Hysys mô phỏng Công nghệ hóa học

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 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 công 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 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

3


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

4


MỤC LỤC
Lời giới thiệu .................................................................................................................... 3
Chƣơng 1
GIỚI THIỆU VỀ MÔ PHỎNG ........................................ 9
1.1. Mục đích của mô phỏng ............................................................................................ 9
1.2. Giới thiệu HYSYS ................................................................................................... 11
Chƣơng 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
Chƣơng 3
PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI .................................... 29
3.1. Phương trình trạng thái – Các biểu thức toán học ...................................................
3.2. Thực hiện mô phỏng ................................................................................................
3.3. Tóm tắt và ôn tập chương 3 .....................................................................................

3.4. Bài tập ......................................................................................................................

30
30
38
39
5


Chƣơng 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
Chƣơng 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
Chƣơng 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

Chƣơng 7
THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT....................................... 58
7.1. Bài toán ....................................................................................................................
7.2. Tiến hành mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt ..........................................................
7.3. Thảo luận .................................................................................................................
7.4. Tóm tắt và ôn tập chương 7 .....................................................................................

6

59
59
61
61


7.5. Bài tập nâng cao ...................................................................................................... 61
Chƣơng 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
Chƣơng 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
Chƣơng 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
Chƣơng 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
Chƣơng 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

7


12.4. Bài tập nâng cao .................................................................................................. 110
Chƣơng 13
THÁP CHƢNG 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
Chƣơng 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

8


Chƣơng 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 c ủa
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 ngh ệ 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.
9


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, v à 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++, …
10


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 h oá
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 b ộ
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.
11


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.

12


Chƣơng 2

BẮT ĐẦU VỚI HYSYS
Nội dung


Bắt đầu làm việc với HYSYS, cách lựa chọn các cấu tử trong hỗn hợp
nguyên liệu, và phương pháp lựa chọn hệ nhiệt động phù hợp cho mục
đích mô phỏng. Biết cách bắt đầu làm việc với HYSYS và làm quen với
các giao diện là rất quan trọng.



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.

Mục tiêu
Sau khi kết thúc chương này người sử dụng có thể:


Khởi động HYSYS



Lựa chọn các cấu tử trong thành phần hỗn hợp



Xác định và lựa chọn hệ nhiệt động phù hợp



Vào và quay trở lại môi trường mô phỏng



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

13


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:

14



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.
Menu chính

Thanh công cụ

Các tab
Hình 2.2. Giao diện Simulation Basic Manager

15


2.4. 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 Basic Manager .
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.
16


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.
17


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.

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?

Đúng

Thử chọn PR,
SRK, API

Sai
Đúng

Chất điện ly?

Thử chọn NRTL,
Pitzer, hoặc Bromley

Sai
Khí (NH3, CO2)?
hoặc P > 10 bars?

Sai

Biết BIP?
Sai

Đúng

Polimers?

Đúng

Đúng

Thử NRTL,
UNIQUAC, FH,
Winson, Van Laar
Thử UNIFAC,
nếu có thể, giả định
BIP của các cấu tử
thiếu
Thử chọn
SAFT, ESD

Sai
P < 10 bars?

Đúng

Thử Henry’s Law

Sai
Thử ESD, SAFT,
MHW2, Wong-Sandler

Hình 2.5. Sơ đồ lựa chọn mô hình nhiệt động

18

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
Sấy khí bằng TEG
Nước chua
Xử lý khí nhiệt độ thấp
Tách không khí
Tháp chưng cất dầu thô áp suất
khí quyển
Tháp chưng cất chân không
Tháp Ethylene
Hệ H2 áp suất cao
Các thùng chứa
Ức chế tạo hydrat
Các hệ hoá học
Alkyl hoá xúc tác HF
Sấy bằng TEG có mặt các hợp
chất thơm
Các hệ hydrocacbon trong đó độ

tan của nước trong các
hydrocacbon là quan trọng
Các hệ có một vài khí và các
hydrocacbon nh

Hệ nhiệt động phù hợp được đề nghị sử dụng
PR
PR, Sour PR
PR, PRSV
PR, PRSV
PR, PR Options, GS
PR, PR Options, GS (<10 mmHg), Braun K10,
Esso K
Lee Kesler Plocker
PR, ZJ hoặc GS
Steam Package, CS hoặc GS
PR
Activity Models, PRSV
PRSV, NRTL
PR
Kabadi Danner

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.

19

Trong các ứng dụng với dầu, khí và hoá dầu phương trình trạng thái PengRobinson nói chung được ứng dụng phổ biến cho các hệ nhiệt động. Để biết chi tiết
hơn có thể đọc thêm trong tài liệu hướng d n sử dụng HYSYS (Aspen HYSYS
Simulation Basic Manual).
2.7. Vào môi trƣờng 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 hình 2.6.

trên thanh công cụ để vào môi trường mô phỏng như mô tả

Hình 2.6. Enter Simulation Environment

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
20


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
trình mô phỏng bắt đầu hoạt động trở lại.

), chương

 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 màn hình.

trên thanh công cụ phía

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.
21


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.

Hình 2.8. Giao diện PFD với Object Palette

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
22


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

23


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 H 2O bằng “1”, nghĩa là dòng 1 chỉ
có nước.

Hình 2.11. Cửa sổ nhập Composition

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
24

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 25 oC (bằng 77 oF) như trên hình 2.12.

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

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.

25


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

26