hướng dẫn chi tiết bài tập mô phỏng trong hysys

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 cng 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 dn 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 dn 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 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 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 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 gồm 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, 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).
Cng 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). Cng 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 ng 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 viện có sẵn, UNISIM 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

7

nổi bật của UNISIM 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.
UNISIM 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 khi quá trình
tính toán hội tụ, kết quả thu được tương ứng với các điều kiện đó, 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 UNISIM giúp giảm chi phí cho quá trình công nghệ do có thể tối
ưu các thiết bị trong dây chuyền mà vn đảm bảo được yêu cầu về chất lượng
sản phẩm. UNISIM 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. UNISIM 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, cho phép mở rộng phạm
vi chương trình và rất gần với thực tế công nghệ.
UNISIM 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.

8
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 thông số và thành phần của dòng nguyên liệu.
 Xây dựng sơ đồ công nghệ với các thiết bị cần thiết.
 Cung cấp đầy đủ các thông số công nghệ cần thiết cho thiết bị.
3. Chạy chương trình mô phỏng:
 Đọc kết quả.
 Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ.
1. Bắt đầu với UNISIM
Khởi động UNISIM bằng cách bấm vào biểu tượng của UNISIM, trên màn
hình máy tính sẽ xuất hiện giao diện như trong hình 1.1. Trước khi thực hiện
mô phỏng, UNISIM cần phải biến đổi giao diện ban đầu này. Tại đây sẽ thực
hiện lựa chọn các cấu tử cần thiết và hệ nhiệt động phù hợp cho mô phỏng.

Hình 1.1. Giao diện mở đầu xuất hiện khi khởi động UNISIM

9

2. Quản lý cơ sở mô phỏng
UNISIM sử dụng khái niệm hệ nhiệt động (Fluid Package) bao gồm 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 Basis
Manager.
Simulation Basis 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.
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 trên thanh công cụ.
Khi đó giao diện Simulation Basis Manager sẽ xuất hiện (hình 1.2). 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)
 Hypotheticals sử dụng khi thiết lập các cấu tử giả định
 Oil Manager sử dụng khi thiết lập các cấu tử cho dầu thô
 Reactions tab sử dụng khi thiết lập các phản ứng hoá học

10

Hình 1.2. Giao diện Simulation Basis Manager
4. Nhập các cấu tử
Bước đầu tiên khởi tạo cơ sở mô phỏng là nhập các cấu tử (đơn chất và
hợp chất) sẽ có mặt trong chương trình mô phỏng. Trình tự tiến hành như sau:
1. Để nhập các cấu tử cho mô phỏng bấm vào phím Add trong giao diện
Simulation Basis Manager (hình 1.2).
2. Sau khi bấm phím Add sẽ xuất hiện danh sách tất cả các cấu tử có trong
thư viện của UNISIM (hình 1.3).
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.

Menu chính
Thanh công cụ
Các tab

11

Hình 1.3. Giao diện Component List
4. 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.
5. 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.
6. Ở phía dưới giao diện này có ô Name, có thể đặt tên cho danh sách các
cấu tử vừa chọn.
7. Khi đã hoàn thành các bước trên, đóng cửa sổ này lại, sẽ trở lại giao diện
Simulation Basis 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.
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

12
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. Tại giao diện Simulation Basis Manager (hình 1.2), chọn Fluid Pkgs
tab, sẽ hiển thị cửa sổ như trên hình 1.4.















Hình 1.4. Giao diện Fluid Package
2. Bấm vào phím Add sẽ hiển thị cửa sổ như trong hình 1.5 để chọn một
fluid pkgs phù hợp. Trong bảng Property Package Selection bao gồm các
hệ nhiệt động có trong UNISIM. Bên cạnh bảng này là các phím chọn
các loại hệ nhiệt động được chia thành 6 nhóm: Các phương trình trạng
thái (EOSs), các mô hình tính toán khác nhau. Tuỳ thuộc vào thành phần,
tính chất của hỗn hợp và các thông số công nghệ mà lựa chọn hệ nhiệt
động phù hợp.
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 1.5, đã lựa chọn phương trình trạng thái
Peng-Robinson.

13

5. Có thể đặt tên cho fluid package vào cửa sổ nhỏ Name phía dưới giao
diện. Ví dụ trong hình 1.5 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.













Hình 1.5. Giao diện Fluid Package
6. Các mô hình nhiệt động
Trong UNISIM có các loại mô hình nhiệt động khác nhau:
 EOS: bao gồm các phương trình trạng thái áp dụng chủ yếu cho hệ
hydrocacbon, không phân cực hoặc phân cực yếu. Trong tính toán thiết kế
công nghệ chế biến dầu, khí và hoá dầu phương trình trạng thái Peng-
Robinson nói chung được ứng dụng phổ biến, cho phép nhận được kết quả
chính xác đáng tin cậy trong một khoảng rộng các thông số công nghệ. Để

biết chi tiết hơn có thể đọc thêm trong tài liệu hướng dn sử dụng UNISIM
(UNISIM Simulation Basic Manual).
 Activity Models: bao gồm các mô hình Chien Null, Extended NRTL,
General NRTL, Margules, Chao Seader, Grayson Streed áp dụng với các
hệ chất lỏng không lý tưởng.

14
 Chao Seader và Grayson Streed Models là các phương pháp bán thực
nghiệm. Mô hình Grayson Streed là mở rộng của Mô hình Chao Seader
khi có mặt hydrogen. Những số liệu tính toán cân bằng từ các biểu thức
của các phương pháp này được sử dụng trong Aspen HYSYS. Phương
pháp Lee-Kesler được sử dụng để tính toán entanpy và entropy của pha
lỏng và pha hơi.
 Vapour Pressure Models: bao gồm các mô hình Antoine, Braun K10,
Esso Tabular, sử dụng cho các hỗn hợp khí lý tưởng ở áp suất thấp như
hỗn hợp các hydrocacbon nhẹ, hỗn hợp keton và rượu trong đó pha lỏng
gần lý tưởng.
 Miscellaneous Types: bao gồm các mô hình đặc biệt, khác với các mô
hình nêu trên, ví dụ như Amine Pkg được ứng dụng trong tính toán mô
phỏng các nhà máy làm ngọt khí bằng amin, ASME Steam được ứng
dụng trong tính toán hơi nước.
Các hệ nhiệt động có trong UNISIM cho phép dự đoán được tính chất của
các hỗn hợp từ hệ các hydrocacbon nhẹ tới hỗn hợp của các loại dầu phức tạp,
và hệ các hợp chất có hoặc không điện ly. UNISIM cung cấp các phương trình
trạng thái (PR hay PRSV) cho các quá trình xử lý 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.

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 thực
hiện mô phỏng. Tuỳ thuộc vào thành phần và tính chất hỗn hợp cấu tử, điều
kiện công nghệ (nhiệt độ, áp suất,…) có thể áp dụng những mô hình nhiệt động
khác nhau để nhận được kết quả tính toán phù hợp với thực tế công nghệ.
Năm 1999, hai tác giả Elliott và Lira đã đề xuất sơ đồ hình cây như mô tả
trên hình 1.6 dưới đây (BIP – Binary Interaction Parameters) để lựa chọn hệ
nhiệt đồng cần thiết.


15



Phân loại các cấu tử có trong hệ:
khí, chất không phân cực, ngưng tụ,
solvat hóa, điện ly
Khí hoặc chất
không phân cực?
Chất điện ly?
Khí (NH
3
, CO
2
)?
hoặc P > 10 bars?
Thử chọn PR,
SRK, API
Thử chọn NRTL,
Pitzer, hoặc Bromley

Thử NRTL,
UNIQUAC, FH,
Winson, Van Laar
Biết BIP?
Polimers?
P > 10 bars?
Thử UNIFAC,
nếu có thể, giả định BIP
của các cấu tử thiếu
Thử chọn
SAFT, ESD
Thử Henry’s Law
Thử ESD, SAFT,
MHW2, Wong-Sandler
Đúng
Đúng
Đúng
Sai
Sai
Sai
Sai
Đúng
Đúng
Đúng
Sai
Sai
Hình 1.6. Sơ đồ lựa chọn mô hình nhiệt động

16
Bảng 1.1 đưa ra danh sách một vài hệ tiêu biểu và những phương pháp tính

toán sử dụng hệ nhiệt động phù hợp có thể áp dụng.
Bảng 1.1. 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
Sấy khí bằng TEG
PR
Nước chua
PR, Sour PR
Xử lý khí nhiệt độ thấp
PR, PRSV
Tách không khí
PR, PRSV
Tháp chưng cất dầu thô áp suất khí
quyển
PR, PR Options, GS
Tháp chưng cất chân không
PR, PR Options, GS (<10 mmHg),
Braun K10, Esso K
Tháp Ethylene
Lee Kesler Plocker
Hệ H
2
áp suất cao

PR, ZJ hoặc GS
Các thùng chứa
Steam Package, CS hoặc GS
Ức chế tạo hydrat
PR

Các hệ hoá học
Activity Models, PRSV
Alkyl hoá xúc tác HF
PRSV, NRTL
Sấy bằng TEG có mặt các hợp chất thơm
PR
Các hệ hydrocacbon trong đó độ tan của
nước trong các hydrocacbon là quan
trọng
Kabadi Danner
Các hệ có một vài khí và các
hydrocacbon nhẹ
MBWR
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


17

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 các mục
1.3, 1.4 và 1.5 ở trên, 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 1.7.

Hình 1.7. Enter Simulation Environment
a. Thao tác trong lưu trình mô phỏng
Khi vào môi trường mô phỏng, sẽ thấy giao diện như hình 1.8 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:
 UNISIM 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 UNISIM sẽ không tính toán và sẽ không đưa ra kết quả. Để
tiếp tục quá trình 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 một số quá trình mô phỏng khác, UNISIM có khả năng
tính toán xuôi dòng và ngược dòng. Vì vậy cần đặc biệt chú ý khai báo

18
các tham số cho lưu trình (flowsheet) phải đảm bảo rằng các thông tin
cung cấp cho UNISIM không mâu thun với nhau. Nếu không sẽ bị lỗi và
UNISIM sẽ không thể tính toán được.

Hình 1.8. Giao diện Simulation Environment
b. 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.
c. 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.
d. Bảng các công cụ mô phỏng
Trong hình 1.9 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.

19

Hình 1.9. Giao diện PFD với Object Palette
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.













Hình 1.10. Khởi tạo dòng vật chất trong PFD