C9 ProII exams 27

Computer-Aided Chemical
Engineering
An Introduction to Process Simulation
- Phan mem Pro/IIđ -

C9. Thớ duù & Baứi taọp


Muïc luïc
Bài toán 2: Mô phỏng thiết bị tách khí - lỏng
Bài toán 3: Tính nhiệt độ sôi của một hỗn hợp hai pha ở m ột áp su ất nh ất định
Bài toán 4: Mô phỏng tháp tách propane
Bài toán 5: Xác định đĩa nạp liệu tối ưu cho tháp tách propane bằng công c ụ
Optimiser
Bài toán 6: Xác định số đĩa lý thuyết tối thiểu và chỉ số h ồi l ưu t ối thi ểu cho tháp
tách propane bằng phương pháp shortcut

2


Bài toán 2: Mô phỏng thiết bị tách khí - lỏng
Cho vào thiết bị tách khí lỏng một dòng nguyên liệu v ới các d ữ li ệu sau:
• Lưu lượng : 100 kmol/h; t = 30oC; P = 10 bar
• Thành phần hóa học:
Methane
13 kmol/h
Ethane
22 kmol/h
Propane
38 kmol/h
Butane

22 kmol/h
Pentane
5 kmol/h
Điều kiện làm việc của thiết bị tách: 30oC và 7 bar
Hãy xác định:
1. Phần mol bay hơi của nguyên liệu trong điều kiện của bình tách?
2. Thành phần của lỏng và hơi ra khỏi thiết bị tách?
3. Năng suất nhiệt của thiết bị tách?

3


Bài toán 2: Mô phỏng thiết bị tách khí - lỏng

a

4


Bài tốn 2: Mơ phỏng thiết bị tách khí - lỏng
Kết quả
Dựa vào các số liệu kết quả trong Program File, ta xác đònh được:
1. Phần mol bay hơi của nguyên liệu trong điều kiện của bình tách
MOLE FRAC VAPOUR

0.94580

Vậy phần mol bay hơi của nguyên liệu trong điều kiện của bình tách là
0,9458 hay 94.58%
2. Thành phần của lỏng và hơi ra khỏi thiết bò tách

- Trên flowsheet, right-click vào dòng S2 và S3  hiển thò cửa sổ lựa chọn
- Chọn Display  xuất hiện cửa sổ Streamline
- Chọn Properties từ drop-down list box ở mục Streamline Label Type
- Mặc đònh ở mục Property List là Material Balance List  sẽ hiển thò tên,
trạng thái dòng, nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và thành phần của dòng  OK
3. Năng suất nhiệt của thiết bò tách
DUTY, M*KCAL/HR

0.09956

Vậy năng suất nhiệt của thiết bò tách là 99560 kcal/h
5


Bài toán 2: Mô phỏng thiết bị tách khí - lỏng
a

6


Bài toán 3: Tính nhiệt độ sôi của
một hỗn hợp hai pha ở một áp suất nhất định
Nguyên liệu có thành phần như bài toán 2, lưu lượng = 5500 kg/h.
Hãy xác định:
1. Nhiệt độ sôi của hỗn hợp nguyên liệu này ở áp suất 7 bar?
2. Hằng số cân bằng pha của các cấu tử ?
3. Thành phần hỗn hợp hơi cân bằng với lỏng?
4. Năng suất nhiệt của thiết bị tách?
 Giải quyết bài toán
Để giải quyết bài toán trên, ta tiến hành các bước:

• Giả thiết cho hỗn hợp nguyên liệu này đi vào một bình tách làm vi ệc ở áp su ất là 7 bar.
• Tiến hành mô phỏng như bài toán 2
• Vì muốn xác định nhiệt độ sôi của hỗn hợp  ở cửa sổ Flash Drum, ở mục
Second Specification  Chọn Bubble point ở mục Unit Specification
• Do phải xác định hằng số cân bằng pha của các cấu tử  ở cửa sổ Flash Drum, ở
mục Print Option  Chọn Include Component K - Values
7


Bài toán 3: Tính nhiệt độ sôi của
một hỗn hợp hai pha ở một áp suất nhất định
a

8


Bài tốn 3: Tính nhiệt độ sơi của
một hỗn hợp hai pha ở một áp suất nhất định

Kết quả

Dựa vào các số liệu kết quả trong Program File, ta xác đònh được:
1. Nhiệt độ sôi của hỗn hợp nguyên liệu này ở áp suất 7 bar
FLASH ID
NAME
FEEDS
PRODUCTS VAPOR
LIQUID
TEMPERATURE, C
PRESSURE, BAR

F1
S1
S2
S3
-78.756
7.000

Vậy nhiệt độ sôi của hỗn hợp nguyên liệu này ở áp suất 7 bar là
-78,756oC
2. Hằng số cân bằng pha của các cấu tử và thành phần hỗn hợp hơi cân
bằng với lỏng
VAPOR-LIQUID COMPOSITIONS AND K-VALUES FOR UNIT 1, 'F1'
COMPONENT
VAPOR
LIQUID
K-VALUE
---------------------------------------------1 METHANE
0.93087
0.13000 7.1605E+00
2 ETHANE
0.05887
0.22000 2.6761E-01
3 PROPANE
0.00969
0.38000 2.5507E-02
4 BUTANE
5.4730E-04
0.22000 2.4877E-03
5 PENTANE

1.8438E-05
0.05000 3.6877E-04

9


Bài tốn 3: Tính nhiệt độ sơi của
một hỗn hợp hai pha ở một áp suất nhất định
3. Năng suất nhiệt của thiết bò tách
DUTY, M*KCAL/HR -0.62892

Vậy năng suất nhiệt của thiết bò tách là -628920 kcal/h

10


Bài toán 4: Mô phỏng tháp tách propane
Tính cho tháp Depropanizer với các dữ liệu ban đầu như sau :
• Nguyên liệu :
- năng suất : 400 tấn/ngày
- P = 18 bar
- có thành phần 40% hơi gồm : 26% khối lượng C3 và 74
% khối lượng C4
• Tháp :
- 22 đĩa lý thuyết; nạp liệu ở đĩa 13
- áp suất đỉnh : 16,5 bar; trở lực : 10 mbar/đĩa lý thuyết
- thiết bị ngưng tụ hoàn toàn ; áp suất bình tách : 16,2 bar
• Chỉ tiêu chất lượng sau:
- sản phẩm đỉnh : có 1 % khối lượng C4
- sản phẩm đáy : có 2 % khối lượng C3

 Hãy xác định :
- Chỉ số hồi lưu ?
- Năng suất nhiệt của thiết bị đun sôi lại và thiết bị ngưng tụ
(MkCal/ngày)
11
- Lưu lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy ?


Bài toán 4: Mô phỏng tháp tách propane

a

12


Bài tốn 4: Mơ phỏng tháp tách propane
Các bước mô phỏng
1. Xác đònh hệ đơn vò đo
Chọn hệ đơn vò METRIC
1 ton = 1014.04 kilograms
2000 pounds = 1 short ton = 0.907 tonne
2240 pounds = 1 long ton = 1.016 tonne
 Chọn kg
2. Xác đònh thành phần cấu tử có trong hệ
Hệ 2 cấu tử: Propane và Butane
3. Lựa chọn các phương trình nhiệt động thích hợp
Chọn hệ GS (Grayson-Streed)
4. Thiết lập các thiết bò có trong sơ đồ và các dòng ra và vào các thiết bò
 Thiết bò: Tháp  click chọn biểu tượng tháp từ floating PFD  hiển thò
cửa sổ Column Configuration  nhấn chọn Condenser và Reboiler 

nhập giá trò 22 ở mục Number of Theoretical Trays  OK
13


Bài tốn 4: Mơ phỏng tháp tách propane
 Các dòng:
- Thiết lập dòng nguyên liệu S1 nạp vào đóa thứ 11 của tháp
- Dòng sản phẩm đỉnh S2 là dòng lỏng đi ra từ đáy bình tách sau khi
đã cho hồi lưu một phần về đỉnh tháp (ngưng tụ hoàn toàn)
- Dòng sản phẩm đáy S3
5. Xác đònh thành phần, trạng thái của các dòng, xác đònh các dữ liệu về
thiết bò
Ta nhận thấy rằng chỉ có dòng S1, tháp T1 là được viền đỏ  yêu cầu
nhập dữ liệu
5.1 Dòng S1
 Double-click vào dòng S1  hiển thò bảng Stream Data  ở mục
Description ta có thể nhập tên FEED (nhập liệu cho dòng này)  click
chọn Flowrate and Composition  chọn Total Fluid Rate  nhập giá trò
400. Chú ý rằng, lưu lượng nhập liệu được tính bằng tấn/ngày, mà ở đây
là KG-MOL/HR  click vào UOM  xuất hiện bảng Convert Unit of
Measure  chọn Mass  TON  DAY  nhấn Change Units  OK
14


Bài tốn 4: Mơ phỏng tháp tách propane
 Nhập thành phần các cấu tử của dòng S1: nhập giá trò 26 cho cấu tử 1
 nhấn phím TAB  nhập 74 cho cấu tử 2  nhấn OK để quay lại cửa
sổ chính Stream Data.
 Xác đònh nhiệt độ và áp suất của dòng S1 ở mục Thermal Condition: ở
dòng First Specification  chọn Pressure  nhập giá trò 18. Xong nhấn

chọn Liquid Weight Fraction ở mục Second Specification  nhập giá trò
0.6  OK
5.2 Tháp T1
 Double-click vào C1  xuất hiện cửa sổ Column
 Ở mục Description nhập tên DEPROP
 Nhấp chọn vào ô thứ hai được viền đỏ Feeds and Products  xuất hiện
cửa sổ Column – Feeds and Products  ở bảng trên, xác đònh dòng S1
được nạp vào đóa 11  ở bảng dưới, với dòng S2  chọn Fixed Rate
Draw ở mục Type of Product  chọn Liquid ở mục Phase  nhập giá trò
1 ở mục Tray  nhập giá trò lưu lượng 104. Chú ý rằng, lưu lượng sản
phẩm được tính bằng tấn/ngày, mà ở đây là KG-MOL/HR  click vào
UOM  xuất hiện bảng Convert Unit of Measure  chọn Mass  TON
 DAY  nhấn Change Units  OK
15


Bài tốn 4: Mơ phỏng tháp tách propane
 Nhấn chọn vào ô thứ nhất được viền đỏ Pressure Profile  xuất hiện cửa sổ
Column – Pressure Profile  nhập giá trò 15,5 bar là áp suất ở đóa trên cùng của
tháp ở mục Overall Specification  ở mục Pressure Drop  chọn mục Per Tray
 nhập giá trò 0,01 bar  OK để trở về cửa sổ Column.
 Ở mục Condenser, nhấn chọn Bubble Temperature ở mục Condenser Type 
nhập giá trò 16.2 bar ở mục Pressure trong cửa sổ Condenser Data.
 Ở mục Performance Specification:
- Nhấn chọn  xuất hiện cửa sổ Column – Specifications and Variables  click
vào ô chọn Add Specifications and Variables  click vào Parameter (chữ đỏ và
gạch dưới đỏ) trong mục Specifications  xuất hiện cửa sổ Parameter  chọn
Stream ở mục Stream/Unit và chọn dòng S3 ở mục Stream Name là dòng sản
phẩm đáy của tháp.
- Click vào Parameter… (chữ trắng trên nền đỏ)  xuất hiện cửa sổ Parameter

Selection  chọn Composition ở mục Parameter  chọn PROPANE là cấu tử
đầu và cấu tử cuối  OK để trở về cửa sổ Parameter  nhấn chọn vào Mole
Fraction  click vào UOM  xuất hiện bảng Convert Unit of Measure  chọn
Mass  Percent  nhấn Change Units  OK : trở về cửa sổ Parameter  OK :
hoàn thành cửa sổ Parameter  Column – trở về cửa sổ Specifications and
Variables  click vào Value  nhập giá trò 2.
16


Bài tốn 4: Mơ phỏng tháp tách propane
- Nhấn chọn Insert Specification/Variable  xuất hiện thêm một Specification 2.
- Tiếp tục nhấn chọn Parameter màu đỏ cũõng ở mục Specifications  xuất hiện cửa
sổ Parameter  chọn Stream ở mục Stream/Unit và chọn dòng S2 ở mục Stream
Name  click vào Parameter… (chữ trắng trên nền đỏ)  xuất hiện cửa sổ
Parameter Selection  chọn Composition ở mục Parameter  chọn BUTANE là cấu
tử đầu và cấu tử cuối  OK để trở về cửa sổ Parameter  nhấn chọn vào Mole
Fraction  click vào UOM  xuất hiện bảng Convert Unit of Measure  chọn Mass
 Percent  nhấn Change Units  OK : trở về cửa sổ Parameter  OK : hoàn
thành cửa sổ Parameter  trở về cửa sổ Column – Specifications and Variables 
click vào Value  nhập giá trò 1.
- Click vào Parameter (chữ đỏ và gạch dưới đỏ) trong mục Variable 1  xuất hiện
cửa sổ Parameter Selection  chọn Heat Duty (năng suất nhiệt)  ở mục Heater
chọn Reboiler  OK : quay lại cửa sổ Variables  OK : quay lại cửa sổ Column –
Specifications and Variables  tiếp tục click vào Parameter (chữ đỏ và gạch dưới đỏ)
trong mục Variable 2  xuất hiện cửa sổ Parameter Selection  chọn Heat Duty
(năng suất nhiệt)  ở mục Heater chọn Condenser  OK : quay lại cửa sổ Variables
 OK : quay lại cửa sổ Column – Specifications and Variables  OK : hoàn thành
việc nhập dữ liệu cho T1
17

Bài toán 5: Xác định đĩa nạp liệu tối ưu cho
tháp tách propane bằng công cụ Optimiser
a

18


Bài toán 5: Xác định đĩa nạp liệu tối ưu cho
tháp tách propane bằng công cụ Optimiser
Tính cho tháp Depropanizer với các dữ liệu ban đầu như sau :
• Nguyên liệu :
- năng suất : 400 tấn/ngày
- P = 18 bar
- có thành phần 40% hơi gồm : 26% khối lượng propane và 74 % khối lượng
butane
• Tháp :
- 22 đĩa lý thuyết
- áp suất đỉnh : 16,5 bar; trở lực : 10 mbar/đĩa lý thuyết

- thiết bị ngưng tụ hoàn toàn
- áp suất bình tách : 16,2 bar
• Chỉ tiêu chất lượng sau :
- sản phẩm đỉnh : có 0,5% khối lượng C4
- sản phẩm đáy : có 0,5% khối lượng C3
 Hãy xác định đĩa nạp liệu tối ưu để năng suất của thiết bị đun sôi lại19là
bé nhất


Bài toán 5: Xác định đĩa nạp liệu tối ưu cho

tháp tách propane bằng công cụ Optimiser
a

20


Bài tốn 5: Xác định đĩa nạp liệu tối ưu cho
tháp tách propane bằng cơng cụ Optimiser
Sử dụng công cụ Optimiser
Optimiser là công cụ rất tiện ích của Pro/II nhằm cực đại hoặc cực tiểu hoá
một hàm mục tiêu nào đó bằng cách thay đổi giá trò của một biến nào đó
trong số các tiêu chuẩn đưa ra.
Hàm mục tiêu có thể là năng suất, công suất hoặc hàm kinh tế như hàm
giá cả hoặc hàm chi phí. Vì vậy, tùy theo trường hợp mà sẽ tối ưu hàm mục
tiêu đến giá trò cực đại hoặc cực tiểu
Biến sẽ thay đổi giá trò trong một khoảng nào đó (giữa Minimum Value và
Maximum Value) để hàm mục tiêu đạt đến giá trò cực đại hoặc cực tiểu.

Hướng dẫn thực hiện
 Ta sẽ tiến hành mô phỏng bài toán này như bài toán trước, sau đó sẽ
cài đặt thêm thiết bò Optimiser OP1 cho tháp  OP1 được viền đỏ
 Double click vào OP1  hiển thò cửa sổ PRO/II – Optimiser
 Ở mục Description, nhập tên OPTIMISER
21


Bài tốn 5: Xác định đĩa nạp liệu tối ưu cho
tháp tách propane bằng cơng cụ Optimiser
 Gọi công cụ Optimiser với:
 Hàm mục tiêu: Năng suất của thiết bò đun sôi lại

 Loại bài toán: Cực tiểu (minimize)
 Biến: Vò trí đóa nạp liệu, biến thiên từ đóa thứ 2 đến đóa thứ 21.
 Ở mục Objective  Chọn Minimize
 Ở mục Objective Function  nhấn chọn Paramater  hiển thò cửa sổ
Parameter  Ở mục Stream/Units  chọn Column  nhấn chọn
Parameter  hiển thò cửa sổ Parameter Selection  ở mục Parameter
chọn Heat Duty  ở mục Heater chọn Reboiler  OK : trở về cửa sổ
Parameter  OK : trở về cửa sổ PRO/II – Optimiser
 Ở mục Variables  nhấn chọn Parameter  hiển thò cửa sổ Parameter
 Ở mục Stream/Units  chọn Column  nhấn chọn Parameter  hiển
thò cửa sổ Parameter Selection  ở mục Parameter chọn Tray Location
 ở mục Tray Location chọn Feed  ở mục Feed Stream chọn S1 
OK : trở về cửa sổ Parameter  OK : trở về cửa sổ PRO/II – Optimiser
 Tiếp tục ở mục Variables  nhập giá trò 2 cho mục Minimum Value và
giá trò 22 cho mục Maximum Value  nhấn OK: hoàn thành việc nhậ
22 p
dữ liệu cho OP1


Bài toán 5: Xác định đĩa nạp liệu tối ưu cho
tháp tách propane bằng công cụ Optimiser
a

23


Bài toán 6: Xác định số đĩa lý thuyết tối thiểu và chỉ số hồi lưu tối
thiểu cho tháp tách propane bằng phương pháp shortcut
a

24


Bài toán 6: Xác định số đĩa lý thuyết tối thiểu và chỉ số hồi lưu tối
thiểu cho tháp tách propane bằng phương pháp shortcut
Tính cho tháp Depropanizer với các dữ liệu ban đầu như sau :
• Nguyên liệu :
- năng suất : 400 tấn/ngày
- P = 18 bar
- có thành phần 40% hơi gồm : 26% khối lượng propane và 74 % khối lượng
butane
• Tháp :
- áp suất đỉnh : 16,5 bar
- trở lực : 10 mbar/đĩa lý thuyết

- thiết bị ngưng tụ hoàn toàn
- áp suất bình tách : 16,2 bar
• Chỉ tiêu chất lượng sau :
- sản phẩm đỉnh : có 0,5% khối lượng C4
- sản phẩm đáy : có 0,5% khối lượng C3
 Hãy xác định :
- Số đĩa lý thuyết tối thiểu?
- Chỉ số hồi lưu tối thiểu?

25