Mô phỏng công nghệ Hoá Học

NGUYỄN THỊ MINH HIỀN MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC Nhóm Mô phỏng Công nghệ Hóa học và Dầu khí Trường Đại học Bách khoa Hà Nội ` LỜI GIỚI THIỆU Trong lĩnh vực công nghệ hoá học hiện nay có rất nhiều phần mềm mô phỏng của các công ty phần mềm được phát triển và sử dụng rộng rãi trong thiết kế công nghệ, như: PRO/II, DYNSIM (Simsci); HYSIM, HYSYS, HTFS, STX/ACX, BDK (AspenTech); UNISIM (Honeywell-UOP); PROSIM, TSWEET (Bryan Research & Engineering); Design II (Winsim); IDEAS Simulation; Simulator 42,, trong đó phổ biến nhất là PRO/II, DYNSIM (Simsci), HYSYS (AspenTech) và UNISIM (Honeywell-UOP). 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. Các phần mềm mô phỏng đều 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. Các 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, 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 và công nghệ hoá học. 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 công nghệ trước khi bắt đầu thực hiện mô phỏng, bởi vì mô phỏng chỉ cung cấp các công cụ phục vụ cho mô phỏng tính toán công nghệ, mà không thể suy nghĩ thay cho các kỹ sư. Trong số đó UNISIM và HYSYS là các phần mềm 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 UNISIM và có ít hoặc chưa có kinh nghiệm mô phỏng trên máy tính, và cũng là giáo trình dành cho sinh viên năm thứ ba của các trường đại học công nghệ, đồng thời quyển sách có thể sử dụng như một chỉ dẫn cho các khóa học cao hơn trong công nghệ hóa học, khi đó UNISIM như một công cụ mô phỏng để giải quyết các vấn đề công nghệ. Hơn nữa có thể sử dụng quyển sách này đồng thời cho cả sinh viên và kỹ sư thực hành, như một tài liệu hướng dẫn hay một quyển sổ tay cho các khóa học UNISIM. Phần mềm UNISIM chạy trong môi trường Windows có giao diện thân thiện với người sử dụng. UNISIM cũng 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 dẫn sử dụng UNISIM DESIGN, được công ty Honeywell-UOP 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. UNISIM 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 UNISIM, 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. Trong phạm vi quyển sách này sẽ nghiên cứu tìm hiểu các thiết bị được mô phỏng trong UNISIM, sử dụng các công cụ của UNISIM 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 7 sẽ đưa ra các ứng dụng mô phỏng trong đó vận dụng các kiến thức đã được cung cấp trong các 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 sử dụng phải học nghiêm túc và thực hành thành thạo toàn bộ các chương trước thì mới có thể làm được các bài ứng dụng trong chương này, và khi đó sẽ thấy hết sức thú vị và hiệu quả. Đặc biệt năm 2012 các sinh viên K52 ngành Công nghệ Hoá Dầu đã tham gia cuộc thi “Sử dụng phần mềm UNISIM Design thiết kế mô phỏng công nghệ” do Honeywell tổ chức hàng năm cho sinh viên Châu Á - Thái Bình Dương, đã đạt giải nhất và một giải nhì. Các sinh viên năm cuối chuyên ngành Công nghệ Hữu cơ Hoá Dầu, trường Đại học Bách khoa Hà Nội - các trợ giảng - tham gia rất nhiệt tình, làm việc rất nghiêm túc và có hiệu quả đã góp phần rất quan trọng để tài liệu này có thể hoàn thành. Giáo trình 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 1 MỤC LỤC Chương 1. GIỚI THIỆU VỀ MÔ PHỎNG ...................................... 3 1.1 Mục đích của mô phỏng .................................................................... 3 1.2 Giới thiệu các phần mềm mô phỏng công nghệ hóa học ..................... 5 1.3 Phần mềm mô phỏng UNISIM DESIGN ........................................... 6 Chương 2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI ............................... 27 2.1 Phương trình trạng thái – Các biểu thức toán học............................. 28 2.2 Thực hiện mô phỏng ....................................................................... 28 2.3 Nhập thêm biến trong Workbook ..................................................... 31 2.4 Sử dụng Case Studies ...................................................................... 34 2.5 Thay đổi Fluid Package ................................................................... 37 2.6 Tóm tắt và ôn tập chương 2 ............................................................. 37 2.7 Bài tập ............................................................................................ 38 Chương 3. CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ ......................................... 39 3.1 Bơm ................................................................................................ 40 3.2 Máy nén .......................................................................................... 45 3.3 Tuốc bin giãn nở khí (Expander) ..................................................... 51 3.4 Thiết bị trao đổi nhiệt ...................................................................... 55 3.5 Tháp tách pha ................................................................................. 58 3.6 Cyclon ............................................................................................ 64 3.7 Ejector ............................................................................................ 68 3.8 Tóm tắt và ôn tập chương 3 ............................................................. 85 3.9 Bài tập nâng cao.............................................................................. 86 Chương 4. CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ...................................... 87 4.1 Thiết bị phản ứng chuyển hoá ......................................................... 88 4.2 Thiết bị phản ứng cân bằng ............................................................. 96 4.3 Thiết bị phản ứng Gibbs ................................................................ 106 4.4 Thiết bị phản ứng khuấy liên tục (CSTR) ...................................... 112 4.5 Thiết bị phản ứng dòng đẩy (PFR)................................................. 127 2 Chương 5. CÁC CÔNG CỤ TÍNH TOÁN .................................. 136 5.1 Công cụ logic Adjust ..................................................................... 137 5.2 Công cụ logic Set .......................................................................... 140 5.3 Công cụ logic Recycle ................................................................... 144 5.4 Tính toán thông số tháp chưng bằng Shortcut Distillation .............. 147 5.5 Phân chia dòng các cấu tử bằng Component Splitter ...................... 150 5.6 Bảng tính (Spreadsheet) ................................................................ 153 5.7 Tối ưu hoá (Optimizer) .................................................................. 161 5.8 Tóm tắt và ôn tập chương 5 ........................................................... 184 Chương 6. CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÁCH .................................. 186 6.1 Tháp hấp thụ ................................................................................. 187 6.2 Tháp chưng luyện ......................................................................... 196 Chương 7. MÔ PHỎNG MỘT SỐ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC .............................................................. 215 7.1 Quá trình dehydro hoá n-Heptan sản xuất Toluen .......................... 216 7.2 Quá trình hydroclo hoá etylen ....................................................... 218 7.3 Quá trình oxi hoá Etylen ............................................................... 221 7.4 Quá trình chưng tách hỗn hợp hydrocacbon nhẹ ............................ 223 7.5 Quá trình tổng hợp Ethylene Glycol (EG) từ Ethylene ................... 224 7.6 Quá trình tổng hợp Maleic Anhydride (MA) từ Benzene ............... 225 7.7 Quá trình tổng hợp Styrene từ Ethyl Benzene (EB) ........................ 227 7.8 Quá trình tổng hợp Amoniac ......................................................... 228 7.9 Quá trình cô đặc dung dịch ............................................................ 229 PFD Chương 7 ........................................................................................ 231 GIẢI NGHĨA MỘT SỐ CỤM TỪ TIẾNG ANH TRONG MÔ PHỎNG ................................................................................ 236 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................. 238 3 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 gồm 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 lẫn 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 gồm rất nhiều yếu tố hết sức phức tạp có ảnh hưởng lẫn 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, đồng 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 đồng 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. 4 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 gồm các thành phần sau:  Thư viện cơ sở dữ liệu (các hệ nhiệt động, các cấu tử bao gồm 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, 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++, 5 1.2 Giới thiệu các phần mềm mô phỏng công nghệ hóa học Mô phỏng các quá trình công nghệ hóa học và công nghệ chế biến dầu khí, công nghệ tổng hợp hữu cơ hóa dầu có thể được thực hiện bằng nhiều phần mềm mô phỏng khác nhau. Trong đó phổ biến nhất là PRO/II, DYNSIM (Simsci-Esscor), ASPEN HYSYS, ASPEN PLUS (AspenTech) và UNISIM DESIGN (Honeywell-UOP). Năm 1966 công ty phần mềm Simulation Science có trụ sở tại Los Angeles (Mỹ) đã đưa ra phần mềm mô phỏng tháp chưng luyện đầu tiên, mang tên PROCESS là tiền thân của phần mềm PROII sau này. Ngày nay công ty đã phát triển mạnh mẽ, Invensys Systems’ SimSci-Esscor division (gọi tắt là SimSci), đã trở thành một trong ba công ty cung cấp phần mềm mô phỏng công nghệ mạnh nhất trên thế giới, với các phần mềm mô phỏng công nghệ rất phổ biến là PROII và DYNSYM. Năm 1969 công ty ChemShare có trụ sở chính tại Houston (Mỹ) đã đưa ra phần mềm DESIGN, được tiếp tục phát triển thành DESIGN II và WINSIM, ứng dụng trong lĩnh vực dầu khí. Sự phát triển của các ngành công nghiệp lọc dầu và hoá dầu đã thức đẩy sự ra đời của các gói phần mềm mô phỏng công nghệ mới. Trong những năm 1970-80 được coi là thời kỳ hoàng kim của máy tính, ngôn ngữ lập trình FORTRAN trở thành phổ biến, nhiều phần mềm mô phỏng công nghệ đã ra đời trong giai đoạn này. Năm 1976 Vụ Năng lượng của Mỹ (US Dept. of Energy) và trường Đại học MIT danh tiếng đã cùng tham gia “Dự án Hệ thống nâng cấp các quá trình công nghệ” (Advanced System for Process Engineering (ASPEN) Project), sau này được đổi tên thành ASPEN PLUS (ASPEN Tech). Cũng trong năm 1976 công ty Hyprotech được thành lập, có trụ sở chính tại Calgary, Canada, là công ty con của tập đoàn AEA Technology. Hyprotech là công ty chuyên phát triển và cung cấp các phần mềm mô phỏng và tối ưu hóa ứng dụng trong các ngành công nghiệp hoá chất, dược phẩm và dầu khí. Hyprotech đã cung cấp các sản phẩm của mình cho 14 trong số 15 công ty dầu khí lớn nhất thế giới, 13 trong số 14 công ty hóa chất hàng đầu, 8 trong số 10 công ty dược phẩm hàng đầu, tất cả các công ty xử lý không khí hàng đầu thế giới. Trong năm tài chính 2002, Hyprotech có doanh thu khoảng $ 68.500.000. Năm 1981, công ty AspenPlus được thành lập trên cơ sở dự án ASPEN, có trụ sở tại Cambridge, Massachusetts (Mỹ) là một công ty chuyên cung cấp phần mềm và các dịch vụ liên quan như tư vấn, bảo trì và đào tạo. Tháng 10 năm 2002, AspenPlus hoàn thành giao dịch mua lại công ty Hyprotech từ AEA, và 6 từ đó đổi tên thành AspenTech. AspenTech phát triển một loạt các sản phẩm phần mềm, bao gồm cả phần mềm mô phỏng công nghệ cung cấp bản quyền cho 46 trong tổng số 50 công ty hóa chất lớn nhất thế giới, 23 trong số 25 công ty dầu khí lớn nhất, 18 trong số 20 công ty dược phẩm lớn nhất thế giới. Trong năm tài chính 2003, công ty AspenTech có tổng doanh thu $ 323.000.000. Năm 1982 đánh dấu sự ra đời của máy tính cá nhân (PC). Cũng trong năm này công ty ChemStations đã phát triển phần mềm ChemCAD, có ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực hoá học. Tháng 12 năm 2004, công ty Honeywell hoàn thành giao dịch mua lại sản phẩm Hysys bản quyền từ công ty AspenTech bao gồm cả mã nguồn và cơ sở dữ liệu, và phát triển phần mềm của mình với tên gọi là UniSim Design. Phiên bản đầu tiên là UniSim Design R350 được công bố vào tháng 5 năm 2005. Đến năm 2006, Honeywell đã nâng cấp và cho ra đời phiên bản UniSim Design R360, có một số cải tiến liên quan đến các quá trình vận chuyển và xử lý vật liệu dạng rắn. Những phiên bản đầu tiên này có hỗ trợ đọc các case mô phỏng bằng Hysys. Đồng thời có thể ghi lại các case mô phỏng theo định dạng của Hysys 2004.2 trở về trước. Điều đó cho phép có thể thực hiện chuyển đổi giữa hai phần mềm Hysys và Unisim Design. Các tính năng vận chuyển và xử lý vật liệu dạng rắn tiếp tục được nâng cấp trong phiên bản UniSim Design R370 ra đời tháng 3 năm 2007. Honeywell tiếp tục đầu tư vào phần mềm mô phỏng công nghệ UniSim, sử dụng cả hai đội ngũ nhân viên phát triển có kinh nghiệm từ AspenTech và của Honeywell có hiểu biết sâu sắc các quá trình công nghệ. Đến cuối năm 2012 phiên bản UniSim Design R410 đã được nâng cấp thêm nhiều tính năng hỗ trợ cho mô phỏng công nghệ. Với phiên bản này có thể lưu lại case mô phỏng theo định dạng của Unisim hoặc Hysys, thuận tiện cho người sử dụng có thể làm việc tiếp tục bằng phần mềm Unisim hoặc Hysys 1.3 Phần mềm mô phỏng UNISIM DESIGN UNISIM DESIGN là sản phẩm của công ty Honeywell-UOP. UNISIM là phần mềm chuyên dụng để tính toán mô phỏng công nghệ chế biến dầu khí và công nghệ hoá học. UNISIM là phần mềm có khả năng tính toán đa dạng, cho kết quả có độ chính xác cao, đồng 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 và điều khiển các nhà máy chế biến dầu khí và tổng hợp hoá dầu. Ngoài thư v