z

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
BỘ MÔN KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ
---------------o0o---------------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

MÔ PHỎNG ĐỘNG QUY TRÌNH SẢN XUẤT
STYRENE BẰNG PHẦN MỀM HYSYS

SVTH: Vương Quốc Tuấn
MSSV: 1613939
GVHD: ThS. Nguyễn Kim Trung

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2020


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
BỘ MÔN KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ
---------------o0o---------------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

MÔ PHỎNG ĐỘNG QUY TRÌNH SẢN XUẤT
STYRENE BẰNG PHẦN MỀM HYSYS

SVTH: Vương Quốc Tuấn
MSSV: 1613939
GVHD: ThS. Nguyễn Kim Trung

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2020


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KHOA: KỸ THUẬT HÓA HỌC
Số:……./BKDT

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Họ và tên: Vương Quốc Tuấn

MSSV: 1613939

Ngành: Kỹ Thuật Chế Biến Dầu Khí

Lớp: HC16KSTN

I. TÊN ĐỀ TÀI

MÔ PHỎNG ĐỘNG QUY TRÌNH SẢN XUẤT STYRENE
BẰNG PHẦN MỀM HYSYS
II. NHIỆM VỤ:
- Thiết kế hệ thống quy trình công nghệ sản xuất Styrene từ Ethylbenzene.

- Định cỡ các thiết bị quan trọng trong quy trình.
- Xây dựng hệ thống điều khiển.
- Đề xuất, giải quyết các vấn đề liên quan đến cấu trúc điều khiển.
- Kiểm tra tính ổn định của hệ thống thông qua mô phỏng động.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
IV. NGÀY HOÀN THÀNH:
V. HỌ TÊN NGƯỜI HƯỚNG DẪN: ThS. Nguyễn Kim Trung
TP. Hồ Chí Minh, Ngày….Tháng….Năm 2020
NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN
Người duyệt: ……………………….
Đơn vị: …………………………….
Ngày bảo vệ: ………………………
Điểm tổng kết: …………………….
Nơi lưu trữ: ………………………
i


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
Ngày

tháng

năm

(GV ký và ghi rõ họ tên)

ii


NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
Ngày

tháng

năm

(GV ký và ghi rõ họ tên)

iii


LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời chân thành cảm ơn đến giảng viên hướng
dẫn- TS. Nguyễn Kim Trung, giảng viên khoa Kỹ thuật Hóa học, trường Đại học Bách
Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu và
hoàn thành khóa luận tốt nghiệp. Đồng thời, em xin gửi lời cảm ơn đến tâp thể các thầy cô
giáo trong khoa Kỹ thuật Hóa học, trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh
đã truyền đạt các kiến thức quý báu cho em trong suốt thời gian vừa qua và nhiệt tình
giúp đỡ em trong mọi mặt, cũng như luôn tạo điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành
tốt đề tài. Các thầy cô không chỉ hướng dẫn em những kiến thức chuyên ngành, mà còn
dạy em nhiều bài học về cuộc sống, dạy em cách xử lý những tình huống bất ngờ, những
sự cố xảy ra, cách sống và cách cư xử trong xã hội. Trong suốt hơn bốn tháng qua, em tin
rằng những kiến thức, những kỹ năng mà mình học được dưới mái trường Bách Khoa đã
thay đổi em rất nhiều và em tin rằng đây là những kinh nghiệm, những bài học vô cùng
cần thiết đối với quá trình học tập, nghiên cứu hay làm việc của em trong tương lai. Lời
cảm ơn cuối con xin được dành cho Bố Mẹ. Cảm ơn Bố Mẹ đã sinh thành, dưỡng dục và
bao dung con. Cảm ơn Gia Đình đã luôn bên cạnh động viên, chăm sóc và khích lệ con
trong suốt quá trình học tập.
Trong quá trình báo cáo khó tránh khỏi sai sót, rất mong quý thầy cô đóng góp ý
kiến để em có thể học hỏi thêm nhiều kinh nghiệm và hoàn thành tốt báo cáo luận văn tốt
nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng
Sinh viên thực hiện

Vương Quốc Tuấn

iv

năm



TÓM TẮT LUẬN VĂN
Mô phỏng động có vai trò vô cùng quan trọng trong công việc thiết kế và xây dựng
quy trình công nghệ, đặc biệt là các yếu tố liên quan đến hệ thống điều khiển và vận hành.
Với mục tiêu ứng dụng lợi ích của mô phỏng động trong thiết kế quy trình, đề tài “Mô
phỏng động quy trình sản xuất Styrene bằng phần mềm Hysys” hướng đến nghiên cứu,
trau dồi khả năng sử dụng phần mềm mô phỏng để giải quyết bài toán thiết kế. Trong đó,
các yếu tố về xây dựng và tối ưu hệ thống điều khiển được xem là tâm điểm chính của đề
tài. Tiến trình mô phỏng bao gồm nhiều giai đoạn. Giai đoạn một được thực hiện trong
môi trường tĩnh, các vấn đề cần giải quyết bao gồm thiết kế, lựa chọn thông số cho các
dòng vật chất và các thiết bị nhằm đảm bảo yêu cầu về chất và lượng của sản phẩm chính,
mặc khác là tối ưu năng lượng trong cụm phản ứng, hạn chế sản phẩm phụ sinh ra, đồng
thời gia tăng hiệu suất phân tách của cụm chưng cất. Giai đoạn hai tiến hành định cỡ và
thiết kế hệ thống điều khiển sao cho phù hợp với từng thiết bị trong quy trình. Giai đoạn
ba là quá trình tinh chỉnh thông số điều khiển trong môi trường động. Giai đoạn cuối cùng
tiến hành khảo sát và đánh giá tính bền vững của hệ thống trước tác động của nhiễu cùng
khả năng phục hồi của hệ. Kết quả khảo sát cho thấy nhiễu lưu lượng của dòng
Ethylbenzene có tác động đáng kể nhất đến hệ thống, thời gian trung bình để loại bỏ hoàn
toàn là 150 phút. Nhiễu lưu lượng dòng Steam đứng thứ hai với 100 phút. Nhiễu nồng độ
ảnh hưởng không đáng kể và dễ dàng loại bỏ sau 74 phút.
Nhìn chung, mô hình cho kết quả rất tốt. Các thông số vận hành và tính chất của sản
phẩm đều đạt yêu cầu. Hệ thống điều khiển linh hoạt, đáp ứng nhanh, dễ dàng phục hồi về
trạng thái thiết đặt dưới tác động của nhiễu và vận hành rất ổn định.

v


ABSTRACT
Dynamic simulation plays an important role in the design and construction of
chemical processes, especially those related to control system and operation. With the
goal of applying the benefits of dynamic simulation in process design, the study which

named "Dynamic simulation of Styrene production process with Hysys software" tried to
apply a simulation software to solve design problems. In particular, the factors of building
and optimizing the control system are considered as the main focus of the topic. The
simulation process consisted of several stages. The first stage was carried out in a static
environment, issues to be solved include design, parameter selection for material flows
and equipments to ensure the quality and quantity requirements of the main product,
another was to optimize the energy in the reaction cluster, limit the by-products generated
and increase the separation efficiency of the distillation cluster. In the second stage, sizing
equipments and designing the control system were carried out. The third phase was the
process of fine-tuning control parameters in a dynamic environment. The final stage
conducted a survey and evaluation of the system's sustainability against the effects of
noise and its resilience. The survey results show that Ethylbenzene flowrate disturbance
had the most significant impact on the system, the average time to completely eliminate
the disturbance was 150 minutes. Steam flowrate disturbance ranked as the second
significant impact with the average time to completely eliminate the disturbance was 100
minutes. Composition disturbance was negligible and was easily to be removed after 74
minutes.
Overall, the model was complete with good performence. Operating parameters and
properties of the main product were satisfactory. The control system was flexible with fast
response, easy to recover to the setting state under the impact of disturbances and very
stable.

vi


MỤC LỤC
TÓM TẮT LUẬN VĂN ....................................................................................................... v
ABSTRACT ........................................................................................................................ vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................... ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................. xiii

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU .................................................................................................. 1
1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................................. 1
1.2. Mục tiêu đề tài ........................................................................................................... 2
1.3. Ý nghĩa đề tài ............................................................................................................. 3
1.4. Phạm vi đề tài ............................................................................................................ 3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................... 4
2.1. Tổng quan về Styrene ................................................................................................ 4
2.2. Quá trình Dehydro hóa xúc tác Ethylbenzene ........................................................... 6
2.2.1. Điều kiện phản ứng ............................................................................................ 6
2.2.2. Công nghệ sản xuất ............................................................................................ 7
2.3. Lý thuyết cơ sở điều khiển ...................................................................................... 10
2.3.1. Mục đích điều khiển quá trình .......................................................................... 10
2.3.2. Biến quá trình ................................................................................................... 11
2.3.3. Cấu trúc hệ thống điều khiển ............................................................................ 11
2.3.4. Sách lược điều khiển ........................................................................................ 12
2.3.5. Bộ điều khiển .................................................................................................... 15
2.3.6. Bậc tự do điều khiển ......................................................................................... 18
2.4. Xây dựng hệ thống điều khiển................................................................................. 19
2.4.1. Quy trình thiết kế .............................................................................................. 19
2.4.2. Thiết lập điều khiển .......................................................................................... 21
CHƯƠNG 3: TIẾN TRÌNH MÔ PHỎNG ......................................................................... 23
3.1. Thiết kế xây dựng mô hình tĩnh .............................................................................. 23
3.1.1. Hệ nhiệt động phản ứng ................................................................................... 23
vii


3.1.2. Xây dựng cụm quy trình ................................................................................... 25
3.1.3. Thông số quy trình............................................................................................ 26
3.2. Định cỡ thiết bị ........................................................................................................ 28
3.3. Thiết lập hệ thống điều khiển .................................................................................. 31

3.3.1. Bậc tự do điều khiển ......................................................................................... 31
3.3.2. Cấu trúc điều khiển ........................................................................................... 35
3.4. Khảo sát mô hình động ............................................................................................ 41
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ........................................................................ 43
4.1. Sơ đồ quy trình công nghệ ....................................................................................... 43
4.2. Thông số thiết bị ...................................................................................................... 45
4.3. Thông số điều khiển ................................................................................................ 53
4.4. Kết quả khảo sát mô hình động ............................................................................... 56
4.4.1. Nhiễu lưu lượng dòng nguyên liệu Ethylbenzene ............................................ 56
4.4.2. Nhiễu lưu lượng dòng Steam ............................................................................ 69
4.4.3. Nhiễu nồng độ dòng nguyên liệu (95% Ethylbenzen-5% Styrene) ................. 76
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................... 80
5.1. Kết luận.................................................................................................................... 80
5.2. Kiến nghị ................................................................................................................. 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 82

viii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1. Ứng dụng của Styrene trong sản xuất và đời sống ............................................... 4
Hình 2.2. Dự đoán sản lượng tiêu thụ Styrene đến năm 2025 ............................................. 5
Hình 2.3. Công nghệ BASF sản xuất Styrene bằng dehydro đẳng nhiệt ............................. 8
Hình 2.4. Sơ đồ công nghệ dehydro đoạn nhiệt ................................................................... 9
Hình 2.5. Sơ đồ cấu trúc điều khiển phản hồi .................................................................... 12
Hình 2.6. Sơ đồ cấu trúc điều khiển truyền thẳng .............................................................. 13
Hình 2.7. Sơ đồ cấu trúc điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng .................................. 14
Hình 2.8. Sơ đồ cấu trúc điều khiển tỉ lệ kết hợp phản hồi ................................................ 14
Hình 2.9. Khả năng đáp ứng của bộ điều khiển P .............................................................. 15
Hình 2.10. So sánh giữa P và PI ......................................................................................... 16

Hình 2.11. So sánh giữa PI và PID ..................................................................................... 17
Hình 2.12. Quy trình thiết kế hệ thống điều khiển ............................................................. 20
Hình 3.1. Tháp chưng cất tiêu chuẩn ................................................................................. 31
Hình 3.2. Tháp Stabilizer.................................................................................................... 32
Hình 3.3. Hệ thống điều khiển cho bồn tách ba pha .......................................................... 35
Hình 3.4. Hệ thống điều khiển cho Heater/ Cooler ............................................................ 36
Hình 3.5. Hệ thống điều khiển cho máy bơm..................................................................... 36
Hình 3.6. Hệ thống điều khiển cho máy nén ...................................................................... 37
Hình 3.7. Hệ thống điều khiển cho tháp Stabilizer ............................................................ 38
Hình 3.8. Hệ thống điều khiển cho tháp chưng cất T-101 và T-102 .................................. 40
Hình 4.1. Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất Styrene ...................................................... 44
Hình 4.2. (a) +10% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 30 phút ...................................... 56
Hình 4.2. (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính dưới tác động của
nhiễu +10% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 30 phút.................................................. 57
Hình 4.2. (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 dưới tác động của
nhiễu +10% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 30 phút.................................................. 57
ix


Hình 4.3. (a) +10% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 60 phút ...................................... 58
Hình 4.3. (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính dưới tác động của
nhiễu +10% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 60 phút.................................................. 59
Hình 4.3. (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 dưới tác động của
nhiễu +10% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 60 phút.................................................. 59
Hình 4.4. (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính dưới tác động của
nhiễu +30% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 30 phút.................................................. 60
Hình 4.4. (a) +30% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 30 phút ...................................... 61
Hình 4.4. (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 dưới tác động của
nhiễu +30% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 30 phút.................................................. 61
Hình 4.5. (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính dưới tác động của

nhiễu +30% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 60 phút.................................................. 62
Hình 4.5. (a) +30% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 60 phút ...................................... 62
Hình 4.5. (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 dưới tác động của
nhiễu +30% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 60 phút.................................................. 63
Hình 4.6. (a) -10% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 30 phút ....................................... 63
Hình 4.6. (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính dưới tác động của
nhiễu -10% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 30 phút .................................................. 64
Hình 4.6. (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 dưới tác động của
nhiễu -10% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 30 phút .................................................. 64
Hình 4.7. (a) -10% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 60 phút ....................................... 65
Hình 4.7. (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính dưới tác động của
nhiễu -10% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 60 phút .................................................. 65
Hình 4.7. (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 dưới tác động của
nhiễu -10% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 60 phút .................................................. 66
Hình 4.8. (a) -30% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 30 phút ....................................... 66
Hình 4.8. (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính dưới tác động của
nhiễu -30% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 30 phút .................................................. 67
x


Hình 4.8. (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 dưới tác động của
nhiễu -30% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 30 phút .................................................. 67
Hình 4.9. (a) -30% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 60 phút ....................................... 68
Hình 4.9. (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính dưới tác động của
nhiễu -30% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 60 phút .................................................. 68
Hình 4.9. (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 dưới tác động của
nhiễu -30% lưu lượng dòng Ethylbenzene trong 60 phút .................................................. 69
Hình 4.10. (a) +10% lưu lượng dòng Steam trong 30 phút ................................................ 69
Hình 4.10. (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính dưới tác động
của nhiễu +10% lưu lượng dòng Steam trong 30 phút ....................................................... 70

Hình 4.10. (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 dưới tác động của
nhiễu +10% lưu lượng dòng Steam trong 30 phút ............................................................. 70
Hình 4.11. (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính dưới tác động
của nhiễu +10% lưu lượng dòng Steam trong 60 phút ....................................................... 71
Hình 4.11. (a) +10% lưu lượng dòng Steam trong 60 phút ................................................ 72
Hình 4.11. (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 dưới tác động của
nhiễu +10% lưu lượng dòng Steam trong 60 phút ............................................................. 72
Hình 4.12. (a) -10% lưu lượng dòng Steam trong 30 phút ................................................. 73
Hình 4.12. (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính dưới tác động
của nhiễu -10% lưu lượng dòng Steam trong 30 phút ........................................................ 73
Hình 4.12. (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 dưới tác động của
nhiễu -10% lưu lượng dòng Steam trong 30 phút .............................................................. 74
Hình 4.13. (a) -10% lưu lượng dòng Steam trong 60 phút ................................................. 74
Hình 4.13. (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính dưới tác động
của nhiễu -10% lưu lượng dòng Steam trong 60 phút ........................................................ 75
Hình 4.13. (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 dưới tác động của
nhiễu -10% lưu lượng dòng Steam trong 30 phút .............................................................. 75
Hình 4.14. (a) Nồng độ nguyên liệu giảm từ 1 xuống 0.95 trong 30 phút ......................... 76
xi


Hình 4.14. (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính khi giảm nồng
độ nguyên liệu đầu vào từ 1 xuống 0.95 trong 30 phút ...................................................... 76
Hình 4.14. (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 khi thay đổi nồng
độ nguyên liệu đầu vào từ 1 xuống 0.95 trong 30 phút ...................................................... 77
Hình 4.15. (b) Lưu lượng dòng sản phẩm và (c) nồng độ sản phẩm chính khi giảm nồng
độ nguyên liệu đầu vào từ 1 xuống 0.95 trong 60 phút ...................................................... 77
Hình 4.15. (a) Nồng độ nguyên liệu giảm từ 1 xuống 0.95 trong 60 phút ......................... 78
Hình 4.15. (d) Tỉ lệ Steam/ Ethylbenzene và (e) mức chất lỏng V-100 khi thay đổi nồng
độ nguyên liệu đầu vào từ 1 xuống 0.95 trong 30 phút ...................................................... 78


xii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các thông số điều khiển ..................................................................................... 22
Bảng 3.1. Thông số mô hình tĩnh ....................................................................................... 26
Bảng 3.2. Thông số định cỡ của từng thiết bị..................................................................... 29
Bảng 3.3. Bậc tự do của một số quá trình .......................................................................... 32

Bảng 4.1. Thông số kỹ thuật của các thiết bị trong quy trình ............................................ 45
Bảng 4.2. Thông số kỹ thuật tháp chưng cất ...................................................................... 45
Bảng 4.3. Thông số tính chất và thành phần mol các dòng của lò phản ứng PFR-100 ..... 46
Bảng 4.4. Thông số tính chất và thành phần mol các dòng của lò phản ứng PFR-101 ..... 47
Bảng 4.5. Thông số tính chất và thành phần mol các dòng của lò phản ứng PFR-102 ..... 48
Bảng 4.6. Thông số tính chất và thành phần mol các dòng của bồn tách bap ha V-100.... 49
Bảng 4.7. Thông số tính chất và thành phần mol các dòng của tháp Stabilizer ................. 50
Bảng 4.8. Thông số tính chất và thành phần mol các dòng của tháp T-101 ...................... 51
Bảng 4.9. Thông số tính chất và thành phần mol các dòng của tháp T-102 ...................... 52
Bảng 4.10. Bảng các cặp biến điều khiển ........................................................................... 53
Bảng 4.11. Bảng các thông số điều khiển .......................................................................... 54
Bảng 4.12. Kết quả khảo sát mô hình động dưới ảnh hưởng của nhiễu............................. 79

xiii


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn đề
Đối với kỹ sư công nghệ, việc xây dựng một chuỗi quy trình sản xuất, bắt đầu từ
khâu xuất nhập liệu đến khi ra thành phẩm là cả một quá trình nghiên cứu, thử nghiệm lâu

dài, tiêu tốn nhiều chi phí và thời gian làm việc. Khối lượng tính toán và sự phức tạp
trong vận hành là thử thách mà người kỹ sư phải đương đầu nhằm giải quyết ba vấn đề
chính: kinh tế, năng suất và ổn định. Tính toán lý thuyết không thể đáp ứng những đòi hỏi
trên vì không thể kiểm soát hết các yếu tố có thể ảnh hưởng đến hệ thống, điển hình nhất
là cơ cấu điều khiển sao cho linh hoạt khi thay đổi môi trường vận hành. Thực tế đó gây
khó khăn cho việc dự đoán, đánh giá yếu tố kinh tế, đặc biệt là xác định tính hiệu quả của
một dự án để ra quyết định đầu tư xây dựng.
Sự ra đời của phần mềm mô phỏng đã giải quyết phần nào những khó khăn nêu trên.
Với phần mềm mô phỏng, ta có thể lên kế hoạch cho một dự án với quy trình tính toán
nhẹ nhàng hơn trước đây, mô phỏng hoạt động của nhà máy trong các chế độ vận hành
khác nhau, thay đổi các thông số làm việc của bất kỳ đơn vị hoạt động nào mà không ảnh
hưởng đến quá trình hoạt động chung của nhà máy. Ngoài ra, với những tính năng của các
phầm mềm mô phỏng ta có thể thiết kế được các dự án khác nhau, tìm được phương án
tối ưu cho kết quả khả quan và đạt hiệu quả kinh tế, quan trọng hơn nữa là có thể áp dụng
được cho hầu hết các lĩnh vực sản xuất. Là một kỹ sư công nghệ, việc thông thạo trong sử
dụng phần mềm mô phỏng là lợi thế rất lớn khi làm việc trong các nhà máy chuyên về
vận hành và giám sát quy trình.
Hiện nay, mô phỏng là bước bắt buộc khi xây dựng một chuỗi quy trình. Quá trình
mô phỏng được chia làm hai hướng chính: mô phỏng tĩnh và mô phỏng động. Mô phỏng
tĩnh như tên gọi là xây dựng hệ thống trong môi trường ổn định, sử dụng các công thức từ
nền tảng lý thuyết và loại bỏ các yếu tố nhằm giúp hệ đạt trạng thái lý tưởng. Khác với
mô phỏng tĩnh, mô phỏng động nhắm đến sự chính xác và hướng gần với thực tế hơn
bằng cách bổ sung các biến nhiễu, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình vận hành như ma
1


sát, trở lực. Với mô phỏng động, ta có thể đánh giá được tính ổn định của cả hệ thống và
liệu rằng chúng có thực sự an toàn, sản phẩm tạo thành có đạt chất lượng mong muốn hay
không nhằm đưa ra giải pháp phù hợp cho quy trình. Những lợi ích mà mô phỏng động
mang lại bao gồm:

-

Khả năng đánh giá trực quan hệ thống.

-

Khảo sát nhiễu, xác định rủi ro tiềm ẩn.

-

Kiểm tra và tối ưu hệ thống.

-

Giả lập kịch bản để giải quyết vấn đề,…
Từ những lợi ích nêu trên, ta có thể thấy tầm quan trọng của mô phỏng động đối với

việc thiết kế và vận hành quy trình là vô cùng to lớn. Đây được xem là công cụ giúp tối
ưu hóa và tăng năng suất làm việc của người kỹ sư, đảm bảo tính an toàn và sự ổn định
trong thiết kế và xây dựng hệ thống. Chính vì lẽ đó, việc học tập và nghiên cứu mô phỏng
động là điều hoàn toàn cần thiết đối với kỹ sư công nghệ.
Đề tài luận văn “Mô phỏng động quy trình sản xuất Styrene bằng phần mềm Hysys”
hướng đến ứng dụng mô phỏng trong việc thiết kế và xây dựng quy trình công nghệ, đặc
biệt chú trọng giải quyết các vấn đề liên quan đến cấu trúc điều khiển, tối ưu và khảo sát
tính bền vững của hệ thống.
1.2. Mục tiêu đề tài
Trên cơ sở đặc điểm và tính chất của nguyên vật liệu, các chỉ tiêu kỹ thuật sản phẩm,
từ đó xây dựng mô hình động cho quy trình sản xuất Styrene từ phương pháp Dehydro
hóa Ethylbenzene. Mô hình phải đạt được các yêu cầu về năng suất và chất lượng sản
phẩm, hệ thống phải hoạt động ổn định.

Các vấn đề về lựa chọn hệ điều khiển sẽ được bàn luận, đánh giá. Nghiên cứu thiết
lập cấu trúc điều khiển phù hợp, linh hoạt trong vận hành sản xuất. Cấu trúc phải dễ điều
khiển và đạt ổn định trong khoảng thời gian ngắn từ lúc khởi động hệ. Tiến hành quá trình
tối ưu và xác định các nhiễu gây ra cho quy trình vận hành.
Mô phỏng tĩnh được xây dựng làm nền tảng cho thiết kế quy trình, được tối ưu về
nhiệt và tính kinh tế. Mô phỏng động dùng để đánh giá tính hiệu quả của cấu trúc điều
2


khiển. Mô phỏng động sẽ được thực hiện bằng cách thêm vào các van điều khiển, chuyển
từ môi trường mô phỏng tĩnh sang môi trường động và cuối cùng đưa ra một số nhiễu cho
hệ thống dưới dạng tín hiệu xung để kiểm tra khả năng điều khiển và khả năng phục hồi
của hệ thống điều khiển (như thay đổi nhiệt độ đầu vào hoặc lưu lượng của một dòng). Hệ
thống sau đó sẽ được phân tích để xem nó sẽ phản ứng tốt như thế nào với những thay đổi
được giới thiệu.
Đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả sản xuất và vận hành quy trình. Đánh giá
tiềm năng của hệ thống.
1.3. Ý nghĩa đề tài
-

Ứng dụng những lợi ích của mô phỏng động trong xây dựng quy trình công
nghệ, tiến hành dự đoán, đánh giá tính hiệu quả của dự án.

-

Áp dụng mô hình đã xây dựng vào thực tế như một công cụ hỗ trợ trực quan
cho quá trình vận hành, tối ưu hệ thống, từ đó nâng cao năng suất sản phẩm.

-


Sử dụng như tài liệu tham khảo cho việc xây dựng các quy trình khác, phục vụ
công việc thiết kế, tính toán của kỹ sư.

-

Học tập, nâng cao kiến thức về vận hành thông qua mô phỏng động, từ đó rút
ra kinh nghiệm trong công việc sau này.

1.4. Phạm vi đề tài
-

Nghiên cứu tập trung vào xây dựng mô hình động kết hợp với cấu trúc điều
khiển. Tiến hành các bước khảo sát và đánh giá hệ thống, từ đó tối ưu và cải
thiện quy trình.

-

Các kích thước cơ bản của thiết bị được tính toán thông qua phần mềm mô
phỏng, những yếu tố nặng về cơ khí, máy móc, thiết kế quá chi tiết sẽ không
được đề cập đến trong phạm vi nghiên cứu.

3


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Tổng quan về Styrene
Styrene (C6H5CH=CH2) hay còn được biết đến với tên gọi khác như Phenyl
Ethylene, Vinyl Benzene là một monomer không no có vai trò quan trọng trong ngành
công nghiệp hóa chất. Styrene tồn tại ở trạng thái lỏng, có màu vàng nhạt, dễ cháy, dễ bay
hơi, có mùi ngọt, hơi hắc nếu nồng độ cao, được ứng dụng trong sản xuất nhựa, epoxy,

keo dán và cao su tổng hợp [9].
Một số loại nhựa và nhựa phổ biến nhất được sản xuất từ Styrene gồm Polystyrene,
Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), nhựa Styrene Acrylonitrile (SAN) và cao su
Styrene Butadiene (SBR). ABS và SAN là nguyên liệu chính để sản xuất hộp đựng thực
phẩm, bao bì, đá cẩm thạch tổng hợp,… Bên cạnh đó, Styrene còn được dùng để làm vật
liệu đóng gói, vật liệu cách điện cho hệ thống điện, cách nhiệt cho nhà, làm sợi thủy tinh,
ống nhựa và vô số mặt hàng khác trong ngành thực phẩm [30].

Hình 2.1. Ứng dụng của Styrene trong sản xuất và đời sống
4


Hình 2.2. Dự đoán sản lượng tiêu thụ Styrene đến năm 2025
(Nguồn: www.icis.com)
Sản lượng và nhu cầu về Styrene gia tăng hàng năm, nhất là trong các lĩnh vực nhựa,
cao su và vật liệu đóng gói. Trung bình có khoảng 30 triệu tấn Styrene được sản xuất và
tiêu thụ vào năm 2019. Sản lượng tiêu thụ ước tính đạt 35 triệu tấn vào năm 2025 với mức
tăng 2% một năm cho thấy nhu cầu về Styrene trong sản xuất công nghiệp là vô cùng lớn.
Có năm phương pháp chính để tổng hợp Styrene, gồm:
1) Dehydro xúc tác Ethylbenzene.
2) Loại nước sản phẩm rượu tạo ra từ Ethylbenzene Hyroperoxide và Propylene Oxide.
3) Loại clo dẫn xuất clo hóa của Ethylbenzene.
4) Thủy phân dẫn xuất clo hóa của Ethylbenzene thành rượu rồi tiến hành loại nước.
5) Phân tách từ các quá trình lọc dầu.
Mỗi phương pháp có những đặc điểm riêng. Trong đó, phương pháp 2 được dùng
trong sản xuất thương mại, sử dụng nguyên liệu chủ yếu là Ethylbenzene và oxy nguyên
chất, trải qua nhiều công đoạn, chi phí vận hành lớn nên chiếm thị phần rất khiêm tốn.
5



Phương pháp 3 và 4 bắt nguồn từ quá trình clo hóa tạo dẫn xuất Ethylbenzene,
nhược điểm là giá nguyên liệu thô cao, sản phẩm dễ bị nhiễm bẩn, nguy cơ ăn mòn thiết
bị nên không có hiệu quả về mặt kinh tế. Phương pháp 5 không phổ biến vì quá trình sản
xuất Styrene từ dầu mỏ rất khó khăn và tốn kém, sản lượng thấp lại còn tiêu tốn chi phí
cho tái sinh xúc tác bị đầu độc.
Trong tất cả các phương pháp trên, phương pháp 1 được xem là tối ưu nhất. Quá
trình dehydro xúc tác sử dụng nguyên liệu đầu vào rẻ tiền, chi phí thiết bị cùng vận hành
thấp, sản phẩm có độ tinh khiết cao nên mang lại lợi nhuận lớn, phù hợp cho đầu tư sản
xuất. Thực tế, đây là phương pháp sản xuất Styrene phổ biến nhất, chiếm đến 90% sản
lượng trên toàn thế giới [9].
2.2. Quá trình Dehydro hóa xúc tác Ethylbenzene
2.2.1. Điều kiện phản ứng [9]
Phản ứng được thực hiện trong pha khí, sử dụng hơi nước để gia nhiệt và chất xúc
tác là oxit sắt. Phản ứng thu nhiệt mạnh, có thể tiến hành ở điều kiện đoạn nhiệt hoặc
đẳng nhiệt, cả hai phương pháp này đều được áp dụng trong thực tế.
Phản ứng chính diễn ra thuận nghịch, chuyển hóa nhiệt Ethylbenzene thành Styrene
và hydro:
C6H5CH2CH3  C6H5CH=CH2 + H2 (1)

∆H (600°C) = 124.9 kJ/mol

Các phản ứng phụ:
 Phản ứng Benzene/Ethylene:
C6H5CH2CH3 => C6H6 + C2H4 (2)

∆H = 101.8 kJ/mol

 Phản ứng Toluene/Methane:
C6H5CH2CH3 + H2 => C6H5CH3 + CH4 (3)


∆H = – 64.5 kJ/mol

 Phản ứng tạo cốc:
C6H5CH2CH3 => 8C + 5H2 (4)

∆H = 1.72 kJ/mol

 Phản ứng làm sạch xúc tác, tạo Carbon dioxide:
H2O + CO => CO2 + H2O (5)

6

∆H = 99.6 kJ/mol


Thiết bị sử dụng có dạng hình ống, được nhồi đầy xúc tác, nguyên liệu trước khi vào
được gia nhiệt bằng lò đốt hoặc trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm. Điều kiện hoạt động
điển hình trong các lò phản ứng thương mại là là 620°C với áp suất thấp. Năng suất tổng
thể phụ thuộc vào lượng tương đối của chuyển đổi xúc tác thành Styrene và cracking
nhiệt các sản phẩm phụ. Ở trạng thái cân bằng trong điều kiện điển hình, mức độ chuyển
hóa của Ethylbenzene có thể đạt đến khoảng 80%. Tuy nhiên, thời gian và nhiệt độ cần
thiết để đạt được trạng thái cân bằng làm tăng cracking nhiệt và giảm năng suất, dẫn đến
độ chuyển hóa chỉ đạt từ 50-70 wt%, với sản lượng 88-95 mol%.
Thông thường, nếu không sử dụng xúc tác, quá trình tiến hành ở nhiệt độ 700-800℃,
độ chuyển hóa sau một vòng phản ứng là 20-30%, hiệu suất thấp chỉ đạt từ 50 đến 60%.
Xúc tác có vai trò làm tăng độ chuyển hóa và chọn lọc của phản ứng. Nhiệt độ phản ứng
khi sử dụng xúc tác vào khoảng 550-650℃, ở áp suất 0.1-0.3 MPa (trong các công nghệ
cũ) và thấp hơn 0.1 MPa trong các công nghệ mới. Xúc tác sử dụng thường chứa 40-90%
sắt(III) oxit, 5-30% kali oxit cùng các phụ gia, chất cải tiến như Cr, Ce, Mo,…
Hơi nước được hòa trộn chung cùng với nguyên liệu trước khi cho vào lò phản ứng

với vai trò cung cấp nhiệt (đặc biệt khi quá trình tiến hành ở chế độ đoạn nhiệt), giảm
nhiệt lượng cung cấp cho một đơn vị thể thể tích, giảm áp suất riêng phần của
hydrocacbon, do vậy làm phản ứng chuyển dịch về phía tạo thành Styrene, làm giảm
lượng cốc tạo thành và duy trì hoạt tính của xúc tác. Thông qua điều chỉnh tỉ lệ
H2O/Ethylbenzene ta có thể điều chỉnh tỉ lệ và cơ cấu sản phẩm tạo thành.
2.2.2. Công nghệ sản xuất [4]
2.2.2.1. Công nghệ dehydro hóa đẳng nhiệt
Hãng BASF là người tiên phong trong phát triển công nghệ dehydro đẳng nhiệt.
Thiết bị phản ứng có dạng ống chùm, chiều cao ống từ 2.5-4m, đường kính ống 10-20 cm
và chứa đầy xúc tác bên trong. Quy trình công nghệ của họ được trình bày ở hình dưới.

7


Hình 2.3. Công nghệ BASF sản xuất Styrene bằng dehydro đẳng nhiệt
a) Thiết bị gia nhiệt

b) Lò đốt

c) Lò phản ứng

d) Thiết bị trao đổi nhiệt

e) Thiết bị ngưng tụ

Các điều kiện công nghệ như sau:
 Nhiệt độ nguyên liệu trước khi vào lò phản ứng: 580℃
 Nhiệt độ chất tải nhiệt: đầu vào 750℃, đầu ra 630℃
 Tỷ lệ hơi nước: 1.1-1.2
 Độ chuyển hóa (1 lần phản ứng): 58%

 Độ chọn lọc: 92-94% mol
Ethylbenzene và hơi nước được làm nóng nhờ quá trình trao đổi nhiệt với dòng sản
phẩm và khí thải từ lò phản ứng. Khi nhiệt độ khí thải đạt 375℃, một phần khí sẽ bị hút ra
ngoài, phần còn lại tiếp tục gia nhiệt trong lò để làm chất tải nhiệt. Ưu điểm của công
nghệ là sử dụng nhiệt lượng thấp hơn so với công nghệ đoạn nhiệt nên tiết kiệm được chi
phí vận hành. Tuy nhiên, kích thước thiết bị lớn gây khó khăn trong việc đầu tư, mở rộng
sản xuất đã khiến công nghệ này không được phổ biến trong công nghiệp.

8


2.2.2.2. Công nghệ dehydro hóa đoạn nhiệt
Khác với công nghệ đẳng nhiệt, trong công nghệ này, quá trình chuyển hóa diễn ra
trong một chuỗi thiết bị phản ứng có dạng hình ống được đặt nối tiếp nhau:
 Thiết bị phản ứng đầu tiên làm việc ở áp suất 0,15 ÷ 0,2 Mpa, có vai trò
chuyển hóa sơ bộ Ethylbenzene thành Styrene, độ chuyển hóa khoảng 40%.
 Các thiết bị phản ứng tiếp theo dùng để tối ưu độ chọn lọc giữa sản phẩm
chính và sản phẩm phụ, độ chuyển hóa thông thường từ 45-55%.
 Kết thúc chuỗi phản ứng, độ chuyển hóa tổng đạt trên 60%.

Hình 2.4. Sơ đồ công nghệ dehydro đoạn nhiệt
a) Lò đốt

b) Lò phản ứng

c) Thiết bị gia nhiệt

d) Bộ phận làm mát

e) Thiết bị ngưng tụ


f) Thiết bị trao đổi nhiệt

Nhiệt độ phản ứng của quy trình dao động từ 600 đến 650℃. Tỉ lệ hơi nước/
Ethylbenzene thường rất lớn (trên 10) nhằm hạn chế sản phẩm phụ và tạo cốc trên xúc
tác. Bên cạnh đó, vì áp suất phản ứng bị giảm theo chiều dày của lớp xúc tác, thiết bị phản
ứng được thiết kế đặc biệt, thường sử dụng loại thiết bị xuyên tâm cho công suất lớn với
đường kính thiết bị từ 6,3 ÷ 6,5m. Kích thước thiết bị nhỏ gọn và độ chuyển hóa cao là
9


một lợi thế lớn của công nghệ đoạn nhiệt. Thực tế, có đến 75% nhà máy Styrene trên thế
giới áp dụng công nghệ khử hydro đoạn nhiệt trong sản xuất.
=> Vì những ưu điểm nêu trên, ta lựa chọn công nghệ đoạn nhiệt cho tiến trình mô phỏng.
2.3. Lý thuyết cơ sở điều khiển
2.3.1. Mục đích điều khiển quá trình [5]
Điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động để điều
chỉnh, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ hoạt động theo yêu cầu mong muốn.
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhu cầu về hiệu suất, chất lượng sản phẩm
không ngừng nâng cao, điều khiển quá trình trở thành một bộ phận không thể thiếu trong
nhà máy. Toàn bộ chức năng của hệ thống điều khiển nhằm phục vụ năm mục đích cơ bản
sau đây:
-

Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, trơn tru: giữ cho hệ thống hoạt động ổn định
tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều
kiện theo chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện.

-


Đảm bảo năng suất và chức lượng sản phẩm: đảm bảo lượng sản phẩm theo kế
hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản phẩm trong phạm
vi yêu cầu.

-

Đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn: giảm thiểu các nguy cơ, sự cố xảy ra, đồng
thời bảo vệ con người, máy móc, môi trường trong trường hợp xảy ra sự cố.

-

Bảo vệ môi trường: giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc
hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu
thụ nhiên liệu và nguyên liệu.

-

Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu trong
khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với sự thay
đổi của thị trường.
Năm mục đích trên đồng thời cũng là là tiêu chí đánh giá tính ổn định và hiệu quả

của một hệ thống điều khiển.

10