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

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

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

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

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

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
++

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.

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 1.3. 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

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

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

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
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 1.9. 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