Giáo trình Mô phỏng công nghệ hoá học - Nguyễn Thị Minh Hiền

244 trang cucquyet12 7230

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Mô phỏng công nghệ hoá học - Nguyễn Thị Minh Hiền", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_mo_phong_cong_nghe_hoa_hoc_nguyen_thi_minh_hien.pdf

Nội dung text: Giáo trình Mô phỏng công nghệ hoá học - Nguyễn Thị Minh Hiền

NGUYỄN THỊ MINH HIỀN MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC Nhóm Mô phỏng Công nghệ Hóa học và Dầu khí Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
` LỜI GIỚI THIỆU Trong lĩnh vực công nghệ hoá học hiện nay có rất nhiều phần mềm mô phỏng của các công ty phần mềm được phát triển và sử dụng rộng rãi trong thiết kế công nghệ, như: PRO/II, DYNSIM (Simsci); HYSIM, HYSYS, HTFS, STX/ACX, BDK (AspenTech); UNISIM (Honeywell-UOP); PROSIM, TSWEET (Bryan Research & Engineering); Design II (Winsim); IDEAS Simulation; Simulator 42, , trong đó phổ biến nhất là PRO/II, DYNSIM (Simsci), HYSYS (AspenTech) và UNISIM (Honeywell-UOP). Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ hoá học trong thế kỷ 21, đòi hỏi mỗi kỹ sư công nghệ cần phải hiểu và sử dụng thành thạo ít nhất một trong số các phần mềm mô phỏng phổ biến trên. Các phần mềm mô phỏng đều có cơ sở nhiệt động học rất vững chắc và đầy đủ, khả năng thiết kế linh hoạt, cùng với mức độ chính xác và tính thiết thực của các hệ nhiệt động cho phép thực hiện các mô hình tính toán rất gần với thực tế công nghệ. Các công cụ mô phỏng công nghệ rất mạnh phục vụ cho nghiên cứu tính toán thiết kế công nghệ của các kỹ sư trên cơ sở hiểu biết về các quá trình công nghệ hoá học, đáp ứng các yêu cầu công nghệ nền tảng cơ bản cho mô hình hoá và mô phỏng các quá trình công nghệ từ khai thác tới chế biến trong các nhà máy xử lý khí và nhà máy làm lạnh sâu, cho đến các quá trình công nghệ lọc hoá dầu và công nghệ hoá học. Ở mức độ cơ bản, việc hiểu biết và lựa chọn đúng các công cụ mô phỏng và các cấu tử cần thiết, cho phép mô hình hoá và mô phỏng các quá trình công nghệ một cách phù hợp và tin cậy. Điều quan trọng nhất là phải hiểu biết sâu sắc quá trình công nghệ trước khi bắt đầu thực hiện mô phỏng, bởi vì mô phỏng chỉ cung cấp các công cụ phục vụ cho mô phỏng tính toán công nghệ, mà không thể suy nghĩ thay cho các kỹ sư. Trong số đó UNISIM và HYSYS là các phần mềm mô phỏng công nghệ hóa học đang được sử dụng rộng rãi trong các trường đại học công nghệ. Quyển sách này sẽ giới thiệu cho sinh viên lần đầu tiên sử dụng UNISIM và có ít hoặc chưa có kinh nghiệm mô phỏng trên máy tính, và cũng là giáo trình dành cho sinh viên năm thứ ba của các trường đại học công nghệ, đồng thời quyển sách có thể sử dụng như một chỉ dẫn cho các khóa học cao hơn trong công nghệ hóa
học, khi đó UNISIM như một công cụ mô phỏng để giải quyết các vấn đề công nghệ. Hơn nữa có thể sử dụng quyển sách này đồng thời cho cả sinh viên và kỹ sư thực hành, như một tài liệu hướng dẫn hay một quyển sổ tay cho các khóa học UNISIM. Phần mềm UNISIM chạy trong môi trường Windows có giao diện thân thiện với người sử dụng. UNISIM cũng giống như tất cả các phần mềm khác luôn luôn có sự phát triển phiên bản mới, tuy nhiên phần cơ bản hầu như không thay đổi từ phiên bản này đến phiên bản khác, quyển sách này hướng dẫn sử dụng UNISIM DESIGN, được công ty Honeywell-UOP cung cấp có bản quyền tại phòng thí nghiệm Công nghệ Lọc Hoá dầu và Vật liệu xúc tác trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Sau khi cài đặt người sử dụng chỉ cần có hiểu biết cơ bản về máy tính là có thể sử dụng được. UNISIM là chương trình mô phỏng rất phức tạp và vì thế trong một cuốn sách không thể đề cập đến tất cả các vấn đề. Quyển sách này đặt trọng tâm vào phần cơ bản của UNISIM, nhằm giúp cho những sinh viên lần đầu tiên làm quen với mô phỏng có thể nắm bắt được và dần dần sử dụng thành thạo trong tính toán thiết kế công nghệ. Trong phạm vi quyển sách này sẽ nghiên cứu tìm hiểu các thiết bị được mô phỏng trong UNISIM, sử dụng các công cụ của UNISIM để mô phỏng một số quá trình công nghệ hoá học đơn giản, nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng sản phẩm. Chương 7 sẽ đưa ra các ứng dụng mô phỏng trong đó vận dụng các kiến thức đã được cung cấp trong các chương trước đó để mô phỏng một số quá trình công nghệ hoá học từ đơn giản đến phức tạp. Vì vậy đòi hỏi người sử dụng phải học nghiêm túc và thực hành thành thạo toàn bộ các chương trước thì mới có thể làm được các bài ứng dụng trong chương này, và khi đó sẽ thấy hết sức thú vị và hiệu quả. Đặc biệt năm 2012 các sinh viên K52 ngành Công nghệ Hoá Dầu đã tham gia cuộc thi “Sử dụng phần mềm UNISIM Design thiết kế mô phỏng công nghệ” do Honeywell tổ chức hàng năm cho sinh viên Châu Á - Thái Bình Dương, đã đạt giải nhất và một giải nhì. Các sinh viên năm cuối chuyên ngành Công nghệ Hữu cơ Hoá Dầu, trường Đại học Bách khoa Hà Nội - các trợ giảng - tham gia rất nhiệt tình, làm việc rất nghiêm túc và có hiệu quả đã góp phần rất quan trọng để tài liệu này có thể hoàn thành. Giáo trình này được biên soạn lần đầu nên không tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý của những người sử dụng để sửa chữa bổ sung cho những lần tái bản sau được tốt hơn. Xin chân thành cảm ơn. Tác giả
MỤC LỤC Chương 1. GIỚI THIỆU VỀ MÔ PHỎNG 3 1.1 Mục đích của mô phỏng 3 1.2 Giới thiệu các phần mềm mô phỏng công nghệ hóa học 5 1.3 Phần mềm mô phỏng UNISIM DESIGN 6 Chương 2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI 27 2.1 Phương trình trạng thái – Các biểu thức toán học 28 2.2 Thực hiện mô phỏng 28 2.3 Nhập thêm biến trong Workbook 31 2.4 Sử dụng Case Studies 34 2.5 Thay đổi Fluid Package 37 2.6 Tóm tắt và ôn tập chương 2 37 2.7 Bài tập 38 Chương 3. CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ 39 3.1 Bơm 40 3.2 Máy nén 45 3.3 Tuốc bin giãn nở khí (Expander) 51 3.4 Thiết bị trao đổi nhiệt 55 3.5 Tháp tách pha 58 3.6 Cyclon 64 3.7 Ejector 68 3.8 Tóm tắt và ôn tập chương 3 85 3.9 Bài tập nâng cao 86 Chương 4. CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 87 4.1 Thiết bị phản ứng chuyển hoá 88 4.2 Thiết bị phản ứng cân bằng 96 4.3 Thiết bị phản ứng Gibbs 106 4.4 Thiết bị phản ứng khuấy liên tục (CSTR) 112 4.5 Thiết bị phản ứng dòng đẩy (PFR) 127 1
Chương 5. CÁC CÔNG CỤ TÍNH TOÁN 136 5.1 Công cụ logic Adjust 137 5.2 Công cụ logic Set 140 5.3 Công cụ logic Recycle 144 5.4 Tính toán thông số tháp chưng bằng Shortcut Distillation 147 5.5 Phân chia dòng các cấu tử bằng Component Splitter 150 5.6 Bảng tính (Spreadsheet) 153 5.7 Tối ưu hoá (Optimizer) 161 5.8 Tóm tắt và ôn tập chương 5 184 Chương 6. CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÁCH 186 6.1 Tháp hấp thụ 187 6.2 Tháp chưng luyện 196 Chương 7. MÔ PHỎNG MỘT SỐ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC 215 7.1 Quá trình dehydro hoá n-Heptan sản xuất Toluen 216 7.2 Quá trình hydroclo hoá etylen 218 7.3 Quá trình oxi hoá Etylen 221 7.4 Quá trình chưng tách hỗn hợp hydrocacbon nhẹ 223 7.5 Quá trình tổng hợp Ethylene Glycol (EG) từ Ethylene 224 7.6 Quá trình tổng hợp Maleic Anhydride (MA) từ Benzene 225 7.7 Quá trình tổng hợp Styrene từ Ethyl Benzene (EB) 227 7.8 Quá trình tổng hợp Amoniac 228 7.9 Quá trình cô đặc dung dịch 229 PFD Chương 7 231 GIẢI NGHĨA MỘT SỐ CỤM TỪ TIẾNG ANH TRONG MÔ PHỎNG 236 TÀI LIỆU THAM KHẢO 238 2
Chương 1. GIỚI THIỆU VỀ MÔ PHỎNG 1.1 Mục đích của mô phỏng Mô phỏng – Simulation là phương pháp mô hình hoá dựa trên việc thiết lập mô hình số, vì vậy còn được gọi là Digital Simulation. Đây là một công cụ rất mạnh để giải các biểu thức toán học mô tả các quá trình công nghệ hoá học. Để mô phỏng một quá trình trong thực tế đòi hỏi trước hết phải thiết lập mô hình nguyên lý của quá trình và mối liên hệ giữa các thông số liên quan. Tiếp đó là sử dụng các công cụ toán học để mô tả mô hình nguyên lý, lựa chọn các thuật toán cần thiết. Cuối cùng là tiến hành xử lý các biểu thức với các điều kiện ràng buộc. Trong thực tế việc tính toán gặp hai khó khăn. Thứ nhất đó là giải hệ các phương trình đại số phi tuyến (thường phải sử dụng phương pháp tính lặp). Thứ hai là phép tính tích phân của các biểu thức vi phân (sử dụng các biểu thức vi phân hữu hạn rời rạc để xấp xỉ các biểu thức vi phân liên tục). Các mô hình toán học rất hữu ích trong tất cả các giai đoạn, từ nghiên cứu triển khai đến cải tiến phát triển nhà máy, và ngay cả trong nghiên cứu các khía cạnh thương mại và kinh tế của quá trình công nghệ. Trong nghiên cứu công nghệ, dựa trên các số liệu nghiên cứu về cơ chế và động học của phản ứng trong phòng thí nghiệm hoặc các phân xưởng pilot, đánh giá ảnh hưởng của các điều kiện tiến hành quá trình để nghiên cứu tối ưu hoá và điều khiển quá trình, bao gồm cả nghiên cứu tính toán mở rộng quy mô sản xuất (scale-up). Trong nghiên cứu thiết kế, tính toán kích thước và các thông số của thiết bị và toàn bộ dây chuyền công nghệ, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố động học, nghiên cứu tương tác ảnh hưởng lẫn nhau của các công đoạn trong công nghệ khi có sự tuần hoàn nguyên liệu hoặc trao đổi nhiệt tận dụng tối ưu nhiệt của quá trình. Mô phỏng tính toán điều khiển quá trình, khởi động, dừng nhà máy, xử lý các sự cố và các tính huống xảy ra trong quá trình vận hành nhà máy. Một quá trình công nghệ hoá học trong thực tế là một tập hợp gồm rất nhiều yếu tố hết sức phức tạp có ảnh hưởng lẫn nhau (các thông số công nghệ như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng dòng, thành phần hỗn hợp phản ứng, xúc tác, các quá trình phản ứng song song và nối tiếp, hiệu ứng nhiệt của phản ứng, cân bằng pha trong hệ thống, ). Độ phức tạp của quá trình tăng lên, đồng nghĩa với số lượng các thông số liên quan, các biến số, các phương trình, các biểu thức toán học, các điều kiện ràng buộc tăng lên. Giải quyết đồng thời các vấn đề trên đòi hỏi một khối lượng tính toán cực kỳ lớn, việc tính toán bằng tay đòi hỏi rất nhiều thời gian và hầu như là không thể thực hiện được một cách chính xác và tin cậy. 3
Ngày nay với sự phát triển của công nghệ phần mềm tin học, sự ra đời của các phần mềm mô phỏng, việc nghiên cứu tính toán thiết kế công nghệ bằng phương pháp mô phỏng đang ngày càng phát triển, đã trở nên phổ biến và chiếm ưu thế. Mô phỏng công nghệ bằng các phần mềm mô phỏng với sự trợ giúp của máy vi tính là giải pháp hiệu quả, toàn diện và cho kết quả tin cậy. Trong ngành công nghệ hoá học, mô phỏng đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc nghiên cứu thiết kế công nghệ, phân tích, vận hành và tối ưu hoá hệ thống, điều khiển các quá trình công nghệ gần với các quá trình trong thực tế, và cả trong các nghiên cứu tính toán tối ưu hoá về mặt kinh tế của quá trình công nghệ. Chương trình mô phỏng nói chung bao gồm các thành phần sau:  Thư viện cơ sở dữ liệu (các hệ nhiệt động, các cấu tử bao gồm các tính chất vật lý và hoá lý của chúng, ) và các thuật toán liên quan đến việc truy cập và tính toán các tính chất hoá lý của các cấu tử và hỗn hợp cấu tử, thiết lập các cấu tử giả. Có thể bổ sung các cấu tử, hoặc thay đổi các hệ đơn vị trong chương trình đáp ứng yêu cầu của người sử dụng.  Các công cụ mô phỏng cho các thiết bị có thể có trong hệ thống công nghệ hoá học như: bơm, máy nén, tuốcbin giãn nở khí, thiết bị trao đổi nhiệt, tháp tách hai pha và ba pha, chưng cất, hấp thụ, trộn dòng, chia dòng Phần này có chứa các mô hình toán và thuật toán phục vụ cho quá trình tính toán các thông số của thiết bị và các thông số công nghệ của quá trình công nghệ được mô phỏng.  Các công cụ logic phục vụ cho việc tính toán tuần hoàn nguyên liệu, thiết lập các thông số công nghệ, điều chỉnh các thông số theo yêu cầu công nghệ, tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng, tính toán cân bằng pha,  Các công cụ mô phỏng các quá trình điều khiển (điều khiển nhiệt độ, điều khiển áp suất, điều khiển lưu lượng dòng, điều khiển mức chất lỏng ) trong quá trình vận hành quy trình công nghệ hoá học.  Chương trình điều hành chung toàn bộ hoạt động của các công cụ mô phỏng và ngân hàng dữ liệu.  Chương trình xử lý thông tin: lưu trữ, xuất, nhập, in dữ liệu và kết quả tính toán được từ quá trình mô phỏng.  Hỗ trợ việc kết nối giữa các chương trình mô phỏng khác nhau, kết nối với các module xây dựng các thiết bị đặc biệt do người sử dụng tạo ra bằng các ngôn ngữ lập trình như Visual Basic, Visual C++, 4
1.2 Giới thiệu các phần mềm mô phỏng công nghệ hóa học Mô phỏng các quá trình công nghệ hóa học và công nghệ chế biến dầu khí, công nghệ tổng hợp hữu cơ hóa dầu có thể được thực hiện bằng nhiều phần mềm mô phỏng khác nhau. Trong đó phổ biến nhất là PRO/II, DYNSIM (Simsci-Esscor), ASPEN HYSYS, ASPEN PLUS (AspenTech) và UNISIM DESIGN (Honeywell-UOP). Năm 1966 công ty phần mềm Simulation Science có trụ sở tại Los Angeles (Mỹ) đã đưa ra phần mềm mô phỏng tháp chưng luyện đầu tiên, mang tên PROCESS là tiền thân của phần mềm PROII sau này. Ngày nay công ty đã phát triển mạnh mẽ, Invensys Systems’ SimSci-Esscor division (gọi tắt là SimSci), đã trở thành một trong ba công ty cung cấp phần mềm mô phỏng công nghệ mạnh nhất trên thế giới, với các phần mềm mô phỏng công nghệ rất phổ biến là PROII và DYNSYM. Năm 1969 công ty ChemShare có trụ sở chính tại Houston (Mỹ) đã đưa ra phần mềm DESIGN, được tiếp tục phát triển thành DESIGN II và WINSIM, ứng dụng trong lĩnh vực dầu khí. Sự phát triển của các ngành công nghiệp lọc dầu và hoá dầu đã thức đẩy sự ra đời của các gói phần mềm mô phỏng công nghệ mới. Trong những năm 1970-80 được coi là thời kỳ hoàng kim của máy tính, ngôn ngữ lập trình FORTRAN trở thành phổ biến, nhiều phần mềm mô phỏng công nghệ đã ra đời trong giai đoạn này. Năm 1976 Vụ Năng lượng của Mỹ (US Dept. of Energy) và trường Đại học MIT danh tiếng đã cùng tham gia “Dự án Hệ thống nâng cấp các quá trình công nghệ” (Advanced System for Process Engineering (ASPEN) Project), sau này được đổi tên thành ASPEN PLUS (ASPEN Tech). Cũng trong năm 1976 công ty Hyprotech được thành lập, có trụ sở chính tại Calgary, Canada, là công ty con của tập đoàn AEA Technology. Hyprotech là công ty chuyên phát triển và cung cấp các phần mềm mô phỏng và tối ưu hóa ứng dụng trong các ngành công nghiệp hoá chất, dược phẩm và dầu khí. Hyprotech đã cung cấp các sản phẩm của mình cho 14 trong số 15 công ty dầu khí lớn nhất thế giới, 13 trong số 14 công ty hóa chất hàng đầu, 8 trong số 10 công ty dược phẩm hàng đầu, tất cả các công ty xử lý không khí hàng đầu thế giới. Trong năm tài chính 2002, Hyprotech có doanh thu khoảng $ 68.500.000. Năm 1981, công ty AspenPlus được thành lập trên cơ sở dự án ASPEN, có trụ sở tại Cambridge, Massachusetts (Mỹ) là một công ty chuyên cung cấp phần mềm và các dịch vụ liên quan như tư vấn, bảo trì và đào tạo. Tháng 10 năm 2002, AspenPlus hoàn thành giao dịch mua lại công ty Hyprotech từ AEA, và 5
từ đó đổi tên thành AspenTech. AspenTech phát triển một loạt các sản phẩm phần mềm, bao gồm cả phần mềm mô phỏng công nghệ cung cấp bản quyền cho 46 trong tổng số 50 công ty hóa chất lớn nhất thế giới, 23 trong số 25 công ty dầu khí lớn nhất, 18 trong số 20 công ty dược phẩm lớn nhất thế giới. Trong năm tài chính 2003, công ty AspenTech có tổng doanh thu $ 323.000.000. Năm 1982 đánh dấu sự ra đời của máy tính cá nhân (PC). Cũng trong năm này công ty ChemStations đã phát triển phần mềm ChemCAD, có ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực hoá học. Tháng 12 năm 2004, công ty Honeywell hoàn thành giao dịch mua lại sản phẩm Hysys bản quyền từ công ty AspenTech bao gồm cả mã nguồn và cơ sở dữ liệu, và phát triển phần mềm của mình với tên gọi là UniSim Design. Phiên bản đầu tiên là UniSim Design R350 được công bố vào tháng 5 năm 2005. Đến năm 2006, Honeywell đã nâng cấp và cho ra đời phiên bản UniSim Design R360, có một số cải tiến liên quan đến các quá trình vận chuyển và xử lý vật liệu dạng rắn. Những phiên bản đầu tiên này có hỗ trợ đọc các case mô phỏng bằng Hysys. Đồng thời có thể ghi lại các case mô phỏng theo định dạng của Hysys 2004.2 trở về trước. Điều đó cho phép có thể thực hiện chuyển đổi giữa hai phần mềm Hysys và Unisim Design. Các tính năng vận chuyển và xử lý vật liệu dạng rắn tiếp tục được nâng cấp trong phiên bản UniSim Design R370 ra đời tháng 3 năm 2007. Honeywell tiếp tục đầu tư vào phần mềm mô phỏng công nghệ UniSim, sử dụng cả hai đội ngũ nhân viên phát triển có kinh nghiệm từ AspenTech và của Honeywell có hiểu biết sâu sắc các quá trình công nghệ. Đến cuối năm 2012 phiên bản UniSim Design R410 đã được nâng cấp thêm nhiều tính năng hỗ trợ cho mô phỏng công nghệ. Với phiên bản này có thể lưu lại case mô phỏng theo định dạng của Unisim hoặc Hysys, thuận tiện cho người sử dụng có thể làm việc tiếp tục bằng phần mềm Unisim hoặc Hysys 1.3 Phần mềm mô phỏng UNISIM DESIGN UNISIM DESIGN là sản phẩm của công ty Honeywell-UOP. UNISIM là phần mềm chuyên dụng để tính toán mô phỏng công nghệ chế biến dầu khí và công nghệ hoá học. UNISIM là phần mềm có khả năng tính toán đa dạng, cho kết quả có độ chính xác cao, đồng thời cung cấp nhiều thuật toán sử dụng, trợ giúp trong quá trình tính toán công nghệ, khảo sát các thông số trong quá trình thiết kế và điều khiển các nhà máy chế biến dầu khí và tổng hợp hoá dầu. Ngoài thư viện có sẵn, UNISIM cho phép người sử dụng tạo các thư viện riêng hoặc cho phép liên kết với các chương trình tính toán hoặc các phần mềm khác như Microsoft Visual Basic, Microsoft Excel, Visio, C++, Java Khả năng 6
nổi bật của UNISIM là tự động tính toán các thông số còn lại nếu thiết lập đủ thông tin do đó sẽ tránh được sai sót và có thể thay đổi các điều kiện cũng như sử dụng các dữ liệu đầu vào khác nhau. UNISIM được thiết kế sử dụng cho hai trạng thái mô phỏng là mô phỏng động và mô phỏng tĩnh. Mô phỏng tĩnh (Steady Mode) được sử dụng để nghiên cứu thiết kế công nghệ cho một quá trình, tối ưu hoá các điều kiện công nghệ. Với mỗi một bộ số liệu ban đầu, mỗi điều kiện công nghệ xác định khi quá trình tính toán hội tụ, kết quả thu được tương ứng với các điều kiện đó, không thay đổi theo thời gian. Khi thay đổi các điều kiện ban đầu hay các chế độ công nghệ khác nhau thì sẽ thu được các kết quả khác nhau tương ứng. Từ đó có thể xác định được các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình và mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố. Bằng việc so sánh các kết quả đó sẽ lựa chọn và thiết lập được điều kiện tối ưu cho một quá trình nào đó. Mô phỏng tĩnh được sử dụng để nghiên cứu thiết kế một quá trình công nghệ mới hoặc tính toán cải tiến, phát triển mở rộng quy mô một quá trình công nghệ sẵn có, đưa ra các phương án khác nhau để so sánh đánh giá nhằm tìm ra giải pháp tối ưu. Mô phỏng động (Dynamic Mode) dùng để mô phỏng thiết bị hay quá trình ở trạng thái đang vận hành liên tục có các thông số thay đổi theo thời gian, khảo sát sự thay đổi các đáp ứng của hệ thống theo sự thay đổi của một vài thông số công nghệ. Trạng thái mô phỏng động cho thấy sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ theo thời gian và có thể thiết lập cũng như khắc phục các sự cố có thể xảy ra khi vận hành công nghệ trên thực tế, tìm ra các nguyên nhân và biện pháp giải quyết các sự cố đó. Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong đào tạo các kỹ sư vận hành, hiểu biết tường tận về công nghệ, thành thạo và có kinh nghiệm trước khi tham gia vận hành nhà máy thực tế, trong điều kiện hiện nay các nhà máy hoá chất và dầu khí với kỹ thuật hiện đại, vận hành ở chế độ tự động hoá rất cao. Sử dụng UNISIM giúp giảm chi phí cho quá trình công nghệ do có thể tối ưu các thiết bị trong dây chuyền mà vẫn đảm bảo được yêu cầu về chất lượng sản phẩm. UNISIM cho phép tính toán vấn đề tận dụng nhiệt, tối ưu được vấn đề năng lượng trong quá trình sản xuất, tuần hoàn nguyên liệu nhằm tăng hiệu suất của quá trình. UNISIM có một thư viện mở các thiết bị, các cấu tử và cung cấp phương tiện để liên kết với các cơ sở dữ liệu khác, cho phép mở rộng phạm vi chương trình và rất gần với thực tế công nghệ. UNISIM có một số lượng lớn các công cụ mô phỏng, hỗ trợ hiệu quả trong nghiên cứu mô phỏng, với giao diện thân thiện và dễ sử dụng, đặc biệt với những người bắt đầu làm quen với chương trình mô phỏng. 7
Trình tự thực hiện mô phỏng theo các bước sau đây: 1. Xây dựng cơ sở mô phỏng: Nhập các cấu tử trong thành phần nguyên liệu. Lựa chọn hệ nhiệt động phù hợp. Khởi tạo các phản ứng. 2. Xây dựng lưu trình PFD: Khai báo các thông số và thành phần của dòng nguyên liệu. Xây dựng sơ đồ công nghệ với các thiết bị cần thiết. Cung cấp đầy đủ các thông số công nghệ cần thiết cho thiết bị. 3. Chạy chương trình mô phỏng: Đọc kết quả. Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ. 1. Bắt đầu với UNISIM Khởi động UNISIM bằng cách bấm vào biểu tượng của UNISIM, trên màn hình máy tính sẽ xuất hiện giao diện như trong hình 1.1. Trước khi thực hiện mô phỏng, UNISIM cần phải biến đổi giao diện ban đầu này. Tại đây sẽ thực hiện lựa chọn các cấu tử cần thiết và hệ nhiệt động phù hợp cho mô phỏng. Hình 1.1. Giao diện mở đầu xuất hiện khi khởi động UNISIM 8
2. Quản lý cơ sở mô phỏng UNISIM sử dụng khái niệm hệ nhiệt động (Fluid Package) bao gồm tất cả các thông tin cần thiết để tính toán các tính chất vật lý và cân bằng pha của hỗn hợp nhiều cấu tử. Cách tiếp cận này cho phép xác định tất cả các thông tin (các tính chất nhiệt động, các cấu tử, các cấu tử giả định, các hệ số tương tác bậc hai, các phản ứng hoá học, các số liệu dạng bảng, ) bên trong một gói. Có bốn ưu điểm chính của cách tiếp cận này: Tất cả thông tin kết nối được xác định tại một nơi cho phép tạo ra hay sửa đổi các thông tin một cách dễ dàng. Hệ nhiệt động có thể được lưu lại sau khi xác định và có thể sử dụng cho các mô phỏng khác khi cần đến. Danh sách các cấu tử trong hỗn hợp được lưu trữ riêng bên ngoài hệ nhiệt động nên có thể sử dụng được cho các bài toán mô phỏng khác khi cần đến. Có thể sử dụng nhiều hệ nhiệt động trong cùng một chương trình mô phỏng. Tuy nhiên các hệ nhiệt động này cùng được xác định trong Basis Manager. Simulation Basis Manager là giao diện thuộc tính cho phép thiết lập và điều khiển nhiều hệ nhiệt động hoặc danh sách các cấu tử trong hỗn hợp sử dụng trong mô phỏng. 3. Bắt đầu mô phỏng Sử dụng một trong ba cách sau để bắt đầu một bài mô phỏng mới: chọn File/new/case, hoặc sử dụng phím tắt Ctrl+N, hoặc bấm vào biểu tượng new case trên thanh công cụ. Khi đó giao diện Simulation Basis Manager sẽ xuất hiện (hình 1.2). Trong giao diện này có các tab. Thường sử dụng các tab sau: Components tab sử dụng khi nhập các cấu tử Fluid Pkgs tab sử dụng khi chọn Hệ Nhiệt động (Fluid Package) Hypotheticals sử dụng khi thiết lập các cấu tử giả định Oil Manager sử dụng khi thiết lập các cấu tử cho dầu thô Reactions tab sử dụng khi thiết lập các phản ứng hoá học 9
Menu chính Thanh công cụ Các tab Hình 1.2. Giao diện Simulation Basis Manager 4. Nhập các cấu tử Bước đầu tiên khởi tạo cơ sở mô phỏng là nhập các cấu tử (đơn chất và hợp chất) sẽ có mặt trong chương trình mô phỏng. Trình tự tiến hành như sau: 1. Để nhập các cấu tử cho mô phỏng bấm vào phím Add trong giao diện Simulation Basis Manager (hình 1.2). 2. Sau khi bấm phím Add sẽ xuất hiện danh sách tất cả các cấu tử có trong thư viện của UNISIM (hình 1.3). 3. Chọn các cấu tử cần thiết cho chương trình mô phỏng từ danh sách. Có thể tìm các cấu tử trong danh sách bằng một trong ba cách sau đây: chọn ô Sim Name, hoặc chọn ô Full Name, hoặc chọn ô Formula. 10
Hình 1.3. Giao diện Component List 4. Nhập tên hoặc công thức cần tìm vào ô Match phía trên. Ví dụ khi chọn ô Sim Name và nhập tên water vào ô Match, sẽ nhìn thấy dòng tương ứng với water được đánh dấu. Nếu không tìm thấy, có thể thử sử dụng tên khác hoặc thử tìm bằng các ô Full Name hoặc Formula. 5. Khi đã chọn được công thức thích hợp, nhắp đúp vào chất vừa chọn hoặc bấm vào phím Add Pure để nhập chất đó vào danh sách các cấu tử đã chọn Selected Components. 6. Ở phía dưới giao diện này có ô Name, có thể đặt tên cho danh sách các cấu tử vừa chọn. 7. Khi đã hoàn thành các bước trên, đóng cửa sổ này lại, sẽ trở lại giao diện Simulation Basis Manager. Sau khi đã nhập các cấu tử cần thiết vào danh sách, lưu vào một thư mục xác định trước khi tiếp tục quá trình mô phỏng. Chọn File/Save as và chọn thư mục thích hợp, không lưu vào thư mục mặc định xuất hiện. 5. Lựa chọn Hệ nhiệt động (Fluids Package) Sau khi nhập các cấu tử cho mô phỏng, tiếp theo là lựa chọn Hệ Nhiệt động (Fluid Package) cho mô phỏng. Fluid Package được sử dụng để tính toán dòng và các tính chất nhiệt động của các cấu tử và hỗn hợp trong quá trình mô phỏng (ví dụ như enthalpy, entropy, tỷ trọng, cân bằng lỏng - hơi, ). Vì thế 11
việc lựa chọn hệ nhiệt động phù hợp có ý nghĩa rất quan trọng, là cơ sở để tính toán mô phỏng cho kết quả đúng. 1. Tại giao diện Simulation Basis Manager (hình 1.2), chọn Fluid Pkgs tab, sẽ hiển thị cửa sổ như trên hình 1.4. Hình 1.4. Giao diện Fluid Package 2. Bấm vào phím Add sẽ hiển thị cửa sổ như trong hình 1.5 để chọn một fluid pkgs phù hợp. Trong bảng Property Package Selection bao gồm các hệ nhiệt động có trong UNISIM. Bên cạnh bảng này là các phím chọn các loại hệ nhiệt động được chia thành 6 nhóm: Các phương trình trạng thái (EOSs), các mô hình tính toán khác nhau. Tuỳ thuộc vào thành phần, tính chất của hỗn hợp và các thông số công nghệ mà lựa chọn hệ nhiệt động phù hợp. 3. Từ danh sách Fluid Package chọn hệ nhiệt động phù hợp. Danh sách các Fluid Package có thể được rút gọn bằng cách có chọn lọc nhờ các bộ lọc phía bên phải danh sách (ví dụ như EOS, activity model, ). 4. Khi đã chọn được hệ nhiệt động phù hợp, nhắp đơn chuột vào (không cần nhắp đúp). Ví dụ trong hình 1.5, đã lựa chọn phương trình trạng thái Peng-Robinson. 12
5. Có thể đặt tên cho fluid package vào cửa sổ nhỏ Name phía dưới giao diện. Ví dụ trong hình 1.5 tên của fluid package là Basis-1. 6. Sau khi kết thúc bấm vào dấu X màu đỏ ở góc trên bên phải để đóng giao diện này lại. Hình 1.5. Giao diện Fluid Package 6. Các mô hình nhiệt động Trong UNISIM có các loại mô hình nhiệt động khác nhau: EOS: bao gồm các phương trình trạng thái áp dụng chủ yếu cho hệ hydrocacbon, không phân cực hoặc phân cực yếu. Trong tính toán thiết kế công nghệ chế biến dầu, khí và hoá dầu phương trình trạng thái Peng- Robinson nói chung được ứng dụng phổ biến, cho phép nhận được kết quả chính xác đáng tin cậy trong một khoảng rộng các thông số công nghệ. Để biết chi tiết hơn có thể đọc thêm trong tài liệu hướng dẫn sử dụng UNISIM (UNISIM Simulation Basic Manual). Activity Models: bao gồm các mô hình Chien Null, Extended NRTL, General NRTL, Margules, Chao Seader, Grayson Streed áp dụng với các hệ chất lỏng không lý tưởng. 13
Chao Seader và Grayson Streed Models là các phương pháp bán thực nghiệm. Mô hình Grayson Streed là mở rộng của Mô hình Chao Seader khi có mặt hydrogen. Những số liệu tính toán cân bằng từ các biểu thức của các phương pháp này được sử dụng trong Aspen HYSYS. Phương pháp Lee-Kesler được sử dụng để tính toán entanpy và entropy của pha lỏng và pha hơi. Vapour Pressure Models: bao gồm các mô hình Antoine, Braun K10, Esso Tabular, sử dụng cho các hỗn hợp khí lý tưởng ở áp suất thấp như hỗn hợp các hydrocacbon nhẹ, hỗn hợp keton và rượu trong đó pha lỏng gần lý tưởng. Miscellaneous Types: bao gồm các mô hình đặc biệt, khác với các mô hình nêu trên, ví dụ như Amine Pkg được ứng dụng trong tính toán mô phỏng các nhà máy làm ngọt khí bằng amin, ASME Steam được ứng dụng trong tính toán hơi nước. Các hệ nhiệt động có trong UNISIM cho phép dự đoán được tính chất của các hỗn hợp từ hệ các hydrocacbon nhẹ tới hỗn hợp của các loại dầu phức tạp, và hệ các hợp chất có hoặc không điện ly. UNISIM cung cấp các phương trình trạng thái (PR hay PRSV) cho các quá trình xử lý hỗn hợp hydrocacbon, các mô hình bán thực nghiệm và áp suất hơi của các hệ hydrocacbon nặng, các hiệu chỉnh hơi nước cho các dự đoán chính xác về tính chất của hơi nước, và các mô hình hệ số hoạt độ của các hệ hóa học. Tất cả các phương trình đều có giới hạn phạm vi ứng dụng, vì vậy cần xem xét phạm vi ứng dụng phù hợp của mỗi phương trình với các hệ gần giống nhau. Lựa chọn mô hình nhiệt động phù hợp rất quan trọng, quyết định đến kết quả tính toán của toàn bộ quá trình. Đây là một thủ tục đầu tiên để bắt đầu thực hiện mô phỏng. Tuỳ thuộc vào thành phần và tính chất hỗn hợp cấu tử, điều kiện công nghệ (nhiệt độ, áp suất, ) có thể áp dụng những mô hình nhiệt động khác nhau để nhận được kết quả tính toán phù hợp với thực tế công nghệ. Năm 1999, hai tác giả Elliott và Lira đã đề xuất sơ đồ hình cây như mô tả trên hình 1.6 dưới đây (BIP – Binary Interaction Parameters) để lựa chọn hệ nhiệt đồng cần thiết. 14
Phân loại các cấu tử có trong hệ: khí, chất không phân cực, ngưng tụ, solvat hóa, điện ly Đúng Khí hoặc chất Thử chọn PR, không phân cực? SRK, API Sai Đúng Chất điện ly? Thử chọn NRTL, Pitzer, hoặc Bromley Sai Sai Đúng Thử NRTL, Khí (NH , CO )? 3 2 Biết BIP? UNIQUAC, FH, hoặc P > 10 bars? Winson, Van Laar Sai Thử UNIFAC, Đúng nếu có thể, giả định BIP của các cấu tử thiếu Đúng Thử chọn Polimers? SAFT, ESD Sai Đúng P > 10 bars? Thử Henry’s Law Sai Thử ESD, SAFT, MHW2, Wong-Sandler Hình 1.6. Sơ đồ lựa chọn mô hình nhiệt động 15
Bảng 1.1 đưa ra danh sách một vài hệ tiêu biểu và những phương pháp tính toán sử dụng hệ nhiệt động phù hợp có thể áp dụng. Bảng 1.1. Danh sách một số hệ tiêu biểu và Hệ nhiệt động phù hợp Hệ nhiệt động phù hợp được Hệ tiêu biểu đề nghị sử dụng Sấy khí bằng TEG PR Nước chua PR, Sour PR Xử lý khí nhiệt độ thấp PR, PRSV Tách không khí PR, PRSV Tháp chưng cất dầu thô áp suất khí PR, PR Options, GS quyển Tháp chưng cất chân không PR, PR Options, GS (<10 mmHg), Braun K10, Esso K Tháp Ethylene Lee Kesler Plocker Hệ H2 áp suất cao PR, ZJ hoặc GS Các thùng chứa Steam Package, CS hoặc GS Ức chế tạo hydrat PR Các hệ hoá học Activity Models, PRSV Alkyl hoá xúc tác HF PRSV, NRTL Sấy bằng TEG có mặt các hợp chất thơm PR Các hệ hydrocacbon trong đó độ tan của Kabadi Danner nước trong các hydrocacbon là quan trọng Các hệ có một vài khí và các MBWR hydrocacbon nhẹ PR = Peng-Robinson; PRSV = Peng-Robinson Stryjek-Vera;; GS = Grayson Streed; ZJ = Zudkevitch Joffee; CS = Chao Seader; NRTL = Non Random Two Liquid; MBWR = Modified Benedict Webb Rubin 16
7. Vào môi trường mô phỏng Sau khi đã hoàn thành các bước chuẩn bị cần thiết để bắt đầu chương trình mô phỏng trong giao diện Simulation Basis Manager như trong các mục 1.3, 1.4 và 1.5 ở trên, bấm vào phím Enter Simulation Environment ở bên phải phía dưới giao diện hoặc bấm vào biểu tượng trên thanh công cụ để vào môi trường mô phỏng như mô tả trên hình 1.7. Hình 1.7. Enter Simulation Environment a. Thao tác trong lưu trình mô phỏng Khi vào môi trường mô phỏng, sẽ thấy giao diện như hình 1.8 dưới đây. Trước khi bắt đầu quá trình xây dựng lưu trình mô phỏng cần chú ý vài đặc điểm của cửa sổ mô phỏng: UNISIM khác với phần lớn các gói mô phỏng khác, sẽ thực hiện tính toán lưu trình (flowsheet) sau mỗi bước nhập hay thay đổi thông số của lưu trình (flowsheet). Đặc điểm này có thể dừng khi bấm vào biểu tượng Solver Holding (phím đèn đỏ ) trên thanh công cụ phía trên màn hình. Khi đó UNISIM sẽ không tính toán và sẽ không đưa ra kết quả. Để tiếp tục quá trình tính toán, phải bấm vào biểu tượng Solver Active (phím đèn xanh ), chương trình mô phỏng bắt đầu hoạt động trở lại. Không giống với một số quá trình mô phỏng khác, UNISIM có khả năng tính toán xuôi dòng và ngược dòng. Vì vậy cần đặc biệt chú ý khai báo 17
các tham số cho lưu trình (flowsheet) phải đảm bảo rằng các thông tin cung cấp cho UNISIM không mâu thuẫn với nhau. Nếu không sẽ bị lỗi và UNISIM sẽ không thể tính toán được. Hình 1.8. Giao diện Simulation Environment b. Trở lại giao diện cơ sở mô phỏng Khi phải thay đổi cơ sở mô phỏng, cần phải quay lại giao diện Simulation Basis Manager. Thao tác đơn giản bấm vào biểu tượng trên thanh công cụ phía trên màn hình. c. Nhỡ tay đóng lưu trình PFD Đôi khi nhỡ tay bấm nhầm vào biểu tượng X màu đỏ góc trên bên phải giao diện. Để trở lại lưu trình chỉ cần bấm vào Tools trên thanh menu chính, chọn PDFs trong danh sách thả xuống, chọn Case, sau đó bấm vào phím View, hoặc bấm vào phím PFD trên thanh công cụ. d. Bảng các công cụ mô phỏng Trong hình 1.9 có thể nhìn thấy bảng có chứa các công cụ phục vụ cho việc xây dựng lưu trình mô phỏng PFD, gọi là Object Palette, nằm dọc phía bên phải màn hình. Nếu vì lí do nào đó không nhìn thấy Object Palette, thì có thể đưa ra màn hình bằng cách bấm vào Flowsheet trên thanh menu chính, trong danh sách thả xuống chọn Palette, hoặc có thể bấm phím nóng F4. Từ các công cụ trong bảng này có thể nhập dòng hoặc các công cụ mô phỏng khác cho lưu trình PFD. 18
Hình 1.9. Giao diện PFD với Object Palette 8. Khởi tạo dòng vật chất Các dòng vật chất trong PFD được mô phỏng bằng Material Stream. Một dòng vật chất được khởi tạo trong lưu trình bằng một trong ba cách sau: Bấm vào biểu tượng mũi tên màu xanh trong Object Palette. Chọn Flowsheet trên menu chính và chọn Add Stream trong danh sách. Bấm vào phím nóng F11. Hình 1.10. Khởi tạo dòng vật chất trong PFD 19
Khi sử dụng một trong các phương pháp trên, có thể khởi tạo dòng vật chất (mũi tên màu xanh) vào lưu trình mô phỏng như mô tả trên hình 1.10. UNISIM mặc định tên của dòng theo số thứ tự tăng dần (ví dụ, dòng đầu tiên sẽ tự động được đặt tên là “1”). Tên của dòng có thể thay đổi bất cứ khi nào cần. a. Khai báo các tham số của dòng Để khai báo các tham số cho dòng vật chất, nhắp đúp chuột vào dòng (mũi tên màu xanh nhạt) để hiện ra cửa sổ như hình 1.11. Trong cửa sổ này người sử dụng sẽ khai báo các tham số cho dòng. Nếu là dòng nguyên liệu thì cần có bốn tham số. Trong môi trường UNISIM dòng nguyên liệu luôn có bốn bậc tự do. Điều đó có nghĩa là phải cung cấp đầy đủ bốn thông tin yêu cầu để UNISIM có thể thực hiện tính toán. Bốn tham số cần khai báo cho dòng nguyên liệu là: Lưu lượng dòng ( flowrate) Thành phần dòng (composition) và hai trong số các tham số sau: nhiệt độ (temperature), áp suất (pressure) hay phần mol pha hơi (vapor/phase fraction) Trong hình 1.11 có một dòng cảnh báo lỗi màu vàng phía bên dưới cửa sổ, cho biết thông tin cần phải thực hiện. Ví dụ theo dòng cảnh báo trong trường hợp này, cần cung cấp lưu lượng của dòng nguyên liệu (flow rate). Có hai chọn lựa khác nhau hoặc là lưu lượng dòng mol (molar flow) hoặc lưu lượng dòng khối lượng (mass flow) trong cùng một cửa sổ. Trong trường hợp này nhập giá trị molar flow bằng 100 kmol/h, như trong hình 1.12. Hình 2.11. Cửa sổ khai báo các tham số của dòng Hình 1.11. Cửa sổ khai báo các tham số của dòng 20
Hình 1.12. Nhập giá trị lưu lượng dòng trong cửa sổ Conditions Tiếp theo nhập thành phần dòng, chọn Composition sẽ hiển thị cửa sổ có danh sách các cấu tử như trên hình 1.13, tại đây sẽ khai báo thành phần các cấu tử trong dòng nguyên liệu. Lưu ý rằng chỉ có các cấu tử đã được chọn vào danh sách cấu tử (Components List) trong Simulation Basis Manager thì mới hiển thị trong danh sách này. Hình 1.13. Nhập giá trị thành phần dòng trong cửa sổ Composition 21
Có thể xác định composition theo nhiều cách khác nhau như trong hình 1.13. Hoặc có thể bấm vào phím “Basis ” để hiển thị bảng chọn với các dạng biểu diễn thành phần dòng khác nhau (hình 1.14), sau đó nhập thành phần cấu tử. UNISIM mặc định là mole fractions. Tuy nhiên có thể thay đổi bằng mass fractions, liquid volume fractions, hoặc mole flow, mass flow cho từng cấu tử. Nếu sử dụng fractions, tổng tất cả các fractions được nhập vào dòng phải bằng “1”. Nhập thành phần của dòng 1 như trong hình 1.13 chỉ rõ phần mol của H2O bằng “1”, nghĩa là dòng 1 chỉ có nước. Hình 1.14. Lựa chọn các dạng biểu diễn thành phần dòng Sau khi nhập lưu lượng và thành phần dòng, xuất hiện tin nhắn cảnh báo thứ hai (trong băng màu vàng phía dưới cửa sổ) cho thấy rằng cần nhập nhiệt độ cho dòng. Để khai báo nhiệt độ cho dòng bấm vào Conditions ở cửa sổ trong hình 1.15. Nhập giá trị nhiệt độ của dòng tại cửa sổ này. Khi nhập giá trị các tham số của dòng không cần thiết phải đổi sang đơn vị mặc định. Khi nhập giá trị vào một ô sẽ xuất hiện hộp danh sách thả xuống có tất cả các đơn vị tương ứng ngay bên cạnh ô đó, có thể lựa chọn đơn vị phù hợp, sau đó UNISIM sẽ tự động chuyển đổi đơn vị. Ví dụ nhập số 25 vào ô ứng với nhiệt độ 25oC (bằng 77oF) như trên hình 1.16 Dòng cảnh báo (trên băng màu vàng phía dưới cửa sổ) trên hình 1.16 chỉ ra rằng cần phải nhập giá trị áp suất của dòng. Cũng trong cửa sổ này, nhập giá trị áp suất cho dòng 1 là 1 bar như trong hình 1.17. 22
Hình 1.15. Cần nhập giá trị nhiệt độ dòng . Hình 1.16. Nhập giá trị nhiệt độ dòng trong cửa sổ Conditions 23
Hình 1.17. Nhập giá trị áp suất dòng trong cửa sổ Conditions Sau khi hoàn thành việc khai báo đầy đủ tất cả các thông tin, UNISIM sẽ tự động tính toán các tính chất còn lại của dòng và từ các thông tin đã cung cấp đủ để bắt đầu xây dựng lưu trình mô phỏng (Flowsheet). Khi dòng nguyên liệu được cung cấp đầy đủ thông tin thì sẽ xuất hiện một thông báo màu xanh ở phía dưới cửa sổ báo hiệu là mọi thứ đã hoàn tất OK (như trên hình 1.17). Nếu không thì trong cửa sổ sẽ xuất hiện một cảnh báo màu vàng, thông tin cung cấp bị lỗi. Đọc kết quả và trả lời câu hỏi sau: Phần mol hơi (vapor/phase fraction) của dòng bằng bao nhiêu? Những giá trị màu xanh là do người sử dụng nhập vào và vì thế có thể thay đổi được, còn những giá trị màu đen là do UNISIM tính toán nên không thể thay đổi được. Như trong hình 1.14 các giá trị nhiệt độ, áp suất, lưu lượng dòng là do người sử dụng nhập vào nên có thể thay đổi được, còn các giá trị còn lại là do UNISIM tính toán. Nhìn vào màu sắc của các dòng vật chất cũng có thể biết được dòng đó đã đầy đủ thông tin hay chưa. Màu xanh đậm = Dòng đã được cung cấp đầy đủ thông tin. Màu xanh nhạt = Thông tin chưa đầy đủ. 24
Vì thế nếu mũi tên có màu xanh đậm có nghĩa là tất cả các tính chất đã được tính toán. Bất cứ khi nào việc xác định và tính toán các tính chất của dòng có thể xem và thay đổi bằng cách đơn giản là nhắp đúp vào dòng. b. Lưu vào thư mục xác định Luôn nhớ lưu case vào thư mục xác định. 9. Tóm tắt và ôn tập chương 1 Trong phần đầu tiên của chương đã giới thiệu cách bắt đầu UNISIM như thế nào, làm quen được với môi trường mô phỏng và đã trình bày cách nhập thành phần các cấu tử trong mô phỏng như thế nào. Việc chọn lựa chính xác fluid/themodynamic package là rất quan trọng vì vậy trong chương này cũng đã đưa ra một số gợi ý giúp người sử dụng chọn đúng được hệ nhiệt động phù hợp. Phần tiếp theo của chương này chỉ cách làm thế nào để vào và trở lại môi trường mô phỏng, làm quen với simulation flowsheet, hơn nữa trong phần này người sử dụng có thể rút ra được một số điểm quan trọng của UNISIM. Trong phần cuối của chương này đã đề cập đến các cách nhập và khai báo dòng nguyên liệu trong mô phỏng. Cách khai báo các tham số là một bước rất quan trọng trong mô phỏng, cần hiểu và thực hiện đúng trong từng trường hợp cụ thể. Khi người sử dụng muốn khai báo dòng nguyên liệu, cần xác định đầy đủ bốn tham số thì UNISIM có thể tính toán được các tính chất còn lại . 10. Bài tập 1. Thiết lập một dòng vật liệu chỉ có H2O với các điều kiện sau: Fluid Package : Peng-Robinson Flowrate : 100 kgmole/h Pressure : 1 atm Vapor/phase fraction : 1.0 Nhiệt độ của dòng bằng bao nhiêu? 2. Làm lại bài toán trên, thay áp suất bằng nhiệt độ là: 150ºC Áp suất của dòng bằng bao nhiêu? 3. Với cùng bài toán 2 nhưng giảm nhiệt độ xuống 70ºC Áp suất của dòng bây giờ bằng bao nhiêu? 4. Tạo một dòng mới chỉ có H2O với các điều kiện sau: 25
Fluid Package : Peng-Robinson Flowrate : 100 kgmole/h Pressure : 2 atm Vapor/phase fraction: 1.0 Nhiệt độ của dòng này bằng bao nhiêu? 5. Với cùng điều kiện trên nhưng tăng áp suất tới 5 atm Nhiệt độ của dòng lúc này bằng bao nhiêu? 6. Với cùng điều kiện như bài 4, giảm áp suất tới 0,5 atm Nhiệt độ của dòng mới bằng bao nhiêu? 7. Có thể rút ra được kết luận gì từ các bài toán trên (từ bài 2.1  bài 2.6). 26
Chương 2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI Nội dung Khi tính toán các phương trình trạng thái cho phép xác định được thể tích của hỗn hợp khí tại điều kiện nhiệt độ và áp suất xác định. Nếu không sử dụng các phương trình trạng thái thì hầu như không thể thiết kế được các nhà máy hoá chất. Bởi vì từ việc xác định thể tích này có thể tính toán được kích thước và hơn nữa là giá thành của các nhà máy đó. UNISIM có các phương trình trạng thái như Peng-Robinson (PR) và Soave-Redlich-Kwong (SRK). Trong đó, phương trình Peng-Robinson được sử dụng trong khoảng biến đổi rộng nhất của các thông số công nghệ và với các hệ đa dạng nhất. Từ các phương trình Peng-Robinson (PR) và Soave-Redlich- Kwong (SRK) trực tiếp tính toán ra tất cả các tính chất cân bằng và các tính chất nhiệt động của hệ. Các phương trình PR và SRK có chứa các hệ số tương tác bậc hai cho tất cả các cặp hydrocacbon-hydrocacbon (tập hợp các tham số tương tác tạo liên kết và không tạo liên kết) và hầu hết các cặp bậc hai hydrocacbon – phi hydrocacbon. Trong chương này sẽ hướng dẫn người sử dụng khai báo thể tích của hỗn hợp khí tại điều kiện nhiệt độ và áp suất xác định. Đồng thời sẽ chỉ dẫn cách phân tích tính chất của các cấu tử khi sử dụng Case Study Utility. Mục tiêu Sau khi học xong người sử dụng có thể : Xác định được thể tích của các cấu tử riêng biệt hay hỗn hợp cấu tử So sánh kết quả với các phương trình trạng thái khác nhau Xem lại kết quả bằng Workbook Phân tích các tính chất bằng case studies Yêu cầu Trước khi học chương này người sử dụng cần phải biết: Cách vào UNISIM Chọn cấu tử Xác định và chọn fluid package Nhập và xác định dòng nguyên liệu (material stream) 27
2.1 Phương trình trạng thái – Các biểu thức toán học Phương trình trạng thái thể hiện mối tương quan giữa áp suất nhiệt độ và thể tích được thể hiện qua phương trình cân bằng : V pV = nRT hoặc pv = RT với  n Trong đó p là áp suất tuyệt đối, V là thể tích, n là số mol, R là hằng số khí lý tưởng, T là nhiệt độ tuyệt đối. Đơn vị của R được lựa chọn sao cho phù hợp với các đơn vị của các biến khác. Phương trình này phù hợp khi áp suất thấp (ví dụ 1 atm). Tuy nhiên nhiều quá trình hoá học lại thực hiện tại một áp suất rất cao. Trong điều kiện đó thì phương trình này không phù hợp để tính toán. Vì thế đã có nhiều phương trình trạng thái khác được phát triển nhằm mô tả được các quá trình hoá học thực hiện ở áp suất cao. Sự mở rộng đầu tiên định luật khí lý tưởng là phương trình trạng thái van der Waals: RT a p  b  Sự mở rộng này là bước ngoặt đầu tiên, tuy nhiên phương trình này chưa thể đáp ứng được trong điều kiện áp suất rất cao. Phương trình trạng thái Redlich-Kwong (RK) là sự biến đổi phương trình trạng thái van der Waals và sau đó đã tiếp tục được biến đổi bởi Soave được mang tên là phương trình trạng thái Soave-Redlich-Kwong (SRK), được sử dụng rộng rãi trong các quá trình mô phỏng. Một dạng khác của phương trình trạng thái RK là phương trình trạng thái Peng-Robinson (PR) cũng được sử dụng rất phổ biến. Bảng 2.1 dưới đây đưa ra so sánh các công thức sử dụng trong UNISIM của các phương trình trạng thái PR và SRK. 2.2 Thực hiện mô phỏng Bài toán: Tìm thể tích của n-butan tại 500 K và 18 atm, sử dụng các phương trình trạng thái Soave-Redlich-Kwong (SRK) và Peng-Robinson (PR). Trình tự thực hiện như sau: 1. Khởi động UNISIM 2. Mở new case sử dụng một trong ba cách sau: Chọn từ thanh menu chính File New Case Hoặc sử dụng phím tắt Crtl-N Hoặc bấm vào biểu tượng New trên thanh công cụ 28
Bảng 2.1. So sánh phương trình trạng thái SRK và PR Soave-Redlich-Kwong Peng - Robinson RT a RT a P P  b  ( b)  b  ( b) b( b) Z 3 Z 2 (A B B 2 )Z AB 0 Z 3 (1 B)Z 2 (A 2B 3B 2 )Z (AB B 2 B3 0 Trong đó: N N b =  xibi  xibi i 1 i 1 RTc RTc 0.08664 i i bi= 0.077796 Pci Pci N N N N 0.5 0.5 a =  xi x j (aia j ) (1 kij )  xi x j (aia j ) (1 kij ) i 1 j 1 i 1 j 1 ai = aci i aci i 2 2 (RTci ) (RTci ) aci = 0.42748 0.457235 Pci Pci 0.5 0.5 0.5 i 1 mi (1 Tri ) 1 mi (1 Tri ) 2 2 mi = 0.48 1.574i 0.176i 0.37646 1.54226i 0.26992i aP aP A = 2 (RT)2 (RT) bP bP B = RT RT 3. Thiết lập cơ sở mô phỏng Trong giao diện Simulation Basis Manager (xem trong chương 1 đã trình bày chi tiết) điền các thông tin cho trong bảng sau. Tab Chọn Property Package Soave-Redlich-Kwong (SRK) Components n-butane 29
Khi đã hoàn thành, bấm vào phím Enter Simulation Environment, bây giờ đã sẵn sàng để bắt đầu mô phỏng. 4. Tạo lập dòng vật chất Có một số cách khác nhau để tạo một Stream: bấm phím nóng F11, hoặc bấm vào biểu tượng Stream trên Object Palette, hoặc chọn Flowsheet trên menu chính và chọn Add Stream trong danh sách. Khai báo các tham số của dòng Nhập vào Stream với các giá trị sau: Trong ô này Nhập giá trị Name 1 Temperature 500 K Pressure 18 atm Compositions n-butane 100% Molar Flow 100 kgmole/h Lưu và đặt tên EOS SRK. Khi hoàn thành dòng sẽ có giao diện như hình 2.1. Hình 2.1. Hoàn thành thiết lập dòng vật chất 30
2.3 Nhập thêm biến trong Workbook Đọc kết quả tính toán trong Workbook: bấm vào Tools trên thanh menu chính, chọn Workbook hoặc bấm phím nóng Crtl+W (hình 2.2). Hình 2.2. Thao tác mở Workbook để xem kết quả tính toán Trong cửa sổ Select Workbook (hình 2.3) bấm phím View Hình 2.3. Cửa sổ Select Workbook 31
Giao diện Workbook xuất hiện như trên hình 2.4. Hình 2.4. Giao diện Workbook Trong UNISIM thể tích được khai báo là Molar Volume nhưng trong Workbook trên hình 3.4 không thể hiện Molar Volume, vì vậy cần phải nhập thêm biến vào Workbook. Để nhập Molar Volume hay một biến nào khác: mở Workbook, trên thanh menu chính của giao diện Workbook chọn Workbook, trong danh sách chọn Setup, sẽ xuất hiện cửa sổ như trên hình 2.5. Hình 2.5. Cửa sổ Setup để nhập thêm biến vào Workbook 32
Trong Variables Tab bấm vào phím Add ở phía bên phải. Cửa sổ để chọn biến sẽ được hiển thị như hình 2.6. Hình 2.6. Cửa sổ để chọn biến Trong danh sách Variables cuốn dọc theo danh sách cho đến khi tìm thấy biến cần thêm vào Molar Volume, bấm phím OK để hoàn tất việc bổ sung biến vào Workbook. Đóng của sổ bằng biểu tượng X màu đỏ ở góc trên bên phải cửa sổ Select Variables for Main. Giá trị của biến Molar Volume sẽ hiển thị trong Workbook (hình 2.7). Molar Volume của n-butane bằng bao nhiêu?___ Hình 2.7. Workbook đã hiển thị giá trị biến Molar Volume 33
2.4 Sử dụng Case Studies Sau khi đã hoàn thành bài mô phỏng, sử dụng Case Studies để phân tích thể tích mol của n-butan khi nhiệt độ thay đổi. Trên thanh menu chính, chọn Tool, trong danh sách thả xuống chọn Databook hoặc bấm phím nóng Ctrl+D như trên hình 2.8. Hình 2.8. Cách mở Databook Bấm phím Insert, sẽ hiển thị giao diện Variable Navigator như hình 2.9. Hình 2.9. Giao diện Variable Navigator 34
Trong cột Object chọn dòng 1, trong cột Variable chọn Molar Volume. Sau đó bấm vào phím OK (như biểu diễn trên hình 2.10). Hình 2.10. Nhập biến Molar Volume Thực hiện tương tự như trên để nhập biến Temperature. Khi đó giao diện Databook sẽ xuất hiện như hình 2.11. Hình 2.11. Giao diện DataBook sau khi nhập Variables Chuyển sang Case Studies tab. Điền các thông tin vào giao diện như trong hình 2.12 dưới đây. 35
Hình 2.12. Điền thông tin vào Case Studies tab Bấm vào phím View và điền thông tin vào bảng trong giao diện như hình 2.13 dưới đây. Hình 2.13. Điền thông tin vào Independent Variables Setup Bấm vào phím Start để phân tích kết quả. Khi quá trình phân tích hoàn thành, bấm vào phím Result để xem kết quả hiển thị như trên hình 2.14. Có thể rút ra được kết luận gì từ đồ thị trên hình 2.14 ?___ Lưu Case với tên là EOS SRK vào thư mục xác định. 36
Hình 2.14. Kết quả phân tích 2.5 Thay đổi Fluid Package Bấm phím Enter Basis Environment trên thanh công cụ để trở về giao diện Simulation Basis Manager ban đầu. Vào Prop Pkg tab, trong danh sách bên trái cửa sổ, cuốn dọc theo danh sách và chọn Peng Robinson EOS. Bấm vào mũi tên màu xanh trên thanh công cụ để trở về PFD. Các điều kiện của bài toán giữ nguyên, lưu Case với tên mới EOS PR. Xem kết quả tính toán trong Workbook và Case Study. 2.6 Tóm tắt và ôn tập chương 2 Trong Chương này đã giải quyết vấn đề tìm thể tích riêng của một đơn chất bằng UNISIM. Khi sử dụng UNISIM các tham số được lưu trữ trong database (cơ sở dữ liệu) và việc tính toán đã được lập trình trước đó. Vì vậy điều quan trọng là biết cách sử dụng đúng các giao diện, các biểu đồ. Trong chương này cũng đã hướng dẫn sử dụng Workbook để xem kết quả, Workbook là cách tốt nhất để hiển thị các thông tin dưới dạng bảng. Workbook được thiết kế nhằm mục đích đó và mở rộng ra cho việc nhập thông tin khi thực hiện bài toán mô phỏng. Thêm vào đó, Workbook hiển thị thông tin của các 37
dòng và các thiết bị mô phỏng trong UNISIM (streams, pipes controllers, separators, ). Có thể sử dụng Case Study để phân tích tính chất của quá trình. Case Study còn được sử dụng để kiểm tra, đánh giá khi thay đổi giá trị của các biến quan trọng trong chương trình mô phỏng tĩnh. Sau khi Case Study hoàn thành tính toán, kết quả được biểu diễn ở dạng đồ thị. Có thể so sánh được kết quả tính toán từ hai hệ nhiệt động khác nhau là Peng-Robinson (PR) và Soave-Redlich-Kwong (SRK). 2.7 Bài tập 1. Tìm Molar Volume của khí amoniac ở 56 atm và 450 K sử dụng phương trình trạng thái Soave-Redlich-Kwong (SRK). 2. Tìm Molar Volume của khí metanol tại áp suất 100 atm và 300ºC sử dụng phương trình trạng thái Peng-Robinson (PR). So sánh Molar Volume của khí metanol khi sử dụng phương trình trạng thái Soave-Redlich-Kwong (SRK). 3. Cho một hỗn hợp khí đi vào thiết bị chuyển hoá khí bằng hơi nước (WGS) để sản xuất hydro: 630 kmol/h CO, 1130 kmol/h H2O, 189 kmol/h CO2, 63 kmol/h H2. Áp suất hỗn hợp khí là 1 atm và nhiệt độ là 500K. Sử dụng phương trình trạng thái Soave-Redlich-Kwong (SRK) tính thể tích riêng của hỗn hợp khí. 4. Cho một hỗn hợp khí gồm 25% amoniac và phần còn lại là nitro và hydro với tỉ lệ là 1:3, tại 270 atm và 550 K. Sử dụng phương trình trạng thái Peng- Robinson (PR) để tính thể tích riêng của hỗn hợp khí. 5. Cho hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị phản ứng tổng hợp metanol có thành phần như sau: 100 kmol/h CO; 200 kmol/h H2; 100 kmol/h metanol. Hỗn hợp khí ở áp suất 100 atm và nhiệt độ 300ºC. Tính toán thể tích riêng của hỗn hợp sử dụng phương trình trạng thái Soave-Redlich-Kwong (SRK) và so sánh với kết quả tính toán khi sử dụng phương trình trạng thái Peng-Robinson (PR). 38
Chương 3. CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ Nội dung Trong chương này thực hiện mô phỏng các thiết bị phụ trợ trong sơ đồ công nghệ, làm quen với công cụ mô phỏng trong UNISIM để thực hiện các quá trình trong đó có sử dụng bơm, máy nén, tuôc bin giãn nở khí, thiết bị trao đổi nhiệt, các tháp tách hai pha/ba pha và Ejector. Tính nhiệt độ dòng ra khi biết công suất hiệu dụng của bơm, máy nén, tuôc bin giãn nở khí hoặc ngược lại. Tính lưu lượng dòng lạnh qua thiết bị trao đổi nhiệt Thực hiện mô phỏng quá trình phân tách pha khí - lỏng, khí - rắn Làm quen với Ejector, sử dụng khi pha trộn các dòng khí có áp suất và lưu lượng rất khác nhau, và giá trị áp suất của dòng khí đi ra khỏi Ejector sẽ được tính toán dựa trên áp suất của các dòng khí đi vào. Mục tiêu Sau khi học xong chương này người sử dụng có thể: Thiết lập được các thiết bị phụ trợ trong UNISIM để thực hiện mô phỏng các quá trình công nghệ. Kết nối các dòng với thiết bị. Tính toán các quá trình phân tách pha khí - lỏng, khí - rắn Biết cách sử dụng công cụ Ejector trong mô phỏng để kết hợp hai dòng khí nói riêng và các dòng vật chất pha hơi nói chung có áp suất và lưu lượng rất khác nhau. Đọc và phân tích kết quả tính toán sau khi mô phỏng Yêu cầu Trước khi học chương này người sử dụng cần phải biết: Bắt đầu mô phỏng trong UNISIM Lựa chọn các cấu tử Xác định và lựa chọn hệ nhiệt động phù hợp cho fluid package Nhập và khai báo dòng vật liệu material stream 39
3.1 Bơm Bơm được sử dụng để tăng áp suất của dòng lỏng vào, vận chuyển chất lỏng trong đường ống dẫn. Tùy thuộc vào các tham số được khai báo ban đầu, sẽ tính toán nhiệt độ, hoặc áp suất chưa biết hoặc công suất hiệu dụng của bơm trong điều kiện vận hành. 3.1.1 Bài toán Bơm được dùng để vận chuyển dòng nước. Nước vào bơm có nhiệt độ 120ºC và áp suất 3 bar được đưa vào bơm hoạt động với công suất hiệu dụng 10% định mức. Lưu lượng của dòng nước là 100 kmol/h và áp suất dòng ra khỏi bơm là 84 bar. Sử dụng phương trình trạng thái Peng-Robinson (PR) cho fluid package, hãy xác định nhiệt độ của dòng nước ra khỏi bơm. 3.1.2 Tiến hành mô phỏng bơm 1. Khởi động chương trình UNISIM 2. Mở một New Case 3. Xây dựng cơ sở mô phỏng Trong giao diện Simulation Basis Manager (xem trong chương 2 đã trình bày chi tiết) Tab Chọn Property Package Peng-Robinson (PR) Components H2O Khi đã hoàn thành, bấm vào phím Enter Simulation Environment, bây giờ đã sẵn sàng để bắt đầu mô phỏng. 4. Thiết lập dòng vật chất Có một số cách khác nhau để tạo một Stream: bấm phím nóng F11, hoặc bấm vào biểu tượng Stream trên Object Palette, hoặc chọn Flowsheet trên menu chính và chọn Add Stream trong danh sách. Nhập dòng nguyên liệu (Stream) với các giá trị cho trong bảng sau: 40
Trong ô này Nhập giá trị Name Feed Temperature 120oC Pressure 3 bar Compositions H2O 100% Molar Flow 100 kgmole/h Nhập tiếp dòng thứ hai (Stream) với các tham số sau: Trong ô này Nhập giá trị Name Outlet Pressure 84 bar 5. Thiết lập thiết bị Có các cách khác nhau để tạo lập thiết bị trong UNISIM: Sử dụng menu chính, chọn Flowsheet, trong danh sách thả xuống chọn Add Operation hoặc bấm phím F12. Giao diện các thiết bị mô phỏng UnitOps sẽ xuất hiện. Lựa chọn thiết bị cần thiết. Mở Workbook, vào UnitOps page, bấm phím Add UnitOp. Giao diện các thiết bị mô phỏng UnitOps sẽ xuất hiện. Lựa chọn thiết bị cần thiết. Sử dụng Object Palette: từ Flowsheet menu, chọn Open, hoặc bấm phím F4. Nhắp đúp vào biểu tượng thiết bị cần sử dụng. Sử dụng phím phải chuột bấm vào biểu tượng thiết bị cần sử dụng từ Object Palette và đưa vào PFD. Sử dụng một trong các cách trên để thiết lập bơm trong PFD. Khi đó giao diện PFD sẽ xuất hiện như hình 3.1. 41
Hình 3.1. Khởi tạo các dòng và bơm trong PFD 6. Nối bơm với các dòng Nhắp đúp vào biểu tượng bơm Pump P-100 để mở giao diện thuộc tính của bơm (Pump Window Property) như hình 3.2. Các page Các tab Hình 3.2. Cửa sổ thuộc tính của bơm 42
Trong Design tab, vào Connection page, trong ô Inlet chọn Feed từ danh sách và trong ô Outlet chọn Outlet từ danh sách như hình 3.3. Hình 3.3. Nối bơm với các dòng Như trên hình 3.3, phía bên dưới cửa sổ xuất hiện thông báo lỗi (trong băng màu đỏ) cho biết rằng cần nhập năng lượng cho bơm. Để nhập năng lượng cho bơm, vào ô Energy và thêm chữ Work như trong giao diện hình 3.4. Hình 3.4. Khởi tạo dòng năng lượng cho bơm 43
Khi đầy đủ thông tin sẽ có thông báo OK màu xanh cho biết việc kết nối bơm với các dòng vật chất và dòng năng lượng đã hoàn thành (hình 3.4). Bơm yêu cầu cung cấp đủ 4 tham số của dòng vào, còn dòng ra chỉ yêu cầu khai báo giá trị áp suất 7. Khai báo tham số công suất của bơm Công suất hiệu dụng mặc định của bơm là 75% định mức, theo đầu bài công suất hiệu dụng của bơm chỉ có 10% định mức, cần phải thay đổi giá trị này. Trong giao diện thuộc tính của bơm, trên Design tab vào Parameters page, trong ô Adiabatic Efficiency nhập giá trị 10% (như trong hình 3.5). Hình 3.5. Thay đổi công suất của bơm Khi đó thông tin đã đầy đủ và bơm có thể được tính toán. Vào Worksheet để xem kết quả (hình 3.6). Nhiệt độ của dòng ra là bao nhiêu?___ 44
Hình 3.6. Worksheet tab của bơm 8. Lưu vào thư mục xác định Vào File Vào Save as Đặt tên file là Pump và bấm phím OK Qua bài toán này nhận thấy rằng khi bơm chất lỏng có thể làm tăng nhiệt độ dòng. Trong trường hợp này, khi công suất hiệu dụng của bơm chỉ có 10% đã làm nhiệt độ dòng nước tăng lên 18oC. Công suất hiệu dụng bơm càng thấp, nhiệt độ dòng nước sau bơm càng tăng cao, vì khi đó năng lượng của bơm sử dụng phải lớn hơn để đưa chất lỏng ra ngoài khi mà áp suất của dòng ra yêu cầu không đổi. Như thế phần lớn năng lượng chuyển sang nhiệt năng làm tăng nhiệt độ dòng chất lỏng sau bơm. 3.2 Máy nén Máy nén được sử dụng để tăng áp suất cho một dòng khí, tùy thuộc vào thông tin được cung cấp, Compressor sẽ tính toán các tính chất của dòng (nhiệt độ hoặc áp suất) hay công suất hiệu dụng của máy nén. 3.2.1 Bài toán Máy nén dùng để vận chuyển khí và làm tăng áp suất của dòng khí. Có một + hỗn khí tự nhiên (gồm C1, C2, C3, n-C4, i-C4, i-C5, n-C5, n-C6, C7 ) ở áp suất 1 bar và nhiệt độ 100ºC được đưa vào máy nén làm việc với công suất hiệu 45
dụng 30%. Lưu lượng dòng khí là 100 kmol/h. Áp suất ra khỏi máy nén là 5 bar. Sử dụng phương trình PR. Xác định nhiệt độ của dòng khí ra khỏi máy nén. 3.2.2 Tiến hành mô phỏng máy nén 1. Khởi động chương trình UNISIM. 2. Mở New Case. 3. Xây dựng cơ sở mô phỏng. Trong giao diện Simulation Basis Manager (xem trong chương 2 đã trình bày chi tiết), nhập các thông tin như trong bảng sau: Trong trang Chọn Property Package Peng-Robinson (PR) Components + C1, C2, C3, n-C4, i-C4, i-C5, n-C5, n-C6, C7 + Cấu tử C7 không tồn tại trong danh sách các cấu tử vì thế phải tạo một cấu tử mới và sử dụng Hypothetical. Hình 3.6. Giao diện chọn các cấu tử 4. Tạo cấu tử mới Bấm vào menu Hypothetical, sau đó bấm phím Add Component để thêm cấu tử mới vào danh sách (hình 3.6). Bấm vào phím Quick Create Hypo Component để tạo một cấu tử giả mới. Cấu tử giả có thể sử dụng để mô hình các cấu tử không có trong danh sách, một hỗn hợp đã biết hoặc chưa biết, hoặc một chất 46
rắn. Trong trường hợp này có thể sử dụng cấu tử giả để xác định hỗn hợp khí bao gồm các cấu tử nặng hơn hexan. Trong giao diện vừa xuất hiện (hình 3.7), bấm vào ID tab và đặt tên + cho cấu tử vừa tạo ra là C7 . + + Hình 3.7. Giao diện tạo C7 Hình 3.8. Giao diện tạo C7 Khi không biết cấu trúc của cấu tử giả định và đang xây dựng mô hình hỗn hợp, sẽ không sử dụng phím Structure Builder. Chuyển sang Critical tab (hình 3.8). Chỉ cần cung cấp thông tin + o cho cấu tử C7 trong ô Normal Boiling Pt là 110ºC (230 F). Bấm vào phím Estimate Unknown Props để ước tính tất cả các tính chất còn lại và cấu tử giả định đã hoàn toàn được xác định. Tối thiểu cần cung cấp để xác định cấu tử giả định là Normal Boiling Pt hoặc Molecular Weight và Ideal Liq Density + Khi cấu tử giả đã được xác định, đóng cửa sổ giao diện tạo C7 để quay trở về giao diện Fluid Package. 47
Nhập thêm cấu tử giả vào danh sách Select Component bằng cách + chọn C7 trong danh sách Available Hypo Component, sau đó bấm vào phím Add Hypo (hình 3.9). + Hình 3.9. Giao diện nhập thêm cấu tử giả định C7 Mỗi cấu tử giả định là một phần của Hypo Groups. Cấu tử mới tạo thành được mặc định đưa vào HypoGroup1. Có thể nhập thêm các Groups mới và di chuyển các cấu tử giữa các nhóm. Điều này được thực hiện trong Hypotheticals tab của Simulation Basis Manager. + So sánh các tính chất của C7 với C7 và C8 + C7 C7 C8 Normal Boiling Point Ideal Liquid Density Molecular Weight Nhập thêm các cấu tử C7 và C8 vào danh sách để so sánh tính chất với cấu tử giả định. Sau khi so sánh phải xóa C7 & C8 để bắt đầu mô phỏng. Khi đã hoàn thành, bấm vào phím Enter Simulation Environment, bây giờ đã sẵn sàng để bắt đầu mô phỏng. 5. Khởi tạo dòng (Installing a Stream) Có một vài cách để khởi tạo dòng: Bấm phím F11. Hiển thị giao diện thuộc tính của dòng. Hoặc nhắp đúp vào biểu tượng Stream trong Object Palette Khởi tạo dòng vật liệu với các thông tin cho trong bảng sau: 48
Trong ô này Nhập thông tin Name Natural Gas Temperature 100oC Pressure 1 bar Molar Flow 100 kgmole/h Component Mole Fraction C1 0.330 C2 0.143 C3 0.101 i-C4 0.098 n-C4 0.080 i-C5 0.069 n-C5 0.059 n-C6 0.078 + C7 0.042 6. Thiết lập máy nén Có một vài cách để khởi tạo thiết bị mô phỏng (xem chi tiết chương 4): Bấm phím nóng F12. Chọn thiết bị cần sử dụng trong nhóm thiết bị Available Unit operations group. Hoặc nhắp đúp vào biểu tượng thiết bị trong Object Palette. Trong Connection page của Design tab trên giao diện thuộc tính của máy nén (Compressor) nhập các thông tin cho trong bảng sau: Trong ô này Nhập thông tin Name Compressor Feed Natural Gas Outlet Comp Out Energy Work 49
Giao diện nhận được như trong hình 3.10. Các page Các tab Hình 3.10. Giao diện Compressor – Design tab – Connections page Chuyển sang Parameters page. Đổi Adiabatic Efficiency là 30% Hình 3.11. Giao diện Compressor – Design tab – Parameters page 50
Chuyển sang Worksheet tab. Trên Conditions page, điền thông tin như trong hình 3.12. Nhập giá trị Pressure của dòng Comp Out bằng 5 bar. Hình 3.12. Giao diện Compressor – Worksheet tab – Conditions page Nhiệt độ dòng khí ra khỏi Compressor là bao nhiêu? ___ 7. Lưu vào thư mục xác định Vào File Vào Save as Đặt tên file là Compressor và bấm phím OK Qua ví dụ này nhận thấy rằng Compressor có thể làm tăng nhiệt độ của dòng khí. Trong trường hợp này Compressor chỉ hoạt động ở 30% công suất định mức, làm tăng nhiệt độ dòng khí lên 165,3oC. Công suất hiệu dụng của Compressor càng nhỏ, khi đó phần lớn năng lượng sẽ chuyển sang nhiệt năng làm nhiệt độ của dòng khí nén tăng lên càng lớn. 3.3 Tuốc bin giãn nở khí (Expander) Expander được sử dụng làm giảm áp suất của dòng khí vào có áp suất cao và tạo dòng khí sản phẩm ra có áp suất thấp và tốc độ cao. Quá trình giãn nở là quá trình chuyển đổi nội năng của khí thành động năng và sinh công. Expander sẽ tính toán hoặc là tính chất của dòng hoặc là công suất giãn nở. Giải quyết bài 51
toán tìm nhiệt độ đầu ra của expander khi biết công suất. Thực hành với expander trong UNISIM để mô phỏng quá trình giãn khí. Xác định nhiệt độ đầu ra khi biết công suất và ngược lại. Tùy vào thông tin được cung cấp, có một vài phương pháp tính toán. Nói chung, tính toán sự phụ thuộc của lưu lượng dòng, sự thay đổi áp suất, năng lượng, và công suất. Expander tính toán rất linh động tùy theo các thông tin được khai báo ban đầu. Cần phải đảm bảo không có quá nhiều thông tin hoặc thông tin mâu thuẫn. Máy nén nhận công còn Tuốc bin giản nở khí sinh công, vì vậy trong thực tế thường được kết nối thành một cụm để tận dụng năng lượng. 3.3.1 Bài toán Hỗn hợp khí gồm metan, etan, và propan ở nhiệt độ 25ºC, áp suất 20 bar, được đưa vào expander với công suất hiệu dụng 30% định mức. Lưu lượng dòng khí là 100 kgmol/h, áp suất ra khỏi expander là 5 bar. Sử dụng phương trình Peng-Robinson. Xác định nhiệt độ đầu ra của hỗn hợp khí. 3.3.2 Tiến hành mô phỏng tuốc bin giãn nở khí 1. Xác định fluid package theo các thông tin cho trong bảng. Trong trang Chọn Property Package Peng-Robinson (PR) Components C1, C2, C3 Bấm vào phím Enter Simulation Environment 2. Thiết lập dòng vật liệu Trong ô Nhập thông tin Name Natural Gas Temperature 25oC Pressure 20 bar Molar Flow 100 kgmole/h Component Mole Fraction C1 0.500 C2 0.300 C3 0.200 52
3. Thiết lập Expander Nhắp đúp vào Expander trong Object Palette Trong Connections page nhập các thông tin cho trong bảng dưới Trong ô Nhập thông tin Name Expander Feed Natural Gas Outlet Out Energy Work Giao diện thuộc tính của Expander, trong Design tab – Connections page như trong hình 3.13. Hình 3.13. Expander – Design tab – Connections page Chuyển sang Parameters page, thay đổi Adiabatic Efficiency là 30% (như trong hình 3.14). 53
Hình 3.14. Expander – Design tab – Parameters page Chuyển sang Worksheet tab, trong Conditions page nhập giá trị áp suất cho dòng ra là 5 bar. Khi hoàn thành khai báo các thông tin ban đầu, giao diện Worksheet như trong hình 3.15. Hình 3.15. Giao diện Worksheet Nhiệt độ dòng ra khỏi expander là bao nhiêu?___ 4. Lưu vào thư mục xác định (Save) Vào File Vào Save as Đặt tên file là Expander và bấm phím OK 54
Khi thực hiện giãn nở khí bằng Expander có thể làm giảm nhiệt độ của dòng khí. Trong trường hợp này, công suất hiệu dụng của Expander là 30% định mức thì nhiệt độ dòng khí tự nhiên giảm 31oC. Nếu công suất hiệu dụng của Expander càng nhỏ thì nhiệt độ dòng khí được giãn nở sẽ giảm càng ít. 3.4 Thiết bị trao đổi nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống và vỏ trong UNISIM được sử dụng để mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt. Heat Exchanger thực hiện tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng. Heat Exchanger là một thiết bị rất linh hoạt, có thể tính toán với nhiệt độ, áp suất, dòng nhiệt (bao gồm cả tổn thất và mất mát nhiệt), lưu lượng các dòng vật chất hoặc hệ số trao đổi nhiệt UA. Giải quyết bài toán đơn giản nhất là tìm lưu lượng dòng lạnh qua thiết bị trao đổi nhiệt ở điều kiện đã cho. Trong UNISIM, có thể lựa chọn Heat Exchanger Model (mô hình trao đổi nhiệt) để phân tích. Các mô hình bao gồm: mô hình End Point Model, mô hình trao đổi nhiệt ngược chiều lý tưởng Ft = 1, Weighted Design Model, phương pháp Steady State Rating, và phương pháp Dynamic Rating được sử dụng trong mô phỏng động. Phương pháp Dynamic Rating cũng được coi như phương pháp cơ bản và có thể được sử dụng trong mô phỏng tĩnh để đánh giá quá trình trao đổi nhiệt. 3.4.1 Bài toán Nước nóng ở 250oC và áp suất là 1000 psi được sử dụng để gia nhiệt dòng nước lạnh trong thiết bị trao đổi nhiệt Heat Exchanger. Dòng nước lạnh vào vào có nhiệt độ 25oC và áp suất là 130 psi. Nhiệt độ dòng lạnh và dòng nóng ra khỏi thiết bị lần lượt là 150oC và 190oC. Nếu lưu lượng dòng nóng là 100 kg/h, tính lưu lượng dòng lạnh đi qua thiết bị trao đổi nhiệt. 3.4.2 Tiến hành mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt Sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống và vỏ (shell and tube Heat Exchanger) để mô phỏng quá trình. Khai báo các tham số dòng vào, dòng ra đã được nêu trong bài toán. Tính lưu lượng khối lượng dòng lạnh. Xác định cấu tử và phương trình trạng thái sử dụng trọng fluid package Thiết lập dòng và thiết bị Heat Exchanger 1. Xác định cơ sở mô phỏng Nhập các cấu tử và phương trình trạng thái như cho trong bảng sau: 55
Giao diện Lựa chọn Components page H2O Property Package page Peng-Robinson Bấm phím Enter Simulation Environment. 2. Thiết lập dòng vật chất Thiết lập hai dòng vật chất với các thông số sau: Trong ô Nhập thông tin Name Tube in Shell in Temperature 250oC 25oC Pressure 1000 psi 130 psi Mass Flow 100 kg/h Compositions H2O 100% H2O 100% 3. Thiết lập Heat Exchanger Heat Exchanger thực hiện tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng, vì thế có thể tính toán với nhiệt độ, áp suất, dòng nhiệt (bao gồm cả tổn thất và mất mát nhiệt), lưu lượng các dòng vật chất và hệ số trao đổi nhiệt UA. Bấm vào biểu tượng Heat Exchanger trong Object Palette Trong Connections page, nhập các thông tin như trong hình 3.16 Hình 3.16. Heat Exchanger – Design tab – Connections page 56
Tương tự với Parameters page (điền các thông số như hình 3.17). Độ giảm áp Delta P của Tube and Shell sides (ống và vỏ thiết bị) là 0 psi. Hình 3.17. Heat Exchanger- Design tab- Parameters page Vào Worksheet tab, trong Conditions page, nhập các thông tin như hình 3.18. Nhiệt độ của Tube out và Shell out lần lượt là 190oC và 150oC. Hình 3.18. Heat Exchanger- Worksheet tab- Conditions page 57
Lưu lượng khối lượng của dòng lạnh là bao nhiêu? ___ 4. Lưu Case Vào File menu. Chọn Save As. Đặt tên file là Heat Exchanger sau đó bấm phím OK. Tại điều kiện đã cho và lưu lượng dòng nóng là 100 kg/h, lưu lượng dòng lạnh qua thiết bị trao đổi nhiệt là 55.21 kg/h. 3.5 Tháp tách pha Trong mô phỏng tĩnh, Flash Separator phân chia hỗn hợp hai pha trong tháp thành pha lỏng và pha hơi. Hai pha lỏng và hơi được phân tách trong tháp sau khi đã đạt trạng thái cân bằng Flash Separator thực hiện tính toán xác định các tham số sản phẩm và thành phần pha. Áp suất của quá trình tách là áp suất thấp nhất của nguyên liệu trừ đi độ giảm áp qua tháp tách. Entanpy bao gồm entanpy của dòng nguyên liệu và dòng năng lượng (giá trị mang dấu cộng nếu được đun nóng, mang dấu trừ nếu được làm lạnh). Separator có khả năng tính toán kết quả ngược lại. Ngoài việc áp dụng tính toán theo tiêu chuẩn (dòng nguyên liệu vào tháp đã khai báo thông tin đầy đủ, được tách tại áp suất và entanpy của tháp tách), Separator còn có thể sử dụng thành phần đã biết của một dòng sản phẩm để tính toán thành phần của dòng sản phẩm còn lại và dựa trên cân bằng vật chất của dòng nguyên liệu vào. 3.5.1 Bài toán Dòng vật chất bao gồm 15% etan, 20% propan, 60% i-butan, 5% n-butan ở 50oF và áp suất khí quyển, lưu lượng 100 lbmol/h. Nén dòng đến 50 psi sau đó làm lạnh đến 32oF. Sản phẩm là dòng hơi và dòng lỏng được tách ra. Tính lưu lượng và thành phần của hai dòng sản phẩm này. 3.5.2 Thực hiện mô phỏng quá trình tách pha 1. Xây dựng cơ sở mô phỏng Nhập các cấu tử và phương trình trạng thái: Trong giao diện Lựa chọn Property Package page Peng-Robinson Components page Ethane, propane, i-butane, n-butane 58
Bấm phím Enter Simulation Environment khi đã sẵn sàng thực hiện mô phỏng 2. Thiết lập dòng vật chất Thiết lập dòng vật chất với các giá trị sau: Trong ô Nhập thông tin Name Gas Temperature 50oF Pressure 1 atm Molar Flow 100 lbmole/h Compositions Ethane-15% Propane-20% i-butane-60% n-butane-5% 3. Thiết lập Compressor Bấm vào biểu tượng Compressor trong Object Palette. Trong Connections page, nhập các thông tin như trong hình 3.19. Hình 3.19. Compressor – Design tab - Connections page 59
Trong Worksheet tab, Conditions page, nhập các thông tin như hình 3.20. Áp suất của dòng Comp Gas là 50 psi (344.7 kPa). Hình 3.20. Compressor - Worksheet tab - Conditions page 4. Thiết lập Cooler Bấm vào biểu tượng Cooler trong Object Palette. Trong Connections page, nhập các thông tin như trong hình 3.21. Hình 3.21. Cooler - Design tab – Connections page 60
Chuyển sang Parameters page. Độ giảm áp là 0 psi như trong hình 3.22. Hình 3.22. Cooler - Design tab – Parameters page Chuyển sang Worksheet tab, Conditions page, nhập thông số như hình 3.23. Nhiệt độ dòng Cool Gas là 32oF (0oC). Hình 3.23. Cooler - Worksheet tab – Conditions page 5. Thiết lập Flash Separator Bấm vào biểu tượng Separator trong Object Palette. 61
Trong Connections page, nhập các thông số như trong hình 3.24. Hình 3.24. Separator – Design tab – Connections page Chuyển sang Worksheet tab để xem kết quả (hình 3.25 và 3.26): Hình 3.25. Separator – Worksheet tab – Conditions page 62
Hình 3.26. Separator – Worksheet tab – Composition page Điền kết quả nhận được vào bảng sau: Stream: Top Bottom Flowrate: ___ ___ Composition: Ethane: ___ ___ Propane: ___ ___ i-Butane: ___ ___ n-Butane: ___ ___ 6. Lưu Case Vào File menu. Chọn Save As Đặt tên file là Flash sau đó bấm OK Khi hoàn thành mô phỏng quá trình tách hai pha nhận được sơ đồ PFD như trong hình 3.27. 63
Hình 3.27. Lưu trình PFD với tháp tách pha 3.6 Cyclon Thiết bị Cyclon được sử dụng phổ biến trong các nhà máy hoá chất, cụ thể thường được sử dụng trong quá trình làm sạch sơ bộ dòng khí khỏi bụi, tạp chất rắn do có cấu tạo đơn giản, hiệu suất ổn định và có thể điều chỉnh thông qua vận tốc của dòng khí nguyên liệu và kích thước của Cyclon. Thiết bị Cyclone được sử dụng để tách riêng những chất rắn từ dòng khí và được khuyến cáo chỉ sử dụng để tách những hạt có kích thước lớn hơn 5. Cyclone bao gồm một hình trụ thẳng đứng có đáy hình côn, một đầu vào tiếp tuyến với thân hình trụ ở gần đầu thiết bị, và một đầu ra cho các chất rắn ở dưới cùng của đáy hình côn. Dưới tác dụng của lực ly tâm xuất hiện trong dòng khí chuyển động xoáy làm các hạt rắn bị văng về phía thành thùng Cyclone. Các hạt rắn va đập vào thành thiết bị, rơi xuống đáy hình côn, và do đó bị tách ra khỏi dòng khí. Các chất rắn cần tách ra phải được xác định trước đó và được thiết lập như là các thành phần trong dòng khí. Để cài đặt Cyclone hoạt động, bấm phím F12 và chọn Cyclone từ Unit Ops hoặc chọn biểu tượng Cyclone trong Object Palette (trước tiên cần phải bấm vào biểu tượng Solids Ops). Để bỏ qua Cyclone trong quá trình tính toán, chọn Ignored, UNISIM sẽ hoàn toàn bỏ qua những thao tác liên quan đến Cyclone cho đến khi khôi phục lại bằng cách bỏ lựa chọn Ignored. 64
3.6.1 Bài toán Hỗn hợp khí sản phẩm của quá trình cháy được đưa qua thiết bị Cyclon để làm sạch khỏi bụi cơ học và bụi than chưa cháy hết. Đây là công đoạn điển hình sau quá trình khí hoá than, hay quá trình làm sạch khói thải từ các nhà máy nhiệt điện sử dụng nguyên liệu than, khí. Hiệu suất làm sạch khí bằng Cyclon không chỉ phụ thuộc vào cấu tạo của Cyclon, mà còn phù thuộc vào kích thước của hạt bụi, trong thực tế, giá trị này có thể đạt từ 70 - 80% hoặc lớn hơn tùy thuộc vào kích thước hạt bụi. Trong bài toán này, Cyclon sẽ được mô phỏng cho quá trình phân tách gần như triệt để bụi ra khỏi dòng khí với giả thiết kích thước hạt bụi đủ lớn. Hỗn hợp dòng nguyên liệu đi vào Cyclon gồm có CO, CO2, SO2, NO2, N2, O2, H2O (hơi), Carbon (mô phỏng cho bụi cơ học và bụi than chưa cháy hết). Dòng nguyên liệu được đưa vào Cyclon ở điều kiện 120oC, 1 atm. 3.6.2 Thực hiện mô phỏng 1. Thiết lập cơ sở mô phỏng Bước đầu tiên cần phải thực hiện trước khi bắt đầu một quá trình mô phỏng là lựa chọn phương trình trạng thái thích hợp và nhập các cấu tử cần thiết. Nhập các thông tin sau: Trong page Lựa chọn Property Package Peng- Robinson Components CO, CO2, SO2, NO2, N2, O2, H2O, C 2. Khởi tạo dòng nguyên liệu Các thông số của dòng Feed được khai báo như trong bảng sau: Trong ô Nhập thông tin Name Feed Temperature [C] 120 Pressure [atm] 1 Molar Flow [kgmole/hr] 100 65
Compositions, mole fraction CO 0.125 CO2 0.156 SO2 0.056 NO2 0.0021 N2 0.31 O2 0.056 H2O 0.1609 C 0.134 3. Khởi tạo thiết bị Cyclon Từ Object Palette, chọn biểu tượng Solid Ops, tiếp đến chọn Cyclone và đưa vào PFD. Trong Connection page của Design tab, đặt tên thiết bị là X-100, kết nối với dòng nguyên liệu là Feed. Dòng sản phẩm hơi là Clean Gas, dòng sản phẩm rắn là Solid (như trên hình 3.28). Hình 3.28. Design tab – Connections page Chuyển sang Parameters page của Design tab. 66
Trong nhóm Configuration, có thể chọn High Efficiency hoặc High Output. Trong bài này chọn High Efficiency vì yêu cầu làm sạch bụi với mức độ cao tới 98.5%, nghĩa là 98.5% các hạt bụi rắn sẽ được loại khỏi dòng khí. Nhập giá trị Particle Efficiency bằng 98.5%. Trong nhóm Efficiency Method có hai lựa chọn: Lapple hoặc Leith/Licht method, phương pháp sau tính toán chặt chẽ hơn vì có tính đến ảnh hưởng của kích thước hạt rắn khác nhau. Trong bài toán này sẽ chọn Leith/Licht method (hình 3.29). Hình 3.29. Design tab – Parameters page Chuyển sang Solids page, chọn Solid Name là Carbon (hình 3.30). Hình 3.30. Design tab – Solids page 67
4. Đọc kết quả tính toán Chuyển sang Worksheet tab, có thể lựa chọn page tương ứng để đọc kết quả tính toán của thiết bị Cyclone. Điền kết quả vào bảng sau. Điền các giá trị sau: Molar flow (Solid): ___ Mole fraction của hạt rắn còn lại trong khí sạch (C- Clean Gas): ___ 5. Lưu case vào thư mục xác định Vào File menu. Chọn Save As. Đặt tên file là Cyclone sau đó bấm phím OK. Hoàn thành mô phỏng nhận được lưu trình PFD như trong hình 3.31. Hình 3.31. Lưu trình với Cyclone 3.7 Ejector Ejector là một công cụ mới của UNISIM và bắt đầu được đưa vào từ phiên bản UNISIM Design R410. Xuất phát từ nhu cầu tính toán thực tế, công cụ Ejector giúp mô phỏng quá trình sát với thực tế hơn. Ejector là thiết bị cho phép trộn hai dòng khí có áp suất và lưu lượng khác nhau, ví dụ khi thực hiện mô phỏng quá trình công nghệ hóa lỏng khí tự nhiên trong nhà máy sản xuất LNG (Liquefied Natural Gas) Trên thực tế, thiết bị Ejector được sử dụng phổ biến trong các nhà máy khí, các dòng khí đi vào Ejector có áp suất và lưu lượng rất khác nhau, và giá trị áp 68
suất của dòng khí đi ra khỏi Ejector sẽ được tính toán dựa trên áp suất của các dòng khí đi vào. Để tìm được công cụ Ejector trong UNISIM có thể làm theo một trong hai cách sau: Bấm phím nóng F12, chọn Ejector Trên thanh Menu chính chọn Flowsheet, sau đó chọn Add Operation, chọn tiếp Ejector ở cột bên phải Available Units Operations để khởi tạo Ejector. Hình 3.32. Design tab - Connections page Trên giao diện Connections tab của Ejector (hình 3.32), có thể kết nối các dòng vào Ejector, trong đó, dòng tại vị trí Suction Stream có vai trò là dòng hút, do vậy dòng này phải có áp suất lớn hơn, dòng Motive Stream là dòng có áp suất nhỏ hơn. Tại giao diện này, cũng có thể lựa chọn chế độ làm việc cho Ejector: Steam: cho phép trộn hai dòng hơi nước có áp suất chênh lệch nhau. Gas-Gas: cho phép trộn hai dòng khí có áp suất chênh lệch nhau. Các tab còn lại của Ejector sẽ được giữ nguyên theo mặc định. Áp suất của dòng khí đi ra khỏi Ejector sẽ được UNISIM tính toán dựa vào áp suất của hai dòng khí nguyên liệu. 69
3.7.1 Bài toán Trong nhà máy sản xuất khí tự nhiên hóa lỏng, LNG được tạo ra bằng cách hóa lỏng khí tự nhiên (đã qua công đoạn chế biến sơ bộ: tách nước, làm ngọt đạt đến giới hạn yêu cầu) ở nhiệt độ thấp. Trong công nghệ hóa lỏng khí, Ejector được sử dụng để trộn dòng khí áp suất cao với dòng khí áp suất thấp được tuần hoàn trở lại từ các tháp tách pha (V-1 và V-2), dòng khí đi ra ở đây sẽ được đưa vào máy giãn nở để ngưng tụ khí và đưa vào tháp tách pha. Dòng nguyên liệu đưa vào quá trình ở điều kiện nhiệt độ 310 K và áp suất 6,765 MPa. Máy nén dòng nguyên liệu A-1 A-2 A-3 Nguyên liệu Freon E-1 V-1 Máy nén dòng tuần hoàn E-2 V-2 A-1 và A-3: Thiết bị trao đổi nhiệt Shell & Tube A-2: Thiết bị làm lạnh bằng Freon E-1 và E-2: Ejector V-1 và V-2: Tháp tách pha Hình 3.33. Sơ đồ nguyên lý công nghệ sản xuất LNG LNG 3.7.2 Thực hiện mô phỏng 1. Thiết lập cơ sở mô phỏng Bước đầu tiên cần phải thực hiện trước khi bắt đầu một quá trình mô phỏng là lựa chọn phương trình trạng thái thích hợp và nhập các cấu tử cần thiết. Nhập các thông tin sau: Trong page Lựa chọn Property Package Peng- Robinson Components C1, C2, C3, iC4, nC4, iC5, nC5, nC6 2. Khởi tạo dòng nguyên liệu 70
Các thông số của dòng Feed được khai báo như trong bảng sau: Conditions Name Feed Temperature 310 K Pressure 6.765 MPa Molar Flow 80 kgmole/hr Compositions, mole fraction C1 0.9056 nC4 0.0060 C2 0.0508 iC5 0.0020 C3 0.0252 nC5 0.0013 iC4 0.0072 nC6 0.0019 3. Khởi tạo lần lượt các thiết bị sau Khởi tạo máy nén Comp-1 Từ Object Palette, chọn Compressor đưa vào PFD. Tab [page] Trong ô Nhập thông tin Design tab Name Comp-1 [Connections page] Inlet Feed Outlet Comp-1 out Energy Q- comp 1 Worksheet tab Pressure (comp-1 out) 20 MPa Sau khi nhập xong các thông số, máy nén Comp-1 sẽ có giao diện như hình 3.34. 71
Hình 3.34. Design tab – Connections page Chuyển sang Conditions page của Worksheet tab, nhập giá trị áp suất cho dòng comp-1 out là 20 MPa (hình 3.35). Hình 3.35. Worksheet tab – Conditions page Khởi tạo thiết bị làm mát (giao diện như trên hình 3.36). 72
Design tab Name Cooler-1 [Connections page] Inlet Comp-1 out Outlet To mixer Energy Q-cooler- 1 [Parameters page] Delta P 0 kPa Worksheet tab Temperature (to mixer) 313 K Hình 3.36. Design tab – Connections page Khởi tạo thiết bị trộn dòng MIXER (giao diện như trên hình 3.37). Design tab Name Mixer [Connections page] Inlet To Mixer Outlet M-1 out Design tab Automatic Pressure Assignment Equalize All [Parameters page] 73
Hình 3.37. Design tab – Connections page Khởi tạo thiết bị trao đổi nhiệt A-1 Design tab Name A-1 [Connections page] Tube side Inlet M-1 out Shell Side Inlet Rec to A-1 Tube side outlet To A-2 Shell side outlet To rec-Comp Design tab Delta P (Tube side, Shell side) 0 kPa [Parameters page] Heat Exchanger Model Weighted Worksheet tab Temperature (To A-2) 300 K Giao diện thuộc tính của thiết bị trao đổi nhiệt A-1 hiển thị như trên các hình 3.38, 3.39 và 3.40. 74
Hình 3.38. Design tab – Connections page Hình 3.39. Design tab – Parameters page 75
Hình 3.40. Worksheet tab – Conditions page Khởi tạo thiết bị làm lạnh A-2 Khai báo các thông số của A-2 như trong bảng sau: Design tab Name A-2 [Connections page] Inlet To A-2 Outlet To A-3 Energy Q- A-2 Design tab Delta P 0 kPa [Parameters page] Worksheet tab Temperature (to A-3) 290 K Giao diện hiển thị như trong hình 3.41. 76
Hình 3.41. Design tab – Connections page Khởi tạo thiết bị trao đổi nhiệt A-3 Design tab Name A-3 [Connections page] Tube side Inlet To A-3 Shell Side Inlet Rec to A-3 Tube side outlet To TEE Shell side outlet Rec to A-1 Design tab Delta P (Tube side, Shell side) 0 kPa [Parameters page] Heat Exchanger Model Weighted Worksheet tab Temperature (To TEE) 285 K Khởi tạo thiết bị chia dòng TEE Design tab Name TEE [Connections page] Inlet to TEE Outlet To E-1 To E-2 Design tab Flow Ratios 0.5 [Parameters page] 77
Khai báo dòng Rec to E-1 với các thông tin cho trong bảng sau: Conditions Name Rec to E-1 Temperature [K] 140.4 Pressure [MPa] 0.6 Molar Flow [kgmole/hr] 2 Compositions, mole fraction C1 0.9993 C2 0.0007 Khởi tạo thiết bị Ejector E-1 (giao diện như trên hình 3.42). Design tab Name E-1 [Connections page] Suction Stream to E-1 Motive Stream rec to E-1 Operation Mode Gas-Gas Discharge stream to Ex-1 Hình 3.42. Design tab - Connections page 78
Khởi tạo máy giãn nở khí Ex-1 (giao diện như trên hình 3.43). Design tab Name Ex-1 [Connections page] Inlet to Ex-1 Outlet To V-1 Energy Q-Ex-1 Worksheet tab Pressure ( to A-4) 1.2 MPa Hình 3.43. Design tab - Connection page Khởi tạo tháp tách pha V-1 (giao diện như trên hình 3.44). Design tab Name V-1 [Connections page] Inlet To V-1 Vapour outlet Rec to A-3 Liquid outlet To RV-1 79
Hình 3.44. Design tab - Connection page Khởi tạo van giảm áp RV-1 Design tab Name RV-1 [Connections page] Inlet To RV-1 Outlet To V-2 Worksheet tab Pressure ( to V-2) 0.6 MPa Khởi tạo tháp tách pha V-2 Design tab Name V-2 [Connections page] Inlet To V-2 Vapour Outlet To rec-1 Liquid Outlet to RV-2 Khởi tạo công cụ Recycle để thực hiện tuần hoàn dòng khí đưa vào Ejector: REC-1 (giao diện như trên hình 3.45). Design tab Name REC-1 [Connections page] Inlet To rec-1 Outlet Rec to E-1 80
Hình 3.45. Connections tab - Connections page Khởi tạo van giảm áp RV-2 Design tab Name RV-2 [Connections page] Inlet To RV-2 Outlet to Tank Worksheet tab Pressure ( to Tank) 0.4 MPa Khởi tạo thùng chứa sản phẩm Tank Design tab Name Tank [Connections page] Inlet to Tank Vapour outlet to rec-2 Liquid outlet LNG Khởi tạo công cụ Recycle để thực hiện tuần hoàn dòng khí đưa vào Ejector 2: REC-2 Design tab Name REC-2 [Connections page] Inlet To rec-2 Outlet Rec to E-2 81
Khởi tạo thiết bị Ejector E-2 Design tab Name E-2 [Connections page] Suction Stream to E-2 Motive Stream rec to E-2 Operation Mode Gas- Gas Discharge stream to Ex-2 Khởi tạo thiết bị giãn nở khí Ex-2 (giao diện như trên hình 3.46). Design tab Name Ex-2 [Connections page] Inlet To Ex-2 Outlet Out from Ex-2 Energy Q- Ex-2 Worksheet tab Pressure ( out from Ex-2) 0.6 MPa Hình 3.46. Design tab – Connections page Dòng Out from Ex-2 đi ra khỏi Ex-1 được đưa vào tháp tách pha V-2, sau khi hoàn thành, giao diện của tháp tách V-2 sẽ hiển thị như trong hình 3.47. 82
Hình 3.47. Design tab – Connections page Khởi tạo máy nén tăng áp cho dòng khí tuần hoàn Rec-comp Design tab Name Rec-comp [Connections page] Inlet To rec-comp Outlet To cooler-2 Energy Q- rec-comp Worksheet tab Pressure (to cooler-2) 20 MPa Khởi tạo thiết bị làm lạnh Cooler-2 Design tab Name Cooler-2 [Connections page] Inlet To cooler-2 Outlet To rec-3 Design tab Delta P 0 kPa [Parameters page] Worksheet tab Temperature (to rec-3) 313 K Khởi tạo công cụ Recycle REC-3 Design tab Name REC-3 [Connections page] Inlet To rec-3 Outlet Rec to mixer 83
Sau đó dòng Rec to mixer được đưa vào MIXER. Giao diện của MIXER sẽ hiển thị như trong hình 3.48. Hình 3.48. Design tab – Connections page Hoàn thành mô phỏng nhận được lưu trình PFD như trong hình 3.49. Hình 3.49. Sơ đồ PFD mô phỏng công nghệ hóa lỏng khí tự nhiên 84
Chuyển sang Worksheet tab, có thể lựa chọn page tương ứng để đọc kết quả tính toán của Ejector. Điền kết quả vào bảng sau. Điền các giá trị sau: Molar flow of to Ex-1: ___ Mole fraction of to Ex-1: ___ 4. Lưu case vào thư mục xác định Vào File menu Chọn Save As Đặt tên file là Ejector sau đó bấm phím OK 3.8 Tóm tắt và ôn tập chương 3 Tìm được nhiệt độ dòng ra khi biết công suất hiệu dụng của bơm, máy nén, tuốc bin giãn nở khí Kết nối các dòng với thiết bị. Xác định nhiệt độ đầu ra khi biết công suất hiệu dụng của thiết bị và ngược lại. Bơm dùng để vận chuyển chất lỏng. Trong chương này đã sử dụng mô hình bơm để mô phỏng quá trình bơm chất lỏng. Biết cách khai báo các tham số của bơm Kết nối compressor và expander để tận dụng năng lượng. Máy nén nói chung dùng để vận chuyển khí. Trong chương này đã sử dụng Compressor để mô phỏng quá trình nén. Biết cách khai báo các tham số của một Compressor. Trong chương này, đã sử dụng Heat Exchanger để tính toán và tìm lưu lượng dòng lạnh đi qua thiết bị trao đổi nhiệt ở điều kiện đã cho, sử dụng phương pháp tính toán End Point Model. Separator trong UNISIM được sử dụng để mô phỏng quá trình tách hai pha lỏng và hơi. Đã thực hiện tính toán lưu lượng của dòng lỏng và dòng hơi ra khỏi tháp tách khi biết lưu lượng dòng hai pha vào tháp. 85
Dòng hơi và dòng lỏng trong tháp tách đạt trạng thái cân bằng trước khi được tách ra. Thiết bị Cyclon được sử dụng phổ biến trong phân tách hai pha không đồng nhất rắn – khí. Từ kết quả nhận được có thể thấy hiệu quả phân tách của Cyclon, và vai trò của Cyclon trong công nghiệp sử dụng để phân tách các hạt rắn. Đối với các quá trình yêu cầu tách triệt để, hiệu suất tách cao hơn khi có mặt các hạt bụi kích thước nhỏ (<5m) thì cần thêm các phương pháp tách khác, ví dụ như sử dụng thiết bị lọc điện Khác với Mixer được sử dụng trong trường hợp trộn hai dòng khí có áp suất gần bằng nhau, tính toán gần đúng bằng cách tính áp suất dòng ra bằng áp suất của dòng có áp suất nhỏ hơn hoặc tính cân bằng áp suất hai dòng, trong chương này đã làm quen với Ejector, thiết bị được sử dụng phổ biến trong các nhà máy xử lý và chế biến khí, cho phép trộn hai dòng khí có áp suất và lưu lượng chênh lệch nhau rất nhiều với kết quả tính toán chính xác, phù hợp với thực tế. Đã mô phỏng phỏng phân xưởng hóa lỏng khí để sản xuất khí tự nhiên hóa lỏng LNG, trong đó có sử dụng Ejector. 3.9 Bài tập nâng cao Khi nhiệt độ đầu ra của bơm là 200ºC thì công suất hiệu dụng của bơm là bao nhiêu? Nếu nhiệt độ dòng ra là 400°C thì công suất hiệu dụng của máy nén là bao nhiêu? Công suất hiệu dụng của expander là bao nhiêu khi nhiệt độ dòng khí ở đầu ra là – 30oC? Nếu lưu lượng dòng lạnh là 100 kg/h, xác định lưu lượng dòng nóng. Nhiệt lượng trao đổi giữa hai dòng là bao nhiêu? Nếu nhiệt độ dòng Cool Gas là 10oF, thì lưu lượng và thành phần của hai dòng là bao nhiêu? 86
Chương 4. CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG Nội dung Trong chương này giải quyết những vấn đề liên quan đến các mô hình thiết bị phản ứng cơ bản trong công nghệ hoá học: phản ứng chuyển hoá, phản ứng cân bằng, phản ứng Gibbs, thiết bị phản ứng khuấy liên tục (CSTR), và thiết bị phản ứng dòng đẩy (PFR). Thông qua mô phỏng các quá trình phản ứng cụ thể, đưa ra cách thiết lập phản ứng và nhóm phản ứng, cách lựa chọn mô hình phản ứng phù hợp trên cơ sở thông tin đã biết về quá trình phản ứng. Mục tiêu Sau khi học xong có thể: Mô phỏng quá trình phản ứng trong UNISIM Thiết lập các phản ứng Thiết lập nhóm phản ứng (Reaction Set) Gắn Reaction Set đã cài đặt với hệ nhiệt động Fluid Package Lựa chọn mô hình phản ứng phù hợp In các thông tin của dòng và dữ liệu Workbook Yêu cầu Trước khi học chương này người sử dụng cần phải biết: Điều chỉnh PFD Thêm các dòng trong PFD hoặc Workbook Khởi tạo và nối các dòng và thiết bị trong PFD Sử dụng Case Study 87
4.1 Thiết bị phản ứng chuyển hoá Loại phản ứng chuyển hoá không yêu cầu các thông tin về nhiệt động học. Việc phải làm là nhập hệ số tỷ lượng phản ứng và độ chuyển hoá của chất phản ứng cơ bản. Độ chuyển hoá luôn luôn dưới 100%. Phản ứng tiến hành cho đến khi đạt giới hạn hoặc hết chất phản ứng. Việc nhóm các phản ứng khác loại với nhau là không thể thực hiện, tuy nhiên, có thể nhóm các phản ứng Conversion lại thành một nhóm và phân loại các phản ứng (phản ứng nối tiếp hay song song). Phản ứng có bậc thấp nhất sẽ xảy ra đầu tiên (có thể bắt đầu hoặc là 0 hoặc 1). Cũng như các phản ứng đơn lẻ, tổng độ chuyển hoá cấu tử cơ bản trong nhóm các phản ứng không được quá 100%. Các phản ứng Conversion không được sử dụng trong các thiết bị phản ứng đẩy lý tưởng (PFR) hoặc khuấy lý tưởng (CSTR). Nói chung, các phản ứng Conversion chỉ được thực hiện trong thiết bị phản ứng Conversion Reactor. Ngoài ra cũng có thể sử dụng tháp tách hai pha Separator để thực hiện phản ứng chuyển hoá. Trong chương này sẽ phát triển mô hình sản xuất khí hydro từ metan bằng phản ứng oxi hoá. Phương pháp oxi hoá không hoàn toàn dựa trên phản ứng của metan với không khí để sản xuất oxit cacbon và khí hydro. Thực hiện khai báo các phản ứng chuyển hoá (Conversion) và thiết lập nhóm các phản ứng vào thiết bị phản ứng trong UNISIM 4.1.1 Bài toán Công nghệ sản xuất khí hydro từ hydrocacbon đã có những bước phát triển đáng kể trong thập kỷ qua. Hiệu quả của công nghệ sản xuất hydro có liên quan trực tiếp đến các thiết bị chuyển hoá năng lượng như pin nhiên liệu (fuel cell). Sự chuyển hoá nhiên liệu thành hydro được thực hiện bằng quá trình oxi hoá không hoàn toàn. Phương pháp này dựa vào phản ứng của nhiên liệu ví dụ như metan với không khí để tạo ra oxit cacbon và hydro. CH4 + 1/2 O2  CO + 2H2 CH4 + O2  CO2 + 2H2 Phát triển mô hình đại diện cho quá trình oxi hoá không hoàn toàn metan để sản xuất hydro. 88
4.1.2 Thực hiện mô phỏng Bước đầu tiên để mô phỏng quá trình sản xuất hydro là chọn phương trình trạng thái thích hợp. Nhập các thông tin như sau: Trong ô Lựa chọn Property Package page Peng-Robinson Components page CH4, O2, N2, CO, CO2, H2 1. Thiết lập các phản ứng Các phản ứng trong UNISIM được khởi tạo theo cách tương tự như thêm các cấu tử khi bắt đầu xây dựng cơ sở mô phỏng. Bấm vào Reaction tab trong Simulation Basis Manager. Lưu ý rằng tất cả các cấu tử đã chọn được hiển thị trong danh sách Rxn Components. Hình 4.1. Giao diện Reaction tab Bấm phím Add Rxn, sẽ hiển thị cửa sổ nhỏ có chứa danh sách các phản ứng, chọn phản ứng Conversion từ danh sách. Nhập các thông tin như trong giao diện hình 4.2 sau đây: 89
Hình 4.2. Giao diện Conversion Reaction Rxn-1 – Stoichiometry tab Chuyển sang Basis tab và nhập các thông tin như trong giao diện hình 4.3 sau đây: Hình 4.3. Giao diện Conversion Reaction Rxn-1 – Basis tab Với phản ứng thứ 2, tương tự nhập các thông tin sau: 90
Hình 4.4. Giao diện Conversion Reaction Rxn-2 – Stoichiometry tab Tương tự ở Basis tab, nhập các thông tin sau: Hình 4.5. Giao diện Conversion Reaction Rxn-2 – Basis tab 91
2. Thiết lập nhóm các phản ứng Khi hai phản ứng này đã được khai báo đầy đủ các thông tin, cần phải thiết lập Reaction Set cho thiết bị phản ứng chuyển hoá Conversion Reactor. Vẫn đang ở Reaction tab (như hình 4.1), bấm phím Add Set. Đặt tên cụm phản ứng là Oxidation Rxn Set, và nhập hai phản ứng Rxn-1, Rxn-2 vào. Các phản ứng được nhập bằng cách chọn các phản ứng cần thiết từ danh sách thả xuống trong Active List. Giao diện sẽ hiển thị như trong hình 4.6 dưới đây khi đã hoàn thành. Hình 4.6. Giao diện tạo Oxidation Rxn Set 3. Thiết lập các phản ứng nối tiếp Các phản ứng chuyển hoá có thể được nhóm lại và phân loại phản ứng (nối tiếp hoặc song song). Phản ứng nào được xếp hạng thấp nhất sẽ xảy ra đầu tiên (có thể bắt đầu hoặc là 0 hoặc 1). Để thiết lập cho các phản ứng xảy ra nối tiếp, trong Oxidation Rxn Set (hình 4.6), bấm vào phím Ranking và nhập các thông tin cho phản ứng Rxn- 1 có Rank là 0, phản ứng Rxn-2 có Rank là 1, như trong hình 4.7 dưới đây. Điều đó có nghĩa là các phản ứng Rxn-1 và Rxn-2 là các phản ứng nối tiếp, phản ứng Rxn-1 sẽ xảy ra trước, phản ứng Rxn-2 xảy ra sau. 92
Hình 4.7. Thiết lập cho các phản ứng nối tiếp 4. Liên kết nhóm phản ứng vào Fluid Package Sau khi thiết lập nhóm phản ứng (Reaction Set), cần phải nhập vào hệ nhiệt động đã lựa chọn trong UNISIM để sử dụng. Chọn Reaction Set và bấm phím Add to FP. Chọn Fluid Package và bấm phím Add Set to Fluid Package. Nếu cần, có thể save Fluid Package kèm theo các phản ứng đã gắn vào. Như vậy có thể mở lại FP này ở bất kỳ bài toán mô phỏng nào khác trong UNISIM khi FP này phù hợp. Khi các phản ứng cài đặt đã được gắn vào Fluid Package, có thể vào môi trường mô phỏng và bắt đầu xây dựng PFD. 5. Thiết lập các dòng vật chất Thiết lập dòng vật chất thứ nhất với các thông tin cho trong bảng sau. Trong ô Nhập thông tin Name Methane Temperature 25oC Pressure 2 bar Molar Flow 100 kgmole/h Component Mole Fraction C1 1.000 93
Tương tự với dòng thứ hai Trong ô Nhập thông tin Name Air Temperature 25oC Pressure 2 bar Molar Flow 260 kgmole/h Component Mole Fraction N2 0.79 O2 0.21 6. Thiết lập thiết bị phản ứng chuyển hoá Từ Object Palette, bấm vào biểu tượng General Reactor, chọn Conversion Reactor và đưa vào PFD. Đặt tên thiết bị là Oxidation Reactor và nối với hai dòng nguyên liệu đã thiết lập ở trên là Methane và Air. Đặt tên dòng sản phẩm hơi là Ox_Vap, mặc dù trong trường hợp này không có sản phẩm lỏng nhưng vẫn phải đặt tên là Ox_Liq (hình 4.8). Hình 4.8. Oxidation Reactor – Design tab – Connections page 94
Trong Details page của Reaction tab, chọn nhóm phản ứng Oxidation Rxn Set đã cài đặt, các phản ứng sẽ tự động được kết nối với thiết bị phản ứng (hình 4.9). Hình 4.9. Oxidation Reactor – Reactions tab – Details page Chuyển sang Composition page của Worksheet tab, phân tích thành phần của dòng sản phẩm Ox_Vap, điền kết quả vào bảng dưới đây. Lưu lượng mol của các cấu tử bằng bao nhiêu? Methane: ___ Nitrogen: ___ Oxygen: ___ CO: ___ CO2: ___ Hydrogen: ___ 7. Lưu Case Vào File menu. Chọn Save As. Đặt tên file là Conversion sau đó bấm phím OK. Lưu trình hoàn thành như trong hình 4.10. 95
Hình 4.10.Lưu trình PFD với thiết bị phản ứng chuyển hoá 4.1.3 Tóm tắt và ôn tập Trong phần này đã giới thiệu mô hình sản xuất hydro từ metan bằng phương pháp oxi hoá không hoàn toàn. Phương pháp này dựa trên những phản ứng của metan với không khí để tạo ra cacbon oxit và hydro. Qua đó học được cách thao tác thiết lập các phản ứng chuyển hoá (Conversion) và nhóm các phản ứng (Reactions Set) trong UNISIM, sau đó nhập các nhóm phản ứng vào hệ nhiệt động. Khi thực hiện mô phỏng, các phản ứng sẽ được liên kết với thiết bị phản ứng, UNISIM sẽ thực hiện tính toán các phản ứng này. 4.2 Thiết bị phản ứng cân bằng Equilibrium Reactor là thiết bị mô phỏng trong đó thực hiện các phản ứng cân bằng (equilibrium reaction). Dòng ra khỏi thiết bị đạt trạng thái cân bằng hoá học và vật lý. Reaction Set được gắn cho Equilibrium Reactor bao gồm không giới hạn các phản ứng cân bằng, được diễn ra song song hoặc nối tiếp. Không có các cấu tử và quá trình lý tưởng, UNISIM có thể tính toán hoạt tính hoá học của mỗi cấu tử trong hỗn hợp phản ứng dựa trên fugat của các cấu tử đơn chất và hỗn hợp. Phát triển mô hình đại diện là phản ứng chuyển hoá khí (Water Gas Shift – WGS). Vai trò của phản ứng WGS là tăng hiệu suất H2 và giảm nồng độ CO đáp ứng yêu cầu của pin nhiên liệu, không gây ngộ độc anot và giảm hiệu suất sử dụng của pin. Có thể kiểm tra độ chuyển hoá thực tế, thành phần cấu tử cơ bản, hằng số cân bằng và bậc phản ứng đối với từng phản ứng được cài đặt trong Reaction Set. Độ chuyển hoá, hằng số cân bằng và các thông số tính toán khác, tất cả được tính toán dựa trên những thông tin được cung cấp khi thiết lập Reaction Set. 96
4.2.1 Bài toán Một ứng dụng mới của hydro để sản xuất pin nhiên liệu cho động cơ (PEM fuel cell). Pin nhiên liệu đòi hỏi nồng độ CO thấp hơn 10  20 ppm, để tránh gây ngộ độc anot và làm giảm đột ngột hiệu suất nhiên liệu. Các pin nhiên liệu (fuel cell) biến đổi năng lượng hoá học của nhiên liệu hydro trực tiếp thành năng lượng điện. Không giống như pin hoặc ắc quy, pin nhiên liệu không bị mất điện và cũng không có khả năng tích điện. Pin nhiên liệu hoạt động liên tục khi nhiên liệu là hydro và chất oxi hoá là oxy được đưa từ ngoài vào. Do đó, nếu hydro được sản xuất từ quá trình reforming hydrocacbon hoặc rượu, việc tinh chế làm giảm nồng độ CO là vô cùng cần thiết. Công nghệ phổ biến nhất hiện nay là chuyển hoá khí bằng hơi nước (WGS) theo phản ứng sau: CO + H2O CO2 + H2 Phản ứng này đã được sử dụng trong công nghiệp từ hơn 50 năm trước để sản xuất hydro từ các hydrocacbon lỏng và khí. Vai trò của phản ứng WGS là tăng hiệu suất hydro và làm giảm nồng độ CO tránh gây ngộ độc xúc tác. Xây dựng mô hình phản ứng WGS. 4.2.2 Thực hiện mô phỏng quá trình phản ứng cân bằng Sẽ sử dụng tiếp case phản ứng chuyển hoá đã làm ở trên, có bổ sung thêm cấu tử, H2O. Mở case đã lưu ở trên với phản ứng Conversion Hình 4.11. Mở case Conversion 97
Bấm vào biểu tượng Enter Basis Environment trên thanh công cụ để vào giao diện Simulation Basis Manager. Trong Components tab, vào giao diện Component List-1 để thêm cấu tử. Thêm cấu tử H2O vào danh sách, như mô tả trong hình 4.12. Hình 4.12. Bổ sung cấu tử H2O 1. Thiết lập các phản ứng Các phản ứng trong UNISIM được nhập vào theo cách tương tự như nhập cấu tử để thực hiện mô phỏng. Bấm vào Reaction tab trong Simulation Basis Manager. Lưu ý rằng tất cả các cấu tử được hiển thị trong danh sách Rxn Components. Hình 4.13. Thiết lập phản ứng 98
Bấm vào phím Add Rxn, chọn phản ứng Equilibrium từ danh sách hiển thị. Nhập các thông tin cần thiết như sau: Hình 4.14. Nhập hệ số tỷ lượng cho phản ứng Trong Basis tab, các thông số để mặc định vì vậy không cần khai báo, giao diện như sau: Hình 4.15. Giao diện Basis tab 99
2. Nhập Reaction Sets Khi phản ứng này đã được khai báo đầy đủ các thông tin, có thể cài đặt cho thiết bị phản ứng cân bằng Equilibrium Reactor. Trong Reaction tab, bấm vào phím Add Set. Đặt tên nhóm phản ứng này (Reaction Set) là WGS Rxn Set, và nhập phản ứng Rxn-3 vào. Các phản ứng được nhập vào bằng cách lựa chọn các phản ứng trong danh sách của nhóm Active List. Kết thúc sẽ có giao diện như mô tả trong hình 4.16 dưới đây: Hình 4.16. Thiết lập Reaction Set 3. Liên kết Reaction Set vào Fluid Package Sau khi thiết lập nhóm phản ứng (Reaction Set), cần phải đưa vào Fluid Package để UNISIM có thể sử dụng trong tính toán. Chọn Reaction Set và bấm phím Add to FP. Chọn Fluid Package và bấm phím Add Set to Fluid Package. Khi các phản ứng được cài đặt đã được liên kết vào Fluid Package, bấm phím Return to the Simulation Environment để quay trở lại môi trường mô phỏng và bắt đầu xây dựng mô phỏng PFD. Lưu ý rằng phím Solver đã được bật (biểu tượng đèn màu xanh trên thanh công cụ). 4. Thiết lập dòng nguyên liệu Thiết lập dòng vật chất với các thông tin sau: 100