MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HẤP THỤ CO2 SỬ DỤNG PHẦN MỀM HYSYS

Phạm Trung Kiên-Lớp Cao học KTHH-2009
MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HẤP THỤ CO
2
SỬ DỤNG
PHẦN MỀM HYSYS
1. Mở đầu
Tháp đệm được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế để thực hiện các quá trình
như: chưng cất, hấp thụ, trích ly,…Đối với thiết bị hấp thụ loại đệm, quá trình
thường được thực hiện ở chế độ cận sặc, tức ở chế độ thủy động tốt nhất. Trong tháp
đệm, thông thường thì sẽ có một dòng chảy từ trên xuống và dòng khí sẽ đi từ dưới
lên. Đệm đóng vai trò làm tăng bề mặt tiếp xúc pha. Chế độ thủy động của tháp đệm
phụ thuộc vận tốc chuyển động và các tính chất vật lý của các pha cũng như phụ
thuộc vào chủng loại và kích thước của đệm. Khi lựa chọn loại đệm người ta dựa
vào các chỉ tiêu sau đây: Điều kiện tiến hành quá trình, các yêu cầu cụ thể đối với
quá trình công nghệ, các yêu cầu cụ thể đối với kết cấu tháp,…
Để chọn sơ bộ kích thước đệm ta cần biết rằng, đệm có kích thước lớn sẽ tạo
được thể tích tự do lớn nên năng suất của tháp cũng tăng. Tuy nhiên khi đó bề mặt
riêng của đệm sẽ nhỏ và hiệu suất tách của các viên đệm sẽ kém. Do đó các viên
đệm có kích thước lớn chỉ được sử dụng khi cần tháp có năng suất lớn và độ sạch
của sản phẩm không cao. Tháp đệm có thể làm việc ở chế độ màng, chảy rối, cận
sặc và sặc. Có hai loại đệm là loại xếp lộn xộn và loại có trật tự.
MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HẤP THỤ KHÍ CO
2
SỬ DỤNG PHẦN MỀM HYSYS
Phạm Trung Kiên-Lớp Cao học KTHH-2009
Việc nghiên cứu, tính toán, thiết kế các quá trình trong công nghệ hóa học là
rất khó khăn và mất thời gian. Ngày nay, với sự hỗ trợ rất mạnh của máy tính cùng
với một loạt các phần mềm chuyên nghiệp, đặc biệt là các phần mềm trong công
nghiệp hóa học (HYSYS, PRO/II, DYNSIM, ASPEN PLUS,…) thì việc tính toán,
nghiên cứu các quá trình trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.
Nội dung của bài toán đề cập đến ứng dụng của phần mềm HYSYS trong việc

nghiên cứu, tính toán qúa trình hấp thụ khí CO
2
sử dụng dung môi Propylen
Cacbonat.
2. Mô tả quá trình hấp thụ CO
2
bằng Propylen Cacbonat (PC)
Dòng khí nguyên liệu (Gases In) có 20% mol CO
2
và 80% mol Methane, lưu
lượng (Molar Flow) 7200 m
3
/h (304.5 kmol/h), nhiệt độ 60
0
C, áp suất 6090 kPa.
CO
2
được hấp thụ bằng Propylene Cacbonat trong tháp đệm. Dòng dung môi PC
(Solvent In) tưới vào tháp hấp thụ (100% Propylen Cacbonat) có lưu lượng (Molar
Flow): 2000 kmol/h, nhiệt độ: 60
o
C, áp suất: 6090 kPa. Tháp hấp thụ (Absorber)
làm việc ở nhiệt độ: 60
0
C và áp suất: 60.1 atm. Sơ đồ công nghệ của tháp hấp thụ
cho ở hình dưới đây:
MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HẤP THỤ KHÍ CO
2
SỬ DỤNG PHẦN MỀM HYSYS
Phạm Trung Kiên-Lớp Cao học KTHH-2009

Xác định:
1. Nồng độ CO
2
còn lại trong dòng khí (Gases Out) ra khỏi tháp hấp thụ?
2. Chiều cao và đường kính tháp hấp thụ?
Tăng lưu lượng dòng dung môi (Solvent In) vào tháp từ 2000 kmol/h lên 2500
kmol/h. Tính toán và xem kết quả:
1. Kích thước tháp thay đổi thế nào?
2. Nồng độ CO
2
trong dòng khí ra là bao nhiêu?
3. Xây dựng mô phỏng (Tạo gói chất lưu cho dự án mô phỏng)
- Lựa chọn các cấu tử: CH
4
, CO
2
và Propylen Cacbonat (PC): Vào Simulation
Basis Manager chọn Components/Add cửa sổ sau sẽ xuất hiện:
MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HẤP THỤ KHÍ CO
2
SỬ DỤNG PHẦN MỀM HYSYS
Phạm Trung Kiên-Lớp Cao học KTHH-2009
Tìm các cấu tử cần thiết trong thư viện các cấu tử, sau đó kích vào Add Pure.
- Lựa chọn hệ nhiệt động: Sour Peng-Robinson: Vào Simulation Basis
Manager chọn Fluid Pkgs/Add/Lựa chọn Sour PR.
Vào môi trường mô phỏng: Kích vào nút Enter Simulation Environment
4. Mô phỏng quá trình hấp thụ khí CO
2
MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HẤP THỤ KHÍ CO
2

SỬ DỤNG PHẦN MỀM HYSYS
Phạm Trung Kiên-Lớp Cao học KTHH-2009
4.1. Định nghĩa dòng Gases In
- Nhập các thông số của dòng Gases In có nhiệt độ: 60
o
C , áp suất: 6090 kPa,
lưu lượng: 304.5 kmol/h như sau:
- Nhập thành phần phần mol các cấu tử cho dòng Gases In
MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HẤP THỤ KHÍ CO
2
SỬ DỤNG PHẦN MỀM HYSYS
Phạm Trung Kiên-Lớp Cao học KTHH-2009
4.2. Định nghĩa dòng Solvent In
- Nhập các thông số của dòng Gases In có nhiệt độ: 60
o
C , áp suất: 6090 kPa,
lưu lượng: 2000 kmol/h như sau:
- Nhập thành phần phần mol các cấu tử cho dòng Solvent In
4.3. Cài đặt các thông số cho tháp hấp thụ Absorber
Page 1: - Cài đặt tên và các dòng vào và ra cho tháp, số đĩa lý thuyết: 10 đĩa,…như
hình dưới đây:
MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HẤP THỤ KHÍ CO
2
SỬ DỤNG PHẦN MỀM HYSYS
Phạm Trung Kiên-Lớp Cao học KTHH-2009
Page 2: - Cài đặt áp suất đỉnh: 6090 kPa và đáy tháp hấp thụ: 6090 kPa như hình
sau:
Page 3: - Cài đặt giá trị nhiệt độ ước tính đỉnh tháp: 60
o
C và đáy tháp hấp thụ 60

o
C
như sau:
MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HẤP THỤ KHÍ CO
2
SỬ DỤNG PHẦN MỀM HYSYS
Phạm Trung Kiên-Lớp Cao học KTHH-2009
- Chạy tháp hấp thụ, kết quả cho ở hình dưới đây:
5. Phân tích kết quả mô phỏng
- Kết hợp sử dụng tiện ích Tray-Sizing ta tính toán được các kết quả quan trọng sau:
MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HẤP THỤ KHÍ CO
2
SỬ DỤNG PHẦN MỀM HYSYS
Phạm Trung Kiên-Lớp Cao học KTHH-2009
5.1. Khi lưu lượng là 2000 kmol/h thì với loại đệm Ballast Rings (Metal Random)
1 inch
Đường kính tháp: 1.067 m Chiều cao tháp: 5.098 m
- Nồng độ CO2 ra khỏi tháp: 0.0432 phần mol như hình dưới đây:
MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HẤP THỤ KHÍ CO
2
SỬ DỤNG PHẦN MỀM HYSYS
Phạm Trung Kiên-Lớp Cao học KTHH-2009
5.2. Khi lưu lượng là 2500 kmol/h thì với loại đệm Ballast Rings (Metal Random)
1 inch
Đường kính tháp: 1.219 m Chiều cao tháp: 5.306 m
- Nồng độ CO2 ra khỏi tháp: 0.0097 phần mol như hình dưới đây:
5.3. Phân tích kết quả quá trình mô phỏng
Từ kết quả mô phỏng ta thấy rằng, ban đầu phần trăm CO
2
trong khí nguyên

nhiệu là 20%, sau khi đi qua tháp hấp thụ hàm lượng CO
2
giảm xuống còn 4.32%
MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HẤP THỤ KHÍ CO
2
SỬ DỤNG PHẦN MỀM HYSYS
Phạm Trung Kiên-Lớp Cao học KTHH-2009
mol với lưu lượng dung môi là 2000 kmol/h. Nếu tăng lưu lượng dòng dung môi lên
2500 kmol/h thì khi đó lượng CO
2
trong dòng khí ra là 0.97% mol. Một điều đáng
lưu ý nữa là, nếu ta xem xét thành phần dòng Liquid Out thấy rằng hàm lượng CH
4
(2.85% mol) khá lớn, xấp xỉ hàm lượng CO
2
(2.25% mol), như vậy Propylen
Cacbonat hấp thụ khá lớn hydrocacbon. Như vậy, nếu muốn giảm đáng kể hàm
lượng CO
2
trong khí chúng ta có hai cách:
- Tăng lưu lượng dòng dung môi.
- Thay PC bằng một dung môi mới hấp thụ chọn lọc CO
2
hơn.
Khi lưu lượng dòng dung môi tăng thì đường kính tháp và chiều cao tháp
cũng tăng tương ứng.
6. Kết luận
Bài toán tính toán thiết kế tháp đệm đã được giải quyết với sự trợ giúp của
phần mềm HYSYS. Kết quá nghiên cứu, tính toán, thiết kế khá phù hợp với thực tế.
Tuy nhiên để đưa vào áp dụng trong thực tế cần nghiên cứu chi tiết và đầy đủ hơn.

MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH HẤP THỤ KHÍ CO
2
SỬ DỤNG PHẦN MỀM HYSYS