ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
BM: CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU KHÍ
THÍ NGHIỆM CHUYÊN ĐỀ
MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH
GV-TS Huỳnh Quyền
Hồ ChíMinh, 2008
Mục đích:
-Trang bị cho SV những khái niệm cơ sở về mô hình, quy trình mô hình hóa ưng dụng trong thiết kế mô phỏng các thiết bị, quá trình công nghệ.
-Trang bị những kiến thức cơ sở về chương trình PROII, HYSYS...
-Làm quen với chương trình mô phỏng proII qua các ví dụ về mô phỏng
Giới thiệu tổng quan
I. Giới thiệu:
-Thiết kế mô phỏng là quá trình thiết kế với sự trợ giúp của máy tính và các phần mền ứng dụng chuyên nghiệp.
-Các từ khóa được sử dụng trong thiết kế mô phỏng:
Simulation, process simulation : Mô phỏng, quá trình mô phỏng
Dynamic simulation : mô phỏng động
Simulator : thiết kế mô phỏng
Equation of state (EOS) : phương trình trạng thái
Steady-state simulation : mô phỏng trạng thái bền vững
To proceed by trial and error : Mô phỏng bằng cách mò mẫm
Model : mô hình
Modelling : quá trình mô hình hóa .....
II.Khái niệm Model, mô hình hóa
mô hình hoá
Phương trình mô hình hoá
Biến ra (T,P,V…) Biến vào (T,P,V…)
Phương trình mô hình hoá: Tham số hiệu suất quá trình
-Phương trình năng lượng
-Phương trình vật chất
-Phương trình hiệu suất của quá trình
Model mô hình hoá một thiết bị
Dựa trên:
Hệ các phương trình:
-Phương trình cân bằng vật liệu
-Phương trình cân bằng năng lượng
-Phương trình hiệu suất của thiết bị
Tham số:
- Đầu vào
- những đặc trưng
- tham số hiệu suất
Cho phép tính toán được đầu ra của thiết bị
Các bước tiến hành mô hình hoá
1
Phương trình toán học Vấn đề thực tế
2 4
3
Giải quyết bài toán Lặp
Quy trình mô hình hoá
Xác định vấn đề Xây dựng model Hiệu chỉnh model
Tham số giới hạn Giải quyết Model
Dữ liệu Kiểm tra model
III. Ứng dụng của thiết kế mô phỏng:
-Thiết kế một quá trình mới ( designing)
-Kiểm tra một quá trình đang tồn tại (Retrofitting).
-Hiệu chỉnh quá trình đang vận hành (Troubleshooting)
-Tối ưu quá trình đang vận hành. ( Optimizing)
-Tạo cơ sở cho quá trình thiết kế hệ thống điều kiển của
quá trình.
Các bước cần quan tâm khi tiến hành thiết kế mô phỏng:
- Để làm gì?
- Nội dung mô phỏng
- Sự cần thiết của tính phức tạp trong quá trình mô phỏng
- Kết quả nào cần xác định của quá trình mô phỏng.
lưu ý: Mục tiêu làhàm của các biến số ban đầu
IV. Các phần mềm ứng dụng mô phỏng trong CNHH
-Design II ( WINSIM)
-Pro/II (Simsci)
-Prosim
-HYSYS ( HYSIM)
.....
IV Phần mềm PRO/II
IV.1 Giới thiệu chung về ProII:
-Lịch sử:
+Xây dựng năm 1967 và đưa vào ứng dụng 1988 do SIMSCI
+Có nhiều phiên bản
-Ứng dụng: + Các quá trình công nghệ Hóa học, Polymer, Hóa dược, đặc biệt trong công nghệ chế biến dầu khí...
-Nguyên tắc của proii: +làm việc theo kiểu modul.
+ có một thư viện dữ liệu phong phú: Đặt tính
hóa lí của các cấu tử, hệ thống các phương trình động học cho phép tính toán các tính chất hóa lý, phuơng trình phản ứng
IV.2 Ứng dụng của PROII:
-Thiết kế phân xưởng mới.
- Mô phỏng một phân xưởng đang hoạt động nhằm tối ưu, hiệu chỉnh, xây dựng mô hình điều khiển quy trình...
IV.3 các bước tiến hành mô phỏng bằng proII
-Chọn hệ đơn vị ( anh, mét, SI)
-Xác định thành phần cấu tử có trong hệ
-Lựa chọn phương trình nhiệt động:
-Xây dựng dòng nguyên liệu và đặc tính của sản phẩm
-Xây dựng thiết bị với các thông số của đặc trưng thiết bị và điều kiện vận hành.
Lưu ý:
-Chú ý đến độ đơn giản của sơ đồ mô phỏng.
- Mô phỏng chỉ thực hiện ở chế độ dừng
V Các khái niệm cơ bản về quá trình chưng cất:
Hình vẽ:
V.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh:
Các dạng ngưng tụ:
PROII mật định quá trình ngưng tụ sản phẩm đỉnh là một bậc thay đổi nồng độ tương ứng với một đĩa lý thuyết.
Có 4 dang ngưng tụ:
-Ngưng tụ một phần: (partial) lỏng chỉ được ngưng tụ một phần, nhiệt độ bằng chính nhiệt độ điểm sương của hỗn hợp.
+ Distillat vapor: Lỏng ngưng tụ chỉ để hồi lưu, sản
Dạng này có hai loại: phẩm lấy ra ở trạng thái hơi ( overhead).
+ Distillat mixe: lỏng ngưng tụ một phần hồi lưu một
phần thu hồi
-Bubble temperature: Hỗn hợp được làm lạnh đến nhiệt độ điểm sôi, hỗn hợp ngưng tụ hòan toàn. Một phần hồi lưu, một phần thu hồi ( Fixe rate draw:
+ Subcooled, Fixe temperature: Làm lạnh dưới nhiệt độ điểm
sôi của hổn hợp.
+ Subcooled, Fixe temperature drop: Giốg như quá trình trênm
nhưng nhiệt độ làm lạnh được xác định bỡi một giá trị nào đó
V.2 Thiết bị đun sôi đáy: ( Reboiler)
ProII xem thiết bị đun sôi đáy như một bậc thay đổi nồng độ
Thiết bị đun sôi đáy có 3 dạng:
+ Kettle:
+ Thermosiphon without baffles
+ Thermosiphon with baffles
VI Lý thuyết về nhiệt động học
Nhưng đặc trưng nhiệt động học là cơ sở dữ liệu quan trọng cho việc tính toán phân tách tòan hệ thống
-Có nhiều phương pháp tính tóan
-Hai phương pháp nổi bậc nhất:
+API và Rackett: Tính tóan chính xác tỷ trọng của pha lỏng.
+ Phương trình trạng thái ( phương trình bậc III tổng quát, phương trình PR, SRK, SRKP... Tính tóan chính xác các đựac trưng nhiệt động học như enthanpie, entropie lỏng hơi, tỷ trọng pha hơi...
VI.1 Phương trình trạng thái:
- Ứng dụng trong khoảng nhiệt độ và áp suất rộng
- Trạng thái tham khảo là trạng thái khí lý tưởng và trang thái thực được tính chênh lệch so với trạng thái lý tưởng thông qua các hệ số hoạt áp cho cả hai pha
VI.1.1 Phương trình bậc ba tổng quát
Các hệ số u, w được xác định:
VI.1.2 Phương trình Soave Redlick Kwrong
1972, tính chính xác áp suất hơi của cấu tử tinh khiết và tính toán cân bằng lỏng hơi cho hệ nhiều cấu tử
Saove xác định:
Trong đó:
VII. Lựa chọn mô hình nhiệt động
VII.1 Phương pháp chung
Ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả mô phỏng
Mỗi phương pháp nhiệt động cho phép tính toán các thông số sau:
Hằng số cân bằng K
Enthanpie, entropie của các pha lỏng và hơi
tỷ trọng pha lỏng và pha hơi
Các yếu tố cần quan tâm khi chọn mô hình nhiệt động
-Bản chất đặc trưng nhiệt động của hệ: hằng số cân bằng lỏng hơi ( VLE: vapor liquide equilibrium) của các quá trình như chưng cất, cô đặc bốc hơi...
-Thành phần của hỗn hợp
-Nhiệt độ áp suất
-Tính sẵn có của các thông số hoạt động của thiết bị
Phương pháp chọn lựa mô hình nhiệt động
Lựa chọn mô hình nhiệt động
Các ký hiệu
VII.2 Các ứng dụng cụ thể của các mô hình nhiệt động
VIII.1 Các qúa trình lọc dầu và chế biến khí
-Hệ thống chưng cất áp suất thấp: ( Chưng cất chân khôngm chưng cất khí quyển). Tùy thuộc vào thành phần nhẹ trong nguyên liệu, nếu phần nhẹ ít có thể chọn GS hoặc BK10 nếu thành phần nhẹ lớn chọn PR, SRK, EOS....
-Hệ thống áp suất cao nên chọn SRK, PR, GS..
-Khí thiên nhiên:
+ Chọn SRK, PR, BWRS nếu nguyên liệu chứa ít hơn 5% N2, CO2,
H2S và không có cấu tử phân cực khác.
+Chọn SRK, PR, nếu nguyên liệu chứa lớn hơn 5% N2, CO2, H2S và
không có cấu tử phân cực khác.
+ chọn các biến thể của PTTT như SRKM, PRM... Trong trường hợp
là việc ở áp suất cao có lẫn nước hặc trong trường hợp nguyên liệu có methanol ( phân cực)
VIII.2 các quá trình hóa dầu:
-Quá trình xử lí HC nhẹ: + Áp suất thấp SRK, PR
+ Áp suất cao SRKKD
Quá trình xử lí HC thơm:
+ Áp suất nhỏ hơn 2 bars: Ideal
+ Áp suất lớn hơn 2 bars: SRK, PR...
Xử lí hỗn hợp HC thơm và HC khác: UNIQUAC, UNIFAC, NRTL
IX. Các phần cơ bản của PROII
các quy ước ban đầu:
-Các màu viền ở các nút có ý nghĩa khác nhau:
Đỏ: dữ liệu cần nhập
Xanh lục: dữ liệu mật định hoặc lựa chọn
Xanh dương: dữ liệu cung cấp thõa mãn yêu cầu
Vàng: dữ liệu nhập ngoài vùng cho phép
Nâu: dữ liệu không có giá tri
Đen: dữ liệu không cần nhập
Giao diện
New file
-Dòng trên cùng: Application title bar
-Dòng thứ hai: Menu bar
-Dòng thứ ba: Standard tool bar
-Bên phải và phía dưới màng hình : thanh trượt
-Bên phải: công cụ Floading PFD( PIPE FLOW DIAGRAM)
-Run: chạy chương trình
X. Các thao tác cơ bản chạy PROII
+Mở chương trình mới: ( opening a new simulation)
File -----Menu-----New
Hoặc có thể tạo new file ngay khi chương trình khởi động:
Option Menu
New File on startup
+Mở một chương trình có sẵn:
File Menu
Open
+Ghi một file
save---or save as----nhập tên ----OK or enter
Proii sẽ tự động nén 3 file dữ liệu (*.pr1,*. pr2,*. pr3) và một file flowsheet ( sfd) thành một file *.prz
Bên cạnhm PROII có chức năng AUTOSAVE cho phép ghi tự động
+Xóa một chương trình mô phỏng:
File Menu-----Delete
Sao chép một chương trình mô phỏng ( chép tất cả 3 file *.PRZ vào một file mô phỏng mới hoặc đang hiện hành)
File menu ----Copy
+ Hiển thi đặc trưng các dòng trên màng hình mô phỏng:
Hiển thị các đặc trưng của dòng
-Flash Hot-key Tool: cho phép tính toán nhanh các đặc trưng của dòng
-Exporting the PFD to the window Cliboard
Menu, File, Export chọn Flowsheet Drawing
-Importing a proII Keyword input file
Menu, File, Import
+ Xác định các tính chất bằng lỏng hơi ( Display BVLE)
-Chọn hệ đơn vị
-Chọn cấu tử
-Chọn mô hình nhiệt động
-Chọn biểu tượng BVLE.
-Kết quả gồm 5 loại biểu đồ:
+ X-Y
+ T-X-Y
+ Fugacity
+K –Mol
+T-P
THỰC NGHIỆM
Bài toán 1: Mô phỏng thiết bị tách khí lỏng
Nguyên liệu
Methane 13 (kmol/h)
Ethane 22 (kmol/h)
propane 38 (kmol/h)
Butane 22 (kmol/h)
pentane 5 (kmol/h)
Lưu lượng 100kmol/h
Nhiệt độ 30oC
Áp suất 10 bars
Điều kiện làm việc 30oC và 7 bars
Xác định
-Lưu lượng và thành phần sản phẩm đỉnh và đáy?
-Năng suất nhiệt của thiết bị tách?
Vapor
Xác định
30 7
-Lưu lượng và thành phần sản phẩm đỉnh và đáy?
Nguyên liệu
-Năng suất nhiệt của thiết bị tách?
Methane 13 (kmol/h)
Ethane 22 (kmol/h)
propane 38 (kmol/h)
Butane 22 (kmol/h)
S1
pentane 5 (kmol/h)
Lưu lượng 100kmol/h
Nhiệt độ 30oC
Áp suất 10 bars
Điều kiện làm việc 30oC và 7 bars
Liquide
Sơ đồ công nghệ
Bài toàn mô phỏng
Bài 2: Demethanizer
Số liệu: Lưu lượng: 8m3/s
Nhiệt độ :120oF
áp suất: 602,7 psia (pound per square inch absolute)
(1 psia=0,06896 bar)
- Sản phẩm đáy chứa 0.015%C1
Nguyên liệu vào:
Sơ đồ công nghệ
230kmol/h
CCấấu tu tửử
ThThàành ph
n mol nh phầần mol
Bài toán mô phỏng 2
Nguyên liệu vào
-Lưu lượng nguyên liệu:343.6kmol/h
0.0023 0.0023 0.0233 0.0233 0.4948 0.4948 0.1991 0.1991 0.2805 0.2805 1.000 1.000
Ethane Ethane Propene Propene Propane Propane Isobutane Isobutane butane NN--butane TTổổngng
-Nhiệt độ 80 oC
-Áp suất 17 bars
+Tháp chưng:
-22 đĩa+ reboiler+ condenser
-Đĩa tiếp liệu: 8
-Áp suất đỉnh: 17 bars + Mô hình hóa tháp tách
+ sản phẩm : + Lưu lượng sản phẩm đỉnh
-Sp đỉnh Propane= 87% + Duty condenser+ Reboiler
-Sp đáy butane= 53%
Xác định:
-Công suất máy nén?
-Thành phần, nhiệt độ và áp suất các dòng sản phẩm lỏng khí?
Bài toán 3 Mô phỏng tháp tách propane
-Năng xuất: 400tấn/ngày
-P= 18 bars
-Thành phần nguyên liệu: Propane =26%
Butane= 74%
Tháp: 22 đĩa
Nạp liệu đĩa 11
Áp suất đỉnh 16,5 bars
Tổn thất áp suất /đĩa = 10mmbars
Ngưng tụ hòan toàn
Áp suất bình tách 16,2 bars
Tiêu chuẩn:
1% C4 trong sp đỉnh
2% C3 trong sản phẩm đáy
Xác định:
-Chỉ số hồi lưu
-Thành phần, lưu lượng sản phẩm đỉnh đáy
-Năng suất nhiệt của thiết bị đun sôi đáy và thiết bị ngưng tụ ( Mkcal/ngày)
Sơ đồ mô hình
Bài toán 4: Xác định đĩa nạp liệu tối ưu của tháp tách propane bằng công cụ Optimer
-Năng xuất: 400tấn/ngày
-P= 18 bars
-Thành phần nguyên liệu: Propane =26%
Butane= 74%
Tháp: 22 đĩa
Nạp liệu đĩa 11
Áp suất đỉnh 16,5 bars
Tổn thất áp suất /đĩa = 10mmbars
Ngưng tụ hòan toàn
Áp suất bình tách 16,2 bars
Tiêu chuẩn:
1% C4 trong sp đỉnh
2% C3 trong sản phẩm đáy
xác định đĩa nạp liệu tối ưu để năng xuất thiết bị đun sôi nhỏ nhất
Bài tóan 5: xác định sô đĩa lý thuyết tối thiểu và chỉ số hồi lưu tối thiểu của tháp tách propane bằng phương pháp shortcut
-Năng xuất: 400tấn/ngày
-P= 18 bars
-Thành phần nguyên liệu: Propane =26%
Butane= 74%
Tháp: 22 đĩa
Nạp liệu đĩa 11
Áp suất đỉnh 16,5 bars
Tổn thất áp suất /đĩa = 10mmbars
Ngưng tụ hòan toàn
Áp suất bình tách 16,2 bars
Tiêu chuẩn:
0.5% C4 trong sp đỉnh
0.5% C3 trong sản phẩm đáy
Hãy xác định:
-Số đĩa lí thuyết tối thiểu?
-Chỉ số hồi lưu tối thiểu?
Sơ đồ công nghệ
48 46.9
Rf=7.3
Sơ đồ công nghệ
48 46.9
Rf=7.3
200
