng thôm töông
öùng cuûa chuùng, nhö benzene hay naphtalene) chuyeån ñoåi toluene thaønh
benzene vôùi söï hieän dieän moät löôïng dö doài daøo hydrogen. Caùch tieáp caän
ñôn giaûn xem xeùt hai phaûn öùng:
- Phaûn öùng chính : dealkylation ñeå toluene thaønh benzene vaø methane:
C6H5CH3 + H2 → C6H6 + CH4 (1)
- Phaûn öùng thöù caáp: söï taïo thaønh naphtalene nhö laø moät saûn phaåm phuï:
2C6H6 → C12H10 + H2 (2)
Phaûn öùng naøy, noùi chung laø toûa nhieät, xaûy ra trong thieát bò phaûn öùng daïng
oáng (PFR) ñoaïn nhieät ôû caùc aùp suaát 25 ñeán 35 bar vaø nhieät ñoä giöõa 620 vaø
720oC. Moät löôïng dö doài daøo hydrogen, ñieån hình ôû tæ leä mol 5:1,ngaên ngöøa
söï taïo thaønh than coác. Ñoä chuyeån hoaù cuûa phaûn öùng ñieån hình laø 60-80%,
vì ôû giaù trò cao hôn ñoä choïn loïc giaûm nhanh choùng.
3
A. Moâ taû quaù trình
Hình 1: Quaù trình HDA ñeå saûn xuaát benzene baèng coâng ngheä UOP (Mowry,
1986)
FEHE: thieát bò trao ñoåi nhieät cho doøng nhaäp lieäu (feed effluent heat
exchanger)
4
A. Moâ taû quaù trình
Toluene nhaäp lieäu (Fresh Toluene) vaø toluene hoaøn löu (Recycled Toluene) ñöôïc
troän vôùi hydrogen ôû aùp suaát cuûa nhaùnh phaûn öùng. Sau khi bay hôi vaø gia nhieät trong
thieát bò trao ñoåi nhieät cho doøng nhaäp lieäu (FEHE), hoãn hôïp ñöôïc ñun noùng trong moät
buoàng ñoát (Furnace) ôû nhieät ñoä ñuû cao ñeå khôûi phaùt phaûn öùng, vaø ñöôïc caáp vaøo
thieát bò phaûn öùng (Reactor). Doøng naøy ñöôïc nhuùng (quench) vôùi chaát loûng hoaøn löu
(khoâng theå hieän treân hình) ñeà ngaên ngöøa phaân huyû nhieät. Sau ñoù hoãn hôïp phaûn öùng
ñi vaøo nhaùnh thu hoài nhieät, maø ngoaøi TBTÑN, nhaùnh naøy coù moät thieát bò sinh hôi
nöôùc (Steam Generation). Sau khi ñi qua moät thieát bò laøm nguoäi (Cooler), hoãn hôïp
phaûn öùng ñöôïc ñöa ñi phaân taùch trong boàn chöùa phaân taùch caân baèng pha flash.
Pha khí bao goàm hoãn hôïp hydrogen/methane vôùi löôïng nhoû benzene vaø toluene.
Pha loûng bao goàm benzene vaø toluene, cuõng nghö caùc caáu töû naëng vaø thaønh phaàn
nheï hoaø tan. Phaàn khí ñöôïc hoaøn löu veà TBPU thoâng qua moät maùy neùn
(Compressor) vaø sau ñoù troän laãn vôùi make-up hydrogen. Ñeå yù raèng make-up
hydrogen coù theå ñöôïc hoaøn löu qua phaàn laøm giaøu hydrogen (Hydrogen
Enrichment). Pha loûng ñi vaøo phaàn taùch loûng. Sau khi giaûm aùp, caùc khí hoaø tan ñöôïc
taùch ra trong thaùp oån ñònh (Stabilisation Column). Caùc caáu töû coù phaân töû löôïng cao
hôn coù theå laøm taéc caùc phaàn beân trong cuûa thaùp chöng caát ñöôïc taùch ra trong thaùp
ñaát seùt (Clay Tower). Cuoái cuøng, thieát bò chöng caát chi tieát teân laø thaùp hoaøn löu seõ
tieán haønh phaân taùch caùc caáu töû nheï ôû ñænh laø caùc thaønh phaàn nheï (Lights), benzene
tinh cheá vaø toluene khoâng bò chuyeån ñoåi laø caùc doøng saûn phaåm trung gian (side-
streams), vaø caùc caáu töû naëng khaùc ôû ñaùy laø thaønh phaàn naëng (Heavies).
5
B. Phaân tích baøi toaùn
1. Caùc doøng ñaàu vaøo/ñaàu ra
Caùc doøng nhaäp lieäu goàm toluene tinh khieát 100% vaø hydrogen coù 5% CH4. Phaân
tích ñaàu vaøo/ñaàu ra phaûi khaúng ñònh ñöôïc raèng caân baèng vaät chaát laø phuø hôïp. Qui
taéc vaøng trong tính toaùn flowsheeting traïng thaùi oån ñònh phaùt bieåu raèng, baát kyø vaät
chaát naøo ñi vaøo hoaëc ñöôïc taïo ra trong TBPU phaûi ñi ra khoûi quaù trình, neáu khoâng
xaûy ra tích luõy trong heä thoáng. Khi kieåm tra heä thoáng treân Hình 1 ta thaáy caùc doøng
ñaàu ra nhö sau: benzene saûn phaåm, caùc khí nheï töø thaùp oån ñònh, vaø caùc thaønh phaàn
naëng töø thaùp chöng caát. Toluen trung gian laø doøng hoaøn löu vaø khoâng caàn tính ñeán.
Tuy nhieân vaãn coøn thieáu moät chaát naøo ñoù trong hình noùi treân! Moät xeùt ñoaùn caân
baèng vaät chaát ñònh tính ñôn giaûn cho thaáy raèng khoâng coù ñaàu ra cho methane taïo
thaønh
trong phaûn öùng, maø coøn ñöôïc
caáp vaøo nhö laø taïp chaát cuøng vôùi
hydrogen nhaäp lieäu. Nhö vaäy, ta
phaûi xem xeùt doøng khí laøm saïch
purge. Cuoái cuøng, caáu truùc ñaàu
vaøo/ñaàu ra cuûa quaù trình HDA ñöôïc
trình baøy trong H. 2. Ñeå yù raèng coù
hai ñaàu vaøo, caùc doøng nhaäp lieäu
Hydrogen vaø Toluene, vaø boán ñaàu
ra, Purge, Benzene, Caùc thaønh phaàn
nheï (Lights) vaø Caùc thaønh phaàn
naëng (Heavies).
B. Phaân tích baøi toaùn
2. Phaân tích TBPU
Vieäc moâ hình hoùa TBPU trong tính toaùn flowsheeting phaûi cung caáp moät söï
moâ taû tin caäy veà vieäc chuyeån ñoåi caùc chaát tham gia phaûn öùng thaønh caùc
saûn phaåm chính, saûn phaåm phuï, vaø taïp chaát. Caùch tieáp caän theo kieåu tæ
löôïng thì ñôn giaûn nhöng ñuû cho muïc ñích caân baèng vaät chaát. Trong thí duï
naøy, moâ hình hoùa theo kieåu tæ löôïng caàn bieát (1) ñoä chuyeån hoùa cuûa phaûn
öùng chính vaø (2) ñoä choïn löïa cuûa phaûn öùng phuï. Nhö vaäy, trong laàn thöû
ñaàu tieân, ta coù theå moâ hình TBPU baèng moâ hình TBPU tæ löôïng.
Neáu coù saün caùc döõ lieäu ñoäng hoïc chính xaùc, vaø neáu coù söï töông taùc ñaùng
keå giöõa heä thoáng phaûn öùng vaø phaàn coøn laïi cuûa flowsheet thì coù theå xem
xeùt moät moâ hình ñoäng hoïc. Daïng TBPU, nhö TBPU vôùi caùnh khuaáy lieân tuïc
(CSTR) hay TBPU daïng oáng (PFR), caàn ñöôïc thieát laäp. Tuy nhieân caùc
TBPU coâng nghieäp thì phöùc taïp hôn nhieàu so vôùi caùc moâ hình lyù töôûng. Vì
lyù do naøy, chuùng ta khoâng neân söû duïng caùc moâ hình ñoäng hoïc trong tính
toaùn flowsheeting traïng thaùi oån ñònh, ít nhaát laø trong nhöõng giai ñoaïn ñaàu,
tröø khi vì nhöõng muïc tieâu cao caáp hôn, nhö vaän haønh hay ñieàu khieån toaøn
phaân xöôûng. Trong caùc tröôøng hôïp naøy, vieäc keát hôïp caùc moâ hình ñoäng
hoïc vaø tæ löôïng laø hôïp lyù. Moâ hình ñoäng hoïc coù theå xeùt ñeán quaù trình saûn
xuaát ñöôïc xaùc ñònh bôûi toác ñoä cuûa phaûn öùng chính, maø noù phuï thuoäc vaøo
theå tích cuûa TBPU vaø löu löôïng vaø thaønh phaàn doøng hoaøn löu. Moâ hình tæ
löôïng coù theå moâ taû söï taïo thaønh caùc saûn phaåm phuï vaø taïp chaát caàn thieát
ñeå moâ phoûng chính xaùc caùc thieát bò phaân taùch.
.
7
B. Phaân tích baøi toaùn
3. Heä thoáng TBPU-TBPT-Hoaøn löu
Vieäc moâ phoûng moät flowsheet phöùc taïp neân baét ñaàu baèng caùch nhaän dieän caùc caáu
truùc cô baûn. Moät caáu truùc nhö vaäy laø heä thoáng TBPU-TBPT-Hoaøn löu, ñöôïc minh
hoïa treân H. 3, ñoái vôùi quaù trình HDA. Caùc chaát phaûn öùng nhaäp lieäu vaø hoaøn löu ñi
vaøo moät thieát bò troän Mix. Ñeå yù raèng doøng laïnh cuûa TBTÑN vaø buoàng ñoát coù theå
ñöôïc goäp laïi thaønh moät TBTÑN duy nhaát teân laø HX1. Töông töï, doøng noùng cuûa
TBTÑN, thieát bò sinh hôi nöôùc vaø thieát bò laøm nguoäi coù theå ñöôïc goäp laïi thaønh moät
TBTÑN duy nhaát teân laø HX2. Theo caùch naøy, caùc noã löïc coù theå taäp trung vaøo hoaït
ñoäng cuûa TBPU, maø khoâng vaøo vaán ñeà hoäi tuï cuûa nhaùnh phaûn öùng keát hôïp nhieät.
Thieát bò phaân taùch caân baèng pha (Flash) laø nôi caùc pha khí vaø loûng taùch rôøi nhau.
Moâ hình caân baèng loûng/hôi coù theå moâ phoûng hoaït ñoäng naøy. Ñeå moâ phoûng doøng
purge, ta ñaët thieát bò phaân doøng Split ñöôïc moâ hình baèng Stream Splitter. Sau ñoù
doøng khí ñöôïc hoaøn löu thoâng qua moät maùy neùn Comp ñöôïc moâ phoûng baèng
Compressor.
Vieäc moâ phoûng heä thoáng phaân taùch loûng thì phöùc taïp hôn. Caùch tieáp caän ñôn giaûn
nhaát laø goäp moïi haïng muïc vaøo moät thieát bò hoäp ñen (black-box unit) teân laø
Separation, ñöôïc moâ phoûng baèng moâ ñun Separator. Ñieàu naøy ñöôïc thieát laäp döôùi
daïng thu hoài caùc caáu töû mong muoán. Theo caùch naøy, ta coù theå taäp trung chuù yù ñeán
aûnh höôûng cuûa doøng hoaøn löu vaøo heä phaûn öùng hôn laø chuù yù ñeán vaán ñeà moâ phoûng
caùc thieát bò phaân taùch.
8
B. Phaân tích baøi toaùn
Hình 3: Caáu truùc TBPU-TBPT-Hoaøn löu ñoái vôùi quaù trình HDA
9
B. Phaân tích baøi toaùn
4. Heä thoáng phaân taùch
Vieäc phaân tích heä thoáng phaân taùch caàn xaùc ñònh caùc moâ hình moâ phoûng
thích öùng. Vieäc moâ phoûng moät chuoãi thaùp chöng caát coù theå ñöôïc nghieân
cöùu trong caùc flowsheet rieâng reõ (H. 4). Sau khi giaûm aùp thoâng qua van V1,
hoãn hôïp loûng ñi vaøo thieát bò oån ñònh (stab) ôû ñaây caùc khí hoaø tan ñöôïc taùch
ra. Moät moâ hình phuø hôïp laø Rigorous Distillation vôùi saûn phaåm chöng caát laø
hôi. Sau khi giaûm aùp laàn hai thoâng qua van V2, vieäc phaân taùch benzene,
toluene vaø caùc thaønh phaàn naëng xaûy ta trong thaùp thöù hai (Dist), cuõng ñöôïc
moâ hình baèng thaùp Rigorous Distillation.
Hình 4:
Phaàn
phaân taùch
loûng cuûa
quaù trình
HDA
B. Phaân tích baøi toaùn
5. Ñieàu khieån caùc thoâng soá cuûa flowsheet
Moät soá bieán soá cuûa flowsheet coù theå “ñieàu khieån” baèng caùch söû duïng caùc
bieán soá khaùc “coù theå thao taùc ñöôïc”. Trong ví duï ôû ñaây, tæ soá mol
hydrogen/toluene ôû ñaàu vaøo TBPU phaûi ñöôïc giöõ nghieâm ngaët laø 5:1. Ñieàu
naøy coù theå thöïc hieän baèng caùch xaây döïng moät doøng khí hoaøn löu lôùn. Do
caùc lyù do veà hoäi tuï, ta choïn bieán soá coù theå thao taùc ñöôïc laø tæ leä phaân chia
cuûa doøng purge. Coù hai khaû naêng: tìm moät tæ leä phaân chia thích hôïp nhôø
coâng cuï case studies, hoaëc ñöa vaøo moät thieát bò ñieàu khieån töôøng minh.
Hình 5 minh hoïa veà khaû naêng sau. Ñaàu tieân, ta choïn (caùc) bieán soá coù theå
ño ñöôïc (maãu), xaùc ñònh bieán soá ñieàu khieån, vaø thieát laäp ñieåm caøi ñaët.
Cuõng coù khaû naêng bieåu dieãn moät bieán
soá ñieàu khieån baèng moät haøm
toaùn hoïc cuûa moät vaøi bieán soá
maãu. Tieáp theo bieán soá thao taùc
ñöôïc choïn, vaø caùc caän bieán
thieân vaø dung sai ñöôïc thieát laäp.
Coù theå thaáy raèng moâ taû treân ñaây
moâ phoûng daùng ñieäu traïng thaùi
oån ñònh cuûa moät boä ñieàu khieån
hoài tieáp SISO (single input single
output). Ñeå yù raèng vieäc söû duïng
boä ñieàu khieån seõ laøm phöùc taïp
tieán trình tính toaùn, vaø coù theå gaây
ra caùc vaán ñeà veà hoäi tuï.
B. Phaân tích baøi toaùn
6. Chuyeån ñoåi caùc thieát bò thöïc sang caùc thieát bò moâ phoûng
Moät soá thieát bò thöïc teá coù theå coù söï töông öùng tröïc tieáp vôùi caùc “khoái” söû duïng trong tính toaùn
flowsheeting, nhö caùc thieát bò phaân taùch caân baèng pha , thaùp chöng caát, TBTÑN, v.v… Tuy
nhieân, coù theå khoù tìm thaáy söï töông ñöông naøy ñoái vôùi nhieàu thieát bò khaùc. Tröôøng hôïp ñieån
hình laø caùc TBPU hoùa hoïc trong coâng nghieäp vaø moät soá caùc thieát bò phaân taùch. Trong moät vaøi
tröôøng hôïp, moät moâ hình ñôn giaûn coù theå thoûa maõn ñoái vôùi moät thieát bò hoaøn toaøn phöùc taïp
treân quan ñieåm cô khí. Theo ñoù, vieäc moâ hình hoùa caùc thieát bò thöïc teá coù theå tieán haønh theo
moät trong caùc khaû naêng sau:
- Phaân chia thaønh caùc khoái moâ phoûng cô baûn. Thí duï: moät thaùp chöng caát ñaúng phí coù theå
phaân chia thaønh thaùp stripping coù noài ñun, TBTÑN, thieát bò phaân taùch ba pha vaø thieát bò phaân
doøng splitter hoài löu.
- Hôïp khoái caùc thieát bò. Thí duï: moät TBTÑN vaø moät boàn chöùa phaân taùch caân baèng pha coù theå
keát hôïp thaønh moät khoái phaân taùch caân baèng pha duy nhaát.
- Caùc thieát bò hoäp ñen. Thí duï: caùc thieát bò maøng, saáy, phaân taùch ñaëc bieät v.v…
- Caùc thieát bò Add-on cuûa ngöôøi söû duïng. Khaû naêng naøy lieân quan ñeán söï hieän dieän cuûa moâi
tröôøng laäp trình, keå caû vieäc truy caäp ñeán caùc tính chaát vaät lyù vaø caùc chöông trình con khaùc
nhau.
Laáy thí duï, buoàng ñoát, maø trong thöïc teá laø moät haïng muïc phöùc taïp, coù theå moâ hình nhö laø moät
thieát bò ñun noùng (Heater) ñôn giaûn. TBTÑN ngöôïc doøng (cross) coù theå ñöôïc moâ taû hoaëc laø
baèng moät TBTÑN hai doøng, hoaëc laø moät thieát bò ñun noùng vaø moät thieát bò laøm nguoäi töông taùc
vôùi moät nhieät taûi chung. Thieát bò sinh hôi (Steam Generator), thieát bò laøm nguoäi (Cooler) vaø thieát
bò phaân taùch caân baèng pha (Flash) coù theå goäp laïi thaønh moät thieát bò phaân taùch caân baèng pha
duy nhaát coù taûi nhieät. Tuy nhieân, ñeå coù moät sô ñoà roõ raøng, nhö trình baøy trong Hình 3, ta chæ
neân hôïp khoái hai TBTÑN thaønh moät thieát bò laøm nguoäi duy nhaát, vaø xem xeùt moät thieát bò phaân
taùch caân baèng pha ñoaïn nhieät rieâng bieät ñoái vôùi boàn phaân taùch. Cuoái cuøng, TBPU hoùa hoïc coù
theå moâ phoûng baèng moät TBPU daïng oáng ñoäng hoïc (kinetic PFR) cuøng vôùi moät TBPU tæ löôïng.
12
7. Phaân tích baäc töï do
Thoâng soá pha cuûa caùc thieát bò moâ phoûng laø yeáu toá laøm cho vieäc phaân tích caùc baäc töï
do laø caàn thieát. Ñaây laø soá caùc bieán soá caàn phaûi thieát laäp ñeå giaûi heä phöông trình moâ
taû moâ hình. Nhö vaäy, ít nhaát ngöôøi söû duïng neân coù moät yù nieäm veà daïng cuûa caùc
phöông trình vaø thuaät toaùn lieân keát vôùi caùc thieát bò moâ hình hoùa khaùc nhau. Ñoâi khi,
ngöôøi söû duïng phaûi ra quyeát ñònh choïn löïa giöõa caùc moâ hình thay theá nhau, vôùi caùc
thoâng soá vaø tính chaát hoäi tuï hoaøn toaøn khaùc nhau.
Trong quaù trình HDA ôû ñaây, ta coù theå gaëp phaûi moät soá vaán ñeà trong vieäc moâ phoûng
chi tieát caùc thaùp chöng caát, bôûi vì chuùng lieân quan ñeán caùc voøng hoaøn löu. Vieäc aùp
ñaët caùc giaù trò chính xaùc ñoái vôùi doøng saûn phaåm coù theå daãn ñeán vieäc tính toaùn thaát
baïi, bôûi vì coù söï khoâng töông thích veà caân baèng vaät chaát. Thoâng soá veà thu hoài caáu
töû, nhö tæ leä giöõa löu löôïng caáu töû trong doøng saûn phaåm vaø doøng nhaäp lieäu, luoân luoân
cho ta söï hoäi tuï.
8. Caùc vaán ñeà veà nhieät ñoäng hoïc
Vieäc choïn löïa caùc moâ hình nhieät ñoäng phuø hôïp coù theå laø khía caïnh quan troïng nhaát
cuûa coâng vieäc moâ phoûng. Ñoâi khi coâng taùc sô boä laø caàn thieát ñeå öôùc ñoaùn caùc tính
chaát vaät lyù ñoái vôùi caùc caáu töû khoâng coù trong thö vieän, hay ñeå nhaän dieän caùc thoâng
soá cuûa caùc moâ hình nhieät ñoäng töø caùc döõ lieäu thöïc nghieäm. Moät moâ hình nhieät ñoäng
coù theå aùp duïng cho toaøn boä flowsheet, hay chæ cho moät soá thieát bò. Caùc phöông aùn
nhieät ñoäng cuï theå ôû möùc ñoä thieát bò seõ laøm taêng ñoä tin caäy cuûa keát quaû. Ñoái vôùi quaù
trình HDA ta coù caùc khaû naêng sau:
- Moâ hình phöông trình traïng thaùi, thí duï Peng-Robinson, cho toaøn theå flowsheet.
- Moâ hình phöông trình traïng thaùi chæ cho phaàn aùp suaát cao (nhaùnh khí), vaø moâ hình
rieâng bieät ñoái vôùi caùc hydrocarbon thôm, nhö BK-10, ñoái vôùi caùc phaàn phaân taùch aùp
suaát thaáp.
13
B. Phaân tích baøi toaùn
9. Tieán trình tính toaùn
Flowsheet phaûi ñöôïc phaân chia thaønh caùc tieán trình tính toaùn neáu coù caùc
nhaùnh hoaøn löu vaø/hay caùc thoâng soá thieát keá. Caùc doøng caàn thieát phaûi khôûi
phaùt ñöôïc goïi laø caùc doøng ngaét rôøi (tear streams).
Caùc phaàn meàm hieän ñaïi coù theå thöïc hieän caùc phaân tích veà hình daùng
(topological) ñeå xaùc ñònh tieán trình tính toaùn vaø caùc doøng ngaét rôøi töông
öùng. Hình 6 trình baøy Sô ñoà moâ phoûng quaù trình (PSD) hoaøn chænh cuûa quaù
trình HDA. Boû qua nhaùnh ñöôïc taïo bôûi thieát bò ñieàu khieån flowsheet, coù theå
nhaän dieän ba nhaùnh hoaøn löu laø: nhaùnh sinh nhieät chung quanh phaûn öùng,
nhaùnh hoaøn löu hydrogen vaø nhaùnh hoaøn löu toluene. Hai nhaùnh sau coù
moät phaàn chung töø thieát bò troän ñeán thieát bò phaân taùch pha. Keát quaû laø, hai
nhaùnh naøy coù theå ñöôïc giaûi chæ vôùi moät doøng ngaét rôøi. Nhö vaäy, ta coù ba
nhaùnh nhöng chæ coù hai doøng ngaét rôøi, thí duï caùc doøng ñaàu ra töø thieát bò
troän vaø TBPU. Tuy nhieân, coøn coù theå ñôn giaûn hoaù hôn nöõa. Ta coù theå ngaét
nhaùnh chung quanh TBTÑN FEHE baèng caùch phaân thieát bò naøy thaønh hai
TBTÑN moät doøng keát noái vôùi moät taûi nhieät chung. Baây giôø ta chæ coù moät
doøng ngaét rôøi ñoái vôùi toaøn theå flowsheet! Ñoù coù theå laø ñaàu ra cuûa thieát bò
troän, maø söï khôûi phaùt cuûa noù khoâng khoù khaên, hay laø ñaàu vaøo cuûa thieát bò
phaân taùch pha. Thí duï treân ñaây minh hoaï cho kyõ thuaät chuyeån taûi thoâng tin,
raát höõu ích trong vieäc ñôn giaûn hoaù tieán trình tính toaùn.
14
B. Phaân tích baøi toaùn
Hình 6: Sô ñoà moâ phoûng quaù trình (PSD) ñoái vôùi quaù trình HDA.
15
C. Qui trình moâ phoûng
Moät khi ñaõ coù sô ñoà PSD, coù theå tuaân theo caùch tieáp caän sau
ñaây ñeå chaïy moät moâ phoûng:
1. Veõ sô ñoà flowsheet.
2. Nhaäp caùc caáu töû.
3. Choïn löïa caùc phöông aùn nhieät ñoäng.
4. Phaân tích caùc doøng hoaøn löu vaø nhaän dieän caùc doøng ngaét rôøi.
5. Cung caáp caùc döõ lieäu ñoái vôùi ñaàu vaøo vaø caùc doøng ngaét rôøi.
6. Cung caáp caùc thoâng soá ñoái vôùi caùc ñôn vò moâ phoûng (caùc khoái)
7. Chaïy vaø hoäi tuï moâ phoûng.
8. Phaân tích keát quaû.
Giao dieän GUI seõ giuùp ñôõ vieäc veõ sô ñoà PSD, nhaäp caùc thoâng
soá ñoái vôùi caùc thieát bò, chaïy moâ phoûng vaø phaân tích keát quaû.
Coù söï trôï giuùp tröïc tuyeán vaø taøi lieäu höôùng daãn. Tuy nhieân,
ngöôøi söû duïng neân tham gia khoùa huaán luyeän chuyeân nghieäp
vaø laøm quen vôùi caùc ñaëc ñieåm tieân tieán cuûa tính toaùn
flowsheeting tröôùc khi thöû caùc baøi toaùn phöùc taïp hôn. Ñieàu naøy
seõ khoâng chæ traùnh ñöôïc thaát baïi maø coøn traùnh söû duïng khoâng
hieäu quaû phaàn meàm. Coù caùc nhaän xeùt ngaén goïn veà caùc böôùc
16
cuûa qui trình ñeà caäp treân ñaây nhö sau:
C. Qui trình moâ phoûng
1. Vieäc veõ flowsheet bao goàm vieäc (i) xaùc ñònh caùc doøng ñaàu vaøo vaø ñaàu ra,
(ii) choïn löïa caùc thieát bò töø thö vieän phaàn meàm vaø (iii) ñaët taát caû caùc thoâng
tin naøy theo moät traät töï chính xaùc treân maøn hình. Vieäc noái caùc thieát bò baèng
caùc doøng (vaät chaát, naêng löôïng hay thoâng tin) taïo ra moät hình aûnh ñoà hoïa
cuûa baøi toaùn. Laøm vieäc vôùi moät sô ñoà PSD laø moät coâng taùc naëng neà. Moät soá
phaàn meàm cho pheùp phaân chia thaønh caùc sub-flowsheet maø chuùng coù theå
hoäi tuï rieâng reõ vaø sau cuøng nhaäp laïi vaøo moät moâ hình lôùn.
2. Vieäc ñònh nghóa caáu töû seõ goïi ñeán cô sôû döõ lieäu veà tính caùc tính chaát vaät
lyù. Coù theå xaûy ra ba tröôøng hôïp: caáu töû coù saün, caáu töû ñöôïc moâ taû nhö laø
moät phaàn cuûa daàu (petroleum fraction) hay baèng caùc phöông phaùp ñaëc
tröng, hay caáu töû ñöôïc ngöôøi söû duïng ñònh nghóa.
3. Söï choïn löïa caùc phöông aùn nhieät ñoäng coù theå ñöôïc höôùng daãn bôûi moät
“heä chuyeân gia”. Tuy nhieân, kieán thöùc veà caùc ñaëc ñieåm cô baûn cuûa caùc
phöông phaùp nhieät ñoäng laø caàn thieát.
4. Vieäc phaân tích tieán trình tính toaùn ñöôïc ñeà xuaát, ngay caû khi ñieàu naøy ñaõ
ñöôïc thöïc hieän moät caùch töï ñoäng. Vieäc choïn löïa caùc doøng ngaét rôøi tröôùc
caùc thieát bò chính seõ traùnh ñöôïc vieäc thaát baïi nghieâm troïng vaø laøm taêng toác
17
ñoä hoäi tuï cuûa flowsheet.
C. Qui trình moâ phoûng
5. Bình thöôøng, vieäc khôûi phaùt chính xaùc caùc doøng ngaét rôøi laø
khoâng caàn thieát, nhöng ñieàu naøy seõ mang laïi cô hoäi hoäi tuï toát
hôn. Ñoä nhaïy cao ñoái vôùi vieäc khôûi phaùt doøng ngaét rôøi coù theå
aån chöùa caùc vaán ñeà veà moâ hình hoùa, caùc vaán ñeà veà thieát keá
hoaëc caùc thoâng soá khoâng phuø hôïp.
6. Moät soá phaàn meàm tieán haønh vieäc phaân tích caùc baäc töï do vaø
cho pheùp choïn löïa caùc thoâng soá treân moät menu. Ñeå yù raèng
cheá ñoä thoâng soá cuûa caùc thieát bò rieâng reõ phaûi töông thích vôùi
söï hoäi tuï toång theå cuûa flowsheet.
7. Theo doõi lòch söû hoäi tuï thì quan troïng ôû caû hai möùc ñoä thieát
bò vaø sô ñoà. Vieäc moâ phoûng moät sô ñoà phöùc taïp thöôøng laø khoù
khaên vaø ñoøi hoûi moät kieán thöùc saâu saéc veà kyõ thuaät tính toaùn
flowsheeting.
8. Keát quaû chuû yeáu trong tính toaùn flowsheeting laø caùc baùo caùo
veà doøng. Vieäc theo doõi söï hoaït ñoäng cuûa caùc thieát bò rieâng reõ
laø caàn thieát, ñaëc bieät laø thaønh phaàn cuûa caùc hoãn hôïp phaûn öùng
18
vaø baûn moâ taû caùc bieán soá noäi trong caùc thieát bò phaân taùch.
C. Qui trình moâ phoûng
Moät ñaëc ñieåm cao caáp hôn trong tính toaùn flowsheeting laø söû
duïng caùc coâng cuï phaân tích ñoái vôùi thieát keá vaø vaän haønh. Thí
duï, baûn phaân tích ñoä nhaïy sensitivity analysis coù theå naém baét
caùc moái töông quan giöõa caùc bieán soá khaùc nhau trong baøi toaùn
moâ phoûng. Moät nghieân cöùu coâng phu hôn coù theå lieân quan ñeán
case studies. Khaû naêng cuûa moâ phoûng ñeå hình dung caùc thöïc
nghieäm aûo laø moät moái lôïi ích thöïc söï maø ngöôøi söû duïng neân
bieát ñeå söû duïng hieäu quaû.
Thí duï veà quaù trình HDA chöùng toû raèng vieäc phaân tích kyõ löôõng
baøi toaùn moâ phoûng laø caàn thieát tröôùc khi lao vaøo maùy tính. Hôn
nöõa, vieäc chaïy moâ phoûng vaø hoäi tuï cuõng vaãn chöa ñuû. Keát quaû
tin caäy ñoøi hoûi phaûi coù söï xaùc nhaän moät caùch heä thoáng, cuõng
nhö coù kieán thöùc veà cô sôû cuûa moâ hình hoùa.
19
II. Caùc thieát bò
Moät sô ñoà PSD coù theå ñöôïc xaây döïng nhôø caùc khoái thieát bò hay khoái moâ
phoûng. Danh muïc döôùi ñaây lieät keâ caùc daïng thöôøng gaëp nhaát, coù saün trong
caùc phaàn meàm moâ phoûng ña muïc ñích:
1. Thieát bò troän Mixer, Thieát bò phaân doøng Splitter vaø thieát bò phaân taùch Separators (hoäp ñen).
2. Thieát bò phaân taùch caân baèng pha Flash.
3. Thieát bò trao ñoåi nhieät Heat exchangers.
4. Chöng caát cô baûn Shortcut distillation.
5. Phaân taùch nhieàu baäc Multistage separations.
6. Trích ly loûng-loûng Liquid-Liquid extraction.
7. Thieát bò phaûn öùng hoùa hoïc Chemical reactors.
8. Thay ñoåi aùp suaát: bôm, maùy neùn, van.
9. Ñöôøng oáng vaø caùc thieát bò giaûm aùp.
10. Caùc thieát bò phaân taùch ñaëc bieät: thieát bò maøng membrane unit, thieát bò coâ ñaëc crystalliser,
thieát bò saáy dryer, v.v…
11. Thieát bò ñieàu khieån Controllers.
12. Caùc thieát bò do ngöôøi söû duïng theâm vaøo User added units.
Döôùi ñaây laø baûn moâ taû caùc khaû naêng chung trong caùc phaàn meàm thöông
maïi veà tính toaùn flowsheeting. Caùc thoâng tin chi tieát hôn coù theå tìm thaáy
trong soå tay ngöôøi söû duïng cuûa caùc phaàn meàm moâ phoûng khaùc nhau. Laäp
trình cho ngöôøi söû duïng laø moät phöông phaùp hieäu quaû ñeå xöû lyù caùc haïn cheá
lieân quan ñeán vaán ñeà moâ phoûng cuûa moät soá thieát bò coâng nghieäp.
20
Tải về để xem bản đầy đủ
42 trang
23740
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Computer-aided chemical engineering - Chương 2: Cơ sở tính toán cho quá trình ổn định (Steady state)", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_computer_aided_chemical_engineering_chuong_2_co_so.ppt
