Tìm hiểu tiện ích tray sizing

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT
KHOA DẦU KHÍ
BỘ MÔN LỌC HÓA DẦU
---------------oOo---------------

BÀI TẬP
TIN HỌC CHUYÊN NGÀNH
Đề tài: Tìm hiểu tiện ích Tray Sizing
Giáo viên hướng dẫn:
ThS. Đoàn Văn Huấn

Nhóm 5-LHDB-K54

MỤC LỤC

1


Contents

2


MỞ ĐẦU
Trong công nghệ hóa học để tách một hỗn hợp các chất chúng ta có rất nhiều phương
pháp vật lý hay hóa học để tách hỗn hợp đó thành các cấu tử riêng biệt. Đặc bietj khi
hungg ta muốn tách một dung dịch chứa nhiều cấu tử mà trong đó nhiệt độ sôi của các
cấu tử khác nhau thì chưng cất là phương pháp phổ biên nhất để chúng ta tách các cấu tử
riêng biệt với nhau.Nhưng điều quan trọng là chúng ta cần tìm hiểu về thiết bị chưng cất
để hiệu suất tách sẽ là cao nhất. Những thông số công nghệ cần quan tâm đối với tháp
chưng cất là lưu lượng dòng nguyên liệu, áp suất, nhiệt độ, đường kính, số đĩa, hiệu suất

tách…..Nhưng thực tế để thiết kế được một tháp chưng cất phù hợp với yêu cầu thực thê
thì chúng ta cần thử nghiệm và tính toán. Công việc đó tốn nhiều thời gian và khó có thể
thực hiện được. Mặt khác, khi các phần mềm mô phỏng ra đời thì việc tính toán tháp
chưng cất trở nên dễ dàng hơn. Phần mềm HYSYS là một trong những phần mềm có thể
giúp ích cho chúng ta có thể tính toán thử nghiệm để thiết kế một tháp chưng cất lý tưởng
nhất. Với tiện ích Tray Sizing trong HYSYS trình bày ở dưới đây sẽ giúp chúng ta tính
toán các thông số tháp chưng cất cũng như các đặc tính bên trong tháp chưng cất khi
muốn tách các cấu tử bằng phương pháp chưng cất.

3


8.13. Tiện ích Tray Sizing
Với tiện ích Tray Sizing bạn có thể tiến hành thiết kế và tính toán kích cỡ vùng hoạt
động trên một phần hoặc toàn bộ tháp chưng cất. Các số liệu của đệm hoặc đĩa có thể
được quy định cụ thể liên quan đến các đặc tính bên trong tháp như kích thước đĩa hay
đệm, thiết kế chống ngập lụt và độ hạ áp. Kết quả bao gồm đường kính tháp, độ hạ áp, sự
ngập lụt, kích thước đĩa...
8.13.1 Khởi động nhanh
Để sử dụng tiện ích Tray Sizing cần tháp tách. Ví dụ một tháp tách propan gồm 18 đĩa
với một bình ngưng có hồi lưu sẽ được thiết lập trước khi sử dụng tiện ích này.
Bắt đầu mô phỏng
Tạo một trang mới, thêm các cấu tử và lựa chọn mô hình nhiệt động Peng Robinson theo
bảng dưới đây:
Đặc tính cấu tử
Peng Robinson

Thành phần
Methane, Ethane, Propane, i-Butane, nButane, i-Pentane, n-Pentane, Hexane,
Heptane, Octane.

Vào Session Preferences chọn Preferences trên thanh công cụ Tools.Thay đổi đơn vị
trong mục Field , nhập các dữ liệu vào cột DeC3 Feed :

Dòng nguyên liệu [DeC3 Feed]
Đầu vào
Điều kiện

Nhiệt độ

50.00

Áp suất

480.0
4


Thành phần

Lưu lượng mol

1000

Metan

0.1702

Etan

0,1473

Propan

0,1132

i-butan

0,1166

n-butan

0,1066

i-pentan

0,0963

n-pentan

0,0829

n-hexan

0,0694

n-heptan

0,0558

n-octan

0,0417

Thêm một tháp chưng cất DeC3. Hai cột phụ bao gồm phần mol của propan trong pha
lỏng tại đáy và phần mol của isobutan trong pha hơi tại đỉnh tháp.
Các đầu vào cần thiết để hoàn thành thiết lập của cột được trình bày trong bảng sau:

5


Các thông số khi hoàn thành được thể hiện qua bảng sau:

Khi thông số đầu vào đã được nhập,chuyển sang tab Design/Monitor, ngừng kích hoạt tỉ
lệ hồi lưu và tỉ lệ hơi nước tại đỉnh, kiểm tra thông số kĩ thuật được tạo tại mục Activate.
HYSYS sẽ giải quyết vấn đề và tháp sẽ converge
8.13.2 Tray Sizing – Design
Theo đường dẫn Tools/Utilities. Chọn Tray Sizing từ Available utilities và ấn Add
utility.
Tính năng Auto Section trong HYSYS cung cấp số liệu ban đầu cho việc phân tích thông
số của đĩa.Theo các bước sau đây, bạn sẽ gắn liền các đĩa chính của DeC3 với tính năng
và sử dụng chức năng Auto Section để phân chia tháp thành các phần :
1. Tại mục Setup,đổi tên tính năng nếu muốn.
2. Chọn Select TS để vào Object Navigator. Chọn Main TS cho tháp DeC3 và

nhấn OK
3. Nhấn Auto Section.

6

4. Trong mục Internal Type, tích chọn Valve. Chọn giá trị mặc định cho Area

Tolerance và NFP Diameter Factor.

5. Khi các thông số trong bảng Auto Section Information được hoàn tất như trong

hình 8.58 thì ta chọn Next và cửa sổ Tray Section Information sẽ xuất hiện.
6. Để hoàn thiện Auto Section, HYSYS yêu cầu thông số đầu vào cụ thể cho tháp bổ

sung và tháp đã được chọn. Hoàn tất mục Setup như hình 8.59. Thay đổi Tray
Thickness thành 0,134 inches và Max Tray Flooding thành 82%. Tất cả các
thông số khác có thể để mặc định giá trị của chúng.

7


7. Nhấn nút Complete auto section. Hysys tiến hành tính toán Auto Section. Auto
Section mà ta nhìn thấy sẽ tự động đóng lại và bạn chọn Setup ở trong tab chính của
TraySizing. Có 3 khu vực đĩa đã tính toán được hiển thị ở phần Setup. Các thanh đã tạo
ra được liệt kê dưới đây với khoảng giá trị tương ứng của chúng.

8. Chuyển sang tab Performance chúng ta sẽ mô tả chi tiết hơn cho chúng ta Auto
Section đầu ra. Rõ ràng việc thiết kế tính toán nằm trong độ dung sai cho phép.
8


9.Trên trang Trayed, HYSYS hiển thị thông tin về đĩa được đánh dấu. Bằng cách lựa
chọn các nút hiển thị tương ứng, thông tin về Pressure Drop, Downcomer hoặc
Flooding sẽ được hiển thị cho mỗi đĩa.

9


10. Trang Plot hiển thị các bảng giá trị hoặc đồ thị của một số cột chưng cất khác
nhau,như trong hình 8.62.

10


TRAY SIZING – RATING PHẦN 1.
Các phần HYSYS đã thiết kế có thể được điều khiển trong việc phân tích khả năng hoạt
động.
1. Để hiển thị bảng thiết kế đường kính có giới hạn nhỏ hơn, ta tạo ra một vùng giống hệt
nhau Section-2 và quay trở lại trang Setup, đánh dấu Section-2 và nhấn nút Copy
Section. Ta có thể tạo hai vùng tùy ý bằng cách kích đúp chuột vào nút Add Section.
Những đĩa mới tương ứng được trình bầy cụ thể trong hình 8.63. chú ý rằng loại đĩa
( van) là không thay đổi.

2. Trên trang Specs đánh dấu Mode trong Section_4 và lựa chọn Rating.
3. Nhập giá trị 1 cho Number of Flow Paths và 4 feet trong Tray Diameter. HYSYS sẽ
tự động tính toán để cho ra kết quả.

11


4. Lựa chọn tab Performance → Results và đánh dấu ô chứa Section_4. Như trong
hình 8.64, tấm chắn vùng nạp liệu không được vượt quá đường kính thiết kế 120
USGPM/ft.

Lưu ý rằng HYSYS xác định đường kính 2.00 và 4.50 foot cho Section_5 và Section_6.
8.13.3 Tray Sizing – Rating Part II
Sử dụng HYSYS, nó có thể đánh giá
1. Sử dụng các chi tiết đĩa van, đường kính tính toán cho Section_6 là 4.50 feet. Để so
sánh đặc tính giống như của Packing, đi tới trang Specs, đánh dấu Section_6 và chọn
Packed từ Internals.
2. Chọn Jaeger TriPacks – Plastic 1_inch từ Packing Type.

12


3. HYSYS sẽ tự động tính toán lại.
4. Vào trang Results và chọn Packed trong Selection Results. Tab Results được thể
hiện trong hình 8.66.

13


Có một vài sự khác biệt ở các thông số khi Section_6 đã được tính toán giữa Trayed và
Packed được thể hiện trong bảng dưới đây:

8.14 Quản lý Tray Sizing
Để lựa sử dụng tiện ích Tray Sizing, từ Tools → Utilities → Tray Sizing → Add
Utility.
Sau khi tạo được Tray Sizing. Các đặc tính của utility được hiển thị. Có 2 tab chính là
Design và Performance. Trên mỗi tab có các phần sau đây:

14

Tab
Design

Page
Setup
Specs

Chỉ dẫn
Quản lý kích thước cột
Tính toán chế độ và đường kính tháp
thông thường
Các đặc điểm chi tiết bên trong

Tray Internals
Performanc
e

Results

So sánh các kết quả và thông tin chi tiết
về kích thước đĩa
Độ giảm áp suất, ống chảy chuyền và kết
quả hiện tượng ngập lụt
Các tính chất vật lý được thể hiện trong
bảng
Các tính chất vật lý được thể hiện dạng
đồ thị

Trayed
Table

Plot

Lưu ý rằng bạn có thể thiết lập các thông số mặc định cho tiện ích Tray Sizing từ
Preferences (bằng cách lựa chọn Tools sau đó chọn Preferences trong Menu Bar).
8.14.1 Setup Page
Mỗi tiện ích Tray Sizing được thêm vào phải tương ứng với khu vực đĩa trong sơ đồ. Khu
vực đĩa. Khu vực đĩa có kích thước mong muốn được xác lập trước khi bắt đầu tính toán.
Lựa chọn Select TS ở góc bên phải phía trên của tab, chọn khu vực đĩa mong muốn từ
các cột kết quả.
Có 4 mục ở dưới của phần Setup cho phép chúng ta điều khiển các thông só của khu vực
đĩa đi kèm với Utility.
Nút
Add Section

Chức năng
Thêm khu vực đĩa mới với các thông số
mặc định xem hình 8.68. Có thể thay đổi
để đạt được một khoảng ngắn hơn mong
muốn bằng cách thay đổi các thông số bắt
đầu và kết thúc. Một tính toán thiết kế sơ
bộ được thực hiện tự động bằng cách sử
15


Copy Section
Auto Section
Remove Section

dụng tất cả các thông số HYSYS mặc định.
Bạn có thể sao chép bất kỳ section nào đã

được tạo bằng cách lựa chọn section sau đó
nhấn nút.
Tính toán tự động các khu vực trong thấp.
Xem hình 8.14.5 – Auto Section để biết
thêm thông tin.
Xóa các khu vực đã lựa chọn. Chú ý rằng
HYSYS không đề nghị chúng ta xác nhận
hành động xóa.

HYSYS cho phép chúng ta tạo nhiều section vì vậy có thể so sánh hình dạng tháp với các
loại khác nhau trong nhóm. Vì vậy, một khoảng nhất định của giai đoạn phần bậc đĩa có
thể có kích thước hơn cái khác trong cùng một tiện ích Tray Sizing. Tuy nhiên, một bậc
có thể không bao gồm trong hơn một phần hoạt động.
Ở phần cuối của Setup có 2 mục là %Liquid Draw và Use Tray Vapour to Size
16


% Liquid Draw cho phép chúng ta xác định tỷ lệ phần trăm của chất lỏng lấy ra sẽ được
sử dụng trong tính toán kích thước đĩa.
Nếu bạn có nguồn cấp nguyên liệu dạng hơi đi vào tháp, HYSYS có thể xác định kích
thước từng đĩa riêng biệt, dòng hơi vào và ra khỏi đĩa. Bạn có thể xác định phương pháp
HYSYS sử dụng với Use Tray Vapour to Size.
Selection
Always Yes

Always No

Ask Each Time

Calculation Method

HYSYS sẽ sử dụng dòng hơi rời khỏi đĩa
để xác định kích thước đĩa để dòng hơi
nguyên liệu sẽ được đi kèm trong tất cả các
tính toán. Ảnh hưởng của nguyên liệu đến
kích thước đĩa sẽ được tính đến.
HYSYS sẽ sử dụng dòng hơi nguyên liệu
cho khu vực này để tính toán kích thước
đĩa. Ảnh hưởng của nguyên liệu không
được tính đến trong phương pháp này.
Trước khi tính toán tiện ích Tray Sizing, ,
HYSYS sẽ yêu cầu bạn xác định xem có
nên sử dụng nguồn nguyên liệu vào hoặc
hơi chảy thoát ra từ đĩa làm cơ sở. Một
thông báo cho mỗi hơi nguyên liệu tới tháp
sẽ xuất hiện trước khi tính toán.

Thêm số liệu vào giai đoạn start và end, thông tin tiếp theo sẽ xuất hiện ở mỗi section:
+ Loại đĩa trong tháp (Type of tower internals)
+ Cách thức tính (Calculation Mode)
+ Thông tin tính toán kích thước (Sizing calculation information)
Đặc điểm bên trong tháp (Tower Internals)
Tiện ích Tray Sizing cung cấp các tùy chọn chỉ rõ từng loại kiểu đĩa. Có thể phân kiều
tháp thành 4 nhóm sau:
+ Loại đĩa nhiều lỗ (Sieve)
+ Loại đĩa van (Valve)
+ Loại đệm (Packed)
17


+ Loại đĩa chụp (Bubble Cap)

Khu vực đệm (Packed Sections)
Các tháp đệm được tính toán sử dụng phương trình Robbins hoặc Sherwood – Leva –
Eckert cho sự giảm áp và ứ đọng chất lỏng. Phần bên trong tháp có thể lựa chọn Specs và
Tray Internals. Bạn có thể xác định loại đệm và các thông số đặc trưng liên quan đến
việc tính toán tháp đệm trong phần này.
Khu vực đĩa (Tray Sections)
Đĩa bên trong tháp đĩa có thể là loại nhiều lỗ, van hoặc đĩa chụp. Một số thông số về hình
dạng là phổ biến cho tất cả các loại đĩa. Ngoài ra còn một số các thông số là riêng cho
từng loại đĩa. Bên trong tháp có thể lựa chọn Tray Internals của tiện ích property view.
Các phương pháp tính toán khác nhau cho từng loại đĩa được chỉ ra dưới đây:
+ Loại đĩa van tính toán dựa vào sổ tay thiết kế đĩa van của Glitsch, Koch và Nutter.
+ Loại đĩa nhiều lỗ được tính dựa vào sổ tay đĩa van cho sự sắp xếp đĩa và sự chuyển
khối của Treybal (McGraw – Hill) cho việc tính toán độ giảm áp, rò rỉ nước và tốc độ
hút.
+ Loại đĩa chụp được tính toán dựa trên phương pháp mô tả trong cuốn Design of
Equilibrium Stage Processes của Bufford D. Smith, (Wiley & Sons).
Các chế độ tính toán (Section Calculation Modes)
Tiện ích Tray Sizing có 2 chế độ tính toán:
+ Design
+ Rating
Chế độ Design
18


Trong chế độ Design, HYSYS cho phép bạn có thể thực hiện thiết kế kích thước dựa vào
sự trao đổi giữa hơi và lỏng trong tháp. Đặc điểm thiết kế sẵn có cho khu vực đĩa và đệm
bao gồm cấu tạo bên trong tháp, độ giảm áp lớn nhất cho phép và độ ngập lụt lớn nhất
cho phép. Đối với khu vực đĩa là lượng ống chảy chuyền lớn nhất cho phép, số lượng tấm
chắn nạp liệu lớn nhất cho phép và các thông số đĩa khác nhau cũng được chỉ rõ.

Chế độ Rating
Ở chế độ Rating, HYSYS cho phép chúng ta thực thiện tính toán khả năng hoạt động dựa
vào đường kính tháp và hình dạng đĩa cố định. Nếu muốn, một vài kích thước có thể
được để lại và không xác định, HYSYS sẽ tự động tính toán các giá trị thiết kế cho
chúng. Để thực hiện một đánh giá trên một khu vực đệm, chỉ có duy nhất đường kính
tháp là bắt buộc.
Số liệu tính toán kích thước (Sizing Calculation Information)
Có những tính năng bổ sung mà cung cấp thông tin về phương pháp tính toán cho mỗi
khu vực đĩa:
+ Active Check Box
+ Status
+ Design Limit
+ Limiting Stage
Active Check Box
Khi Active Check Box được lựa chọn cho một khu vực tháp ở tab Setup, giá trị tính
được trong tiện ích Tray Sizing được sử dụng trong tính toán tháp trong thực tế. Có
nhiều hơn một khu vực có thể hoạt động trong tiện ích Tray Sizing. Tuy nhiên, trong
cùng một khu vực không thể bao gồm nhiều hơn một khu vực hoạt động.

19


Trước khi cập nhật bảng tính tháp với số liệu từ tiện ích Tray Sizing chúng ta phải thay
đổi sự sắp xếp mặc định của số liệu hiệu số áp suất trong Column Sub-Flowsheet. Ở
trang Profiles của tab Parameters (trong mục Column Runner), áp suất ở đỉnh và đáy
phải được chỉ cụ thể thay vì áp suất condenser và reboiler. Delta P của condenser và
reboiler không cần thay đổi. Vận hành tháp và quay trở lại Utility.
Ở Tray Sizing trang Setup kích hoạt để tính toán các khu vực tháp nếu chúng ta sử dụng
mô phỏng. Đi đến tab Performance → Results và lựa chọn Export Pressures, nó sẽ đưa
ra số liệu áp suất khi tháp vận hành.

Status
Mục này cho biết trạng thái của những tính toán kích thước đĩa. Trạng thái sẽ đọc hoặc
Complete hay Incomplete trên một phần của cơ sở từng phần.
Design Limit
Mục này chỉ ra đặc điểm thiết kế. Có 5 đặc điểm thiết kế sau:
+ Đường kính nhỏ nhất (Minimum diameter)
+ Sự giảm áp suất (Pressure drop)
+ Sự ngập lụt (Flooding)
+ Tấm chắn vùng nạp liệu (Weir loading (trayed sections only))
+ Ống chảy chuyển dự phòng (Downcomer backup (trayed sections only))
Đối với khu vực đĩa, HYSYS sử dụng những giới hạn thiết kế riêng rẽ cho khu vực hoạt
động và yêu cầu tính toán khu vực ống chảy chuyền.
Limiting Stage
Đối với tháp đĩa, có 2 đĩa giới hạn, một đĩa gần bít kín bề ngang tháp trong khi vẫn đáp
ứng được hoạt động, và một đĩa khác có ống chảy chuyền.
8.14.2 Đặc điểm thiết kế
Ở trang Specs của utility cho phép xác định mỗi khu vực bên trong tháp. Theo bảng tóm
tắt xuất hiện thiết kế và các thông số hình dạng đĩa đối với tiện ích Sizing
Các thông số thiết kế
20


Các thông số về hình dạng đĩa

21


8.14.3 Specs Page

Ở mục Section Name, Start và End Trays, Internals và Mode đã hiển thị trên trang

Setup. Tuy nhiên, nó chỉ có trong trang Specs và chúng ta có thể thay đổi phương pháp
tính toán cho khu vực này.
Số dòng chảy ra (Number of Flow Paths)
Giá trị này tượng trưng cho số các dòng chảy độc lập trên đĩa. Thường với tháp có đường
kính nhỏ hơn có thể đạt được bằng cách sử dụng đĩa đa đường dẫn. Tuy nhiên, nếu có
nhiều đường dẫn hơn dẫn đến sự giảm số lượng các suppap hoặc lỗ được đặt trên đĩa.
Đây là kết quả cảu sự tăng độ giảm giáp, sự tăng ống chảy chuyền phụ và giảm hiệu suất
của đĩa. Tiếp theo là nguyên tắc chung liên quan đến số lượng các đường dẫn ra và đường
kính tháp:

22


Nếu số các đường dẫn các dòng ra không được chỉ rõ, HYSYS sẽ bắt đầu ở một đường
dẫn và tăng số lượng các đường dẫn tới khi đạt được đường kính nhỏ nhất đối với số
lượng các đường dẫn dòng ra đạt tói. Nếu có số đường dẫn dòng ra nhỏ hơn được yêu
caafu, một giá trị mới có thể được nhập vào vượt qua tính toán của NFP. Khi đã hoàn
thành việc nhập các giá trị ở tab Specs. Một giải pháp mới sẽ được tính toán ngay khi giá
trị NFP mới được nhập vào.
Hình 8.70 tóm tắt sơ đồ các tính chất vật lý cơ bản của đường dẫn dòng ra

Tray for Properties
23


Mục này chỉ xuất hiện trong chế độ Rating. Chúng ta có thể xác định đía được sử dụng
để tính toán các đặc tính của tháp.
Tray Spacing
Không gian đĩa là khoảng cách giữa các đĩa. Một vài nguyên tắc chung cho không gian
đĩa như sau:

Giá trị mặc đinh là 24 inches
Van và chiều dày của đĩa (Valve and Tray Material Thickness)

Giá trị mặc định cho chiều dày của đĩa là 0,125 inches
Hệ số tạo bọt (Foaming Factor)
Đây là phép đo xu hướng tạo bọt trong hệ. Thông thường, hệ số tạo bọt thấp hơn là kết
quả của việc tổng hiệu suất của đĩa thấp hơn và yêu cầu đường kính tháp lớn hơn.

24


Hệ số tạo bọt đặc trưng ở một vài hệ thông thường được thể hiện qua bảng sau:
Chất hấp thụ
Môi trường dầu xung quanh (T ˃ 00F)
Nhiệt độ dầu thấp (T ˂ 00F)
DGA/DEA/MEA Contactor
Glycol Contactor
Sulfinol Contactor
Dầu thô/Tháp chưng cất chân không
Dầu thô hoặc phần cất chân không

Hệ số tạo bột
0,85
0,95
0,75
0,65
1,0
Hệ số tạo bọt
1,00

Độ giảm áp lớn nhất (Maximum Pressure Drop)
Độ giảm áp lớn nhất cho phép trên đĩa có thể nhập vào như là chiều cao của chất lỏng.
Nếu nó không được định rõ, giá trị mặc định lớn nhất của chất lỏng là 4 inches được
25