Mô phỏng công nghệ hóa học và dầu khí

TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN KĨ THUẬT HÓA HỌC
Tài Liệu Thí Nghiệm
Mô Phỏng Công Nghệ Hóa Học & Dầu Khí
Hà Nội, 7/2014
Bài Số 1: Xác Định Các Thông Số Dòng Vật Chất
& Phương Trình Trạng Thái
Mục đích : Làm quen với môi trường mô phỏng bởi phần mềm Unisim/ Hysys. Xác
định các thông số dòng vật chất
So sánh kết quả khi thay các hệ nhiệt động khác nhau.
Cơ sở lí thuyết
Một dòng vật chất được khai báo bởi 4 thông số
1. Thành phần dòng
2. Lưu lượng
3. Hai trong ba thông số còn lại: Nhiệt độ, áp suất, Thành phần pha khí
Các thông số dòng vật chất còn lại sẽ được tính theo các thông số trên.
Khi tính toán các phương trình các trạng thái cho phép xác định được thể tích của
hỗn hợp khí tại điều kiện nhiệt độ và áp suất xác định. Nếu không sử dụng các phương
trình trạng thái thì hầu như không thể thiết kế được các nhà máy h oá chất. Bởi vì từ việc
xác định thể tích này có thể tính toán được kích thước và hơn nữa là giá thành của các
nhà máy đó.
HYSYS có các phương trình trạng thái như Peng-Robinson (PR) và Soave- Redlich-
Kwong (SRK). Trong đó, phương trình Peng-Robinson được sử dụng trong khoảng biến
đổi rộng nhất của các thông số công nghệ và với các hệ đa dạng nhất. Từ các phương
trình Peng-Robinson (PR) và Soave-Redlich-Kwong (SRK) trực tiếp tính toán ra tất cả
các tính chất cân bằng và các tính chất nhiệt động của hệ. Các phương trình PR và SRK
có chứa các hệ số tương tác bậc hai cho tất cả các cặp hydrocacbon-hydrocacbon (tập hợp
các tham số tương tác tạo liên kết và không tạo liên kết) và hầu hết các cặp bậc hai
hydrocacbon - phi hydrocacbon.
Nội dung thí nghiệm
1. Thiết lập một dòng vật liệu chỉ có H

2
O với các điều kiện sau:
• Fluid Package: Peng-Robinson
• Flowrate : 100 kgmole/h
• Pressure : 1 bar
• Temprature : 50
o
C
2. Thiết lập một dòng vật liệu chỉ có H
2
O với các điều kiện sau:
• Fluid Package: Peng-Robinson
• Flowrate : 100 kgmole/h
• Pressure : 100 Kp
• Vapor/phase fraction : 1.0
Nhiệt độ của dòng bằng bao nhiêu?
3. Làm lại bài toán trên, thay áp suất bằng nhiệt độ là: 150°C
Áp suất của dòng bằng bao nhiêu?
4. Với cùng bài toán 2 nhưng giảm nhiệt độ đến 70°C
Áp suất của dòng bây giờ bằng bao nhiêu?
5. Tạo một dòng mới chỉ có H
2
O với các điều kiện sau:
• Fluid Package : Peng-Robinson
• Flowrate : 100 kgmole/h
• Pressure : 2 atm
• Vapor/phase fraction: 1.0
Nhiệt độ của dòng này bằng bao nhiêu?
6. Với cùng điều kiện trên nhưng tăng áp suất lên 5 atm
Nhiệt độ của dòng lúc này bằng bao nhiêu?

7. Với cùng điều kiện như bài 4, tăng áp suất thêm 0,5 atm
Nhiệt độ của dòng mới bằng bao nhiêu?
8. Tìm Molar Volume của khí amoniac ở 56 atm và 450 K sử dụng phương trình trạng thái
Soave-Redlich-Kwong (SRK), lưu lượng 100kmol/h.
9. Tìm Molar Volume của khí metanol tại áp suất 100 atm và 300ºC sử dụng
phương trình trạng thái Peng-Robinson (PR). So sánh Molar Volume của khí metanol
khi sử dụng phương trình trạng thái Soave-Redlich-Kwong (SRK).
10. Cho một hỗn hợp khí đi vào thiết bị chuyển hoá khí bằng hơi nước (WGS) để sản xuất
hydro: 630 kmol/h CO, 1130 kmol/h H
2
O, 189 kmol/h CO
2
, 63 kmol/h H
2
. Áp
suất hỗn hợp khí là 1 atm và nhiệt độ là 500K. Sử dụng phương trình trạng thái
Soave-Redlich-Kwong (SRK) tính thể tích riêng của hỗn hợp khí.
11. Cho một hỗn hợp khí gồm 25% amoniac và phần còn lại là nitro và hydro với tỉ lệ là
1:3 , tại 270 atm và 550 K. S ử dụng phương trình trạng thái PengRobinson (PR)
để tính thể tích riêng của hỗn hợp khí.
12. Cho hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị phản ứng tổng hợp metanol có thành phần như sau:
100 kmol/h CO; 200 kmol/h H
2
; 100 kmol/h metanol. Hỗn hợp khí ở áp suất 100 atm và
nhiệt độ 300ºC. Tính toán thể tích riêng của hỗn hợp s ử dụng phương trình trạng thái
Soave-Redlich-Kwong (SRK) và so sánh với kết quả tính toán khi sử dụng phương
trình trạng thái Peng-Robinson (PR).
Bài 2 Các Thiết Bị Phụ Trợ: Bơm
Máy Nén & Tuocbin Giãn Nở Khí
Mục đích:

- Tính nhiệt độ dòng ra khi biết công suất của bơm hoặc ngược lại .
- Xác định được nhiệt độ của dòng sau thiết bị máy nén và Tuocbin giãn nở
khí
- Biết cách tạo cấu tử giả
Cơ sở thí nghiệm
Muốn chất lỏng chuyển động từ thấp lên cao hoặc chảy dọc theo ống, mương
máng nằm ngang, người ta phải dung bơm để cung cấp năng lượng tạo nền sự chênh
lệch áp lực dể đây chất lỏng thành dòng chuyên trong dó.
Khi tính toán, đánh giá chất lượng bơm ta thường dựa vào các thông số đặc trung
chính gồm: Năng suất, áp suất toàn phần, công suất và hiệu .suất.
Bơm được sử dụng để tăng áp suất của dòng lỏng vào. Tùy thuộc vào các tham số
được khai báo ban đầu, sẽ tính toán nhiệt độ, hoặc áp suất chưa biết hoặc công suất của
bơm.
Máy nén được sử dụng để tăng áp suất cho một dòng khí, tùy thuộc vào thông tin
được cung cấp, Compressor sẽ tính toán các tính chất của dòng (nhiệt độ hoặc áp suất)
hay công suất của máy nén.
Expander được sử dụng làm giảm áp suất của dòng khí vào có áp suất cao và tạo
dòng khí sản phẩm ra có áp suất thấp và tốc độ cao. Quá trình giãn nở là quá trình chuyển
đổi nội năng của khí thành động năng và sinh công. Expander sẽ tính toán hoặc là tính
chất của dòng hoặc là công suất giãn nở.
Nội dung thí nghiệm
1. Bơm được dùng để vận chuyển chất lỏng. Bơm làm tăng áp suất của chất lỏng. Nước vào
bơm có nhiệt độ 120°C và áp suất 5 bar được đưa vào bơm hoạt động với hiệu suất 50%
định mức. Lưu lượng của dòng nước là 100 kmol/h và áp suất dòng ra khỏi bơm là 80
bar. Sử dụng phương trình trạng thái Peng-Robinson (PR), hãy xác định nhiệt độ của
dòng nước ra khỏi bơm.
2. Khi nhiệt độ đầu ra của bơm là 200°C thì công suất của bơm là bao nhiêu?
3. Máy nén dùng để vận chuyển khí và làm tăng áp suất của dòng khí. Có một
hỗn khí tự nhiên (gồm C
l

, C
2
, C
3
, n-C
4
, i-C
4
, i-C
5
, n-C
5
, n-C
6
, C
7
+
) ở áp suất 1 bar
và nhiệt độ 80°C được đưa vào máy nén làm việc với hiệu suất 30%. Lưu lượng
dòng khí là 100 kmol/h. Áp suất ra khỏi máy nén là 5 bar. Sử dụng phương trình
PR. Xác định nhiệt độ của dòng khí ra khỏi máy nén.
Nhiệt độ sôi C
7
+
là 110
o
C.
Thành phần dòng:
C
1

0.33 i-C
5
0.069
C
2
0.143 n-C
5
0.059
C
3
0.101 n-C
6
0.078
i-C
4
0.098 C
7
+
0.042
n-C
4
0.080
Thay hiệu suất định mức lên 60%, bạn có nhận xét gì về sự thay đổi?
Nếu nhiệt độ dòng ra là 400
o
C thì công suất máy nén là bao nhiêu?
4. Expander dùng để giảm áp suất của một dòng khí vào cao áp và tạo dòng
khí sản phẩm ra có áp suất thấp và vận tốc lớn. Hỗn hợp khí gồm metan, etan, và
propan ở nhiệt độ 25°C, áp suất 20 bar, được đưa vào expander với hiệu suất 40%
định mức. Lưu lượng dòng khí là 100 kgmol/h, áp suất ra khỏi expander là 3 bar.

Sử dụng phương trình Peng-Robinson, xác định nhiệt độ đầu ra của hỗn hợp khí.
Thành phần: C
1
: 50%, C
2
: 30%, C
3
: 20%
Nếu tang công suất định mức lên 70% thì có sự thay đổi gì không? Công suất của
Expander là bao nhiêu khi nhiệt độ đầu ra là -30
o
C
Bài 3 Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt & Tháp Tách Pha
Mục đích : Làm quen với các mô hình thiết bị trao đổi nhiệt
Giúp sinh viên hiểu được nguyên tắc khi phân tách 2 pha
Cơ sở lí thuyết: Các thiết bị trao đổi nhiệt được ứng dụng rất rộng rãi trong công
nghiệp hóa học. Các thiết bị đun nóng, làm lạnh và trao đổi nhiệt trực tiếp, mỗi thiết bị có
cách hoạt động khác nhau.
Trong mô phỏng tĩnh, Separator phân chia hỗn hợp hai pha trong tháp thành pha lỏng
và pha hơi. Hai pha lỏng và hơi được phân tách trong tháp sau khi đã đạt trạng thái cân
bằng
Flash Separator thực hiện tính toán xác định các tham số sản phẩm và thành phần
pha. Áp suất của quá trình tách là áp suất thấp nhất của nguyên liệu trừ đi độ giảm áp qua
tháp tách. Entanpy bao gồm entanpy của dòng nguyên liệu và dòng năng lượng (giá trị
mang dấu cộng nếu được đun nóng, mang dấu trừ nếu được làm lạnh).
Separator có khả năng tính toán kết quả ngược lại. Ngoài việc áp dụng tính toán theo
tiêu chuẩn (dòng nguyên liệu vào tháp đã khai báo thông tin đầy đủ, được tách tại áp suất
và entanpy của tháp tách), Separator còn có thể sử dụng thành phần đã biết của một dòng
sản phẩm để tính toán thành phần của dòng sản phẩm còn lại và dựa trên cân bằng vật
chất của dòng nguyên liệu vào.

Nội dung thí nghiệm
1. Xác định công suất của thiết bị đun nóng khi đun nước ở 25
o
C, 1atm lên
90
o
C. Độ giảm áp 10Kp
Dòng sau khi được đun nóng được đưa qua thiết bị làm lạnh. Xác định công
suất của thiết bị làm lạnh khi làm lạnh về 5
o
C. Độ giảm áp 10Kp
2. Nước nóng ở 250
o
C và 1000 psi được sử dụng để gia nhiệt dòng nước lạnh
trong thiết bị trao đổi nhiệt Heat Exchanger. Dòng vào có nhiệt độ 25
o
C và áp suất
là 130 psi. Nhiệt độ dòng lạnh và dòng nóng ra khỏi thiết bị lần lượt là 150
o
C và
190
o
C. Nếu lưu lượng dòng nóng là 100 kg/h, tính lưu lượng dòng lạnh đi qua
thiết bị trao đổi nhiệt. Nếu lưu lượng dòng lạnh là 100 kg/h, xác định lưu lượng
dòng nóng. Nhiệt lượng trao đổi giữa hai dòng là bao nhiêu?
3. Dòng vật chất bao gồm 15% etan, 20% propan, 60% i-butan, 5% n-butan ở
50
o
F và áp suất khí quyển, lưu lượng 100 lbmol/h. Nén dòng đến 50 psi sau đó làm
lạnh đến 32

o
F, độ giảm áp của thiết bị là 10Kp. Sản phẩm là dòng hơi và dòng
lỏng được tách ra. Tính lưu lượng và thành phần của hai dòng sản phẩm này.
Nếu nhiệt độ dòng Cool Gas là 10
o
F, thì lưu lượng và thành phần của hai dòng
là bao nhiêu?
Bài 4: Chu trình lạnh C
2
- C
3
Mục đích:
• Xây dựng chu trình lạnh
• Chuyển sang dạng Template
Cơ sở lí thuyết :
Chu trình lạnh được sử dụng phổ biến trong công nghệ dầu khí, hóa dầu, công nghệ
hóa học, làm lạnh để nhận sản phẩm lỏng, xây dựng chu trình lạnh với tác nhân lạnh hỗn
hợp C
2
và C
3
Quá trình bay hơi là quá trình thu nhiệt. Môi chất là chất trao đổi nhiệt khi nó tuần
hoàn. Nó nhận nhiệt khi bay hơi và giải phóng nhiệt khi nó hoá lỏng.
Các tính chất cần thiết đối với một môi chất
+ Dễ bay hơi và hoá lỏng
+ An toàn
+ Ổn định và chất lượng không thay đổi.
Nội dung thí nghiệm:
Thực hiện mô phỏng theo sơ đồ sau
Bài 5: Phản Ứng Chuyển Hóa & Phản Ứng Cân Bằng

Mục đích: Giúp sinh viên phát triển mô hình phản ứng dựa theo độ chuyển hóa và
cân bằng phản ứng hóa học.
Cơ sở lí thuyết:
Loại phản ứng chuyển hoá không yêu cầu các kiến thức về nhiệt động học. Việc phải
làm là nhập hệ số tỷ lượng phản ứng và độ chuyển hoá của chất phản ứng cơ bản (trong
trường hợp này là metan). Độ chuyển h oá luôn luôn dưới 100%. Phản ứng tiến hành cho
đến khi đạt giới hạn hoặc hết chất phản ứng.
Việc nhóm các phản ứng khác loại với nhau là không thể thực hiện, tuy nhiên, có thể
nhóm các phản ứng Conversion lại thành một nhóm và phân loại các phản ứng (phản ứng
nối tiếp hay song song). Phản ứng có bậc thấp nhất sẽ xảy ra đầu tiên (có thể bắt đầu hoặc
là 0 hoặc 1). Cũng như các phản ứng đơn lẻ, tổng độ chuyển hoá cấu tử cơ bản trong
nhóm các phản ứng không được quá 100%.
Các phản ứng Conversion không được sử dụng trong các thiết bị phản ứng đẩy lý
tưởng (PFR) hoặc khuấy lý tưởng (CSTR). Nói chung, các phản ứng Conversion chỉ
được thực hiện trong thiết bị phản ứng Conversion Reactor.
Equilibrium Reactor là thiết bị mô phỏng trong đó thực hiện các phản ứng cân bằng
(equilibrium reaction). Dòng ra khỏi thiết bị đạt trạng thái cân bằng hoá học và vật lý.
Reaction Set được gắn cho Equilibrium Reactor bao gồm không giới hạn các phản ứng
cân bằng, được diễn ra song song hoặc nối tiếp. Không có các cấu tử và quá trình lý
tưởng, Unisim/Hysys có thể tính toán hoạt tính hoá học của mỗi cấu tử trong hỗn hợp
phản ứng dựa trên fugat của các cấu tử đơn chất và hỗn hợp.
Có thể kiểm tra độ chuyển hoá thực tế, thành phần cấu tử cơ bản, hằng số cân bằng
và bậc phản ứng đối với từng phản ứng được cài đặt trong Reaction Set. Độ chuyển hoá,
hằng số cân bằng và các thông số tính toán khác, tất cả được tính toán dựa trên những
thông tin được cung cấp khi thiết lập Reaction Set.
Nội dung thí nghiệm
1. Công nghệ sản xuất khí hydro từ hydrocacbon đã có những bước phát triển
đáng kể trong thập kỷ qua. Hiệu quả của công nghệ sản xuất hydro có liên quan
trực tiếp đến các thiết bị chuyển hoá năng lượng như pin nhiên liệu fuel cell). Sự
chuyển hoá nhiên liệu thành hydro được thực hiện bằng quá trình oxi hoá không

hoàn toàn. Phương pháp này dựa vào phản ứng của nhiên liệu ví dụ như metan với
không khí để tạo ra oxit cacbon và hydro.
CH
4
+ 1/2 O
2
→CO + 2H
2
C% = 40%
CH
4
+ O
2
→ CO
2
+2H
2
C% =60%
Phát triển mô hình đại diện cho quá trình oxi hoá không hoàn toàn metan để
sản xuất hydro.
Thiết lập dòng vật chất thứ nhất với các thông tin cho trong bảng sau.
Component Mole Fraction
Tương tự với dòng thứ hai.
Component Mole Fraction
Xác định lưu lượng thành phần của sản phẩm?
việc tinh chế làm giảm nồng độ CO là vô cùng cần thiết. Công nghệ phổ biến
nhất hiện nay là chuyển hoá khí bằng hơi nước (WGS) theo phản ứng sau:
CO + H
2
O ↔ CO

2
+ H
2
Phản ứng này đã được sử dụng trong công nghiệp từ 40 năm trước để sản xuất
hydro từ các hydrocacbon lỏng và khí. Vai trò của phản ứng WGS là tăng hiệu
suất hydro và làm giảm nồng độ CO tránh gây ngộ độc xúc tác.
Xây dựng mô hình phản ứng WGS.

Thiết lập dòng vật chất với các thông tin sau:
Component Mole Fraction
Xác định lưu lượng thành phần sản phẩm.
Tính toán phần trăm của các cấu tử (so sánh với kết quả trong chương 9)
+ CO giảm:
+ Hydrogen tăng:
Bài 6 : Phản Ứng Kinetic
Mục đích : Giúp sinh viên làm quen với phản ứng Kinetic và hai thiết bị dòng
đẩy lí tưởng (PFR) và thiết bị khuấy trộn lí tưởng (CSTR). Khảo sát về động học
cho thiết bị phản ứng.
Cơ sở lí thuyết
1. Động hóa học
Động hóa học là khoa học nghiên cứu về tốc độ phản ứng hóa học. Tốc độ
phản ứng hóa học bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như nồng độ, nhiệt độ, áp suất,
dung môi, chất xúc tác. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng lên tốc độ phản ứng
người ta mới hiểu biết đầy đủ bản chất các biến hóa xảy ra trong mỗi phản ứng
hóa học, xác lập được cơ chế phản ứng.
2. Tốc độ phản ứng và hằng số tốc độ phản ứng
Tốc độ phản ứng là biến thiên nồng độ của một chất đã cho (chất đầu hoặc
chất cuối) trong một đơn vị thời gian.
Hệ số tỷ lệ k được gọi là hăng số tốc độ phản ứng, đó là tốc độ phản ứng khi
nồng độ của mỗi chất phản ứng bằng nhau và bằng đơn vị (= 1).

3. Bậc phản ứng
Từ đó dẫn đến định nghĩa bậc phản ứng: bậc phản ứng đối với một chất cho
trước là số mũ nồng độ của chất ấy trong phương trình động học của phản ứng.
Nếu n = 0 thì khi đó phản ứng là bậc không, n = 1 phản ứng là bậc nhất (đối
với A), n = 2 phản ứng là bậc hai (bậc nhất đối với A, B), n = 3 khi đó phản ứng là
bậc 3 (bậc nhất đối với A, B, C).
4. Phương trình Arrhenius và năng lượng hoạt hóa
Năm 1884, Arrhenius đã đưa ra hệ thức để biểu diễn sự phụ thuộc của hăng số
tốc độ phản ứng k vào nhiệt độ T:
k=A* exp ()
Nội dung thí nghiệm
Thiết lập quy trình tạo ra propylene glycol
Phản ứng giữa nước và propylene oxide tạo thành propylene glycol:
H
2
O + C
3
H
6
O→C
3
H
8
O
2
Nhập dòng nguyên liệu thứ nhất với các giá trị như trong bảng sau:
Component Mole Fraction

Nhập thêm dòng nguyên liệu thứ hai
Component Mole Fraction

r = k.[C
3
H
6
O]
k=A exp ( )
A = 1.7e13
E = 3.24e4 (btu/lbmole)
Thiết bị phản ứng CSTR có thể tích là 280ft
3
và độ điền đầy là 85%. Thiết bị phản
ứng được giả thiết làm việc trong điều kiện đẳng nhiệt. Xác định độ chuyển hóa của thiết
bị?
Bài 7 : Tháp Hấp Thụ
Mục đích : Giúp sinh viên hiểu thêm về cách thức hoạt động của tháp hấp thụ, cách
chuyển từ tháp đĩa sang tháp đệm và tính các thông số của tháp
Cơ sở lý thuyết
Các bạn sinh viên đã làm quen với các thiết bị hấp thụ trong môn Quá trình và thiết
bị trong CNHH: truyền khối, trong bài thí nghiệm này, sinh viên sẽ hiểu hơn về thiết bị
này và mô phỏng quá trình hấp thụ khí liên tục trong tháp đệm. Thiết bị hấp thụ mặc định
trong Unisim/Hysys là loại tháp đĩa (Tray Section), có dòng sản phẩm hơi từ đỉnh tháp,
và dòng sản phẩm lỏng từ đáy tháp. Không có sẵn các thông số cho tháp hấp thụ, mà dựa
trên cấu hình chung của tháp. Điều kiện và thành phần của dòng nguyên liệu, cũng như
áp suất làm việc sẽ xác định sự hội tụ của tháp. Khi tính toán tháp hội tụ, kết quả nhận
được bao gồm điều kiện và thành phần của các dòng sản phẩm hơi và sản phẩm lỏng.
Nội dung thí nghiệm
Propylen carbonat hấp thụ CO
2
trong tháp đệm. Dòng khí nguyên liệu có 20% mol
CO

2
và 80% mol metan. Lưu lượng dòng l à 2 m
3
/s và điều kiện làm việc của tháp là
60
o
C và 60,1 atm. Lưu lượng dòng dung môi là 2000 kmol/h. Sử dụng Unisim để xác
định hàm lượng CO
2
(% mol) trong dòng khí ra, chiều cao tháp (m) và đường kính tháp
(m).
Component Mole Fraction
CO
2
0.000
Methane 0.000
C3=Carbonate 1.000
Name Gases In
Temperature 60
o
C
Pressure 60.1 atm
Molar Flow 7200 m
3
/h
Component Mole Fraction
CO
2
0.200
Methane 0.800

C3 = Carbonate 0.000
Xác định các thông tin sau:
Section Diameter (m):………………………
Section Height (m):…………………………
CO
2
composition:…………………………
Tăng lưu lượng dòng dung môi Solvent In từ 2000 kmol/h lên 2500 kmol/h,
3000kmol/h. ghi lại kết quả
Section Diameter (m):………………………
Section Height (m):…………………………
CO
2
composition:…………………………
Bài 8 : Tháp Chưng
Mục đích: giúp sinh viên mô hình hóa cách hoạt động và tính toán thiết kế tháp
chưng.
Cơ sở lý thuyết
Chưng cất là phương pháp tách các cấu tử dựa theo độ bay hơi (nhiệt độ sôi) của các
cấu tử ấy. Cấu tử nào có nhiệt dộ sôi cao thì nằm ở đáy tháp chưng và ngược lại. Các kiến
thức về chưng luyện, sinh viên cần tìm hiểu lại trong Quá trình và thiết bị trong CNHH:
truyền khối.
Nội dung thí nghiệm
Sinh viên sử dụng công cụ để tính toán tháp chưng: Short cut Distillation và thiết bị
Distillation để mô phỏng tháp chưng tách 2 cấu tử
Một dòng vật chất có thành phần Benzen : 60%, Toluen 40%. ở 250
o
C, 2500Kp. Lưu
lượng 100kmol/h. Áp suất đỉnh và đáy là 2450Kp và 2590Kp.
Xác định các thông số tháp chưng để độ tinh khiết ở đáy và đỉnh là 99.9%