Mô phỏng công nghệ hóa học và dầu khí - Dynamic modeling

Nhóm Mô phỏng Công nghệ Hoá học và Dầu khí Trường Đại học Bách khoa Hà Nội DYNAMIC MODELING 3 – Pressure Flow Theory Workshop  Những giả thiết cơ bản của Dynamic Simulation trong HYSYS  Cách phân tích Flowsheet để đặt giá trị Pressure thích hợp  Khai báo những tham số Pressure - Flow phù hợp  Cách xử l{ Pressure - Flow Specs không phù hợp 2 Mục tiêu  Những khái niệm cơ bản của Dynamic Simulation trong HYSYS  Dynamic Pressure - Flow specifications  Flowsheets trong mô phỏng động 3 Cơ sở lý thuyết  Giải pháp Pressure-Flow: vấn đề giá trị dòng biên (Boundary Value Problem)  Những thay đổi áp suất hơi (vessels with hold-ups) bên trong Flowsheet.  Lực cản qua các van.  Độ dẫn dòng qua các thiết bị (cooler, heater, heat exchanger).  Pressure Nodes –Nút áp lực  Heater/Cooler  Heat Exchanger  Column có nhiều đĩa 4 Nguyên lý cơ bản  Cơ sở để thực hiện phân tích mô phỏng động trong HYSYS Vessel có hình dáng xác định → V xác định Về mặt toán học, điều đó có nghĩa: dV/dt = 0 (1)  Ở chế độ dynamic: dP/dt = f(V, F, T) (2) trong đó V: thể tích xác định F: thay đổi lưu lượng T: nhiệt độ (thay đổi enthalpy) 5 Nguyên lý cơ bản  Phương trình cân bằng lưu lượng thể tích trong bình chứa có thể được biểu diễn như sau: ∆VP + ∆VF + ∆VT = 0 (3) trong đó: ∆VP: biến thiên thể tích phụ thuộc áp suất ∆VF: biến thiên thể tích phụ thuộc lưu lượng ∆VT: biến thiên thể tích phụ thuộc nhiệt độ Tổng của ba đại lượng này phải luôn luôn bằng 0 6 Ví dụ  Xét hoạt động của một tháp tách ở chế độ dynamic, bắt đầu ở chế độ tĩnh với mức chất lỏng là 60%:  Steady State: Lưu lượng vào separator = Lưu lượng ra khỏi separator Không có sự thay đổi lượng chất lỏng trong bình chứa 7 60% Flow in Gas Flow Liquid Flow Ví dụ Dynamic Mode: Nếu dòng vào thay đổi trong khi dòng ra (khí và lỏng) không đổi → mức chất lỏng, nhiệt độ, và áp suất trong tháp thay đổi Tăng lượng chứa trong tháp: Lưu lượng vào – lưu lượng ra = lượng chứa (hold-up) Tăng áp suất: Lưu lượng hơi vào – lưu lượng hơi ra = lượng chứa Việc tăng mức chất lỏng → lượng hơi chiếm thể tích nhỏ hơn trong bình chứa → tăng áp suất 8 P – F của Valve  Trong một lưu trình bất kz, hoạt động của van mô tả lực cản dòng giữa hai dòng vật chất bằng phương trình dòng chảy rối: Fvalve = f(Cv, P1, P2) (4) trong đó: P1= áp suất dòng 1 (upstream pressure) P2= áp suất dòng 2 (downstream pressure) Cv= hệ số van, HYSYS sẽ tính toán giá trị này 9 Quan hệ P – F  Tổng quát hơn, lưu lượng dòng trong HYSYS Dynamics có liên quan đến delta P: phương trình dòng tương tự phương trình dòng chảy rối. trong đó: k = độ dẫn, (là hằng số, nghịch đảo của trở lực dòng chảy) ρ = khối lượng riêng của dòng vật chất ∆P = chênh lệch áp suất qua thiết bị 10 PkF   Quan hệ P – F  Khai báo Cv hoặc k, tốt hơn delta P cố định → mô phỏng gần với thực tế hơn: độ giảm áp qua van và các thiết bị có thể thay đổi theo lưu lượng dòng.  Cho phép giả lập mô hình mô phỏng động chính xác hơn gần với các điều kiện vận hành thực tế 11 Hệ thống P/F  Mô phỏng động toàn diện, phương trình áp suất lưu lượng phức tạp, bao gồm: Dòng nhiều pha với thế năng trượt giữa các pha. Thay đổi áp suất tại các nút là hàm của: • cấu hình thiết bị • mức chất lỏng trong bình chứa • enthanpy của các pha Lưu lượng dòng được xác định bởi: • gradient áp suất • chiều cao chảy tràn trong tháp (weir heights in column) • sự chênh lệch tỷ trọng của lưu thể 12 Giải pháp đồng thời cân bằng P-F 13 P1, P2, P3 áp suất tại các nút (Vessels with hold up) F1, F2, F3lưu lượng của các dòng Giải pháp đồng thời cân bằng P-F HYSYS Dynamics chia các phương trình mô tả hoạt động của thiết bị bất kz thành ba loại:  Quan hệ áp suất/lưu lượng  Quan hệ năng lượng  Quan hệ thành phần 14 Giải pháp đồng thời cân bằng P-F Có thể thay đổi theo một trong những cách sau đây:  Giảm bước tính toán tích hợp (step size): truy cập từ menu bar Simulation – Integrator.  Thay đổi tần suất tích hợp trên mỗi bước (thành phần và entanpy): truy cập từ menu bar Simulation – Integrator – Execution. 15 Phân tích bậc tự do 16 Tổng số có 7 biến sẽ xác định trong hệ Feed1 (pressure, flowrate – 2 biến) Product1 (pressure, flowrate – 2 biến) Product2 (pressure, flowrate – 2 biến) V-100 (pressure – 1 biến) Phân tích bậc tự do  Ngoài ra, có 4 phương trình mô tả mối quan hệ áp suất-lưu lượng trong Flowsheet: VLV-100: phtr trở lực dòng FVLV-100 = f(CV, P1, P2) VLV-101: phtr trở lực dòng FVLV-101 = f(CV, P1, P2) VLV-102: phtr trở lực dòng FVLV-102 = f(CV, P1, P2) V-100: Quan hệ nút áp lực dP/dt = f(V, F, T) Với 7 biến và 4 phương trình → DOF = 7 - 4 = 3 → cần khai báo 3 tham số P/F cho hệ 17 Thiết lập các tham số P/F  Lựa chọn các tham số P/F để tính toán cho lưu trình, bao gồm: Các tham số áp suất trong các dòng vật liệu Các tham số lưu lượng trong các dòng vật liệu Độ giảm áp không đổi qua các thiết bị Tính toán áp suất/lưu lượng cho valve – trở lực dòng (Cv) Tính toán độ dẫn k của các thiết bị trong lưu trình. Trong ví dụ này cần 3 tham số, xét 2 khả năng 18 Khả năng 1 19 Khai báo 3 tham số sau: Feed 1 Pressure Stream 1 Pressure VLV-100 Delta P PFeed1 – P1 – ∆PVLV-100 = 0 thừa 1 tham số Khả năng 2 20 Khai báo 3 tham số sau: Feed1 Pressure Product1 Pressure Product2 Pressure khai báo P cho tất cả các dòng biên phù hợp hơn Ghi nhớ  Phải khai báo tham số P/F cho mỗi dòng biên (feeds/products)  Khai báo tham số P cho dòng biên liên kết với các thiết bị của lưu trình → sử dụng biểu thức trở lực dòng/độ dẫn  HYSYS Dynamics sẽ sử dụng độ dẫn dòng của thiết bị hoặc giá trị Cv kết hợp với P của các dòng ra dòng vào để xác định lưu lượng qua thiết bị  Lưu lượng dòng bên trong sẽ được tính toán dựa trên gradients áp suất (các biểu thức trở lực dòng/độ dẫn dòng) trong lưu trình 21 Tóm tắt nguyên lý P/F  Dòng qua nhà máy hoặc thiết bị được truyền đi do chênh lệch P.  Nguyên l{ P/F xác định mối quan hệ giữa F và P.  Giải pháp P/F trong HYSYS thực hiện tính toán đồng thời một tập hợp các phương trình tuyến tính và phi tuyến để xác định mối quan hệ P/F.  Để giải pháp P/F thực hiện tính toán, phải thiết lập gradient áp suất trong toàn lưu trình.  Gradient áp suất tồn tại do mối quan hệ P-F (hoặc độ giảm áp) đã thiết lập trên tất cả các thiết bị trong lưu trình. 22 Tóm tắt nguyên lý P/F  Giải pháp P/F thực hiện tìm P từ F, tuân theo nguyên l{ P/F, hoặc giải phương trình nút áp lực.  Theo dõi bất kì F trong lưu trình, có thể thấy gradient P, hoặc chờ đợi gradient P được thiết lập theo dòng chảy. Nếu gradient P không xuất hiện, cần phải bổ sung tham số P.  Nếu tới dòng biên của lưu trình, thì sẽ nhận thấy tại chính vị trí đó gradient P không tồn tại và cũng không được thiết lập → tham số P (hoặc F) luôn luôn cần cho các dòng ngoài biên 23 Bài tập  Mở case FHT_Dyn.hsc.  Biến đổi Flowsheet trong Dynamics Mod, có thêm Cooler cho dòng ra của tháp tách pha, dòng vào Cooler là Sep Vap 1: Thêm Cooler và bỏ các tham số P/F. Tính toán trở lực dòng của Cooler. Giống như van, dòng qua Cooler được tính toán như một hàm của delta P.  Đặt tên file mới là Exercise.hsc 24