1. Xây dựng cơ sở mô phỏng
Nhập các cấu tử và phương trình trạng thái:
Trong giao diện … Lựa chọn…
Property Package page Peng-Robinson
Components page Ethane, propane, i-butane, n-butane
Bấm phím Enter Simulation Environment khi đã sẵn sàng thực hiện mô phỏng
2. Thiết lập dòng vật chất
Thiết lập dòng vật chất với các giá trị sau:
Trong ô… Nhập thông tin…
Name Gas
Temperature 50oF
Pressure 1 atm
Molar Flow 100 lbmole/h
Compositions Ethane-15%
Propane-20% i-butane-60% n-butane-5%
3. Thiết lập Compressor
Bấm vào biểu tượng Compressor trong Object Palette.
Hình 8.1. Compressor – Design tab - Connections page
Trong Worksheet tab, Conditions page, nhập các thông tin như hình 8.2. Áp
suất của dòng Comp Gas là 50 psi(344.7 kPa).
Hình 8.2. Compressor - Worksheet tab - Conditions page
4. Thiết lập Cooler
Trong Connections page, nhập các thông tin như trong hình 8.3.
Hình 8.3. Cooler -Design tab – Connections page
Chuyển sang Parameters page. Độ giảm áp là 0 psi như trong hình 8.4.
Hình 8.4. Cooler -Design tab – Parameters page
Chuyển sang Worksheet tab, Conditions page, nhập thông số như hình 8.5.
Hình 8.5. Cooler -Worksheet tab – Conditions page
5. Thiết lập Flash Separator
Bấm vào biểu tượng Separator trong Object Palette.
Trong Connections page, nhập các thông số như trong hình 8.6.
Chuyển sang Worksheet tab để xem kết quả (hình 8.7 và 8.8):
Hình 8.7. Separator – Worksheet tab – Conditions page
Hình 8.8. Separator – Worksheet tab – Composition page
6. Lưu Case
Vào File menu.
Chọn Save As
Đặt tên file là Flash sau đó bấm OK
Khi hoàn thành mô phỏng quá trình tách hai pha nhận được sơ đ PFD như trong hình 8.9.
Hình 8.9. Sơ đồ mô phỏng PFD
8.3. Tóm tắt và ôn tập chƣơng 8
Trong chương này, đã thực hiện tính toán lưu lượng của dòng lỏng và dòng hơi ra khỏi tháp tách khi biết lưu lượng dòng hai pha vào tháp. Dòng hơi và dòng lỏng trong tháp tách đạt trạng thái cân bằng trước khi được tách ra. Separator trong
HYSYS được sử dụng để mô phỏng quá trình tách hai pha lỏng và hơi.
8.4. Bài tập nâng cao
Nếu nhiệt độ dòng Cool Gas là 10oF, thì lưu lượng và thành phần của hai dòng là bao nhiêu?
Stream: Top Bottom
Flowrate: _________________ _______________ Composition: Ethane: ___________ _______________ Propane: __________ _______________ i-Butane: __________ _______________ n-Butane: __________ ______________ Gas
Chƣơng 9
PHẢN ỨNG CHUYỂN HOÁ
Nội dung
Chương này giải quyết vấn đề phát triển mô hình sản xuất khí hydro từ metan bằng phản ứng oxi hoá. Phương pháp oxi hoá không hoàn toàn dựa trên phản ứng của metan với không khí để sản xuất oxit cacbon và khí hydro. Trong chương này sẽ hướng d n cách thêm các phản ứng chuyển hoá (conversion) và cài đặt nhóm các phản ứng vào thiết bị phản ứng trong HYSYS.
Loại phản ứng chuyển hoá không yêu cầu các kiến thức về nhiệt động học. Việc phải làm là nhập hệ số tỷ lượng phản ứng và độ chuyển hoá của chất phản ứng cơ bản (trong trường hợp này là metan). Độ chuyển hoá luôn luôn dưới 100%. Phản ứng tiến hành cho đến khi đạt giới hạn hoặc hết chất phản ứng.
Việc nhóm các phản ứng khác loại với nhau là không thể thực hiện, tuy nhiên, có thể nhóm các phản ứng Conversion lại thành một nhóm và phân loại các
phản ứng (phản ứng nối tiếp hay song song). Phản ứng có bậc thấp nhất sẽ xảy ra đầu tiên (có thể bắt đầu hoặc là 0 hoặc 1). C ng như các phản ứng đơn lẻ, tổng độ chuyển hoá cấu tử cơ bản trong nhóm các phản ứng không được quá 100%.
Các phản ứng Conversion không được sử dụng trong các thiết bị phản ứng
đẩy lý tưởng (PFR) hoặc khuấy lý tưởng (CSTR). Nói chung, các phản ứng
Conversion chỉ được thực hiện trong thiết bị phản ứng Conversion Reactor.
Mục tiêu
Sau khi học xong có thể:
Mô phỏng thiết bị và phản ứng chuyển hoá trong HYSYS.
Thiết lập các phản ứng và nhóm phản ứng (Reaction Set).
Gắn Reaction Set đã cài đặt với hệ nhiệt động Fluid Package. Yêu cầu
Trước khi học chương này người sử dụng cần phải biết:
Điều chỉnh PFD
Thêm các dòng trong PFD hoặc Workbook
9.1. Bài toán
Công nghệ sản xuất khí hydro từ hydrocacbon đã có những bước phát triển đáng kể trong thập kỷ qua. Hiệu quả của công nghệ sản xuất hydro có liên quan trực tiếp đến các thiết bị chuyển hoá năng lượng như pin nhiên liệu (fuel cell). Sự chuyển hoá nhiên liệu thành hydro được thực hiện bằng quá trình oxi hoá không hoàn toàn. Phương pháp này dựa vào phản ứng của nhiên liệu ví dụ như metan với không khí để tạo ra oxit cacbon và hydro.
CH4 + 1/2 O2 CO + 2H2 CH4 + O2 CO2 + 2H2
Phát triển mô hình đại diện cho quá trình oxi hoá không hoàn toàn metan để sản xuất hydro.
9.2. Xác định cơ sở mô phỏng
Bước đầu tiên để mô phỏng quá trình sản xuất hydro là chọn phương trình trạng thái thích hợp. Nhập các thông tin như sau:
Trong ô … Lựa chọn …
Property Package page Peng-Robinson
Components page CH4, O2, N2, CO, CO2, H2
Bấm phím Enter Simulation Environment khi đã sẵn sàng thực hiện mô phỏng.
1. Thiết lập các phản ứng
Các phản ứng trong HYSYS được khởi tạo theo cách tương tự như thêm các cấu tử khi bắt đầu xây dựng cơ sở mô phỏng.
Bấm vào Reaction tab trong Simulation Basis Manager. Lưu ý rằng tất cả các cấu tử được hiển thị trong danh sách Rxn Components.
Bấm phím Add Rxn, chọn phản ứng Conversion từ danh sách. Nhập các thông tin sau:
Hình 9.2. Giao diện Conversion Reaction Rxn-1 – Stoichiometry tab
Chuyển sang Basis tab và nhập các thông tin như sau:
Hình 9.3. Giao diện Conversion Reaction Rxn-1 – Basis tab
Hình 9.4. Giao diện Conversion ReactionRxn-2 – Stoichiometry tab
Tương tự ở Basis tab, nhập các thông tin sau:
Hình 9.5. Giao diện Conversion ReactionRxn-2 – Basis tab
2. Thiết lập nhóm các phản ứng
Khi hai phản ứng này đã được khai báo đầy đủ các thông tin, cần phải thiết lập Reaction Set cho thiết bị phản ứng chuyển hoá Conversion Reactor.
V n đang ở Reaction tab (như hình 9.1), bấm phím Add Set. Đặt tên cụm phản ứng là Oxidation Rxn Set, và nhập hai phản ứng Rxn-1, Rxn-2 vào. Các phản ứng được nhập bằng cách chọn các phản ứng cần thiết từ danh sách thả xuống trong
Hình 9.6. Giao diện tạo Oxidation Rxn Set
3. Thiết lập các phản ứng nối tiếp
Các phản ứng chuyển hoá có thể được nhóm lại và phân loại phản ứng (nối tiếp hoặc song song). Phản ứng nào được xếp hạng thấp nhất sẽ xảy ra đầu tiên (có thể bắt đầu hoặc là 0 hoặc 1).
Để thiết lập cho các phản ứng xảy ra nối tiếp, trong Oxidation Rxn Set (hình 9.6), bấm vào phím Ranking… và nhập các thông tin như trong hình 9.7 dưới đây.
Hình 9.7. Thiết lập cho các phản ứng nối tiếp
4. Liên kết nhóm phản ứng vào Fluid Package
Sau khi thiết lập nhóm phản ứng (Reaction Set), cần phải nhập vào hệ nhiệt động đã lựa chọn trong HYSYS để sử dụng.
Chọn Reaction Set và bấm phím Add to FP.
Nếu cần, có thể save Fluid Package k m theo các phản ứng đã gắn vào. Như vậy có thể mở lại FP này ở bất kỳ bài toán mô phỏng nào khác trong HYSYS khi FP này phù hợp.
Khi các phản ứng cài đặt đã được gắn vào Fluid Package, có thể vào môi trường mô phỏng và bắt đầu xây dựng PFD.
5. Thiết lập các dòng vật chất
Thiết lập dòng vật chất thứ nhất với các thông tin cho trong bảng sau.
Trong ô.. Nhập thông tin …
Name Methane
Temperature 25oC
Pressure 2 bar
Molar Flow 100 kgmole/h
Component Mole Fraction
C1 1.000
Tương tự với dòng thứ hai.
Trong ô … Nhập thông tin …
Name Air
Temperature 25oC
Pressure 2 bar
Molar Flow 260 kgmole/h
Component Mole Fraction
N2 0.79
O2 0.21
6. Thiết lập thiết bị phản ứng chuyển hoá
Từ Object Palette, bấm vào biểu tượng General Reactor, chọn
Conversion Reactor và đưa vào PFD.
Đặt tên thiết bị là Oxidation Reactor và nối với hai dòng nguyên liệu đã thiết lập ở trên là Methane và Air. Đặt tên dòng sản phẩm hơi là Ox_Vap, mặc dù trong trường hợp này không có sản phẩm lỏng nhưng v n phải đặt tên là Ox_Liq.
Hình 9.8. Oxidation Reactor – Design tab – Connections page
Trong Details page của Reaction tab, chọn nhóm phản ứng Oxidation Rxn Set đã cài đặt, các phản ứng sẽ tự động được kết nối với thiết bị phản ứng.
Hình 9.9. Oxidation Reactor – Reactions tab – Details page
Chuyển sang Composition page của Worksheet tab, phân tích thành phần
Lưu lượng mol của các cấu tử bằng bao nhiêu?
Methane: _____________ Nitrogen: ________________ Oxygen: ______________ CO: _____________________ CO2: _________________ Hydrogen: ________________
7. Lưu Case
Vào File menu.
Chọn Save As.
Đặt tên file là Conversion sau đó bấm phím OK.
Hình 9.10. Hoàn thành PFD
9.3. Tóm tắt và ôn tập chƣơng 9
Trong chương này đã giới thiệu mô hình sản xuất hydro từ metan bằng phương pháp oxi hoá không hoàn toàn. Phương pháp này dựa trên những phản ứng của metan với không khí để tạo ra cacbon oxit và hydro. Qua đó học được cách thao tác thiết lập các phản ứng chuyển hoá (Conversion) và nhóm các phản ứng (Reactions
Chƣơng 10
PHẢN ỨNG CÂN BẰNG
Nội dung
Trong chương này sẽ giải quyết vấn đề phát triển mô hình đại diện cho phản ứng chuyển hoá khí (Water Gas Shift – WGS). Vai trò của phản ứng WGS là tăng
hiệu suất H2 và giảm n ng độ CO đáp ứng yêu cầu của pin nhiên liệu, không gây ngộ độc anot và giảm hiệu suất sử dụng của pin. Trong chương này sẽ hướng d n cách thiết lập các phản ứng cân bằng (Equilibrium) và nhóm phản ứng (Reaction
Set) trong HYSYS.
Equilibrium Reactor là thiết bị mô phỏng trong đó thực hiện các phản ứng
cân bằng (equilibrium reaction). Dòng ra khỏi thiết bị đạt trạng thái cân bằng hoá học và vật lý. Reaction Set được gắn cho Equilibrium Reactor bao g m không giới
hạn các phản ứng cân bằng, được diễn ra song song hoặc nối tiếp. Không có các cấu tử và quá trình lý tưởng, HYSYS có thể tính toán hoạt tính hoá học của mỗi cấu tử trong hỗn hợp phản ứng dựa trên fugat của các cấu tử đơn chất và hỗn hợp.
Có thể kiểm tra độ chuyển hoá thực tế, thành phần cấu tử cơ bản, hằng số cân bằng và bậc phản ứng đối với từng phản ứng được cài đặt trong Reaction Set. Độ
chuyển hoá, hằng số cân bằng và các thông số tính toán khác, tất cả được tính toán dựa trên những thông tin được cung cấp khi thiết lập Reaction Set.
Mục tiêu
Sau khi học xong có thể:
Mô phỏng thiết bị và phản ứng cân bằng trong HYSYS Nhập thêm phản ứng hoặc nhóm phản ứng.
Liên kết phản ứng với hệ nhiệt động FP.
In các thông tin của dòng và dữ liệu Workbook.
Yêu cầu
Trước khi học chương này người sử dụng cần phải biết: Thực hiện điều chỉnh PFD
Thêm các dòng trong PFD hoặc Workbook Khởi tạo và nối các dòng vào thiết bị trong PFD
10.1. Bài toán
Một ứng dụng mới của hydro để sản xuất pin nhiên liệu cho động cơ (PEM
fuel cell). Pin nhiên liệu đòi hỏi n ng độ CO thấp hơn 10 20 ppm, để tránh gây ngộ độc anot và làm giảm đột ngột hiệu suất nhiên liệu. Các pin nhiên liệu (fuel cell) biến đổi năng lượng hoá học của nhiên liệu hydro trực tiếp thành năng lượng điện. Không giống như pin hoặc ắc quy, pin nhiên liệu không bị mất điện và c ng không có khả năng tích điện. Pin nhiên liệu hoạt động liên tục khi nhiên liệu là hydro và chất oxi hoá là oxy được đưa từ ngoài vào.
Do đó, nếu hydro được sản xuất từ quá trình reforming hydrocacbon hoặc rượu, việc tinh chế làm giảm n ng độ CO là vô cùng cần thiết. Công nghệ phổ biến nhất hiện nay là chuyển hoá khí bằng hơi nước (WGS) theo phản ứng sau:
CO + H2O CO2 + H2
Phản ứng này đã được sử dụng trong công nghiệp từ 40 năm trước để sản xuất hydro từ các hydrocacbon lỏng và khí. Vai trò của phản ứng WGS là tăng hiệu
suất hydro và làm giảm n ng độ CO tránh gây ngộ độc xúc tác. Xây dựng mô hình phản ứng WGS.
10.2. Thực hiện mô phỏng quá trình phản ứng cân bằng
Chương này sẽ sử dụng case của chương trước (chương 9 Phản ứng chuyển hoá), có bổ sung thêm cấu tử, H2O.
Mở case đã lưu của chương 9: Conversion
Bấm vào biểu tượng Enter Basis Environment trên thanh công cụ để vào giao diện Simulation Basis Manager.
Trong Components tab, vào giao diện Component List-1 để thêm cấu tử.
Thêm cấu tử H2O vào danh sách, như mô tả trong hình 10.2.
Hình 10.2. Bổ sung cấu tử H2O
1. Thiết lập các phản ứng
Các phản ứng trong HYSYS được nhập vào theo cách tương tự như nhập cấu tử để thực hiện mô phỏng.
Bấm vào Reaction tab trong Simulation Basis Manager. Lưu ý rằng tất cả các cấu tử được hiển thị trong danh sách Rxn Components.
Hình 10.3. Thiết lập phản ứng
Bấm vào phím Add Rxn, chọn phản ứng Equilibrium từ danh sách hiển thị. Nhập các thông tin cần thiết như sau:
Hình 10.4. Nhập hệ số tỷ lượng cho phản ứng
2. Nhập Reaction Sets
Khi phản ứng này đã được khai báo đầy đủ các thông tin, có thể cài đặt cho thiết bị phản ứng cân bằng Equilibrium Reactor.
Trong Reaction tab, bấm vào phím Add Set. Đặt tên nhóm phản ứng này (Reaction Set) là WGS Rxn Set, và nhập phản ứng Rxn-3 vào. Các phản ứng được nhập vào bằng cách lựa chọn các phản ứng trong danh sách của nhóm Active List. Kết thúc sẽ có giao diện như mô tả trong hình dưới đây:
3. Liên kết Reaction Set vào Fluid Package
Sau khi thiết lập nhóm phản ứng (Reaction Set), cần phải đưa vào Fluid
Package để HYSYS có thể sử dụng trong tính toán.
Chọn Reaction Set và bấm phím Add to FP.
Chọn Fluid Package và bấm phím Add Set to Fluid Package.
Khi các phản ứng được cài đặt đã được liên kết vào Fluid Package, bấm
phím Return to the Simulation Environment để quay trở lại môi trường mô phỏng và bắt đầu xây dựng mô phỏng PFD. Lưu ý rằng phím Solver đã được bật (biểu tượng đ n xanh trên thanh công cụ).
4. Thiết lập dòng nguyên liệu
Thiết lập dòng vật chất với các thông tin sau:
Trong ô... Nhập thông tin…
Name Steam
Temperature 100oC
Pressure 2 bar
Molar Flow 100 kgmole/h
Component Mole Fraction
H2O 1.000
5. Thiết lập Equilibrium Reactor
Từ Object Palette, bấm vào vào biểu tượng General Reactor, trong số bốn loại thiết bị phản ứng xuất hiện: Gibbs, Equilibrium, Conversion và Yield, chọn Equilibrium Reactor và đưa vào PFD.
Đặt tên thiết bị là WGS Reactor và nối với hai dòng nguyên liệu là Ox_Vap
và Steam. Đặt tên dòng sản phẩm hơi là WGS_Vap, và mặc dù trong trường
Hình 10.6. Kết nối các dòng vào thiết bị phản ứng
Trong Details page của Reactions tab, chọn WGS Rxn Set đã cài đặt, các phản ứng sẽ tự động được kết nối với thiết bị phản ứng.
Hình 10.7. Reaction tab - Details page
Trong Composition page của Worksheet tab, phân tích thành phần của dòng
Lưu lượng mol của các cấu tử sau bằng bao nhiêu?
Methane: ____________ Nitrogen: ____________ Oxygen: _____________ CO: ________________ CO2: ________________ Hydrogen: ___________ Tính toán phần trăm của các cấu tử (so sánh với kết quả trong chương 9) CO giảm: __________________________