Phần mềm Materials Studio của hãng Acelerys

Phần mềm mô phỏng Materials StudioPhần mềm Materials Studio của hãng Acelerys là một phần mềm ứng dụng mô phỏng và mô hình hóa toàn diện được thiết kế cho các nhà hóa học và nghiên cứu v

Phần mềm mô phỏng Materials Studio

Phần mềm Materials Studio của hãng Acelerys là một phần mềm ứng dụng mô phỏng và mô hình hóa toàn diện được thiết kế cho các nhà hóa học và nghiên cứu vật liệu R & D cũng như phát triển dược phẩm

Materials Studio làm giảm thời gian cần thiết để giải quyết các tính toán phức tạp về:

* Công nghiệp-ứng dụng môi trường đồ họa người dùng

* Ứng dụng kỹ thuật mô phỏng lượng tử và nguyên tử

* Công cụ thống kê mạnh nhằm xác định cấu trúc và các mối quan hệ liên quan

Materials Studio cung cấp một bộ toàn diện các ứng dụng khoa học cho mô hình hóa cấu trúc tinh thể và các quá trình kết tinh; cho phép dự đoán tính chất của các phân tử, polyme, chất xúc tác, và các vật liệu khác; và cho sự phát triển của cấu trúc và các tác động liên quan

Với Materials Studio bạn có thể:

* Giảm bớt số lượng các thí nghiệm tốn kém và thường dài để đưa ra một sản phẩm ra thị trường

* Giảm thiểu thời gian cần thiết để thiết lập và giải quyết các tính toán phức tạp

* Giúp đưa ra các quyết định đúng đắn trong nghiên cứu trên một phạm vi rộng bao gồm các chất xúc tác, polyme, hóa chất đặc biệt, vật liệu tiên tiến và phát triển thuốc

Với phiên bản mới nhất 5.0 yêu cầu cấu hình máy tính phải đủ mạnh

Thiết kế hệ thống tháp chưng cất bằng Pro/II

Pro II là phần mềm tính toán chuyên dụng trong các lĩnh vực công nghệ hóa học nói chung, đặc biệt là trong lĩnh vực lọc hóa dầu, polymer, hóa dược… Đây là phần mềm tính toán rất chính xác các quá trình chưng cất Pro II là sản phẩm của SIMSCI, được hình thành năm 1967 và được sử dụng chính thức vào năm 1988 Phiên bản mới nhất hiện nay là Pro II 8.1

Pro II vận hành theo các modul liên tiếp, mỗi thiết bị được tính riêng lẽ và lần lượt tính cho từng thiết bị Nó bao gồm các nguồn dữ liệu phong phú : thư viện các cấu tử hóa học, các phương pháp xác định các tính chất nhiệt động, trợ giúp rất mạnh trong việc tính toán các thiết bị trong sơ đồ công nghệ Pro II là công cụ mô phỏng tĩnh, được sử dụng nhằm 2 mục đích chính : § Thiết kế một phân xưởng mới (Sizing) § Mô phỏng một phân xưởng đã được xây dựng trong thực tế để nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự vận hành của

nó (Rating) như : thay đổi nguồn nguyên liệu, điều kiện vận hành hoặc tiêu chuẩn kỹ thuật của sản phẩm

Thiết kế hệ thống tháp chưng cất mâm chóp để chưng cất hỗn hợp Benzene – Toluen có năng suất nhập liệu 0,5 m3/h; Nồng độ nhập liệu 40% mol bezene; Nồng độ sản phẩm đỉnh: 90% mol bezene; Nồng độ sản phẩm đáy: 10% mol bezene

I/ Xác định số đĩa lý thuyết

Bước 1: Nhập thông tin mô tả vấn đề

Thông tin ở phần này thì mỗi người tự ghi, làm sao cho dễ nhớ và mô tả được vấn đề đang làm

Bước 2: Nhập các cấu tử trong hệ

Trong bài là: bezene và toluen

Bước 3: Nhập mô hình nhiệt động

Tùy thuộc vào từng bài toán cụ thể mà ta sẽ chọn mô hình nhiệt động thích hợp Ở đây chọn mô hình NRTL

để làm ví dụ

Bước 4: Vẽ lưu đồ quá trình

Ta sẽ tiến hành vẽ thiết bị shortcut (để phục vụ cho việc tính tóan số đĩa lý thuyết) và bổ sung các dòng (stream) vào lưu đồ như hình vẽ

Bước 5: Nhập thông số cho dòng nhập liệu (tính chất của dòng nhập liệu)

Tuần tự nhập các thông số cần thiết cho dòng nhập liệu như sau:

Nhập các thông số nhiệt độ và áp suất

Nhập nồng độ và lưu lượng dòng nhập liệu

Bước 6: Nhập các thông số cho thiết bị shortcut

Bước 7: Chạy phân tích kết quả

Sau khi đã nhập đầy đủ các dữ kiện cần thiết, ta nhấn vào nút run (mũi tên tam giác) để chương trình phân tích các dữ kiện vừa đưa vào Nếu bài tóan hội tụ thì lưu đồ sẽ tòan màu xanh dương như hình sau:

Tương tự như vậy, ta thay đổi dữ kiện bài tóan để có được bảng sau:

Vẽ đồ thị liên hệ giữa N(R+1) và R Từ đó ta chọn ra tỷ số hồi lưu thích hợp ứng với N(R+1) –> min

Theo đồ thị, ta chọn R/Rmin = 2 Và số đĩa lý thuyết tương ứng là 8 đĩa, vị trí mâm nhập liệu là mâm số 4

II/ Tính tóan sơ bộ tháp chưng cất

Thay thế shortcut bằng thiết bị chưng cất như hình vẽ với số đĩa lý thuyết là 8 đĩa và vị trí mâm nhập liệu là 4

Nhập ví trí đĩa nhập liệu vào và lượng sản phẩm đỉnh đi ra (dự đóan để làm giá trị khởi tạo ban đầu cho pro/ii tính tóan mà thôi)

Nhập các specification tương tự như trong thiết bị shortcut

Nhập đầy đủ các thông số còn thiếu của thiết bị chưng cất vào và bắt đầu chạy chương trình Ta được các kết quả như sau:

Trích dẫn

———- NET FLOW RATES ———– HEATER

TRAY TEMP PRESSURE LIQUID VAPOR FEED PRODUCT DUTIES

DEG C KG/CM2 KG-MOL/HR M*WATT

—— ——- ——– ——– ——– ——— ——— ————

1C 81.2 1.00 5.5 1.9L -0.0645

2 84.0 1.00 5.4 7.4

3 87.7 1.00 5.3 7.3

4 91.8 1.00 5.2 7.2

5 95.1 1.00 11.7 7.1 5.1L

6 98.5 1.00 11.6 8.5

7 102.0 1.00 11.6 8.4

8R 105.1 1.00 8.4 3.2L 0.0784

TRAY SIZING RESULTS

DESIGN NUMBER —– DOWNCOMER WIDTHS ——-

SECTION TRAY DIAMETER NP OF VALVES SIDE CENTER OFF-CENTER

NUMBER MM OR CAPS MM MM MM

——- —— ——– – ——— —— ——- ———-

1 4 610 1 13 69.693 N/A N/A

2 5 762 1 22 133.212 N/A N/A

TRAY SELECTION FOR TRAY RATING

BUBBLE CAP DIAMETER 101.6 MM

BUBBLE CAP SPACING 25.4 MM

TRAY RATING AT SELECTED DESIGN TRAYS

PRES WEIR DOWNCOMER

TRAY VAPOR LIQUID VLOAD DIAM FF NP DROP RATE BACKUP, PCT

M3/S M3/S M3/S MM KG/CM2 CM3/S/MM TRAY SPACING

—- —– ——- —– —- —- – —— ——– ————

2 0.062 0.00015 0.004 610 17.7 1 0.002 0.387 34.09

3 0.062 0.00015 0.004 610 17.8 1 0.002 0.391 34.13

4 0.062 0.00015 0.004 610 17.9 1 0.002 0.397 34.18

5 0.074 0.00035 0.004 762 16.2 1 0.002 0.609 34.05

6 0.074 0.00036 0.004 762 16.4 1 0.002 0.619 34.13

7 0.075 0.00036 0.004 762 16.6 1 0.002 0.630 34.23

Như vậy là ta đã tính tóan lựa chọn đường kính tháp đoạn chưng và đoạn cất, số chóp trên một mâm, khỏang cách mâm, và nhiều thông số khác mà pro/ii tính tóan ra

Tuy nhiên, để xác định vị trí đĩa nhập liệu tối ưu, ta đưa thêm công cụ optimizer vào mô hình để thực hiện việc tính tóan vị trí đĩa nhập liệu thích hợp sao cho nhiệt cung cấp cho nồi đun là thấp nhất

Hình vẽ các thông số cần nhập vào cho optimizer

Từ đó, chạy lại optimizer một lần nữa, ta sẽ có được vị trí đĩa nhập liệu tối ưu là: 5

Trích dẫn

Optimizer ‘OP1′

** BEST OBJECTIVE FUNCTION = 7.84142E-02 AT CYCLE NUMBER 4

VARY ——— VARIABLE ———-

INDEX INITIAL VALUE OPTIMUM VALUE

—– ————- ————-

1 4.00000E+00 4.98625E+00

III/ Bổ sung thiết bị hồi nhiệt và thiết bị gia nhiệt vào hệ thống

Trong phần trước, ta đã xác định được vị trí mâm nhập liệu là mâm thứ 5 (từ trên đếm xuống) Vì vậy, trong

lưu đồ ta thay đổi lại vị trí mâm nhập liệu

Dựa vào phân bố nhiệt độ trên mâm, ta có được nhiệt độ nhập liệu cần gia nhiệt là vào khoảng 95 – 96 độ C

Vẽ lưu đồ quy trình công nghệ như sau:

Ta xác định nhiệt độ đầu ra của thiết bị gia nhiệt là 96 độ C Nhiệt độ của dòng sản phẩm đáy sau khi ra khỏi nhiệt độ là 70 độ C

Sau đó, chạy kết quả phân tích ta sẽ được lượng nhiệt cần thiết cung cấp cho thiết bị gia nhiệt và lượng nhiệt trao đổi trong thiết bị hồi nhiệt và các thông số khác về tính chất của dòng

IV/ Tính tóan tối ưu quá trình

Trong phần II, ta đã tính tóan vị trí đĩa nhập liệu dựa trên việc tối thiểu hóa chi phí nồi đun Tuy nhiên, để quá trình thiết kế ra có tính kinh tế, đạt lợi nhuận cao, ta cần phải cân đối giữa chi phí cần tiêu hao cho quá trình

và lợi nhuận thu được Dựa vào đó, ta sẽ tính tóan tối ưu hóa quá trình với hàm mục tiêu là tối đa hóa lợi nhuận đạt được

Trong ví dụ này, ta coi như lợi nhuận đạt được = Thu nhập từ việc bán các sản phẩm thu được – chi phínăng lượng (chi phí nồi đun)

Với:

C1 = giá benzen = $4/gal

C2 = giá toluen = $3.62/gal

C3 = chi phí nồi đun = $10/kj năng lượng cung cấp

Như vậy:

PROFIT = C1*P(1) + C2*P(2) – C3*P(3)*3600/1000

Cách thiết lập các thông số cho caculator như sau:

Thiết lập các parameter

Thiết lập các constant

Để kết hợp với công cụ optimizer, ta làm như sau:

Như vậy, ta đã thiết lập xong các thông số cần thiết cho quá trình tối ưu này Bây giờ, chỉ còn một việc cuối cùng nữa là nhấn nút Run trên thanh toolbar để chương trình phân tích và cho ra kết quả

Trích dẫn

UNIT 5, ‘CA1′, ‘Tinh toan loi nhuan’

Result Name Value

——— ———— ————

1 profit 4.93036E+02

Parameter Value Parameter Value

——— ———— ——— ————

1 4.52708E+01 3 6.44009E-02

2 8.68153E+01

Optimizer ‘OP1′, ‘Toi uu vi tri dia nhap lieu’

** BEST OBJECTIVE FUNCTION = 4.93024E+02 AT CYCLE NUMBER 1

VARY ——— VARIABLE ———-

INDEX INITIAL VALUE OPTIMUM VALUE

—– ————- ————-

1 5.00393E+00 5.00393E+00

—————- CONSTRAINT —————–

CNSTR MINIMUM MAXIMUM FINAL

INDEX VALUE VALUE VALUE

—– ————- ————- ————-

1 0.00000E+00 3.00000E-03 4.93024E+02

2 N/A 1.00000E-03 6.47531E-02

OPTIMIZER HISTORY

—- DERIVATIVES —-

CYCLE BEST – 1 2

———- ———– ———–

CNSTR 1

/VARY 1 -9.2747E-02 N/A

CNSTR 2

/VARY 1 2.4669E-03 N/A

OBJECTIVE

/VARY 1 -9.2747E-02 N/A

—- SHADOW PRICES —-

CYCLE BEST – 1 2

———- ———– ———–

VARY 1 0.0000E+00 1.0720E+04

CNSTR 1 0.0000E+00 0.0000E+00

CNSTR 2 0.0000E+00 0.0000E+00

—- VALUES —-

CYCLE BEST – 1 2

———- ———– ———–

VARY 1 5.0039E+00 4.6885E+00

CNSTR 1 4.9302E+02 4.9289E+02

REL ERR 0.00E+00 0.00E+00

CNSTR 2 6.4753E-02 6.8498E-02

REL ERR 0.00E+00 0.00E+00

SUM SQ ERR 0.0000E+00 0.0000E+00

OBJECTIVE 4.9302E+02 4.9289E+02

V/ Kết luận

Như vậy, ta đã thực hiện qua một số bước trong công việc thiết kế tháp chưng cất Có thể nói, nhờ các công

cụ mô phỏng, công việc tính tóan cũng như tra các bảng tra sẽ giảm đi rất nhiều nhờ có cơ sở dữ liệu khá lớn

mà pro/ii đã cung cấp cho chúng ta Tuy nhiên, trong bài này cũng khá nhiều vấn đề chưa được giải quyết Vấn đề đầu tiên cần phải đề cập đến, đó là từ đầu đến cuối, ta chỉ thao tác trên số đĩa lý thuyết mà chưa đưa vào hiệu suất đĩa và chưa thao tác trên số đĩa thực Phần này các bạn sinh viên tự tìm hiểu lấy một cách dễ dàng

Vấn đề thứ hai là việc sử dụng công cụ shortcut Cần phải đọc kỹ trong trường hợp nào thì có thể sử dụng shortcut để kết quả của mô phỏng phù hợp

Vấn đề thứ ba là mô hình nhiệt động Việc chọn mô hình nhiệt động có thể nói là quan trọng bậc nhất trong việc tính tóan mô phỏng quá trình Để có thể lựa chọn mô hình nhiệt động phù hợp thì ta có thể tham khảo trong các tài liệu đi kèm của chương trình mô phỏng hoặc các tài liệu khác có liên quan

Một vấn đề mà ta không thể tính tóan được thông qua pro/ii đó là tính tóan kết cầu thiết bị (bề dày thiết bị, kết cấu ống chảy truyền, ống nhập liệu,…) và đây lại là phần khá quan trọng trong đồ án môn học của sinh viên

Hóa học tính toán lên ngôi

TTCT - Giải Nobel hóa học năm 2013 đã thuộc về GS Martin Karplus (ĐH Strasbourg, Pháp và ĐH Harvard, Mỹ),

GS Michael Levitt (ĐH Standford, Mỹ) và GS Arieh Warshel (ĐH Southern California, Mỹ) cho thành tích “phát triển các mô hình tính toán đa quy mô cho các hệ hóa học phức tạp”, vinh danh hóa học tính toán - một trong những nhánh quan trọng nhất của hóa học lý thuyết hiện đại (1)

Ba nhà khoa học này đã thiết lập phương pháp và xây dựng các mô hình tính toán cho các phản ứng hóa học, trên cơ sở kết hợp tính toán bằng cả vật lý cổ điển và vật lý lượng tử, ứng dụng được cho mọi loại phân tử và nhiều quá trình hóa học khác nhau Điều này không chỉ giúp tăng hiểu biết chi tiết về các hiện tượng hóa học, mà còn được ứng dụng để tối ưu hóa các quá trình hóa học phức tạp như xúc tác, sản xuất dược phẩm và các pin mặt trời

Lý thuyết hay thực nghiệm?

Hóa học là ngành khoa học thực nghiệm, điều được coi là hiển nhiên từ xưa đến nay, không chỉ đúng cho ngành hóa học hiện đại mà ngay từ thời giả kim thuật, mọi phản ứng hóa học cũng đều là các mày mò thực nghiệm Trước đây, các nhà hóa học lý thuyết khi đưa

ra một giả thuyết, cần đưa đến cho nhà thực nghiệm kiểm chứng Sau một thời gian thí nghiệm, điều mà anh ta nhận được rất có thể là một câu quen thuộc: Lại sai rồi! Chỉ khi nào được thực nghiệm xác nhận thì giả thuyết mới được coi là đúng, tất nhiên là với những điều kiện biên cụ thể

Nhưng ngày nay thì câu chuyện khác đi nhiều: khi một nhà thực nghiệm kiểm tra lại một tính toán lý thuyết, nếu thực nghiệm không xác nhận thì rất có thể nhà thực nghiệm phải kiểm tra lại thí nghiệm của mình

Hóa học hiện đại là sự kết hợp của các tính toán lý thuyết và thực nghiệm Trong các chương trình nghiên cứu lớn, các tính toán lý thuyết sẽ chỉ ra quá trình hóa học nào là khả dĩ, phản ứng nào là có thể xảy ra, xảy ra như thế nào, điều kiện nào là tối ưu Tất cả những điều này được mô phỏng và tính toán trên máy tính trước Sau đó các thực nghiệm mới được tiến hành Nhờ sự kết hợp này mà thực nghiệm không còn phải mò mẫm như trước nữa Đầu tư và công sức, do đó là chi phí, giảm đi rất nhiều, có thể lên đến 90% nhờ

sự hỗ trợ của mô phỏng và tính toán lý thuyết

Vì thế mà ngày nay không một khoa hóa hay một trung tâm nghiên cứu, một công ty dược phẩm lớn nào lại không có một bộ môn hóa học lý thuyết, mà chủ yếu tập trung vào hóa học tính toán

Môn hóa học là ngành khoa học mà đối tượng nghiên cứu của nó là vật chất, và quá trình chuyển từ chất này sang chất khác thông qua các phản ứng hóa học Như vậy, ở đây có hai câu chuyện cần nghiên cứu để thấu hiểu: các đặc trưng của các chất tham gia phản ứng ở trạng thái đầu và cuối, và chi tiết của quá trình chuyển đổi từ trạng thái đầu sang trạng thái cuối đó Nói cách khác, có hai câu hỏi cần trả lời: “Cái gì?” và “Như thế nào?” Hóa học thực nghiệm sẽ trả lời cho câu hỏi “Cái gì?” (cái gì tham gia phản ứng, cái gì tạo thành trong phản ứng) Hóa học tính toán trả lời câu hỏi “Như thế nào?”

Vì sao vậy? Vì chi tiết của việc chuyển đổi này thường diễn ra nhanh như chớp, cỡ phần nghìn hoặc phần triệu giây Đây là quá trình liên quan trực tiếp đến sự trao đổi hoặc phân bố lại các điện tử của các chất tham gia phản ứng Sự trao đổi hay phân bố này diễn ra gần như tức thời, vì thế không có cách nào có thể quan sát được một cách chi tiết bằng thực nghiệm Lúc này, cách duy nhất để hiểu được các quá trình này là sử dụng các tính toán và mô phỏng trên máy tính

Lượng tử hay cổ điển?

Sự phát triển của vật lý học đầu thế kỷ 20 đã tạo ra một ngành mới: vật lý lượng tử Đối tượng của vật lý lượng tử là các hệ vi mô, có thể coi gần đúng là các hệ có kích thước cỡ phân tử, nguyên tử trở xuống Trước đó, khoa học được thống trị bởi vật lý cổ điển, ứng dụng cho các hệ vĩ mô, tức hệ thống có kích thước từ cỡ phân tử, nguyên tử trở lên

Sự ra đời của cơ học lượng tử không chỉ khắc phục được nhiều khiếm khuyết của vật lý cổ điển trong việc nghiên cứu các hệ vi mô,

mà còn mở ra một cách nhìn mới về bản chất của thế giới Lần đầu tiên, lưỡng tính sóng - hạt, tức hai thuộc tính trái ngược nhau của vật chất, được thừa nhận đồng tồn tại Sự chắc chắn của các phép đo và các định luật khoa học cũng chỉ mang tính thống kê Chính vì

lẽ đó, Einstein đã phản bác bằng câu nói nổi tiếng: Chúa không chơi trò xúc xắc!

Nhưng đóng góp của cơ học lượng tử với khoa học là cực kỳ to lớn Ngay sau khi ra đời, chỉ trong vòng 15 năm, từ 1918-1933, cơ học lượng tử đã mang lại năm giải Nobel cho các nhà khoa học: M Planck (1918), N Bohr (1922), De Broglie (1929), W Heisenberg