Hôm nay, để kỷ niệm vừa mới thi CC xong. Mình quyết định post một bài về sử dụng pro/ii để thiết kế tháp chưng cất dựa trên một đề bài đồ án môn học mà thầy Nam đã ra trước đây (tuy nhiên có chỉnh sửa chút xíu [You must be registered and logged in to see this image.]). Đề bài này được phát biểu như sau: Thiết kế hệ thống tháp chưng cất mâm chóp để chưng cất hỗn hợp Benzene - Toluen có năng suất nhập liệu 0,5 m3/h; Nồng độ nhập liệu 40% mol bezene; Nồng độ sản phẩm đỉnh: 90% mol bezene; Nồng độ sản phẩm đáy: 10% mol bezene (cái này mình chỉnh sửa cho khác với đề (^_^)).
I/ Xác định số đĩa lý thuyết Bước 1: Nhập thông tin mô tả vấn đề [You must be registered and logged in to see this link.] Thông tin ở phần này thì mỗi người tự ghi, làm sao cho dễ nhớ và mô tả được vấn đề đang làm.
Bước 2: Nhập các cấu tử trong hệ [You must be registered and logged in to see this link.] Trong bài là: bezene và toluen.
Bước 3: Nhập mô hình nhiệt động [You must be registered and logged in to see this link.] Tùy thuộc vào từng bài toán cụ thể mà ta sẽ chọn mô hình nhiệt động thích hợp. Ở đây chọn mô hình NRTL để làm ví dụ.
Bước 4: Vẽ lưu đồ quá trình [You must be registered and logged in to see this link.] Ta sẽ tiến hành vẽ thiết bị shortcut (để phục vụ cho việc tính tóan số đĩa lý thuyết) và bổ sung các dòng (stream) vào lưu đồ như hình vẽ.
Bước 5: Nhập thông số cho dòng nhập liệu (tính chất của dòng nhập liệu) Tuần tự nhập các thông số cần thiết cho dòng nhập liệu như sau: [You must be registered and logged in to see this link.] Nhập các thông số nhiệt độ và áp suất
[You must be registered and logged in to see this link.] Nhập nồng độ và lưu lượng dòng nhập liệu
Bước 6: Nhập các thông số cho thiết bị shortcut [You must be registered and logged in to see this link.]
Bước 7: Chạy phân tích kết quả Sau khi đã nhập đầy đủ các dữ kiện cần thiết, ta nhấn vào nút run (mũi tên tam giác) để chương trình phân tích các dữ kiện vừa đưa vào. Nếu bài tóan hội tụ thì lưu đồ sẽ tòan màu xanh dương như hình sau: [You must be registered and logged in to see this link.]
Tương tự như vậy, ta thay đổi dữ kiện bài tóan để có được bảng sau: (Chọn cách này vì đây là phương pháp đơn giản và trong đồ án thường hay làm)
[You must be registered and logged in to see this link.] Vẽ đồ thị liên hệ giữa N(R 1) và R. Từ đó ta chọn ra tỷ số hồi lưu thích hợp ứng với N(R 1) --> min.
Theo đồ thị, ta chọn R/Rmin = 2. Và số đĩa lý thuyết tương ứng là 8 đĩa, vị trí mâm nhập liệu là mâm số 4.
II/ Tính tóan sơ bộ tháp chưng cất
[You must be registered and logged in to see this link.] Thay thế shortcut bằng thiết bị chưng cất như hình vẽ với số đĩa lý thuyết là 8 đĩa và vị trí mâm nhập liệu là 4.
[You must be registered and logged in to see this link.] Nhập ví trí đĩa nhập liệu vào và lượng sản phẩm đỉnh đi ra (dự đóan để làm giá trị khởi tạo ban đầu cho pro/ii tính tóan mà thôi)
[You must be registered and logged in to see this link.] Nhập các specification tương tự như trong thiết bị shortcut
Nhập đầy đủ các thông số còn thiếu của thiết bị chưng cất vào và bắt đầu chạy chương trình. Ta được các kết quả như sau:
DESIGN NUMBER ----- DOWNCOMER WIDTHS ------- SECTION TRAY DIAMETER NP OF VALVES SIDE CENTER OFF-CENTER NUMBER MM OR CAPS MM MM MM ------- ------ -------- -- --------- ------ ------- ---------- 1 4 610. 1 13 69.693 N/A N/A 2 5 762. 1 22 133.212 N/A N/A
TRAY SELECTION FOR TRAY RATING
BUBBLE CAP DIAMETER 101.6 MM BUBBLE CAP SPACING 25.4 MM
Như vậy là ta đã tính tóan lựa chọn đường kính tháp đoạn chưng và đoạn cất, số chóp trên một mâm, khỏang cách mâm, và nhiều thông số khác mà pro/ii tính tóan ra.
Tuy nhiên, để xác định vị trí đĩa nhập liệu tối ưu, ta đưa thêm công cụ optimizer vào mô hình để thực hiện việc tính tóan vị trí đĩa nhập liệu thích hợp sao cho nhiệt cung cấp cho nồi đun là thấp nhất.
[You must be registered and logged in to see this link.] Hình vẽ các thông số cần nhập vào cho optimizer Từ đó, chạy lại optimizer một lần nữa, ta sẽ có được vị trí đĩa nhập liệu tối ưu là: 5
Trích dẫn Optimizer 'OP1'
** BEST OBJECTIVE FUNCTION = 7.84142E-02 AT CYCLE NUMBER 4
VARY --------- VARIABLE ---------- INDEX INITIAL VALUE OPTIMUM VALUE ----- ------------- ------------- 1 4.00000E 00 4.98625E 00
III/ Bổ sung thiết bị hồi nhiệt và thiết bị gia nhiệt vào hệ thống Trong phần trước, ta đã xác định được vị trí mâm nhập liệu là mâm thứ 5 (từ trên đếm xuống). Vì vậy, trong lưu đồ ta thay đổi lại vị trí mâm nhập liệu. Dựa vào phân bố nhiệt độ trên mâm, ta có được nhiệt độ nhập liệu cần gia nhiệt là vào khoảng 95 - 96 độ C. Vẽ lưu đồ quy trình công nghệ như sau: [You must be registered and logged in to see this link.]
Ta xác định nhiệt độ đầu ra của thiết bị gia nhiệt là 96 độ C. Nhiệt độ của dòng sản phẩm đáy sau khi ra khỏi nhiệt độ là 70 độ C. Sau đó, chạy kết quả phân tích ta sẽ được lượng nhiệt cần thiết cung cấp cho thiết bị gia nhiệt và lượng nhiệt trao đổi trong thiết bị hồi nhiệt và các thông số khác về tính chất của dòng.
IV/ Tính tóan tối ưu quá trình Trong phần II, ta đã tính tóan vị trí đĩa nhập liệu dựa trên việc tối thiểu hóa chi phí nồi đun. Tuy nhiên, để quá trình thiết kế ra có tính kinh tế, đạt lợi nhuận cao, ta cần phải cân đối giữa chi phí cần tiêu hao cho quá trình và lợi nhuận thu được. Dựa vào đó, ta sẽ tính tóan tối ưu hóa quá trình với hàm mục tiêu là tối đa hóa lợi nhuận đạt được.
Trong ví dụ này, ta coi như lợi nhuận đạt được = Thu nhập từ việc bán các sản phẩm thu được - chi phí năng lượng (chi phí nồi đun).
Với: C1 = giá benzen = $4/gal. C2 = giá toluen = $3.62/gal. C3 = chi phí nồi đun = $10/kj năng lượng cung cấp
Như vậy: PROFIT = C1*P(1) C2*P(2) - C3*P(3)*3600/1000
Cách thiết lập các thông số cho caculator như sau: [You must be registered and logged in to see this link.] Thiết lập các parameter
[You must be registered and logged in to see this link.] Thiết lập các constant
Để kết hợp với công cụ optimizer, ta làm như sau: [You must be registered and logged in to see this link.]
Như vậy, ta đã thiết lập xong các thông số cần thiết cho quá trình tối ưu này. Bây giờ, chỉ còn một việc cuối cùng nữa là nhấn nút Run trên thanh toolbar để chương trình phân tích và cho ra kết quả. [You must be registered and logged in to see this link.]
Trích dẫn
UNIT 5, 'CA1', 'Tinh toan loi nhuan'
Result Name Value --------- ------------ ------------ 1 profit 4.93036E 02
Parameter Value Parameter Value --------- ------------ --------- ------------ 1 4.52708E 01 3 6.44009E-02 2 8.68153E 01
Optimizer 'OP1', 'Toi uu vi tri dia nhap lieu'
** BEST OBJECTIVE FUNCTION = 4.93024E 02 AT CYCLE NUMBER 1
VARY --------- VARIABLE ---------- INDEX INITIAL VALUE OPTIMUM VALUE ----- ------------- ------------- 1 5.00393E 00 5.00393E 00
---------------- CONSTRAINT ----------------- CNSTR MINIMUM MAXIMUM FINAL INDEX VALUE VALUE VALUE ----- ------------- ------------- ------------- 1 0.00000E 00 3.00000E-03 4.93024E 02 2 N/A 1.00000E-03 6.47531E-02
V/ Kết luận Như vậy, ta đã thực hiện qua một số bước trong công việc thiết kế tháp chưng cất. Có thể nói, nhờ các công cụ mô phỏng, công việc tính tóan cũng như tra các bảng tra sẽ giảm đi rất nhiều nhờ có cơ sở dữ liệu khá lớn mà pro/ii đã cung cấp cho chúng ta. Tuy nhiên, trong bài này cũng khá nhiều vấn đề chưa được giải quyết.
Vấn đề đầu tiên cần phải đề cập đến, đó là từ đầu đến cuối, ta chỉ thao tác trên số đĩa lý thuyết mà chưa đưa vào hiệu suất đĩa và chưa thao tác trên số đĩa thực. Phần này các bạn sinh viên tự tìm hiểu lấy một cách dễ dàng.
Vấn đề thứ hai là việc sử dụng công cụ shortcut. Cần phải đọc kỹ trong trường hợp nào thì có thể sử dụng shortcut để kết quả của mô phỏng phù hợp.
Vấn đề thứ ba là mô hình nhiệt động. Việc chọn mô hình nhiệt động có thể nói là quan trọng bậc nhất trong việc tính tóan mô phỏng quá trình. Để có thể lựa chọn mô hình nhiệt động phù hợp thì ta có thể tham khảo trong các tài liệu đi kèm của chương trình mô phỏng hoặc các tài liệu khác có liên quan.
Một vấn đề mà ta không thể tính tóan được thông qua pro/ii đó là tính tóan kết cầu thiết bị (bề dày thiết bị, kết cấu ống chảy truyền, ống nhập liệu,...) và đây lại là phần khá quan trọng trong đồ án môn học của sinh viên.
Mặc dù vậy, những gì được trình bày trên đây sẽ là những bước khởi đầu khá tốt cho việc tìm hiểu các chương trình mô phỏng và cách sử dụng chúng. Nếu có gì sai sót, mình cũng mong nhận được những góp ý từ phía các bạn để bổ sung, chỉnh sửa. Sửa lần cuối onalone Sửa vào2008/06/28 15:22
Tiêu đề: Thiết kế hệ thống tháp chưng cất bằng Pro/II 
Wed May 09, 2012 9:57 pm
