NGUYỄN THỊ MINH HIỀN

MÔ PHỎNG

CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

Nhóm Mô phỏng Công nghệ Hóa học và Dầu khí

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

`

LỜI GIỚI THIỆU

Trong lĩnh vực công nghệ hoá học hiện nay có rất nhiều phần mềm mô

phỏng của các công ty phần mềm được phát triển và sử dụng rộng rãi trong

thiết kế công nghệ, như: PRO/II, DYNSIM (Simsci); HYSIM, HYSYS, HTFS,

STX/ACX, BDK (AspenTech); UNISIM (Honeywell-UOP); PROSIM,

TSWEET (Bryan Research & Engineering); Design II (Winsim); IDEAS

Simulation; Simulator 42,…, trong đó phổ biến nhất là PRO/II, DYNSIM

(Simsci), HYSYS (AspenTech) và UNISIM (Honeywell-UOP).

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ hoá học trong thế kỷ 21, đòi hỏi mỗi

kỹ sư công nghệ cần phải hiểu và sử dụng thành thạo ít nhất một trong số các

phần mềm mô phỏng phổ biến trên.

Các phần mềm mô phỏng đều có cơ sở nhiệt động học rất vững chắc và

đầy đủ, khả năng thiết kế linh hoạt, cùng với mức độ chính xác và tính thiết

thực của các hệ nhiệt động cho phép thực hiện các mô hình tính toán rất gần với

thực tế công nghệ. Các công cụ mô phỏng công nghệ rất mạnh phục vụ cho

nghiên cứu tính toán thiết kế công nghệ của các kỹ sư trên cơ sở hiểu biết về

các quá trình công nghệ hoá học, đáp ứng các yêu cầu công nghệ nền tảng cơ

bản cho mô hình hoá và mô phỏng các quá trình công nghệ từ khai thác tới chế

biến trong các nhà máy xử lý khí và nhà máy làm lạnh sâu, cho đến các quá

trình công nghệ lọc hoá dầu và công nghệ hoá học.

Ở mức độ cơ bản, việc hiểu biết và lựa chọn đúng các công cụ mô phỏng

và các cấu tử cần thiết, cho phép mô hình hoá và mô phỏng các quá trình công

nghệ một cách phù hợp và tin cậy. Điều quan trọng nhất là phải hiểu biết sâu

sắc quá trình công nghệ trước khi bắt đầu thực hiện mô phỏng, bởi vì mô phỏng

chỉ cung cấp các công cụ phục vụ cho mô phỏng tính toán công nghệ, mà không

thể suy nghĩ thay cho các kỹ sư.

Trong số đó UNISIM và HYSYS là các phần mềm mô phỏng công nghệ

hóa học đang được sử dụng rộng rãi trong các trường đại học công nghệ. Quyển

sách này sẽ giới thiệu cho sinh viên lần đầu tiên sử dụng UNISIM và có ít hoặc

chưa có kinh nghiệm mô phỏng trên máy tính, và cung là giáo trình dành cho

sinh viên năm thứ ba của các trường đại học công nghệ, đồng thời quyển sách

có thể sử dụng như một chỉ dân cho các khóa học cao hơn trong công nghệ hóa

học, khi đó UNISIM như một công cụ mô phỏng để giải quyết các vấn đề công

nghệ. Hơn nữa có thể sử dụng quyển sách này đồng thời cho cả sinh viên và kỹ

sư thực hành, như một tài liệu hướng dân hay một quyển sổ tay cho các khóa

học UNISIM.

Phần mềm UNISIM chạy trong môi trường Windows có giao diện thân

thiện với người sử dụng. UNISIM cung giống như tất cả các phần mềm khác

luôn luôn có sự phát triển phiên bản mới, tuy nhiên phần cơ bản hầu như không

thay đổi từ phiên bản này đến phiên bản khác, quyển sách này hướng dân sử

dụng UNISIM DESIGN, được công ty Honeywell-UOP cung cấp có bản quyền

tại phòng thí nghiệm Công nghệ Lọc Hoá dầu và Vật liệu xúc tác trường Đại

học Bách khoa Hà Nội. Sau khi cài đặt người sử dụng chỉ cần có hiểu biết cơ

bản về máy tính là có thể sử dụng được. UNISIM là chương trình mô phỏng rất

phức tạp và vì thế trong một cuốn sách không thể đề cập đến tất cả các vấn đề.

Quyển sách này đặt trọng tâm vào phần cơ bản của UNISIM, nhằm giúp cho

những sinh viên lần đầu tiên làm quen với mô phỏng có thể nắm bắt được và

dần dần sử dụng thành thạo trong tính toán thiết kế công nghệ.

Trong phạm vi quyển sách này sẽ nghiên cứu tìm hiểu các thiết bị được mô

phỏng trong UNISIM, sử dụng các công cụ của UNISIM để mô phỏng một số

quá trình công nghệ hoá học đơn giản, nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số

công nghệ đến chất lượng sản phẩm. Chương 7 sẽ đưa ra các ứng dụng mô

phỏng trong đó vận dụng các kiến thức đã được cung cấp trong các chương

trước đó để mô phỏng một số quá trình công nghệ hoá học từ đơn giản đến

phức tạp. Vì vậy đòi hỏi người sử dụng phải học nghiêm túc và thực hành thành

thạo toàn bộ các chương trước thì mới có thể làm được các bài ứng dụng trong

chương này, và khi đó sẽ thấy hết sức thú vị và hiệu quả.

Đặc biệt năm 2012 các sinh viên K52 ngành Công nghệ Hoá Dầu đã tham

gia cuộc thi “Sử dụng phần mềm UNISIM Design thiết kế mô phỏng công

nghệ” do Honeywell tổ chức hàng năm cho sinh viên Châu Á - Thái Bình

Dương, đã đạt giải nhất và một giải nhì.

Các sinh viên năm cuối chuyên ngành Công nghệ Hữu cơ Hoá Dầu, trường

Đại học Bách khoa Hà Nội - các trợ giảng - tham gia rất nhiệt tình, làm việc rất

nghiêm túc và có hiệu quả đã góp phần rất quan trọng để tài liệu này có thể

hoàn thành.

Giáo trình này được biên soạn lần đầu nên không tránh khỏi thiếu sót, rất

mong nhận được sự góp ý của những người sử dụng để sửa chữa bổ sung cho

những lần tái bản sau được tốt hơn. Xin chân thành cảm ơn.

Tác giả

1

MỤC LỤC

Chương 1. GIỚI THIỆU VỀ MÔ PHỎNG ...................................... 3

1.1 Mục đích của mô phỏng .................................................................... 3

1.2 Giới thiệu các phần mềm mô phỏng công nghệ hóa học ..................... 5

1.3 Phần mềm mô phỏng UNISIM DESIGN ........................................... 6

Chương 2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI ............................... 27

2.1 Phương trình trạng thái – Các biểu thức toán học............................. 28

2.2 Thực hiện mô phỏng ....................................................................... 28

2.3 Nhập thêm biến trong Workbook ..................................................... 31

2.4 Sử dụng Case Studies ...................................................................... 34

2.5 Thay đổi Fluid Package ................................................................... 37

2.6 Tóm tắt và ôn tập chương 2 ............................................................. 37

2.7 Bài tập ............................................................................................ 38

Chương 3. CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ ......................................... 39

3.1 Bơm ................................................................................................ 40

3.2 Máy nén .......................................................................................... 45

3.3 Tuốc bin giãn nở khí (Expander) ..................................................... 51

3.4 Thiết bị trao đổi nhiệt ...................................................................... 55

3.5 Tháp tách pha ................................................................................. 58

3.6 Cyclon ............................................................................................ 64

3.7 Ejector ............................................................................................ 68

3.8 Tóm tắt và ôn tập chương 3 ............................................................. 85

3.9 Bài tập nâng cao.............................................................................. 86

Chương 4. CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ...................................... 87

4.1 Thiết bị phản ứng chuyển hoá ......................................................... 88

4.2 Thiết bị phản ứng cân bằng ............................................................. 96

4.3 Thiết bị phản ứng Gibbs ................................................................ 106

4.4 Thiết bị phản ứng khuấy liên tục (CSTR) ...................................... 112

4.5 Thiết bị phản ứng dòng đẩy (PFR)................................................. 127

2

Chương 5. CÁC CÔNG CỤ TÍNH TOÁN .................................. 136

5.1 Công cụ logic Adjust ..................................................................... 137

5.2 Công cụ logic Set .......................................................................... 140

5.3 Công cụ logic Recycle ................................................................... 144

5.4 Tính toán thông số tháp chưng bằng Shortcut Distillation .............. 147

5.5 Phân chia dòng các cấu tử bằng Component Splitter ...................... 150

5.6 Bảng tính (Spreadsheet) ................................................................ 153

5.7 Tối ưu hoá (Optimizer) .................................................................. 161

5.8 Tóm tắt và ôn tập chương 5 ........................................................... 184

Chương 6. CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÁCH .................................. 186

6.1 Tháp hấp thụ ................................................................................. 187

6.2 Tháp chưng luyện ......................................................................... 196

Chương 7. MÔ PHỎNG MỘT SỐ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC .............................................................. 215

7.1 Quá trình dehydro hoá n-Heptan sản xuất Toluen .......................... 216

7.2 Quá trình hydroclo hoá etylen ....................................................... 218

7.3 Quá trình oxi hoá Etylen ............................................................... 221

7.4 Quá trình chưng tách hỗn hợp hydrocacbon nhẹ ............................ 223

7.5 Quá trình tổng hợp Ethylene Glycol (EG) từ Ethylene ................... 224

7.6 Quá trình tổng hợp Maleic Anhydride (MA) từ Benzene ............... 225

7.7 Quá trình tổng hợp Styrene từ Ethyl Benzene (EB) ........................ 227

7.8 Quá trình tổng hợp Amoniac ......................................................... 228

7.9 Quá trình cô đặc dung dịch ............................................................ 229

PFD Chương 7 ........................................................................................ 231

GIẢI NGHĨA MỘT SỐ CỤM TỪ TIẾNG ANH TRONG MÔ PHỎNG ................................................................................ 236

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................. 238

3

Chương 1. GIỚI THIỆU VỀ MÔ PHỎNG

1.1 Mục đích của mô phỏng

Mô phỏng – Simulation là phương pháp mô hình hoá dựa trên việc thiết

lập mô hình số, vì vậy còn được gọi là Digital Simulation. Đây là một công cụ

rất mạnh để giải các biểu thức toán học mô tả các quá trình công nghệ hoá học.

Để mô phỏng một quá trình trong thực tế đòi hỏi trước hết phải thiết lập mô

hình nguyên lý của quá trình và mối liên hệ giữa các thông số liên quan. Tiếp

đó là sử dụng các công cụ toán học để mô tả mô hình nguyên lý, lựa chọn các

thuật toán cần thiết. Cuối cùng là tiến hành xử lý các biểu thức với các điều

kiện ràng buộc.

Trong thực tế việc tính toán gặp hai khó khăn. Thứ nhất đó là giải hệ các

phương trình đại số phi tuyến (thường phải sử dụng phương pháp tính lặp). Thứ

hai là phép tính tích phân của các biểu thức vi phân (sử dụng các biểu thức vi

phân hữu hạn rời rạc để xấp xỉ các biểu thức vi phân liên tục). Các mô hình

toán học rất hữu ích trong tất cả các giai đoạn, từ nghiên cứu triển khai đến cải

tiến phát triển nhà máy, và ngay cả trong nghiên cứu các khía cạnh thương mại

và kinh tế của quá trình công nghệ.

Trong nghiên cứu công nghệ, dựa trên các số liệu nghiên cứu về cơ chế và

động học của phản ứng trong phòng thí nghiệm hoặc các phân xưởng pilot,

đánh giá ảnh hưởng của các điều kiện tiến hành quá trình để nghiên cứu tối ưu hoá

và điều khiển quá trình, bao gồm cả nghiên cứu tính toán mở rộng quy mô sản

xuất (scale-up).

Trong nghiên cứu thiết kế, tính toán kích thước và các thông số của thiết bị

và toàn bộ dây chuyền công nghệ, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố động học,

nghiên cứu tương tác ảnh hưởng lân nhau của các công đoạn trong công nghệ

khi có sự tuần hoàn nguyên liệu hoặc trao đổi nhiệt tận dụng tối ưu nhiệt của

quá trình. Mô phỏng tính toán điều khiển quá trình, khởi động, dừng nhà máy,

xử lý các sự cố và các tính huống xảy ra trong quá trình vận hành nhà máy.

Một quá trình công nghệ hoá học trong thực tế là một tập hợp gồm rất

nhiều yếu tố hết sức phức tạp có ảnh hưởng lân nhau (các thông số công nghệ

như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng dòng, thành phần hỗn hợp phản ứng, xúc tác,

các quá trình phản ứng song song và nối tiếp, hiệu ứng nhiệt của phản ứng, cân

bằng pha trong hệ thống,…). Độ phức tạp của quá trình tăng lên, đồng nghĩa

với số lượng các thông số liên quan, các biến số, các phương trình, các biểu

thức toán học, các điều kiện ràng buộc tăng lên. Giải quyết đồng thời các vấn

đề trên đòi hỏi một khối lượng tính toán cực kỳ lớn, việc tính toán bằng tay đòi

hỏi rất nhiều thời gian và hầu như là không thể thực hiện được một cách chính

xác và tin cậy.

4

Ngày nay với sự phát triển của công nghệ phần mềm tin học, sự ra đời của

các phần mềm mô phỏng, việc nghiên cứu tính toán thiết kế công nghệ bằng

phương pháp mô phỏng đang ngày càng phát triển, đã trở nên phổ biến và

chiếm ưu thế. Mô phỏng công nghệ bằng các phần mềm mô phỏng với sự trợ

giúp của máy vi tính là giải pháp hiệu quả, toàn diện và cho kết quả tin cậy.

Trong ngành công nghệ hoá học, mô phỏng đóng vai trò vô cùng quan

trọng trong việc nghiên cứu thiết kế công nghệ, phân tích, vận hành và tối ưu

hoá hệ thống, điều khiển các quá trình công nghệ gần với các quá trình trong

thực tế, và cả trong các nghiên cứu tính toán tối ưu hoá về mặt kinh tế của quá

trình công nghệ.

Chương trình mô phỏng nói chung bao gồm các thành phần sau:

Thư viện cơ sở dữ liệu (các hệ nhiệt động, các cấu tử bao gồm các tính

chất vật lý và hoá lý của chúng,…) và các thuật toán liên quan đến việc

truy cập và tính toán các tính chất hoá lý của các cấu tử và hỗn hợp cấu

tử, thiết lập các cấu tử giả. Có thể bổ sung các cấu tử, hoặc thay đổi các

hệ đơn vị trong chương trình đáp ứng yêu cầu của người sử dụng.

Các công cụ mô phỏng cho các thiết bị có thể có trong hệ thống công

nghệ hoá học như: bơm, máy nén, tuốcbin giãn nở khí, thiết bị trao đổi

nhiệt, tháp tách hai pha và ba pha, chưng cất, hấp thụ, trộn dòng, chia

dòng… Phần này có chứa các mô hình toán và thuật toán phục vụ cho

quá trình tính toán các thông số của thiết bị và các thông số công nghệ

của quá trình công nghệ được mô phỏng.

Các công cụ logic phục vụ cho việc tính toán tuần hoàn nguyên liệu,

thiết lập các thông số công nghệ, điều chỉnh các thông số theo yêu cầu

công nghệ, tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng, tính

toán cân bằng pha,…

Các công cụ mô phỏng các quá trình điều khiển (điều khiển nhiệt độ,

điều khiển áp suất, điều khiển lưu lượng dòng, điều khiển mức chất

lỏng...) trong quá trình vận hành quy trình công nghệ hoá học.

Chương trình điều hành chung toàn bộ hoạt động của các công cụ mô

phỏng và ngân hàng dữ liệu.

Chương trình xử lý thông tin: lưu trữ, xuất, nhập, in… dữ liệu và kết

quả tính toán được từ quá trình mô phỏng.

Hỗ trợ việc kết nối giữa các chương trình mô phỏng khác nhau, kết nối

với các module xây dựng các thiết bị đặc biệt do người sử dụng tạo ra

bằng các ngôn ngữ lập trình như Visual Basic, Visual C++, …

5

1.2 Giới thiệu các phần mềm mô phỏng công nghệ hóa học

Mô phỏng các quá trình công nghệ hóa học và công nghệ chế biến dầu khí,

công nghệ tổng hợp hữu cơ hóa dầu có thể được thực hiện bằng nhiều phần

mềm mô phỏng khác nhau. Trong đó phổ biến nhất là PRO/II, DYNSIM

(Simsci-Esscor), ASPEN HYSYS, ASPEN PLUS (AspenTech) và UNISIM

DESIGN (Honeywell-UOP).

Năm 1966 công ty phần mềm Simulation Science có trụ sở tại Los Angeles

(Mỹ) đã đưa ra phần mềm mô phỏng tháp chưng luyện đầu tiên, mang tên

PROCESS là tiền thân của phần mềm PROII sau này. Ngày nay công ty đã phát

triển mạnh mẽ, Invensys Systems’ SimSci-Esscor division (gọi tắt là SimSci),

đã trở thành một trong ba công ty cung cấp phần mềm mô phỏng công nghệ

mạnh nhất trên thế giới, với các phần mềm mô phỏng công nghệ rất phổ biến là

PROII và DYNSYM.

Năm 1969 công ty ChemShare có trụ sở chính tại Houston (Mỹ) đã đưa ra

phần mềm DESIGN, được tiếp tục phát triển thành DESIGN II và WINSIM,

ứng dụng trong lĩnh vực dầu khí. Sự phát triển của các ngành công nghiệp lọc

dầu và hoá dầu đã thức đẩy sự ra đời của các gói phần mềm mô phỏng công

nghệ mới.

Trong những năm 1970-80 được coi là thời kỳ hoàng kim của máy tính,

ngôn ngữ lập trình FORTRAN trở thành phổ biến, nhiều phần mềm mô phỏng

công nghệ đã ra đời trong giai đoạn này.

Năm 1976 Vụ Năng lượng của Mỹ (US Dept. of Energy) và trường Đại học

MIT danh tiếng đã cùng tham gia “Dự án Hệ thống nâng cấp các quá trình công

nghệ” (Advanced System for Process Engineering (ASPEN) Project), sau này

được đổi tên thành ASPEN PLUS (ASPEN Tech).

Cung trong năm 1976 công ty Hyprotech được thành lập, có trụ sở chính

tại Calgary, Canada, là công ty con của tập đoàn AEA Technology. Hyprotech

là công ty chuyên phát triển và cung cấp các phần mềm mô phỏng và tối ưu hóa

ứng dụng trong các ngành công nghiệp hoá chất, dược phẩm và dầu khí.

Hyprotech đã cung cấp các sản phẩm của mình cho 14 trong số 15 công ty dầu

khí lớn nhất thế giới, 13 trong số 14 công ty hóa chất hàng đầu, 8 trong số 10

công ty dược phẩm hàng đầu, tất cả các công ty xử lý không khí hàng đầu thế

giới. Trong năm tài chính 2002, Hyprotech có doanh thu khoảng $ 68.500.000.

Năm 1981, công ty AspenPlus được thành lập trên cơ sở dự án ASPEN, có

trụ sở tại Cambridge, Massachusetts (Mỹ) là một công ty chuyên cung cấp phần

mềm và các dịch vụ liên quan như tư vấn, bảo trì và đào tạo. Tháng 10 năm

2002, AspenPlus hoàn thành giao dịch mua lại công ty Hyprotech từ AEA, và

6

từ đó đổi tên thành AspenTech. AspenTech phát triển một loạt các sản phẩm

phần mềm, bao gồm cả phần mềm mô phỏng công nghệ cung cấp bản quyền

cho 46 trong tổng số 50 công ty hóa chất lớn nhất thế giới, 23 trong số 25 công

ty dầu khí lớn nhất, 18 trong số 20 công ty dược phẩm lớn nhất thế giới. Trong

năm tài chính 2003, công ty AspenTech có tổng doanh thu $ 323.000.000.

Năm 1982 đánh dấu sự ra đời của máy tính cá nhân (PC). Cung trong năm

này công ty ChemStations đã phát triển phần mềm ChemCAD, có ứng dụng

rộng rãi trong lĩnh vực hoá học.

Tháng 12 năm 2004, công ty Honeywell hoàn thành giao dịch mua lại sản

phẩm Hysys bản quyền từ công ty AspenTech bao gồm cả mã nguồn và cơ sở dữ

liệu, và phát triển phần mềm của mình với tên gọi là UniSim Design. Phiên bản

đầu tiên là UniSim Design R350 được công bố vào tháng 5 năm 2005. Đến năm

2006, Honeywell đã nâng cấp và cho ra đời phiên bản UniSim Design R360, có

một số cải tiến liên quan đến các quá trình vận chuyển và xử lý vật liệu dạng rắn.

Những phiên bản đầu tiên này có hỗ trợ đọc các case mô phỏng bằng Hysys. Đồng

thời có thể ghi lại các case mô phỏng theo định dạng của Hysys 2004.2 trở về

trước. Điều đó cho phép có thể thực hiện chuyển đổi giữa hai phần mềm Hysys và

Unisim Design. Các tính năng vận chuyển và xử lý vật liệu dạng rắn tiếp tục được

nâng cấp trong phiên bản UniSim Design R370 ra đời tháng 3 năm 2007.

Honeywell tiếp tục đầu tư vào phần mềm mô phỏng công nghệ UniSim, sử

dụng cả hai đội ngu nhân viên phát triển có kinh nghiệm từ AspenTech và của

Honeywell có hiểu biết sâu sắc các quá trình công nghệ. Đến cuối năm 2012

phiên bản UniSim Design R410 đã được nâng cấp thêm nhiều tính năng hỗ trợ cho

mô phỏng công nghệ. Với phiên bản này có thể lưu lại case mô phỏng theo định

dạng của Unisim hoặc Hysys, thuận tiện cho người sử dụng có thể làm việc tiếp tục

bằng phần mềm Unisim hoặc Hysys

1.3 Phần mềm mô phỏng UNISIM DESIGN

UNISIM DESIGN là sản phẩm của công ty Honeywell-UOP. UNISIM là

phần mềm chuyên dụng để tính toán mô phỏng công nghệ chế biến dầu khí và

công nghệ hoá học. UNISIM là phần mềm có khả năng tính toán đa dạng, cho

kết quả có độ chính xác cao, đồng thời cung cấp nhiều thuật toán sử dụng, trợ

giúp trong quá trình tính toán công nghệ, khảo sát các thông số trong quá trình

thiết kế và điều khiển các nhà máy chế biến dầu khí và tổng hợp hoá dầu.

Ngoài thư viện có sẵn, UNISIM cho phép người sử dụng tạo các thư viện

riêng hoặc cho phép liên kết với các chương trình tính toán hoặc các phần mềm

khác như Microsoft Visual Basic, Microsoft Excel, Visio, C++, Java… Khả năng

7

nổi bật của UNISIM là tự động tính toán các thông số còn lại nếu thiết lập đủ

thông tin do đó sẽ tránh được sai sót và có thể thay đổi các điều kiện cung như

sử dụng các dữ liệu đầu vào khác nhau.

UNISIM được thiết kế sử dụng cho hai trạng thái mô phỏng là mô phỏng

động và mô phỏng tĩnh. Mô phỏng tĩnh (Steady Mode) được sử dụng để nghiên

cứu thiết kế công nghệ cho một quá trình, tối ưu hoá các điều kiện công nghệ.

Với mỗi một bộ số liệu ban đầu, mỗi điều kiện công nghệ xác định khi quá trình

tính toán hội tụ, kết quả thu được tương ứng với các điều kiện đó, không thay

đổi theo thời gian. Khi thay đổi các điều kiện ban đầu hay các chế độ công nghệ

khác nhau thì sẽ thu được các kết quả khác nhau tương ứng. Từ đó có thể xác

định được các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình và mức độ ảnh hưởng của từng

yếu tố. Bằng việc so sánh các kết quả đó sẽ lựa chọn và thiết lập được điều kiện

tối ưu cho một quá trình nào đó. Mô phỏng tĩnh được sử dụng để nghiên cứu

thiết kế một quá trình công nghệ mới hoặc tính toán cải tiến, phát triển mở rộng

quy mô một quá trình công nghệ sẵn có, đưa ra các phương án khác nhau để so

sánh đánh giá nhằm tìm ra giải pháp tối ưu.

Mô phỏng động (Dynamic Mode) dùng để mô phỏng thiết bị hay quá trình

ở trạng thái đang vận hành liên tục có các thông số thay đổi theo thời gian,

khảo sát sự thay đổi các đáp ứng của hệ thống theo sự thay đổi của một vài

thông số công nghệ. Trạng thái mô phỏng động cho thấy sự ảnh hưởng của các

thông số công nghệ theo thời gian và có thể thiết lập cung như khắc phục các sự

cố có thể xảy ra khi vận hành công nghệ trên thực tế, tìm ra các nguyên nhân và

biện pháp giải quyết các sự cố đó. Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng

trong đào tạo các kỹ sư vận hành, hiểu biết tường tận về công nghệ, thành thạo

và có kinh nghiệm trước khi tham gia vận hành nhà máy thực tế, trong điều

kiện hiện nay các nhà máy hoá chất và dầu khí với kỹ thuật hiện đại, vận hành

ở chế độ tự động hoá rất cao.

Sử dụng UNISIM giúp giảm chi phí cho quá trình công nghệ do có thể tối

ưu các thiết bị trong dây chuyền mà vân đảm bảo được yêu cầu về chất lượng

sản phẩm. UNISIM cho phép tính toán vấn đề tận dụng nhiệt, tối ưu được vấn

đề năng lượng trong quá trình sản xuất, tuần hoàn nguyên liệu nhằm tăng hiệu

suất của quá trình. UNISIM có một thư viện mở các thiết bị, các cấu tử và cung

cấp phương tiện để liên kết với các cơ sở dữ liệu khác, cho phép mở rộng phạm

vi chương trình và rất gần với thực tế công nghệ.

UNISIM có một số lượng lớn các công cụ mô phỏng, hỗ trợ hiệu quả trong

nghiên cứu mô phỏng, với giao diện thân thiện và dễ sử dụng, đặc biệt với

những người bắt đầu làm quen với chương trình mô phỏng.

8

Trình tự thực hiện mô phỏng theo các bước sau đây:

1. Xây dựng cơ sở mô phỏng:

Nhập các cấu tử trong thành phần nguyên liệu.

Lựa chọn hệ nhiệt động phù hợp.

Khởi tạo các phản ứng.

2. Xây dựng lưu trình PFD:

Khai báo các thông số và thành phần của dòng nguyên liệu.

Xây dựng sơ đồ công nghệ với các thiết bị cần thiết.

Cung cấp đầy đủ các thông số công nghệ cần thiết cho thiết bị.

3. Chạy chương trình mô phỏng:

Đọc kết quả.

Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ.

1. Bắt đầu với UNISIM

Khởi động UNISIM bằng cách bấm vào biểu tượng của UNISIM, trên màn

hình máy tính sẽ xuất hiện giao diện như trong hình 1.1. Trước khi thực hiện

mô phỏng, UNISIM cần phải biến đổi giao diện ban đầu này. Tại đây sẽ thực

hiện lựa chọn các cấu tử cần thiết và hệ nhiệt động phù hợp cho mô phỏng.

Hình 1.1. Giao diện mở đầu xuất hiện khi khởi động UNISIM

9

2. Quản lý cơ sở mô phỏng

UNISIM sử dụng khái niệm hệ nhiệt động (Fluid Package) bao gồm tất cả

các thông tin cần thiết để tính toán các tính chất vật lý và cân bằng pha của hỗn

hợp nhiều cấu tử. Cách tiếp cận này cho phép xác định tất cả các thông tin (các

tính chất nhiệt động, các cấu tử, các cấu tử giả định, các hệ số tương tác bậc

hai, các phản ứng hoá học, các số liệu dạng bảng,…) bên trong một gói.

Có bốn ưu điểm chính của cách tiếp cận này:

Tất cả thông tin kết nối được xác định tại một nơi cho phép tạo ra hay

sửa đổi các thông tin một cách dễ dàng.

Hệ nhiệt động có thể được lưu lại sau khi xác định và có thể sử dụng cho

các mô phỏng khác khi cần đến.

Danh sách các cấu tử trong hỗn hợp được lưu trữ riêng bên ngoài hệ

nhiệt động nên có thể sử dụng được cho các bài toán mô phỏng khác khi

cần đến.

Có thể sử dụng nhiều hệ nhiệt động trong cùng một chương trình mô

phỏng. Tuy nhiên các hệ nhiệt động này cùng được xác định trong Basis

Manager.

Simulation Basis Manager là giao diện thuộc tính cho phép thiết lập và

điều khiển nhiều hệ nhiệt động hoặc danh sách các cấu tử trong hỗn hợp sử

dụng trong mô phỏng.

3. Bắt đầu mô phỏng

Sử dụng một trong ba cách sau để bắt đầu một bài mô phỏng mới: chọn

File/new/case, hoặc sử dụng phím tắt Ctrl+N, hoặc bấm vào biểu tượng new

case trên thanh công cụ.

Khi đó giao diện Simulation Basis Manager sẽ xuất hiện (hình 1.2). Trong

giao diện này có các tab. Thường sử dụng các tab sau:

Components tab sử dụng khi nhập các cấu tử

Fluid Pkgs tab sử dụng khi chọn Hệ Nhiệt động (Fluid Package)

Hypotheticals sử dụng khi thiết lập các cấu tử giả định

Oil Manager sử dụng khi thiết lập các cấu tử cho dầu thô

Reactions tab sử dụng khi thiết lập các phản ứng hoá học

10

Hình 1.2. Giao diện Simulation Basis Manager

4. Nhập các cấu tử

Bước đầu tiên khởi tạo cơ sở mô phỏng là nhập các cấu tử (đơn chất và

hợp chất) sẽ có mặt trong chương trình mô phỏng. Trình tự tiến hành như sau:

1. Để nhập các cấu tử cho mô phỏng bấm vào phím Add trong giao diện

Simulation Basis Manager (hình 1.2).

2. Sau khi bấm phím Add sẽ xuất hiện danh sách tất cả các cấu tử có trong

thư viện của UNISIM (hình 1.3).

3. Chọn các cấu tử cần thiết cho chương trình mô phỏng từ danh sách. Có

thể tìm các cấu tử trong danh sách bằng một trong ba cách sau đây: chọn

ô Sim Name, hoặc chọn ô Full Name, hoặc chọn ô Formula.

Menu chính Thanh công cụ

Các tab

11

Hình 1.3. Giao diện Component List

4. Nhập tên hoặc công thức cần tìm vào ô Match phía trên. Ví dụ khi chọn

ô Sim Name và nhập tên water vào ô Match, sẽ nhìn thấy dòng tương

ứng với water được đánh dấu. Nếu không tìm thấy, có thể thử sử dụng

tên khác hoặc thử tìm bằng các ô Full Name hoặc Formula.

5. Khi đã chọn được công thức thích hợp, nhắp đúp vào chất vừa chọn hoặc

bấm vào phím Add Pure để nhập chất đó vào danh sách các cấu tử đã

chọn Selected Components.

6. Ở phía dưới giao diện này có ô Name, có thể đặt tên cho danh sách các

cấu tử vừa chọn.

7. Khi đã hoàn thành các bước trên, đóng cửa sổ này lại, sẽ trở lại giao diện

Simulation Basis Manager.

Sau khi đã nhập các cấu tử cần thiết vào danh sách, lưu vào một thư mục

xác định trước khi tiếp tục quá trình mô phỏng. Chọn File/Save as và chọn thư

mục thích hợp, không lưu vào thư mục mặc định xuất hiện.

5. Lựa chọn Hệ nhiệt động (Fluids Package)

Sau khi nhập các cấu tử cho mô phỏng, tiếp theo là lựa chọn Hệ Nhiệt

động (Fluid 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

12

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.

1. Tại giao diện Simulation Basis Manager (hình 1.2), chọn Fluid Pkgs

tab, sẽ hiển thị cửa sổ như trên hình 1.4.

Hình 1.4. Giao diện Fluid Package

2. Bấm vào phím Add sẽ hiển thị cửa sổ như trong hình 1.5 để chọn một

fluid pkgs phù hợp. Trong bảng Property Package Selection bao gồm các

hệ nhiệt động có trong UNISIM. Bên cạnh bảng này là các phím chọn

các loại hệ nhiệt động được chia thành 6 nhóm: Các phương trình trạng

thái (EOSs), các mô hình tính toán khác nhau. Tuỳ thuộc vào thành phần,

tính chất của hỗn hợp và các thông số công nghệ mà lựa chọn hệ nhiệt

động phù hợp.

3. Từ danh sách Fluid Package chọn hệ nhiệt động phù hợp. Danh sách các

Fluid Package có thể được rút gọn bằng cách có chọn lọc nhờ các bộ lọc

phía bên phải danh sách (ví dụ như EOS, activity model, ...).

4. Khi đã chọn được hệ nhiệt động phù hợp, nhắp đơn chuột vào (không

cần nhắp đúp). Ví dụ trong hình 1.5, đã lựa chọn phương trình trạng thái

Peng-Robinson.

13

5. Có thể đặt tên cho fluid package vào cửa sổ nhỏ Name phía dưới giao

diện. Ví dụ trong hình 1.5 tên của fluid package là Basis-1.

6. Sau khi kết thúc bấm vào dấu X màu đỏ ở góc trên bên phải để đóng giao

diện này lại.

Hình 1.5. Giao diện Fluid Package

6. Các mô hình nhiệt động

Trong UNISIM có các loại mô hình nhiệt động khác nhau:

EOS: bao gồm các phương trình trạng thái áp dụng chủ yếu cho hệ

hydrocacbon, không phân cực hoặc phân cực yếu. Trong tính toán thiết kế

công nghệ chế biến dầu, khí và hoá dầu phương trình trạng thái Peng-

Robinson nói chung được ứng dụng phổ biến, cho phép nhận được kết quả

chính xác đáng tin cậy trong một khoảng rộng các thông số công nghệ. Để

biết chi tiết hơn có thể đọc thêm trong tài liệu hướng dân sử dụng UNISIM

(UNISIM Simulation Basic Manual).

Activity Models: bao gồm các mô hình Chien Null, Extended NRTL,

General NRTL, Margules, Chao Seader, Grayson Streed áp dụng với các

hệ chất lỏng không lý tưởng.

14

Chao Seader và Grayson Streed Models là các phương pháp bán thực

nghiệm. Mô hình Grayson Streed là mở rộng của Mô hình Chao Seader

khi có mặt hydrogen. Những số liệu tính toán cân bằng từ các biểu thức

của các phương pháp này được sử dụng trong Aspen HYSYS. Phương

pháp Lee-Kesler được sử dụng để tính toán entanpy và entropy của pha

lỏng và pha hơi.

Vapour Pressure Models: bao gồm các mô hình Antoine, Braun K10,

Esso Tabular, sử dụng cho các hỗn hợp khí lý tưởng ở áp suất thấp như

hỗn hợp các hydrocacbon nhẹ, hỗn hợp keton và rượu trong đó pha lỏng

gần lý tưởng.

Miscellaneous Types: bao gồm các mô hình đặc biệt, khác với các mô

hình nêu trên, ví dụ như Amine Pkg được ứng dụng trong tính toán mô

phỏng các nhà máy làm ngọt khí bằng amin, ASME Steam được ứng

dụng trong tính toán hơi nước.

Các hệ nhiệt động có trong UNISIM cho phép dự đoán được tính chất của

các hỗn hợp từ hệ các hydrocacbon nhẹ tới hỗn hợp của các loại dầu phức tạp,

và hệ các hợp chất có hoặc không điện ly. UNISIM cung cấp các phương trình

trạng thái (PR hay PRSV) cho các quá trình xử lý hỗn hợp hydrocacbon, các

mô hình bán thực nghiệm và áp suất hơi của các hệ hydrocacbon nặng, các hiệu

chỉnh hơi nước cho các dự đoán chính xác về tính chất của hơi nước, và các mô

hình hệ số hoạt độ của các hệ hóa học. Tất cả các phương trình đều có giới hạn

phạm vi ứng dụng, vì vậy cần xem xét phạm vi ứng dụng phù hợp của mỗi

phương trình với các hệ gần giống nhau.

Lựa chọn mô hình nhiệt động phù hợp rất quan trọng, quyết định đến kết

quả tính toán của toàn bộ quá trình. Đây là một thủ tục đầu tiên để bắt đầu thực

hiện mô phỏng. Tuỳ thuộc vào thành phần và tính chất hỗn hợp cấu tử, điều

kiện công nghệ (nhiệt độ, áp suất,…) có thể áp dụng những mô hình nhiệt động

khác nhau để nhận được kết quả tính toán phù hợp với thực tế công nghệ.

Năm 1999, hai tác giả Elliott và Lira đã đề xuất sơ đồ hình cây như mô tả

trên hình 1.6 dưới đây (BIP – Binary Interaction Parameters) để lựa chọn hệ

nhiệt đồng cần thiết.