 |
Математическое моделирование и оптимизация химико-технологических процессов с применением моделирующей программы CHEMCAD 7 глава
|
|
|
|
10. Остальные? (сепаратор, клапан и т.д.)
Модуль Valve(VALV) (Вентиль) выполняет функцию расчета фазового равновесия при адиабатических условиях над входным потоком при заданном выходном давлении (Рис. 47).
|
| Рис. 47. МодульValve(VALV) (Вентиль) |
В качестве настроечных параметров модели могут быть заданы:
Outlet pressure (выходное давление) – вводится выходное давление в соответствующих единицах измерения;
Pressure drop (перепад давления) – вводится перепад давления на вентиле, выходное давление будет рассчитано;
Dew point temp (температура точки росы) – выходное давление будет установлено давлению, соответствующему температуре начала конденсации входного потока;
Bubble point temp (температура точки кипения) – выходное давление будет установлено давлению, соответствующему температуре начала кипения входного потока.
Настроечные параметры вводятся в соответствущие поля, причем задается только один параметр из четырех возможных, о чем и предупреждает сопутствующая надпись с зеленым текстом: Enter on of the options (Введите одну из опций).
В дополнение к этому можно выставить флажок в поле Close valve completely (turn valve off), при этом вентиль будет считаться закрытым, а выходной поток – нулевым.
Модуль VALV имеет один вход и от 1 до 3 выходов. Если с помощью дополнительной графической палитры была выбрана пиктограмма с несколькими выходами, то в этом случае модуль VALV будет выполнять функцию сепаратора фаз. Модуль с двумя выходными потоками работает следующим образом: газовая фаза направляется через первый выход, жидкая фаза (если имеется) – через второй. Модуль же с тремя выходами делит на фазы поток с одной газовой фазой и двумя жидкими.
Как уже было сказано, изменение давление потока происходит адиабатически, т.е. температура потока может измениться на выходе. Для большинства газов температура после вентиля понижается.
|
|
|
Модуль Flash (FLAS) (Равновесие) является обобщенной моделью, которая позволяет рассчитывать фазовое равновесие в различных постановках. При выборе соответствующей постановки задачи может быть выполнен расчет фазового равновесия при постоянной доле отгона, изотермических, адиабатических, изоэнтропийных условиях при различных температурах и давлениях. В случаях, когда вода и и углеводороды образуют две жидкие фазы, допускается слив воды с последнего (нижнего) выхода. При задании адиабатических режимов в качестве входных данных может быть использована тепловая нагрузка.
Из списка Flash Mode (Режим расчета равновесия) можно выбрать следующие постановки задачи:
– 0 Use inlet T and P; calculate V/F and Heat (Использовать входные давление и температуру, рассчитать долю отгона и энтальпию);
– 1 Specify V/F and P; calculate T and Heat (Задать долю отгона и давление; рассчитать температуру и энтальпию);
– 2 Specify T and P; calculate V/F and Heat (Задать давление и температуру; рассчитать долю отгона и энтальпию);
– 3 Specify T and H; calculate V/F and P (Задать температуру и энтальпию; рассчитать долю отгона и давление);
– 4 Specify V/F and T; calculate P and Heat (Задать долю отгона и температуру; рассчитать давление и энтальпию);
– 5 Specify P and H; calculate V/F and T (Задать давление и энтальпию; рассчитать долю отгона и температуру);
– 6 Specify P; isentropic flash (Задать давление; поиск решения при постоянной энтропии);
– 7 Specify T; isentropic flash (Задать температуру; поиск решения при постоянной энтропии);
– 8 Specify P; water dew pt T (H20/HC) (Задать давление; поиск решения при температуре точки росы в смеси вода/углеводороды);
– 9 Specify T; water dew pt P (H20/HC) (Задать температуру; поиск решения при давлении точки росы в смеси вода/углеводороды);
There are several modes for specifying the flash.
0 - T,P flash Isothermal flash at input stream conditions.
|
|
|
1 - V,P flash Flash at fixed vapor fraction (parameter 1) and pressure (parameter 2). Bubble point temperature can be obtained by setting V = 0 (parameter 1) and P (parameter 2). Dew point temperature can be obtained by setting V = 1. (parameter 1) and P (parameter 2).
2 - T,P flash Flash at fixed temperature (parameter 1) and pressure (parameter 2). Input stream T and P will be used if parameters are not entered.
3 - H,T flash Flash at input enthalpy and fixed temperature (parameter 1). Input temperature will be used if parameter 1 is not entered. The user may input a heat duty in parameter 5, using mode 6.
4 - V,T flash Flash at fixed vapor fraction (parameter 1) and temperature (parameter 2). This mode can be used to calculate the vapor pressure of a stream at T, and specified vapor fraction. Bubble point pressure can be calculated by specifying V = 0. (parameter 1) and T (parameter 2). Input stream temperature will be used if temperature is not entered.
5 - H,P flash Adiabatic flash at input stream enthalpy and fixed pressure P (parameter 1). Input stream pressure will be used if parameter 1 is zero. The user may input a heat duty in parameter 5.
6 - S,P flash Flash at input stream entropy and fixed pressure (parameter 1). Input stream pressure will be used if pressure is not entered.
7 - S,T flash Flash at input stream entropy and fixed temperature (parameter 1). Input stream temperature will be used if temperature is not entered.
8 - H2O DP at T Calculate the water dew point temperature at a fixed temperature (parameter 1). The inlet stream temperature will be used if a temperature is not entered.
9 - H2O DP at P Calculate the water dew point pressure at a fixed pressure (parameter 1). The inlet stream pressure will be used if a pressure is not entered.
10 - T,P for drying This option is for the drying of solids. Using this option, the user specifies temperature and pressure. The program assumes that all the solids come out the bottom and everything else comes out the top as vapor. It then performs a heat and material balance on that basis.
Specification 1:
Each operation mode allows thermal specifications for the outlet. This field is labeld with the units of the value being specified by the selected mode. Below is the list of variable vs. mode. Leaving this field blank will result in the use of the inlet value for the property.
mode 0, not used
mode 1, enter vapor fraction
mode 2, enter temperature
mode 3, enter temperature
mode 4, enter vapor fraction
mode 5, enter pressure
mode 6, enter pressure
mode 7, enter temperature
mode 8, enter temperature
mode 9, enter pressure
mode 10, enter temperature
Specification 2:
Each operation mode allows thermal specifications for the outlet. This field is labeld with the units of the value being specified by the selected mode. Below is the list of variable vs. mode. Not all modes allow a second specification. Leaving this field blank will result in the use of the inlet value for the property.
mode 0, not used
mode 1, enter pressure
mode 2, enter pressure
mode 3, not needed
mode 4, enter temperature
mode 5, not used
mode 6, not used
mode 7, not used
mode 8, not used
mode 9, not used
mode 10, enter pressure
Heat duty:
This is the heat duty required to obtain the specified outlet conditions, starting from the inlet conditions.
The FLAS may have multiple (up to 13) input streams.
The flash operation may have one to three output streams. If one output stream is specified, the output stream will always have the same composition and flow rate as the input stream but the thermal conditions (temperature, pressure, vapor fraction enthalpy, etc.) may be different depending on the mode selected for flash operation.
If two output streams are specified, the first is always vapor and the second is always liquid. Should the flash operation result in all vapor, the second output stream (liquid) will be an empty stream with zero flow rate and will have the same temperature and pressure as the first output stream (vapor). If the flash operation produces all liquid, the first output (vapor) will be empty and the second stream (liquid) will have the same flow rate and composition as its input stream. If the water immiscible option is selected as the thermodynamic model, the free water (if any) will be included in the second output stream unless three output streams are specified as described below.
|
|
|
If three output streams are specified, and the water immiscible option is selected, the third output stream will contain free water (if any) as a result of flash operation. In this case, the first output stream will be vapor and the second output will be liquid which contains the hydrocarbons and some water dissolved in the hydrocarbon as predicted by the water solubility model. The third will be all liquid containing free water.
If three output streams are specified and the LLV (rigorous three-phase flash for all units) option is on, the first outlet will contain the vapor, the second outlet will contain the light liquid phase, and the third outlet will contain the heavy liquid phase.
Estimations on output temperature or pressure are usually not required in most cases. However, if the flash operation condition is close to the critical region of the stream, estimation on temperature or pressure may be needed for better convergence. Estimations can be entered as temperature or pressure of the first flash output stream. Check the following table for estimations on different flash modes.
Mode FLASH Estimation of the first output stream
0 Inlet T,P Not needed
1 V,P Flash Temperature
2 T,P Flash Not needed
3 H,T Flash Pressure
4 V,T Flash Pressure
5 H,P Flash Temperature
6 S,P Flash Temperature
7 S,T Flash Pressure
8 H2O DP, T Flash Temperature
9 H2O DP, P Flash Pressure
10 T1 P Calculation Not needed
Note: Estimations of flow rate and vapor fraction are not needed in all cases.
|
| Рис. 48. МодульStream Mixer(MIXE) (Смеситель) |
Поле Output pressure (Выходное давление):
Введите давление смесителя. Если значение поля не задано, нулевое или отрицательное, то в качестве выходного давления смесителя используется наименьшее давление из входных потоков в модуль.
Поле For autocalc only, select the input stream where flowrate will be recalculated (Только для режима AutoCalc выберите входные потоки, для которых расход будет пересчитан).
В режиме моделирования AutoCalc один входной поток остается незаданным. Выходной поток и заданные входные потоки используются для обратного расчета незаданного входного потока. В данном поле указывается ID незаданного входного потока. Его расход будет рассчитан данным модулем по условию материального баланса.
Поле For autocalc only, select the input streams where pressure is recalculated (Только для режима AutoCalc выберите входные потоки, для которых давление будет пересчитано). Для выбранных входных потоков их давление будет переустановлено на выходное давление модуля.
|
|
|
Для смешиваемых потоков адиабатически рассчитывается равновесие при заданном давлении. Если давление не задано, то используется наименьшее давление из входных потоков. Важно отметить, что на выходе из смесителя чаще всего температура отличается от входной вследствие адиабатического расчета равновесия, то есть при постоянной энтальпии.
У смесителя может быть до тринадцать входных потоков и до двух выходных потоков, но суммарное число входов и выходов не должно превышать четырнадцати.
Если у смесителя два выхода, то на первом выходе – поток паровой фазы, на втором выходе – поток жидкой фазы.
Математическое моделирование технологических процессов
1. Запуск программы моделирования
Для проведения моделирования технологической схемы используются команды меню Run (Счет). С помощью этих команд можно задавать последовательность расчета и выполнять контроль над ходом расчета.
Рассмотрим варианты моделирования технологической схемы:
Run All (Счет всего) – рассчитывает все оборудование технологической
схемы. При этом программа в первую очередь проверяет все данные перед
началом расчетов. В процессе проверки она может выдавать как предупреждения (Warning), так и сообщения об ошибках (Error) с выводом информационного окна «-CHEMCAD Message Box-» (Рис. 49):
|
| Рис. 49. Информационное Окно «-CHEMCAD Message Box-» сообщающее об ошибках (Error), и предупреждениях(Warning), найденных при проверке входных данных. |
Расчет не будет выполняться до тех пор, пока не будут устранены причины этих ошибок (Correct data before running – Исправьте данные перед счетом; Рис. 49).
Если при проверке данных не будет обнаружено ни одной ошибки при наличии предупреждений, то информационное окно «-CHEMCAD Message Box-» будет иметь условно следующий вид (Рис. 50):
|
| Рис. 50. Информационное Окно «-CHEMCAD Message Box-» сообщающее об ошибках (Error), и предупреждениях(Warning), найденных при проверке входных данных. |
В этом случае пользователю будет предложено: Do you wish to continue (Вы желаете продолжить?), см. Рис. 50. В случае нажания на кнопку Yes схема будет запущена на расчет. При нажатии на кнопку No расчет производиться не будет.
Если при проверке данных не будет обнаружено ни одной ошибки и ни одного предупреждения, то окно выводится не будет и схема сразу же будет запущена на расчет.
Последовательность расчета модулей оборудования определяется программой автоматически.
После завершения процесса расчета снова выводится информационное окно «-CHEMCAD Message Box-», которое информирует пользователя о полном сведении материально-теплового баланса схемы (см. Рис. 51), о частичном сведении материального баланса схемы (см. Рис. 52) или же о том, что баланс не сошелся (см. Рис. 53). В двух последних случаях не все материальные потоки схемы будут достоверными.
|
|
|
|
| Рис. 51. Информационное Окно «-CHEMCAD Message Box-» удостоверяющее, что расчет материально-теплового баланса технологической схемы сошелся. |
|
| Рис. 52. Информационное Окно «-CHEMCAD Message Box-» сообщающее, что расчет рецикловых потоков технологической схемы сошелся, но при этом не свелся расчет отдельных модулей технологической схемы |
|
| Рис. 53. Информационное Окно «-CHEMCAD Message Box-» предупреждающее, что не сошелся расчет рецикловых потоков технологической схемы, также не свелся расчет отдельных модулей технологической схемы. Данные расчета в этом случае – неправильные. |
Run Selected Units (Счет выбранного оборудования) – выполняет расчет
одной или более единиц выбранного оборудования. Процесс выбора тот же,
что и при работе с командой UnitOps (Оборудование). Команда может использоваться для задания последовательности расчета.
Recycles (Рециклы) – позволяет идентифицировать порядок расчета рециклов технологической схемы и рассчитать их.
Calculation sequence (Последовательность расчета) – позволяет задать
свою последовательность расчета модулей технологической схемы.
2. Упражнение
1. Используя кнопку 
на панели инструментов или команду Run/Run All (Счет/Счет всего), выполнить моделирование всей технологической схемы стабилизатора конденсата. Проанализировать полученные результаты.
2. Изменить данные для стабилизатора, введя для кубового продукта долю
пропана 1%.
Для ввода новых данных любым из известных способов выбрать стабилизатор. В окне ввода параметров перейти в раздел Specifications (Спецификации) и в списке Select reboiler mode: (Выбор режима куба:) выбрать режим 6 Bottom component mole fraction (6 Суммарная мольная доля компонентов в кубовом остатке). В поле Specification (Значение) ввести значение 0.01 вместо имеющегося значения. После выбора режима куба на экране отобразится список Component (Компонент), в котором надо выбрать пропан.
3. Для использования конечных результатов последнего моделирования в качестве начального приближения в разделе Convergence (Сходимость) в поле Initial flag (Признак профиля) выбрать 1 Reload column profile (Повторная загрузка профиля колонны). Сохранить введенные параметры. Выполнить снова моделирование схемы. Проанализировать полученные результаты.
3. Интерактивный просмотр результатов
Просмотр полученных результатов используется как на промежуточных этапах моделирования технологической схемы, так и по его завершению. При просмотре в любой момент все данные для моделирования и его результаты можно распечатать или записать в файл.
Для просмотра используются команды меню Results (Результаты) и Plot (Граф.), доступные в режиме Mode: Simulation.
Подробнее об использовании команд см. Приложение «Интерактивный просмотр результатов».
4. Упражнение п.2.21. СП, дополнить заданием 4 п. 2.23 сп)
Для задания TUTOR1, используя команды меню Results/Stream Properties (Результаты/Свойства потока), выполнить просмотр свойств потоков при заданных условиях процесса.
Используя команды меню Results/Stream Composition (Просмотр/Состав потока), выполнить просмотр составов потоков питания и продуктовых потоков.
Используя команду Plot/Envelopes (Граф./Фазовая диаграмма), построить для потока номер 5 фазовую диаграмму. Построить линии для долей пара, равных 0.5 и 0.75. Для этого в окне Phase Envelope в первое поле, обозначенное как Vapor fraction (Доля пара), ввести значение - 0.5, а во второе поле - 0.75. Сохранить данные, нажав кнопку ОК.
Используя левую клавишу мыши, определить на фазовой диаграмме, равна или ниже -20°C наивысшая точка росы потока 5. После просмотра части диаграммы вернуть ее первоначальные размеры, используя для этого правуюкнопку мыши. Если точка росы потока не соответствует указанной температуре, то подобрать температуру потока 3 так, чтобы эти условия выполнялись.
Построить температурный профиль для стабилизатора конденсата. Для этоговыполнить команду Plot/Tower Profiles (Начертить/Профили колонны). В окне Profile Options (Опции профиля) отметить- Plot Temperature profile (Начертить температурный профиль). В группе Plot Controls (Управление начертанием) выбрать Scale (Шкала) - шкалу, Axes (Оси) - оси, Stage No (Номера тарелок) - нумерацию тарелок, Туре (Тип) - график или диаграмму.
5. Составление отчетов
ChemCad позволяет создавать отчет о результатах моделирования в виде таблиц.
Отчет можно получить в табличной (текстовой) форме и в виде диаграммы технологического процесса.
Подробнее о составлении отчетов см. Приложения:
- «Генерация отчета в табличной форме»;
- «Составление диаграммы технологического процесса».
6. Упражнение п.2..23сп задания 1,2,3 дополнить построением основной PFD
Загрузить задание TUTOR1.
Для потоков 1, 5, 8 и 9 распечатать составы потоков, выраженные в массо
вых расходах и мольных долях, а также все свойства потоков, установлен
ные по умолчанию! Для выбора потоков выполнить команду Output/Re
port/Select Streams (Вывод/Отчет/Выбор потоков). В окне Select Streams
выбрать опцию Select streams from flowsheet (Выбрать потоки на схеме) и
нажать кнопку ОК. Выбранные на схеме ГО номера потоков автоматически
будут занесены в поля Enter the stream BD's окна Select Streams.
Для выбора единиц расхода составов потоков выполнить команду
Output/Report/Stream Flowrate/Compositions (Вывод/Отчет/Расходы/Со
став потока), установить опцию Mass flow rate (Массовый расход) и на
жать кнопку ОК.
7. Исследование параметрической чувствительности
Для анализа параметрической чувствительности технологической схемы используется команда Run/Sensitivity Study (Пуск/Исследование чувствительности). С помощью этого анализа можно найти параметры, которые оказывают наибольшее влияние на функционирование системы.
После выполнения команды на экран выводится окно, содержащее меню с командами управления анализами чувствительности.
Подробности о работе с анализом параметрической чувствительности приводятся в Приложении «Анализ параметрической чувствительности в ChemCad».
8. Упражнение (п.2.19 сп, задание 3)
3. Используя команду Run/Sensitivity Study (Счет/Исследование чувстви
тельности), исследовать влияние колебаний давления и расхода потока пи
тания на расход стабильного конденсата (поток 9) и содержание в нем про
пана, а также расход и температуру потока 5. Проверить, удовлетворяет ли
предельный случай колебания давления и расхода потока питания заданной
точке росы потока 5.
Исходные данные:
Температуру в кипятильнике колонны установить равной 240 °F. Остальные параметры оборудования оставить без изменения. Интервалы варьирования:
для давления потока питания от 150 psia до 250 psia; для расхода питания от 4000 lDmol/hr до 6000 lbmol/hr. Выполнить команду контекстного меню Edit Unit Op Data (Редактирование данных единицы оборудования). В окне TOWR Distillation Column (Ректификационная колонна) выбрать раздел Specifications (Спецификации). В списке Select reboiler mode: (Выбор режима куба:) установить режим 3 Bottom product temperature (3 Температура куба) и в поле Specification (Спецификация) ввести значение 240.
В окне Sensitivity Analysis (Анализ чувствительности) с помощью команды New Analysis (Новый анализ) задать имя анализа – Analysis 1. Выполнить команду Edit Independent Variable (Определение независимой переменной). В окне Independent Variable (Независимая переменная) выбрать Stream (Поток), в поле Object П> (ГО номер объекта) ввести номер потока – 1, из списка Variable4 выбрать 2 Pressure. Установить Variable Units (Единицы измерения переменной) 4 Pressure. Для задания интервалов варьирования переменной анализа в поле Vary this variable from (Начальное значение переменной) ввести значение 150, в поле to (Конечное значение переменной) – 250, в поле in equal steps (С равными шагами)
– 10. Сохранить данные, нажав кнопку ОК.
Для задания второй входной переменной выполнить команду Edit independent Parameter (Optional) (Определение независимого параметра (Произвольного)). В окне Independent Parameter (2nd Independent Variable) (Независимый параметр (2-ая независимая переменная)) выбрать Stream (Поток), в поле Object ГО (ГО номер объекта) ввести номер потока - 1, из списка Variable выбрать 5 Total mole rate (Полный мольный расход). Установить Variable Units (Единицы измерения переменной) 1 Mole Rate (Мольный расход). Для задания интервалов варьирования переменной анализа в поле Vary this variable from (Начальное значение переменной) ввести значение 4000, в поле to (Конечное значение переменной)
– 6000, в поле in equal steps (С равными шагами) – 10.
Для задания выходных переменных выполнить команду Edit Recorded Variables (Определение перечня зависимых переменных). В качестве Dependent Variable 1 (Зависимой переменной 1) использовать Stream (Поток), в поле Object ГО ввести номер потока – 9. В списке Variable (Переменная) выбрать Comp mole rate (Мольный расход компонента), в списке Сотр (Компонент) – Propane (Пропан). В списке Variable units – 1 Mole rate.
В качестве Dependent Variable 2 (Зависимой переменной 2) использовать, Stream (Поток), в поле Object Ш ввести номер потока – 5. В списке Variable (Переменная) выбрать 1 Temperature, а в списке Variable units – 2 Temperature. Сохранить данные, нажав кнопку ОК. Используя команду Run All (Счет всего), выполнить анализ. Для просмотра и вывода результатов анализа в графической и табличной форме использовать команду Plot Results (Графики результатов). Проанализировать полученные результаты.
9. Применение контроллеров
Одним из часто используемых модулей в УМП CHEMCAD является модуль Controller(CONT) - контроллер. Функциональное назначение контроллера – изменение в процессе итерационного расчета схемы какой-либо независимой переменной А технологического процесса, используя данные измерений одной или двух переменных технологического процесса.
Если измеряется одно значение В1, то оно преобразовывается к виду: B=k1*B1, где k1 – коэффициент пропорциональности. В общем случае измеряемых переменных может быть задано две и математическая модель в этом случае будет следующей: B=f(k1*B1,k2*B2), где фунция f() представляет одну из арифметических бинарных операций со своими переменными: сложение, вычитание, умножение, деление.
Изменение независимой переменной А может производится двумя способами:
а) Прямым присвоением независимой переменной А значения В, т.е. выполняется операция А=B.
Режим прямого присвоения переменной контроллером называется Feed-Forward.
б) Изменением независимой переменной А таким образом, чтобы, зависимая от А (через технологический процесс) переменная В=f(A) приняла значение С, которое может быть как постоянным числом, так и любой измеряемой переменной процесса. Иными словами с помощью контроллера решается следующее уравнение: B(A)–C=0.
Режим решения уравнения B(A)–C=0 контроллером называется Feed-Backward.
10. Задание
Давление после вентиля №5 (Рис. 4) должно быть прямо пропорционально давлению потока №1. Коэффициент пропорциональности равен 0.8.
10.1.1. Исходные данные:
– Параметры потока питания:
● Температура, °С 25.0;
● Давление, бар 15.0;
– Температура куба колонны, °С 120;
11. Упражнение
1. Загрузить задание TUTOR. Проверить проект на соответствие исходным данным предыдущего пункта. При необходимости внести изменения и рассчитать схему. Далее сохранить загруженный проект под новым именем TUTORctrl.
2. В поток перед вентилем вставить контроллер с ID=9. Выполнить настройку параметров контроллера так, чтобы выходное давление после вентиля №5 было линейной функцией давления потока №1.
3. Выполнить расчет. Проверить значение давления после вентиля №5 и сравнить его с давлением потока №1.
4. Изменить давление потока №1 с 15 до 12 бар. Убедиться в изменении давления после вентиля №5.
5. Снова изменить давление потока №1 на 15 бар. Выполнить расчет с последующим сохранением.
|
|
|
