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 hoá 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

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 giảMỤC LỤC Lời giới thiệu 3

Chương 1
GIỚI THIỆU VỀ MÔ PHỎNG 9

1.1. Mục đích của mô phỏng 9
1.2. Giới thiệu HYSYS 11

Chương 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

Chương 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

Chương 7
THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 58

7.1. Bài toán 59
7.2. Tiến hành mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt 59
7.3. Thảo luận 61
7.4. Tóm tắt và ôn tập chương 7 61
7.5. Bài tập nâng cao 61
Chương 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


Chương 13
THÁP CHƯNG LUYỆN 111

Sơ đồ 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

Chương 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

3

Chương 1
GIỚI THIỆU VỀ MÔ PHỎNG


buộc tăng lên. Giải quyết đồng thời các vấn đề trên đòi hỏi một khối lượng tính toán

4

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.
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 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

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 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

6

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.
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


Chương 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 đồ 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 9

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.
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.

C
ác tab
Menu 12 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.
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)

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.
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 đồ 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?
Thử
chọn PR, SRK,
API
Thử chọn
Đ
úng
Đ
S
ai

14

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.

15

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
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

hơn có thể đọc thêm trong tài liệu hướng dn sử dụng HYSYS (Aspen HYSYS
Simulation Basic Manual).
2.7. 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 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 thanh công cụ để vào môi trường mô phỏng như mô tả
trên hình 2.6.
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

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.
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

18

trong danh sách thả xuống, chọn Case, sau đó bấm vào phím View, hoặc bấm vào
phím PFD trên thanh công cụ.
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 2.9. Khởi tạo dòng vật chất trong PFD

Trích đoạn Thực hiện mô phỏng thiết bị phản ứng khuấy liên tục Thực hiện mô phỏng quá trình Bài tập 1 Quá trình có thiết bị phản ứng và tháp tách pha Bài tập 2: Cải tiến quá trình của bài tậ p1 Bài tập 3: Quá trình có sử dụng công cụ logic Recycle

---