Hysys mô phỏng Công nghệ hóa học

Hiện nay trong lĩnh vực công nghệ hoá học có rất nhiều phần mềm mô phỏng của các công ty phần mềm đã được phát triển và sử dụng rộng rãi trong tính toán công nghệ, như: PROII, Dynsim (Simsci); HYSIM, HYSYS, HTFS, STXACX, 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 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. HYSYS 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. HYSYS là 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. HYSYS 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 h oá dầu và công nghệ hoá học. HYSYS rất mạnh trong mô phỏng tĩnh. 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 côn g nghệ trước khi bắt đầu thực hiện mô phỏng, bởi 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 ứng dụng và sử dụng hiệu quả là hai tính năng vượt trội của 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 trường đại học công nghệ. Quyển sá ch 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 thứ ba của các trường đại 3 học công nghệ, đ ng thời quyển sách có thể s ử dụng như một chỉ d n cho các khóa học cao hơn trong công nghệ hóa học, khi đó HYSYS như một công cụ mô phỏng để giải quyết các vấn đề công nghệ. Hơn nữa có thể sử dụng quyển sách này đ ng thời cho cả sinh viên và kỹ sư thực hành, như một tài liệu hướng d n hay một quyển sổ tay cho các khóa học HYSYS. HYSYS 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 HYSYS, 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. Phần mềm HYSYS chạy trong môi trường Windows có giao diện thân thiện với người sử dụng. HYSYS c ng 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 d n sử dụng HYSYS 2004.1, được 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. Quyển sách này được hoàn thành với sự tham gia rất nhiệt tình của các sinh viên năm cuối chuyên ngành Công nghệ Hữu cơ Hoá Dầu, trường Đại học Bách khoa Hà Nội các trợ giảng đã làm việc rất nghiêm túc và có kết quả. Quyển sách 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. 4 Tác giả

Hysys trong mô phỏng

Công nghệ hóa học

LỜI GIỚI THIỆU

Hiện nay trong lĩnh vực công nghệ hoá học có rất nhiều phần mềm mô phỏng của 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 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

HYSYS 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

HYSYS là 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 HYSYS 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

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 ứng dụng và sử dụng hiệu quả

là hai tính năng vượt trội của 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 trường 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 thứ ba của các trường đại

học công nghệ, đ ng thời quyển sách có thể sử dụng như một chỉ d n cho các khóa học cao hơn trong công nghệ hóa học, khi đó HYSYS như một công cụ mô phỏng để giải quyết các vấn đề công nghệ Hơn nữa có thể sử dụng quyển sách này đ ng thời cho cả sinh viên và kỹ sư thực hành, như một tài liệu hướng d n hay một quyển sổ tay cho các khóa học HYSYS

HYSYS 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 HYSYS, 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

Phần mềm HYSYS chạy trong môi trường Windows có giao diện thân thiện với người sử dụng HYSYS c ng 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 d n sử dụng HYSYS 2004.1, được 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

Quyển sách này được hoàn thành với sự tham gia rất nhiệt tình của các sinh viên năm cuối chuyên ngành Công nghệ Hữu cơ Hoá Dầu, trường Đại học Bách khoa Hà Nội - các trợ giảng - đã làm việc rất nghiêm túc và có kết quả

Quyển sách 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

MỤC LỤC

Lời giới thiệu 3

Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ MÔ PHỎNG 9

1.1 Mục đích của mô phỏng 9

1.2 Giới thiệu HYSYS 11

Chương 2 BẮT ĐẦU VỚI HYSYS 13

2.1 Bắt đầu với HYSYS 14

2.2 Quản lý cơ sở mô phỏng 14

2.3 Bắt đầu mô phỏng 15

2.4 Nhập các cấu tử 16

2.5 Lựa chọn Hệ nhiệt động (Fluids Package) 17

2.6 Lựa chọn mô hình nhiệt động 18

2.7 Vào môi trường mô phỏng 20

2.8 Khởi tạo dòng vật chất 22

2.9 Tóm tắt và ôn tập chương 2 27

2.10 Bài tập 27

Chương 3 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI 29

3.1 Phương trình trạng thái – Các biểu thức toán học 30

3.2 Thực hiện mô phỏng 30

3.3 Tóm tắt và ôn tập chương 3 38

3.4 Bài tập 39

Chương 4

BƠM 40

4.1 Bài toán 41

4.2 Tiến hành mô phỏng bơm 41

4.3 Thảo luận 46

4.4 Tóm tắt và ôn tập chương 4 46

4.5 Bài tập nâng cao 46

Chương 5 MÁY NÉN 47

5.1 Bài toán 48

5.2 Tiến hành mô phỏng máy nén 48

5.3 Thảo luận 53

5.4 Tóm tắt và ôn tập chương 5 53

5.5 Bài tập nâng cao 53

Chương 6 TUỐCBIN GIÃN NỞ KHÍ (EXPANDER) 54

6.1 Bài toán 55

6.2 Tiến hành mô phỏng tuốcbin giãn nở 55

6.3 Thảo luận 57

6.4 Tóm tắt và ôn tập chương 6 57

6.5 Bài tập nâng cao 57

Chương 7 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 58

7.1 Bài toán 59

7.2 Tiến hành mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt 59

7.3 Thảo luận 61

7.4 Tóm tắt và ôn tập chương 7 61

7.5 Bài tập nâng cao 61

Chương 8 THÁP TÁCH 62

8.1 Bài toán 63

8.2 Thực hiện mô phỏng quá trình tách pha 63

8.3 Tóm tắt và ôn tập chương 8 68

8.4 Bài tập nâng cao 68

Chương 9 PHẢN ỨNG CHUYỂN HOÁ 69

9.1 Bài toán 70

9.2 Thực hiện mô phỏng quá trình phản ứng chuyển hoá 70

9.3 Tóm tắt và ôn tập chương 9 76

Chương 10 PHẢN ỨNG CÂN BẰNG 77

10.1 Bài toán 78

10.2 Thực hiện mô phỏng quá trình phản ứng cân bằng 78

10.3 Tóm tắt và ôn tập chương 10 87

Chương 11 THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY LIÊN TỤC (CSTR) 88

11.1 Thiết lập một Session Preference mới 89

11.2 Khởi tạo Hệ đơn vị đo mới (Unit Set) 89

11.3 Thực hiện mô phỏng thiết bị phản ứng khuấy liên tục 91

11.4 Tóm tắt và ôn tập chương 11 100

Chương 12 THÁP HẤP THỤ 101

12.1 Bài toán 102

12.2 Thực hiện mô phỏng quá trình hấp thụ 102

12.3 Tóm tắt và ôn tập chương 12 109

12.4 Bài tập nâng cao 110

Chương 13 THÁP CHƯNG LUYỆN 111

Sơ đ công nghệ 112

Tháp tách metan DC1 113

Tháp tách etan DC2 114

Tháp tách propan DC3 115

13.1 Thực hiện mô phỏng quá trình 115

13.2 Tóm tắt và ôn tập chương 13 126

Chương 14 CÁC BÀI TẬP 127

14.1 Bài tập 1 Quá trình có thiết bị phản ứng và tháp tách pha 128

14.2 Bài tập 2: Cải tiến quá trình của bài tập 1 129

14.3 Bài tập 3: Quá trình có sử dụng công cụ logic Recycle 130

14.4 Bài tập 4: Sản xuất etylen oxit 132

14.5 Bài tập 5: Chưng luyện 133

GIẢI NGHĨA MỘT SỐ CỤM TỪ TIẾNG ANH TRONG MÔ PHỎNG 135

TÀI LIỆU THAM KHẢO 136

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 g m 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 l n 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 g m rất nhiều yếu tố hết sức phức tạp có ảnh hưởng l n 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, đ ng 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 đ ng 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

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 g m các thành phần sau:

 Thư viện cơ sở dữ liệu (các hệ nhiệt động, các cấu tử bao g m 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 và 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++, …

1.2 Giới thiệu HYSYS

HYSYS là sản phẩm của công ty AspenTech – Canada HYSYS là phần mềm chuyên dụng để tính toán mô phỏng công nghệ chế biến dầu khí và công nghệ hoá học HYSYS là phần mềm có khả năng tính toán đa dạng, cho kết quả có độ chính xác cao, đ ng 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 nhà máy chế biến dầu khí và tổng hợp hoá dầu

Ngoài thư viện có sẵn, HYSYS 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 nổi bật của HYSYS 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 c ng như sử dụng các dữ liệu 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 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 thì khi quá trình tính toán hội tụ, kết quả thu được tương ứng với các điều kiện đó mà 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 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 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 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 của quá trình

HYSYS 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 nên cho phép mở 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 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

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 tính chất và thành phần của dòng nguyên liệu

 Xây dựng sơ đ công nghệ với các thiết bị cần thiết

 Cung cấp đầy đủ các tham số cần thiết cho thiết bị

3 Chạy chương trình mô phỏng

 Đọc kết quả

 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ

Trong phạm vi quyển sách này sẽ nghiên cứu tìm hiểu các thiết bị mô phỏng trong HYSYS, sử dụng các công cụ của HYSYS 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 cuối cùng sẽ đưa ra các bài tập vận dụng các kiến thức đã được cung cấp trong 12 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 học phải học nghiêm túc và thực hành thành thạo toàn bộ từ chương 2 đến chương 13 thì mới có thể làm được các bài tập của chương 14 này, và sẽ thấy hết sức thú vị và hiệu quả

 Cách vào và quay trở lại môi trường mô phỏng, làm quen với sơ đ mô phỏng Làm quen với một vài tính năng quan trọng của HYSYS

 Cách nhập dòng vật chất cho mô phỏng Việc xác định biến là một trong những bước rất quan trọng cần phải được hiểu kỹ khi thao tác trong HYSYS

 Vào và quay trở lại môi trường mô phỏng

 Nhập và khai báo các tham số cho các dòng vật chất

2.1 Bắt đầu với HYSYS

Khởi động HYSYS bằng cách bấm vào biểu tượng của HYSYS, trên màn hình máy tính sẽ xuất hiện giao diện như trong hình 2.1

Hình 2.1 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

2.2 Quản lý cơ sở 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 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 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 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

Khi đó giao diện Simulation Basic Manager sẽ xuất hiện (hình 2.2) 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),

Reactions tab sử dụng khi thiết lập các phản ứng hoá học

Hình 2.2 Giao diện Simulation Basic Manager

Các tab

2 Sau khi bấm phím Add sẽ xuất hiện danh sách tất cả các cấu tử có trong

thư viện của HYSYS (hình 2.3)

Hình 2.3 Giao diện Component List

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

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

4 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

5 Ở phía dưới giao diện này có ô Name, có thể đặt tên cho danh sách các

cấu tử vừa chọn

6 Khi đã hoàn thành các bước trên, đóng cửa sổ này lại, sẽ trở lại giao diện

Simulation Basic 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

2.5 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 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 Từ Simulation Basic Manager (hình 2.2), chọn Fluid Pkgs tab

2 Bấm vào phím Add để chọn một fluid pkgs mới, như trong hình 2.4

Hình 2.4 Giao diện Fluid Package

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 2.4, đã lựa chọn phương trình trạng thái

Peng-Robinson

5 Có thể đặt tên cho fluid package vào cửa sổ nhỏ Name phía dưới giao

diện Ví dụ trong hình 2.4 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

2.6 Lựa chọn mô hình nhiệt động

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 mô phỏng Năm 1999, hai tác giả Elliott và Lira đã đề xuất sơ đ hình cây như mô tả trên hình 2.5 dưới đây

Hình 2.5 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

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

Các hệ nhiệt động có trong HYSYS cho phép dự đoán được tính chất của các hỗn hợp từ hệ các hydrocacbon nh tới hỗn hợp của các loại dầu phức tạp, và hệ các

hợp chất không điện ly HYSYS cung cấp các phương trình trạng thái (PR hay PRSV) cho các quá trình xử lý phức tạp 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

Bảng 2.1 đưa ra danh sách một vài hệ tiêu biểu và những phương pháp tính toán phù hợp có thể áp dụng

Bảng 2.1 Danh sách một số hệ tiêu biểu và Hệ nhiệt động phù hợp

Hệ tiêu biểu Hệ nhiệt động phù hợp được đề nghị sử dụng

Hệ H2 áp suất cao PR, ZJ hoặc GS

Các thùng chứa Steam Package, CS hoặc GS

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

Trong các ứng dụng với dầu, khí và hoá dầu phương trình trạng thái Robinson nói chung được ứng dụng phổ biến cho các hệ nhiệt động Để biết chi tiết

Peng-hơn có thể đọc thêm trong tài liệu hướng d n sử dụng HYSYS (Aspen HYSYS

Simulation Basic Manual)

2.7 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 mục 2.3, 2.4 và 2.5, 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 2.6

1 Thao tác trong lưu trình mô phỏng

Khi vào môi trường mô phỏng, sẽ thấy giao diện như hình 2.7 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:

 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 của 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 2.6 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 trở 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 2.7 Giao diện Simulation Environment

2 Trở lại giao diện cơ sở mô phỏng

Khi phải thay đổi cơ sở 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

3 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

4 Bảng các công cụ mô phỏng

Trong hình 2.8 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

2.8 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 m i tên màu xanh trong Object Palette

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

 Bấm vào phím nóng F11

Khi sử dụng một trong các phương pháp trên, có thể khởi tạo dòng vật chất (m i tên màu xanh) vào lưu trình mô phỏng như mô tả trên hình 2.9 HYSYS 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

1 Khai báo các tham số của dòng

Để khai báo các tham số cho dòng vật chất, nhắp đúp chuột vào dòng (m i tên màu xanh nhạt) để hiện ra cửa sổ như hình 2.10 Trong cửa sổ này người sử

Hình 2.8 Giao diện PFD với Object Palette

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

tham số Trong môi trường HYSYS dòng nguyên liệu luôn có bốn bậc tự do Nghĩa

là phải cung cấp đầy đủ bốn thông tin yêu cầu để HYSYS có thể thực hiện tính toán

Bốn tham số cần khai báo cho dòng nguyên liệu là: composition, flowrate và hai trong

số các tham số sau temperature, pressure hay vapor/phase fraction

Hình 2.9 Khởi tạo dòng vật chất trong PFD

Hình 2.10 Cửa sổ khai báo các tham số của dòng

Trong hình 2.10 có một dòng cảnh báo lỗi màu vàng phía bên dưới cửa sổ, cho biết thông tin cần phải thực hiện Ví dụ theo dòng cảnh báo trên hình 2.10, việc đầu tiên cần làm ngay là cung cấp thành phần các cấu tử của dòng nguyên liệu Chọn

Composition trong danh sách hiển thị trong cửa sổ của hình 2.11, tại đây sẽ khai báo thành phần các cấu tử trong dòng nguyên liệu Lưu ý rằng chỉ có Composition đã

chọn trong Simulation Basic Manager thì mới hiển thị trong danh sách này Có thể xác định composition theo nhiều cách khác nhau bấm vào phím “Basis…” HYSYS mặc định là mole fractions, tuy nhiên người dùng có thể thay đổi bằng mass

fractions, liquid volume fractions, hoặc 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 2.11 chỉ rõ phần mol của H2O bằng “1”, nghĩa là dòng 1 chỉ

có nước

Tiếp theo, 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 trong cửa sổ của hình 2.12 Tại cửa sổ này người sử

dụng sẽ nhập giá trị nhiệt độ của dòng

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

Hình 2.11 Cửa sổ nhập Composition

các đơn vị tương ứng ngay bên cạnh ô đó, người dùng có thể lựa chọn đơn vị phù hợp, sau đó HYSYS sẽ tự động chuyển đổi đơn vị Ví dụ nhập số 25 vào ô ứng với nhiệt độ 25oC (bằng 77oF) như trên hình 2.12

Tiếp theo, dòng cảnh báo (trên băng màu vàng phía dưới cửa sổ) chỉ ra rằng cần phải nhập giá trị áp suất của dòng C ng trong cửa sổ này, nhập giá trị áp suất cho dòng 1 là 1 bar như trong hình 2.13

Tiếp theo, tham số cuối cùng cần khai báo là lưu lượng dòng Có hai chọn lựa

khác nhau hoặc là lưu lượng dòng mol (mole flowrate) hoặc lưu lượng dòng khối lượng (mass flowrate) trong cùng một cửa sổ Trong trường hợp này chọn mole

flowrate bằng 100 kmol/h, như trong hình 2.14

Sau khi hoàn thành việc khai báo đầy đủ tất cả các thông tin, HYSYS 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 2.14) Nếu không thì trong cửa sổ sẽ

xuất hiện một cảnh báo màu vàng, thông tin cung cấp bị lỗi

Hình 2.12 Nhập giá trị nhiệt độ dòng trong cửa sổ Conditions

Hình 2.13 Nhập giá trị áp suất dòng trong cửa sổ Conditions

Hình 2.14 Nhập giá trị lưu lượng dòng trong cửa sổ Conditions

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 HYSYS tính toán nên không thể thay đổi được Như trong hình 2.14 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 HYSYS tính toán

Nhìn vào màu sắc của các dòng vật chất c ng 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

Vì thế nếu m i 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

2 Lưu vào thư mục xác định

2.9 Tóm tắt và ôn tập chương 2

Trong phần đầu tiên của chương đã giới thiệu cách bắt đầu HYSYS 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 c ng đã đưa ra một sơ đ hình cây 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 HYSYS

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 ít nhất bốn tham số thì HYSYS có thể tính toán được các tính chất còn lại

2.10 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:

 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 lên 5 atm

Nhiệt độ của dòng lúc này bằng bao nhiêu?

6 Với cùng điều kiện như bài 4, tăng áp suất lên 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 (bài 2.1  bài 2.6)

HYSYS có các phương trình trạng thái như Peng-Robinson (PR) và 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

Soave-Từ các phương trình Peng-Robinson (PR) và Soave-Redlich-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

Trong chương này sẽ hướng d n người sử dụng khai báo thể tích của hỗn hợp khí tại điều kiện nhiệt độ và áp suất xác định Đ ng thời sẽ chỉ d n 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

3.1 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 :

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:

Sự mở rộng này là bước ngoặt đầu tiên, tuy nhiên phương trình này chưa thể đáp ứng được trong điều kiện áp suất rất cao Phương trình trạng thái Redlich-Kwong (RK) là sự biến đổi phương trình trạng thái van der Waals và sau đó đã tiếp tục được biến đổi bởi Soave được mang tên là phương trình trạng thái Soave-Redlich-Kwong (SRK), được sử dụng rộng rãi trong các quá trình mô phỏng Một dạng khác của phương trình trạng thái RK là phương trình trạng thái Peng-Robinson (PR) c ng được sử dụng rất phổ biến

Bảng 3.1 dưới đây đưa ra so sánh các công thức sử dụng trong HYSYS của các phương trình trạng thái PR và SRK

3.2 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 HYSYS

2 Mở new case sử dụng một trong ba cách sau: chọn từ thanh menu chính File 

thanh công cụ

Bảng 3.1 So sánh phương trình trạng thái SRK và PR

0 )

(

) (

2 2

Z

b

a b

) 3 2 ( ) 1 (

) ( ) (

3 2 2

b b b

a b

RT P

i b x

i b x

1

b i =

i

i Pc

RTc

08664.0

i

i Pc

RTc

077796

i j

i x a a k x

5

i j

i x a a k x

5

)(

a ci =

ci

ci P

RT )2(42748.0

ci

ci

P

RT )2( 457235 0 5

3 Thiết lập cơ sở mô phỏng

Trong giao diện Simulation Basis Manager (xem trong chương 2 đã trình

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

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

 Khai báo các tham số của dòng

Nhập vào Stream với các giá trị sau:

 Lưu và đặt tên EOS SRK Khi hoàn thành dòng sẽ có giao diện như hình 3.1

5 Đọc kết quả tính toán trong Workbook

 Bấm vào Tools trên thanh menu chính, chọn Workbook hoặc bấm phím nóng Crtl+W như biểu diễn trên hình 3.2

Hình 3.1 Hoàn thành thiết lập dòng vật chất

 Sau đó bấm vào View và Workbook xuất hiện như trên hình 3.3

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

Workbook trên hình 3.3 không thể hiện Molar Volume, vì vậy cần phải nhập thêm biến vào Workbook

 Để nhập Molar Volume hay một biến nào khác: mở Workbook, trên thanh menu chính của giao diện Workbook chọn Workbook, trong danh sách chọn

Setup, sẽ xuất hiện cửa sổ như trên hình 3.4

Hình 3.3 Cửa sổ Workbook Hình 3.2 Thao tác mở Workbook để xem kết quả tính toán

 Trong Variables Tab bấm vào phím Add ở phía bên phải

 Cửa sổ để chọn biến sẽ được hiển thị như hình 3.5

 Trong Variable tab cuốn dọc theo danh sách cho đến khi tìm thấy biến cần

thêm vào Molar Volume, bấm phím OK để hoàn tất việc bổ sung biến vào Workbook Đóng của sổ bằng biểu tượng X màu đỏ ở góc trên bên phải cửa

sổ Select Variables for Main

 Giá trị của biến Molar Volume sẽ hiển thị trong Workbook như trong hình 3.6

Molar Volume của n-butane bằng bao nhiêu? _

Hình 3.4 Cửa sổ Setup để nhập thêm biến vào Workbook

Hình 3.5 Cửa sổ để chọn biến

6 Sử dụng Case Studies để phân tích các tính chất của n-butan

Sau khi đã hoàn thành bài mô phỏng, sử dụng để phân tích thể tích mol của

n-butan khi nhiệt độ thay đổi

 Trên thanh menu chính, chọn Tool, trong danh sách thả xuống chọn Databook hoặc bấm phím nóng Ctrl+D như hình 3.7

 Sau đó, bấm phím Insert, sẽ hiển thị giao diện Variable Navigator như hình 3.8

 Trong cột Object chọn dòng 1, trong cột Variable chọn Molar Volume Sau

đó bấm vào phím OK (như biểu diễn trên hình 3.9)

Hình 3.6 Workbook đã hiển thị giá trị biến Molar Volume

Hình 3.7 Cách mở Databook

 Thực hiện tương tự như bước 3 để nhập biến Temperature Khi đó giao diện Databook sẽ xuất hiện như hình 3.10

Hình 3.8. Giao diện Variable Navigator

Hình 3.9 Nhập biến Molar Volume

Hình 3.10 Giao diện DataBook sau khi nhập Variables

 Chuyển sang Case Studies tab Điền các thông tin vào giao diện như trong

Có thể rút ra được kết luận gì từ đồ thị trên hình 3.13 ? _

Lưu Case với tên là EOS SRK vào thư mục xác định

Hình 3.11 Điền thông tin vào Case Studies tab

Hình 3.12 Điền thông tin vào bảng

7 Thay đổi Fluid Package

 Bấm phím Enter Basis Environment trên thanh công cụ để trở về giao diện Simulation Basis Manager ban đầu

 Vào Prop Pkg tab, trong danh sách bên trái cửa sổ, cuốn dọc theo danh sách

và chọn Peng Robinson EOS

 Bấm vào m i tên màu xanh trên thanh công cụ để trở về PFD

 Các điều kiện của bài toán giữ nguyên, lưu Case với tên mới EOS PR

 Xem kết quả tính toán trong Workbook và Case Study

3.3 Tóm tắt và ôn tập chương 3

Trong Chương này đã giải quyết được vấn đề rất đơn giản là tìm thể tích riêng của một đơn chất bằng Aspen HYSYS Khi sử dụng HYSYS các tham số được

lưu trữ trong database (cơ sở dữ liệu) và việc tính toán đã được lập trình trước đó

Vì vậy điều quan trọng là biết cách sử dụng đúng các giao diện, các biểu đ

Trong chương này người dùng đã biết cách sử dụng Workbook để xem kết quả, Workbook là cách tốt nhất để hiển thị các thông tin dưới dạng bảng Workbook

được thiết kế nhằm mục đích đó và mở rộng ra cho việc nhập thông tin khi thực hiện

bài toán mô phỏng Thêm vào đó, Workbook hiển thị thông tin của các dòng và các

thiết bị mô phỏng trong HYSYS (streams, pipes controllers, separators, …)

Có thể sử dụng Case Study để phân tích tính chất của quá trình Case Study

còn được sử dụng để kiểm tra đánh giá khi thay đổi giá trị của các biến quan trọng

Hình 3.13 Kết quả phân tích

trong chương trình mô phỏng tĩnh Sau khi Case Study hoàn thành tính toán, kết quả

được biểu diễn ở dạng đ thị

Có thể so sánh được kết quả tính toán từ hai hệ nhiệt động khác nhau là Peng-Robinson (PR) và Soave-Redlich-Kwong (SRK)

sử dụng phương trình trạng thái Soave-Redlich-Kwong (SRK)

3 Cho một hỗn hợp khí đi vào thiết bị chuyển hoá khí bằng hơi nước (WGS) để sản xuất hydro: 630 kmol/h CO, 1130 kmol/h H2O, 189 kmol/h CO2, 63 kmol/h H2

Áp suất hỗn hợp khí là 1 atm và nhiệt độ là 500K Sử dụng phương trình trạng thái Soave-Redlich-Kwong (SRK) tính thể tích riêng của hỗn hợp khí

4 Cho một hỗn hợp khí g m 25% amoniac và phần còn lại là nitro và hydro với tỉ lệ

là 1:3, tại 270 atm và 550 K Sử dụng phương trình trạng thái Peng-Robinson (PR) để tính thể tích riêng của hỗn hợp khí

5 Cho hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị phản ứng tổng hợp metanol có thành phần như sau: 100 kmol/h CO; 200 kmol/h H2; 100 kmol/h metanol Hỗn hợp khí ở áp suất

100 atm và nhiệt độ 300ºC Tính toán thể tích riêng của hỗn hợp sử dụng phương trình trạng thái Soave-Redlich-Kwong (SRK) và so sánh với kết quả tính toán khi

sử dụng phương trình trạng thái Peng-Robinson (PR)

 Học cách kết nối các dòng vào bơm

 Tính nhiệt độ dòng ra khi biết công suất của bơm hoặc ngược lại

Bơm được sử dụng để tăng áp suất của dòng lỏng vào Tùy thuộc vào các tham số được khai báo ban đầu, sẽ tính toán nhiệt độ, hoặc áp suất chưa biết hoặc công suất của bơm

Mục tiêu

Sau khi học xong chương này người sử dụng có thể:

 Thiết lập được bơm trong HYSYS để mô phỏng các quá trình bơm

 Kết nối các dòng với thiết bị

 Xác định công suất của bơm và nhiệt độ dòng ra

Yêu cầu

Trước khi học chương này người sử dụng cần phải biết:

 Bắt đầu mô phỏng trong HYSYS

 Lựa chọn các cấu tử

 Xác định và lựa chọn hệ nhiệt động phù hợp cho fluid package

 Nhập và khai báo dòng vật liệu material stream

4.1 Bài toán

Bơm được dùng để vận chuyển chất lỏng Bơm làm tăng áp suất của chất lỏng Nước vào bơm có nhiệt độ 120ºC và áp suất 3 bar được đưa vào bơm hoạt động với công suất 10% định mức Lưu lượng của dòng nước là 100 kmol/h và áp

suất dòng ra khỏi bơm là 84 bar Sử dụng phương trình trạng thái Peng-Robinson (PR) cho fluid package, hãy xác định nhiệt độ của dòng nước ra khỏi bơm

4.2 Tiến hành mô phỏng bơm

1 Khởi động chương trình Hysys

2 Mở một New Case

3 Xây dựng cơ sở mô phỏng

Trong giao diện Simulation Basis Manager (xem trong chương 2 đã trình

bày chi tiết)

Nhập dòng nguyên liệu (Stream) với các giá trị sau:

Nhập tiếp dòng thứ hai (Stream) với các tham số sau: