 |
Математическое моделирование и оптимизация химико-технологических процессов с применением моделирующей программы CHEMCAD 5 глава
|
|
|
|
For Wegstein method only: (Только для метода Вегстейна:) задаются соответственно Wegstein lower bound (Нижняя граница) и Wegstein upper bound (Верхняя граница) – нижний предел (по умолчанию установлено значение -5.0) и верхний предел для параметра q. Чем более отрицательно q, тем больше ускорение. Если расчет рецикла стабилен, то нижняя граница для q может быть от –10 до –50.
Соответственно For DEM method only: (Только для метода DEM:) указывается DEM damping factor (Демпфирующий фактор DEM) - коэффициент затухания, который контролирует количество вычислений на каждой итерации. Демпфирующий фактор должен быть в пределах от 0 до 1. По умолчанию он равен 0.7.
Для ускорения сходимости в методе Вегстейна и в методе доминирующего собственного значения необходимо задать Speed up frequency (Частоту ускорения). Величина этого параметра, равная по умолчанию 4, означает, что ускорение по методу доминирующего собственного значения будет использовано на каждой четвертой итерации.
При расчете сходимости рециклов и оценке относительных ошибок на двух последовательных итерациях используются пять погрешностей. Если относительные разности в параметрах одного и того же потока (расход, температура, давление, доля пара, энтальпия) на двух последовательных итерациях меньше заданных погрешностей или погрешностей по умолчанию, то считается, что поток «сошелся». Если все потоки в технологической схеме сошлись, задача решена.
В области Recycle Tolerances (Погрешности рециклов) перечислены опции, с помощью которых задается точность вычислений следующих величин:
– Flow rate (Расхода компонента);
– Temperature (Температуры);
– Pressure (Давления);
– Vapor fraction (Доли пара);
– Enthalpy (Энтальпии).
По умолчанию точность для всех величин принимается равной 1.0E-003.
|
|
|
При Flash calculations (Расчете испарения) в списке Flash algorithm: (Алгоритм расчета испарения:) выбирается алгоритм расчета для Normal (Обычных) смесей или Electrolyte (Электролитов).
Далее задаются параметры:
Flash damping factor (Демпфирующий фактор испарения) – коэффици
ент затухания для расчета коэффициентов равновесия. По умолчанию для
нормальных систем установлено значение 1.0.
Flash tolerance (Погрешность) – допустимая погрешность при расчете ис
парения (по умолчанию установлено значение 1.0E-005).
В списке Calculation sequence (Последовательность расчета) выбирается метод, применяемый для построения последовательности расчета:
– Sequential (Последовательный): последовательный расчет (установлен
по умолчанию). В этом режиме параметры всегда берутся из данных, относящихся к единицам оборудования, т.е. входные потоки должны быть заданы. Если в схеме присутствуют рециклы, то все рециклы будут рассчитываться до тех пор, пока не будет достигнута сходимость.
– AutoCalc (Автоматический расчет): расчет производится автоматически при любом изменении данных.
В списке Steady State/Dynamics (Статическое/Динамическое) выбирается состояние системы: SteadyState (Статика) или Dynamics (Динамика).
Для вывода показателей сходимости на каждой итерации назначается опция Display trace window (Отображать трассировку).
Опция Generate run history (Генерировать протокол моделирования) используется для запоминания информации, выводимой на экран во время выполнения расчета и просмотра этой информации.
Для запрета пользовательской взаимосвязи в момент выполнения моделирования используется опция Disable user interaction during simulation (Блокировать пользовательскую взаимосвязь при моделировании). При установленном флажке прерывание процесса расчета пользователем становится невозможным.
10. Упражнение. Выбор параметров сходимости
1. В задании TUTOR задать параметры сходимости. Для этого выполнить команду Run/Convergence (Расчет/Сходимость). В окне Convergence Parameters (Параметры сходимости) в области Recycle Convergence Method (Метод сходимости рециклов) выбрать метод Wegstein (Вегстейна). В поле Speed up frequency (Частота ускорения) задать частоту ускорения равную 3. В списке Calculation sequence: (Последовательность расчета) выбрать Sequential (Последовательный) метод расчета.
|
|
|
2. Для сохранения введенных параметров нажать клавишу ОК.
11. Упражнение. Ввод параметров оборудования
1. В задании TUTOR выполнить ввод параметров аппаратов технологической схемы стабилизации газового конденсата. Для вывода на экран окна ввода параметров аппарата использовать разные способы: команду Specifications/Select Unit Ops (Спецификация / Выбор оборудования), двойной щелчок левой клавиши мыши на пиктограмме аппарата, команду контекстного меню Edit Unit Op Data (Редактирование данных единицы оборудования).
2. Для теплообменника №2. (См. Рис. 17). Выбрать раздел Specifications (Спецификация), в поля Pressure Drops: (Перепад давления) ввести значения перепада давления между входом и выходом для обеих сторон теплообменника: для Stream1 (Потока 1) – 0.3 бар (bar), для Stream4 (Потока 4) – 0.3 бар (bar). В поле Vapor fraction stream 2 (Доля отгона пара потока 2) задать точку росы равной 1.0.
|
| Рис. 17. Настройка теплообменника ID №2. |
3. Сохранить данные, нажав кнопку ОК.
4. Для теплообменника №3. (См. Рис. 18). Выбрать раздел Specifications (Спецификации), в поле Pressure Drop ввести значение перепада давления, равное 0.3 бар (bar), в поле Temperature of stream 3 (Температура потока 3) ввести значение –20.0 °С.
|
| Рис. 18. Настройка теплообменника ID №3. |
5. Для сепаратора. В данном примере сепаратор по умолчанию используется как устройство контакта фаз при температуре и давлении входного потока, и поэтому не нуждается в какой-либо спецификации.
6. Для клапана. (См. Рис. 19). Давление на выходе из клапана соответствует 9 бар (bar). В окне ввода параметров в поле Outlet pressure (Давление на выходе) ввести значение 9 бар (bar).
|
| Рис. 19. Настройка клапана ID №4. |
7. Для стабилизатора. Выбрать вкладку General (Общая конфигурация) – см. Рис. 20 – и ввести значения следующих параметров:
|
| Рис. 20. Настройка колонны ID №6. Вкладка «General». |
В списке Condenser type (Тип конденсатора) установить тип конденсатора - 0 Total or no condenser (0 полный конденсатор или нет конденсатора).
|
|
|
В поле Top pressure (Давление вверху) ввести значение 9 бар (bar). В поле Colm press drop (Перепад давления в колонне) ввести значение перепада давления в колонне 0.3 бар (bar).
В поле No. of stages (Число тарелок) задать число тарелок равное 12. Рядом с полем Feed tray for stream (Тарелка питания для потока) выводится ID номер потока питания (на схеме это поток 7), а непосредственно в поле надо задать расположение тарелки питания - это тарелка номер 1.
8. После завершения ввода параметров во вкладке General перейти на следующую вкладку Specifications (Спецификации) – см. Рис. 21.
|
| Рис. 21. Настройка колонны ID №6. Вкладка «Specifications». |
В списке Select reboiler mode: (Выбор режима для куба) указать расход кубового потока колонны: 11 Bottom mass flowrate (11 Массовый расход кубовой жидкости). В поле Specification (Значение) ввести значение расхода 1000.0 кг/ч (kg/hr).
9. После завершения ввода параметров во вкладке Specifications перейти во вкладку Convergence (Сходимость) – см. Рис. 22.
|
| Рис. 22. Настройка колонны ID №6. Вкладка «Convergence». |
В поле Т top (Т наверху) ввести значение температуры 40.0 °С, а в поле Т bottom (Т внизу) значение 120.00 °С.
Математическое моделирование аппаратов
1. Ввод параметров оборудования
Каждая математическая модель аппарата в СhemCade связана окном редактирования (одним или несколькими) параметров математической модели. Вызов окна ввода (редактирования) параметров выполняется в режиме моделирования следующими способами:
– двойным щелчком на изображении аппарата;
– командой контекстного меню Edit Unit Op Data (Редактировать параметры аппарата).
– соответствующие команды меню Specificatons (Спецификации).
Команда Specifications/Select UnitOps (Спецификации/Выбор оборудования) позволяет выбрать отдельные единицы оборудования. Их выбор выполняется аналогично выбору потоков.
Команда Specifications/All UnitOps (Спецификации/Все оборудование) позволяет автоматически выбрать все оборудование технологической схемы. Окна для ввода параметров появляются на экране последовательно, в соответствии с ID номерами оборудования.
Вид окна ввода параметров определяется типом оборудования и используемыми параметрами оборудования, которые заложены в его модулях расчета. Окно может содержать один и более разделов.
|
|
|
Ниже представлены окна редактирования параметров некоторых, наиболее часто используемых математических моделей аппаратов в ChemCade.
1. Теплообменник
В ChemCad'e представлены модули расчета теплообменников Heat exchanger (HTXR) с одним или двумя входными потоками. При одном входном потоке модуль служит как нагреватель или как охладитель. Если у теплообменника два входных потока, то доступны более сложные режимы. Рассмотрим ввод параметров для двустороннего теплообменника.
Окно ввода параметров содержит три раздела (Рис. 23)
|
| Рис. 23. Вкладка Specifications окна ввода параметров теплообменника Heat Exchanger(HTXR) |
В разделе Specifications (Спецификации) представлены основные данные, такие, как перепады давления, температуры потоков и т.д.
Значения Pressure Drops: (defaults=0) (Перепад давления (по умолчанию=0)) вводятся в поля Stream ID (ID Потока). Это положительная величина или 0.
Calculation Modes: (Режимы расчета:) позволяют выбрать варианты расчета. В списке Backcalc Mode (for Autocalc): (Режим обр. счета (для автомат.расчета)) содержатся варианты для обратного счета. Он используется только для режима автоматического расчета. По умолчанию установлено 0 No back calculation (0 Не включен). Последующие четыре варианта позволяют пересчитать температуру и расход входных потоков.
Список Utility Option: (Вспом. опция) используется только для двусторонних теплообменников и позволяет так определить параметры второго выходного потока, чтобы он соответствовал требуемой (рассчитанной) тепловой нагрузке аппарата. По умолчанию установлено 0 Utility Option Off (0 Вспом. опция выключ.) При выборе другого варианта необходимо задать либо выходную температуру, либо долю пара в каждом выходном потоке.
В соответствующие поля Enter one specification only (Введите только один параметр) вводятся значения следующих параметров:
Temperature Stream ID (Температура потока ID) – температура первого
(второго) выходного потока. Рядом выводится ID-номер этого потока;
Vapor fraction stream ID (Доля пара потока ID) – доля пара первого (вто
рого) выходного потока. Значение должно быть между 0.00001 и 1. Если за
дано значение 0.00001, то рассчитывается температура кипения первого
(второго) выходного потока. Этот параметр должен быть использован для
систем с одним компонентом и систем с полной/частичной конденсацией
или испарением;
Subcooling stream ID (Недогрев потока ID) – температура недогрева первого (второго) выходного потока. Задается температура ниже точки кипения;
Superheat stream ID (Перегрев потока ID) – температура перегрева первого (второго) выходного потока. Задается температура выше точки росы,
положительное число.
|
|
|
Соответствующие поля Delta temperature specifications: (Значения допустимых температурных погрешностей:) используются для задания:
Min delta temperature (Минимальный перепад температур) –
минимальный перепад температур между входом и выходом;
Hot outlet-cold inlet и Hot inlet-cold outlet (Горячий выходной – холодный
входной и Горячий входной – холодный выходной) – разности между температурами горячего выходного и холодного входного потока и температу
рами горячего входного и холодного выходного потока. Заполняются только
для теплообменника с двумя входными потоками;
Stream ID – stream ID (Поток ID – поток ID) – разности температур между
двумя выходными потоками двухстороннего теплообменника. Задается для
прямоточного теплообменника;
Stream ID – stream ID (Поток ID – поток ID) – разности температур между
входным и выходным потоками.
Heat Duty (Тепловая нагрузка) – значение тепловой нагрузки. Задается для теплообменника с одним или двумя входными потоками. Для теплообменника с
двумя входными потоками это всегда положительное число.
Heat Transfer Coeff. and Area specification: (Значения коэффициента теплопередачи и поверхности теплообмена:) используются для задания значений:
Heat Transfer Coeff. (U) (Коэффициент теплопередачи (U)) – коэффици
ента теплопередачи;
Area/shell (Поверхн./кожух) – площади поверхности теплообмена.
Раздел Misc. Settings (Необязательные параметры (настройки)) используется для задания информации по кожухам, трубам, трубному пространству и др. параметрам (Рис. 24).
|
| Рис. 24. Вкладка Misc.Settings окна ввода параметров теплообменника Heat Exchanger(HTXR) |
Здесь же выводятся рассчитанные значения: тепловой нагрузки теплообменника, среднелогарифмической разности температур, поправочного коэффициента и др.
В разделе Cost. Estimations (Стоимостные оценки) приводятся значения рассчитанных стоимостных оценок (Рис. 25).
|
| Рис. 25. Вкладка Cost Estimations окна ввода параметров теплообменника Heat Exchanger(HTXR) |
2. Модули ректификации
Ректификация в ChemCad'e представлена набором модулей: приближенного расчета ректификации (Shortcut Column (SHOR)), строгого расчета ректификации и абсорбции (TOWR Distillation Column), строгого расчета ректификации и абсорбции нефтяных смесей (Tower plus), расчета ректификации с химической реакцией (SCDS Column) и др.
3. Модуль ректификации TOWR
Модуль TOWR Distillation Column широко используется при моделировании технологических схем. С его помощью рассчитывается колонна любого типа –ректификационная, абсорбционная, абсорбционная с кубом и стриппер. Модуль имеет множество спецификаций, что делает его чрезвычайно гибким в использовании.
Окно ввода параметров модуля TOWR имеет пять разделов. Раздел General (Общая конфигурация) содержит General Model Parameters (Общие параметры мат.модели) (Рис. 26Рис. 29).
|
| Рис. 26. Вкладка General окна ввода параметров колонны TOWR Distillation Column |
В списке Condenser type (Тип конденсатора) выбирается тип конденсатора:
– 0 Total or no condenser (0 Полный или нет конденсатора) (установлен по умолчанию);
– 1 Partial condenser (Парциальный конденсатор);
– 2 Total with water decant (Трехфазный полный конденсатор со сливом воды);
– 3 Partial with water decant (Трехфазный парциальный конденсатор со сливом воды).
Если конденсатор отсутствует, то указывается тип, равный 0. Для полного конденсатора дистиллят будет жидким. Для парциального конденсатора дистиллят будет паром, даже если есть жидкий продукт, выходящий из конденсатора, который будет определен как жидкий боковой продукт. Если выбран 2 или 3 тип конденсатора, то используется метод расчета коэффициентов фазового равновесия в системах с несмешивающимися с водой компонентами.
Следующие поля используются для задания:
Subcooled temp. (Температура недогрева) – значение температуры переохлаждения (задается только для полного конденсатора).
Top pressure (Давление вверху) – давление в конденсаторе или вверху
колонны. Если давление в конденсаторе не задано, то используется давление
потока питания.
Cond pressure drop (Перепад давления в конденсаторе) – перепада давления в конденсаторе, задается как положительное число.
Colm pressure drop (Перепад давл в колонне) – перепад давления в колонне,
задается как положительное число. Давление на каждой тарелке вычисляется
линеаризацией изменения давления между верхом (без конденсатора) и низом колонны (включая куб, если он задан).
В поле No. of stages (Число тарелок) вводится значение числа тарелок, включая куб и конденсатор. Тарелки нумеруются сверху вниз. Если есть конденсатор, он рассматривается как 1-я тарелка. Если есть куб, он рассматривается как N-я тарелка. Максимальное число тарелок – 100, минимальное – 2.
Feed stages: (Тарелки питания:) используется для задания номеров тарелок питания. Они вводятся сверху вниз, и их количество должно быть равно числу потоков питания, подводимых к колонне. Боковые нагреватели/охладители задаются как энтальпийные потоки (потоки с энергией, но без расхода компонентов); их положение задается так же, как и положение тарелок питания. Положительная энтальпия соответствует нагреванию, отрицательная – охлаждению.
В разделе Specifications (Спецификации) задаются параметры, используемые при расчете Heat And Material Balance Specifications (Теплового и материального балансов) (Рис. 27).
|
| Рис. 27. Вкладка Specifications окна ввода параметров колонны TOWR Distillation Column |
В списке Condenser mode: (Выбор режима конденсатора:) выбирается режим работы конденсатора:
– -1 No condenser spec (see tray spec) (Есть конденсатор, но нет задания ха
рактеристик);
– 0 No codenser (Нет конденсатора);
– 1 Reflux ratio(R/D) (Флегмовое число);
– 2 Condenser duty, negative (Тепловая нагрузка конденсатора, отрицательная);
– 3 Distilate temperature (Температура конденсатора);
– 4 Distilate mole flowrate (Общий мольный расход дистиллята);
– 5 Distilate rate of one component (Мольный расход компонента в дистилляте);
– 6 Distilate component mole fraction (Мольная доля компонента в дистилляте);
– 7 Distilate comp fraction recovery (Отношение количества одного компонента в дистилляте к его количеству в потоках питания);
– 8 Distilate total fraction recovery (Отношение количества потока питания
к количеству дистиллята);
– 9 Two components molar flowratio (Отношение мольных расходов 2-х
компонентов в дистилляте);
– 10 Volume flow rate (crude flowrate) (Объемный расход дистиллята);
– 11 Distilate mass flowrate (Массовый расход дистиллята);
– 12 Weight fraction of one component (Массовая доля одного из компонентов в дистилляте);
– 13 Reserved for TPLS module (Резервировать для модуля TPLS);
– 14 Reserved for TPLS module (Резервировать для модуля TPLS);
– 15 Molecular wеight (Молекулярная масса дистиллята);
– 16 API gravity of the distilate (Удельная плотность дистиллята по стандартам Американского института нефти);
– 17 Volume fraction of the component (Объемная доля одного компонента в
дистилляте);
– 18 Reflux mole flowrate (Мольная доля флегмового числа);
– 19 Reflux mass flowrate (Массовая доля флегмового числа).
По умолчанию установлен режим 0 No condenser, указывающий на отсутствие конденсатора (например, в абсорбере). Любой другой режим больше 0 показывает, что конденсатор есть, и его характеристики должны быть заданы в поле Specification (Значение). Величина тепловой нагрузки должна быть отрицательным действительным числом. Для режима 0 ничего указывать не нужно. Для режимов 5, 6, 7, 9,12, 17 нужно задать Component (Компонент), а для режима 9 задать еще Divided (Делитель). Для режима -1 нужно задать Stage (Номер тарелки), в списке Select optional tray mode (Выбор режима тарелки) выбрать нужный режим с 0 по 28, указать Specification (Спецификации) тарелки. Для режимов 3, 4, 6, 7,10 нужно задать Component.
В списке Select reboiler mode: (Выбор режима куба:) выбирается режим работы кубового кипятильника:
– -1 No reboiler spec (see tray spec) (Есть куб, но нет задания характеристик);
– 0 No reboiler (Нет куба);
– 1 Vapor/Bottoms mole flow ratio (V/B) (Кубовое число);
– 2 Reboiler duty, positive (Тепловая нагрузка куба);
– 3 Bottom product temperature (Температура куба);
– 4 Bottom mole flowrate (Общий мольный расход кубового продукта);
– 5 Bottom mole rate of one component (Мольный расход одного компонента кубового продукта);
– 6 Bottom component mole fraction (Суммарная мольная доля компонен
тов в кубовом продукте);
– 7 Bottom comp fraction recovery (Отношение количества одного компонента в кубе к его количеству в потоках питания);
– 8 Bottom total fraction, recovery (Отношение расхода потоков питания к
расходу кубового продукта);
– 9 Two components molar flow ratio (Отношение мольных расходов двух
компонентов в кубе);
– 10 Volume flowrate (crude flowrate) (Объемный расход кубового продукта);
– 11 Botton mass flowrate (Массовый расход кубового продукта);
– 12 Weight fraction of one component (Массовая доля одного компонента в
кубовом продукте);
– 15 Molecular weight of bottom product (Молекулярная масса кубового продукта);
– 16 API gravity of bottoms (Удельная плотность кубового остатка по стандартам Американского института нефти);
– 17 Volume fraction of one component (Объемная доля одного компонента
кубового продукта).
Режим 0 показывает, что куба нет (например, в абсорбере). Любой другой режим больше 0 показывает, что куб есть, и его характеристики должны быть заданы в поле Specification (Значение). Для режима -1 задаются спецификации аналогично режиму -1 конденсатора.
Если в колонне присутствует отбор бокового продукта, то в Side Product Specifications (Спецификации бокового продукта) для каждого отбираемого потока задаются Stage (Тарелка) – номер тарелки отбора, Side product mode (Режим бокового отбора) и Specification (Спецификация).
Раздел Convergence (Сходимость) содержит параметры Estimates and Convergence Parameters (Параметры оценки и сходимости) (Рис. 28).
|
| Рис. 28. Вкладка Convergence окна ввода параметров колонны TOWR Distillation Column |
General estimates (Общие оценки) содержат следующие параметры:
Dist rate (Расход дистиллята) – оценку расхода дистиллята. Ее рекомендуется задавать в мольных единицах.
Reflux rate (Расход флегмы) – оценку расхода флегмы. Оценочное значение расхода флегмы также вводится в мольных единицах.
Если расход дистиллята и флегмы не известен, то эти поля остаются пустыми, т.к. модуль TOWR задает собственные оценки.
Temperature estimates (Оценки температуры) используются для задания оценок:
– Т top (T наверху) – температуры в верхней части колонны. Задается оценочная температура конденсатора или верхней тарелки. Если значение не
известно, то поле остается пустым;
– Т bottom (T внизу) – температуры в нижней части колонны. Задается оценочная температура куба или последней тарелки. Если температура не известна, то поле остается пустым;
– Т2 – температуры на тарелке 2. Задается, если существует большая разность температур между конденсатором и верхней тарелкой.
В соответствующих полях Side product estimations (Оценки бокового продукта) задаются оценки мольных расходов продуктов отбора. Если они не известны, то поля остаются пустыми.
При задании Convergence (Сходимости) указывается:
Iterations (Итерации) – максимальное число итераций;
Initial flag (Признак начального профиля) – начальные оценки для расчета ректификации:
|
|
|
