Thiết kế mô phỏng là quá trình thiết kế với sự trợ giúp của máy tính với các phần mềm chuyên nghiệp.
Mô phỏng là một công cụ cho phép người kỹ sư tiến hành công việc một cách hiệu quả hơn khi thiết kế một quá trình mới hoặc phân tích, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng dến một quá trình đang hoạt động trong thực tế.
Tốc độ của công cụ mô phỏng cho phép khảo sát nhiều trường hợp hơn trong cùng thời gian với độ chính xác cao hơn nếu so với tính toán bằng tay. Hơn nữa, chúng ta có thể tự động hóa quá trình tính toán các sơ đồ công nghệ để tránh việc phải thực hiện các phép tính lặp không có cơ sở hoặc mò mẫm. Ví dụ, chúng ta có thể sử dụng một mô hình mẫu để nghiên cứu sự vận hành của một phân xưởng khi thay đổi nguồn nguyên liệu hoặc các điều kiện vận hành của các thiết bị ảnh hưởng đến hiệu suất thu và chất lượng sản phẩm như thế nào ? Điều này sẽ đơn giản, nhanh chóng và tiết kiệm hơn nhiều so với thử trên phân xưởng thực tế. Vì rằng cơ sở tính toán các công cụ mô phỏng thường dựa trên các bộ cơ sở dữ liệu chuẩn hóa, nên một khi đã xây dựng một mô hình hợp lý thì bất kỳ một kỹ sư nào cũng có thể sử dụng nó để tính toán và cho các kết quả chính xác.
Thiết kế mô phỏng thường được sử dụng để :
• Thiết kế (Designing) một quá trình mới
• Thử lại, kiểm tra lại (Retrofitting) các quá trình đang tồn tại
• Hiệu chỉnh (Troubleshooting) các quá trình đang vận hành
• Tối ưu hóa (Optimizing) các quá trình vận hành
Để xây dựng một mô hình mô phỏng hiệu quả, chúng ta phải xác định đúng mục tiêu. Bước đầu tiên trong bất cứ một quá trình mô phỏng nào là lượng hóa các mục
tiêu càng nhiều càng tốt. Các kết quả đạt được thường phụ thuộc vào các yêu cầu đặt ra. Như vậy, trước khi mô phỏng một quá trình nên đặt ra các câu hỏi sau :
• Mục đích sử dụng công cụ mô phỏng trong trường hợp này để làm gì ?
• Quá trình mô phỏng sẽ thực hiện những việc gì ?
• Sự phức tạp có cần thiết không ?
• Cần thiết phải tìm ra các kết quả nào từ quá trình mô phỏng ?
Cần nhớ rằng các giá trị thu được từ kết quả mô phỏng phụ thuộc rất nhiều vào những lựa chọn ban đầu mà chúng ta đã nhập vào.
Trong công nghệ hóa học, người ta sử dụng rất nhiều các phần mềm mô phỏng :
• DESIGN II (WINSIM) : sử dụng trong công nghiệp hóa học nói chung
• PRO/II (SIMSCI) : sử dụng trong công nghiệp hóa học, công nghiệp lọc - hóa dầu
• PROSIM : sử dụng trong công nghiệp hóa học
• HYSIM (HYSYS) : sử dụng trong công nghiệp chế biến khí
Trong các phần mềm kể trên, phần mềm PRO/II là phần mềm nổi tiếng nhất, được sử dụng rộng rãi nhất trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.
2.2. Giới thiệu về phần mềm PRO II 2.2.1. Tính năng vă phạm vi sử dụng
PRO II lă sản phẩm của hêng SIMSCI có tâc dụng mô phỏng câc quâ trình trong công nghệ hóa học mă chủ yếu lă lĩnh vực dầu khí. PRO II có thể dễ dăng căi đặt trín hầu hết câc mây tính với một thư viện dữ liệu rộng lớn, câc modun tính toân vă sự đa dạng về phương phâp nhiệt động đê đâp ứng được hầu hết câc công việc thiết kế, nghiín cứu trong công nghệ hóa chất, hóa dầu cũng như chế biến khí.
PRO II có giao diện đẹp, lă phần mềm chạy trín môi trường Windows nín rất dễ dăng giao tiếp giữa chương trình vă người sử dụng.
Việc nhập dữ liệu văo chương trình được tiến hănh rất đơn giản vì trình tự công việc được hướng dẫn cụ thể thông qua sự hiển thị mău trín măn hình. Chương trình mô phỏng được chạy với số lần lặp xâc định. Chương trình mô phỏng phương phâp tính toân bằng tay, tự động biín dịch thông tin đưa văo vă thực hiện quâ trình tính toân từ câc thông tin đó. Chương trình có một số đặc trưng sau:
• Khả năng tính từng phần: khi đê biết đủ câc thông số cần thiết thì chương trình sẽ tự động tính câc thông số còn lại.
• Khả năng tính hai chiều vă khả năng sử dụng thông tin một phần: chương trình được chia thănh nhiều modun khâc nhau, mỗi modun lă một thiết bị như van, bơm, cột chưng cất,… Mỗi modun có khả năng xem thông số năo đê biết vă thông số năo cần thiết cho quâ trình tính toân.
• Khả năng truyền dữ liệu: khi PRO II được cung cấp một thông tin mới, chương trình sẽ thực hiện câc tính toân có thể rồi truyền kết quả mới năy đến mỗi thiết bị có thể sử dụng chúng. Quâ trình năy tiếp diễn cho đến khi tất cả câc tính toân nhờ thông tin mới năy được hoăn tất.
• Khả năng tự động tính toân lại: khi người thiết kế loại bỏ một thông số năo đó, chương trình sẽ loại bỏ tất cả câc kết quả tính được từ thông số đó, câc kết quả không liín quan sẽ được giữ lại.
• Kết quả chạy PRO II có thể xuất qua câc chương trình khâc như Word, Excel, Autocad,...
PRO II được ứng dụng để: • Thiết kế quy trình mới
• Nghiín cứu việc chuyển đổi chế độ hoạt động của nhă mây • Hiện đại hóa câc nhă mây hiện có
• Giải quyết sự cố trong quâ trình vận hănh của nhă mây • Tối ưu hóa, cải thiện sản lượng vă lợi nhuận
PRO II mô phỏng những quâ trình tiíu biểu sau: • Trong lĩnh vực lọc dầu:
Chưng cất dầu thô ở âp suất khí quyển
Gia nhiệt dầu thô
Quâ trình cốc hóa
Quâ trình Cracking xúc tâc tầng sôi (FCC)
Câc quâ trình tâch khí
Quâ trình ổn định xăng
Quâ trình alkylation hóa
Chưng cất chđn không
Stripping hơi nước • Trong quâ trình xử lý khí:
Rửa Amin
Lăm lạnh bằng câc tâc nhđn lạnh
Nĩn khí
Quâ trình tâch nước
Quâ trình giên nở
Tâch ítan vă metan • Trong lĩnh vực hóa dầu:
Tâch hợp chất thơm
Tâch propan
Sản xuất cyclohexan
Sản xuất etylen
Sản xuất olefin
• Trong công nghệ hóa học:
Tổng hợp amoni Chưng cất trích ly vă đẳng phí Quâ trình kết tinh Tâch nước Chưng phenol Polyme hóa
2.2.2. Câc cụm thiết bị trong PRO II
Trong thư viện PRO II có lưu sẵn một số thiết bị dùng để tạo ra câc sơ đồ công nghệ trong câc ngănh công nghiệp lọc hóa dầu, công nghệp hóa chất. Mỗi thiết bị được xâc định bởi chức năng nhiệt động học, lượng vật chất, năng lượng trao đổi vă câc tham số nội tại (hệ số truyền nhiệt, độ giảm âp,...). Câc thiết bị liín hệ với nhau bằng câc dòng chảy liín kết, chính câc dòng chảy văo vă ra khỏi thiết bị năy sẽ xâc định trạng thâi lăm việc của thiết bị. Câc thiết bị sẽ tự động cập nhật thông tin mới có liín quan đến chúng vă tự cập nhật cho câc dòng chảy nối với chúng.
Câc thiết bị chính trong chương trình PRO II: • Thiết bị trao đổi nhiệt (Heat Exchanger) • Thiết bị lăm nguội, đun nóng (Cooler, Heater) • Bộ trộn (Mixer)
• Van (Valve)
• Thiết bị chia dòng (Splitter): chia dòng chảy thănh nhiều dòng theo tỷ lệ tùy ý. • Bộ tâch (Seperator): gồm có thiết bị tâch 2 pha, thiết bị tâch 3 pha vă thiết bị
tâch chất rắn ra khỏi dòng lỏng hoặc hơi • Thiết bị phản ứng (Reactor)
• Thiết bị nĩn, giên nở (Compressor, Expander) • Bơm (Pump)
• Thiết bị cđn bằng (Balance): cđn băng năng lượng hay cđn bằng vật chất cho hệ
• Thiết bị điều khiển (Controller) • Thiết bị hoăn lưu (Recycle)
Ngoăi những thiết bị chính trín trong thư viện PRO II còn cung cấp cho ta một hệ thống câc thiết bị khâc nhằm bổ trợ cho quâ trình mô phỏng.
2.2.3. Câc bước tiến hănh mô phỏng bằng PRO II
• Trước khi tiến hănh mô phỏng, chúng ta phải diễn đạt câc dữ liệu từ sơ đồ thực tế thănh mô hình mô phỏng. Qúa trình năy bao gồm câc bước sau:
Bước 1: Xâc định hệ đơn vị đo: có 3 hệ đơn vị đo (hệ Anh, hệ Mĩt vă hệ SI). Tùy
trường hợp, chúng ta chọn hệ đơn vị đo cho thích hợp, thông thường chọn hệ Mĩt.
Bước 2: Xâc định thănh phần cấu tử có trong hệ (cấu tử được chọn từ nguồn dữ
liệu phong phú câc cấu tử PRO II).
Bước 3: Lựa chọn câc phương trình nhiệt động thích hợp (trín cơ sở thănh phần
hóa học của nguyín liệu vă điều kiện vận hănh của thiết bị).
Bước 4: Lựa chọn câc dòng nguyín liệu vă sản phẩm (xâc định thănh phần, trạng
thâi nhiệt động của dòng).
Bước 5: Xâc định câc dữ liệu về thiết bị vă điều kiện vận hănh cho câc thiết bị. Bươc 6: Chạy chương trình vă xem kết quả.
• Hơn nữa, trong nhiều trường hợp chúng ta phải thay đổi sơ đồ công nghệ thực tế sang mục đích mô phỏng. Mặc dù có sự tương ứng giữa sơ đồ công nghệ thực tế vă sơ đồ mô phỏng nhưng vẫn có những sự khâc biệt cần chú ý.
• Vì công cụ mô phỏng chỉ mô tả trạng thâi dừng nín trong sơ đồ mô phỏng không nín bố trí câc thiết bị điều khiển, kiểm tra.
2.3. Giới thiệu về phần mềm Hysys2.3.1. Tính năng vă phạm vị sử dụng2.3.1. Tính năng vă phạm vị sử dụng2.3.1. Tính năng vă phạm vị sử dụng 2.3.1. Tính năng vă phạm vị sử dụng
Hysys lă sản phẩm của công ty Hyprotech thuộc công ty AEA Technologie Engineering Software-Hyprotech Ltd. Lă một phần mềm có khả năng tính toân đa dạng, cho kết quả có độ chính xâc cao. Đồng thời, cung cấp nhiều thuật toân sử dụng trợ giúp trong quâ trình tính toân công nghệ vă khảo sât câc thông số trong quâ trình thiết kế nhă mây hóa chất. Ngoăi thư viện có sẵn, Hysys cho phĩp người sử dụng tạo câc thư viện riíng rất thuận tiện cho việc sử dụng.
Ngoăi ra, Hysys còn có khả năng tự động tính toân câc thông số còn lại nếu thiết lập đủ thông tin. Đđy chính lă điểm mạnh của Hysys giúp người sử dụng trânh những sai sót vă đồng thời có thể sử dụng những dữ liệu ban đầu khâc nhau.
Với Hysys chúng ta có thể mô hình hóa ở trạng thâi tĩnh vă trạng thâi động của một sơ đồ thiết kế cần phải tiến hănh. Với giao diện của Hysys lă hoăn toăn tương tâc giữa người vă mây nín chúng ta có thể thao tâc với câc biến số cần xử lý vă mô hình của câc thiết bị một câch dễ dăng, cũng như khả năng thiết kế mô phỏng.
Phần mềm Hysys được phât triển trín nền tảng lă phiín bản của phần mềm mô phỏng Hyprotech. Sản phẩm mới năy có câc khả năng:
• Thích hợp hơn
• Dễ nhìn vă có thể tương tâc qua lại • Có khả năng mở rộng
Để đâp ứng nhu cầu ngăy căng tăng của câc quy trình công nghệ bằng giải phâp phần mềm chính xâc vă được tổ chức hợp lý, Hyprotech đê phât triển môi trường mô hình mô phỏng tích hợp Hysys. Vă câc ứng dụng của phần mềm Hysys bao gồm :
• Hysys.Concept: Thiết kế vă bảo vệ hệ thống phđn tâch một câch hiệu quả nhất.
• Hysys.Process: Cung cấp sự chính xâc, nhanh chóng vă có hiệu quả bởi câc yíu cầu cho hoạt động thiết kế quy trình. Tính toân được vốn đầu tư vă chi phí vận hănh để từ đó có sự chọn lựa giữa câc phương ân thiết kế.
• Hysys.Plant: Cung cấp trạng tĩnh được tích hợp vă khả năng mô phỏng cho trạng thâi động, nó đưa ra kết quả chính xâc vă có độ trung thực cao với mô hình câc thiết bị đẹp vă câc chi tiết thực hiện.
Sử dụng công cụ mô phỏng để đưa ra câc điều kiện thuận lợi, đânh giâ hoạt động của nhă mây hiện hănh, trang bị câc thiết bị để đạt được độ tin cậy về hoạt động, an toăn, lợi nhuận cao nhất. Cải tiến câc thiết bị có sẵn vă mở rộng quy mô nhă mây hiện hănh.
• Hysys.OTS: Những qui trình hướng dẫn hoạt động giúp người vận hănh nắm bắt về công nghệ, mức độ an toăn trong hoạt động của nhă mây, lăm theo những qui tắc hướng dẫn về an toăn vă vận hănh để tăng lợi nhuận.
• Hysys.RTO+: Tối ưu hiệu quả nhă mây, chuyển đổi mô hình sản xuất, sử dụng công nghệ có sẵn vă tăng lợi nhuận trong hoạt động bằng câch cho phĩp những thay đổi về công nghệ vă yíu cầu sản phẩm.
• Economic: Những dữ liệu thu được từ mô phỏng lă công cụ cơ bản để dựa văo nó mă có những thông tin xâc thực nhằm quyết định về vấn đề đầu tư vă xđy dựng một câch có hiệu quả nhất.
Hysys lă phầm mềm chuyín dụng dùng để tính toân vă mô phỏng công nghệ được dùng cho chế biến dầu vă khí, trong đó câc quâ trình xử lý vă chế biến khí được sử dụng nhiều nhất.
Hysys được thiết kế sử dụng cho hai trạng thâi mô phỏng:
• Steady Mode: Trạng thâi tĩnh, sử dụng thiết kế công nghệ cho một quâ trình. • Dynamic Mode: Trạng thâi động, mô phỏng thiết bị hay quy trình ở trạng
thâi đang vận hănh liín tục, khảo sât sự thay đổi câc đâp ứng của hệ thống theo sự thay đổi của một văi thông
2.3.2. Sử dụng chương trình Hysys
Sau khi khởi động Hysys, để thiết kế một qui trình công nghệ ta cần tiến hănh câc bước sau:
Bước 1: Thiết lập hệ đơn vị sử dụng: Từ Menu Bar chọn Tools/Preferences để mở ra cửa sổ Preferences vă sau đó lựa chọn Variable Tab.
Chúng ta có thể lựa chọn hệ đơn vị trong thư viện có sẵn (như hệ đơn vị SI, Field…) hay chúng ta có thể tạo ra một hệ đơn vị để phù hợp với quy trình công nghệ.
Bước 2: Chúng ta có hai trường hợp lựa chọn:
•Mở một quy trình đê được thiết lập: Nhấp File/Open Case. •Thiết lập một quy trình mới: Nhấn File/New Case.
Bước 3: (chỉ thực hiện khi bước 2 thiết lập một quy trình mới): tạo New Fluid Package hoặc chọn một Fluid Package đê có sẵn từ trước.
Khi tạo New Fluid Package cần cung cấp thông tin về thuật toân dùng để tính toân vă thănh phần câc cấu tử có mặt trong toăn bộ quâ trình mô phỏng. Việc xâc định thuật
toân có ý nghĩa quan trọng vì điều năy sẽ quyết định đến phương phâp tính toân vă kết quả của quâ trình. Thông thường lựa chọn hệ nhiệt động Peng Robinson hoặc SRK cho câc hệ dầu, khí vă hoâ dầu.
Ngoăi việc lựa chọn câc thănh phần câc cấu tử có sẵn, Hysys còn cho phĩp người sử dụng lựa chọn câc hệ giả định, đđy lă những hệ không bao gồm từng cấu tử riíng lẻ mă được xâc định thông qua câc thông tin về tính chất hoâ lý như đường cong ASTM, TBP...
Bước 4: Nhấn chọn Enter Simulation Environment để văo môi trường mô phỏng PFD, từ đđy chúng ta có thể thiết lập câc dòng vă câc thiết bị cần thiết cho quy trình công nghệ.
Bước 5: Xuất kết quả của quâ trình mô phỏng dưới dạng dữ liệu thông qua Report (chọn Tool/Reports) hoặc bằng đồ thị vă giao diện mô phỏng.
Bước 6: Trong trường hợp muốn xem mô hình động của quâ trình (chuyển sang Dynamic Mode) thì cần thực hiện câc bước sau:
• Thiết lập câc thông số động của quâ trình qua trang Dyn Property Model • Xâc định kích thước của câc thiết bị cùng với câc thông số cần thiết như
số vòng quay của bơm, quạt, mây nĩn…
• Thiết lập câc bộ điều khiển vă câc bảng theo dõi.
2.3.3. Ưu điểm của Hysys
Hysys cho độ chính xâc rất cao. Hysys có khả năng bâo lỗi bằng bằng mău đỏ tại câc thiết bị mô phỏng khi ta nhập dữ liệu không hợp lệ hoặc nhập thiếu dữ liệu. Việc điều hănh vă tính toân câc thông số công nghệ của dòng vă câc thiết bị trong nhă mây mang tính logic cao, việc thím bớt câc thiết bị cũng đơn giản vă không cần đòi hỏi