Computer-Aided Chemical Engineering - Chương 2: Cơ sở tính toán cho quá trình ổn định (Steady State)

Nội dung text: Computer-Aided Chemical Engineering - Chương 2: Cơ sở tính toán cho quá trình ổn định (Steady State)

1. B. Phân tích bài toán 2. Phân tích TBPU Việc mô hình hóa TBPU trong tính toán flowsheeting phải cung cấp một sự mô tả tin cậy về việc chuyển đổi các chất tham gia phản ứng thành các sản phẩm chính, sản phẩm phụ, và tạp chất. Cách tiếp cận theo kiểu tỉ lượng thì đơn giản nhưng đủ cho mục đích cân bằng vật chất. Trong thí dụ này, mô hình hóa theo kiểu tỉ lượng cần biết (1) độ chuyển hóa của phản ứng chính và (2) độ chọn lựa của phản ứng phụ. Như vậy, trong lần thử đầu tiên, ta có thể mô hình TBPU bằng mô hình TBPU tỉ lượng. Nếu có sẵn các dữ liệu động học chính xác, và nếu có sự tương tác đáng kể giữa hệ thống phản ứng và phần còn lại của flowsheet thì có thể xem xét một mô hình động học. Dạng TBPU, như TBPU với cánh khuấy liên tục (CSTR) hay TBPU dạng ống (PFR), cần được thiết lập. Tuy nhiên các TBPU công nghiệp thì phức tạp hơn nhiều so với các mô hình lý tưởng. Vì lý do này, chúng ta không nên sử dụng các mô hình động học trong tính toán flowsheeting trạng thái ổn định, ít nhất là trong những giai đoạn đầu, trừ khi vì những mục tiêu cao cấp hơn, như vận hành hay điều khiển toàn phân xưởng. Trong các trường hợp này, việc kết hợp các mô hình động học và tỉ lượng là hợp lý. Mô hình động học có thể xét đến quá trình sản xuất được xác định bởi tốc độ của phản ứng chính, mà nó phụ thuộc vào thể tích của TBPU và lưu lượng và thành phần dòng hoàn lưu. Mô hình tỉ lượng có thể mô tả sự tạo thành các sản phẩm phụ và tạp chất cần thiết để mô phỏng chính xác các thiết bị phân tách. 7 .
2. B. Phân tích bài toán Hình 3: Cấu trúc TBPU-TBPT-Hoàn lưu đối với quá trình HDA 9
3. B. Phân tích bài toán 5. Điều khiển các thông số của flowsheet Một số biến số của flowsheet có thể “điều khiển” bằng cách sử dụng các biến số khác “có thể thao tác được”. Trong ví dụ ở đây, tỉ số mol hydrogen/toluene ở đầu vào TBPU phải được giữ nghiêm ngặt là 5:1. Điều này có thể thực hiện bằng cách xây dựng một dòng khí hoàn lưu lớn. Do các lý do về hội tụ, ta chọn biến số có thể thao tác được là tỉ lệ phân chia của dòng purge. Có hai khả năng: tìm một tỉ lệ phân chia thích hợp nhờ công cụ case studies, hoặc đưa vào một thiết bị điều khiển tường minh. Hình 5 minh họa về khả năng sau. Đầu tiên, ta chọn (các) biến số có thể đo được (mẫu), xác định biến số điều khiển, và thiết lập điểm cài đặt. Cũng có khả năng biểu diễn một biến số điều khiển bằng một hàm toán học của một vài biến số mẫu. Tiếp theo biến số thao tác được chọn, và các cận biến thiên và dung sai được thiết lập. Có thể thấy rằng mô tả trên đây mô phỏng dáng điệu trạng thái ổn định của một bộ điều khiển hồi tiếp SISO (single input single output). Để ý rằng việc sử dụng bộ điều khiển sẽ làm phức tạp tiến trình tính toán, và có thể gây 11 ra các vấn đề về hội tụ.
4. 7. Phân tích bậc tự do Thông số pha của các thiết bị mô phỏng là yếu tố làm cho việc phân tích các bậc tự do là cần thiết. Đây là số các biến số cần phải thiết lập để giải hệ phương trình mô tả mô hình. Như vậy, ít nhất người sử dụng nên có một ý niệm về dạng của các phương trình và thuật toán liên kết với các thiết bị mô hình hóa khác nhau. Đôi khi, người sử dụng phải ra quyết định chọn lựa giữa các mô hình thay thế nhau, với các thông số và tính chất hội tụ hoàn toàn khác nhau. Trong quá trình HDA ở đây, ta có thể gặp phải một số vấn đề trong việc mô phỏng chi tiết các tháp chưng cất, bởi vì chúng liên quan đến các vòng hoàn lưu. Việc áp đặt các giá trị chính xác đối với dòng sản phẩm có thể dẫn đến việc tính toán thất bại, bởi vì có sự không tương thích về cân bằng vật chất. Thông số về thu hồi cấu tử, như tỉ lệ giữa lưu lượng cấu tử trong dòng sản phẩm và dòng nhập liệu, luôn luôn cho ta sự hội tụ. 8. Các vấn đề về nhiệt động học Việc chọn lựa các mô hình nhiệt động phù hợp có thể là khía cạnh quan trọng nhất của công việc mô phỏng. Đôi khi công tác sơ bộ là cần thiết để ước đoán các tính chất vật lý đối với các cấu tử không có trong thư viện, hay để nhận diện các thông số của các mô hình nhiệt động từ các dữ liệu thực nghiệm. Một mô hình nhiệt động có thể áp dụng cho toàn bộ flowsheet, hay chỉ cho một số thiết bị. Các phương án nhiệt động cụ thể ở mức độ thiết bị sẽ làm tăng độ tin cậy của kết quả. Đối với quá trình HDA ta có các khả năng sau: - Mô hình phương trình trạng thái, thí dụ Peng-Robinson, cho toàn thể flowsheet. - Mô hình phương trình trạng thái chỉ cho phần áp suất cao (nhánh khí), và mô hình riêng biệt đối với các hydrocarbon thơm, như BK-10, đối với các phần phân tách áp suất thấp. 13
5. B. Phân tích bài toán Hình 6: Sơ đồ mô phỏng quá trình (PSD) đối với quá trình HDA. 15
6. C. Qui trình mô phỏng 1. Việc vẽ flowsheet bao gồm việc (i) xác định các dòng đầu vào và đầu ra, (ii) chọn lựa các thiết bị từ thư viện phần mềm và (iii) đặt tất cả các thông tin này theo một trật tự chính xác trên màn hình. Việc nối các thiết bị bằng các dòng (vật chất, năng lượng hay thông tin) tạo ra một hình ảnh đồ họa của bài toán. Làm việc với một sơ đồ PSD là một công tác nặng nề. Một số phần mềm cho phép phân chia thành các sub-flowsheet mà chúng có thể hội tụ riêng rẽ và sau cùng nhập lại vào một mô hình lớn. 2. Việc định nghĩa cấu tử sẽ gọi đến cơ sở dữ liệu về tính các tính chất vật lý. Có thể xảy ra ba trường hợp: cấu tử có sẵn, cấu tử được mô tả như là một phần của dầu (petroleum fraction) hay bằng các phương pháp đặc trưng, hay cấu tử được người sử dụng định nghĩa. 3. Sự chọn lựa các phương án nhiệt động có thể được hướng dẫn bởi một “hệ chuyên gia”. Tuy nhiên, kiến thức về các đặc điểm cơ bản của các phương pháp nhiệt động là cần thiết. 4. Việc phân tích tiến trình tính toán được đề xuất, ngay cả khi điều này đã được thực hiện một cách tự động. Việc chọn lựa các dòng ngắt rời trước các thiết bị chính sẽ tránh được việc thất bại nghiêm trọng và làm tăng tốc 17 độ hội tụ của flowsheet.
7. C. Qui trình mô phỏng Một đặc điểm cao cấp hơn trong tính toán flowsheeting là sử dụng các công cụ phân tích đối với thiết kế và vận hành. Thí dụ, bản phân tích độ nhạy sensitivity analysis có thể nắm bắt các mối tương quan giữa các biến số khác nhau trong bài toán mô phỏng. Một nghiên cứu công phu hơn có thể liên quan đến case studies. Khả năng của mô phỏng để hình dung các thực nghiệm ảo là một mối lợi ích thực sự mà người sử dụng nên biết để sử dụng hiệu quả. Thí dụ về quá trình HDA chứng tỏ rằng việc phân tích kỹ lưỡng bài toán mô phỏng là cần thiết trước khi lao vào máy tính. Hơn nữa, việc chạy mô phỏng và hội tụ cũng vẫn chưa đủ. Kết quả tin cậy đòi hỏi phải có sự xác nhận một cách hệ thống, cũng như có kiến thức về cơ sở của mô hình hóa. 19
8. II. Các thiết bị 1. Thiết bị trộn dòng và phân dòng Mixer là một thiết bị thực hiện việc trộn đoạn nhiệt một số dòng đầu vào thành một dòng đầu ra duy nhất. Các dòng này thường là dòng vật chất. Nhiệt hoặc công có thể xem xét đến, nhưng không kết hợp với các dòng vật chất. Dòng đầu ra được tính toán cân bằng pha. Nước được xử lý đặc biệt: (1) được bao gồm trong hỗn hợp, (2) được lắng gạn (decanted) như là một pha không trộn lẫn, hay (3) được xử lý nhờ cân bằng hơi-lỏng- lỏng VLL. Splitter chia một dòng đầu vào thành nhiều dòng đầu ra có cùng thành phần và trạng thái. 21 Hình 7: Thiết bị trộn dòng và phân dòng
9. II. Các thiết bị 2. Thiết bị phân tách cân bằng pha Flash Thiết bị phân tách cân bằng pha (H. 9) là một công cụ chủ yếu trong tính toán flowsheeting, đặc biệt đối với việc mô phỏng các hoạt động dựa trên sự cân bằng pha. Các mô hình tiêu chuẩn là: - Phân tách cân bằng pha hơi/lỏng, có tùy chọn với việc lắng gạn nước tự do - Phân tách cân bằng ba pha hơi/lỏng (1)/lỏng (2). Thông số của thiết bị phân tách cân bằng pha được cho bởi việc phân tích các bậc tự do. Việc định kích thước bồn chứa là tùy chọn trong trạng thái ổn định, nhưng sẽ trở thành bắt buộc trong mô phỏng không ổn định. Chú ý rằng các thiết bị phân tách cân bằng pha đơn giản có thể mô phỏng một số các thiết bị cân bằng đơn giản, như các thiết bị bốc hơi, thiết bị lắng gạn hay thiết bị cô đặc. Các thiết bị phân tách cân bằng pha cũng có thể được sử dụng để kiểm tra các phương án nhiệt động trước khi tiến hành các sự phân tách phức tạp hơn, hay chuẩn bị các bảng và biểu đồ về các tính chất, như nhiệt độ-enthalpy trong việc tích hợp nhiệt. 23 Hình 9: Thiết bị phân tách cân bằng pha
10. Tiêu chuẩn TEMA (H. 10a) 25
11. II. Các thiết bị 4. Thiết bị chưng cất tính toán nhanh (Shortcut Distillation) Thiết bị chưng cất tính toán nhanh được sử dụng trong thiết kế sơ bộ để xác định số bậc cần thiết đối với một sự phân tách cho trước (Hình 12). Việc tính toán dựa trên qui trình cổ điển Fenske-Gilliland-Underwood, được làm thích ứng để xử lý các bộ ngưng tụ một phần hay toàn phần. Các phần mở rộng được phát triển trong một số phần mềm mô phỏng để thiết kế sơ bộ tháp phức tạp hơn, như tháp chưng cất dầu mỏ hay tháp chân không. Nên sử dụng các mô hình tính toán nhanh trong các giai đoạn đầu của tính toán flowsheeting để hội tụ các dòng hoàn lưu một cách dễ dàng hơn, bởi vì các thông số sẽ luôn luôn được thỏa mãn, ngay cả khi việc định kích thước có vấn đề. Hình 12: Mô hình thiết bị chưng cất tính toán nhanh 27
12. II. Các thiết bị Một số mô hình mô phỏng cơ bản đối với tháp có các hoạt động dựa trên quá trình chưng cất được mô tả ngắn gọn dưới đây. a. Tháp phân tách đa mục đích Thiết bị này có thể mô phỏng bất kỳ dạng nào của các quá trình phân tách, như các tháp chưng cất, hấp thụ, tách rửa (stripping), hay trích ly, được mô hình như là một nhóm nhiều cấp (cascade) các bậc cân bằng ngược chiều. Mô hình Radfrae trong Aspen Plus thì đặc biệt hữu ích. Đầu tiên mô hình này được xây dựng trên thuật toán inside-out mà thuật toán này đã làm tăng đột ngột sự phát triển trong mô phỏng các hoạt động dựa trên quá trình chưng cất (Boston, 1980). Có thể xử lý các tháp với nhiều dòng nhập liệu, dòng sản phẩm phụ, thiết bị đun nóng hay làm nguội cho các bậc, như minh họa trên Hình 13. Hình 13: Tháp đơn phân tách đa mục đích 29
13. II. Các thiết bị b. Tháp kết nối toàn thể Inter-linked Khối các tháp kết nối toàn thể cho phép mô phỏng tốt một tổ hợp các tháp chưng cất phức tạp, như các tháp có tích hợp nhiệt, hệ thống phân tách không khí, các thiết bị hấp thụ/rửa, chưng cất trích ly có hoàn lưu dung môi, tháp phân đoạn/dội nhúng (fractionator/quench tower), v.v Vì qui trình giải tuần tự của các tháp kết nối toàn thể có thể gây ra các vấn đề về hội tụ, một qui trình giải thuận tiện hơn đã đạt được với qui trình giải đồng thời một tập hợp các phương trình mô hình hóa của các tháp khác nhau. c. Tháp lọc dầu Các thiết bị chuyên dụng được dùng để mô phỏng các quá trình phân đoạn phức tạp trong ngành lọc dầu. Cấu hình tiêu biểu bao gồm một tháp chính với bơm tuần hoàn (pump-around) và thiết bị rửa sản phẩm phụ (side strippers) (Hình. 14). Trong các ứng dụng, ta có thể kể đến tháp tiền phân tách lỏng hơi (pre-flash tower), chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển hay thiết bị phân đoạn chính với quá trình cracking lưu chất có xúc tác (Fluid Catalytic Cracking - FCC) 31
14. II. Các thiết bị 6. Thiết bị trích ly Thiết bị trích ly lỏng lỏng (Hình 16) mô phỏng thiết bị trích ly ngược dòng bao gồm các tầng cân bằng. Có thể xét các trường hợp gồm nhiều dòng nhập liệu, sản phẩm phụ và thiết bị đun nóng/làm nguội. Mô hình hóa chính xác sự cân bằng lỏng-lỏng là cốt yếu, đặc biệt khi thiết bị có liên quan đến dòng hoàn lưu. Nếu các thông tin về nhiệt động học không đáng tin cậy, một thiết bị hộp đen đơn giản được đề xuất để đóng các dòng hoàn lưu. Việc phân tích và thiết kế một dạng thiết bị đã chọn có thể được thực hiện như một thiết bị riêng rẽ bằng cách sử dụng các mô hình chi tiết. Hình 3.16: Mô hình trích ly lỏng-lỏng 33
15. II. Các thiết bị a. TBPU tỉ lượng Mô hình tỉ lượng mô tả cân bằng vật chất của mạng phản ứng nhờ các phương trình tỉ lượng bằng cách sử dụng độ chuyển hóa hay mức độ phản ứng làm biến số của phản ứng. Theo cách tiếp cận này, cân bằng nguyên tử được bảo toàn. Trong trường hợp của mô hình này được gọi là TBPU dạng kết quả (yield reactor), việc phân bố sản phẩm được cho nhờ các mối tương quan đại số. Kết quả là, khi sử dụng một TBPU dạng kết quả, sự không tương thích về cân bằng vật chất của cấu tử có thể xảy ra, mặc dù có thể đạt được sự hội tụ đối với các dòng hoàn lưu. b. TBPU cân bằng Trong trường hợp các phản ứng hóa học xảy ra nhanh chóng, như tại nhiệt độ cao hay được gia tốc nhờ các chất xúc tác, giả thiết về cân bằng hóa học có thể cho một ý tưởng thực tế về hiệu quả tối đa có thể đạt được. Có thể thiết lập các độ lệch về nhiệt độ hay độ chuyển hóa so với cân bằng thực. Có thể xử lý cân bằng hóa học đơn pha, hay cân bằng hóa học đồng thời hay nhiều pha. Cần chú ý kỹ lưỡng độ chính xác của việc tính toán các hàm năng lượng tự do Gibbs và enthalpy. Hai mô hình thường có sẵn là: - Các phản ứng cân bằng. Các phản ứng hóa học được cho một cách tường minh. Có thể xem xét việc nhập biểu thức đối với các hằng số cân bằng. - Cực tiểu hóa năng lượng tự do Gibbs. Mô hình này không cần thông số tỉ lượng, mà chỉ các thực thể hóa học tham gia vào phản ứng. Các thuật toán đáng tin cậy thì đã có sẵn nhờ các công trình của W. Seider và các đồng nghiệp (1979-1981). 35
16. II. Các thiết bị 8. Thay đổi áp suất Các mô hình về áp suất mô phỏng sự thay đổi của các biến số trạng thái và các hàm nhiệt động gây ra bởi sự thay đổi áp suất của lưu chất. Việc tính toán phân tách cân bằng pha (flash) được thực hiện một cách có hệ thống. Các thiết bị thường gặp được mô tả dưới đây. a. Bơm Hình 18: Mô hình thiết bị nén khí/giãn khí Mô hình này mô phỏng các bơm để vận chuyển lưu chất, cũng như các tua-bin thủy lực. Nó có thể xử lý các trường hợp nhiều pha và lắng gạn nước. b. Thiết bị nén khí/giãn khí Mô hình thiết bị nén khí tổng quát nhiều tầng có thể có một số chức năng: thiết bị nén khí đa biến và đẳng entropy, thiết bị nén khí dịch chuyển dương, thiết bị làm nguội trung gian giữa các tầng, tua-bin đẳng entropy. Các tính toán đơn pha, cũng như hai hay ba pha đều có thể thực hiện được. c. Van Mô hình van mô phỏng sự thay đổi về trạng thái của lưu chất gây ra bởi sự giảm áp đáng kể, thường là ở các điều kiện đoạn nhiệt. Mô hình hóa một thiết bị van thì tương tự với thiết bị phân tách cân bằng pha flash. Để ý rằng một số gói phần mềm có khả năng tính toán van an toàn giảm áp (safety relief valve ), thiết bị này có thể được sử dụng để mô phỏng động học của một trường hợp khẩn cấp, như thời gian37 cần thiết để giảm áp một bồn chứa.
17. III. Nhiệt động học Các cấu tử Các nguồn thông tin chính về tính chất nhiệt-vật lý được liệt kê dưới đây: - Viện thiết kế nghiên cứu tính chất vật lý (Design Institute of Physical Property Research, DIPPR)/American Institute of Chemical Engineers, AIChE-USA - Hệ thống cơ sở dữ liệu về tính chất vật lý (Physical Property Database System, PPDS2)/NEL-UK - Trung tâm nghiên cứu nhiệt động học (Thermodynamics Research Centre, TRC)/Houston-USA. Các dữ liệu chất lượng cao đòi hỏi phải được kiểm tra, thử nghiệm và bảo dưỡng một cách tốn kém. Người sử dụng không nên ngạc nhiên về một số khác biệt giữa các hệ thống khác nhau. Đề xuất nên thực hiện việc kiểm tra các thông số và phạm vi có hiệu lực của mô hình. Khi một tính chất nào đó không có sẵn, cần phải ước đoán một cách có hệ thống. Mô tả chi tiết về các phương pháp ước đoán có thể tìm thấy trong lần xuất bản gần nhất cuốn sách huyền thoại của Prausnitz et al. (2001). Đa số các phương pháp được thực hiện trong các phần mềm mô phỏng. Người sử dụng nên chú ý độ chính xác của từng phương pháp, khi biết rằng đôi khi các sai sót tương đối nhỏ có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng, như trong trường hợp về năng lượng tự do Gibbs đối với cân bằng hóa học. 39
18. III. Nhiệt động học Các thông số tương tác đối với hỗn hợp Các mô hình nhiệt động để xử lý các hỗn hợp chứa một số các thông số tương tác. Chúng có thể phân ra thành các phạm trù sau đây: 1. Các hệ số tương tác giữa hai cấu tử đối với các mô hình độ hoạt động của chất lỏng. Chú ý rằng có các giá trị phân biệt đối với cân bằng lỏng-hơi (VLE) và cân bằng lỏng-lỏng (LLE). Một vài tập hợp các giá trị có thể có sẵn, phụ thuộc vào phạm vi của áp suất và nhiệt độ. Độ không lý tưởng của pha hơi nên được xem xét với các ứng dụng ở điều kiện áp suất cao hay chân không. Khả năng kết hợp phân tử trong pha hơi hay pha lỏng nên được khảo sát. 2. Các thông số tương tác đối với các mô hình phương trình trạng thái. Các qui luật hỗn hợp theo đó các thông số tương tác có giá trị phải được kiểm tra về tính tương thích với tình hình điều kiện vật lý. 3. Các hằng số Henry đối với các hỗn hợp hai cấu tử khí/dung môi (thường là nước). 4. Các dữ liệu về độ hòa tan đối với các hỗn hợp nước/chất hữu cơ. 4. Các hệ thống chất điện ly: Các thông số ion đối với các thực thể hóa học khác nhau, các hằng số cân bằng đối với các phản ứng khác nhau, cũng như các thông số tương tác trong các mô hình độ hoạt động của chất lỏng. 5. Các thông số tương tác đối với các phương trình trạng thái ứng dụng cho các dung dịch polymer. Nếu độ chính xác là quyết định và các dữ liệu thực nghiệm có sẵn, đề xuất phải hồi qui dữ liệu trong phạm vi biến thiên cần thiết đối với ứng dụng đang xét. 41