Computer-Aided Chemical Engineering - An Introduction to Process Simulation - Phần mềm Pro/II® - Chương 9: Thí dụ & Bài tập

Nội dung text: Computer-Aided Chemical Engineering - An Introduction to Process Simulation - Phần mềm Pro/II® - Chương 9: Thí dụ & Bài tập

1. Computer-Aided Chemical Engineering An Introduction to Process Simulation - Phaàn meàm Pro/II® - C9. Thí duï & Baøi taäp
2. Bài toán 2: Mô phỏng thiết bị tách khí - lỏng Cho vào thiết bị tách khí lỏng một dòng nguyên liệu với các dữ liệu sau: • Lưu lượng : 100 kmol/h; t = 30oC; P = 10 bar • Thành phần hóa học: Methane 13 kmol/h Ethane 22 kmol/h Propane 38 kmol/h Butane 22 kmol/h Pentane 5 kmol/h Điều kiện làm việc của thiết bị tách: 30oC và 7 bar Hãy xác định: 1. Phần mol bay hơi của nguyên liệu trong điều kiện của bình tách? 2. Thành phần của lỏng và hơi ra khỏi thiết bị tách? 3. Năng suất nhiệt của thiết bị tách? 3
3. Bài toán 2: Mô phỏng thiết bị tách khí - lỏng Keát quaû Döïa vaøo caùc soá lieäu keát quaû trong Program File, ta xaùc ñònh ñöôïc: 1. Phaàn mol bay hôi cuûa nguyeân lieäu trong ñieàu kieän cuûa bình taùch MOLE FRAC VAPOUR 0.94580 Vaäy phaàn mol bay hôi cuûa nguyeân lieäu trong ñieàu kieän cuûa bình taùch laø 0,9458 hay 94.58% 2. Thaønh phaàn cuûa loûng vaø hôi ra khoûi thieát bò taùch - Treân flowsheet, right-click vaøo doøng S2 vaø S3 → hieån thò cöûa soå löïa choïn - Choïn Display → xuaát hieän cöûa soå Streamline - Choïn Properties töø drop-down list box ôû muïc Streamline Label Type - Maëc ñònh ôû muïc Property List laø Material Balance List → seõ hieån thò teân, traïng thaùi doøng, nhieät ñoä, aùp suaát, löu löôïng vaø thaønh phaàn cuûa doøng → OK 3. Naêng suaát nhieät cuûa thieát bò taùch DUTY, M*KCAL/HR 0.09956 Vaäy naêng suaát nhieät cuûa thieát bò taùch laø 99560 kcal/h 5
4. Bài toán 3: Tính nhiệt độ sôi của một hỗn hợp hai pha ở một áp suất nhất định Nguyên liệu có thành phần như bài toán 2, lưu lượng = 5500 kg/h. Hãy xác định: 1. Nhiệt độ sôi của hỗn hợp nguyên liệu này ở áp suất 7 bar? 2. Hằng số cân bằng pha của các cấu tử ? 3. Thành phần hỗn hợp hơi cân bằng với lỏng? 4. Năng suất nhiệt của thiết bị tách? → Giải quyết bài toán Để giải quyết bài toán trên, ta tiến hành các bước: • Giả thiết cho hỗn hợp nguyên liệu này đi vào một bình tách làm việc ở áp suất là 7 bar. • Tiến hành mô phỏng như bài toán 2 • Vì muốn xác định nhiệt độ sôi của hỗn hợp → ở cửa sổ Flash Drum, ở mục Second Specification → Chọn Bubble point ở mục Unit Specification • Do phải xác định hằng số cân bằng pha của các cấu tử → ở cửa sổ Flash Drum, ở mục Print Option → Chọn Include Component K - Values 7
5. Bài toán 3: Tính nhiệt độ sôi của một hỗn hợp hai pha ở một áp suất nhất định Keát quaû Döïa vaøo caùc soá lieäu keát quaû trong Program File, ta xaùc ñònh ñöôïc: 1. Nhieät ñoä soâi cuûa hoãn hôïp nguyeân lieäu naøy ôû aùp suaát 7 bar FLASH ID F1 NAME FEEDS S1 PRODUCTS VAPOR S2 LIQUID S3 TEMPERATURE, C -78.756 PRESSURE, BAR 7.000 Vaäy nhieät ñoä soâi cuûa hoãn hôïp nguyeân lieäu naøy ôû aùp suaát 7 bar laø - 78,756oC 2. Haèng soá caân baèng pha cuûa caùc caáu töû vaø thaønh phaàn hoãn hôïp hôi caân baèng vôùi loûng VAPOR-LIQUID COMPOSITIONS AND K-VALUES FOR UNIT 1, 'F1' COMPONENT VAPOR LIQUID K-VALUE 1 METHANE 0.93087 0.13000 7.1605E+00 2 ETHANE 0.05887 0.22000 2.6761E-01 3 PROPANE 0.00969 0.38000 2.5507E-02 4 BUTANE 5.4730E-04 0.22000 2.4877E-03 9 5 PENTANE 1.8438E-05 0.05000 3.6877E-04
6. Bài toán 4: Mô phỏng tháp tách propane Tính cho tháp Depropanizer với các dữ liệu ban đầu như sau : • Nguyên liệu : - năng suất : 400 tấn/ngày - P = 18 bar - có thành phần 40% hơi gồm : 26% khối lượng C3 và 74 % khối lượng C4 • Tháp : - 22 đĩa lý thuyết; nạp liệu ở đĩa 13 - áp suất đỉnh : 16,5 bar; trở lực : 10 mbar/đĩa lý thuyết - thiết bị ngưng tụ hoàn toàn ; áp suất bình tách : 16,2 bar • Chỉ tiêu chất lượng sau: - sản phẩm đỉnh : có 1 % khối lượng C4 - sản phẩm đáy : có 2 % khối lượng C3 → Hãy xác định : - Chỉ số hồi lưu ? - Năng suất nhiệt của thiết bị đun sôi lại và thiết bị ngưng tụ (MkCal/ngày) - Lưu lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy ? 11
7. Bài toán 4: Mô phỏng tháp tách propane Caùc böôùc moâ phoûng 1. Xaùc ñònh heä ñôn vò ño Choïn heä ñôn vò METRIC 1 ton = 1014.04 kilograms 2000 pounds = 1 short ton = 0.907 tonne 2240 pounds = 1 long ton = 1.016 tonne → Choïn kg 2. Xaùc ñònh thaønh phaàn caáu töû coù trong heä Heä 2 caáu töû: Propane vaø Butane 3. Löïa choïn caùc phöông trình nhieät ñoäng thích hôïp Choïn heä GS (Grayson-Streed) 4. Thieát laäp caùc thieát bò coù trong sô ñoà vaø caùc doøng ra vaø vaøo caùc thieát bò ❖ Thieát bò: Thaùp → click choïn bieåu töôïng thaùp töø floating PFD → hieån thò cöûa soå Column Configuration → nhaán choïn Condenser vaø Reboiler → nhaäp giaù trò 22 ôû muïc Number of Theoretical Trays → OK 13
8. Bài toán 4: Mô phỏng tháp tách propane ❖ Nhaäp thaønh phaàn caùc caáu töû cuûa doøng S1: nhaäp giaù trò 26 cho caáu töû 1 → nhaán phím TAB → nhaäp 74 cho caáu töû 2 → nhaán OK ñeå quay laïi cöûa soå chính Stream Data. ❖ Xaùc ñònh nhieät ñoä vaø aùp suaát cuûa doøng S1 ôû muïc Thermal Condition: ôû doøng First Specification → choïn Pressure → nhaäp giaù trò 18. Xong nhaán choïn Liquid Weight Fraction ôû muïc Second Specification → nhaäp giaù trò 0.6 → OK 5.2 Thaùp T1 ❖ Double-click vaøo C1 → xuaát hieän cöûa soå Column ❖ ÔÛ muïc Description nhaäp teân DEPROP ❖ Nhaáp choïn vaøo oâ thöù hai ñöôïc vieàn ñoû Feeds and Products → xuaát hieän cöûa soå Column – Feeds and Products → ôû baûng treân, xaùc ñònh doøng S1 ñöôïc naïp vaøo ñóa 11 → ôû baûng döôùi, vôùi doøng S2 → choïn Fixed Rate Draw ôû muïc Type of Product → choïn Liquid ôû muïc Phase → nhaäp giaù trò 1 ôû muïc Tray → nhaäp giaù trò löu löôïng 104. Chuù yù raèng, löu löôïng saûn phaåm ñöôïc tính baèng taán/ngaøy, maø ôû ñaây laø KG-MOL/HR → click vaøo UOM → xuaát hieän baûng Convert Unit of Measure → choïn Mass → TON → DAY → nhaán Change Units → OK 15
9. Bài toán 4: Mô phỏng tháp tách propane - Nhaán choïn Insert Specification/Variable → xuaát hieän theâm moät Specification 2. - Tieáp tuïc nhaán choïn Parameter maøu ñoû cuõõng ôû muïc Specifications → xuaát hieän cöûa soå Parameter → choïn Stream ôû muïc Stream/Unit vaø choïn doøng S2 ôû muïc Stream Name → click vaøo Parameter (chöõ traéng treân neàn ñoû) → xuaát hieän cöûa soå Parameter Selection → choïn Composition ôû muïc Parameter → choïn BUTANE laø caáu töû ñaàu vaø caáu töû cuoái → OK ñeå trôû veà cöûa soå Parameter → nhaán choïn vaøo Mole Fraction → click vaøo UOM → xuaát hieän baûng Convert Unit of Measure → choïn Mass → Percent → nhaán Change Units → OK : trôû veà cöûa soå Parameter → OK : hoaøn thaønh cöûa soå Parameter → trôû veà cöûa soå Column – Specifications and Variables → click vaøo Value → nhaäp giaù trò 1. - Click vaøo Parameter (chöõ ñoû vaø gaïch döôùi ñoû) trong muïc Variable 1 → xuaát hieän cöûa soå Parameter Selection → choïn Heat Duty (naêng suaát nhieät) → ôû muïc Heater choïn Reboiler → OK : quay laïi cöûa soå Variables → OK : quay laïi cöûa soå Column – Specifications and Variables → tieáp tuïc click vaøo Parameter (chöõ ñoû vaø gaïch döôùi ñoû) trong muïc Variable 2 → xuaát hieän cöûa soå Parameter Selection → choïn Heat Duty (naêng suaát nhieät) → ôû muïc Heater choïn Condenser → OK : quay laïi cöûa soå Variables → OK : quay laïi cöûa soå Column – Specifications and Variables → OK : hoaøn thaønh vieäc nhaäp döõ lieäu cho T1 17
10. Bài toán 5: Xác định đĩa nạp liệu tối ưu cho tháp tách propane bằng công cụ Optimiser Tính cho tháp Depropanizer với các dữ liệu ban đầu như sau : • Nguyên liệu : - năng suất : 400 tấn/ngày - P = 18 bar - có thành phần 40% hơi gồm : 26% khối lượng propane và 74 % khối lượng butane • Tháp : - 22 đĩa lý thuyết - áp suất đỉnh : 16,5 bar; trở lực : 10 mbar/đĩa lý thuyết - thiết bị ngưng tụ hoàn toàn - áp suất bình tách : 16,2 bar • Chỉ tiêu chất lượng sau : - sản phẩm đỉnh : có 0,5% khối lượng C4 - sản phẩm đáy : có 0,5% khối lượng C3 → Hãy xác định đĩa nạp liệu tối ưu để năng suất của thiết bị đun sôi lại19 là bé nhất
11. Bài toán 5: Xác định đĩa nạp liệu tối ưu cho tháp tách propane bằng công cụ Optimiser Söû duïng coâng cuï Optimiser Optimiser laø coâng cuï raát tieän ích cuûa Pro/II nhaèm cöïc ñaïi hoaëc cöïc tieåu hoaù moät haøm muïc tieâu naøo ñoù baèng caùch thay ñoåi giaù trò cuûa moät bieán naøo ñoù trong soá caùc tieâu chuaån ñöa ra. Haøm muïc tieâu coù theå laø naêng suaát, coâng suaát hoaëc haøm kinh teá nhö haøm giaù caû hoaëc haøm chi phí. Vì vaäy, tuøy theo tröôøng hôïp maø seõ toái öu haøm muïc tieâu ñeán giaù trò cöïc ñaïi hoaëc cöïc tieåu Bieán seõ thay ñoåi giaù trò trong moät khoaûng naøo ñoù (giöõa Minimum Value vaø Maximum Value) ñeå haøm muïc tieâu ñaït ñeán giaù trò cöïc ñaïi hoaëc cöïc tieåu. Höôùng daãn thöïc hieän ❖ Ta seõ tieán haønh moâ phoûng baøi toaùn naøy nhö baøi toaùn tröôùc, sau ñoù seõ caøi ñaët theâm thieát bò Optimiser OP1 cho thaùp → OP1 ñöôïc vieàn ñoû ❖ Double click vaøo OP1 → hieån thò cöûa soå PRO/II – Optimiser ❖ ÔÛ muïc Description, nhaäp teân OPTIMISER 21
12. Bài toán 5: Xác định đĩa nạp liệu tối ưu cho tháp tách propane bằng công cụ Optimiser a 23
13. Bài toán 6: Xác định số đĩa lý thuyết tối thiểu và chỉ số hồi lưu tối thiểu cho tháp tách propane bằng phương pháp shortcut Tính cho tháp Depropanizer với các dữ liệu ban đầu như sau : • Nguyên liệu : - năng suất : 400 tấn/ngày - P = 18 bar - có thành phần 40% hơi gồm : 26% khối lượng propane và 74 % khối lượng butane • Tháp : - áp suất đỉnh : 16,5 bar - trở lực : 10 mbar/đĩa lý thuyết - thiết bị ngưng tụ hoàn toàn - áp suất bình tách : 16,2 bar • Chỉ tiêu chất lượng sau : - sản phẩm đỉnh : có 0,5% khối lượng C4 - sản phẩm đáy : có 0,5% khối lượng C3 → Hãy xác định : - Số đĩa lý thuyết tối thiểu? - Chỉ số hồi lưu tối thiểu? 25
14. Bài toán 6: Xác định số đĩa lý thuyết tối thiểu và chỉ số hồi lưu tối thiểu cho tháp tách propane bằng phương pháp shortcut Keát quaû Döïa vaøo caùc soá lieäu keát quaû trong Program File, ta xaùc ñònh ñöôïc: MINIMUM REFLUX RATIO 3.95841 FENSKE MINIMUM TRAY 13.60067 Vaäy soá ñóa lyù thuyeát toái thieåu laø 13,6, chæ soá hoài löu toái thieåu laø 3,958 27