Phần mềm HYSYS là một công cụ mô phỏng hiệu quả các qui trình sản xuất. Chúng tôi đã ứng dụng phần mềm này để mô phỏng qui trình sản xuất ethyl acetate và khảo sát ảnh hưởng của các thông số nhiệt độ phản ứng, áp suất và lượng xúc tác đến qui trình sản xuất.

Từ các thùng chứa 1,2,3 định lượng các nguyên liệu vào thiết bị tiền phản ứng 4 với tỉ lệ mol là axit axetic : etanol : H₂SO₄ = 1 : 1.5 : 0.005. Sau khi hỗn hợp phản ứng đã đạt tới điểm cân bằng được bơm qua hình cao vị 5, hỗn hợp được chạy qua thiết bị làm nóng 6 trước khi đi vào tháp 7. Nhiệt độ đỉnh tháp duy trì ở 80 oC. Hơi cất ra khi đi qua thiết bị ngưng tụ 8 được dẫn vào tháp chưng cất 9, tại đỉnh tháp duy trì nhiệt độ sản phẩm cất là 70 oC. Sản phẩm sau khi đi qua thiết bị ngưng tụ 10 được trộn với nước trong thiết bị 11, sau đó tách pha trong thiết bị phân pha 12. Pha trên (là pha hữu cơ) có chứa khoảng 93% este và 2% ancol được dẫn tới tháp 13. Sản phẩm tách loại đỉnh tháp có nước và ancol. Sản phẩm đáy tháp được làm lạnh qua 15 thu được etyl axetat nồng độ 98-100% được chứa vào thùng chứa 16.

2. Các bước thực hiện mô phỏng

Bước 1: Khởi động phần mềm mô phỏng HYSYS.

Bước 2: Nhập các cấu tử trong quá trình mô phỏng: H₂O, acid sulfuric H₂SO₄, acid acetic, ethanol, ethyl acetate.

Bước 3: Lựa chọn hệ nhiệt động Fluids Package cho mô phỏng. Fluid Package được sử dụng để tính toán dòng và các tính chất nhiệt động của các cấu tử và hỗn hợp trong quá trình mô phỏng (ví dụ như enthalpy, entropy, tỷ trọng, cân bằng lỏng - hơi, …). Vì thế việc lựa chọn hệ nhiệt động phù hợp có ý nghĩa rất quan trọng, là cơ sở để tính toán mô phỏng cho kết quả đúng.

Bước 4: Khởi tạo dòng vật chất.

Bước 5: Khởi tạo các thiết bị: thiết bị trộn 1, thiết bị gia nhiệt, thiết bị phản ứng 1, thiết bị làm nguội, thiết bị phản ứng thứ 2, thiết bị chưng cất, thiết bị phân chia dòng 1, thiết bị trộn 2, thiết bị phân chia dòng 2.

Bước 6: Thay đổi thông số thiết bị chính đề tìm điều kiện vận hành tối ưu.

3. Kết quả mô phỏng quy trình sản xuất bằng phần mềm Hysys

Hình 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến suất lượng sản phẩm

Từ kết quả trên, xác định được nhiệt độ tối ưu cho thiết bị phản ứng chính là 102^oC. Nếu phản ứng ở nhiệt độ cao hơn thì suất lượng các dòng không thay đổi nhiều.

Hình 4. Ảnh hưởng của xúc tác đến suất lượng sản phẩm

Từ kết quả thu được ở trên có thể kết luận được lưu lượng chất xúc tác H₂SO₄ tối ưu cho thiết bị là 10 kgmole/h vì ở chế độ này dòng sản phẩm đỉnh đạt giá trị cao nhất và dòng lưu lượng ở sản phẩm đáy ít nhất.

Kết quả

Khi thay đổi các thông số phản ứng (nhiệt độ, áp suất và hàm lượng chất xúc tác) thì suất lượng sản phẩm của quá trình thay đổi rõ rệt. Tổng hợp các kết quả khảo sát trên mô hình mô phỏng rút ra được các thông số tối ưu để vận hành qui trình sản xuất ethyl acetate như sau:

Bảng 4. Thông số tối ưu của quá trình sản xuất ethyl acetate

 5. KẾT LUẬN

Tối ưu hóa các quá trình sản xuất là một việc làm thường xuyên và là bắt buộc của các  nhà máy. Tuy nhiên, vận hành trên quy trình thực sẽ tốn rất nhiều thời gian và chi phí. Do đó, việc ứng dụng phần mềm mô phỏng HYSYS để mô hình hóa và tối ưu hóa quy trình sản xuất sẽ giúp các nhà máy rút ngắn được thời gian và tiết kiệm chi phí trong quá trình xác định điều kiện vận hành tối ưu.