MÔ PHỎNG CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
***





BÀI THI KẾT THÚC MÔN HỌC:

MÔ PHỎNG CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ
HÓA HỌC



Người thực hiện: Học viên Lê Kiều Hưng
Lớp: Cao học Kỹ thuật hóa học 2009
Người hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Thị Minh Hiền







HÀ NỘI – 1/2010


Bài thi kết thúc môn học: Mô phỏng các quá trình Công nghệ Hoá học
Học viên: Lê Kiều Hưng – CH KTHH 2009
1

ĐĨA GHI FILE BÀI THI KẾT THÚC MÔN HỌC

MÔ PHỎNG CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Bài thi kết thúc môn học: Mô phỏng các quá trình Công nghệ Hoá học
Học viên: Lê Kiều Hưng – CH KTHH 2009
1

Bài 1:
Quá trình chiết Lỏng – Lỏng (Liquid - Liquid Extraction in HYSYS)
Dòng lỏng chứa 60% mol H
2
O và 40% mol aceton đi vào tháp chiết ở nhiệt độ
25
o
C và áp suất 1 atm, lưu lượng dòng 1 kgmol/sec, được chiết bằng dung môi MIBK
tinh khiết trong cùng điều kiện như dòng nguyên liệu. (Sử dụng NRTL Fluid
Package)
1. Xác định lưu lượng các dòng sản phẩm sau tháp chiết.
2. Xác định thành phần các dòng sản phẩm sau tháp chiết.

Các bước thực hiện:

Bước 1: Thiết lập các thông số cho Case:
- Chọn các cấu tử: Acetone, H
2
O và MIBK.

Bài thi kết thúc môn học: Mô phỏng các quá trình Công nghệ Hoá học
Học viên: Lê Kiều Hưng – CH KTHH 2009
2
- Chọn Fluid Package : NRTL Fluid package.

Đối với bài toán chiết lỏng - lỏng, cần chọn hệ số “Binary Coeffs” cho các cấu tử.
Nếu một số hệ số không được thiết lập sẽ gây ra lỗi và quá trình sẽ không mô phỏng
được. Để thiết lập Binary Coefficients, chúng ta chọn tab “Binary Coeffs”.
HYSYS tính toán ước lượng các hệ số này bằng cách dựa vào các quan hệ cân bằng.
Đối với quá trình chiết lỏng – lỏng, ước lượng UNIFAC LLE là ước lượng thích hợp
để sử dụng.
Để thiết lập, chúng ta chọn UNIFAC LLE, sau đó bấm “Unknowns
Only”.




Bài thi kết thúc môn học: Mô phỏng các quá trình Công nghệ Hoá học
Học viên: Lê Kiều Hưng – CH KTHH 2009
3

Bước 2: Bước vào môi trường mô phỏng
Do đây là bài toán chiết lỏng - lỏng, nên cần thiết lập 4 dòng: Feed, Solvent,
Extracted products, và Bottom products.

Bước 3: Chọn và thiết lập connections và các thông số khác cho tháp chiết (Liquid-
Liquid Extraction column)








Bài thi kết thúc môn học: Mô phỏng các quá trình Công nghệ Hoá học
Học viên: Lê Kiều Hưng – CH KTHH 2009
4
Thiết lập Connections:



Áp suất làm việc của tháp (101.3 kPa).



Cuối cùng, phần ước lượng về nhiệt độ của sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy sẽ được
HYSYS tính toàn khi hoàn thành mô phỏng nên chúng ta không cần nhập các giá trị

này. Bấm Done để trở lại trang thiết lập tháp chiết.
Bài thi kết thúc môn học: Mô phỏng các quá trình Công nghệ Hoá học
Học viên: Lê Kiều Hưng – CH KTHH 2009
5

Với bản chất của bài toán, không cần thiết đến 10 đĩa để tách acetone, chỉ cần khoảng
4 đĩa để tách 99% acetone. HYSYS để mặc định là 10 đĩa cho tháp, vì vậy ta thiết
lập số đĩa bằng cách click vào “n = ” tab dưới “Num of Stages” và nhập số đĩa là 4.







Bài thi kết thúc môn học: Mô phỏng các quá trình Công nghệ Hoá học
Học viên: Lê Kiều Hưng – CH KTHH 2009
6
Bước 4: Thiết lập dòng Feed và Solvent:
Đối với dòng Feed, ta thiết lập với các thông số như sau:
Nhiệt độ: 250 C, áp suất 101.3 kPa, lưu lượng 1 kg-mol/sec, và thành phần của dòng
là 40 mol % acetone và 60 mol % water

Dòng Solvent có MIBK nguyên chất ở 250
0
C, 101 kPa và lưu lượng là 1 kgmol/sec.

Bài thi kết thúc môn học: Mô phỏng các quá trình Công nghệ Hoá học
Học viên: Lê Kiều Hưng – CH KTHH 2009
7

Chạy mô phỏng:
Click đúp lên tháp và ấn vào nút “Run”, chúng ta đã có kết quả mô phỏng của quá
trình chiết như hình dưới đây:



















Bài thi kết thúc môn học: Mô phỏng các quá trình Công nghệ Hoá học
Học viên: Lê Kiều Hưng – CH KTHH 2009
8
Kết quả mô phỏng:
I. Lưu lượng các dòng sản phẩm sau tháp chiết:

- Lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh: 5388 kgmole/h;
- Lưu lượng dòng sản phẩm đáy: 1812 kgmole/h.

II. Thành phần các dòng sản phẩm sau tháp chiết:

Dòng sản phẩm đỉnh có 6,5465 mol % H
2
O, 66,7285 mol % MIBK và 26,725 mol %
Acetone.
Bài thi kết thúc môn học: Mô phỏng các quá trình Công nghệ Hoá học
Học viên: Lê Kiều Hưng – CH KTHH 2009
9


Dòng sản phẩm đáy có 99,7501 mol % H
2
O, 0,2498 mol % MIBK và 0,0001 mol %
Acetone.

Kết luận:
Như vậy ta có thể thấy rằng, chỉ với tháp 4 đĩa, chúng ta đã tách được
99,999% Acetone ra khỏi dung dịch.

Bài thi kết thúc môn học: Mô phỏng các quá trình Công nghệ Hoá học
Học viên: Lê Kiều Hưng – CH KTHH 2009
10


Bài 2:
Quá trình Hấp thụ Khí – Lỏng (Gas-Liquid Absorption in HYSYS)
Dòng khí nguyên liệu có 20% mol CO
2
và 80% mol methane, lưu lượng 7200
m
3
/h. CO
2
được hấp thụ bằng Propylene Carbonate trong tháp đệm. Tháp hấp thị làm
việc ở nhiệt độ 60
o
C và áp suất 60.1 atm. Dòng dung môi tưới vào tháp có lưu lượng
2000 kmol/hr.
1. Tính nồng độ CO
2
còn lại trong dòng khí ra khỏi tháp hấp thụ (%mol)
2. Chiều cao và đường kính tháp hấp thụ.
Các bước thực hiện:


Bước 1: Thiết lập các điều kiện của case:
− Components: C1, CO2 , propylenecarbonat
− Package: Sour PR

− Enter Simulation Environment


Bài thi kết thúc môn học: Mô phỏng các quá trình Công nghệ Hoá học
Học viên: Lê Kiều Hưng – CH KTHH 2009
11


Bước 2: Thiết lập dòng vật liệu Solvent In và Gases In:



Solvent In

Bài thi kết thúc môn học: Mô phỏng các quá trình Công nghệ Hoá học
Học viên: Lê Kiều Hưng – CH KTHH 2009
12


Gases In


Bước 3: Adding Absorber và thiết lập connections:





Bài thi kết thúc môn học: Mô phỏng các quá trình Công nghệ Hoá học
Học viên: Lê Kiều Hưng – CH KTHH 2009

13
Thiết lập áp suất cho Absober:




Thiết lập nhiệt độ cho Absober:






Bài thi kết thúc môn học: Mô phỏng các quá trình Công nghệ Hoá học
Học viên: Lê Kiều Hưng – CH KTHH 2009
14
Bước 4: Chạy mô phỏng:


Các bước để chuyển từ chế độ Trays sang Packing



Bài thi kết thúc môn học: Mô phỏng các quá trình Công nghệ Hoá học
Học viên: Lê Kiều Hưng – CH KTHH 2009
15

Bài thi kết thúc môn học: Mô phỏng các quá trình Công nghệ Hoá học
Học viên: Lê Kiều Hưng – CH KTHH 2009
16


Chọn Complete AutoSection, đóng các giao diện, trở về PFD
Nhắp đúp vào Tháp và bấm Run để tính toán lại với tháp đệm

Lấy các thông số đã thiết kế ta có kết quả bài toán như sau:

Khi lưu lượng là 2000 kmol/h và với loại đệm Ballast Rings (Metal Random) 1 inch
thì đường kính tháp: 1.067 m, chiều cao tháp: 5.098 m, nồng độ CO2 ra khỏi tháp:
0.0432 phần mol. (Hình ở trang sau)

Bài thi kết thúc môn học: Mô phỏng các quá trình Công nghệ Hoá học
Học viên: Lê Kiều Hưng – CH KTHH 2009
17









Bài thi kết thúc môn học: Mô phỏng các quá trình Công nghệ Hoá học
Học viên: Lê Kiều Hưng – CH KTHH 2009
18
Bài 3: Thiết bị phản ứng, Tháp tách và Thiết bị trao đổi nhiệt

Sản xuất Toluen từ n-heptane bằng phản ứng dehydro hóa:

CH
3
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
3
→ C
6
H
5
CH
3
+ 4H
2

n-heptane được gia nhiệt trong thiết bị gia nhiệt từ 65
o
F tới 800°F. Tiếp đó
nguyên liệu đi vào thiết bị phản ứng xúc tác, làm việc ở chế độ đẳng nhiệt, chuyển

hóa 15 mol% n-heptane thành toluene. Hỗn hợp sau phản ứng được làm lạnh tới 65°F
và đưa vào tháp tách (flash). Toàn bộ hệ thống làm việc ở áp suất khí quyển.
1. Hãy xác định lưu lượng các dòng sản phẩm (lưu lượng dòng nguyên liệu lấy
bằng 100 lbmol/hr)
2. Thêm thiết bị trao đổi nhiệt để t
ận dụng nhiệt của dòng khí sản phẩm sau
thiết bị phản ứng để gia nhiệt cho dòng khí nguyên liệu ban đầu. Có thể thay đổi nhiệt
độ dòng nguyên liệu sau khi qua trao đổi nhiệt này để đánh giá ảnh hưởng của thiết bị
trao đổi nhiệt (H-Duty và UA). Xác định nhiệt độ phù hợp đảm bảo cho thiết bị trao
đổi nhiệt làm việc tốt. (Gợi ý: sử dụng Databook để xem xét sự biến đổ
i này).
Các bước thực hiện:

Bước 1: Thiết lập các điều kiện của case:
− Components: n-heptane, toluene, H
2

− Package: Peng-Robinson
− Thiết lập phản ứng xảy ra trong mô phỏng
CH
3
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH

2
CH
3
→ C
6
H
5
CH
3
+ 4H
2

− Enter Simulation Environment

Bài thi kết thúc môn học: Mô phỏng các quá trình Công nghệ Hoá học
Học viên: Lê Kiều Hưng – CH KTHH 2009
19




Bài thi kết thúc môn học: Mô phỏng các quá trình Công nghệ Hoá học
Học viên: Lê Kiều Hưng – CH KTHH 2009
20

Bước 2: Thiết lập dòng Feed có các thông số: 65
0
F, 1 atm, 100% n-heptane và lưu
lượng là 100 lbmol/hr.

Bài thi kết thúc môn học: Mô phỏng các quá trình Công nghệ Hoá học
Học viên: Lê Kiều Hưng – CH KTHH 2009
21
Bước 3: Thêm thiết bị gia nhiệt để gia nhiệt dòng Feed từ 65
o
F tới 800°F.



Bước 4: Thiết lập dòng Heated Feed ở 800
0
F và 1 atm.


Kết quả:

Bài thi kết thúc môn học: Mô phỏng các quá trình Công nghệ Hoá học
Học viên: Lê Kiều Hưng – CH KTHH 2009
22
Bước 5: Thêm thiết bị phản ứng và thiết lập connections cho thiết bị.

Bước 6: Thiết lập phản ứng cho thiết bị:




Bài thi kết thúc môn học: Mô phỏng các quá trình Công nghệ Hoá học
Học viên: Lê Kiều Hưng – CH KTHH 2009
23


Bước 7: Thêm Cooler để làm lạnh hỗn hợp sau phản ứng tới 65°F

Bước 8: Thiết lập Connection và các thông số cho Cooler