Mô phỏng trong công nghiệp hóa học - TS Nguyễn Thị Minh Hiền

Tài liệu hướng dẫn cơ bản phần mềm Unisim/Hysys vào mô phỏng trong công nghiệp hóa học được dịch bởi Tiến Sĩ Nguyễn Thị Minh HiềnNgày nay mô phỏng có vai trò rất quan trọng trong hóa học đã trở thành xu thế phát triển tất yếu. Trước nhu cầu sử dụng các phần mềm mô phỏng trong thiết kế các quá trình công nghệ hóa học và dầu khí ngày càng phổ biến, một trang Web hướng dẫn mô phỏng ra đời sẽ tạo điều kiện để các sinh viên, kỹ sư trong ngành công nghệ hóa học và công nghệ dầu khí tiếp cận với những kiến thức quý báu từ các giáo sư đang giảng dạy trong các trường đại học công nghệ và những chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực mô phỏng.BKSIM ra đời với sự cộng tác của các kỹ sư Công nghệ Hóa Dầu, kỹ sư Công nghệ Thông tin tốt nghiệp từ trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và các sinh viên năm cuối chuyên ngành Công nghệ Hữu cơ- Hoá Dầu. Hy vọng BKSIM không chỉ là nơi chia sẻ kiến thức mà còn là nơi để các bạn thể hiện sự sáng tạo của bản thân để góp một chút sức lực vào công cuộc phát triển đất nước.Mời các bạn ghé thăm trang web của chúng tôi tại địa chỉ http://www.bksim.vn

Trang 3

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

Trang 5

`

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 cũng 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 dẫn cho các khóa học cao hơn trong công nghệ hóa

Trang 6

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 dẫn 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 cũng 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 dẫn 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

Trang 7

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

3.9 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

Trang 8

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

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

Trang 9

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 lẫn 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 lẫn 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

Trang 10

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++, …

Trang 11

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)

Cũng 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

Trang 12

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) Cũng 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 ngũ 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

Trang 13

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 cũng 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 cũng 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 vẫn 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

Trang 14

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

Trang 15

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

Trang 16

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

Các tab

Trang 17

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

Trang 18

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

Trang 19

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 dẫn 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

Trang 20

 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

Trang 21

Phân loại các cấu tử có trong hệ:

khí, chất không phân cực, ngưng tụ,

solvat hóa, điện ly

Thử chọn NRTL, Pitzer, hoặc Bromley

Thử NRTL, UNIQUAC, FH, Winson, Van Laar Biết BIP?

Polimers?

P > 10 bars?

Thử UNIFAC, nếu có thể, giả định BIP của các cấu tử thiếu

Thử chọn SAFT, ESD

Thử Henry’s Law

Thử ESD, SAFT, MHW2, Wong-Sandler

Đúng

Đúng Sai

Sai

Sai Đúng

Đúng

Đúng Sai

Sai

Hình 1.6 Sơ đồ lựa chọn mô hình nhiệt động

Trang 22

Bảng 1.1 đưa ra danh sách một vài hệ tiêu biểu và những phương pháp tính toán sử dụng hệ nhiệt động phù hợp có thể áp dụng

Bảng 1.1 Danh sách một số hệ tiêu biểu và Hệ nhiệt động phù hợp

Hệ tiêu biểu Hệ nhiệt động phù hợp được

Sấy bằng TEG có mặt các hợp chất thơm PR

Các hệ hydrocacbon trong đó độ tan của

nước trong các hydrocacbon là quan

PR = Peng-Robinson; PRSV = Peng-Robinson Stryjek-Vera;; GS = Grayson Streed;

ZJ = Zudkevitch Joffee; CS = Chao Seader; NRTL = Non Random Two Liquid; MBWR = Modified Benedict Webb Rubin

Trang 23

7 Vào môi trường mô phỏng

Sau khi đã hoàn thành các bước chuẩn bị cần thiết để bắt đầu chương trình

mô phỏng trong giao diện Simulation Basis Manager như trong các mục 1.3, 1.4 và 1.5 ở trên, bấm vào phím Enter Simulation Environment ở bên phải

phía dưới giao diện hoặc bấm vào biểu tượng trên thanh công cụ để vào môi trường mô phỏng như mô tả trên hình 1.7

Hình 1.7 Enter Simulation Environment

a Thao tác trong lưu trình mô phỏng

Khi vào môi trường mô phỏng, sẽ thấy giao diện như hình 1.8 dưới đây Trước khi bắt đầu quá trình xây dựng lưu trình mô phỏng cần chú ý vài đặc điểm của cửa sổ mô phỏng:

 UNISIM khác với phần lớn các gói mô phỏng khác, sẽ thực hiện tính

toán lưu trình (flowsheet) sau mỗi bước nhập hay thay đổi thông số của lưu trình (flowsheet) Đặc điểm này có thể dừng khi bấm vào biểu tượng

hình Khi đó UNISIM sẽ không tính toán và sẽ không đưa ra kết quả Để

tiếp tục quá trình tính toán, phải bấm vào biểu tượng Solver Active (phím

đèn xanh ), chương trình mô phỏng bắt đầu hoạt động trở lại

 Không giống với một số quá trình mô phỏng khác, UNISIM có khả năng tính toán xuôi dòng và ngược dòng Vì vậy cần đặc biệt chú ý khai báo

Trang 24

các tham số cho lưu trình (flowsheet) phải đảm bảo rằng các thông tin

cung cấp cho UNISIM không mâu thuẫn với nhau Nếu không sẽ bị lỗi và UNISIM sẽ không thể tính toán được

Hình 1.8 Giao diện Simulation Environment

b Trở lại giao diện cơ sở mô phỏng

Khi phải thay đổi cơ sở mô phỏng, cần phải quay lại giao diện Simulation

cụ phía trên màn hình

c Nhỡ tay đóng lưu trình PFD

Đôi khi nhỡ tay bấm nhầm vào biểu tượng X màu đỏ góc trên bên phải giao

diện Để trở lại lưu trình chỉ cần bấm vào Tools trên thanh menu chính, chọn

PDFs trong danh sách thả xuống, chọn Case, sau đó bấm vào phím View, hoặc

bấm vào phím PFD trên thanh công cụ

d Bảng các công cụ mô phỏng

Trong hình 1.9 có thể nhìn thấy bảng có chứa các công cụ phục vụ cho việc

xây dựng lưu trình mô phỏng PFD, gọi là Object Palette, nằm dọc phía bên phải màn hình Nếu vì lí do nào đó không nhìn thấy Object Palette, thì có thể đưa ra màn hình bằng cách bấm vào Flowsheet trên thanh menu chính, trong danh sách thả xuống chọn Palette, hoặc có thể bấm phím nóng F4 Từ các công

cụ trong bảng này có thể nhập dòng hoặc các công cụ mô phỏng khác cho lưu trình PFD

Trang 25

Hình 1.9 Giao diện PFD với Object Palette

8 Khởi tạo dòng vật chất

Các dòng vật chất trong PFD được mô phỏng bằng Material Stream Một

dòng vật chất được khởi tạo trong lưu trình bằng một trong ba cách sau:

 Bấm vào biểu tượng mũi tên màu xanh trong Object Palette

 Chọn Flowsheet trên menu chính và chọn Add Stream trong danh sách

 Bấm vào phím nóng F11

Hình 1.10 Khởi tạo dòng vật chất trong PFD

Trang 26

Khi sử dụng một trong các phương pháp trên, có thể khởi tạo dòng vật chất (mũi tên màu xanh) vào lưu trình mô phỏng như mô tả trên hình 1.10 UNISIM mặc định tên của dòng theo số thứ tự tăng dần (ví dụ, dòng đầu tiên sẽ

tự động được đặt tên là “1”) Tên của dòng có thể thay đổi bất cứ khi nào cần

a Khai báo các tham số của dòng

Để khai báo các tham số cho dòng vật chất, nhắp đúp chuột vào dòng (mũi tên màu xanh nhạt) để hiện ra cửa sổ như hình 1.11 Trong cửa sổ này người

sử dụng sẽ khai báo các tham số cho dòng Nếu là dòng nguyên liệu thì cần có

bốn tham số Trong môi trường UNISIM dòng nguyên liệu luôn có bốn bậc tự

do Điều đó có nghĩa là phải cung cấp đầy đủ bốn thông tin yêu cầu để UNISIM

có thể thực hiện tính toán.Bốn tham số cần khai báo cho dòng nguyên liệu là:

Lưu lượng dòng ( flowrate)

Hình 1.11 Cửa sổ khai báo các tham số của dòng

Hình 2.11 Cửa sổ khai báo các tham số của dòng

Trang 27

Hình 1.12 Nhập giá trị lưu lượng dòng trong cửa sổ Conditions

Tiếp theo nhập thành phần dòng, chọn Composition sẽ hiển thị cửa sổ có

danh sách các cấu tử như trên hình 1.13, tại đây sẽ khai báo thành phần các cấu

tử trong dòng nguyên liệu Lưu ý rằng chỉ có các cấu tử đã được chọn vào danh

sách cấu tử (Components List) trong Simulation Basis Manager thì mới hiển thị

trong danh sách này

Hình 1.13 Nhập giá trị thành phần dòng trong cửa sổ Composition

Trang 28

Có thể xác định composition theo nhiều cách khác nhau như trong hình 1.13 Hoặc có thể bấm vào phím “Basis ” để hiển thị bảng chọn với các dạng

biểu diễn thành phần dòng khác nhau (hình 1.14), sau đó nhập thành phần cấu

tử UNISIM mặc định là mole fractions Tuy nhiên có thể thay đổi bằng mass

fractions, liquid volume fractions, hoặc mole flow, mass flow cho từng cấu tử

Nếu sử dụng fractions, tổng tất cả các fractions được nhập vào dòng phải bằng

“1” Nhập thành phần của dòng 1 như trong hình 1.13 chỉ rõ phần mol của H2O bằng “1”, nghĩa là dòng 1 chỉ có nước

Hình 1.14 Lựa chọn các dạng biểu diễn thành phần dòng

Sau khi nhập lưu lượng và thành phần dòng, xuất hiện tin nhắn cảnh báo thứ hai (trong băng màu vàng phía dưới cửa sổ) cho thấy rằng cần nhập nhiệt

độ cho dòng Để khai báo nhiệt độ cho dòng bấm vào Conditions ở cửa sổ trong

hình 1.15 Nhập giá trị nhiệt độ của dòng tại cửa sổ này

Khi nhập giá trị các tham số của dòng không cần thiết phải đổi sang đơn vị mặc định Khi nhập giá trị vào một ô sẽ xuất hiện hộp danh sách thả xuống có tất cả các đơn vị tương ứng ngay bên cạnh ô đó, có thể lựa chọn đơn vị phù hợp, sau đó UNISIM sẽ tự động chuyển đổi đơn vị Ví dụ nhập số 25 vào ô ứng với nhiệt độ 25oC (bằng 77oF) như trên hình 1.16

Dòng cảnh báo (trên băng màu vàng phía dưới cửa sổ) trên hình 1.16 chỉ ra rằng cần phải nhập giá trị áp suất của dòng Cũng trong cửa sổ này, nhập giá trị

áp suất cho dòng 1 là 1 bar như trong hình 1.17

Trang 29

Hình 1.15 Cần nhập giá trị nhiệt độ dòng

Hình 1.16 Nhập giá trị nhiệt độ dòng trong cửa sổ Conditions

Trang 30

Hình 1.17 Nhập giá trị áp suất dòng trong cửa sổ Conditions

Sau khi hoàn thành việc khai báo đầy đủ tất cả các thông tin, UNISIM sẽ

tự động tính toán các tính chất còn lại của dòng và từ các thông tin đã cung cấp

đủ để bắt đầu xây dựng lưu trình mô phỏng (Flowsheet) Khi dòng nguyên liệu

được cung cấp đầy đủ thông tin thì sẽ xuất hiện một thông báo màu xanh ở phía

dưới cửa sổ báo hiệu là mọi thứ đã hoàn tất OK (như trên hình 1.17) Nếu

không thì trong cửa sổ sẽ xuất hiện một cảnh báo màu vàng, thông tin cung cấp

bị lỗi

Đọc kết quả và trả lời câu hỏi sau:

Phần mol hơi (vapor/phase fraction) của dòng bằng bao nhiêu?

Những giá trị màu xanh là do người sử dụng nhập vào và vì thế có thể thay đổi được, còn những giá trị màu đen là do UNISIM tính toán nên không thể thay đổi được Như trong hình 1.14 các giá trị nhiệt độ, áp suất, lưu lượng dòng

là do người sử dụng nhập vào nên có thể thay đổi được, còn các giá trị còn lại

là do UNISIM tính toán

Nhìn vào màu sắc của các dòng vật chất cũng có thể biết được dòng đó đã đầy đủ thông tin hay chưa

Màu xanh đậm = Dòng đã được cung cấp đầy đủ thông tin

Màu xanh nhạt = Thông tin chưa đầy đủ

Trang 31

Vì thế nếu mũi tên có màu xanh đậm có nghĩa là tất cả các tính chất đã được tính toán Bất cứ khi nào việc xác định và tính toán các tính chất của dòng

có thể xem và thay đổi bằng cách đơn giản là nhắp đúp vào dòng

b Lưu vào thư mục xác định

Luôn nhớ lưu case vào thư mục xác định

9 Tóm tắt và ôn tập chương 1

Trong phần đầu tiên của chương đã giới thiệu cách bắt đầu UNISIM như thế nào, làm quen được với môi trường mô phỏng và đã trình bày cách nhập thành phần các cấu tử trong mô phỏng như thế nào

Việc chọn lựa chính xác fluid/themodynamic package là rất quan trọng vì

vậy trong chương này cũng đã đưa ra một số gợi ý giúp người sử dụng chọn đúng được hệ nhiệt động phù hợp

Phần tiếp theo của chương này chỉ cách làm thế nào để vào và trở lại môi

trường mô phỏng, làm quen với simulation flowsheet, hơn nữa trong phần này

người sử dụng có thể rút ra được một số điểm quan trọng của UNISIM

Trong phần cuối của chương này đã đề cập đến các cách nhập và khai báo dòng nguyên liệu trong mô phỏng Cách khai báo các tham số là một bước rất quan trọng trong mô phỏng, cần hiểu và thực hiện đúng trong từng trường hợp

cụ thể

Khi người sử dụng muốn khai báo dòng nguyên liệu, cần xác định đầy đủ bốn tham số thì UNISIM có thể tính toán được các tính chất còn lại

10 Bài tập

1 Thiết lập một dòng vật liệu chỉ có H2O với các điều kiện sau:

 Fluid Package : Peng-Robinson

 Flowrate : 100 kgmole/h

 Pressure : 1 atm

 Vapor/phase fraction : 1.0

Nhiệt độ của dòng bằng bao nhiêu?

2 Làm lại bài toán trên, thay áp suất bằng nhiệt độ là: 150ºC

Áp suất của dòng bằng bao nhiêu?

3 Với cùng bài toán 2 nhưng giảm nhiệt độ xuống 70ºC

Áp suất của dòng bây giờ bằng bao nhiêu?

4 Tạo một dòng mới chỉ có H2O với các điều kiện sau:

Trang 32

 Fluid Package : Peng-Robinson

 Flowrate : 100 kgmole/h

 Pressure : 2 atm

 Vapor/phase fraction: 1.0

Nhiệt độ của dòng này bằng bao nhiêu?

5 Với cùng điều kiện trên nhưng tăng áp suất tới 5 atm

Nhiệt độ của dòng lúc này bằng bao nhiêu?

6 Với cùng điều kiện như bài 4, giảm áp suất tới 0,5 atm

Nhiệt độ của dòng mới bằng bao nhiêu?

7 Có thể rút ra được kết luận gì từ các bài toán trên (từ bài 2.1  bài 2.6)

Trang 33

Chương 2 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI

Nội dung

Khi tính toán các phương trình trạng thái cho phép xác định được thể tích của hỗn hợp khí tại điều kiện nhiệt độ và áp suất xác định Nếu không sử dụng các phương trình trạng thái thì hầu như không thể thiết kế được các nhà máy hoá chất Bởi vì từ việc xác định thể tích này có thể tính toán được kích thước

và hơn nữa là giá thành của các nhà máy đó

UNISIM có các phương trình trạng thái như Peng-Robinson (PR) và Soave-Redlich-Kwong (SRK) Trong đó, phương trình Peng-Robinson được sử dụng trong khoảng biến đổi rộng nhất của các thông số công nghệ và với các hệ

đa dạng nhất Từ các phương trình Peng-Robinson (PR) và Kwong (SRK) trực tiếp tính toán ra tất cả các tính chất cân bằng và các tính chất nhiệt động của hệ Các phương trình PR và SRK có chứa các hệ số tương tác bậc hai cho tất cả các cặp hydrocacbon-hydrocacbon (tập hợp các tham số tương tác tạo liên kết và không tạo liên kết) và hầu hết các cặp bậc hai hydrocacbon – phi hydrocacbon

Soave-Redlich-Trong chương này sẽ hướng dẫn người sử dụng khai báo thể tích của hỗn hợp khí tại điều kiện nhiệt độ và áp suất xác định Đồng thời sẽ chỉ dẫn cách

phân tích tính chất của các cấu tử khi sử dụng Case Study Utility

Mục tiêu

Sau khi học xong người sử dụng có thể :

 Xác định được thể tích của các cấu tử riêng biệt hay hỗn hợp cấu tử

 So sánh kết quả với các phương trình trạng thái khác nhau

 Xem lại kết quả bằng Workbook

 Phân tích các tính chất bằng case studies

Trang 34

2.1 Phương trình trạng thái – Các biểu thức toán học

Phương trình trạng thái thể hiện mối tương quan giữa áp suất nhiệt độ và thể tích được thể hiện qua phương trình cân bằng :

Trong đó p là áp suất tuyệt đối, V là thể tích, n là số mol, R là hằng số khí

lý tưởng, T là nhiệt độ tuyệt đối Đơn vị của R được lựa chọn sao cho phù hợp

với các đơn vị của các biến khác Phương trình này phù hợp khi áp suất thấp (ví

dụ 1 atm) Tuy nhiên nhiều quá trình hoá học lại thực hiện tại một áp suất rất cao Trong điều kiện đó thì phương trình này không phù hợp để tính toán

Vì thế đã có nhiều phương trình trạng thái khác được phát triển nhằm mô

tả được các quá trình hoá học thực hiện ở áp suất cao Sự mở rộng đầu tiên định luật khí lý tưởng là phương trình trạng thái van der Waals:



a b

mô phỏng Một dạng khác của phương trình trạng thái RK là phương trình trạng thái Peng-Robinson (PR) cũng được sử dụng rất phổ biến

Bảng 2.1 dưới đây đưa ra so sánh các công thức sử dụng trong UNISIM của các phương trình trạng thái PR và SRK

2.2 Thực hiện mô phỏng

Bài toán: Tìm thể tích của n-butan tại 500 K và 18 atm, sử dụng các phương

trình trạng thái Soave-Redlich-Kwong (SRK) và Peng-Robinson (PR)

Trình tự thực hiện như sau:

1 Khởi động UNISIM

2 Mở new case sử dụng một trong ba cách sau:

 Chọn từ thanh menu chính File  New  Case

 Hoặc sử dụng phím tắt Crtl-N

 Hoặc bấm vào biểu tượng New trên thanh công cụ

Trang 35

Bảng 2.1 So sánh phương trình trạng thái SRK và PR

0)

(

)(

2 2

Z

b

a b

)32()1(

)()(

3 2 2

b b b

a b

RT P



Trong đó:



N i i

i b x

1





N i i

i b x

1

b i =

i

i Pc

RTc

08664.0

i

i Pc

RTc

077796

i j

x

5 0

)1()

i j

x

5 0

)1()(

a ci =

ci

ci P

RT )2(42748

aP

2)

3 Thiết lập cơ sở mô phỏng

Trong giao diện Simulation Basis Manager (xem trong chương 1 đã trình

bày chi tiết) điền các thông tin cho trong bảng sau

Trang 36

Khi đã hoàn thành, bấm vào phím Enter Simulation Environment, bây giờ

đã sẵn sàng để bắt đầu mô phỏng

4 Tạo lập dòng vật chất

Có một số cách khác nhau để tạo một Stream: bấm phím nóng F11, hoặc bấm vào biểu tượng Stream trên Object Palette, hoặc chọn Flowsheet trên menu chính và chọn Add Stream trong danh sách

Nhập vào Stream với các giá trị sau:

Hình 2.1 Hoàn thành thiết lập dòng vật chất

Trang 37

2.3 Nhập thêm biến trong Workbook

 Đọc kết quả tính toán trong Workbook: bấm vào Tools trên thanh menu chính, chọn Workbook hoặc bấm phím nóng Crtl+W (hình 2.2)

Hình 2.2 Thao tác mở Workbook để xem kết quả tính toán

 Trong cửa sổ Select Workbook (hình 2.3) bấm phím View

Hình 2.3 Cửa sổ Select Workbook

Trang 38

 Giao diện Workbook xuất hiện như trên hình 2.4

Hình 2.4 Giao diện Workbook

 Trong UNISIM thể tích được khai báo là Molar Volume nhưng trong