Bài giảng Nhà máy làm lạnh khí

Nhà máy làm lạnh khí Nội dung Trong mô phỏng này, mô hình hóa một phiên bản đơn giản của nhà máy làm lạnh khí. Mục đích công nghệ tách khí ở nhiệt độ thấp, tại nhiệt độ điểm sương của hydrocacbon. Khí khô có nhiệt độ điểm sương không vượt quá -15oC ở 6000 kPa. Khí nguyên liệu vào được làm lạnh hai cấp, đầu tiên qua thiết bị trao đổi nhiệt khí-khí với dòng khí khô sản phẩm, sau đó vào công đoạn làm lạnh bằng Propan. Trạng thái cân bằng được sử dụng để tính toán nhiệt độ điểm sương của dòng hơi sản phẩm ở 6000 kPa Mục đích Khi hoàn thành bài này, bạn có thể: - Cài đặt và lựa chọn loại thiết bị trao đổi nhiệt - Hiểu được các công cụ hỗ trợ tính toán trong hysys logical Balance (cân bằng) và Adjust (hiệu chỉnh) - Sử dụng thanh công cụ để thao tác trên case mô phỏng Yêu cầu Trước khi bắt đầu bài này bạn cần phải biết cách: - Tạo một Fluid Package - Thêm dòng - Thêm các thiết bị vận hành trong PFD Qui trình chung Xây dựng mô phỏng Xác định cơ sở mô phỏng (Simulation Basic) Trong case này sẽ sử dụng phương trình trạng thái Peng Robinson với thành phần sau N2, H2S, CO2, C1, C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5, C6, C7+* và H2O. Bắt đầu một case mới Nhập the Fluid Package, GasPlant, lưu trong module 1 Nhập dòng và thiết bị Nhập dòng nguyên liệu (feed stream) Nhập dòng nguyên liệu với các giá trị dưới đây: Trong ô này: Nhập giá trị sau: Name to Refrig Temperature 15oC (60oF) Pressure 6200 kPa (900 psia) Flow Rate 1440 kgmole/h (3175 lbmol/hr) Thành phần phần mol các cấu tử N2 0.0066 H2S 0.0003 CO2 0.0003 C1 0.7575 C2 0.1709 C3 0.0413 i-C4 0.0068 n-C4 0.0101 i-C5 0.0028 n-C5 0.0027 C6 0.0006 C7+ 0.0001 H2O 0 Nhập thiết bị tách (Separator) Có vài cách để đưa thiết bị vào sơ đồ. Để thực hiện, xem Adding Unit Operations to a Flowsheet, Module 2 Ấn phím nóng F12, chọn thiết bị mô phỏng cần thiết từ nhóm thiết bị sẵn có. Kích đúp vào biểu tượng thiết bị mô phỏng trong Object Palette Thêm thiết bị tách và nhập các thông tin sau vào các ô tương ứng Trong ô này: Nhập thông tin sau: Name Inlet Gas Sep Feed To Refrig Vapour Outlet Inlet Sep Vap Liquid Outlet Inlet Sep Liq Biểu tượng thiết bị trao đổi nhiệt Thêm thiết bị trao đổi nhiệt (heat exchanger) Thiết bị trao đổi nhiệt thực hiện tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng. Thiết bị trao đổi nhiệt có thể tính toán nhiệt độ, áp suất, dòng nhiệt (bao gồm có tổn thất và mất mát nhiệt), lưu lượng dòng vật chất và UA Kích đúp vào nút thiết bị trao đổi nhiệt trên Object Palette Trên Conections Page nhập các thông tin dưới đây Các dòng tới Tube Side và Shell Side có thể từ các Flowsheet khác nhau, vì vậy bạn có thể sử dụng Steam package cho side này và PR cho side kia của trao đổi nhiệt. Chuyển sang Parameters Page. Hoàn thành trang này như trong hình dưới đây. Sự chênh lệch áp suất giữa thành ống và lớp vỏ trong thực tế tương ứng là 5 psi và 1 psi Mô hình thiết bị trao đổi nhiệt xác định như sau: Weight (Phương pháp khối lượng): Các đường cong gia nhiệt bị cắt thành các khoảng nhỏ, trong đó có sự trao đổi năng lượng riêng biệt. LMTD và UA được tính toán cho mỗi khoảng trong đường cong nhiệt và tổng cộng sự trao đổi nhiệt UA toàn phần. Phương pháp khối lượng chỉ đúng cho loại thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng (Counter-Current). Endpoint : LMTD và UA được tính toán từ chế độ dòng vào, dòng ra. Trường hợp đơn giản, khi không có sự thay đổi pha và Cp gần bằng hằng số thì lựa chọn này là phù hợp. Vào Specs Page Trong trình tự tính toán thiết bị trao đổi nhiệt, các tham số chưa biết (lưu lượng dòng, nhiệt độ…) được điều khiển bằng chương trình tính. Mỗi tham số đặc trưng sẽ làm giảm số bậc tự do đi một. Số tham số đặc trưng phải bằng số biến chưa biết. Trong case số bậc tự do bằng 0 và sẽ được tính toán. Hai tham số đặc trưng cần cho thiết bị trao đổi nhiệt: - Cân bằng nhiệt bằng 0, đây là độ sai lệch của tham số đặc trưng đảm bảo cho phương trình cân bằng nhiệt. Đây là các tham số mặc định, luôn luôn có thể được thêm bởi Hysys vì vậy bạn không cần phải cung cấp chúng. - Giá trị nhỏ nhất xấp xỉ 5oC, đây là chênh lệch nhiệt độ thấp nhất giữa dòng nóng và dòng lạnh. Đầu tiên bạn cần bỏ kích hoạt tham số UA, để làm được điều này bạn cần kích vào Active, chọn hộp thoại cho tham số UA Thêm tham số, ấn nút Add, có bảng hiển thị các tham số Cung cấp các thông tin dưới đây: Trong ô này Nhập thông tin Name Temp Approach Type Min Approach Pass Overall Spec Value 5°C (10°F) Khi bạn thay đổi loại tham số, bảng thông báo sẽ thay đổi theo. Thông tin được cung cấp một lần, thông báo sẽ như sau: Lưu lượng của dòng khí tới bộ làm lạnh là bao nhiêu? Hoàn thành mô phỏng Thêm hai thiết bị vào sơ đồ khối để hoàn thành mô phỏng Thêm bộ làm lạnh (cooler), cung cấp các thông tin dưới đây Trong ô này Nhập thông tin Connections Name Chiller Feed Stream Gas to Chiller Product Stream Gas to LTS Energy Stream Chiller Q Parameters Pressure Drop 35 kPa (5 psia) Thêm thiết bị tách (seperator), với các thông tin dưới đây Trong ô này Nhập thông tin Connections Name LTS Feed Stream Gas to LTS Vapour Outlet LTS Vap Liquid Outlet LTS Liq Để tính toán thiết bị tách LTS yêu cầu cung cấp những thông tin gì? Nhiệt độ nguyên liệu LTS sẽ khác nhau, sử dụng công cụ (Adjust) hiệu chỉnh trong mục sau để tìm ra nhiệt độ điểm sương, giá trị nhiệt độ của dòng Gas to LTS là -20oC ( -4oF). Áp suất của Sales Gas là bao nhiêu? Nhiệt độ của Sales Gas là bao nhiêu? Thêm Balance (cân bằng) Tính toán cân bằng cung cấp mục tiêu chung của đặc trưng cân bằng nhiệt và vật chất. Có các loại cân bằng khác nhau trong Hysys. Mole - cân bằng tổng cộng được thực hiện khi lưu lượng dòng phân tử trong mỗi thành phần được bảo toàn. Dòng ra có lưu lượng và thành phần giống như dòng vào, nhưng không bao gồm thành phần hơi, giá trị nhiệt độ hoặc áp suất. Khối lượng (mass) - cân bằng tổng cộng thực hiện chỉ khi bảo toàn khối lượng dòng. Dòng ra sẽ không bao gồm thành phần, thành phần hơi, nhiệt độ, hoặc áp suất Nhiệt (heat) - cân bằng tổng cộng được thực hiện khi dòng nhiệt bảo toàn Mole và nhiệt (mole and heat) - cân bằng tổng cộng được thực hiện khi dòng nhiệt và dòng mole được bảo toàn Biểu tượng Balance Xem xét các tham số cho khí sản phẩm (Sales Gas). Các tham số dòng hơi đã được tính toán, vì vậy bạn không có cách nào có thể tính nhiệt độ điểm sương của dòng ở 6000 kPa. Thêm cân bằng mole, bạn có thể tạo ra dòng hơi thứ hai với lưu lượng mole và thành phần như Sales Gas nhưng không có cùng thành phần hơi, nhiệt độ hoặc áp suất 1. Kích đúp vào biểu tượng Balance trên Object Palette 2. Thêm các thông tin sau Balance sẽ không tính toán trừ khi Auto Calculation đã được chọn trong check box Trong ô này Nhập thông tin Connections Name Mole Inlet Stream Sales Gas Outlet Stream HC Dewpoint Auto Calculation On 3. Đặt giá trị áp suất ở 6000 kPa (875 psia) cho nhiệt độ điểm sương của hơi HC 4. Đặt thành phần hơi để tính nhiệt độ điểm sương Nhiệt độ điểm sương là gì? Nhiệt độ điểm sương yêu cầu là -15oC, nhiệt độ điểm sương hiện tại cao hơn hay thấp hơn? Giả sử áp suất cố định, thông số khác ảnh hưởng thế nào đến nhiệt độ điểm sương? Thay đổi nhiệt độ điểm sương như thế nào trong mô phỏng? Thêm Adjust (hiệu chỉnh) Biểu tượng Adjust Tính toán hiệu chỉnh là tính toán logic, tính toán toán học hơn là vật lý. Nó sẽ biến đổi giá trị các biến của một dòng hơi (biến độc lập), để đạt giá trị yêu cầu hoặc tham số (biến phụ thuộc) của dòng hơi khác hoặc thiết bị mô phỏng khác. 1. Kích đúp vào biểu tượng Adjust trên Object Palette, giao diện tính chất của Adjust sẽ được hiển thị Biến được hiệu chỉnh luôn luôn sử dụng các giá trị đã được người dùng nhập vào. 2. Bấm phím Select Var... trong nhóm Adjusted Variable để mở Variable Navigator. 3. Từ danh sách Object chọn Gas to LTS, từ danh sách Variable đang hiển thị trên giao diện chọn Temperature 4. Bấm OK để chấp nhận biến và trở lại giao diện của Adjust 5. Bấm phím Select Var…trong Target Variable 6. Chọn nhiệt độ điểm sương trong Target Variable 7. Nhập giá trị -15oC ( 5oF) trong hộp Specified Target Value 8. Hoàn thành Connections Tab được chỉ ra ở hình sau: 9. Chuyển sang Parameters Tab, và các tham số ở giá trị mặc định Chú ý các giá trị Tolerance và Step Size. Khi chọn khoảng tính thường sử dụng khoảng rộng hơn khoảng hẹp, như trong hình trên khoảng nhiệt độ sử dụng là 10oC. Phương pháp Secant thực hiện nhanh hơn, thường được sử dụng phổ biến. 10. Ấn phím Start để bắt đầu tính toán 11. Để xem kết quả tính của Adjust, vào Monitor Page Nhiệt độ đầu ra của bộ làm lạnh bằng bao nhiêu để đạt được nhiệt độ điểm sương đã cho? Lưu lại case mà bạn đã hoàn thành. Chuyển case thành template và lưu lại. Phân tích các kết quả Sau khi đã ghi template, bạn hãy đóng template lại và mở case đã được lưu lại và phân tích các kết quả nhận được. Sử dụng Case Study Thanh công cụ Case Study dẫn bạn tới mô hình tĩnh đáp ứng các thông số công nghệ quan trọng thay đổi trong quá trình. Bạn chọn một biến độc lập để thay đổi và các biến phụ thuộc khác. HYSYS tính toán đồng thời các biến phụ thuộc, với mỗi thay đổi, các biến phụ thuộc được tính toán. Thay cho việc sử dụng công cụ Adjust để tìm ra nhiệt độ nguyên liệu LTS cần thiết để đạt được nhiệt độ điểm sương của hydrocacbon, bạn có thể sử dụng Case Study để kiểm tra khoảng nhiệt độ của LTS và các nhiệt độ điểm sương Bất kỳ một thiết bị hoặc công cụ tính toán nào sẽ được loại khi chọn Ignore trong hộp thoại Trước khi cài đặt Case Study phải tắt Adjust để nó không xung đột với Case Study Mở bảng thông báo hiệu chỉnh Adjust Chọn Ignored trong hộp thoại Đóng bảng thông báo hiệu chỉnh Từ danh sách các thanh công cụ chọn Databook hoặc sử dụng phím nóng Ctrl+D để mở Databook Cả biến độc lập và biến phụ thuộc đều nhập vào Databook từ Variables Tab Trên Variables tab, bấm vào phím Insert để mở Variable Navigator Chọn Gas to LTS Temperature như biến đầu tiên Bấm phím Add để nhập thêm biến. Thao tác này sẽ rời trong Variable Navigator để thêm vào biến thứ hai Chọn HC Dewpoint Temperature và bấm phím Add Đóng bảng thông báo này để trở về Databook Trong mục Databook, chuyển tới Case Studies tab Bấm phím Add để thêm một Case Study mới Chọn Gas to LTS Temperature như một biến độc lập (Ind) HC Dewpoint Temperature như là biến phụ thuộc (Dep) 13. Bấm phím View để cài đặt Case Study 14. Nhập các giá trị cho Low Bound, High Bound, Step Size tương ứng với -25oC (-20oF), 5oC (10oF) và 5oC (10oF) 15. Bấm phím Start để bắt đầu tính toán Khoảng nhiệt độ nào sẽ thoả mãn giá trị nhiệt độ điểm sương của hydrocacbon? Như vậy Bạn đã hoàn thành với Case Study, tính toán bằng công cụ Adjust khi không chọn Ignored trong hộp thoại. Mô hình hóa nâng cao Kết nối chu trình làm lạnh Propan với nhà máy xử lý khí Bạn đã hoàn thành ví dụ về nhà máy làm lạnh khí, bạn có thể kết nối nó với chu trình làm lạnh Propan. Biểu tượng Sub- Flowsheet Công suất của bộ làm lạnh, Chiller Q trong nhà máy xử lý khí sẽ được kết nối với công suất của bộ làm lạnh Chill-Q trong chu trình làm lạnh Propan Kích đúp vào biểu tượng Sub- Flowsheet trên Object Palette Chọn phím Read an Existing Template Mở file Template lưu trong Module 2 C3Loop.tpl Trong nhóm Feed Connections to Sub-Flowsheet, nối External Stream, Chiller Q với Internal Stream Chill Q Khi hoàn thành việc kết nối, cả hai dòng (Internal và External) sẽ có chung một tên là dòng External Stream. Lưu lượng dòng propane trong Chu trình làm lạnh là bao nhiêu? Luyện tập với mô phỏng Bài tập 1 Giá trị UA cho thiết bị trao đổi nhiệt khí-khí là 2e5 kJ/°C.h. Tạo những thay đổi cần thiết với thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt của bạn để đạt được giá trị UA này. Nó ảnh hưởng thế nào đến LMTD và nhiệt độ gần đúng? Thực hành Trong xây dựng nhà máy làm lạnh khí và chu trình àm lạnh bằng Propan, bạn quyết định những việc làm đơn giản và thêm vào tính toán bộ làm lạnh đơn trong mô hình tĩnh của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống và vỏ, là những vấn đề thực tế trong nhà máy. Những bài tập đơn giản này là những việc sơ bộ ban đầu. Bây giờ, ông chủ của bạn muốn bạn thay thế bộ làm lạnh với thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống và vỏ. Nhớ rằng HYSYS sẽ giúp bạn kết nối các dòng từ Flowsheet khác tới thiết bị trao đổi nhiệt. Sử dụng chức năng này, bạn có thể tính toán giải quyết vấn đề này chỉ với một thiết bị trao đổi nhiệt trong nhà máy làm lạnh khí