Математическое моделирование и оптимизация химико-технологических процессов с применением моделирующей программы CHEMCAD 6 глава

– 0 None – установлено по умолчанию. Для этого требуется минимум
входной информации (расход дистиллята, расход флегмы и т. д.);

– 1 Reload column profile (Перезагрузка профиля колонны) – перезагружает профиль колонны, вычисленный в предыдущем расчете (базовом ва­рианте). Число тарелок и компонентов должно оставаться тем же, что и в базо­вом варианте;

– 2 Temp, profile only (Оценка температурного профиля);

– 3 Temp.&vapor profile (Оценка температуры и расхода пара);

– 4 Temp., vapor, liquid profile (Оценка температуры, пара, жидкости);

– 5 Temp., vapor, liquid pres (Оценка температуры, пара, жидкости и профиля давления).

Режимы 2, 3, 4, 5 используются, если TOWR не сходится из-за чрезвычайно нелинейного характера температурного профиля пара или жидкости в колонне. Следующие поля используются для задания:

– Tolerance (Погрешность) – допустимой погрешности;

– Damping factor (Демпфирующий фактор) – демпфирующего отношения
для модели коэффициентов фазового равновесия. Для очень неидеальных хими­ческих систем рекомендуется задавать отношение меньше 1;

– Water Quench (Подача воды) – признака подачи воды. Если сверху колонны подается большое количество воды, и она присутствует на каждой та­релке, то сходимость может быть достигнута, когда признак установлен.
Если куб в колонне – термосифон, то в Thermosyphon reboiler (Термосифон куба) в поле Vapor fraction (Доля пара) задается доля выходящего пара.

Calculated results (Вычисленные величины) содержат значения (Рис. 29).

Рис. 29. Вкладка Cost Estimation 1 окна ввода параметров колонны TOWR

Condenser duty (Нагрузка конденсатора) – тепловой нагрузки конденса­тора (отрицательная величина);

Rebolier duty (Нагрузка куба) – тепловой нагрузки куба (положительная
величина);

Reflux mole (Флегмовое число в мольных единицах) – флегмового числа
в мольных единицах;

Reflux mass (Флегмовое число в массовых единицах) – флегмового числа
в массовых единицах;

Reflux ratio (Флегмовое число) – флегмового числа.

В разделах Cost Estimation (Оценка стоимости) 1 и Cost Estimation 2 пред­ставлены опции для оценки стоимости ряда конструктивных элементов тарель­чатых и насадочных колонн, конденсатора, кипятильника (Рис. 30).

Рис. 30. Вкладка Cost Estimation 2 окна ввода параметров колонны TOWR

 

4. Модули химической реакции

ChemCad предоставляет средства для решения большого количества задач, связанных с реакторами, начиная с простых стехиометрических реакций и кон­чая множественными кинетическими реакциями.

 

5. Модуль Stoichiometric reactor (SREA)

Модуль Stoichiometric reactor (REAC) моделирует стехиометрический реак­тор при наличии набора стехиометрических коэффициентов, ключевых компо­нентов и степеней превращения. Реактор может быть адиабатическим, изотер­мическим или с подводом/отводом тепла.

Окно ввода данных параметров модуля содержит два раздела (Рис. 31). В разделе General Specifications (Об­щие спецификации) представлены опции для задания общих параметров и ус­ловий.

Рис. 31. Вкладка General Specifications окна ввода параметров стехиом. рекатора REAC

В области Specify Thermal Mode: (Задание теплового режима:) выби­рается один из тепловых режимов работы реактора:

1. Adiabatic (Адиабатический) – адиабатический;

2. Isothermal (Изотермический) – изотермический;

3. Heat Duty (Тепловая нагрузка) – с заданной тепловой нагрузкой.

В списке Key component (Ключевой компонент) определяется позиция ключевого компонента. Предполагается, что ключевой компонент является реа­гентом. Это обязательный для ввода параметр.

В следующих полях задаются значения:

Frac. Conversion (Степень превращения) – степени превращения клю­чевого компонента (значение от 0 до 1). Это обязательный для ввода пара­метр.

Heat of Reaction (Теплота реакции) – теплота реакции. Она задается при
стандартных условиях, т.е. при 25°С. Эта величина положительна для эндотермических реакций и отрицательна для экзотермических. Параметр не
обязателен для ввода, если теплота реакции не задана, то программа оценит
ее по данным об энергии образования каждого компонента из базы данных. Если в банке данных не имеется данных об энергии образования (это может напр. в случаче задания пользователем псевдокомпонента), то данный параметр является обязательным для ввода.

Reactor Pressure (Давление в реакторе) – давление в реакторе. Если задано значение 0, то давление в реакторе будет равно давлению входного потока.

Calc H of Reac. (Расч. значение теплоты реакции).

В полях Stochiometric Coefficients: (Стехиометрические коэффициенты:) зада­ется последовательный набор стехиометрических коэффициентов: отрицатель­ных – для реагентов, положительных – для продуктов и нулевых – для ве­ществ, не участвующих в реакции. При необходимости задание стехиометриче­ских коэффициентов можно продолжить, выбрав следующих раздел-вкладку More Components (Другие компоненты) (Рис.32).

Рис.32. Вкладка More Components окна ввода параметров стехиом. рекатора REAC

У модуля REAC может быть один вход и до 3-х выходов. Если есть несколь­ко выходов, то первый содержит пар (если таковой присутствует), а второй и третий содержат жидкости (если таковые присутствуют).

 

6. Модуль Equilibrium reactor (EREA)

Модуль Equilibrium reactor (EREA) используется для расчета равновесных реакторов. Он может работать с двухфазными системами, но реакция будет происходить только в одной фазе, которая задается пользователем.

Окно модуля имеет два раздела. Раздел General Specifications (Общие спе­цификации) содержит параметры общего назначения (Рис.33).

Рис.33. Вкладка General Specifications окна ввода параметров равновесного рекатора EREA

В поле Number of reactions (Число реакций) задается число реакций. Мож­но одновременно задать до 20 реакций.

В Pressure drop (Перепад давления) задается перепад давления в реакторе.

Область Reactor Model (Модель реактора) содержит опции для опреде­ления модели реактора и фазы реакции.

Модель реактора выбирается в списке Specify reactor type: (Типы моделей реактора:):

– General equilibrium reactor (Общий равновесный реактор);

– Shift reactor (Конвертор СО);

– Methanation reactor (Метанатор).

EREA может использоваться для моделирования любого набора реакций. Для общего равновесного реактора данные по равновесию и стехиометрии за­даются в меню данных реакций. Для реакции конверсии СО и для реакционной системы получения метана в ChemCad'e имеются требуемые равновесные дан­ные.

Предполагается, что реакция происходит в одной фазе, которая задается пользователем:

– Liquid only (Только жидкая) – фаза жидкая (по умолчанию);

– Vapor only (Только пар) – фаза паровая;

– Liquid reaction, Mixed phase (Жидкая реакция, смешанная фаза) – реак­ция протекает в жидкой фазе, смешанная фаза;

– Vapor reaction, Mixed phase (Паровая реакция, смешанная фаза) – реак­ция протекает в паровой фазе, смешанная фаза.

Любой равновесный реактор может быть адиабатическим, адиабатическим с заданной тепловой нагрузкой или изотермическим. Выбор теплового режима реактора выполняется в области Thermal mode: (Тепловой режим:):

– Adiabatic (no heat exchange) (Адиабатический (без изменения тепла)) –
для этого режима выходная температура (температура реакции) будет рассчитана, а тепловая нагрузка принимается равной 0.

– Isothermal (specify temp) (Изотермический (с заданной темпер.)) – для
этого режима температура реакции равна температуре реактора. Рассчитыва­ется тепловая нагрузка, требуемая для поддержания заданной температуры.

– Specify heat duty (Заданная тепловая нагрузка) – это адиабатический
режим с заданной тепловой нагрузкой. Выходная температура (температура
реакции) рассчитывается при заданной тепловой нагрузке.

Задание режимов расчета выполняется в области Specify calculation mode: (Задание режима расчета:):

– Reaction conversion (Конверсия реакции) – при задании конверсии реак­ции расчет равновесия не обязателен, а тепловые и материальные балансы
определяются точно из стехиометрии, теплоты реакции и заданной конвер­сии. Для конвертора СО и метанатора не задается.

Approach delta T (Температурное приближение) – задается темпера­турное приближение в поле Temperature delta в зависимости от выбранного
режима.

Approach Fraction (Степень приближения) – степень приближения к рав­новесию используется вместе с равновесной конверсией. Степени прибли­жения к равновесию задаются в экранах реакций, которые выводятся на эк­ран после определения числа редактируемых реакций. Окна содержат опции
для задания Base component (Базовый компонент), константы Аррениуса,
Heat of reaction (Теплота реакции), Approach delta T (Приближенный перепад температур), Frac. approach (Степень приближения к равновесию) и Frac.
conversion (Степень превращения базового компонента). Далее задаются
стехиометрические коэффициенты и степенные факторы для каждого из
компонентов реакции.

Раздел More Specifications (Другие спецификации) содержит дополнитель­ные данные для ввода (Рис.34):

Рис.34. Вкладка More Specifications окна ввода параметров равновесного рекатора EREA

Number of iterations (Число итераций) – задается допустимое число ите­раций для обеспечения сходимости уравнений. По умолчанию установлено
30.

Tolerance (Погрешность) – задается погрешность для расчета равновесия.

Edit reaction number (Редактирование номера реакции) – указывается,
какие реакции должны быть исправлены:

0 – все реакции;

-1 – ни одной реакции;

N – реакция с номером N.

Для выбора единиц измерения используются соответствующие списки об­ласти Reaction Engeneering Units (Единицы измерения параметров реак­ции): Temperature Units: (Единицы температуры:), Pressure Units: (Едини­цы давления:), Heat of Reaction Units: (Единицы теплоты реакции:), Molar Flow Units: (Мольные единицы расхода:).

В области Convergence Method (Метод сходимости) выбирается метод схо­димости. По умолчанию установлен метод, рассматривающий потоки компо­нентов как независимые переменные и, таким образом, отвечающий за обрати­мость реакции при указании приближенной доли. Другая опция позволяет применить метод, использующий превращение компонентов потоков питания в качестве самостоятельных переменных и, таким образом, не отвечающий за обратимость при указании приближенной доли.

В поле Temperature reference for heat of reaction: (Контрольная темпера­тура теплоты реакции:) задается значение контрольной температуры реакции.

В поле Calculated overall heat of reaction Rxn (Рассчитанная общая теп­лота реакции) выводится рассчитанное значение общей теплоты реакции.

У модуля EREA один вход и может быть до трех выходов. Если есть два или три выходных потока, то первый выходной поток – пар (если есть), а второй и третий выходной поток – жидкость (если есть).

 

7. Модуль Kinetic Reactor (KREA)

Модуль Kinetic Reactor (KREA) служит для поверочного и проектного расчетов кинетических реакторов идеального вытеснения RFR (РИВ) и реакторов идеального смешения CSTR (РИС). Каждый из реакторов (РИВ или РИС) может быть жидкофазным или газофазным. Допускаются также двухфазные реакторы, но реакция может иметь место только в одной фазе.

Окно модуля имеет два раздела. Раздел General Specifications (Общие спе­цификации) содержит параметры, которые используются как для реактора РИВ, так и для реактора РИС (Рис.35).

Рис.35. Вкладка General Specifications окна ввода параметров кинетического реак-ра KREA

В поле Number of reactions (Количество реакций) вводится число реакций. Допускается до 20 одновременных реакций.

В поле Reactor pressure (Давление в реакторе) задается давление на входе в реактор. Если оно не задано, то используется давление во входном потоке.

В Pressure Drop (Перепад давления) определяется давление, при котором протекает химическая реакция в реакторе. Для РИС эта величина равна нулю. Для РИВ профиль давления равномерно распределяется между входом и выхо­дом по числу шагов интегрирования.

В области Reactor Model (Модель реактора) определяется тип реактора и фаза протекания реакции.

Тип реактора выбирается в списке Specify reactor type: (Определение типа реактора:):

Cont Stir Tank Reac (CSTR) – реактор идеального смешения (РИС).

Plug Flow Reactor (PFR) – реактор идеального вытеснения (РИВ).

Следующие опции позволяют задать фазу протекания реакции:

Liquid (Только жидкость) – (по умолчанию);

Vapor only (Только пар);

Liquid reaction, Mixed phase – реакция протекает в жидкой фазе, смешан­ная фаза;

Vapor reaction, Mixed phase – реакция протекает в паровой фазе, смешан­ная фаза.

В области Thermal mode: (Тепловой режим:) выбирается тепловой режим (вариант расчета):

– Isothermal (specify temp) (Изотермический (определить температуру)).

Для него рассчитывается тепловая нагрузка. В этом случае в поле напротив необходимо ввести значение температуры. В противном случае используется температура входного потока.

Adiabatic (no heat exchange) (Адиабатический (без изменения тепла)). –
Для этого режима рассчитывается температура для РИС и температурный
профиль для РИВ.

Specify heat duty (Заданная тепловая нагрузка). Для этого режима в слу­чае РИС с заданной тепловой нагрузкой итерационно определяется темпера­тура. В поле напротив задается количество тепла, добавляемое или отнимаемое от реакции. Используются глобальные единицы измерения. В случае РИВ тепловая нагрузка равномерно распределяется на каждом шаге интег­рирования и затем используется для расчета температурного профиля.

Spec PFR temp, profile (later) (Заданный температурный профиль для
РИВ). Этот режим используется только в случае РИВ. Задаются значения
температур на каждом шаге интегрирования и для них вычисляются соот­ветствующие тепловые нагрузки. Затем они суммируются и определяется общая тепловая нагрузка.

Specify PFR utility U (Заданное условие вспом. потока для РИВ). В этом
режиме тепловая нагрузка на каждом шаге интегрирования вычисляется ин­дивидуально с использованием общего коэффициента теплопередачи. В поле
напротив вводится значение коэффициента теплопередачи. Это значение необходимо только для РИВ.

В области Specify calculation mode (Определение режима расчета) выби­рается режим расчета:

Specify Volume, Calculate conversion (Задан объем, рассчитать степень
превращения).

Specify conversion, Calculate volume (Задана степень превращения, рас­считать объем).

Если выбран режим расчета Specify Volume, Calculate conversion, то в поле Reactor Volume (Объем реактора) для РИС задается объем. Для РИВ вводится либо объем, либо объем как произведение длины, диаметра труб и числа труб. В режиме Specify PFR utility U объем задается только в виде произведения. При режиме Specify Volume; Calculate conversion объем реактора используется для вычисления степени превращения реагентов, а также выходных составов и ус­ловий.

Если выбран режим расчета Specify conversion, Calculate volume, то объем используется в РИВ для определения размера реактора.

В списке Key Component (Ключевой компонент) выбирается номер клю­чевого компонента, относительно которого определяется объем реактора. Рас­чет связан со степенью превращения одного (ключевого) компонента независи­мо от числа реакций.

Если выбран режим расчета Specify conversion, Calculate volume, то в поле Conversion (Степень превращения) задается степень превращения ключевого компонента. При задании этого параметра определяется объем реактора. Для РИС объем определяется временем пребывания, для РИВ пока не будет достиг­нута требуемая степень превращения ключевого компонента.

Раздел More Specifications (Другие условия) содержит геометрические па­раметры и численные параметры для выполнения расчета (Рис.36).

Рис.36. Вкладка More Specifications окна ввода параметров кинетического реак-ра KREA

Топология модуля KREA зависит от наличия вспомогательного потока. Если этот поток отсутствует (термические режимы 1-4), то у реактора может быть множество входов и три выхода, где 1=пар, 2=первая жидкость, 3= вторая жидкость. Если задан вспомогательный поток (термический режим=5), то у реактора может быть два входа и два выхода. Первые вход и выход содержат потоки процесса, а вторые вход и выход – вспомогательные потоки.

После ввода данных разделах модуля KREA и нажатия на кнопку OK появляется следующее окно ввода параметров химических реакций (Рис.37):

Рис.37. Окно –Kinetic Data– окна ввода кинетических параметров химических реакций для кинетического реак-ра KREA

 

8. Модуль реактора периодического действия BREACT

8.1. Пиктограмма аппарата и его изображение

Реактор периодического действия представлен следующей пиктограммой , а также изображением: .

 

8.2. Меню реактора периодического действия

Модуль CHEMCADa «Batch Reactor» (Реактор периодического действия) реализует собой математическую модель с большим набором настроечных параметров. Поэтому при вызове редактирования модуля «Batch Reactor» (обычно – двойной щелчок мышью на изображении аппарата в режиме Simulation: моделирование) вместо окна паспорта модуля появляется вертикально оформленное меню, с помощью которого осуществляется доступ к группам настроечных параметров модуля «Реактор периодического действия», Рис.38.

Рис.38. Меню модуля «Batch Reactor»

Для настройки модуля необходимо последовательно пройтись по всем вкладкам меню. Для выполнения данной лабораторной работы требуется настроить параметры только в следующих пунктах меню: Initial Charge (Начальная загрузка); General information (Общая информация); Rate equation units (Единицы измерения уравнения кинетики); Reaction Kinetics (Кинетические параметры реакции).

 

8.2.1. Initial Charge (Начальная загрузка)

Рис.39. Начальная загрузка реактора

Данное окно является стандартным окном CHEMCAD редактирования потока.

 

 

8.2.2. General information (Общая информация)

Вкладка Page 1

Рис.40. Вкладка Page1 окна General Information

Вкладка Page 2

Рис.41. Вкладка Page2 окна General Information

 

 

8.2.3. Rate equation units (Единицы измерения уравнения кинетики)

Рис.42. Окно задания единиц измерения уравнениям кинетики

 

8.2.4. Reaction Kinetics (Кинетические параметры реакции)

Рис.43. Окно определения химической реакции

 

 

9. Модуль «Cont» (Контроллер)

Данный модуль используется для решения двух задач:

– прямого присвоения одной величины другой;

– подбора влияющей величины таким образом, чтобы другая величина соответствовала определенному значению или третьей величине.

Окно ввода параметров содержит два раздела:

– вкладка «General Settings»(общие параметры), Рис. 44, Рис. 45;

– вкладка «Optional Parameters»(дополнительные параметры), Рис. 46.

9.1. Вкладка «General Settings» (общие параметры)

В списке Controller Mode (Режим расчета контроллера) выбираются следующие режимы:

– Controller Off (Контроллер выключен); в этом случае модуль контроллера не участвует в расчете схемы;

– Feed-Forward (Прямое присвоение); контроллер присвавает некоторой переменной модифицированное значение другой переменной; в этом режиме не все поля доступны для редактирования.

– Feed-Backward (Подстройка величины); контроллер выполняет поиск решения одномерного нелинейного уравнения методом Ньютона-Рафсона. Параметры уравнения формируются в полях ввода данных.

Далее, имеются три группы полей, назначение которых различно в зависимости от режима работы контроллера.

 

9.1.1. Режим работы контроллера Feed-Forward

В группе полей Set This variable (Установить эту переменную) используются три базовых поля, позволяющих определить во внутренних единицах измерения некоторые переменные технологической схемы (Рис. 44). Подробнее об этих полях см. в приложении «Определение переменных в технологической схеме».

Рис. 44. Вкладка «General Settings» окна ввода параметров контроллера Controller(CONT) в режиме Feed-Forward

В группе полей Equal to this (Равной следующему выражению) используются восемь базовых полей, позволяющих определить во внутренних единицах измерения какие-либо две переменные технологической схемы (по четыре поля на каждую переменную). Подробнее об этих полях см. в приложении «Определение переменных в технологической схеме». Кроме этого для каждой из двух переменных имеются поля Scale(Масштаб), позволяющих задать коэффициенты пропорциональности, на которые умножаются переменные. В списке Arithmetic Operator (Арифметический оператор) можно выбрать одну из четырех арифметических операций (сложение, вычитание, умножение, деление), которая выполняется над этими двумя переменными, чтобы получить искомое выражение. По умолчанию в списке арифметическая операция не задействована (0 No operator).

Последняя группа полей (без названия) в режиме работы контроллера Feed-Forward не используется.

 

9.1.2. Режим работы контроллера Feed-Backward

В группе полей Adjust this variable (Настраивать эту переменную) используются четыре базовых поля, позволяющих определить в требуемых единицах измерения некоторые переменные технологической схемы (Рис. 45). Подробнее об этих полях см. в приложении «Определение переменных в технологической схеме». В полях Minimum value (Минимальное значение) и Maximum value (Максимальное значение) задается интервал в требуемых единицах измерения, в котором контроллер будет варьировать настраиваемую величину (независимую переменную).

Рис. 45. Вкладка «General Settings» окна ввода параметров контроллера Controller(CONT) в режиме Feed-backward

В группе полей Until this (до тех пор, пока следующее выражение) используются восемь базовых полей, позволяющих определить во внутренних единицах измерения какие-либо две переменные технологической схемы (по четыре поля на каждую переменную). Подробнее об этих полях см. в приложении «Определение переменных в технологической схеме». Кроме этого для каждой из двух переменных имеются поля Scale(Масштаб), позволяющих задать коэффициенты пропорциональности, на которые умножаются переменные. В списке Arithmetic Operator (Арифметический оператор) можно выбрать одну из четырех арифметических операций (сложение, вычитание, умножение, деление), которая выполняется над этими двумя переменными для получения искомого выражения. По умолчанию в списке арифметическая операция не задействована (0 No operator).

В группе полей Is equal to this target (не станет равным следующему значению) используются пять базовых полей, позволяющих определить в требуемых единицах измерения какую-либо переменную технологической схемы. Подробнее об этих полях см. в приложении «Определение переменных в технологической схеме». Кроме этого для каждой из задаваемой переменной имеется поле Scale(Масштаб), позволяющее задать коэффициент пропорциональности, на который умножается переменная.

Имеется возможность вместо переменной технологической схемы задать постоянное значение в требуемых единицах измерения, которое вводится в поле Constant (Константа).

 

9.2. Вкладка «Optional parameters» (дополнительные параметры)

Данная вкладка (Рис. 46) доступна только для контроллера в режиме Feed-Backward.

На ней приводятся настроечные параметры для поиска решения с помощью метода Ньютона-Рафсона.

Кроме этого имеется группа полей Optional User Specified Controller Loop (последовательность расчета контура контроллера), в которых можно задать последовательность расчета модулей технологической схемы, влияющих на замкнутый контур расчета контроллера.

Примечание. Работа с полями вкладки «Optional parameters» рассчитаны на опытного пользователя.

Рис. 46. Вкладка «Optional Parameters» окна ввода параметров контроллера Controller(CONT)

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: