Phần mềm pro II, thí dụ và bài tập (TIN học ỨNG DỤNG) (chữ biến dạng do slide dùng font VNI times, tải về xem bình thường)

Computer-Aided Chemical
Engineering
An Introduction to Process Simulation

- Phần mềm Pro/II® C9. Thí dụ & Bài tập


Mục lục
Bài tốn 2: Mơ phỏng thiết bị tách khí - lỏng
Bài tốn 3: Tính nhiệt độ sơi của một hỗn hợp hai pha ở một áp suất
nhất định
Bài toán 4: Mơ phỏng tháp tách propane
Bài tốn 5: Xác định đĩa nạp liệu tối ưu cho tháp tách propane bằng
công cụ Optimiser
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

2


Bài tốn 2: Mơ phỏng thiết bị tách khí - lỏng
Cho vào thiết bị tách khí lỏng một dịng ngun liệu với các dữ liệu
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 tốn 2: Mơ 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 định 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 bị tách
- Trên flowsheet, right-click vào dòng S2 và S3  hiển thị cửa sổ
lựa chọn
- Chọn Display  xuất hiện cửa sổ Streamline
- Chọn Properties từ drop-down list box ở mục Streamline Label Type
- Mặc định ở mục Property List là Material Balance List  sẽ hiển thị
tên, trạng thái dòng, nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và thành
phần của dòng  OK
3. Năng suất nhiệt của thiết bị tách
DUTY, M*KCAL/HR

0.09956

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

5


Bài tốn 2: Mơ phỏng thiết bị tách khí - lỏng
a

6


Bài tốn 3: Tính nhiệt độ sơi 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 việc ở áp
suất là 7 bar.
• Tiến hành mơ phỏng như bài tốn 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 tốn 3: Tính nhiệt độ sơi 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 định

được:
1. Nhiệt độ sôi của hỗn hợp nguyên liệu này ở áp suất 7 bar
FLASH ID
F1
NAME
FEEDS
S1
PRODUCTS VAPOR
LIQUID
S3
TEMPERATURE, C
PRESSURE, BAR

S2
-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 loûng
VAPOR-LIQUID COMPOSITIONS AND
COMPONENT
VAPOR
LIQUID
------------------------------------1 METHANE
0.93087 0.13000
2 ETHANE
0.05887 0.22000
3 PROPANE

0.00969 0.38000
4 BUTANE
5.4730E-04
5 PENTANE

1.8438E-05

K-VALUES FOR UNIT 1, 'F1'
K-VALUE
---------7.1605E+00
2.6761E-01
2.5507E-02
0.22000 2.4877E-03
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 bị tách
DUTY, M*KCAL/HR -0.62892

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

10

Bài tốn 4: Mơ 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 tốn 4: Mơ phỏng tháp tách
propane
a

12

Bài tốn 4: Mơ phỏng tháp tách
propane

Các bước mô phỏng
1. Xác định hệ đơn vị đo
Chọn hệ đơn vị 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 định 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 bị có trong sơ đồ và các dòng ra và vào
các thiết bị
 Thiết bị: Tháp  click chọn biểu tượng tháp từ floating PFD 
hiển thị cửa sổ Column Configuration  nhấn chọn Condenser
13
và Reboiler  nhập giá trị 22 ở mục Number of Theoretical Trays
 OK


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 định thành phần, trạng thái của các dòng, xác định
các dữ liệu về thiết bị
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 thị 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 trị 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  choïn Mass14 
TON  DAY  nhaán Change Units  OK


Bài tốn 4: Mơ phỏng tháp tách
propane

 Nhập thành phần các cấu tử của dòng S1: nhập giá trị
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 định nhiệt độ và áp suất của dòng S1 ở mục
Thermal Condition: ở dòng First Specification  chọn Pressure
 nhập giá trị 18. Xong nhấn chọn Liquid Weight Fraction ở
mục Second Specification  nhập giá trị 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 định 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 trị 1 ở mục
Tray  nhập giá trị lưu lượng 104. Chú ý rằng, lưu lượng
sản phẩm được tính bằng tấn/ngày, mà ở đây là KGMOL/HR  click vào UOM  xuất hiện bảng Convert Unit of
15
Measure  chọn Mass  TON  DAY  nhaán Change Units  OK


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 trị 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 trị 0,01 bar  OK để trở
về cửa sổ Column.
 Ở mục Condenser, nhấn chọn Bubble Temperature ở mục Condenser Type
 nhập giá trị 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
16
vào Value  nhập giá trị 2.


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 trị 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
17
 OK : quay lại cửa sổ Column – Specifications and Variables  OK : hoàn

thành việc nhập dữ liệu cho T1


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 cơng 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 tồn
- 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
19
sôi lại là bé nhất


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

20


Bài toán 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 trị 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 trị cực đại hoặc cực
tiểu
Biến sẽ thay đổi giá trị trong một khoảng nào đó (giữa
Minimum Value và Maximum Value) để hàm mục tiêu đạt đến giá
trị 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 bị Optimiser OP1 cho tháp  OP1
được viền đỏ
 Double click vào OP1  hiển thị cửa sổ PRO/II – Optimiser
21
 Ở mục Description, nhập teân OPTIMISER


Bài toán 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 bị đun sôi lại
 Loại bài toán: Cực tiểu (minimize)
 Biến: Vị 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 thị cửa
sổ Parameter  Ở mục Stream/Units  chọn Column  nhấn chọn
Parameter  hiển thị 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 thị cửa sổ
Parameter  Ở mục Stream/Units  chọn Column  nhấn chọn
Parameter  hiển thị 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 trị 2 cho mục Minimum Value

22
và giá trị 22 cho mục Maximum Value  nhấn OK: hoàn thành
việc nhập 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 hồn tồn
- 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