Mô phỏng công nghệ hóa học và dầu khí - Logical operations balance

Nhóm Mô phỏng Công nghệ Hoá học và Dầu khí Trường Đại học Bách khoa Hà Nội LOGICAL OPERATIONS Balance Logical Operation Adjust 1 Balance 2 Recycle 3 Set 4 Spreadsheet 5 2 Balance Mole and Heat Balance 1 Mole Balance 2 Mass Balance 3 Heat Balance 4 General Balance 6 Mass and Heat Balance 5 3 Balance Mục đích: BALANCE tính toán CBVC & CBNL Thông tin cần cung cấp: Tên của các dòng. Với General Balance cần cung cấp Component Ratios BALANCE có thể tính xuôi hoặc tính ngược. Có 6 kiểu BALANCE: Mole Mole and Heat Mass Mass and Heat Heat Generale 4 Mole and Heat Balance Mục đích: tính toán CBVL (molar) & CBNL Tính toán độc lập CBVL & CBNL Mol and Heat BALANCE thực hiện tính 1 ẩn số dựa trên CBVL tổng và 1 ẩn số dựa trên CBNL tổng Không kết hợp với Reactor trong đó có sự thay đổi các đặc tính hóa học 5 Mole & Heat Balance - VD Ví dụ: sử dụng Mole and Heat Balance tính toán lưu lượng dòng và nhiệt độ dòng sau khi qua hai thiết bị làm lạnh PR EOS Components:  N2 , CO2  C1, C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5, n-C6, n-C7, n-C8 6 Mole & Heat Balance - VD 7 Mole & Heat Balance - VD MATERIAL STREAM [E1 Inlet] Tab [Page] Input Area Entry Worksheet [Conditions] Temperature 60oF Pressure 600 psi 8 Mole & Heat Balance - VD MATERIAL STREAM [E1 Inlet] Mole Frac Worksheet [Compositions] N2 0.0149 n-C4 0.0020 CO2 0.0020 i-C5 0.0010 C1 0.9122 n-C5 0.0006 C2 0.0496 n-C6 0.0001 C3 0.0148 n-C7 0.0001 i-C4 0.0026 n-C8 0.0001 9 Mole & Heat Balance - VD MATERIAL STREAM [E2 Outlet] Tab [Page] Input Area Entry Worksheet [Conditions] Temperature -60oF 10 Mole & Heat Balance - VD COOLER [E-1] Tab [Page] Input Area Entry Design [Connections] Inlet E1 Inlet Outlet E1 Outlet Energy E1 Duty Design [Parameters] Delta P 5 psi Duty 1.2e+06 Btu/hr 11 Mole & Heat Balance - VD COOLER [E-2] Tab [Page] Input Area Entry Design [Connections] Inlet E1 Outlet Outlet E2 Outlet Energy E2 Duty Design [Parameters] Delta P 5 psi Duty 2.5e+06 Btu/hr 12 Mole & Heat Balance - VD 13 Mole & Heat Balance - VD 14 Mole & Heat Balance - VD Kết quả tính toán 15 Thực hiện tính toán cân bằng mole chung cho dòng, không tính cân bằng năng lượng  Ứng dụng để tính cân bằng pha trên đường bao pha hoặc chuyển sang dòng thứ hai  Không cần khai báo các cấu tử trong tất cả các dòng  Hysys sẽ tính toán lưu lượng dòng mole sản phẩm trên cơ sở biết lưu lượng dòng nguyên liệu hoặc ngược lại  Không tính toán áp suất hoặc nhiệt độ giữa các dòng Mole Balance 16 Mole Balance - VD 17  Ví dụ: hai dòng có cùng lưu lượng và thành phần, nhưng có T & P khác nhau (vd như tính DewPt)  PR EOS  C1; C2; C3; i-C4; n-C4; i-C5; n-C5; n-C6  Enter Simulation Environment  Material Stream: Sales Gas  Material Stream: HC DewPt Mole Balance - VD MATERIAL STREAM [Sales Gas] Tab [Page] Input Area Entry Worksheet [Conditions] Temperature 10oC Pressure 3930 kPa Molar Flow 30 kgmole/hr 18 Mole Balance - VD MATERIAL STREAM [Sales Gas] Mole Frac Worksheet [Compositions] C1 0.8237 n-C4 0.0059 C2 0.1304 i-C5 0.0016 C3 0.0272 n-C5 0.0009 i-C4 0.0101 n-C6 0.0002 19 Dòng thứ hai: HC DewPt không cần khai báo tham số nào cả Mole Balance - VD 20 Mole Balance - VD • Add BALANCE • Connections tab 21 Mole Balance - VD • Parameters tab 22 Mole Balance - VD • Worksheet tab 23 Mole Balance - VD • Worksheet tab 24 Mass Balance Chỉ tính toán cân bằng vật liệu Ứng dụng: tính toán thiết bị phản ứng khi không biết hệ số tỷ lượng của phản ứng:  Alkylation units  Hydrotreaters  Các phản ứng không tỷ lượng khác, 25 Mass Balance Khai báo đầy đủ các cấu tử của tất cả các dòng vật liệu Trừ 1 dòng, còn tất cả các dòng còn lại phải biết lưu lượng, HYSYS sẽ tính toán lưu lượng dòng chưa biết Các thuộc tính năng lượng, mole và hóa học không được bảo toàn Cân bằng vật liệu được tính toán cho dòng vào và dòng ra Không tính toán nhiệt độ và áp suất giữa các dòng 26 Mass Balance - VD 27 Ví dụ: Chuyển hóa toàn bộ các cấu tử trong dòng khí nguyên liệu RX Inlet thành Propan trong dòng sản phẩm RX Outlet  PR EOS  C1; C2; C3; i-C4; n-C4; i-C5; n-C5; n-C6; n-C7; n-C8  Enter Simulation Environment  RX Inlet bao gồm C1 đến C8  RX Outlet 100% Propan Mass Balance - VD MATERIAL STREAM [RX Inlet] Tab [Page] Input Area Entry Worksheet [Conditions] Vapour Fraction 1 Temperature 60oC Pressure 4000 kPa Molar Flow 100 kgmol/hr 28 Mass Balance - VD MATERIAL STREAM [RX Inlet] Worksheet [Compositions] C1 Mole Frac 0.9271 C2 Mole Frac 0.0516 C3 Mole Frac 0.0148 i-C4 Mole Frac 0.0026 n-C4 Mole Frac 0.0020 i-C5 Mole Frac 0.0010 n-C5 Mole Frac 0.0006 n-C6 Mole Frac 0.0001 n-C7 Mole Frac 0.0001 n-C8 Mole Frac 0.0001 29 Mass Balance - VD MATERIAL STREAM [RX Outlet] Worksheet [Compositions] C1 Mole Frac 0.0000 C2 Mole Frac 0.0000 C3 Mole Frac 1.0000 i-C4 Mole Frac 0.0000 n-C4 Mole Frac 0.0000 i-C5 Mole Frac 0.0000 n-C5 Mole Frac 0.0000 n-C6 Mole Frac 0.0000 n-C7 Mole Frac 0.0000 n-C8 Mole Frac 0.0000 30 Mass Balance - VD Tab Input Area Entry Connections Inlet Stream RX Inlet Outlet Stream RX Outlet Parameters Balance Type Mass Auto Calculation (Check) 31 Mass Balance - VD STREAMS Name RX Inlet RX Outlet Vapour Fraction 1.0000 Temperature [C] 60.0000 Pressure [kPa] 4000.000 Molar Flow [kgmole/hr] 100.0000 39.6637 Kết quả tính toán 32 Heat Balance Tính toán cân bằng năng lượng toàn quá trình  Khai báo đầy đủ các cấu tử và lưu lượng của tất cả các dòng vật liệu  HYSYS sẽ tính toán năng lượng dòng sản phẩm khi biết năng lượng của dòng nguyên liệu hoặc ngược lại  Không tính toán nhiệt độ và áp suất giữa các dòng 33 Heat Balance - VD Ví dụ: Multi-Pass-Exchanger có 2 dòng lạnh và 2 dòng nóng. Xác định tổng dòng nhiệt đi vào thiết bị.  Sử dụng PR EOS  C1; C2; C3; i-C4; n-C4; i-C5; n-C5  Enter Simulation Environment:  Add Multi-Pass-Exchanger with 4 material streams  Add Heat Stream: QTOTAL 34 Heat Balance - VD MATERIAL STREAMS Name WARM 1 FEED COLD 1 COLD 2 Vapour Fraction 1 0 Temperature [C] 30 20 Pressure [kPa] 5000 5000 2000 250 Molar Flow [kgmole/hr] 50 100 75 100 Comp Mole Frac [C1] 0.95 0.5386 0.95 0.02 Comp Mole Frac [C2] 0.05 0.1538 0.05 0.98 Comp Mole Frac [C3] 0 0.0769 0 0 Comp Mole Frac [i-C4] 0 0.0692 0 0 Comp Mole Frac [n-C4] 0 0.0615 0 0 Comp Mole Frac [i-C5] 0 0.0538 0 0 Comp Mole Frac [n-C5] 0 0.0462 0 0 35 Heat Balance - VD • Connections tab 36 Heat Balance - VD 37 Heat Balance - VD Add Energy Stream, đặt tên là QTOTAL Vào Worksheet tab đọc kết quả: QTOTAL = -3.034e+07kJ/h 38 General Balance General Balance giải quyết nhiều vấn đề: tính toán n tham số chưa biết (ẩn số) trong n biểu thức liên quan đến các dòng Là công cụ rất mạnh:  Tính toán lưu lượng và thành phần chưa biết của các dòng  Thiết lập tỷ lệ các cấu tử trong dòng (mole, mass hoặc liquid volume) Tính toán độc lập CBVC và CBNL 39 General Balance Một phương trình cân bằng dòng molar tổng nc (number of components) phương trình cân bằng dòng molar riêng ns (number of streams) phương trình dòng Tổng số các phương trình (1 + nc + ns) có chứa (1 + nc + ns) ẩn số sẽ được tính toán Khi thiết lập tỷ số mol các cấu tử sẽ giảm được số ẩn số 40 General Balance - VD1 Ví dụ 1:  dòng nguyên liệu đi vào thiết bị phản ứng Shift Reformer  tỷ lệ mol hai cấu tử C1 và H2O không đổi  FEED1: Methane 95% và CO; CO2; H2O  FEED2: H2O 100%  REACFEED là sản phẩm phản ứng từ 2 dòng trên Sử dụng PR EOS Lưu ý không cần sử dụng Reactor 41 General Balance - VD1 MATERIAL STREAMS Name FEED1 FEED2 REACFEED Temperature [C] 40 200 Pressure [kPa] 7000 7000 7000 Molar Flow [kgmole/hr] 10000 Comp Mole Frac [C1] 0.9500 0.0000 Comp Mole Frac [CO] 0.0050 0.0000 Comp Mole Frac [CO2] 0.0400 0.0000 Comp Mole Frac [H2O] 0.0050 1.0000 42 General Balance - VD1 • Add BALANCE • Conection tab 43 General Balance - VD1 Mở Parameters tab  chọn General Balance Mở giao diện Ratio  chọn Add Ratio: 44 General Balance - VD1 MATERIAL STREAMS Name FEED1 FEED2 REACFEED Vapour Fraction 0.9964 0.0000 0.5349 Temperature [C] 40 200 128.8739 Pressure [kPa] 7000 7000 7000 Molar Flow [kgmole/hr] 10000 9450 19450 Mass Flow [kg/hr] 172312.73 170242.70 342555.43 Liq Vol Flow [m3/h] 533.0374 170.5863 703.6237 Heat Flow [kJ/hr] -8.9457e+08 -2.5630e+09 -3.4575e+09 Comp Mole Frac [C1] 0.9500 0 0.4884 Comp Mole Frac [CO] 0.0050 0 0.0026 Comp Mole Frac [CO2] 0.0400 0 0.0206 Comp Mole Frac [H2O] 0.0050 1 0.4884 45 General Balance - VD2 Ví dụ 2:  tháp chưng cất đẳng phí hỗn hợp Benzen và Cyclohexan  Sử dụng Aceton làm chất tách đẳng phí.  Benzen nhận được tại đáy tháp.  Sản phẩm đỉnh tháp là hỗn hợp đẳng phí của Aceton và Cyclohexan. Xác định lưu lượng khối lượng Aceton Add components:  Benzene  Cyclohexane  Acetone Sử dụng UNIQUAC 46 Mở Workbook, nhập tham số 4 dòng vật liệu 1. Nguyên liệu vào tháp Azeo Feed: hỗn hợp đẳng phí Benzene và Cyclohexane 2. Acetone 3. Sản phẩm đỉnh tháp Azeo Liquid: hỗn hợp đẳng phí của Acetone và Cyclohexane 4. Sản phẩm đáy tháp: Benzene General Balance - VD2 47 General Balance - VD2 MATERIAL STREAMS Name Azeo Feed Acetone AzeoLiquid Benzene Mass Flow [kg/hr] 85 Liq Vol Flow [m3/hr] Comp Mass Frac [Benzene] 0.5180 0.0000 0.0000 1.0000 Comp Mass Frac [CycloHexane] 0.4820 0.0000 0.3124 0.0000 Comp Mass Frac [Acetone] 0.0000 1.0000 0.6876 0.0000 48 General Balance - VD2 49 General Balance - VD2 • Set up General Balance, mặc dù không hội tụ (tính toán không hoàn thành) nhưng có kết quả tính lưu lượng Aceton • Lưu ý không chạy Column 50 General Balance - VD2 51 General Balance - VD2 52