Session 3.3 Aspen Hysys - Unit Operation

Revise Cách thiết lập một quá trình mô phỏng? Tiến hành mô phỏng trên Aspen Hysys Basis Manager: component, FP, hypothetical, RXN,.. Simulation Enviroment: + Thêm dòng vật chất (tính toán flash, sử dụng utilities, in báo cáo stream và workbook)

Unit operation Steady state Unsteady state Physical Reactors (General, CSTR, PFR) Movers (Pump, Compressor, Expander, Valve) Mixer Splitter (Tee) Exchangers (Air Cooler, Heater/Cooler, Heat Exchanger, S&T LNG) Flash Drums (2-phase (VL), 3-phase (VLL)) Separators (Component Splitter, Distiller, Absorber, CycloneCyclone, Gas filterfilter, Extractor) Pipe segment Tank FurnaceF Air Cooler Logical Set Adjust Recycle Balance Spreadsheet PID Controller

Cách đưa các thiết bị vào trong PFD Phương pháp Thực hiện Sử dụng thanh menu Từ mục Flowsheet trên thanh menu, lựa chọn “Add Operation” Hoặc ấn F12. Cửa sổ “UnitOps” sẽ xuất hiện. Sử dụng Workbook Mở Workbook và chuyển đến mục “UnitOps”, sau đó kích vào nút “Add UnitOp”. Sử dụng bảng nổi Từ mục FlowSheet trên thanh menu, lựa chọn “Open Object Palette”, hoặc ấn F4. Kích đúp vào biểu tượng của thiết bị mà chúng ta muốn nhập. Sử dụng bảng nổi kết hợp với sơ đồ trên màn hình Sử dụng chuột phải, kéo và thả biểu tượng từ bảng nổi vào sơ đồ trên màn hình.

Cách đưa các thiết bị vào trong PFD Cách 1. Object Palette (F4) Cách 2. UnitOps (F12)

Kết nối dòng với các thiết bị Open unit operation window Choose stream to connect from Inlet and Outlet drop down menus Some unit operations require energy streams as well If the name of a stream that does not exist is entered manually, HYSYS will create that stream

3.3.1. Pumps Mục đích: để tăng áp suất của dòng lỏng vào. Tùy thuộc vào tham số được khai báo ban đầu sẽ tính toán nhiệt độ, áp suất chưa biết, hoặc công suất của bơm Mục tiêu: Thiết lập được bơm trong Hysys để mô phỏng các quá trình bơm Kết nối các dòng với thiết bị Xác định công suất của bơm và nhiệt độ dòng ra

Pumps - Nguyên lý tính toán Các tính toán được dựa trên phương trình chuẩn cho công suất, sử dụng độ tăng áp, tốc độ và cường độ dòng chảy: Trong đó: Pout = áp suất dòng ra Pin = áp suất dòng vào bơm Công suất cần thiết thực tế của máy bơm được xác định theo hiệu suất bơm: Khi hiệu suất nhỏ hơn 100%, năng lượng dư sẽ được dùng để tăng nhiệt độ của dòng ra.

Pumps - Nguyên lý tính toán Kết hợp những phương trình trên, sẽ được công suất cần thiết thực tế của máy bơm: Nếu như dòng nguyên liệu đã được xác định đầy đủ, chỉ cần cung cấp hai trong những biến sau để Pump có thể tính toán tất cả các biến chưa biết: Áp suất dòng ra hoặc sự giảm áp suất Hiệu suất Năng lượng bơm

Pumps - Design Pumps can be specified in two ways: ◦ If inlet and outlet streams connected to a pump are fully specified, then nothing needs to be specified in the pump unit operation ◦ If outlet pressure is not specified, then a pressure differential across the pump, or a duty must be specified

Pumps – Example Dòng Feed:

Pumps – Example Thiết lập pump với các thông số sau:

Pumps – Example Kết quả Chú ý rằng nếu như bạn không chọn ô On Pump Switch, trạng thái của dòng Feed sẽ được chuyển thẳng sang Outlet.

3.3.2. Compressor/Expander Mục đích: Máy nén (Compressor) là thiết bị dùng để tăng áp suất dòng khí vào. Phụ thuộc các thông tin được cho trước, máy nén sẽ tính toán các tính chất khác của dòng (như áp suất hay nhiệt độ) hoặc hiệu suất nén. Tuốc bin giãn nở khí (Expander) là thiết bị được sử dụng để làm giảm áp của dòng khí vào có áp suất cao để tạo ra dòng ra với áp suất thấp và vận tốc nhanh. Quá trình giãn nở bao gồm quá trình chuyển nội năng của khí sang động năng và cuối cùng là sang công có ích. Mục tiêu: Sau khi học xong người sử dụng có thể: Thao tác với Compressor/Expander trong Hysys để mô phỏng quá trình chế biến khí Xác định công suất của Compressor/Expander và nhiệt độ đầu ra của dòng

Compressor/Expander – Nguyên lý Đối với máy nén, hiệu suất đẳng entropy được tính bằng tỷ số của năng lượng đẳng entropy yêu cầu cho quá trình nén với năng lượng yêu cầu thực tế Power Requiredactual = Heat Flowoutlet – Heat Flowinlet Đối với thiết bị Expander, hiệu suất được cho là tỷ số của năng lượng thực tế được tạo ra trong quá trình giãn với năng lượng tạo ra trong một quá trình giãn đẳng entropy Power Producedactual = Heat Flowoutlet – Heat Flowinlet

Compressor/Expander – Nguyên lý Hiệu suất

Compressor/Expander – Các hướng giải quyết Không dùng đồ thị Dùng đồ thị Biết Flow rate và Inlet Pressure Khai báo Outlet Pressure Khai báo Adiabatic or Polytropic efficiency (Hiệu suất của chế độ Đoạn nhiệt hoặc Đa biến)  HYSYS sẽ tính toán được: Required Energy Outlet temperature Other efficiency Biết Flow rate và Inlet pressure Khai báo Operating speed HYSYS sử dụng biểu đồ Xác lập Efficiency Xác lập Head  HYSYS tính toán: outlet pressure, outlet temperature, applied duty Khai báo Efficiency and Duty (Hiệu suất và Năng suất)  HYSYS sẽ tính toán: Outlet pressure Biết Flow rate và efficiency HYSYS nội suy từ biểu đồ xác lập: operating speed head HYSYS tính toán: outlet pressure outlet temperature

Compressor/Expander – Design Mục Connection tương tự như với máy pump Parameters Page Nếu không sử dụng các đồ thị, cung cấp bốn trong số các biến số sau, và giá trị thứ 5 sẽ được tính toán, theo công suất: Nhiệt độ dòng vào Áp suất dòng vào Nhiệt độ dòng ra Áp suất dòng ra Hiệu suất

Compressor/Expander – Design Tab Rating Tab Rating bao gồm 4 trang: Đồ thị (Curves), Giới hạn dòng (Flow Limits), Nozzles, và Inertia. Curves Page Chọn hộp Enable Curves. Lựa chọn hiệu suất đoạn nhiệt hay đa biến, sử dụng phím tương ứng. Đây là cơ sở xác định giá trị hiệu suất dòng vào. Bấm vào phím Add Curve để vào giao diện Curve. Trên giao diện hiển thị Curve, bạn có thể nhập các điểm dữ kiện Flow, Head và %Efficiency, cũng như giá trị Speed cho một đồ thị đơn. Với mỗi đồ thị thêm vào, thao tác lại bước 3 và 4. Loại hiệu suất phải thống nhất với tất cả đồ thị đưa vào.

Compressor/Expander – Example Dòng nguyên liệu

Compressor/Expander – Example Thiết lập Máy nén Trên trang Parameter, xóa giá trị Adiabatic Efficiency mặc định. Cả hiệu suất đoạn nhiệt và đa biến nên để trống để tránh lỗi không đồng nhất hoặc cung cấp thừa đặc tính cho máy nén. Vào tab Rating, và mở trang Curves. Chắc chắn rằng phím đoạn nhiệt (Adiabatic) trong nhóm Efficiency đã được chọn. Chọn hộp Enable Curves, và bấm vào phím Add Curve. Hoàn thành thiết lập đồ thị như trong giao diện sau.

Compressor/Expander – Example Các điều kiện của dòng ra có thể được xem ở tab Performance của bảng hiển thị tính chất Compressor và được biểu diễn như ở bảng dưới đây:

3.3.3. Heater and Cooler Là thiết bị trao đổi nhiệt một chiều. Dòng vào được làm lạnh hoặc gia nhiệt để đạt được điều kiện yêu cầu dòng ra. Dòng năng lượng hấp thụ (hoặc cung cấp) do chênh lệch Enthalpy giữa hai dòng. Công cụ mô phỏng này hữu ích khi chỉ quan tâm tới dòng năng lượng yêu cầu bao nhiêu để làm lạnh hoặc gia nhiệt dòng quá trình, mà không quan tâm đến điều kiện khác. Biểu tượng Cooler Biểu tượng Heater

Heater and Cooler – Nguyên lý Cooler và Heater sử dụng cùng một phương trình cơ sở. Sự khác nhau theo quy ước về dấu. Xác định rõ dòng năng lượng tuyệt đối của các dòng và Hysys sẽ thêm các giá trị sau: - Với Cooler, Enthalpy và dòng nhiệt năng bị trừ từ dòng vào: Heat Flowinlet - Dutycooler = Heat Flowoutlet - Với Heater, dòng nhiệt năng được cộng vào: Heat Flowinlet + Dutycooler = Heat Flowoutlet

Heater and Cooler – Design Like pumps, heaters and coolers can be specified in two ways ◦ If both the inlet and outlet streams are fully specified, then nothing needs to be specified in the pump unit operation ◦ If the outlet stream is underspecified, then the heater or cooler can be solved by specifying the pressure differential and/or the duty

Heater and Cooler – Example Worksheet [Conditions] Temperature 60.0000 F Pressure 600.0000 psi Molar Flow 100.0000 lbmole/hr [Composition] Nitrogen 0.0149 CO2 0.0020 Methane 0.9122 Ethane 0.0496 Propane 0.0148 i-Butane 0.0026 n-Butane i-Pentane 0.0010 n-Pentane 0.0006 n-Hexane 0.0001 n-Heptane n-Octane Một dòng khí cần làm lạnh từ nhiệt độ 60ºF tới –105ºF với độ giảm áp suất 15 psi. Property Package Components Peng Robinson Nitrogen, Carbon Dioxide, C1, C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5, n-C6, n-C7, n-C8

Heater and Cooler – Example Kết quả

3.3.4. Shortcut distillation Mục đích: xác định nhanh số đĩa lý thuyết tối ưu ứng với tỷ số hồi lưu của tháp

Shortcut distillation Cấu tử (Component) Mole Fraction Ethylene 0.0002 Ethane Propene 0.5734 Propane 0.0246 i-Butane 0.0051 i-Butene 0.0489 1-Butene 0.0235 13-Butadiene 0.1295 n-Butane 0.0032 cis2-Butene 0.0061 tr2-Butene 0.0072 n-Pentane 0.031 n-Hexane 0.028 n-Octane 0.0255 Toluene 0.0936 Dòng nguyên liệu được thêm vào với số liệu sau Tên dòng (Name) Feed Temperature (oC) 83.3 Pressure (bar) 24 Flowrate (kg/h) 24000

Shortcut distillation Trên Connections page của design tab nhập đầy đủ các thông tin cho dòng được kết nối với thiết bị:

Shortcut distillation Trên Parameters page của design tab nhập đầy đủ các thông số hoạt động của tháp:

Shortcut distillation Sau khi nhập đầy đủ số liệu, Hysys sẽ tính toán, kết quả tính toán được hiện thị trên Performance tab.

Shortcut distillation Số liệu khảo sát thể hiện dưới dạng bảng:

Shortcut distillation Số liệu khảo sát thể hiện dưới dạng đồ thị:

Shortcut distillation Đồ thị thu được khi xử lý số liệu thu được từ Hysys. + Chỉ số hồi lưu là 1.75 + Số đĩa lý thuyết tối ưu là 28 đĩa + Đĩa nạp liệu tối ưu: đĩa số 4

Others Modules Mixers/Tees Recycle operations Splitters

Task 3.3 Nhóm Đọc và dịch tài liệu 3.3.2. HYSYS styrene Inductive Đọc thêm tài liệu SSModel Nhóm Đọc và dịch tài liệu 3.3.2. HYSYS styrene Inductive Hạn nộp:

Learning outcome in Session 3.3 Thành thạo các thao tác với Hysys Cách thêm một số các Unit để phục vụ cho các bài toán (đưa các thông số, kết nối với dòng,..) Hiểu được mục đích, cách thức hoạt động của một số các thiết bị. Ôn lại kiến thức của môn thiết bị phản ứng và môn Thiết bị trong công nghệ Lọc dầu