Đang tải... (xem toàn văn)
thiết bị trong hóa dầu
7 - THÁP 7.1. Lưu trình con (Column Subflowsheet) 2 7.2. Nguyên lý tháp (Column Theory) 8 7.3. Thiết lập tháp (Column Installation) 13 7.4. Giao diện thuộc tính tháp (Column Property View) 22 7.5. Các kiểu thuộc tính tháp (Column Specification Types) 73 7.6. Các thiết bị phụ trợ (Column-Specific Operations) 84 7.7. Tính toán tháp (Running the Column) 98 7.8. Sửa chữa lỗi (Column Troubleshooting) 100 7.9. Tài liệu tham khảo (References) 105 1 7.1. Column subflowsheet (lưu trình con của tháp) Tháp là một loại thiết bị đặc biệt của Subflowsheet (lưu trình con) trong HYSYS. Subflowsheet gồm thiết bị, dòng và trao đổi thông tin với flowsheet (lưu trình chính) thông qua những dòng kết nối bên trong và bên ngoài thiết bị. Từ môi trường mô phỏng chính, tháp hoạt động với một hoặc nhiều nguyên liệu, một hoặc nhiều sản phẩm. Trong nhiều trường hợp có thể xử lý tháp chính xác theo các phương thức đó. Có thể làm việc bên trong Column subflowsheet. Có thể “tập trung” sự chú ý vào tháp. Khi vào môi trường xây dựng tháp, mô phỏng chính là “bộ nhớ cache”. Tất cả các hướng của môi trường chính được tạm ngừng cho đến khi kết thúc và ra khỏi môi trường xây dựng tháp. Khi trở lại môi trường chính, trên màn hình sẽ xuất hiện lại như khi rời khỏi trước đó. Cũng có thể vào môi trường xây dựng tháp khi muốn thiết lập một cấu hình tháp tùy ý. Bên cạnh thiết bị như các loại máy bơm, các thiết bị phân tách, các thiết bị chưng cất có thể được thêm từ Column property view trong phần mô phỏng chính. Tuy nhiên, nếu muốn thiết lập nhiều tháp (sẽ được minh họa trong ví dụ tháp) cần vào môi trường xây dựng tháp. Một mặt có thể truy cập vào các thao tác cụ thể của tháp (tray section, heaters, coolers, condensers, reboilers .) và xây dựng tháp như mong muốn một lưu trình khác nào đó. Nếu muốn thiết lập một tháp mẫu theo yêu cầu sử dụng trong mô phỏng khác, lựa chọn file-new trên menu bar và chọn column từ menu bên. Từ tháp mẫu này, truy cập vào các môi trường xây dựng tháp trực tiếp từ Basis environment. Một khi đã tạo ra các bản mẫu có thể lưu vào đĩa. Trước khi cài đặt bản mẫu trong các mô phỏng khác nhau, chắc chắn rằng hộp thoại Use Input Experts trong giao diện Session Preferences view là trống. 2 Thông tin chi tiết về thao tác lưu trình con, xem chapter 2- Flowseet Acchitecture trong tài liệu hướng dẫn sử dụng User’s Guide Trong chương này sử dụng các thuộc tính và các bản mẫu của tháp. Section 7.6 Column- Specific Operations, mô tả các hoạt động có được trong môi trường xây dựng tháp. Xem chapter 2– flowsheet architecture trong user’s guide cho 1 ví dụ tháp mẫu. Column Subflowsheet cung cấp một số lợi thế: - Cô lập của công cụ tính toán tháp - Sử dụng tùy ý các gói thuộc tính khác nhau - Cấu trúc của các tháp mẫu theo yêu cầu - Khả năng tính toán đồng thời nhiều tháp. Tính độc lập của quá trình tính toán tháp (Isolation of Column Solver) Một ưu điểm của môi trường xây dựng tháp là cho phép hoàn thành những trao đổi và tập trung trên tháp mà không đòi hỏi một sự tính toán lại toàn bộ lưu trình. Khi vào môi trường xây dựng tháp, HYSYS sẽ làm sạch màn hình bằng việc quan sát tất cả bộ nhớ có sẵn được mở ra khi bắt đầu lưu trình chính. Các cửa sổ mà trước đó làm việc trong môi trường xây dựng tháp lại được mở ra. Trong môi trường xây dựng tháp, có thể truy cập những thuộc tính, bảng tóm tắt các giai đoạn và các dữ liệu khác cũng như là làm thay đổi các thuộc tính của tháp, các thông số, thiết bị, các hệ số hay các phản ứng. Khi đã thực hiện những thay đổi cần thiết, cho tháp hoạt động bằng cách nhấn phím run để đưa ra một giải pháp hội tụ mới. Lưu trình chính sẽ không được tính toán lại cho đến khi trở về môi trường xây dựng chính. Khi đang làm việc trong môi trường xây dựng tháp, thực sự đang làm việc bên trong lưu trình con của tháp (Column subflowsheets). Do đó, khi kích vào Workbook hay PFD, sẽ thấy Workbook hoặc PFD của tháp chứ không phải của lưu trình chính. Môi trường của lưu trình con cho phép dễ dàng truy cập tới tất cả các dòng và các thao tác được kết hợp với tháp. Nếu muốn truy cập thông tin về dòng sản phẩm của tháp, xem Column workbook, hiển thị các thông tin về tháp. Hệ nhiệt động độc lập (Independent Fluid Package) HYSYS cho phép xác định Fluid Package duy nhất cho Column Subflowsheet. Một số ví dụ cho thấy những tiện ích khi sử dụng Fluid Package độc lập: 3 Trong Column subflowsheet, bạn có thể xem workbook hay PFD cho lưu trình chính bằng việc sử dụng Workbook hay PFD tại Tools trên thanh Menu. Nếu một tháp không sử dụng tất cả các cấu tử trong lưu trình chính, thường xác định một Fluid Package mới chỉ với các cấu tử cần thiết. Nó sẽ tăng tốc độ tính toán tháp. Trong một số trường hợp, một Fluid Package khác có thể phù hợp hơn với các điều kiện của tháp. Ví dụ, mong muốn xác định lại các tham số tương tác trong khoảng hoạt động của tháp. Trong mô phỏng động, những tháp khác nhau có thể hoạt động tại nhiệt độ và áp suất khác nhau. Với mỗi Fluid Package, có thể xác định một mô hình động khác với thông số có thể thay đổi trong khoảng nhiệt độ và áp suất thích hợp, vì thế, nâng cao được tính chính xác và ổn định của mô phỏng động. Khả năng thiết lập cấu hình tháp tuỳ theo yêu cầu của người sử dụng (Ability to construct Custom Column Configurations) Cấu hình của tháp tùy theo yêu cầu có thể được lưu trữ như các tháp mẫu và được sử dụng lại cho các mô phỏng khác. Để thiết lập một tháp mẫu tùy theo yêu cầu chọn New và sau đó chọn Column từ File trong Menu Bar. Khi lưu trữ các tháp mẫu, file lưu sẽ có đuôi .col. Có nhiều cách khác nhau để xác định cấu hình tháp và có thể xác định tháp với nhiều mức độ tổ hợp khác nhau. Có thể sử dụng một tập hợp rộng các thao tác của tháp sao cho tháp hoạt động đơn giản và linh hoạt. Sử dụng thuật toán giải đồng thời (Use of simultaneous solution algorithm) Column subflowsheet sử dụng thuật toán giải đồng thời nhờ đó tất cả thao tác trong phạm vi của subflowsheet được giải quyết đồng thời. Sự giải quyết đồng thời cho phép người sử dụng có thể cài đặt nhiều đơn vị hoạt động trong phạm vi subflowsheet (ví dụ các tháp được nối với nhau) không cần công cụ recycle. Bảng thuộc tính của tháp (The Column Property Vview) 4 Tập hợp những tháp tùy thích và nhiều tháp lại có thể được mô phỏng bên trong một subflowsheet bằng cách sử dụng sự kết nối các thiết bị trong subflowsheet. Sơ đồ tháp được thiết lập theo cách giống như xây dựng trong lưu trình chính: truy cập các thao tác khác nhau, kết nối thích hợp và định nghĩa các thông số. Thiết bị phụ trợ (bơm, tháp tách, .) được thêm vào từ Column property view. Column Property View (biểu diễn thuộc tính của tháp trong lưu trình chính) về bản chất cung cấp cho truy cập toàn diện các thuộc tính của tháp. có thể vào Column subflowsheet để thêm phụ kiện mới cho thiết bị, ví dụ như bổ sung Tray Section hay Reboilers. Từ Column Property View, có thể thay đổi kết nối nguyên liệu vào và sản phẩm, các thuộc tính, các thông số, áp suất, đánh giá, hiệu quả, các phản ứng, các thao tác, và xem profiles, worksheet, và Summary. cũng có thể chạy tháp từ main flowsheet (lưu trình chính) như từ Column subflowsheet (lưu trình con của tháp). Điều này được mô tả trong Section 7.4-Column Prroperty View. Nếu muốn thực hiện một thay đổi nhỏ để cho một hoạt động của tháp (ví dụ, thay đổi kích thước bình ngưng) có thể thực hiện thao tác này bằng cách sử dụng Object Navigator mà không cần vào Column subflowsheet. Khi có thay đổi lớn, ví dụ như thêm một bộ đĩa thứ 2, đòi hỏi vào Column subflowsheet. Để truy cập môi trường xây dựng tháp, chọn phím Column Environment tại phía dưới của Column Property view. Quan hệ lưu trình chính và lưu trình con (Main/column subflowsheet relationship) Không giống hoạt động của các thiết bị mô phỏng khác, tháp có lưu trình con của riêng nó, được đặt trong lưu trình chính. Khi đang làm việc trong lưu trình chính, tháp xuất hiện như các thiết bị mô phỏng 5 Nếu thực hiện một thay đổi cho tháp khi bắt đầu làm việc hay đang xây dựng tháp trong môi trường chính, cả tháp và lưu trình ban đầu sẽ được tự động tính lại. khác, với đầu vào và đầu ra của các dòng và một số các thông số điều chỉnh khác nhau. Nếu có sự thay đổi bất cứ một thông số cơ bản nào của tháp, cả tháp và lưu trình chính (parent flowsheets) sẽ được tính toán lại. Khi thiết lập tháp, HYSYS tạo ra một lưu trình con (subflowsheet) bao gồm tất cả các thiết bị và dòng được kết hợp với tháp mẫu đã chọn. Lưu trình con này (subflowsheet) hoạt động như là một thiết bị trong lưu trình chính (main flowsheet). Hình dưới đây mô tả Column subflowsheet trong main flowsheet. Khái niệm Lưu trình chính / Lưu trình con (Main Flowsheet / Subflowsheet Concept) Xét quá trình hấp thụ Hơi – Lỏng để loại CO 2 từ dòng khí sử dụng dung môi là H 2 O. Một phương pháp điển hình để thiết lập bài toán sẽ là như sau: 1. Tạo dòng khí nguyên liệu, FeedGas, và dòng dung môi nước, WaterIn, trong main flowsheet (lưu trình chính). 6 2. Chọn phím Absorber từ Object Palette và cung cấp các tên dòng, số đĩa, áp suất và các số liệu ước tính. Đồng thời, phải cung cấp tên của các dòng ra: khí sạch, CleanGas và nước ra, WaterOut. 3. Bắt đầu tính toán: bấm vào phím Run từ lưu trình chính có giao diện thể hiện các thuộc tính của tháp (main flowsheet Column property view). Khi kết nối các dòng đến tháp, HYSYS tạo ra các dòng bên trong cùng tên. Các điểm kết nối hoặc “đánh dấu” sẽ kết nối các dòng trong lưu trình chính (main flowsheet) đến các dòng trong lưu trình con (subflowsheet) và tạo điều kiện truyền thông tin giữa hai lưu trình. Chẳng hạn, dòng WaterIn trong lưu trình chính “được kết nối” đến dòng WaterIn trong lưu trình con. Chú ý rằng những dòng được kết nối không cần thiết có cùng các thông số - tất cả giá trị được thiết lập sẽ giống nhau, nhưng các biến dòng được tính toán có thể khác nhau phụ thuộc vào Fluid Packages và Transfer Basis. Khi đang làm việc trong môi trường mô phỏng chính, sẽ thấy tháp như các thiết bị mô phỏng khác, với một bảng tính chất có các thông số như số bậc và áp suất ở đáy, đỉnh. Nếu thay đổi một trong số các thông số này lưu trình con sẽ tính toán lại (ngay khi bấm phím Run); lưu trình chính cũng sẽ tính lại một lần nữa để đưa ra một giải pháp mới cho tháp. Tuy nhiên, nếu đang ở trong môi trường xây dựng lưu trình con của tháp, có nghĩa là đang làm việc trong một lưu trình khác hoàn toàn. Để thực hiện một thay đổi lớn đối với tháp như thêm một reboiler, cần phải vào Column subflowsheet build enviroment. Khi vào môi trường này, main flowsheet đặt ở chế độ “chờ” cho đến khi quay lại. 7 Chú ý rằng nếu xóa bất cứ một dòng được kết nối với tháp trong lưu trình chính những dòng này cũng sẽ bị xóa trong lưu trình con. 7.2. Nguyên lý tháp (Column Theory) Tháp chưng cất nhiều phân đoạn, như chưng cất dầu thô và chưng cất chân không, tháp tách metan, và tháp chưng cất chiết tách là các thiết bị phức tạp nhất được mô phỏng trong HYSYS. Phụ thuộc vào hệ thống được mô phỏng, mỗi tháp này gồm một loạt các trạng thái phân tách pha cân bằng hoặc không cân bằng. Hơi đi lên phía trên qua các đĩa và lỏng đi xuống phía dưới tháp qua các đĩa. Một đĩa có thể có một hoặc nhiều dòng tiếp xúc với nhau ở tại mỗi đĩa đó, sản phẩm lỏng hoặc hơi được lấy ra từ đây. Và nó có thể được đun nóng hay làm lạnh với thiết bị trao đổi nhiệt bên sườn. Hình sau đây mô tả một đĩa j tiêu biểu trong một tháp đang sử dụng sơ đồ đánh số từ trên xuống dưới. Đĩa trên là j-1 và đĩa dưới là j+1. Tên dòng được ký hiệu trong hình vẽ sau. Trong đó: F = dòng nguyên liệu L = dòng lỏng di chuyển xuống đĩa phía dưới V = dòng hơi di chuyển lên đĩa phía trên LSD = dòng lỏng lấy ra từ đĩa này VSD = dòng hơi lấy ra từ đĩa này Q = dòng năng lượng vào đĩa này Có nhiều tháp phức tạp hơn có thể dùng bơm lấy lỏng ra từ một đĩa của tháp và bơm lên đĩa cao hơn của tháp. Những tháp nhỏ, được gọi là tháp cất, có thể sử dụng một số tháp để hỗ trợ cho việc làm sạch sản 8 phẩm lỏng. Ngoại trừ các tháp chưng cất dầu thô, hầu hết các tháp sẽ có tất cả các mục này, nhưng hầu như bất cứ tháp nào cũng có thể được mô phỏng với sự kết hợp của các đặc điểm. Điều quan trọng cần lưu ý rằng tháp có khả năng thực hiện tất cả các ứng dụng chưng cất khác nhau. HYSYS có khả năng chạy các tháp làm lạnh sâu, hệ thống hấp thụ TEG áp suất cao, tháp chưng cất nước chua, tháp hấp thụ dầu, tháp chưng cất dầu thô, tháp chưng cất đẳng phí không lý tưởng . Không giới hạn lập trình cho số lượng các cấu tử và số đĩa chưng cất. Kích thước tháp mà có thể giải quyết sẽ sự phụ thuộc vào cấu hình phần cứng và dung lượng bộ nhớ máy tính có. 7.2.1 Lý thuyết ba pha (Theree Phase Theory) Với hệ không lý tưởng có nhiều hơn 2 cấu tử, các đường bao pha có thể tồn tại dạng hỗn hợp đẳng phí, mà một hệ thống chưng cất đơn giản không thể thực hiện được. Sự tạo thành hỗn hợp đẳng phí trong hệ ba pha ngăn cản về mặt nhiệt động để tách các hỗn hợp hóa học. Sơ đồ chưng cất cho hệ không lý tưởng thường khó để hội tụ theo các giả định ban đầu. Để hỗ trợ khởi động của các tháp Three Phase Input Expert (Công cụ chuyên dụng tính toán ba pha) thiết lập các nhiệt độ đầu, các dòng chảy và những cấu tử. Thông tin chi tiết về Three Phase Distillation Template tính toán ba pha trong HYSYS xem trong section 7.3.2-Templates. Với hệ nhiều cấu tử không lý tưởng, DISTIL là một công cụ tuyệt vời cho quá trình xác định khả năng xử lý. Chương trình phần mềm thiết kế này cũng có ứng dụng xác định vị trí đĩa nạp liệu tối ưu và cho phép xem xét những đặc điểm kỹ thuật của tháp để HYSYS sử dụng như là một đánh giá ban đầu. Nếu cần, hãy gặp các chuyên gia AEA Technology khu vực để được hướng dẫn chi tiết. 7.2.2 Xác định 3 pha (Detection of Three Phases) Bất cứ khi nào tháp hội tụ, HYSYS sẽ tự động tạo Three Phase Flash (tháp tách ba pha) ở đĩa phía trên. Nếu một pha lỏng thứ hai được xác 9 Hãy xem dòng thông báo (ở dưới cùng của giao diện) về sự hội tụ của tháp. định và không phát hiện dòng nước, sẽ có một thông báo cảnh báo xuất hiện. Nếu có dòng nước, HYSYS sẽ kiểm tra đĩa tiếp theo cho pha lỏng thứ hai với kết quả giống như trên. Điều này sẽ tiếp tục thực hiện xuống phía dưới tháp cho tới khi tìm thấy đĩa có hai pha. Chú ý rằng nếu đĩa ba pha nằm phía dưới đĩa hai pha thì nó sẽ không được xác định vì việc kiểm tra đã kết thúc từ trước. HYSYS sẽ luôn luôn phát hiện sự tồn tại của pha lỏng thứ hai. Điều này sẽ tiếp tục cho tới khi tháp trở lại cân bằng lỏng hơi (VLE operation), hoặc tất cả các đĩa có nước trong đó. 7.2.3. Các khởi tạo ban đầu (Initial Estimates) Các khởi tạo ban đầu là giá trị tuỳ chọn, được cung cấp để giúp thuật toán hội tụ HYSYS có lời giải. Các dự tính của tốt hơn, HYSYS sẽ hội tụ nhanh hơn. Điều quan trọng là nhớ rằng các specs trở thành các giá trị dự tính khởi tạo ban đầu, vì thế nếu đã thay thế một trong những specs (dòng hơi đỉnh, dòng chất lỏng lấy ra bên cạnh tháp hoặc chỉ số hồi lưu) với các specs mới, giá trị mới trở thành giá trị khởi tạo ban đầu. Vì vậy nên nhập các giá trị hợp lý ban đầu. Giá trị khởi tạo ban đầu có thể cung cấp nhờ Column Property view hoặc trên Monitor page của Design tab, trong danh sách specs hoặc trên Estimates page của Parameters tab. Mặc dù HYSYS không yêu cầu bất cứ giá trị ước lượng để hội tụ, giá trị khởi tạo ban đầu hợp lý sẽ giúp cho quá trình hội tụ nhanh hơn. Temperatures Giá trị nhiệt độ dự tính có thể cho một đĩa bất kỳ trong tháp, bao gồm cả bình ngưng và reboiler sử dụng Estimates page trong Column property view. Các nhiệt độ trung gian sẽ được tính gần đúng bằng phép nội suy tuyến tính. Khi có sự thay đổi nhiệt độ lớn xuất hiện tại bình ngưng hoặc reboiler ở đáy, nó sẽ giúp tính toán gần đúng các đĩa ở đỉnh và đáy trong đoạn chứa các đĩa của tháp. Chú ý rằng nếu sản phẩm chưng cất ở đỉnh là một chất lỏng 10 . năng chạy các tháp làm lạnh sâu, hệ thống hấp thụ TEG áp suất cao, tháp chưng cất nước chua, tháp hấp thụ dầu, tháp chưng cất dầu thô, tháp chưng cất đẳng. hơi đỉnh tháp là phần hơi đi ra từ đĩa trên cùng của tháp (với tháp hấp thụ và tháp hấp thụ có Reboiler). Trong tháp hấp thụ có hồi lưu và tháp chưng, sản
