I. Tổng quan

I.1. Phần mềm Pro/II

Thiết kế mô phỏng là quá trình thiết kế với sự trợ giúp của máy tính với các phần mềmchuyên nghiệp

Mô phỏng là một công cụ cho phép người kỹ sư tiến hành công việc một cách hiệu quảhơn khi thiết kế một quá trình mới hoặc phân tích, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tớimột quá trình đang hoạt động trong thực tế.

Tốc độ của công cụ mô phỏng cho phép khảo sát nhiều trường hợp hơn trong cùng thờigian với độ chính xác cao hơn nếu so với tính toán bằng tay. Hơn nữa, chúng ta có thểtự động hóa quá trình tính toán các sơ đồ công nghệ để tránh việc phải thực hiện cácphép tính lặp không có cơ sở hoặc mò mẫm.

Phần mềm Pro/II là phần mềm tính toán chuyên dụng trong lĩnh vực công nghệ hóa nóichung, đặc biệt trong lĩnh vực lọc dầu, hóa dầu, polymer và hóa dược… Đây là phầnmềm tính toán rất chính xác các quá trình chưng cất. Pro/II là một sản phẩm củaSIMSCI-ESSCOR (trụ sở tại California, Mỹ) hình thành từ năm 1967 và được chínhthức sử dụng vào năm 1988. Đến nay Pro/II đã trở nên hoàn thiện với phiên bản mớinhất 9.2 (2013).

Pro/II vận hành theo các module liên tiếp, mỗi thiết bị được tính riêng rẽ và lần lượt tínhcho từng thiết bị. Phần mềm bao gồm các nguồn dữ liệu phong phú: thư viện các cấu tửhóa học, các phương pháp xác định tính chất nhiệt động, các kỹ xảo vận hành các thiếtbị hiện đại để cung cấp cho các kỹ sư công nghệ các kỹ năng biểu diễn tất cả các môhình mô phỏng. Pro/II là công cụ tính toán dễ dàng các cân bằng vật chất và năng lượng,nhằm mô phỏng quy trình ở trạng thái ổn định; theo dõi, tối ưu hóa, cải thiện năng suất…

Pro/II là công cụ mô phỏng tĩnh, được sử dụng nhằm hai mục đích chính:

Thiết kế một phân xưởng mới (Sizing) Mô phỏng một phân xưởng đã được xây dựng trong thực tế để nghiên cứu các

yếu tố ảnh hưởng đến sự vận hành của nó (Rating) như: thay đổi nguồn nguyênliệu, điều kiện vận hành hoặc tiêu chuẩn kỹ thuật của sản phẩm…

Phương trình NRTL:

NRTL là tên viết tắt của phương trình nhiệt động Non Random Two Liquid, được đềxuất bởi Renon và Prausnitz năm 1968 là một phần mở rộng của phương trình Wilsonban đầu. Nó sử dụng phương pháp thống kê và lý thuyết về vi phân chất lỏng để nghiêncứu về cấu trúc chất lỏng. Những khái niệm này kết hợp với mô hình của Wilson tạothành phương trình có khả năng tính toán các hệ số VLE, LLE và VLLE. Cũng như

phương trình Wilson, NRTL là mô hình nhiệt động lực học phù hợp và có thể tính toánbậc hoặc cao hơn nhờ sử dụng phương trình vi phân từ các số liệu cân bằng. Mô hìnhNRTL cũng tương đương như Wilson cho các hệ VLE.

Phương trình NRTL kết hợp những ưu điểm của Wilson và Van Laar. Quá trình tính toán rất nhanh. Có thể sử dụng cho hệ LLE phù hợp. Tuy nhiên do kết hợp nhiều công thức thực nghiệm nên có nhiều sai số xuất hiện

trong quá trình tính toán và NRTL phụ thuộc vào rất nhiều hẳng số gần đúng.

I.2. Khái quát quá trình chưng cất:

Chưng cất là quá trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu tử riêngbiệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ khác nhau ở cùng ápsuất). Khi chưng cất ta thu được nhiều sản phẩm, thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thuđược bấy nhiêu sản phẩm.

I.3. Nguyên liệu đầu vào:

I.3.1. Benzen (C6H6)

Là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm nhẹ. Benzen khôngphân cực, tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực nhưng tan rất ít trong nước.Benzen là một nguyên liệu rất quan trọng trong công nghiệp hóa chất, chúng thực hiệnphản ứng thế các nguyên tử Hydro bằng nguyên tố khác như các halogen, nhóm sulfo,amino, nitro và các nhóm định chức khác. Dẫn xuất thu được từ các phản ứng thay thếcó thể kể đến như chlorbenzen, hexchlorbenzne, phenol, aniline, nitrobenzen… là nhữngchất quan trọng trong công nghiệp sản xuất chất dẻo, thuốc nhuộm, bột giặt, dược phẩm,sợi nhân tạo, chất nổ, chất bảo vệ thực vật…

Công thức phân tử:

Khối lượng phân tử: 78,11 g/mol

Nhiệt độ sôi: 80,1oC

Nhiệt độ nóng chảy: 5,5oC

Khối lượng riêng ở (20oC): 0,8765 kg/m3

Nhiệt dung riêng: 136,0 J/K.mol

Độ nhớt (20oC): 0,652 cP

I.3.2.Toluen (C7H8)

Toluen là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng và có tính thơm, công thức phân tửtương tự như benzen có gắn thêm nhóm –CH3. Toluen không phân cực, tan tốt trongbenzen. Người ta cũng sử dụng toluen làm dung môi trong ngành sơn, mực in, cao su…nhưng độc tính thấp hơn benzen nên được ứng dụng nhiều hơn cả.

Công thức phân tử:

Khối lượng phân tử: 92,14 g/mol

Nhiệt độ sôi: 111oC

Nhiệt độ nóng chảy: -95oC

Khối lượng riêng ở (20oC): 0,87 kg/m3

Độ nhớt (20oC): 0,590 cP

I.3.3. Xylen (C8H10)

Xylen cũng là hợp chất có vòng thơm tương tự như benzen và toluen. Trong công thứchóa học, xylen có 2 nhóm thế -CH3 so với toluen do đó có 3 đồng phân là ortho, metavà para-xylen. Hỗn hợp 3 đồng phân của xylen (gọi chung là xylen) là chất lỏng, khôngmàu, tan trong dung môi phân cực, tan ít trong nước. Xylen được dùng làm dung môitrong nhiều ngành công nghiệp như sản xuất sơn, nhựa, thuốc trừ sâu, mực in, keo dán…

Cấu tạo phân tử:

CH3

CH3o-xylene

H3C CH3

m-xylene

CH3

H3C

p-xylene

Khối lượng phân tử hỗn hợp: 106,16 g/mol

Nhiệt độ sôi hỗn hợp: 138,5oC

Nhiệt độ nóng chảy hỗn hợp: -47,4oC

Khối lượng riêng hỗn hợp ở (20oC): 0,864 kg/m3

II. Phương pháp tiến hànhThực hiện mô phỏng tháp chưng cất để phân riêng hỗn hợp nhập liệu 1000kmol/h, có 40% mol BENZENE, 30% Toluen, 30% Xylene. Để cho ra sảnphẩm đỉnh có 99% benzene, 95% toluene. Sản phẩm đáy có 95% Xylene.

II.1. Vẽ sơ đồ các thiết bịVẽ sơ đồ các thiết bị cần sử dụng, tạo các dòng nhập liệu và sản phẩm từ PFD.

II.2. Chọn hệ đơn vị, hệ nhiệt động và khai báo cấu tửChọn hệ đơn vị METRIC từ cửa sổ Units of Measure.

Khai báo cấu tử cho hệ gồm Benzene, Toluene, Xylene từ cửa sổ ComponentSelection.

Chọn hệ nhiệt động NRTL từ cửa sổ Thermodynamic Data

II.3. Khai báo các thông số cho tháp chưng cấtTạo Shortcut cho tháp chưng thứ nhất từ PFD. Nhập các thông số dòng nhậpliệu gồm 40% mol Benzene, 30% mol Toluene, 30% mol mXylene. Thànhphần dòng sản phẩm đỉnh gồm 90% Benzene, sản phẩm đáy 10% Benzene.Tỷ số hoàn lưu R=2. Sẽ cho ra kết quả mâm lý thuyết = 10, nhập liệu mâm số8.Tạo tháp chưng cất thứ 1. Ở cửa sổ Feeds and Products, chọn suất lượng dòngsản phẩm đỉnh là 500 kmol/h hơi benzene, 300 kmol/h cho dòng sản phẩmđáy. Chọn mâm nhập liệu là 8.

Trong cửa sổ Specifications and Variables, nâng nồng độ Benzene ở dòng sảnphẩm đỉnh lên 99% mol, giảm nồng độ benzene ở dòng đáy xuống còn 1%mol. Chọn variables là Heat Duty.

Tạo Shorcut cho tháp chưng thứ 2 với dòng nhập liệu là dòng sản phẩm đáycủa tháp thứ nhất. Chọn tỷ số hoàn lưu R= 2, chọn nồng độ Toluene ở dòng

sản phẩm đỉnh là 95% mol, ở đáy là 5% mol. Kết quả cho ra 11 mâm lý thuyết,nhập liệu ở mâm số 6.Tạo tháp chưng cất thứ 2 như đã làm với tháp thứ 1. Ở cửa sổ Feeds andProducts, chọn suất lượng dòng sản phẩm đỉnh là 296 kmol/h hơi Toluene,300 kmol/h cho dòng sản phẩm đáy. Chọn mâm nhập liệu là 6.

Trong cửa sổ Specifications and Variables, chọn nồng độ Benzene ở dòng sảnphẩm đỉnh là 95% mol, nồng độ benzene ở dòng đáy 5% mol. Chọn variableslà Heat Duty.

Run cho kết quả như bảng sau:

II.4. Tạo calculator và OptimizerTạo Calculator. Nhập các biến trong tab Parameter như sau

Nhập giá tiền vào tab Constant

Khai báo các thông số trong tab Array và tab Stream sepuence như sau

Nhập công thức tính vào ô Procedure bằng tổng tiền sản phẩm trừ đi tiền chicho nhiệt lượng cấp cho reboiler và tiền nhập liệu.R(1)=C(1)*P(1)+C(2)*P(2)+C(3)*P(3)-C(4)*P(4)-C(5)*P(5)-C(6)*P(6)RETURN.RUN calulator cho ra kết quả lợi nhuận 2.166.102

Tạo Optimizer. Nhập các thông số như hình sau

RUN Optimizer được kết quả 1.89.103 giá trị lợi nhuận

Lợi nhuận sau khi dùng Optimizer là 1.89.103 lớn hơn lợi nhuận trước đó là2.1.102.