Computer-Aided Chemical Engineering - Chương 4: Khái niệm cơ bản (Mô phỏng trạng thái ổn định)

Nội dung text: Computer-Aided Chemical Engineering - Chương 4: Khái niệm cơ bản (Mô phỏng trạng thái ổn định)

1. Computer-Aided Chemical Engineering #### - HYSYS - C4. Khái niệm cơ bản (Mô phỏng trạng thái ổn định)
2. HYSYS Tổng quan: Cấu trúc HYSYS & triết lý nền tảng về công nghệ của cấu trúc đó. Cơ sở của cấu trúc HYSYS : 3 yếu tố quan trọng 1. Các khái niệm cơ bản, thống nhất: xác định phương thức cơ bản để xây dựng một Mô phỏng trong HYSYS 2. Các công cụ công nghệ: xác định cách thức để HYSYS thực hiện tính toán 3. Các phần tử giao diện căn bản: được sử dụng để tương tác với HYSYS Kết hợp cùng nhau => cách tiếp cận trực quan đến công tác mô hình hóa với HYSYS 3
3. 1.1 Kiến trúc dạng Flowsheet Nhìn từ toàn cảnh đối với Flowsheet chính của mô phỏng, các Sub- Flowsheets chứa bên trong được xem như là các thiết bị rời rạc có các dòng nhập liệu và dòng sản phẩm. - Nếu chúng ta chỉ quan tâm đến các dòng nhập liệu vào và các dòng sản phẩm từ một Sub-Flowsheet, ta có thể làm việc trong Flowsheet chính một cách đơn giản. - Nếu chúng ta chỉ muốn tập trung vào các Object (Đối tượng) trong Sub- Flowsheet, ta có thể đi vào bên trong Sub-Flowsheet. Hình 1: Flowsheet chính đối với mô phỏng Sour Water Stripper 5
4. 1.1 Kiến trúc dạng Flowsheet Kiến trúc dạng đa Flowsheet của HYSYS có một số ưu điểm kỹ thuật và chức năng: - Phân chia nhỏ một quá trình lớn, phức tạp thành các thành phần nhỏ hơn, ngắn gọn hơn - Sử dụng một Fluid Package độc lập đối với mỗi Flowsheet - Xây dựng một thiết bị như là một Template (Khuôn mẫu) của Flowsheet (thí dụ, một chu trình lạnh hay một hệ thống chắt gạn) và lưu trữ nó vào đĩa. Sau đó chúng ta có thể cài đặt Template này vào một mô phỏng khác, và dễ dàng kết nối các dòng nhập liệu và sản phẩm cần thiết như ta đã thực hiện đối với bất kỳ thiết bị nào khác. - Sử dụng các Flowsheets chứa trong nhau (nested), tức là có Sub-Flowsheet bên trong các Sub-Flowsheets khác. Hạn chế hay ngoại lệ duy nhất về cơ chế chứa trong nhau (nesting) là trường hợp tháp phân tách columns; nghĩa là, ta không thể tạo ra các Sub-Flowsheets chứa trong các Sub-Flowsheets của column. Không có giới hạn (ngoại trừ bộ nhớ cần thiết) đối với số flowsheets có trong một mô phỏng HYSYS. Kiến trúc dạng đa Flowsheet là giải pháp lý tưởng cho việc sử dụng nhiều gói tính chất (multiple property packages) hay cho việc mô hình các quá 7 trình lớn/phức tạp.
5. 1.3 Các Môi trường Các Environments của HYSYS cho phép ta truy cập và nhập thông tin trong một khu vực hay “environment” nhất định của chương trình, trong khi các khu vực khác được đưa vào chế độ “treo - hold” cho đến khi ta kết thúc công việc trong khu vực đang xét. Có 5 Environments trong HYSYS. (1) Basis Environment (Môi trường cơ sở) Bất cứ khi nào ta bắt đầu một mô phỏng trong HYSYS, ta sẽ khởi đầu một cách tự động trong Basis Environment. Ở đây ta có thể tạo dựng, xác định và chỉnh sửa các Fluid Packages được sử dụng bởi các flowsheets của mô phỏng. Nói chung, một Fluid Package chứa ít nhất một Property Package, cũng như các cấu tử có trong thư viện và/hay cấu tử giả định (hypothetical component). Một Fluid Package có thể chứa các thông tin khác như các thông số phản ứng và thông số tương tác. (2) Oil Characterization Environment (Môi trường mô tả tính chất đối với dầu) Để mô tả tính chất các lưu chất dạng dầu bằng cách tạo dựng và xác định Assays (phân tích) và Blends (hỗn hợp). Thủ tục mô tả tính chất các lưu chất dạng dầu sẽ tạo ra các cấu tử giả lập (pseudo-components) để sử dụng trong Fluid Package(s) của chúng ta. Oil environment là duy nhất theo nghĩa nó chỉ có thể được truy cập từ Basis environment. 9
6. Mối quan hệ giữa các Môi trường Nhớ rằng ta có thể di chuyển giữa các môi trường tại bất kỳ thời điểm nào trong khi mô phỏng. Các môi trường tháp và Sub- Flowsheet được truy cập từ Flowsheet chính. Tuy nhiên, đây chỉ là cách di chuyển điển hình giữa các môi trường. Công cụ Navigator cho phép ta di chuyển trực tiếp từ một flowsheet đến bất kỳ một flowsheet nào khác. Giới hạn duy nhất là chỉ có thể truy cập Oil Environment từ bên trong Basis Environment. Hình 4 trình bày mối quan hệ giữa các môi trường khác11 nhau
7. 3. Các phần tử giao diện căn bản Ba phần tử giao diện căn bản để tương tác với HYSYS là: Màn hình PFD, Sổ làm việc Workbook và Cửa sổ Property View. Không có sự giới hạn về việc các phần tử giao diện nào có thể được mở tại một thời điểm bất kỳ. Mọi thông tin hiển thị được tự động cập nhật và là thông tin mới nhất. 3.1 Màn hình PFD PFD là một biểu diễn đồ họa của flowsheet, trình bày các kết nối giữa các dòng và các thiết bị. Ngoài những công cụ khác, ta có thể sử dụng PFD để xây dựng và khảo sát flowsheet, và hiển thị các thông tin chi tiết về quá trình bằng cách sử dụng các Bảng cân bằng vật chất theo ý của mình. Một thí dụ về PFD được trình bày trong hình. 13
8. 3. 3 Cửa sổ thông tin về tính chất của đối tượng - Property View Cửa sổ property chứa nhiều cửa sổ về “các tính chất” đối với một dòng hay thiết bị với mỗi cửa sổ được truy cập thông qua một thẻ tab. Trong mỗi thẻ tab có một vài trang page chứa các thông tin về tính chất tương ứng. Một thí dụ về cửa sổ property được trình bày trong hình. 15
9. 4.2 Thuật ngữ về giao diện trong HYSYS Cửa sổ - View: Là một biểu diễn đồ họa “dạng cửa sổ” bất kỳ có trong Màn hình nền HYSYS Desktop. Thí dụ như property view đối với dòng hay thiết bị, hay một cửa sổ thông báo lỗi. Cửa sổ thông tin về tính chất của đối tượng - Property View: Là một cửa sổ có nhiều trang page được truy cập thông qua các thẻ tab. Các cửa sổ property được sử dụng phổ biến trong HYSYS, và cho phép truy cập mọi thông tin liên quan đến một đối tượng (thí dụ một dòng hay một thiết bị). Cửa sổ thể thức - Modal View: Có đường biên dày, và không có một hay cả hai nút Minimize/Maximize ở góc phía trên bên phải. Ta không thể di chuyển ra ngoài cửa sổ modal cho đến khi ta đóng cửa sổ này, hay nhập dữ liệu đòi hỏi. Nói chung, mục đích của cửa sổ modal là để tập trung sự chú ý của chúng ta vào nhiệm vụ hiện thời trước khi cho phép ta thực hiện nhiệm vụ kế tiếp. Cửa sổ property dạng modal - Modal Property View: Là một cửa sổ property như đã mô tả trên đây, có đường biên dày, và một chốt Pin ở góc phía trên bên phải. Cửa sổ property dạng modal có cách hành xử tương tự như cửa sổ modal đã mô tả trên đây, theo nghĩa là ta không thể di chuyển ra ngoài cửa sổ modal cho đến khi ta đóng cửa sổ này. Tuy nhiên, một cửa sổ property dạng modal có thể chuyển đổi thành cửa sổ không ở dạng modal bằng cách nhấn chốt Pin. Cửa sổ không ở dạng modal - Non-Modal view: Có một hay cả hai nút Minimize/Maximize và một đường biên bình thường. Khi một cửa sổ không ở dạng modal được mở, ta có thể truy cập các đối tượng khác trên màn hình nền Desktop17 .
10. 4.2 Thuật ngữ về giao diện trong HYSYS Hộp danh mục rơi - Drop-down List: Một danh mục các sự lựa chọn sẵn có đối với một ô nhập thông tin input cell nào đó; Ô nhập thông tin - Input cell: Một vị trí bên trong một cửa sổ mà ở đó thông tin được nhập vào và/hay hiển thị. Các thí dụ như là tên dòng, nhiệt độ, v.v Trong nhiều trường hợp, một ô nhập thông tin có một một hộp danh mục rơi kèm theo; Ma trận - Matrix: Một nhóm các ô dưới dạng bảng, nhờ vậy ta có thể dịch chuyển với chuột hay các phím mũi tên của bàn phím; Hộp chọn - Check Box: Các hạng mục hay cách thiết lập ở trạng thái On hoặc Off. Click vào một hộp chọn trống sẽ mở chức năng On. Click vào đó lần nữa sẽ chuyển sang Off; Thanh soạn thảo - Edit Bar: Nằm ở đỉnh của cửa sổ, được dùng để nhập hay chọn dữ liệu dạng số hay văn bản; Vị trí hoạt động được đánh dấu sáng - Active Highlighted Location: vị trí đang ở trạng thái hoạt động trên một cửa sổ cụ thể thì luôn được biểu thị bằng cách đánh dấu sáng; Hộp thứ nguyên - Unit Box: nằm kèm với thanh Edit Bar, hộp này có một hộp các thứ nguyên dạng danh mục rơi để dùng cho dạng thông số của ô nhập hiện hành; Chỉ báo trạng thái đối tượng - Object Status Indicator: Nắm ở đáy của mỗi cửa sổ property, nó thể hiện trạng thái tính toán của đối tượng liên quan. Chỉ báo này hiển thị một thông báo trạng thái với nền có màu tương ứng (màu đỏ đối với trường hợp thiếu dữ liệu, màu vàng đối với thông báo cảnh báo và màu xanh đối với trường hợp OK). 19
11. 4.2 Thuật ngữ về giao diện trong HYSYS Thanh cuốn - Scroll Bar: Click vào bên trong thanh cuốn cho phép chúng ta truy cập thông tin không thể hiển thị trong phần kích thước hiện hành của menu hay cửa sổ. Thanh cuốn trong cửa sổ trên đây là thanh cuốn nằm ngang. Nút cuốn - Scroll Button: Click và drag (kéo) thanh cuốn lên/xuống hay trái/phải cũng cho phép chúng ta truy cập thông tin không thể hiển thị trong phần kích thước hiện hành của menu hay cửa sổ. Biểu tượng - Icon: Là một cửa sổ ở kích thước cực tiểu. Click đôi chuột vào một biểu tượng sẽ mở cửa sổ đó. Biểu tượng của HYSYS có dạng như hình bên. 21
12. 4.3 Màn hình nền (Desktop) của HYSYS (1) Các thành phần của Desktop Cửa sổ trạng thái đối tượng Object Status Window: Hiển thị trạng thái của thông tin đã nhập đối với các đối tượng (các dòng và các thiết bị) trong mô phỏng. Cửa sổ này cần thiết cho việc theo dõi các thông tin chưa biết đối với các đối tượng. Cửa sổ theo dõi Trace Window: Hiển thị các thông báo trong quá trình giải (solving messages) đối với các đối tượng khác nhau khi tính toán chúng. Trace Window cung cấp một hồ sơ dữ liệu cố định (permanent record) của các thông báo solving messages này dưới dạng thanh cuốn. Thanh trạng thái Status Bar: Hiển thị các mô tả kèm theo (Fly-By descriptions) của một nút bấm hay menu trong HYSYS khi con trỏ được đặt trên nút bấm này, hay khi một hạng mục của menu được đánh dấu sáng. Thanh trạng thái cũng thể hiện một hiển thị đơn dòng của thông báo solving message trong cửa sổ theo dõi Trace Window. (2) Chọn lựa ưu tiên - Preferences Phần Preferences trong HYSYS được dùng để thiết lập các thông tin mặc định đối với trường hợp mô phỏng. Các thông tin này bao gồm Automatic Naming Formats, Units, Colours, Fonts, Icons, etc., đối với mô phỏng đó. Chọn lựa ưu tiên của một phiên (Session Preferences) có thể được lưu trữ 23 để sử dụng trong các mô phỏng khác.
13. (3) Tab mô phỏng - Simulation Tab a. Trang Tùy chọn - Options Page Trang Tùy chọn trong Hình 11 có ba nhóm: General Options, Errors, và Column Options. 25
14. (3) Tab mô phỏng - Simulation Tab 5. Use Modal Property Views (Sử dụng cửa sổ property dạng modal): Khi hộp chọn này được kích hoạt, mọi cửa sổ property được hiển thị dưới dạng modal (với chốt Pin). Nếu hộp chọn này không được kích hoạt, mọi cửa sổ property sẽ không ở dạng modal. Khi các cửa sổ ở dạng modal, ta có tùy chọn để làm riêng rẽ từng cửa sổ property thành dạng không modal bằng cách chọn chốt Pin ở góc phía trên của cửa sổ. 6. Confirm Mode Switches (Xác nhận việc chuyển đổi chế độ): Khi được kích hoạt, HYSYS sẽ nhắc phải xác nhận khi chúng ta chuyển đến hay từ chế độ Dynamic. B. Nhóm Errors chứa hai hộp chọn mà khi được kích hoạt sẽ gửi các lỗi cụ thể đến cửa sổ theo dõi Trace Window. Khi các hộp chọn này không được kích hoạt, ta sẽ không được nhắc để nhận biết các lỗi. C. Nhóm Column Options chứa hai hộp chọn. Hộp Mở rộng phần khay Expand Tray Sections, khi được kích hoạt, sẽ thể hiện một tháp mở rộng đầy đủ trong môi trường tháp PFD. Khi hộp chọn này không được kích hoạt, tháp sẽ được hiển thị với số khay yêu cầu tối thiểu; những khay này 27 có các dòng (đầu vào hay đầu ra) kết nối vào.
15. (3) Tab mô phỏng - Simulation Tab c. Trang Đặt tên – Naming Page Nhóm Tự động đặt tên các đối tượng của Sơ đồ Automatic Naming of Flowsheet Objects qui định cách mà HYSYS đặt tên các dòng và các thiết bị khi chúng được cài đặt. Ta có thể thiết lập qui ước đặt tên và một số khởi đầu. Lấy thí dụ, trong cửa sổ được trình bày trên Hình 13, các dòng năng lượng Energy Streams được biểu thị dưới dạng Q-%d, với số khởi đầu là 100. Dòng năng lượng đầu tiên được cài đặt bằng cách sử dụng lệnh Thêm dòng năng lượng Add Energy Stream sẽ được đặt tên là Q-100, dòng thứ hai là Q-101, và tiếp tục như vậy. Chức năng tự động đặt tên đơn thuần chỉ để thuận tiện. Ta có thể thay đổi 29bất kỳ tên mặc định nào bên trong Flowsheet.
16. (4) Tab biến số – Variables Tab b. Trang Thứ nguyên – Units Page Mặc dù HYSYS hiển thị một thứ nguyên (đơn vị) duy nhất cho mỗi thông số, ta có thể nhập giá trị cho một biến quá trình theo bất kỳ một thứ nguyên nào có thể áp dụng. Lấy thí dụ, giả sử ta muốn thiết lập áp suất của một dòng là 1 atm nhưng ta đang sử dụng tập Field. Không cần phải tính đổi áp suất bằng tay sang thứ nguyên mặc định – HYSYS sẽ tự động thực hiện chuyển đổi. Ta có thể nhập áp suất là 1 atm, 101.325 kPa, 14.69 psia, 0.99 bar, hay bất kỳ các thứ nguyên khác đang có. Giá trị nhập vào sẽ được chuyển đổi và hiển thị theo thứ nguyên mặc định. 31