Tin học ứng dụng trong công nghệ hóa họcC1 simulation introduction vn 36

Computer-Aided
Chemical Engineering
An Introduction to Process Simulation

C1. Mô phỏng công nghệ
quá trình nhờ máy tính


Mục lục
1. Mô phỏng công nghệ quá trình nhờ máy tính
2. Lịch sử phát triển
3. Cách tiếp cận một bài toán mô phỏng
3.1. Định nghóa
3.2. Nhập dữ liệu
3.3. Thực hiện mô phỏng
3.4. Kết quả mô phỏng
3. 5. Phân tích
4. Cấu trúc của phần mềm tính toán sơ đồ
4.1 Chiến lược tính toán
4.2 Cách tiếp cận mô đun tuần tự
4.3 Cách tiếp cận định hướng phương trình
4.4 Cách tiếp cận mô đun đồng thời
5. Các hệ tích hợp (Aspen Technology; Hyprotech; Simulation
Sciences)
6. Chọn lựa một phần mềm mô phỏng (Phân tích chức năng;
Phân tích trên quan điểm khoa học máy tính; Phân tích thương
2
mại)
7. Tóm tắt

1. Mô phỏng công nghệ quá trình nhờ
máy
Mô phỏng là một hoạt động
cơ bảntính
trong Công nghệ quá trình. Định
nghóa sau đây nêu ra những đặc điểm chủ yếu (Thomé, 1993):
Mô phỏng là một quá trình thiết kế mô hình vận hành của một hệ
thống và tiến hành các thử nghiệm với mô hình đó nhằm mục đích
 hoặc là để hiểu biết về cách hoạt động của hệ thống
 hoặc là để đánh giá các chiến lược khác nhau đối với việc xây
dựng hay vận hành hệ thống này.
Phải có thể tái tạo các khía cạnh đã chọn về cách hoạt động của hệ
thống được mô hình đến một độ chính xác chấp nhận được.

 Mô phỏng hàm ý là mô hình hoá, cũng như điều chỉnh mô hình
theo các dữ liệu thử nghiệm. Một mô hình mô phỏng phục vụ cho
việc tiến hành “các thử nghiệm ảo”. Hầu như không thể trông
thấy được trong đa số các trường hợp, và được kết hợp trong công
nghệ phần mềm, mô hình hoá là một đặc điểm chủ yếu trong
từng mô phỏng.
 Điều quan trọng cần nhớ là mô phỏng chỉ là sự thể hiện gần
đúng của hiện thực, với một độ chính xác nhất định, và không
phải là bản thân hiện thực. Đó là lý do tại sao người sử dụng luôn
phải có khả năng đánh giá độ tin cậy của các kết quả do phần
mềm mô phỏng đưa ra.
Mô phỏng trong công nghệ quá trình đòi hỏi các kiến thức khoa học
cụ thể như mô tả chính xác các tính chất vật lý của các cấu tử tinh
khiết và các hỗn hợp phức tạp, các mô hình đối với nhiều thiết bị
phản ứng và thiết bị công nghệ hoá học khác nhau, cũng như các kỹ
3

thuật số để giải các hệ phương trình đại số và vi phân có kích thước
lớn.


1. Mô phỏng công nghệ quá trình
nhờ máy tính

Hoạt động mô phỏng chính trong công nghệ quá trình
là tính toán sơ đồ flowsheeting.
Theo định nghóa trước đây (Westerberg et al., 1979)
flowsheeting là sử dụng công cụ máy tính để thực hiện
các tính toán cân bằng nhiệt và cân bằng vật chất,
định kích thước thiết bị và chi phí đối với một quá
trình công nghệ hoá học ở trạng thái ổn định.
Xét đến sự phát triển trong các thập kỷ vừa qua, ta
có thể phát biểu một định nghóa mở rộng hơn là:
 Flowsheeting là sự mô tả một cách hệ thống các
dòng vật chất và dòng năng lượng trong một phân
xưởng quá trình nhờ mô phỏng trên máy tính với
mục đích thiết kế một phân xưởng mới hay cải
thiện hoạt động của phân xưởng hiện hữu.
 Flowsheeting có thể được sử dụng như là một công
cụ trợ giúp để thực hiện chiến lược kiểm soát/điều
khiển toàn phân xưởng, cũng như quản lý công
tác vận hành của phân xưởng.
4


1. Mô phỏng công nghệ quá trình
nhờ máy tính

H. 1: Mô hình mới trong Công nghệ quá trình: Mô phỏng là
hoạt động trung tâm trong công tác Nghiên cứu & phát
triển, Thiết kế và Vận hành

5


1. Mô phỏng công nghệ quá trình
nhờ máy tính

Bảng 1: Các ứng dụng mô phỏng trong các ngành công
nghiệp quá trình công nghệ hoá học (CNHH)

Công nghiệp quá trình CNHH
Các ứng dụng
Dầu và khí Thăm dò ngoài khơi, Xử lý bề mặt, Vận
chuyển
bằng đường ống, Lưu trữ ngầm, Xử lý khí
Lọc dầu
Dầu hoả và nhiên liệu
Hoá dầu
Hoá chất có gốc Hydrocarbon, Methanol,
Monomers
Hoá chất hữu cơ cơ bản
Hoá chất trung gian, dung môi,
thuốc tẩy, thuốc nhuộm
Hoá chất vô cơ Ammonia, Sulphuric Acid, Phân bón
Fine Chemicals
Dược, Mỹ phẩm
Công nghệ sinh học

Sản phẩm thực phẩm và sinh học
Luyện kim Thép, Nhôm, Đồng, v.v…
Polymers
Polyethylene, PVC, Polystyrene, sợi, v.v…
Giấy & gỗ Bột giấy
Năng lượng Nhà máy điện, Khí hoá than đá
Công nghiệp hạt nhân Xử lý chất thải, An toàn
6
Môi trường Làm sạch, Biomass valorisation (sinh khoái)


H. 2: Ứng dụng của các mô hình mô phỏng phân xưởng ở
trạng thái ổn định và không ổn định

7


2. Lịch sử phát triển

Mô phỏng quá trình bắt đầu từ 1966, khi Simulation Science, một công ty
cỡ nhỏ ở Los Angeles/USA, có ý tưởng thương mại hoá một phần mềm
máy tính tiêu biểu chung để mô phỏng các tháp chưng cất. Đây là
phần chính yếu của một phần mềm tính toán flowsheeting, PROCESS (tiền
thân của phần mềm PRO II, Simulation Science), phần mềm này có thể
được coi là thuỷ tổ của các phần mềm mô phỏng quá trình.
Ba năm sau, ChemShare (Houston/USA) cho ra DESIGN (được tiếp nối bằng
các phần mềm DESIGN II và WINSIM), một chương trình flowsheeting có
năng lực đối với các ứng dụng dầu & khí. Ở thời điểm này, việc mở
rộng các ngành công nghiệp lọc dầu và hoá dầu đã thúc đẩy sự
xuất hiện các phần mềm mày tính liên quan.

Cuộc khủng hoảng dầu mỏ đầu tiên vào 1973 đã kích thích mạnh mẽ
mối quan tâm vào việc mô phỏng các quá trình với các nguyên liệu
thay thế, như than và vật liệu sinh khối biomass.
Vào 1976, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Đại học MIT cùng nhau khởi động dự
án ASPEN (được tiếp nối bằng phần mềm ASPEN PLUS, ASPEN Tech). Sự
xuất hiện của các hệ thống tính toán tốc độ cao đã đẩy mạnh công
cuộc kinh doanh của các công ty nhỏ chuyên biệt về mô hình hoá và
mô phỏng. Một cách tổng quát hơn, công tác tính toán khoa học kỹ
8
thuật đã tiến hoá từ các chương trình đơn lẻ đến các phần mềm cỡ
lớn được thiết kế như là một sản phẩm công nghiệp.


2. Lịch sử phát triển
Máy tính cá nhân xuất hiện vào năm 1982. Mặc dù năng
lực của PC còn yếu đối với việc tính toán flowsheeting, ý
tưởng về một công cụ ‘cá nhân’ đã đủ mạnh để kích thích
những người có nhiệt tình (phát triển các phần mềm
ChemCAD, ChemStations và phần mềm Hysys, Hyprotech). Thử
thách về việc rời khỏi môi trường elitist của máy tính lớn
đã được khởi động.
Vào đầu thập kỷ 90, sự thống trị của các sản phẩm PC
đã tạo nên một sự kiện. Sự ổn định tương đối trong các hệ
điều hành, ngày nay bị chi phối bởi các hệ UNIX và
Windows, đã cho phép phát triển các thế hệ phần mềm
mô phỏng mới.
Giao diện người-máy bằng đồ hoạ Graphical User Interface
(GUI) trở thành phần chủ yếu trong việc phát triển phần
mềm.
Năng lực của các siêu máy tính thời xưa đã có trong các

9
máy tính để bàn (desktops) hieän nay.


3. Cách tiếp cận một bài toán
mô
phỏng
Hình 3: Các mức độ về phương pháp luận
trong mô phỏng trạng thái ổn ñònh

10


3. Cách tiếp cận một bài toán
mô phỏng

3.1. Định nghóa
Một Sơ đồ khối của quá trình Process Flow Diagram (PFD) thực phải được
chuyển thành một sơ đồ tương thích với các khả năng của phần mềm
và tương thích với các mục tiêu mô phỏng.
Sơ đồ khối được xây dựng cho mục đích mô phỏng được gọi là Sơ đồ mô
phỏng quá trình Process Simulation Diagram (PSD).
Nói chung, PSD khác với PFD.
 Lấy thí dụ, một số thiết bị đơn giản, thí dụ các thiết bị liên quan
đến việc thay đổi áp suất hay nhiệt độ, có thể được gộp lại trong
các thiết bị phức tạp hơn (trên quan điểm mô phỏng).
 Ngược lại các thiết bị phức tạp, như các tháp chưng cất hay các thiết
bị phản ứng hoá học, có thể cần được mô phỏng như là các sơ đồ
flowsheet nhỏ.
Như vậy, việc phân tích sơ bộ bài toán là cần thiết.

Các bước để định nghóa một bài toán mô phỏng gồm:
 Chuyển đổi sơ đồ PFD sang sơ đồ PSD. Phân chia sơ đồ flowsheet thành
một số các sơ đồ con sub-flowsheets, nếu cần thiết.
 Phân tích mô hình mô phỏng đối với mỗi thiết bị flowsheeting.
 Định nghóa các cấu tử hoá học, kể cả các cấu tử do người sử
dụng định nghóa hay các thành phần phần trăm đối với dầu mỏ.
 Phân tích các vấn đề về mô hình hoá nhiệt động liên quan đến các
flowsheet tổng thể, các sub-flowsheets và các thiết bị chủ yếu.
 Phân tích chế độ về thông số (các bậc tự do) của các thiết11 bị
phức tạp.


3. Cách tiếp cận một bài toán
mô phỏng
3.2. Nhập dữ liệu: Việc nhập dữ liệu cho một bài toán
flowsheeting phụ thuộc vào công nghệ phần mềm. Hoạt động này
thường được hỗ trợ bởi giao diện GUI.
Các bước bao gồm:

 Vẽ sơ đồ flowsheet.
 Chọn các cấu tử từ cơ sở dữ liệu tiêu chuẩn hay người sử dụng tự
đinh nghóa.
 Thiết lập các dòng nhập liệu.
 Thiết lập các thiết bị (phân tích bậc tự do).
 Chọn các mô hình nhiệt động. Kiểm tra các thông số của mô hình.
 Xác định tiến trình tính toán.
 Khởi phát các dòng ngắt rời (tear streams) và các thiết bị phức tạp.
Chú ý rằng các thông số chính xác không phải luôn luôn là các
thông số khả thi.

3.3. Thực hiện mô phỏng: Mô phỏng được coi là thành công khi
các tiêu chuẩn hội tụ được đáp ứng ở cả hai mức độ flowsheet
và thiết bị.
Người sử dụng nên đặc biệt chú ý đến lịch sử hội tụ cần thiết
cho việc gỡ rối/hiệu chỉnh các quá trình đang vận hành (troubles
shootings) sau này. Các bước liên quan bao gồm :
 Kiểm tra các thuật toán hội tụ và các thông số, và thay đổi chúng
nếu cần.
12
 Kiểm tra các lỗi hội tụ và các cận của biến số.
 Theo dõi lịch sử hội tuï.


3. Cách tiếp cận một bài toán
mô phỏng

3.4. Kết quả mô phỏng
Mô phỏng cung cấp một số lớn kết quả. Các kết quả quan
trọng nhất là:
 Báo cáo về các dòng (cân bằng vật chất và cân bằng
nhiệt), kể cả báo cáo về sự hội tụ của flowsheet.
 Báo cáo về các thiết bị, bao gồm báo cáo về cân bằng
vật chất và cân bằng nhiệt cũng như báo cáo về sự hội
tụ của thiết bị.
 Đánh giá hiệu suất của các thiết bị.
 Các bảng và biểu đồ tính chất vật lý.
Việc biểu diễn kết quả bằng đồ hoạ có thể có các dạng
khác nhau. Nói chung, các phần mềm tiên tiến có các công
cụ phân tích riêng của mình, nhưng sự trao đổi dữ liệu với
các phần mềm bảng tính đa dụng thì thường có sẵn. Các kết

quả chi tiết, như là các dòng bên trong hay bảng các tính
13
chất có thể được xuất cho các phần mềm thiết kế chuyên
biệt.


3. Cách tiếp cận một bài toán
mô phỏng

3. 5. Phân tích
Các công cụ phân tích flowsheeting cho phép có được nhiều
điều giá trị hơn từ các kết quả mô phỏng.
 Thường sử dụng nhất là phân tích độ nhạy. Phân tích này
thường là việc ghi lại sự biến thiên của một số “các
biến số mẫu” như là hàm số của “các biến số điều
khiển”. Các kết quả này có thể được sử dụng một cách
trực tiếp, như là các xu hướng, tương quan hay tiền-tối ưu.
 Case studies (Nghiên cứu dựa trên đối tượng và hoàn cảnh
cụ thể) có thể được áp dụng để khảo sát việc tổ hợp
(kịch bản) một vài các biến số của flowsheet.
 Cuối cùng, công tác mô phỏng có thể được làm tinh tế
hơn bằng cách tối ưu đa biến số.
Một cách sử dụng tiên tiến hơn đối với các khả năng
flowsheeting là phân tích khả năng điều khiển của các thiết
bị riêng rẽ, hay nghiên cứu một chiến lược kiểm soát/điều
14
khiển toàn phân xưởng.


4. Cấu trúc của phần mềm tính toán

sơ
đồ
4.1 Chiến lược tính toán

Cấu trúc/Kiến trúc của một phần mềm flowsheeting được xác định
bởi chiến lược tính toán.
Ba cách tiếp cận cơ bản đã được phát triển trong những năm qua là:
 Mô đun tuần tự Sequential-Modular;
 Định hướng phương trình Equation-Oriented;
 Mô đun đồng thời Simultaneous-Modular.
A. Trong cấu trúc Mô đun tuần tự (SM) việc tính toán xảy ra theo từng
thiết bị tuân thủ một qui trình tính toán.
 Một quá trình có các dòng hoàn lưu phải được phân thành một
hay một vài qui trình tính toán.
 Mỗi một qui trình bắt đầu tại một điểm nào đó, ở đó dòng vào
phải đã biết, hoặc là đầu vào, hoặc là được khởi phát như là
các dòng ngắt rời tear streams.
 Qui trình tính toán của các thiết bị liên quan đến một dòng hoàn
lưu xác định một vòng lặp hội tụ. Khi các dòng ngắt rời hiện
diện, lời giải cuối cùng của trạng thái ổn định có thể nhận được
bằng các tính toán lặp. Các dòng ngắt rời được biến đổi (tăng
tốc) sau các vòng lặp thành công bằng cách áp dụng một thuật
toán hội tụ phù hợp. Việc tính toán chấm dứt khi cả các thiết bị
và cả các dòng ngắt rời thoả mãn một số các tiêu chuẩn hội
tụ, thường là kết thúc cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt.
Cấu trúc SM là cấu trúc đầu tiên sử dụng trong flowsheeting, nhưng
15
hiện vẫn chi phối công nghệ mô phỏng trạng thái ổn định.

4. Cấu trúc của phần mềm tính toán
sơ đồ
Trong các ưu điểm của cấu trúc SM, ta có thể đề cập:

 Phát triển khả năng theo mô đun.
 Dễ dàng lập trình và bảo dưỡng.
 Dễ dàng kiểm soát sự hội tụ, cả ở mức độ thiết bị cũng
như mức độ flowsheet.

Cũng có các nhược điểm, lấy thí dụ:
 Cần có phân tích tôpô (hình dáng) và khởi phát một cách
hệ thống các dòng ngắt rời.
 Khó khăn khi xử lý các qui trình tính toán phức tạp hơn, như
là các vòng lặp lồng vào nhau hay các vòng lặp thông số
flowsheet và thiết kế đồng thời.
 Khó khăn khi xử lý các thông số liên quan đến các biến
số của một đơn vị bên trong (block).
 Hướng tính toán cứng nhắc, thường là “các đầu ra từ các
đầu vào”.
 Không phù hợp đối với việc mô phỏng không ổn định cho
các hệ có dòng hoàn lưu.
Một số chỉnh sửa đã được đề xuất để cải tiến dòng thông
tin và phòng tránh các tính toán thừa. Trong số đó ta có thể
16
đề cập đến sự chuyển tải thông tin hai chiều được thực hiện
trong phần mềm Hysys TM.


4. Cấu trúc của phần mềm tính toán
sơ đồ

B. Trong cách tiếp cận Định hướng phương trình Equation-Oriented (EO), tất cả các

phương trình mô hình hoá được tập hợp vào một hệ thống thưa thớt cỡ lớn tạo
ra:
 các phương trình đại số phi tuyến (NAE) trong mô phỏng trạng thái ổn định; và
 các phương trình vi phân đại số (DAE) cứng trong mô phỏng không ổn định.
Như vậy, lời giải nhận được bằng cách giải đồng thời tất cả các phương trình
mô hình hoá.

Trong các ưu điểm của cấu trúc giải theo phương trình, ta có thể đề cập:
 Môi trường mềm dẻo đối với các thông số, các thông số này có thể là
dữ liệu đầu vào, đầu ra, hay các biến số của một đơn vị bên trong (block).
 Xử lý tốt hơn đối với các dòng hoàn lưu, và không cần các dòng ngắt
rời.
 Chú ý rằng cách tiếp cận mô hình hoá theo định hướng đối tượng thì phù
hợp tốt với cấu trúc theo định hướng phương trình.

Tuy nhiên, cũng có một số mặt hạn chế chủ yếu như:
 Tốn nhiều công sức lập trình hơn.
 Cần các tài nguyên tính toán đáng kể, nhưng vấn đề này càng ngày càng
nhẹ đi.
 Khó khăn trong việc xử lý các hệ DAE kích thước lớn.
17
 Khó khăn trong việc kiểm soát sự hội tụ và gỡ rối.


4. Cấu trúc của phần mềm tính toán
sơ đồ

C. Trong cách tiếp cận Mô đun đồng thời (SiM), chiến lược giải là sự

kết hợp các cách tiếp cận Mô đun tuần tự và Định hướng phương
trình.
 Các mô hình chi tiết được sử dụng ở mức độ thiết bị, mức này
được giải một cách tuần tự,
 Các mô hình tuyến tính được sử dụng ở mức độ flowsheet, được
giải một cách tổng thể.
 Các mô hình tuyến tính được cập nhật dựa trên các kết quả thu
được với các mô hình chi tiết.
Cấu trúc này đã được thử nghiệm trong một số sản phẩm hàn
lâm.


Có thể kết luận rằng cách tiếp cận SM giữ vị trí chi phối
trong mô phỏng trạng thái ổn định.

Cách tiếp cận EO đã chứng tỏ tiềm năng trong mô
phỏng không ổn định và tối ưu hoá thời gian thực.
Giải pháp cho các thế hệ tương lai của phần mềm flowsheeting
dường như là sự hoà trộn của các chiến lược này. Phiên bản 11.1
của Aspen Plus (2002) lần đầu tiên kết hợp các đặc điểm của cấu
18
trúc EO trong môi trường của một phần mềm mô phoûng SM.


4. Cấu trúc của phần mềm tính toán
sơ đồ

4.2 Cách tiếp cận mô đun tuần tự
Cách tiếp cận mô đun tuần tự được sử dụng chủ yếu trong các
tính toán flowsheeting cho trạng thái ổn định, trong số đó ta có thể

kể đến các sản phẩm chủ lực Aspen Plus, ChemCad, Hysys, ProII,
Prosim, and Winsim (xem thông tin thêm ở bảng 2.2). Tuy nhiên có
một số phần mềm mô phỏng không ổn định được xây dựng theo
cấu trúc này, phổ biến nhất là Hysys.
Thành phần cơ bản trong một phần mềm mô phỏng dạng mô đun
là mô hình thiết bị. Mô hình mô phỏng được thành lập dựa trên
các phương trình bảo toàn khối lượng, năng lượng và động lượng.
Cuối cùng, việc này dẫn đến một hệ phương trình đại số phi
tuyến là :
f(u,x,d,p)=0 (1)
Ý nghóa các ký hiệu:
 u, các biến số kết nối được phân loại một cách hình thức đối
với các biến số đầu vào và đầu ra;
 x, các biến số nội (trạng thái), như nhiệt độ, áp suất, nồng
độ;
 d, các biến số định nghóa cho hình dáng, như thể tích, bề mặt
trao đổi nhiệt, v.v…;
19
 p, các biến số định nghóa cho các tính chất vật lý, như enthalpy,
các hệ số cân bằng pha, v.v….


4. Cấu trúc của phần mềm tính toán
sơ đồ

H. 4: Bố trí tổng quát của mô hình thiết bị

20