Computer-Aided Chemical Engineering - Chương 3: Nhiệt động học ứng dụng và mô phỏng quá trình

Nội dung text: Computer-Aided Chemical Engineering - Chương 3: Nhiệt động học ứng dụng và mô phỏng quá trình

1. Computer-Aided Chemical Engineering An Introduction to Process Simulation C3. Nhiệt động học ứng dụng và mô phỏng quá trình
2. I. Nhiệt động học ứng dụng và mô phỏng quá trình Ngành công nghiệp quá trình chi phí khoảng 500 tỉ USD mỗi năm trên toàn thế giới, cho các công việc: thiết kế cơ sở, công nghệ quá trình, công nghệ chi tiết, xây dựng, chạy thử, vận hành nhà máy, và bảo trì đối với các nhà máy hoá chất, lọc dầu, polymer và sản xuất điện. Để thực hiện thành công điều này, người kỹ sư hoá học tiến hành mô hình hoá (modeling) quá trình và nắm bắt kiến thức về các tính chất nhiệt động và các hành vi về pha của các hệ hoá học mà họ đang xét. Mô hình hoá quá trình là công nghệ chủ yếu cho phép xây dựng và thiết kế quá trình, định kích thước thiết bị và đánh giá, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến vận hành, và gỡ rối và tối ưu hoá quá trình. Gần đây, mô hình hoá quá trình đã cho phép việc mô phỏng động ngoại tuyến offline đối với các nghiên cứu về tính điều khiển, các thiết bị mô phỏng huấn luyện vận hành, các cảm biến quá trình dựa trên mô hình trực tuyến online, đánh giá trạng thái, các thiết bị dự báo, và điều khiển quá trình và tối ưu hoá online. Sự thành công trong việc mô hình hoá quá trình hoàn toàn phụ thuộc vào việc mô tả chính xác các tính chất nhiệt động và các hành vi về pha của các hệ hoá học liên quan. 3
3. I. Nhiệt động học ứng dụng và mô phỏng quá trình H. 1 5
4. H. 2: Một thế kỷ kết trái của cây nhiệt động học ứng dụng a 7
5. II. Những thành tựu trong quá khứ 3. Phương trình trạng thái dạng kinh nghiệm (Empirical EOS) Đa số các PTTT chất lượng cao có thể phát hiện theo mô hình virial được tăng cường bằng kinh nghiệm và áp dụng việc điều chỉnh dữ liệu một cách công phu. Beattie & Bridgman đã xây dựng PTTT đa tham số đầu tiên vào 1927. Tiếp theo là các mô hình BWR (Benedict et al., 1940) và MBWR (Jacobsen et al., 1973), với mô hình sau cho ta PTTT chính xác cao đối với nhiều chất lỏng tinh khiết. Schmidt & Wagner (1985) đã chứng tỏ sự hiệu quả của việc tối ưu hoá hình dạng của PTTT thông qua các kỹ thuật tìm kiếm thống kê bằng cách xây dựng một mô hình chất lượng tham chiếu đối với oxygen. Kỹ thuật này đã được chấp nhận đối với một số chất lỏng và, lấy thí dụ, cho ta “Bảng hơi nước” mới nhất (Wagner and Kruse, 1998). 9
6. II. Những thành tựu trong quá khứ 5. Các phương pháp ước đoán (Estimation Methods) Khởi đầu, các phương pháp dự đoán (hơn là tương quan) với hệ số hoạt động dựa trên lý thuyết dung dịch điều hòa của Scatchard & Hilderbrand vào 1929, nhưng hiện nay chủ yếu dựa trên các mô hình đóng góp theo nhóm: ASOG (Wilson and Deal, 1960) và UNIFAC (Fredenslund et al., 1975). Các phương pháp này đã được thừa nhận rộng rãi và tiếp tục xây dựng ma trận tương tác giữa hai cấu tử UNIFAC (Gmehling, 1998) cải thiện phạm vi và độ chính xác của phương pháp. Các phương pháp mới như COSMO-RS (Klamt, 1995), mô hình sonvat hoá đóng góp theo nhóm (Lin and Sandler, 1999), và mô hình sonvat hoá đóng góp theo đoạn (Lin and Sandler, 2001), sử dụng các kỹ thuật hoá lượng tử và mô hình hoá phân tử, đang được xây dựng và cải tiến. 11
7. II. Những thành tựu trong quá khứ 7. Các hệ polymer Đối với các hệ polymer, mô hình lưới mắt cáo Flory-Huggins (1942) nắm bắt hai thông số chủ yếu của polymer: hiệu ứng kích thước đến entropy của hỗn hợp và hiệu ứng tương tác đến enthalpy. PTTT Sanchez-Lacombe (1976), một mô hình chất lỏng dạng lưới mắt cáo, có tính đến các hiệu ứng thể tích tự do bổ sung do các cấu tử có độ nén khác nhau. Các mô hình chuỗi quả cầu cứng, như là SAFT (Huang and Radosz, 1990) và PHSC (Song et al., 1994), dựa trên cơ học thống kê lý thuyết, đã đưa ra các PTTT thành công về mặt công nghệ đối với các dung dịch polymer. Các sự phát triển mô hình polymer gần đây cố gắng tính đến các thông số polymer bổ sung như là thành phần đồng trùng hợp copolymer và đa phát tán poly- dispersity. Các thí dụ có thể bao gồm PTTT NRTL đối với polymer dựa theo đoạn (Chen, 1993) mà nó kết hợp khái niệm đoạn với các mô hình thành phần cục bộ và PTTT PHSC (Song et al., 1994) với các định luật hỗn hợp dựa theo đoạn đối với các chất đồng trùng hợp copolymer . Đang có tiến bộ trong việc mô hình hoá các hệ hoá học với các phân tử theo nhóm đa chức năng như là các chất hoạt động bề mặt ion và phi-ion. Sự mở rộng dựa trên các mô hình NRTL và UNIFAC đối với polymer đã được thực hiện thành công, và các nghiên cứu với các phân tử phức tạp hơn đang được tiến hành (Chen et al., 1995; Curtis et al, 2001). 13