Thiết kế hệ thống tháp chưng cất
bằng Pro/II
Thiết kế hệ thống tháp chưng cất mâm chóp để chưng cất hỗn hợp Benzene – Toluen có năng suất nhập liệu 0,5 m3/h; Nồng độ nhập liệu 40% mol bezene; Nồng độ sản phẩm
đỉnh: 90% mol bezene; Nồng độ sản phẩm đáy: 10% mol bezene.
I/ Xác định số đĩa lý thuyết
Bước 1: Nhập thông tin mô tả vấn đề
Thông tin ở phần này thì mỗi người tự ghi, làm sao cho dễ nhớ và mô tả được vấn đề
đang làm.
Bước 2: Nhập các cấu tử trong hệ
Trong bài là: bezene và toluen.
Bước 3: Nhập mô hình nhiệt động
Tùy thuộc vào từng bài toán cụ thể mà ta sẽ chọn mô hình nhiệt động thích hợp. Ở đây
chọn mô hình NRTL để làm ví dụ.
Bước 4: Vẽ lưu đồ quá trình
Ta sẽ tiến hành vẽ thiết bị shortcut (để phục vụ cho việc tính tóan số đĩa lý thuyết) và bổ
sung các dòng (stream) vào lưu đồ như hình vẽ.
Bước 5: Nhập thông số cho dòng nhập liệu (tính chất của dòng nhập liệu)
Tuần tự nhập các thông số cần thiết cho dòng nhập liệu như sau:
Nhập các thông số nhiệt độ và áp suất
Nhập nồng độ và lưu lượng dòng nhập liệu
Bước 6: Nhập các thông số cho thiết bị shortcut
Bước 7: Chạy phân tích kết quả
Sau khi đã nhập đầy đủ các dữ kiện cần thiết, ta nhấn vào nút run (mũi tên tam giác) để
chương trình phân tích các dữ kiện vừa đưa vào. Nếu bài tóan hội tụ thì lưu đồ sẽ tòan
màu xanh dương như hình sau:
Tương tự như vậy, ta thay đổi dữ kiện bài tóan để có được bảng sau:
Vẽ đồ thị liên hệ giữa N(R+1) và R. Từ đó ta chọn ra tỷ số hồi lưu thích hợp ứng với
N(R+1) –> min.
Theo đồ thị, ta chọn R/Rmin = 2. Và số đĩa lý thuyết tương ứng là 8 đĩa, vị trí mâm nhập
liệu là mâm số 4.
II/ Tính tóan sơ bộ tháp chưng cất
Thay thế shortcut bằng thiết bị chưng cất như hình vẽ với số đĩa lý thuyết là 8 đĩa và vị trí
mâm nhập liệu là 4.
Nhập ví trí đĩa nhập liệu vào và lượng sản phẩm đỉnh đi ra (dự đóan để làm giá trị khởi
tạo ban đầu cho pro/ii tính tóan mà thôi)
Nhập các specification tương tự như trong thiết bị shortcut
Nhập đầy đủ các thông số còn thiếu của thiết bị chưng cất vào và bắt đầu chạy chương
trình. Ta được các kết quả như sau:
Trích dẫn
———- NET FLOW RATES ———– HEATER
TRAY TEMP PRESSURE LIQUID VAPOR FEED PRODUCT DUTIES
DEG C KG/CM2 KG-MOL/HR M*WATT
—— ——- ——– ——– ——– ——— ——— ————
1C 81.2 1.00 5.5 1.9L -0.0645
2 84.0 1.00 5.4 7.4
3 87.7 1.00 5.3 7.3
4 91.8 1.00 5.2 7.2
5 95.1 1.00 11.7 7.1 5.1L
6 98.5 1.00 11.6 8.5
7 102.0 1.00 11.6 8.4
8R 105.1 1.00 8.4 3.2L 0.0784
TRAY SIZING RESULTS
DESIGN NUMBER —– DOWNCOMER WIDTHS ——-
SECTION TRAY DIAMETER NP OF VALVES SIDE CENTER OFF-
CENTER
NUMBER MM OR CAPS MM MM MM
——- —— ——– – ——— —— ——- ———-
1 4 610. 1 13 69.693 N/A N/A
2 5 762. 1 22 133.212 N/A N/A
TRAY SELECTION FOR TRAY RATING
BUBBLE CAP DIAMETER 101.6 MM
BUBBLE CAP SPACING 25.4 MM
TRAY RATING AT SELECTED DESIGN TRAYS
PRES WEIR DOWNCOMER
TRAY VAPOR LIQUID VLOAD DIAM FF NP DROP RATE BACKUP,
PCT
M3/S M3/S M3/S MM KG/CM2 CM3/S/MM TRAY SPACING
—- —– ——- —– —- —- – —— ——– ————
2 0.062 0.00015 0.004 610. 17.7 1 0.002 0.387 34.09
3 0.062 0.00015 0.004 610. 17.8 1 0.002 0.391 34.13
4 0.062 0.00015 0.004 610. 17.9 1 0.002 0.397 34.18
5 0.074 0.00035 0.004 762. 16.2 1 0.002 0.609 34.05
6 0.074 0.00036 0.004 762. 16.4 1 0.002 0.619 34.13
7 0.075 0.00036 0.004 762. 16.6 1 0.002 0.630 34.23
Như vậy là ta đã tính tóan lựa chọn đường kính tháp đoạn chưng và đoạn cất, số chóp
trên một mâm, khỏang cách mâm, và nhiều thông số khác mà pro/ii tính tóan ra.
Tuy nhiên, để xác định vị trí đĩa nhập liệu tối ưu, ta đưa thêm công cụ optimizer vào mô
hình để thực hiện việc tính tóan vị trí đĩa nhập liệu thích hợp sao cho nhiệt cung cấp cho
nồi đun là thấp nhất.
Hình vẽ các thông số cần nhập vào cho optimizer
Từ đó, chạy lại optimizer một lần nữa, ta sẽ có được vị trí đĩa nhập liệu tối ưu là: 5
Trích dẫn
Optimizer ‘OP1′
** BEST OBJECTIVE FUNCTION = 7.84142E-02 AT CYCLE NUMBER 4
VARY ——— VARIABLE ———-
INDEX INITIAL VALUE OPTIMUM VALUE
—– ————- ————-
1 4.00000E+00 4.98625E+00
III/ Bổ sung thiết bị hồi nhiệt và thiết bị gia nhiệt vào hệ thống
Trong phần trước, ta đã xác định được vị trí mâm nhập liệu là mâm thứ 5 (từ trên đếm
xuống). Vì vậy, trong lưu đồ ta thay đổi lại vị trí mâm nhập liệu.
Dựa vào phân bố nhiệt độ trên mâm, ta có được nhiệt độ nhập liệu cần gia nhiệt là vào
khoảng 95 – 96 độ C.
Vẽ lưu đồ quy trình công nghệ như sau:
Ta xác định nhiệt độ đầu ra của thiết bị gia nhiệt là 96 độ C. Nhiệt độ của dòng sản phẩm
đáy sau khi ra khỏi nhiệt độ là 70 độ C.
Sau đó, chạy kết quả phân tích ta sẽ được lượng nhiệt cần thiết cung cấp cho thiết bị gia
nhiệt và lượng nhiệt trao đổi trong thiết bị hồi nhiệt và các thông số khác về tính chất của
dòng.
IV/ Tính tóan tối ưu quá trình
Trong phần II, ta đã tính tóan vị trí đĩa nhập liệu dựa trên việc tối thiểu hóa chi phí nồi
đun. Tuy nhiên, để quá trình thiết kế ra có tính kinh tế, đạt lợi nhuận cao, ta cần phải cân
đối giữa chi phí cần tiêu hao cho quá trình và lợi nhuận thu được. Dựa vào đó, ta sẽ tính
tóan tối ưu hóa quá trình với hàm mục tiêu là tối đa hóa lợi nhuận đạt được.
Trong ví dụ này, ta coi như lợi nhuận đạt được = Thu nhập từ việc bán các sản phẩm thu
được – chi phí năng lượng (chi phí nồi đun).
Với:
C1 = giá benzen = $4/gal.
C2 = giá toluen = $3.62/gal.
C3 = chi phí nồi đun = $10/kj năng lượng cung cấp
Như vậy:
PROFIT = C1*P(1) + C2*P(2) – C3*P(3)*3600/1000
Cách thiết lập các thông số cho caculator như sau:
Thiết lập các parameter
Thiết lập các constant
Để kết hợp với công cụ optimizer, ta làm như sau:
Như vậy, ta đã thiết lập xong các thông số cần thiết cho quá trình tối ưu này. Bây giờ, chỉ
còn một việc cuối cùng nữa là nhấn nút Run trên thanh toolbar để chương trình phân tích
và cho ra kết quả.
Trích dẫn
UNIT 5, ‘CA1′, ‘Tinh toan loi nhuan’
Result Name Value
——— ———— ————
1 profit 4.93036E+02
Parameter Value Parameter Value
——— ———— ——— ————
1 4.52708E+01 3 6.44009E-02
2 8.68153E+01
Optimizer ‘OP1′, ‘Toi uu vi tri dia nhap lieu’
** BEST OBJECTIVE FUNCTION = 4.93024E+02 AT CYCLE NUMBER 1
VARY ——— VARIABLE ———-
INDEX INITIAL VALUE OPTIMUM VALUE
—– ————- ————-
1 5.00393E+00 5.00393E+00
—————- CONSTRAINT —————–
CNSTR MINIMUM MAXIMUM FINAL
INDEX VALUE VALUE VALUE
—– ————- ————- ————-
1 0.00000E+00 3.00000E-03 4.93024E+02
2 N/A 1.00000E-03 6.47531E-02
OPTIMIZER HISTORY
—- DERIVATIVES —-
CYCLE BEST – 1 2
———- ———– ———–
CNSTR 1
/VARY 1 -9.2747E-02 N/A
CNSTR 2
/VARY 1 2.4669E-03 N/A
OBJECTIVE
/VARY 1 -9.2747E-02 N/A
—- SHADOW PRICES —-
CYCLE BEST – 1 2
———- ———– ———–
VARY 1 0.0000E+00 1.0720E+04
CNSTR 1 0.0000E+00 0.0000E+00
CNSTR 2 0.0000E+00 0.0000E+00
—- VALUES —-
CYCLE BEST – 1 2
———- ———– ———–
VARY 1 5.0039E+00 4.6885E+00
CNSTR 1 4.9302E+02 4.9289E+02
REL ERR 0.00E+00 0.00E+00
CNSTR 2 6.4753E-02 6.8498E-02
REL ERR 0.00E+00 0.00E+00
SUM SQ ERR 0.0000E+00 0.0000E+00
OBJECTIVE 4.9302E+02 4.9289E+02
V/ Kết luận
Như vậy, ta đã thực hiện qua một số bước trong công việc thiết kế tháp chưng cất. Có thể
nói, nhờ các công cụ mô phỏng, công việc tính tóan cũng như tra các bảng tra sẽ giảm đi
rất nhiều nhờ có cơ sở dữ liệu khá lớn mà pro/ii đã cung cấp cho chúng ta. Tuy nhiên,
trong bài này cũng khá nhiều vấn đề chưa được giải quyết.
Vấn đề đầu tiên cần phải đề cập đến, đó là từ đầu đến cuối, ta chỉ thao tác trên số đĩa lý
thuyết mà chưa đưa vào hiệu suất đĩa và chưa thao tác trên số đĩa thực. Phần này các bạn
sinh viên tự tìm hiểu lấy một cách dễ dàng.
Vấn đề thứ hai là việc sử dụng công cụ shortcut. Cần phải đọc kỹ trong trường hợp nào
thì có thể sử dụng shortcut để kết quả của mô phỏng phù hợp.
Vấn đề thứ ba là mô hình nhiệt động. Việc chọn mô hình nhiệt động có thể nói là quan
trọng bậc nhất trong việc tính tóan mô phỏng quá trình. Để có thể lựa chọn mô hình nhiệt
động phù hợp thì ta có thể tham khảo trong các tài liệu đi kèm của chương trình mô
phỏng hoặc các tài liệu khác có liên quan.
Một vấn đề mà ta không thể tính tóan được thông qua pro/ii đó là tính tóan kết cầu thiết
bị (bề dày thiết bị, kết cấu ống chảy truyền, ống nhập liệu,…) và đây lại là phần khá quan
trọng trong đồ án môn học của sinh viên.
