proii8-92(Hóa học ngày nay-H2N2)-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.

pro1

Bước 2: Nhập các cấu tử trong hệ

Trong bài là: bezene và toluen.

pro2

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.

pro3

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.

pro4

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

pro5

Nhập nồng độ và lưu lượng dòng nhập liệu

pro6

Bước 6: Nhập các thông số cho thiết bị shortcut

pro7

pro8

pro9

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:

pro10

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.

pro11

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.

pro12

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)

pro13

Nhập các specification tương tự như trong thiết bị shortcut

pro14

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

pro15

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.

pro16

 

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

pro18

Thiết lập các constant

pro19

Để kết hợp với công cụ optimizer, ta làm như sau:

pro20

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.

pro21

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.

Theo Trịnh Hoài Thanh'Blog


Hits smaller text tool iconmedium text tool iconlarger text tool icon

Comments powered by H2N2

DANH MỤC TÀI LIỆU

Thiết kế hệ thống tháp chưng cất bằng Pro/II