Computer-Aided Chemical Engineering - Chương 1: Mô phỏng công nghệ quá trình nhờ máy tính

Nội dung text: Computer-Aided Chemical Engineering - Chương 1: Mô phỏng công nghệ quá trình nhờ máy tính

1. Computer-Aided Chemical Engineering An Introduction to Process Simulation C1. Mô phỏng công nghệ quá trình nhờ máy tính
2. 1. Mô phỏng công nghệ quá trình nhờ máy tính Mô phỏng là một hoạt động cơ bản trong Công nghệ quá trình. Định nghĩa sau đây nêu ra những đặc điểm chủ yếu (Thomé, 1993): Mô phỏng là một quá trình thiết kế mô hình vận hành của một hệ thống và tiến hành các thử nghiệm với mô hình đó nhằm mục đích ❖ hoặc là để hiểu biết về cách hoạt động của hệ thống ❖ hoặc là để đánh giá các chiến lược khác nhau đối với việc xây dựng hay vận hành hệ thống này. Phải có thể tái tạo các khía cạnh đã chọn về cách hoạt động của hệ thống được mô hình đến một độ chính xác chấp nhận được. ❖ Mô phỏng hàm ý là mô hình hoá, cũng như điều chỉnh mô hình theo các dữ liệu thử nghiệm. Một mô hình mô phỏng phục vụ cho việc tiến hành “các thử nghiệm ảo”. Hầu như không thể trông thấy được trong đa số các trường hợp, và được kết hợp trong công nghệ phần mềm, mô hình hoá là một đặc điểm chủ yếu trong từng mô phỏng. ❖ Điều quan trọng cần nhớ là mô phỏng chỉ là sự thể hiện gần đúng của hiện thực, với một độ chính xác nhất định, và không phải là bản thân hiện thực. Đó là lý do tại sao người sử dụng luôn phải có khả năng đánh giá độ tin cậy của các kết quả do phần mềm mô phỏng đưa ra. Mô phỏng trong công nghệ quá trình đòi hỏi các kiến thức khoa học cụ thể như mô tả chính xác các tính chất vật lý của các cấu tử tinh khiết và các hỗn hợp phức tạp, các mô hình đối với nhiều thiết bị phản ứng và thiết bị công nghệ hoá học khác nhau, cũng như các kỹ thuật số để giải các hệ phương trình đại số và vi phân có kích thước lớn. 3
3. 1. Mô phỏng công nghệ quá trình nhờ máy tính H. 1: Mô hình mới trong Công nghệ quá trình: Mô phỏng là hoạt động trung tâm trong công tác Nghiên cứu & phát triển, Thiết kế và Vận hành 5
4. H. 2: Ứng dụng của các mô hình mô phỏng phân xưởng ở trạng thái ổn định và không ổn định 7
5. 2. Lịch sử phát triển Máy tính cá nhân xuất hiện vào năm 1982. Mặc dù năng lực của PC còn yếu đối với việc tính toán flowsheeting, ý tưởng về một công cụ ‘cá nhân’ đã đủ mạnh để kích thích những người có nhiệt tình (phát triển các phần mềm ChemCAD, ChemStations và phần mềm Hysys, Hyprotech). Thử thách về việc rời khỏi môi trường elitist của máy tính lớn đã được khởi động. Vào đầu thập kỷ 90, sự thống trị của các sản phẩm PC đã tạo nên một sự kiện. Sự ổn định tương đối trong các hệ điều hành, ngày nay bị chi phối bởi các hệ UNIX và Windows, đã cho phép phát triển các thế hệ phần mềm mô phỏng mới. Giao diện người-máy bằng đồ hoạ Graphical User Interface (GUI) trở thành phần chủ yếu trong việc phát triển phần mềm. Năng lực của các siêu máy tính thời xưa đã có trong các máy tính để bàn (desktops) hiện nay. 9
6. 3. Cách tiếp cận một bài toán mô phỏng 3.1. Định nghĩa Một Sơ đồ khối của quá trình Process Flow Diagram (PFD) thực phải được chuyển thành một sơ đồ tương thích với các khả năng của phần mềm và tương thích với các mục tiêu mô phỏng. Sơ đồ khối được xây dựng cho mục đích mô phỏng được gọi là Sơ đồ mô phỏng quá trình Process Simulation Diagram (PSD). Nói chung, PSD khác với PFD. ❖ Lấy thí dụ, một số thiết bị đơn giản, thí dụ các thiết bị liên quan đến việc thay đổi áp suất hay nhiệt độ, có thể được gộp lại trong các thiết bị phức tạp hơn (trên quan điểm mô phỏng). ❖ Ngược lại các thiết bị phức tạp, như các tháp chưng cất hay các thiết bị phản ứng hoá học, có thể cần được mô phỏng như là các sơ đồ flowsheet nhỏ. Như vậy, việc phân tích sơ bộ bài toán là cần thiết. Các bước để định nghĩa một bài toán mô phỏng gồm: ❖ Chuyển đổi sơ đồ PFD sang sơ đồ PSD. Phân chia sơ đồ flowsheet thành một số các sơ đồ con sub-flowsheets, nếu cần thiết. ❖ Phân tích mô hình mô phỏng đối với mỗi thiết bị flowsheeting. ❖ Định nghĩa các cấu tử hoá học, kể cả các cấu tử do người sử dụng định nghĩa hay các thành phần phần trăm đối với dầu mỏ. ❖ Phân tích các vấn đề về mô hình hoá nhiệt động liên quan đến các flowsheet tổng thể, các sub-flowsheets và các thiết bị chủ yếu. 11 ❖ Phân tích chế độ về thông số (các bậc tự do) của các thiết bị phức tạp.
7. 3. Cách tiếp cận một bài toán mô phỏng 3.4. Kết quả mô phỏng Mô phỏng cung cấp một số lớn kết quả. Các kết quả quan trọng nhất là: ❖ Báo cáo về các dòng (cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt), kể cả báo cáo về sự hội tụ của flowsheet. ❖ Báo cáo về các thiết bị, bao gồm báo cáo về cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt cũng như báo cáo về sự hội tụ của thiết bị. ❖ Đánh giá hiệu suất của các thiết bị. ❖ Các bảng và biểu đồ tính chất vật lý. Việc biểu diễn kết quả bằng đồ hoạ có thể có các dạng khác nhau. Nói chung, các phần mềm tiên tiến có các công cụ phân tích riêng của mình, nhưng sự trao đổi dữ liệu với các phần mềm bảng tính đa dụng thì thường có sẵn. Các kết quả chi tiết, như là các dòng bên trong hay bảng các tính chất có thể được xuất cho các phần mềm thiết kế chuyên biệt. 13
8. 4. Cấu trúc của phần mềm tính toán sơ đồ 4.1 Chiến lược tính toán Cấu trúc/Kiến trúc của một phần mềm flowsheeting được xác định bởi chiến lược tính toán. Ba cách tiếp cận cơ bản đã được phát triển trong những năm qua là: ❖ Mô đun tuần tự Sequential-Modular; ❖ Định hướng phương trình Equation-Oriented; ❖ Mô đun đồng thời Simultaneous-Modular. A. Trong cấu trúc Mô đun tuần tự (SM) việc tính toán xảy ra theo từng thiết bị tuân thủ một qui trình tính toán. ❖ Một quá trình có các dòng hoàn lưu phải được phân thành một hay một vài qui trình tính toán. ❖ Mỗi một qui trình bắt đầu tại một điểm nào đó, ở đó dòng vào phải đã biết, hoặc là đầu vào, hoặc là được khởi phát như là các dòng ngắt rời tear streams. ❖ Qui trình tính toán của các thiết bị liên quan đến một dòng hoàn lưu xác định một vòng lặp hội tụ. Khi các dòng ngắt rời hiện diện, lời giải cuối cùng của trạng thái ổn định có thể nhận được bằng các tính toán lặp. Các dòng ngắt rời được biến đổi (tăng tốc) sau các vòng lặp thành công bằng cách áp dụng một thuật toán hội tụ phù hợp. Việc tính toán chấm dứt khi cả các thiết bị và cả các dòng ngắt rời thoả mãn một số các tiêu chuẩn hội tụ, thường là kết thúc cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt. Cấu trúc SM là cấu trúc đầu tiên sử dụng trong flowsheeting, nhưng hiện vẫn chi phối công nghệ mô phỏng trạng thái ổn định. 15
9. 4. Cấu trúc của phần mềm tính toán sơ đồ B. Trong cách tiếp cận Định hướng phương trình Equation-Oriented (EO), tất cả các phương trình mô hình hoá được tập hợp vào một hệ thống thưa thớt cỡ lớn tạo ra: ❖ các phương trình đại số phi tuyến (NAE) trong mô phỏng trạng thái ổn định; và ❖ các phương trình vi phân đại số (DAE) cứng trong mô phỏng không ổn định. Như vậy, lời giải nhận được bằng cách giải đồng thời tất cả các phương trình mô hình hoá. Trong các ưu điểm của cấu trúc giải theo phương trình, ta có thể đề cập: ❖ Môi trường mềm dẻo đối với các thông số, các thông số này có thể là dữ liệu đầu vào, đầu ra, hay các biến số của một đơn vị bên trong (block). ❖ Xử lý tốt hơn đối với các dòng hoàn lưu, và không cần các dòng ngắt rời. ❖ Chú ý rằng cách tiếp cận mô hình hoá theo định hướng đối tượng thì phù hợp tốt với cấu trúc theo định hướng phương trình. Tuy nhiên, cũng có một số mặt hạn chế chủ yếu như: ❖ Tốn nhiều công sức lập trình hơn. ❖ Cần các tài nguyên tính toán đáng kể, nhưng vấn đề này càng ngày càng nhẹ đi. 17 ❖ Khó khăn trong việc xử lý các hệ DAE kích thước lớn. ❖ Khó khăn trong việc kiểm soát sự hội tụ và gỡ rối.
10. 4. Cấu trúc của phần mềm tính toán sơ đồ 4.2 Cách tiếp cận mô đun tuần tự Cách tiếp cận mô đun tuần tự được sử dụng chủ yếu trong các tính toán flowsheeting cho trạng thái ổn định, trong số đó ta có thể kể đến các sản phẩm chủ lực Aspen Plus, ChemCad, Hysys, ProII, Prosim, and Winsim (xem thông tin thêm ở bảng 2.2). Tuy nhiên có một số phần mềm mô phỏng không ổn định được xây dựng theo cấu trúc này, phổ biến nhất là Hysys. Thành phần cơ bản trong một phần mềm mô phỏng dạng mô đun là mô hình thiết bị. Mô hình mô phỏng được thành lập dựa trên các phương trình bảo toàn khối lượng, năng lượng và động lượng. Cuối cùng, việc này dẫn đến một hệ phương trình đại số phi tuyến là : f(u,x,d,p)=0 (1) Ý nghĩa các ký hiệu: ❖ u, các biến số kết nối được phân loại một cách hình thức đối với các biến số đầu vào và đầu ra; ❖ x, các biến số nội (trạng thái), như nhiệt độ, áp suất, nồng độ; ❖ d, các biến số định nghĩa cho hình dáng, như thể tích, bề mặt trao đổi nhiệt, v.v ; ❖ p, các biến số định nghĩa cho các tính chất vật lý, như enthalpy, các19hệ số cân bằng pha, v.v .
11. 4. Cấu trúc của phần mềm tính toán sơ đồ ❖ Chú ý rằng hệ thống (1) có đặc trưng phi tuyến rất mạnh, đặc biệt là do sự phụ thuộc lẫn nhau giữa các tính chất vật lý và các biến số trạng thái. ❖ Điều quan trọng phải nhớ là các tính chất vật lý có thể đòi hỏi đến 90% thời gian tính toán. ❖ Hệ thống nói trên được coi là hoàn chỉnh khi có các phương trình thể hiện các ràng buộc. Sự khác biệt giữa tổng số các biến số phải có trong hệ (1) và số các phương trình đại số độc lập cho ta các bậc tự do. Các bậc tự do này thường là các thông số mà người sử dụng phải cung cấp khi chạy mô phỏng. Trong cách tiếp cận SM, mỗi đơn vị mô phỏng (block) được xử lý theo qui tắc: các biến số đầu ra = hàm số {các biến số đầu vào, các biến số thiết bị, các thông số thiết bị} ❖ Mối liên quan hàm số này là cụ thể đối với mỗi thiết bị, như thiết bị cân bằng lỏng hơi flash, thiết bị phản ứng, tháp chưng cất v.v ❖ Do có nhiều các tình huống vật lý khác nhau, dễ hiểu là phải kết hợp một phần thuật toán này vào chương trình để giải thiết bị. ❖ Trên quan điểm lập trình, ta nói rằng cách tiếp cận này là cách tiếp 21cận theo qui trình/thủ tục.
12. 4. Cấu trúc của phần mềm tính toán sơ đồ Hình 5: Cấu trúc phần mềm của một phần mềm mô phỏng Sequential- Modular 23
13. 4. Cấu trúc của phần mềm tính toán sơ đồ 4.3 Cách tiếp cận định hướng phương trình Trong cách tiếp cận EO, cấu trúc của phần mềm thì gần với một công cụ giải các phương trình. Cách tiếp cận EO phù hợp hơn đối với mô phỏng không ổn định vì mô phỏng này có thể được mô hình bằng một hệ các phương trình vi phân đại số (DAE) có dạng: dx = f (u,x,d,p) (2) dt Lời giải ổn định nhận được bằng cách cho các đạo hàm này bằng zero. Hệ DAE tổng quát (2) là thưa thớt và cứng, kích thước của hệ này thay đổi trong khoảng từ 102 đến 105 phương trình. Nhu cầu về mô phỏng không ổn định ngày càng nhiều cũng như đối tác ổn định của nó. Như vậy, sự biến thiên áp suất không thể bỏ qua hay gộp vào các đặc điểm kỹ thuật của thiết bị mô phỏng. Tuy nhiên, nói chung, đặc điểm kỹ thuật của các biến số thì mềm dẻo hơn. Có thể thiết lập bất kỳ biến số nào của flowsheet như là các biến số của các dòng đầu vào hay đầu ra, hay của đơn vị bên trong. 25
14. 4. Cấu trúc của phần mềm tính toán sơ đồ Hình 6: Cấu trúc phầm mềm của một phần mềm mô phỏng Equation- Oriented 27
15. 5. Các hệ tích hợp 5.2 Hyprotech Đặc điểm riêng của hệ flowsheeting của Hyprotech là mô phỏng trạng thái ổn định và không ổn định thì có sẵn trong môi trường đồ hoạ. Các sản phẩm khác được phát triển như là các ứng dụng riêng lẻ đối với các mục đích công nghệ hay vận hành. Hệ thống này được thiết kế để có thể tuỳ chỉnh toàn diện. Các thành phần chính là: ❖ Hysys.Concept: gói thiết kế cơ sở đối với các ứng dụng về thiết kế và trang bị thêm (retrofit), có hai cấu phần : ✓ DISTIL: các chuỗi tháp chưng cất, ✓ HX: các dự án tích hợp nhiệt năng trên cơ sở tính toán Pinch. ❖ Hysys.Process: tính toán flowsheeting cho trạng thái ổn định đối với các thiết kế tối ưu mới và mô hình hoá các nhà máy hiện hữu, đánh giá các trang bị thêm và cải tiến quá trình. ❖ Hysys.Plant: mô phỏng trạng thái ổn định và không ổn định để đánh giá thiết kế của các nhà máy hiện hữu, và phân tích các bài toán về an toàn và điều khiển. ❖ Hysys.Operator Training: các điều kiện khởi động, ngừng hoạt động, bao gồm các trạm chỉ thị với giao diện DCS (Distributed Control System - hệ thống điều khiển phân tán), và được kết hợp với Hysys.Plant là công cụ tính toán. ❖ Hysys.RTO+: tối ưu hoá đa biến số theo thời gian thực; các mô hình trực tuyến on-line có thể được sử dụng ngoại tuyến offline để trợ giúp việc ra quyết định về các công tác bảo dưỡng, lập kế hoạch và vận hành. ❖ Hysys.Refinery: mô hình hoá chi tiết các quá trình lọc dầu hoàn chỉnh, tích hợp cơ sở dữ liệu dầu thô và một tập hợp các mô hình thiết bị phản ứng chi tiết trong ngành lọc dầu29. ❖ Hysys.Ammonia: mô hình hoá toàn bộ nhà máy và tối ưu hoá các nhà máy ammonia.
16. 6. Chọn lựa một phần mềm mô phỏng Việc chọn lựa một phần mềm mô phỏng là một quyết định chiến lược đối với một tổ chức. Điều này hàm ý một chính sách phối hợp trung/dài hạn, cả về nền tảng phần cứng và cả về phần mềm khoa học kỹ thuật, cũng như về công tác huấn luyện nhân viên, sự tương thích với môi trường của các bên còn lại, v.v Qui trình mô tả dưới đây có thề áp dụng đối với một sự chọn lựa bất kỳ phần mềm khoa học kỹ thuật để có độ mạo hiểm thấp. Qui trình đánh giá có dạng của một bản câu hỏi, như được cho dưới đây. 1. Phân tích chức năng ❖ Các ứng dụng điển hình. ❖ Khả năng và các tùy chọn. ❖ Giao diện người sử dụng. ❖ Các thuật toán và các phương pháp số. ❖ Các sản phẩm phụ trợ. ❖ Kích thước và các ứng dụng của cơ sở dữ liệu, chất lượng dữ liệu. ❖ Hậu xử lý các kết quả. ❖ Các mốc chuẩn điển hình và thư viện các thí dụ. ❖ Sổ tay người sử dụng. 31
17. 6. Chọn lựa một phần mềm mô phỏng Mỗi hạng mục câu hỏi sẽ ứng với một điểm và kèm theo một trọng số. Kết quả là qui trình này sẽ cho ra một danh mục với hai hay ba ứng viên tốt. ❖ Sự chọn lựa cuối cùng hàm ý một đánh giá chi tiết hơn đối với các khía cạnh nói trên. Các chuyên gia có thể yêu cầu nhiều thông tin hơn như các tài liệu về mốc chuẩn benchmark, trình diễn tuỳ chỉnh, mẫu lập trình, bảo đảm chất lượng, v.v Trong khía cạnh này, điều quan trọng là kiểm tra sản phẩm về các vấn đề liên quan gần với lĩnh vực ứng dụng của người sử dụng. Mặc dù có những chức năng tương tự giữa các nhà cung cấp phổ biến, mỗi hệ thống có các khả năng mà hệ thống đó thực hiện tốt hơn các hệ thống khác. ❖ Độ tin cậy về các tính chất vật lý và về các thông số trong các mô hình nhiệt động là một đặc điểm đặc biệt trong việc chọn lựa một hệ thống mô phỏng cho mục đích thiết kế quá trình. ❖ Các đặc điểm quan trọng khác là khả năng tuỳ chỉnh thứ nguyên, khả năng lập trình, chuyển tải thông tin và cấu trúc điều khiển, cũng như gỡ rối các bài toán hội tụ có dòng hoàn lưu. Nên ưu tiên chọn một hệ thống trong đó người sử dụng có sự điều khiển ở mọi khía cạnh của nền tảng mô hình. Như đã đề cập, thị trường phần mềm mô phỏng quá trình có sự chuyển đổi sâu sắc trong thập kỷ 1985-1995. Tương đối ít hệ còn sống sót. Bảng 2 trình bày một số các phần mềm thương mại chủ yếu về mô phỏng quá trình vào cuối năm 2001. 33
18. 7. Tóm tắt Mô phỏng quá trình là hoạt động chủ yếu trong ngành công nghệ quá trình bao trùm toàn bộ vòng đời của một quá trình, từ nghiên cứu & phát triển đến thiết kế cơ sở và vận hành phân xưởng. Trong bối cảnh này, tính toán flowsheeting là mô tả một cách hệ thống các dòng vật chất và dòng năng lượng trong một phân xưởng quá trình nhờ mô phỏng trên máy tính với mục đích thiết kế một phân xưởng hay tìm hiểu về hoạt động của phân xưởng này. Phần mềm tính toán flowsheeting cho trạng thái ổn định là một công cụ sử dụng thường ngày của người kỹ sư hóa học.Sự tổng quát hoá của mô phỏng không ổn định trong thực tế thiết kế là thách thức kế tiếp. Nhờ các hệ flowsheeting thương mại có khả năng, ta có thể tạo ra các hình ảnh toàn diện trên máy tính của một quá trình đang hoạt động tức là một mô hình mô phỏng phân xưởng, mà nó có thể kết hợp cả hai mô phỏng trạng thái ổn định và không ổn định. Công cụ này đặc biệt giá trị cho việc tìm hiểu công tác vận hành của một phân xưởng phức tạp, và trên cơ sở này có thể phục vụ cho việc cải tiến liên tục công tác thiết kế quá trình, hay cho việc xây dựng các quá trình mới. Mô phỏng quá trình đặt cơ sở trên các mô hình. Một mô hình phải phản ánh hiện thực ở độ chính xác mà các ứng dụng đòi hỏi. Một kiến thức tốt về nền tảng mô hình hoá là yêu cầu bắt buộc để nhận được các kết quả tin cậy và sử dụng phần mềm một cách hiệu quả. Sự khác nhau giữa một dự án có sự hỗ trợ của máy tính thành công và một dự án thất bại cần phải quy nhiều cho khả năng chưa đáp ứng của người sử dụng trong việc nắm bắt các ưu điểm của môi trường mô hình hoá hơn là hiệu suất còn thiếtucủa phần mềm mô phỏng. Đó là lý do tại sao công tác mô phỏng một bài toán35 phải được chuẩn bị cẩn thận.