Mô phỏng công nghệ quá trình nhờ máy tính (TIN học ỨNG DỤNG) (chữ biến dạng do slide dùng font VNI times, tải về xem bình thường)

Computer-Aided Chemical Engineering An Introduction to Process Simulation C1 Mô cơng nghệ q trình nhờ máy tính Mục lục Mô công nghệ trình nhờ máy tính Lịch sử phát triển Cách tiếp cận toán mô 3.1 Định nghóa 3.2 Nhập liệu 3.3 Thực mô 3.4 Kết mô Phân tích Cấu trúc phần mềm tính toán sơ đồ 4.1 Chiến lược tính toán 4.2 Cách tiếp cận mô đun 4.3 Cách tiếp cận định hướng phương trình 4.4 Cách tiếp cận mô đun đồng thời Các hệ tích hợp (Aspen Technology; Hyprotech; Simulation Sciences) Chọn lựa phần mềm mô (Phân tích chức năng; Phân tích quan điểm khoa học máy tính; Phân tích thương mại) Tóm tắt Mô công nghệ trình nhờ máy Mô hoạt động bảntính Công nghệ trình Định nghóa sau nêu đặc điểm chủ yếu (Thomé, 1993): Mô trình thiết kế mô hình vận hành hệ thống tiến hành thử nghiệm với mô hình nhằm mục đích  để hiểu biết cách hoạt động hệ thống  để đánh giá chiến lược khác việc xây dựng hay vận hành hệ thống Phải tái tạo khía cạnh chọn cách hoạt động hệ thống mô hình đến độ xác chấp nhận  Mô hàm ý mô hình hoá, điều chỉnh mô hình theo liệu thử nghiệm Một mô hình mô phục vụ cho việc tiến hành “các thử nghiệm ảo” Hầu trông thấy đa số trường hợp, kết hợp công nghệ phần mềm, mô hình hoá đặc điểm chủ yếu mô  Điều quan trọng cần nhớ mô thể gần thực, với độ xác định, thân thực Đó lý người sử dụng phải có khả đánh giá độ tin cậy kết phần mềm mô đưa Mô công nghệ trình đòi hỏi kiến thức khoa học cụ thể mô tả xác tính chất vật lý cấu tử tinh khiết hỗn hợp phức tạp, mô hình nhiều thiết bị phản ứng thiết bị công nghệ hoá học khác nhau, kỹ thuật số để giải hệ phương trình đại số vi phân có kích thước lớn Mô công nghệ trình nhờ máy tính Hoạt động mô công nghệ trình tính toán sơ đồ flowsheeting Theo định nghóa trước (Westerberg et al., 1979) flowsheeting sử dụng công cụ máy tính để thực tính toán cân nhiệt cân vật chất, định kích thước thiết bị chi phí trình công nghệ hoá học trạng thái ổn định Xét đến phát triển thập kỷ vừa qua, ta phát biểu định nghóa mở rộng là:  Flowsheeting mô tả cách hệ thống dòng vật chất dòng lượng phân xưởng trình nhờ mô máy tính với mục đích thiết kế phân xưởng hay cải thiện hoạt động phân xưởng hữu  Flowsheeting sử dụng công cụ trợ giúp để thực chiến lược kiểm soát/điều khiển toàn phân xưởng, quản lý công tác vận hành phân xưởng Mô công nghệ trình nhờ máy tính H 1: Mô hình Công nghệ trình: Mô hoạt động trung tâm công tác Nghiên cứu & phát triển, Thiết kế Vận hành Mô công nghệ trình nhờ máy tính Bảng 1: Các ứng dụng mô ngành công nghiệp trình công nghệ hoá học (CNHH) Công nghiệp trình CNHH Các ứng dụng Dầu khí Thăm dò khơi, Xử lý bề mặt, Vận chuyển đường ống, Lưu trữ ngầm, Xử lý khí Lọc dầu Dầu hoả nhiên liệu Hoá dầu Hoá chất có gốc Hydrocarbon, Methanol, Monomers Hoá chất hữu cơ Hoá chất trung gian, dung môi, thuốc tẩy, thuốc nhuộm Hoá chất vô Ammonia, Sulphuric Acid, Phân bón Fine Chemicals Dược, Mỹ phẩm Công nghệ sinh học Sản phẩm thực phẩm sinh học Luyện kim Thép, Nhôm, Đồng, v.v… Polymers Polyethylene, PVC, Polystyrene, sợi, v.v… Giấy & gỗ Bột giấy Năng lượng Nhà máy điện, Khí hoá than đá Công nghiệp hạt nhân Xử lý chất thải, An toàn Môi trường Làm sạch, Biomass valorisation (sinh khối) H 2: Ứng dụng mô hình mô phân xưởng trạng thái ổn định không ổn định Lịch sử phát triển Mô trình 1966, Simulation Science, công ty cỡ nhỏ Los Angeles/USA, có ý tưởng thương mại hoá phần mềm máy tính tiêu biểu chung để mô tháp chưng cất Đây phần yếu phần mềm tính toán flowsheeting, PROCESS (tiền thân phần mềm PRO II, Simulation Science), phần mềm coi thuỷ tổ phần mềm mô trình Ba năm sau, ChemShare (Houston/USA) cho DESIGN (được tiếp nối phần mềm DESIGN II WINSIM), chương trình flowsheeting có lực ứng dụng dầu & khí Ở thời điểm này, việc mở rộng ngành công nghiệp lọc dầu hoá dầu thúc đẩy xuất phần mềm mày tính liên quan Cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào 1973 kích thích mạnh mẽ mối quan tâm vào việc mô trình với nguyên liệu thay thế, than vật liệu sinh khối biomass Vào 1976, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ Đại học MIT khởi động dự án ASPEN (được tiếp nối phần mềm ASPEN PLUS, ASPEN Tech) Sự xuất hệ thống tính toán tốc độ cao đẩy mạnh công kinh doanh công ty nhỏ chuyên biệt mô hình hoá mô Một cách tổng quát hơn, công tác tính toán khoa học kỹ thuật tiến hoá từ chương trình đơn lẻ đến phần mềm cỡ lớn thiết kế sản phẩm công nghiệp Lịch sử phát triển Máy tính cá nhân xuất vào năm 1982 Mặc dù lực PC yếu việc tính toán flowsheeting, ý tưởng công cụ ‘cá nhân’ đủ mạnh để kích thích người có nhiệt tình (phát triển phần mềm ChemCAD, ChemStations phần mềm Hysys, Hyprotech) Thử thách việc rời khỏi môi trường elitist máy tính lớn khởi động Vào đầu thập kỷ 90, thống trị sản phẩm PC tạo nên kiện Sự ổn định tương đối hệ điều hành, ngày bị chi phối hệ UNIX Windows, cho phép phát triển hệ phần mềm mô Giao diện người-máy đồ hoạ Graphical User Interface (GUI) trở thành phần chủ yếu việc phát triển phần mềm Năng lực siêu máy tính thời xưa có máy tính để bàn (desktops) Cách tiếp cận toán mô Hình 3: Các mức độ phương pháp luận mô trạng thái ổn định 10 Cấu trúc phần mềm tính toán sơ đồ Cấu trúc phần mềm vấn đề thuộc ngành khoa học máy tính Tuy nhiên, tương tự hệ thống phức tạp, người sử dụng nên có hiểu biết thành phần hệ thống Hình trình bày cấu trúc tiêu biểu chung phần mềm mô dạng SM Trung tâm hệ thống Chương trình điều hành Chức chương trình để quản lý hai nhiệm vụ tính toán trao đổi liệu, thí dụ trình tự tính toán, truy lục thông số tính chất vật lý, chương trình thiết bị, theo dõi hội tụ, quản lý hệ thống file liệu Các thành phần chủ yếu khác là:  Cơ sở liệu với thông số vật lý cho cấu tử tinh khiết hỗn hợp  Điều phối thư viện để tính toán tính chất vật lý cấu tử tinh khiết hỗn hợp  Điều phối thư viện cho tính toán cân vật lý hoá học  Điều phối thư viện thiết bị thiết bị phản ứng  Điều phối thư viện với công cụ giải toán học 22  Giao diện Graphical User Interface (GUI) Cấu trúc phần mềm tính toán sơ đồ Hình 5: Cấu trúc phần mềm phần mềm mô Sequential-Modular 23 Cấu trúc phần mềm tính toán sơ đồ Qua phần mô tả đây, ta kết luận phần mềm flowsheeting hệ thống phức tạp đặt sở máy tính, mà thu thập thuật toán để giải thiết bị khác Một phần mềm mô trình phải thiết kế theo công cụ quản lý phát triển ngành khoa học máy tính Điều nhận xét đáng quan tâm tổng chi phí việc bảo dưỡng phần mềm (thường lớn 70%) quan trọng nhiều so với chi phí lập trình (thường nhỏ 10%) 24 Cấu trúc phần mềm tính toán sơ đồ 4.3 Cách tiếp cận định hướng phương trình Trong cách tiếp cận EO, cấu trúc phần mềm gần với công cụ giải phương trình Cách tiếp cận EO phù hợp mô không ổn định mô mô hình hệ phương trình vi phân đại số (DAE) có dạng: dx - = f (u,x,d,p) (2) dt Lời giải ổn định nhận cách cho đạo hàm zero Hệ DAE tổng quát (2) thưa thớt cứng, kích thước hệ thay đổi khoảng từ 102 đến 105 phương trình Nhu cầu mô không ổn định ngày nhiều đối tác ổn định Như vậy, biến thiên áp suất bỏ qua hay gộp vào đặc điểm kỹ thuật thiết bị mô Tuy nhiên, nói chung, đặc điểm kỹ thuật biến số mềm dẻo Có thể thiết lập 25 biến số flowsheet biến số dòng đầu vào hay đầu ra, hay đơn vị bên Cấu trúc phần mềm tính toán sơ đồ Cấu trúc phần mềm xây dựng với cách tiếp cận EO trình bày Hình Việc nhập liệu cho toán mô hệ thống nhờ siêu ngôn ngữ (meta-language), hay hỗ trợ giao diện GUI thông minh Trong phần mềm Aspen Dynamics, việc định nghóa toán bắt đầu trạng thái ổn định Aspen Plus môi trường SM Bổ sung số hạng tích lũy vào phương trình thiết bị tạo hệ DAE Trong phần mềm mô dạng EO, việc xử lý thuật toán không bao gồm việc giải toán học, mà gồm việc gỡ rối toán, biên dịch/kết nối, chỉnh sửa bổ sung phương trình Một đặc điểm quan trọng công tác hậu xử lý kết quả, ghi nhận thời gian lập biểu đồ cho biến số khác 26 Cấu trúc phần mềm tính toán sơ đồ Hình 6: Cấu trúc phầm mềm phần mềm mô Equation-Oriented 27 Các hệ tích hợp Ba hệ mô tích hợp chủ yếu trình bày vắn tắt Thông tin cập nhật tìm kiếm cách tham khảo trang web tương ứng 5.1 Aspen Technology Hệ tích hợp bao gồm hệ flowsheeting đa dụng gói chuyên dụng Các gói khác giao tiếp qua file cụ thể, chia sẻ với liệu phương pháp chung tính chất vật lý  Aspen Plus: môi trường mô trạng thái ổn định với sở liệu mô hình hoá nhiệt động học toàn diện; nghiên cứu khả thi thiết kế mới, tính toán nhà máy phức tạp với dòng hoàn lưu, tối ưu hoá  Aspen Dynamics: tính toán flowsheeting không ổn định, ghép tương thích với Aspen Plus  Aspen Custom Modeller: môi trường mô hình hoá cho thiết bị người sử dụng bổ sung cho lập trình mô không ổn định  Aspen Pinch: tính toán Pinch, thiết kế tối ưu mạng thiết bị trao đổi nhiệt  Aspen Split: tổng hợp thiết kế hệ không lý tưởng  Polymer Plus: mô trình polymer hóa  Aspen Properties: hệ tính chất vật lý bao gồm khả hồi qui phương pháp ước đoán  Aspen OLI: mô hệ điện ly với nước  Batch Plus: mô hình hoá trình gián đoạn định hướng phương pháp (recipeoriented)  Batchfrac: trình phân tách phản ứng gián đoạn  RTO: tối ưu hoá phân xưởng theo thời gian thực dựa mô hình chi tiết 28  Aspen Zyqad: môi trường sở liệu dự án công nghệ Các hệ tích hợp 5.2 Hyprotech Đặc điểm riêng hệ flowsheeting Hyprotech mô trạng thái ổn định không ổn định có sẵn môi trường đồ hoạ Các sản phẩm khác phát triển ứng dụng riêng lẻ mục đích công nghệ hay vận hành Hệ thống thiết kế để tuỳ chỉnh toàn diện Các thành phần là:  Hysys.Concept: gói thiết kế sở ứng dụng thiết kế trang bị thêm (retrofit), có hai cấu phần :  DISTIL: chuỗi tháp chưng cất,  HX: dự án tích hợp nhiệt sở tính toán Pinch  Hysys.Process: tính toán flowsheeting cho trạng thái ổn định thiết kế tối ưu mô hình hoá nhà máy hữu, đánh giá trang bị thêm cải tiến trình  Hysys.Plant: mô trạng thái ổn định không ổn định để đánh giá thiết kế nhà máy hữu, phân tích toán an toàn điều khiển  Hysys.Operator Training: điều kiện khởi động, ngừng hoạt động, bao gồm trạm thị với giao diện DCS (Distributed Control System - hệ thống điều khiển phân tán), kết hợp với Hysys.Plant công cụ tính toán  Hysys.RTO+: tối ưu hoá đa biến số theo thời gian thực; mô hình trực tuyến on-line sử dụng ngoại tuyến offline để trợ giúp việc định công tác bảo dưỡng, lập kế hoạch vận hành  Hysys.Refinery: mô hình hoá chi tiết trình lọc dầu hoàn chỉnh, tích hợp sở liệu dầu thô tập hợp mô hình thiết bị phản ứng chi tiết ngành lọc dầu 29  Hysys.Ammonia: mô hình hoá toàn nhà máy tối ưu hoá nhà máy ammonia Các hệ tích hợp 5.3 Simulation Sciences Hệ tích hợp Simsci xây dựng chung quanh môi trường sở liệu (PROVISION), nguyên lý giao diện với thành phần thứ ba Hệ thống định hướng tới ứng dụng ngành công nghiệp dầu mỏ khí mô tả Công nghệ trình: công cụ công tác thiết kế công nghệ trình tính toán vận hành Pro/II: tính toán flowsheeting tối ưu hoá đa dụng trình Hextran: tính toán Pinch thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt Datacon: phát lỗi lớn phân xưởng điều hoà liệu Inplant: mô dòng chảy nhiều pha cho mạng đường ống phân xưởng  Visual Flow: thiết kế mô hình hoá hệ thống an toàn mạng giảm áp     Tối ưu hoá đầu nguồn: công cụ trợ giúp việc định thiết kế cho công việc sản xuất dầu mỏ khí  Pipephase: phần mềm mô dòng chảy nhiều pha đường ống mạng  Tacite: phần mềm mô nhiều pha tượng chảy độ phức tạp  Netopt: tối ưu hoá vận hành công tác sản xuất dầu mỏ khí Hiệu suất trực tuyến on-line: Điều khiển trình cao cấp Advanced Process Control (APC) tối ưu hoá trực tuyến on-line  ROMeo: công cụ để mô hình hoá tối ưu hoá trực tuyến on-line cho phân xưởng, tính toán ngoại tuyến off-line  Connoisseur: số điều khiển đa biến APC thông qua DCS (Distributed Control 30 System – hệ thống điều khiển phân tán), phân xưởng Chọn lựa phần mềm mô Việc chọn lựa phần mềm mô định chiến lược tổ chức Điều hàm ý sách phối hợp trung/dài hạn, tảng phần cứng phần mềm khoa học kỹ thuật, công tác huấn luyện nhân viên, tương thích với môi trường bên lại, v.v… Qui trình mô tả có thề áp dụng chọn lựa phần mềm khoa học kỹ thuật để có độ mạo hiểm thấp Qui trình đánh giá có dạng câu hỏi, cho Phân tích chức Các ứng dụng điển hình Khả tùy chọn Giao diện người sử dụng Các thuật toán phương pháp số Các sản phẩm phụ trợ Kích thước ứng dụng sở liệu, chất lượng liệu  Hậu xử lý kết 31  Các mốc chuẩn điển hình thư viện thí dụ  Sổ tay người sử dụng       Chọn lựa phần mềm mô Phân tích quan điểm khoa học máy tính  Phần cứng: tảng hệ điều hành  Tài nguyên: dung lượng nhớ đóa cứng, dung lượng nhớ cho người sử dụng, nhớ  Phân tích phần mềm: cấu trúc, cấu trúc file, ngôn ngữ lập trình  Giao diện GUI: chức năng, có khả xách tay  Sử dụng tiêu chuẩn: đồ họa, giao tiếp, có khả xách tay  Các công cụ xây dựng phần mềm kiểm soát chất lượng  Giao diện với phần mềm khoa học kỹ thuật tiếng hay đa dụng  Tuỳ chỉnh Phân tích thương mại Các lý xã hội, cổ đông, báo cáo tài Các sách thương mại: thị trường, khách hàng, giá Huấn luyện hỗ trợ người sử dụng Bảo dưỡng cập nhật Các sách giao tiếp: hội nghị nhóm người sử dụng, 32 tin  Các tiếp xúc khoa học hàn lâm, ấn phẩm      Chọn lựa phần mềm mô Mỗi hạng mục câu hỏi ứng với điểm kèm theo trọng số Kết qui trình cho danh mục với hai hay ba ứng viên tốt  Sự chọn lựa cuối hàm ý đánh giá chi tiết khía cạnh nói Các chuyên gia yêu cầu nhiều thông tin tài liệu mốc chuẩn benchmark, trình diễn tuỳ chỉnh, mẫu lập trình, bảo đảm chất lượng, v.v… Trong khía cạnh này, điều quan trọng kiểm tra sản phẩm vấn đề liên quan gần với lónh vực ứng dụng người sử dụng Mặc dù có chức tương tự nhà cung cấp phổ biến, hệ thống có khả mà hệ thống thực tốt hệ thống khác  Độ tin cậy tính chất vật lý thông số mô hình nhiệt động đặc điểm đặc biệt việc chọn lựa hệ thống mô cho mục đích thiết kế trình  Các đặc điểm quan trọng khác khả tuỳ chỉnh thứ nguyên, khả lập trình, chuyển tải thông tin cấu trúc điều khiển, gỡ rối toán hội tụ có dòng hoàn lưu Nên ưu tiên chọn hệ thống người sử dụng có điều khiển khía cạnh tảng mô hình Như đề cập, thị trường phần mềm mô trình có chuyển đổi sâu sắc thập kỷ 1985-1995 Tương đối hệ sống sót Bảng trình bày số phần mềm thương mại chủ yếu 33về mô trình vào cuối năm 2001 Chọn lựa phần mềm mô Bảng 2: Phần mềm thương mại mô thiết kế trình Nhà cung cấp Phần mềm Các öùng duïng Aspen Tech Aspen Plus Flowsheeting, sizing, costing Cambridge-MA/USA Aspen Dynamics Dynamic Simulation, Real time systems Advent Energy Integration Split Non-ideal Distillation Systems Bijac Heat exchanger design Polymer Plus Polymer processes Batchfrac Batch and semi-continuous processes Chemstations ChemCad Flowsheeting, sizing, costing Houston-USA CC-ReACS Batch reactor simulator Hyprotech Hysys Combined steady state and dynamic simulation Calgary-Canada Concept Non-ideal Distillation Systems Hyprop Thermodynamics Prosim ProSim Flowsheeting Toulouse-France Simulation Science Pro II Flowsheeting, sizing Los Angeles-USA Provision Graphical environment Hextran Energy Integration Datacon Data reconciliation (điều hoà) ROMeo Rigorous on-line modelling WinSim Design II Flowsheeting, sizing Houston-USA Imperial College g_PROMS Dynamic Simulation London-UK Bryan Research & Prosim Flowsheeting Engineering Tsweet Gas purification KBC/Linnhoff March Supertarget Energy integration 10 Intelligen, Scotch Plains, BatchPro Designer Scheduling and Design of batch processes NJ-USA 34 Toùm tắt Mô trình hoạt động chủ yếu ngành công nghệ trình bao trùm toàn vòng đời trình, từ nghiên cứu & phát triển đến thiết kế sở vận hành phân xưởng Trong bối cảnh này, tính toán flowsheeting mô tả cách hệ thống dòng vật chất dòng lượng phân xưởng trình nhờ mô máy tính với mục đích thiết kế phân xưởng hay tìm hiểu hoạt động phân xưởng Phần mềm tính toán flowsheeting cho trạng thái ổn định công cụ sử dụng thường ngày người kỹ sư hóa học.Sự tổng quát hoá mô không ổn định thực tế thiết kế thách thức Nhờ hệ flowsheeting thương mại có khả năng, ta tạo hình ảnh toàn diện máy tính trình hoạt động tức mô hình mô phân xưởng, mà kết hợp hai mô trạng thái ổn định không ổn định Công cụ đặc biệt giá trị cho việc tìm hiểu công tác vận hành phân xưởng phức tạp, sở phục vụ cho việc cải tiến liên tục công tác thiết kế trình, hay cho việc xây dựng trình Mô trình đặt sở mô hình Một mô hình phải phản ánh thực độ xác mà ứng dụng đòi hỏi Một kiến thức tốt tảng mô hình hoá yêu cầu bắt buộc để nhận kết tin cậy sử dụng phần mềm cách hiệu Sự khác dự án có hỗ trợ máy tính thành công dự án thất bại cần phải quy nhiều cho khả chưa đáp ứng người sử dụng việc nắm bắt ưu điểm môi trường mô hình hoá hiệu suất thiếtucủa phần mềm mô Đó lý35 công tác mô toán phải chuẩn bị cẩn thận Tóm tắt Tính toán flowsheeting bị chi phối cấu trúc Sequential-Modular, ngày kết hợp đặc điểm phương thức giải Equation-Oriented Chỉ số hạn chế hệ có khả cung cấp hai khả mô flowsheeting cho trạng thái ổn định không ổn định Việc tích hợp công cụ mô cần thiết để đối phó với hàng loạt nhu cầu công nghệ trình Người ta mong muốn mở kênh truy cập công nghệ mô đến số lớn nhà cung cấp mô hình Điều thực nhờ cách tiếp cận hợp tác cộng đồng người sử dụng nhà sản xuất phần mềm Sự kiện hệ mô có sẵn Internet thúc đẩy việc sử dụng công nghệ mô môi trường toàn cầu 36 ... lý công tác vận hành phân xưởng Mô công nghệ trình nhờ máy tính H 1: Mô hình Công nghệ trình: Mô hoạt động trung tâm công tác Nghiên cứu & phát triển, Thiết kế Vận hành Mô công nghệ trình nhờ máy. .. điểm khoa học máy tính; Phân tích thương mại) Tóm tắt Mô công nghệ trình nhờ máy Mô hoạt động bảntính Công nghệ trình Định nghóa sau nêu đặc điểm chủ yếu (Thomé, 1993): Mô trình thiết kế mô hình... 1 Mô công nghệ trình nhờ máy tính Hoạt động mô công nghệ trình tính toán sơ đồ flowsheeting Theo định nghóa trước (Westerberg et al., 1979) flowsheeting sử dụng công cụ máy tính để thực tính