Computer-Aided Chemical Engineering - Chương 6b: Thí dụ Xử lý khí (Tiếp)

Nội dung text: Computer-Aided Chemical Engineering - Chương 6b: Thí dụ Xử lý khí (Tiếp)

1. Khai báo thông số cho thiết bị trao đổi nhiệt Trang Specs cho phép ta nhập thông số đối với thiết bị HEAT EXCHANGER và hiển thị trạng thái tính toán của thiết bị này. Nhóm Solver trong trang này cho thấy có hai (2) Unknown Variables và một (1) Number of Constraints, vậy Degrees of Freedom còn lại là một (1). HYSYS đưa ra hai ràng buộc mặc định trong nhóm Specifications, mặc dù chỉ một trong chúng có ý nghĩa. - Cân bằng nhiệt (Heat Balance): Nhiệt tải phía ống và phía vỏ phải bằng nhau, vậy cân bằng nhiệt phải bằng zero (0). - UA: Đây là tích số giữa hệ số trao đổi nhiệt tổng thể (U) và diện tích bề mặt trao đổi nhiệt. HYSYS không đưa ra giá trị UA mặc định, vậy giá trị này là chưa biết tại thời điểm hiện hành. Giá trị này sẽ được HYSYS tính toán khi một ràng buộc khác được đưa ra. Khai báo thông số của thiết bị trao đổi nhiệt Để giải quyết bậc tự do còn lại, độ tiếp cận nhiệt độ tối thiểu là 10oF cho đầu ra phía nóng của thiết bị trao đổi nhiệt sẽ được thiết lập. Để tạo lập thông số này: 156. Aán nút Add, và cửa sổ ExchSpec (Exchanger Specification) sẽ xuất hiện. 19
2. Khai báo thông số cho thiết bị trao đổi nhiệt 162. Di chuyển đến trang Conditions trên thẻ tab Work Sheet để hiển thị tính chất của dòng đã tính toán (H. 67). Sử dụng độ tiếp cận 10oF, HYSYS đã tính toán nhiệt độ của CoolGas là 43oF. Bây giờ toàn bộ các dòng trong flowsheet đã biết. 21
3. Kiểm tra điểm đọng sương của khí thành phẩm Bây giờ, khi dòng khí đã được xử lý, dòng SalesGas phải được kiểm tra để đáp ứng thông số nhiệt độ điểm sương tại áp suất dòng chảy của tuyến ống để đảm bảo rằng không có chất lỏng hình thành trong tuyến chuyển tải. Thông số điểm sương điển hình của tuyến ống là 15oF tại 800 psia, sẽ được sử dụng cho thí dụ này. Điểm sương hiện hành có thể được kiểm tra bằng cách tạo lập một dòng mà thành phần của dòng này hoàn toàn giống như của dòng SalesGas, thiết lập áp suất điểm sương, và cho HYSYS sử dụng dòng mới này để tính toán nhiệt độ điểm sương của dòng. Có thể thực hiện việc này bằng cách cài đặt một thiết bị BALANCE như sau: 164. Double-click vào nút Balance trên bảng Object Palette. Cửa sổ property đối với thiết bị mới này sẽ xuất hiện. 165. Nhập tên mới DewPoint, rối ấn Enter. 166. Di chuyển đến ô Add Stream dưới Inlet Streams. 167.Mở danh mục rơi của các dòng hiện hành trong thanh Edit Bar, và chọn SalesGas. (H. 69) 23
4. Kiểm tra điểm đọng sương của khí thành phẩm Tiếp theo, di chuyển đến thẻ tab Worksheet của cửa sổ property BALANCE. Bây giờ, có thể thiết lập phần pha hơi và áp suất của dòng SalesDP, và HYSYS sẽ thực hiện việc tính toán để xác định nhiệt độ chưa biết này. Để thiết lập việc tính toán điểm sương ứng với 800 psia đối với dòng SalesDP, hãy nhập phần pha hơi Vapour là 1.0 và Pressure là 800 psia vào các ô tương ứng. HYSYS sẽ tính toán cân bằng (flash) dòng tại các điều kiện này, và cho ra điểm sương Temperature là 5.3oF, nằm dưới thông số của tuyến ống 15oF (H. 71). Đóng cửa sổ và quay về sơ đồ PFD. Khi HYSYS tạo lập thiết bị BALANCE và dòng mới, biểu tượng của chúng được đặt ngoài xa khỏi sơ đồ PFD. Nếu muốn, ta có thể click và kéo các biểu tượng BALANCE và SalesDP đến một vị trí thích hợp hơn, thí dụ ngay bên phải của dòng SalesGas. 25
5. Cài đặt thiết bị trộn dòng thứ hai 179. Đặt con trỏ gần khu vực đầu vào của thiết bị MIXER, và khi hộp trắng xuất hiện tại đầu mút con trỏ, hãy nhả nút chuột chính để thực hiện việc kết nối. 180. Lặp lại các bước 177-179 để nối dòng SepLiq vào thiết bị MIXER. 181. Đặt con trỏ lên đầu mút phải của biểu tượng MIXER. Điểm kết nối và mô tả pop-up “Product” sẽ xuất hiện. 182. Khi mô tả pop-up xuất hiện, click và kéo con trỏ về phía phải của thiết bị MIXER. Một biểu tượng dòng lớn sẽ xuất hiện với đường vết gắn với đầu ra của MIXER. 183. Khi biểu tượng dòng lớn xuất hiện, hãy nhả nút chuột chính . HYSYS sẽ tạo một dòng mới với tên mặc định là 1 (H. 72). 184. Nhả phím Ctrl để rời khỏi chế độ Attach. 185. Double-click vào biểu tượng dòng đầu ra 1 để mở cửa sổ property của dòng này. Khi ta đã tạo lập dòng đầu ra của thiết bị MIXER, HYSYS tự động kết hợp hai dòng đầu vào và tính toán hỗn hợp để xác định các điều kiện đầu ra, như trình bày ở đây. 186. Đổi tên dòng này thành TowerFeed, rồi ấn nút Close. 27
6. Cài đặt tháp Khi ta cài đặt tháp bằng cách sử dụng một mẫu (template) đã xây dựng từ trước, HYSYS sẽ cung cấp một số thông tin mặc định, như là số mâm (stage). Ô hoạt động hiện hành là Numb of Stages (Number of stages), được biểu thị bằng đường biên đậm chung quanh ô này, và có sẵn giá trị 10 (số mâm mặc định) trên thanh Edit Bar ở phần trên của cửa sổ. 29
7. Cài đặt tháp 191. Trong nhóm Condenser, hãy ấn nút radio Full Rflx, và dòng ngưng tụ distillate stream sẽ biến mất. Trong thực tế, điều này giống như việc để thiết bị ngưng tụ là Partial và sau đó thiết lập giá trị distillate bằng zero. 192. Nhập tên dòng và tên tháp như trên H. 74. Khi ta kết thúc, nút Next sẽ đổi sang trạng thái hoạt động, biểu thị đã cung cấp đủ thông tin để chuyển sang trang kế tiếp của công cụ Input Expert. 31
8. Cài đặt tháp 195. Nhấn nút Next để chuyển sang trang Optional Estimates. Chú thích: Mặc dù HYSYS không đòi hỏi dự đoán để tính toán tháp có kết quả hội tụ, nhưng một dự đoán tốt luôn luôn dẫn đến lời giải nhanh hơn. 196. Nhập giá trị cho Condenser và Reboiler Temperature Estimates tương ứng là 40oF và 200oF (H. 76). 33
9. Cài đặt tháp 199. Nhấn nút Done, và cửa sổ property DISTILLATION COLUMN sẽ xuất hiện (H. 78). Một cách tự động, ta sẽ ở tại trang Profiles của thẻ tab Parameters trong cửa sổ Column. 200. Di chuyển đến trang Monitor ở thẻ tab Design bằng cách click vào thẻ này. Tính năng chính của trang này là hiển thị trạng thái của tháp khi đang tính toán và cập nhật thông tin trong mỗi lần lặp. Ta cũng có thể thay đổi giá trị các thông số, và kích hoạt/không kích hoạt một cách trực tiếp từ trang 35này các thông số mà công cụ Column Solver sử dụng.
10. Khai báo thông số cho tháp 203. Chọn Component Fractions cho Column Specification Type (H. 80) 204. Aán nút Add Spec(s), và cửa sổ Comp Frac Spec sẽ xuất hiện (H. 81). 205. Đổi tên thông số Name sang Propane Fraction bằng cách chỉnh sửa tên mặc định. 206. Di chuyển đến ô Stage, và chọn Reboiler từ danh mục các mâm hiện được hiển thị trong thanh Edit Bar. 207. Di chuyển đến ô Spec Value, và nhập giá trị .02 cho thông số phần mol của pha lỏng. 37
11. Khai báo thông số cho tháp Bậc tự do quay trở về giá trị zero, vậy tháp đã sẵn sàng để tính toán (H. 83). 39
12. Thực hiện tính toán tháp Ta có thể truy cập bản tóm tắt chi tiết hơn về các mâm bằng cách41 di chuyển đến trang Summary trong thẻ tab Performance (H. 85).
13. H. 86: Màn hình PFD đối với sơ đồ con của tháp a 43
14. K Ế T Q U Ả 212. Hãy mở sổ Workbook để truy cập các kết quả đã tính toán được đối với flowsheet chính. Các thẻ tab Material Streams và Compositions của sổ 45 Workbook được trình bày trong H. 88 và H. 89.
15. Sử dụng Object Navigator Bây giờ, khi kết quả đã có, giả sử ta muốn hiển thị các tính chất tính toán được của một dòng cụ thể hay thiết bị cụ thể. Công cụ Object Navigator cho phép chúng ta truy cập nhanh chóng cửa sổ property đối với một dòng bất kỳ hay một thiết bị bất kỳ tại một thời điểm bất kỳ trong quá trình mô phỏng. Để mở công cụ Navigator, hãy thực hiện một trong các mục sau: (i) Nhấn phím . (ii) Từ Flowsheet menu, chọn Find Object. (iii) Double-click vào khoảng trống bất kỳ trên HYSYS Desktop. (iv) Chọn nút Navigator. Object Navigator sẽ xuất hiện (H. 90). Nút dạng radio UnitOps trong nhóm Filter đang ở trạng thái được chọn, nên chỉ có các Unit Operations xuất hiện trong danh mục các đối tượng. Để mở một cửa sổ property, hãy chọn thiết bị trong danh mục, rồi ấn nút View, hay double-click vào thiết bị. Ta có thể thay đổi danh mục đối tượng cần hiển thị bằng cách chọn một nút radio Filter khác. Thí dụ, để liệt kê tất cả các dòng và thiết bị, hãy chọn nút All. Ta cũng có thể truy tìm một đối tượng bằng cách ấn nút Find. Khi cửa sổ Find Object xuất hiện, hãy nhập Object Name, rồi ấn nút OK. HYSYS sẽ mở cửa sổ đối với đối tượng có tên mà ta đã nhập. 47
16. Sử dụng Databook Để khai báo các biến số vào sổ Databook: 213. Ấn nút Insert, và cửa sổ Variable Navigator sẽ xuất hiện (H. 92). Công cụ Variable Navigator được sử dụng rộng rãi trong HYSYS để định vị và chọn lựa các biến số. Công cụ Navigator hoạt động theo nguyên tắc từ-trái-sang-phải, Flowsheet đã chọn xác định danh mục Object, Object đã chọn quyết định danh mục Variable, và danh mục Variable đã chọn xác định liệu có sẵn một Variable Specifics nào đó hay không. 214. Chọn nút radio UnitOps trong nhóm Object Filter. Danh mục Object sẽ được lọc để chỉ hiện ra các thiết bị. 215. Click vào LTS trong danh mục Object, và danh mục Variable hiện có đối với LTS sẽ xuất hiện phía bên phải của danh mục Object. 216. ChọnVessel Temperature trong danh mục Variable. HYSYS sẽ làm một bản sao đối với tên biến số này vào ô Variable Description. Nếu muốn, ta có thể hiệu chỉnh thông tin mô tả mặc định (edit the default Description). 49
17. Sử dụng Databook 221. Aán nút radio Stream trong nhóm Object Filter. Danh mục Object sẽ được lọc để chỉ hiện ra các dòng. 222. Click vào SalesDP trong danh mục Object, và danh mục Variable hiện có đối với các dòng vật chất sẽ xuất hiện phía bên phải của danh mục Object. 223. Chọn Temperature trong danh mục Variable. 224. Đổi Variable Description thành Dew Point, rối ấn nút OK. Bây giờ biến số này sẽ xuất hiện trong sổ Databook (H. 95 ở slide kế tiếp). 51
18. Sử dụng Databook 227. Aán nút Add trong nhóm Available Process Data Tables (H. 96). HYSYS sẽ tạo lập một bảng mới với tên mặc định ProcData1. 228. Đổi tên mặc định từ ProcData1 thành Key Variables bằng cách hiệu chỉnh ô Process Data Table. Để ý rằng bốn biến số đã được khai báo vào sổ Databook xuất hiện trong bảng matrix trên thẻ tab này. 229. Kích hoạt từng biến số bằng cách click vào hộp kiểm tra Show tương ứng (H. 97). 53
19. Để lưu giữ các giá trị hiện hành: Sử dụng Databook 231. Di chuyển đến thẻ tab Data Recorder trong Databook bằng cách click vào thẻ này. Thẻ tab này sẽ xuất hiện như H. 99. Khi sử dụng Data Recorder, đầu tiên ta tạo lập một Scenario chứa một hay nhiều biến số chính, rồi lưu giữa các biến số này với trạng thái hiện thời của chúng. 232. Ấn nút Add trong nhóm Available Scenarios, và HYSYS sẽ tạo lập một kịch bản mới với tên mặc định là Scenario 1. Nên đưa cả bốn biến số chính vào kịch bản này. 233. Kích hoạt từng biến số bằng cách click vào hộp check box Include tương ứng (H. 100). 55
20. Sử dụng Databook 238. Aán nút Minimize để thu gọn button cửa sổ Data Recorder thành một biểu tượng. 239. Double-click vào biểu tượng Key Variables Data để phục hồi cửa sổ quay lại kích thước bình thường. Nhiệt độ của dòng ColdGas (mà nó xác định nhiệt độ của LTS) sẽ bị thay đổi và các thay đổi sẽ được hiển thị trong bảng dữ liệu quá trình: 240. Aán nút Navigator trên thanh button bar. 241. Aán nút radio Streams trong nhóm Filter. 242. Click vào ColdGas, rồi ấn nút View (H. 103). Cửa sổ property của dòng ColdGas sẽ xuất hiện. 57
21. Sử dụng Data book 245. Nhập giá trị 10 vào ô Temperature đối với dòng ColdGas và HYSYS sẽ tự động tính toán lại flowsheet. Kết quả mới được trình bày trên H. 105. Kết quả sau khi thay đổi : Lưu lượng dòng khí thành phẩm tăng lên. Lưu lượng dòng sản phẩm lỏng giảm xuống. Điểm sương của dòng khí thành phẩm tăng lên đến 15.9oF. Để ý rằng o nhiệt độ này không còn thỏa mãn thông số điểm sương là 15 F. 59
22. Khảo sát tùy chọn Trong phần Khảo sát tùy chọn này, một số các công cụ khác có sẵn trong HYSYS sẽ được giải thích, và chúng sẽ được sử dụng để khảo sát quá trình một cách chi tiết hơn. Trong khảo sát này, các hiệu ứng của nhiệt độ LTS lên điểm sương của SalesGas và giá trị nhiệt dung sẽ được xác định. Trước khi tiến hành, hãy trả nhiệt độ dòng ColdGas trở lại giá trị ban đầu là 0oF. 251. Aán nút Workbook trên thanh button bar. 252. Trong thẻ tab Material Streams của sổ Workbook, hãy click vào ô Temperature đối với dòng ColdGas. 253. Nhập giá trị 0 rồi ấn phím Enter key. Sử dụng Bảng tính HYSYS để tính toán giá trị nhiệt dung (Heating Value) HYSYS có một công cụ Bảng tính SPREADSHEET cho phép ta nhập các biến số của dòng hay thiết bị từ ngoài vào, tiến hành tính tóan, và xuất các kết quả tính toán ra ngoài. 254. Để cài đặt một Bảng tính SPREADSHEET và hiển thị cửa sổ property của Bảng tính, hãy double-click vào nút Spreadsheet trong bảng Object Palette. Trong thẻ tab Connections, hay đổi từ tên mặc định của Bảng tính sang Heating Value. Giá trị nhiệt dung của dòng khí thành phẩm sẽ được tính toán bằng cách nhập (import) thành phần dòng khí vào Bảng tính SPREADSHEET, và nhân phần mol của mỗi cấu tử với giá trị nhiệt dung riêng của chúng. 61
23. Khảo sát tùy chọn Để ý rằng, một cách mặc định HYSYS gán các biến số đã nhập vào các ô A1 đến A3 của Bảng tính SPREADSHEET. Hãy đổi vị trí của các ô này thành B3 đến B5 như H. 108; lý do làm việc này sẽ trở nên rõ ràng khi xem thẻ tab Spreadsheet. Không cần thiết thông tin đối với các thẻ tab Parameters và Formulas, do vậy ta di chuyển trực tiếp đến thẻ tab Spreadsheet. Bảng tính SPREADSHEET của HYSYS có tính năng tương tự như các phần mềm Bảng tính thương mại khác; ta nhập dữ liệu và công thức vào các ô, và sẽ có được kết quả tính toán. 63
24. Nhiệm vụ kế tiếp là nhập các công thức để tính toán các giá trị nhiệt dung của các cấu tử Khảo sát và của toàn bộ dòng khí thành phẩm (H. 110). 266. Di chuyển đến ô D3. tùy chọn 267. Nhập vào +b3*c3 rối ấn Enter để nhân phần mol của Methane với giá trị nhiệt dung riêng của nó. Để ý rằng trước công thức phải có dấu +. 268. Lặp lại bước 267 đối với ô D4 đến D7, nhân phần mol của mỗi cấu tử với giá trị nhiệt dung riêng tương ứng của chúng. 269. Trong ô C9, hãy nhập nhãn Sales Gas NHV. 270. Di chuyển đến ô D9 (H. 111). 271. Nhập +d3+d4+d5+d6+d7 vào ô D9 (H. 112) để lấy tổng các giá trị nhiệt dung thành phần. Kết quả là NHV đối với SalesGas có thứ nguyên Btu/scf. Giá trị nhiệt dung của dòng khí thành phẩm là 1080 Btu/scf. Bây giờ, bất kỳ khi nào flowsheet thay đổi và buộc phải tính toán lại dòng SalesGas, các thay đổi về thành phần sẽ tự động chuyển đến Bảng tính SPREADSHEET, và giá trị nhiệt dung sẽ tự động được cập nhật tương ứng. Aán nút Close để tiếp tục khảo sát. 65
25. Cài đặt thiết bị Adjust để tính toán nhiệt độ của thiết bị LTS Giả sử rằng hiện thời giá cả thị trường của sản phẩm lỏng không được thuận lợi. Ta có thể muốn nâng nhiệt độ LTS để còn lại nhiều cấu tử nặng hơn trong pha khí. Điều này sẽ làm tăng giá trị nhiệt dung của dòng khí thành phẩm, và tạo lợi tức cho công ty chuyển tải. Tuy nhiên, dòng khí thành phẩm vẫn phải tuân thủ điều kiện về thông số điểm sương. Có thể sử dụng thiết bị ADJUST để điều chỉnh nhiệt độ của thiết bị LTS (tức là nhiệt độ của dòng ColdGas) cho đến khi điểm sương của dòng khí thành phẩm thấp hơn vài độ so với thông số trong đường ống. Trong thực tế, điều này sẽ làm tăng giá trị nhiệt dung của dòng khí, trong khi vẫn thỏa mãn tiêu chí về điểm sương. Thiết bị ADJUST thực hiện các tính toán thử-và-sai (trial-and-error) một cách tự động cho đến khi đạt được giá trị mục tiêu. Để cài đặt, kết nối và xác định thiết bị ADJUST: 272. Aán nút PFD để hiển thị PFD. Bảng Object Palette cũng phải được xuất hiện; nếu không, hãy ấn . 273. Aán nút Adjust trên bảng Object Palette. 274. Đặt con trỏ lên sơ đồ PFD, bên phải của biểu tượng dòng SalesDP. 67
26. Cài đặt thiết bị Adjust để tính toán nhiệt độ của thiết bị LTS 281. Aán nút OK. 282. Đặt con trỏ lên đầu mút phải của biểu tượng ADJ-1. Điểm kết nối và mô tả pop-up “Target Object” sẽ xuất hiện. 283. Khi mô tả pop-up xuất hiện, click và kéo về phía biểu tượng dòng SalesDP. 284. Khi hộp trắng xuất hiện tại đầu con trỏ, hãy nhả nút chuột chính. Cửa sổ Select Adjusted Variable sẽ xuất hiện. Cần đặt mục tiêu cho nhiệt độ điểm sương của dòng khí thành phẩm. 285. Chọn Temperature từ danh mục Variable. 286. Aán nút OK. 287. Aán nút Attach Mode để rời khỏi chế độ Attach. 288. Double-click vào biểu tượng ADJ-1 để mở cửa sổ property. Lưu ý rằng việc kết nối đã thực hiện trong sơ đồ PFD sẽ được chuyển đến các ô tương ứng trong cửa sổ property. 69
27. Cài đặt thiết bị Adjust để tính toán nhiệt độ của thiết bị LTS 292. Di chuyển đến thẻ tab Monitor. 293. Aán nút Start. Thiết bị ADJUST sẽ hội tụ về giá trị mục tiêu với dung sai đã thiết lập sau bốn lần lặp. Nhiệt độ của LTS (biến số điều chỉnh được) là 4.4 F cho ta điểm sương của khí thành phẩm (biến số mục tiêu) là 10 F (H. 116). Thiết bị ADJUST đã thay đổi nhiệt độ của LTS từ giá trị ban đầu là 0 F đến giá trị hiện hành 4.4 F. Bây giờ, có thể so sánh giá trị nhiệt dung của khí thành phẩm mới với giá trị trước đó để thấy hiệu ứng của việc thay đổi. Aán nút Close trong cửa sổ property ADJUST property. Mở Bảng tính SPREADSHEET bằng cách sử dụng Object Navigator: 294. Ấn để truy cập Navigator. 295. Aán nút radio UnitOps. 296. Double-click vào công cụ Heating Value trong danh mục Unit 71 Operations.
28. Mở sổ Workbook để truy cập kết quả tính toán được đối với toàn bộ flowsheet. Các thẻ tab Material Streams và Compositions của sổ Workbook được trình bày trên H. 118 và H. 119. Kết quả khảo sát 73