Thiết kế quá trìh công nghệ hóa học hysys hcmut năm 2024
|
Hiện nay trong lĩnh vực công nghệ hoá học có rất nhiều phần mềm mô phỏng cӫa các công ty phần mềm đã được phát triển và sử dụng rộng rãi trong tính toán công nghệ, như: PRO/II, Dynsim (Simsci); HYSIM, HYSYS, HTFS, STX/ACX, BDK (AspenTech); PROSIM, TSWEET (Bryan Research & Engineering); Design II (Winsim); IDEAS Simulation; Simulator 42..., trong đó phổ biến nhất là PRO II, Dynsim (Simsci) và HYSYS (AspenTech). Sự phát triển mạnh mẽ cӫa 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. HYSYS có cơ sӣ nhiệt động học rất vững chắc và đầy đӫ, khả năng thiết kế linh hoạt, cùng với mӭc độ chính xác và tính thiết thực cӫa các hệ nhiệt động cho phép thực hiện các mô hình tính toán rất gần với thực tế công nghệ. HYSYS là công cụ mô phỏng công nghệ rất mạnh phục vụ cho nghiên cӭu tính toán thiết kế công nghệ cӫa các kỹ sư trên cơ sӣ hiểu biết về các quá trình công nghệ hoá học. HYSYS đáp ӭng 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 h oá dầu và công nghệ hoá học. HYSYS rất mạnh trong mô phỏng tĩnh. Ӣ mӭc 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, bӣi vì HYSYS chỉ là công cụ phục vụ cho mô phỏng tính toán công nghệ, nó không thể suy nghĩ thay cho các kỹ sư. HYSYS được chú trọng thiết kế đặc biệt cho một số điểm trọng yếu nhằm hỗ trợ các kỹ sư thực hiện mô phỏng hiệu quả. Khả năng ӭng dụng và sử dụng hiệu quả là hai tính năng vượt trội cӫa HYSYS, đã và đang tiếp tục được phát triển. HYSYS là chương trình mô phỏng công nghệ hóa học đang được sử dụng rộng rãi trong các trưӡng đại học công nghệ. Quyển sách này sẽ giới thiệu cho sinh viên lần đầu tiên sử dụng HYSYS và có ít hoặc chưa có kinh nghiệm mô phỏng trên máy tính, và c ng là giáo trình dành cho sinh viên năm thӭ ba cӫa các trưӡng đại MỤC LỤC
Chѭѫng 1 GIӞI THIӊU Vӄ MÔ PHӒNG
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 thӭc 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 c ӫa 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 thӭc với các điều kiện ràng buộc thực tế việc tính toán gặp hai khó khăn. Thӭ nhất đó là giải hệ các phương trình đại số phi tuyến (thưӡng phải sử dụng phương pháp tính lặp). Thӭ hai là phép tính tích phân cӫa các biểu thӭc vi phân (sử dụng các biểu thӭc vi phân hữu hạn rӡi rạc để xấp xỉ các biểu thӭc vi phân liên tục). Các mô hình toán học rất hữu ích trong tất cả các giai đoạn, từ nghiên cӭu triển khai đến cải tiến phát triển nhà máy, và ngay cả trong nghiên cӭu các khía cạnh thương mại và kinh tế cӫa quá trình công nghệ. Trong nghiên cӭu công nghệ, dựa trên các số liệu nghiên cӭu về cơ chế và động học cӫa phản ӭng trong phòng thí nghiệm hoặc các phân xưӣng pilot, đánh giá ảnh hưӣng cӫa các điều kiện tiến hành quá trình để nghiên cӭu tối ưu hoá và điều khiển quá trình, bao g m cả nghiên cӭu tính toán mӣ rộng quy mô sản xuất (scale-up). Trong nghiên cӭu thiết kế, tính toán kích thước và các thông số cӫa thiết bị và toàn bộ dây chuyền công nghệ, đánh giá ảnh hưӣng cӫa các yếu tố động học, nghiên cӭu tương tác ảnh hưӣng l n nhau cӫa các công đoạn trong công ngh ệ khi có sự tuần hoàn nguyên liệu hoặc trao đổi nhiệt tận dụng tối ưu nhiệt cӫa quá trình. Mô phỏng tính toán điều khiển quá trình, khӣi 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 g m rất nhiều yếu tố hết sӭc phӭc tạp có ảnh hưӣng l n nhau (các thông số công nghệ như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng dòng, thành phần hỗn hợp phản ӭng, xúc tác, các quá trình phản ӭng song song và nối tiếp, hiệu ӭng nhiệt cӫa phản ӭng, cân bằng pha trong hệ thống,...). Độ phӭc tạp cӫa quá trình tăng lên, đ ng nghĩa với số lượng các thông số liên quan, các biến số, các phương trình, các biểu thӭc toán học, các điều kiện ràng buộc tăng lên. Giải quyết đ ng thӡi các vấn đề trên đòi hỏi một khối lượng tính toán cực kỳ lớn, việc tính toán bằng tay đòi hỏi rất nhiều thӡi gian và hầu như là không thể thực hiện được một cách chính xác và tin cậy.
Ngoài thư viện có sẵn, HYSYS cho phép ngưӡi 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 nổi bật cӫa HYSYS là tự động tính toán các thông số còn lại nếu thiết lập đӫ thông tin do đó sẽ tránh được sai sót và có thể thay đổi các điều kiện c ng như sử dụng các dữ l iệu đầu vào khác nhau. HYSYS 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 cӭu thiết kế công nghệ cho một quá trình, tối ưu hoá các điều kiện công nghệ. Với mỗi một b ộ số liệu ban đầu, mỗi điều kiện công nghệ xác định thì khi quá trình tính toán hội tụ, kết quả thu được tương ӭng với các điều kiện đó mà không thay đổi theo thӡi 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 ӭng. Từ đó có thể xác định được các yếu tố ảnh hưӣng lên quá trình và mӭc độ ảnh hưӣng cӫa 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 cӭu thiết kế một quá trình công nghệ mới hoặc tính toán cải tiến, phát triển mӣ 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 ӣ trạng thái đang vận hành liên tục có các thông số thay đổi theo thӡi gian, khảo sát sự thay đổi các đáp ӭng cӫa hệ thống theo sự thay đổi cӫa một vài thông số công nghệ. Trạng thái mô phỏng động cho thấy sự ảnh hưӣng cӫa các thông số công nghệ theo thӡi gian và có thể thiết lập c ng 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 tưӡng 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 ӣ chế độ tự động hoá rất cao. Sử dụng HYSYS giúp giảm chi phí cho quá trình côngnghệ do có thể tối ưu các thiết bị trong dây chuyền mà v n đảm bảo được yêu cầu về chất lượng sản phẩm. HYSYS 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 cӫa quá trình. HYSYS có một thư viện mӣ các thiết bị, các cấu tử và cung cấp phương tiện để liên kết với các cơ sӣ dữ liệu khác nên cho phép mӣ rộng phạm vi chương trình và rất gần với thực tế công nghệ. HYSYS có một số lượng lớn các công cụ mô phỏng, hỗ trợ hiệu quả trong nghiên cӭu mô phỏng, với giao diện thân thiện và dễ sử dụng, đặc biệt với những ngưӡi bắt đầu làm quen với chương trình mô phỏng. Trình tự thực hiện mô phỏng theo các bước sau đây:
2 .1. Bҳt đҫu vӟi HYSYS Khӣi động HYSYS bằng cách bấm vào biểu tượng cӫa HYSYS, trên màn hình máy tính sẽ xuất hiện giao diện như trong hình 2. Hình 2. Giao diện mở đầu xuất hiện khi khởi động HYSYS Trước khi thực hiện mô phỏng, HYSYS cần phải biến đổi giao diện ban đầu này. Tại giao diện ban đầu này sẽ thực hiện lựa chọn các cấu tử cần thiết và hệ nhiệt động phù hợp cho mô phỏng.
Aspen HYSYS sử dụng khái niệm hệ nhiệt động (Fluid Package) bao g m tất cả các thông tin cần thiết để tính toán các tính chất vật lý và cân bằng pha cӫa 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 ӭng hoá học, các số liệu dạng bảng,...) bên trong một gói. Có bốn ưu điểm chính cӫa 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 Basic Manager. Simulation Basic 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. 2 .3. Bҳt đҫu mô phӓng 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 Khi đó giao diện Simulation Basic Manager sẽ xuất hiện (hình 2). Trong giao diện này có các tab. Thưӡng 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), Reactions tab sử dụng khi thiết lập các phản ӭng hoá học. Hình 2. Giao diện Simulation Basic Manager Các tab Menu chính Thanh công cụ 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.
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 cӫa các cấu tử và hỗn hợp trong quá trình mô phỏng (ví dụ như enthalpy, entropy, tỷ trọng, cân bằng lỏng - hơi, ...). Vì thế việc lựa chọn hệ nhiệt động phù hợp có ý nghĩa rất quan trọng, là cơ sӣ để tính toán mô phỏng cho kết quả đúng.
Hình 2. Giao diện Fluid Package
2 .6. Lựa chӑn mô hình nhiӋt đӝng Lựa chọn mô hình nhiệt động phù hợp rất quan trọng, quyết định đến kết quả tính toán cӫa toàn bộ quá trình. Đây là một thӫ tục đầu tiên để bắt đầu mô phỏng. Năm 1999, hai tác giả Elliott và Lira đã đề xuất sơ đ hình cây như mô tả trên hình 2 dưới đây. Hình 2. Sơ đồ lựa chọn mô hình nhiệt động Phân loại các cấu tử có trong hệ: khí, chất không phân cực, ngưng tụ, solvat hóa, điện ly Khí hoặc chất không phân cực? Chất điện ly? Khí (NH 3 , CO 2 )? hoặc P > 10 bars? Thử chọn PR, SRK, API 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 cӫa các cấu tử thiếu Thử chọn SAFT, ESD Thử Henry’s Law Thử ESD, SAFT, MHW2, Wong-Sandler Đúng Đúng Sai Đúng Sai Sai Sai Đúng Đúng Đúng Sai Sai Trong các ӭng dụng với dầu, khí và hoá dầu phương trình trạng thái Peng- Robinson nói chung được ӭng dụng phổ biến cho các hệ nhiệt động. Để biết chi tiết hơn có thể đọc thêm trong tài liệu hướng d n sử dụng HYSYS (Aspen HYSYS Simulation Basic Manual). 2 .7. VƠo môi trѭӡng mô phӓng 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 mục 2, 2 và 2, bấm vào phím Enter Simulation Environment ӣ bên phải phía dưới giao diện hoặc bấm vào biểu tượng trên thanh công cụ để vào môi trưӡng mô phỏng như mô tả trên hình 2.
Khi vào môi trưӡng mô phỏng, sẽ thấy giao diện như hình 2 dưới đây. Trước khi bắt đầu quá trình xây dựng lưu trình mô phỏng cần chú ý vài đặc điểm cӫa cửa sổ mô phỏng: HYSYS 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 cӫa lưu trình (flowsheet). Đặc điểm này có thể dừng khi bấm vào biểu tượng Solver Holding (phím đ n đỏ ) trên thanh công cụ phía trên màn hình. Khi đó Hình 2. Enter Simulation Environment HYSYS sẽ không tính toán và sẽ không đưa ra kết quả. Để tiếp tục tính toán, phải bấm vào biểu tượng Solver Active (phím đ n xanh ), chương trình mô phỏng bắt đầu hoạt động trӣ lại. Không giống với các quá trình mô phỏng khác, HYSYS có khả năng tính toán xuôi dòng và ngược dòng. Vì vậy cần đặc biệt chú ý khai báo các tham số cho lưu trình (flowsheet) phải đảm bảo rằng các thông tin được cung cấp cho HYSYS không mâu thu n với nhau. Nếu không sẽ bị lỗi và HYSYS sẽ không thể tính toán được. Hình 2. Giao diện Simulation Environment
Khi phải thay đổi cơ sӣ mô phỏng, cần phải quay lại giao diện Simulation Basis Manager. Thao tác đơn giản bấm vào biểu tượng trên thanh công cụ phía trên màn hình.
Đôi khi nhỡ tay bấm nhầm vào biểu tượng X màu đỏ góc trên bên phải giao diện. Để trӣ 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 |
