Создадим следующие Операции Рецикл

– RCY-1 – питание 9, продукт Recy1;

– RCY-2 – питание 14, продукт Recy2;

–  RCY-1 – питание 18, продукт Recy3.

6.2. На втором этапе для того, чтобы оптимально выбрать рецикловые потоки (места разрывов) и снизить время достижения сходимости (в некоторых случаях обеспечить возможность сходимости), необходимо проанализировать топологию схемы и заданные условия.

Анализируя подсхемы каждого рецикла созданной схемы, можно увидеть, что потоки 7 и 12 входят более, чем в один рецикл. Поэтому целесообразно в качестве разрываемых потоков использовать не физические рециклы (9, 14, 18), а именно эти потоки 7 и 12. Это не только снижает число разрываемых потоков с 3 до 2, но и сами разрываемые потоки оказываются более устойчивыми.

Из этих соображений переделаете схему:

1. Поставьте схему в режим ожидания (кнопка красный светофор).

2. Удалите операции RCY-1, RCY-2, RCY-3.

3. Удалите потоки Recy1, Recy2, Recy3.

4. Подайте поток 9 в качестве питания в смеситель СМ-100.

5. Подайте поток 14 в качестве питания в смеситель СМ-101. Отсоедините поток 7 от смесителя СМ-101 и задайте в качестве выхода этого смесителя новый поток 7а.

6. Подайте поток 18 в качестве питания в смеситель СМ-102. Отсоедините поток 12 от смесителя СМ-101 и задайте в качестве выхода этого смесителя новый поток 12а.

7. Добавьте операцию RCY-1, входом является поток 7а и выходом 7.

8. Добавьте операцию RCY-2, входом является поток 12а и выходом 12.

Для того, чтобы начать вычисления, требуется задать начальные приближения обоим рецикловым потокам (7 и 12). Простым и надежным методом задания начальных приближений в данном случае будет задать эти потоки такими же, как поток 1. Это можно сделать с помощью кнопки. Скопировать поток из в специализированном окне потока. Эти приближения работают достаточно хорошо, и схема сходится за 8 итераций.

Лабораторная работа № 4 Лабораторная работа № 5 Рабочие среды hysys. Среда подсхема колонны.

Цель работы:

1. Знакомство с рабочими средами программы HYSYS.

2. Знакомство с возможностями создания стационарных моделей ректификационных колонн средствами HYSYS.

3. Построение математической модели ректификационной колонны на примере схемы очистки кислых стоков. Обеспечение сходимости расчетов.

4. Проведение расчетных исследований при помощи книги данных.

Концепция рабочей среды (или просто среды) является одним из основных фундаментальных понятий программы HYSYS. Наличие рабочих сред позволяет пользователю в каждый момент времени сосредоточиться на определенном участка («среде») проводимого расчета, зафиксировав состояние остальных элементов схемы. Это зафиксированное состояние останется неизменным до тех пор, пока Вы не закончите работать с выбранным участком.

Каждая среда допускает несколько вариантов оформления рабочего экрана («рабочего стола»). Любой из этих экранов включает линейку меню, линейку кнопок и окно или окна, специально предназначенные для взаимодействия с данной конкретной средой.

Рабочие среды делятся на:

– базисные (среда базиса расчета, среда характеризации нефтей);

– расчетные (среда главной схемы/среда подсхемы, среда подсхемы колоны).

Среда базиса расчета автоматически формируется HYSYS, всякий раз когда начинается новая задача. Здесь должны быть выбраны пакеты свойств (компоненты и термодинамические пакеты), которые затем будут использованы в расчетах технологической схемы. Каждый пакет свойств содержит, по крайней мере, один термодинамический пакет и набор библиотечных и дополнительных («гипотетических») компонент. Дополнительно термодинамический пакет может содержать также химические реакции и параметры бинарного взаимодействия между компонентами.

Экран среды базиса расчета специально построен для работы с пакетами свойств. В правом верхнем углу экрана имеется надпись «Среда: Базис». Линейка кнопок этого экрана показана на рисунке.

Среда характеризации нефтей позволяет задавать характеристики нефтей и нефтяных фракций, создавая для них наборы данных (Assay) и смеси (Blend). Процедура характеризации нефтей представляет нефти и фракции в виде наборов псевдокомпонентов, которые могут быть рассчитаны пакетом свойств. От других среда характеризации нефтей отличается тем, что вход в нее возможен только из среды базиса расчета (кнопка ).

Экран среды характеризации нефтей по сути похож на экран среды базиса.

Здесь кнопка предназначена для работы с нефтяными смесями. Возврат в среду базиса расчета осуществляется при помощи кнопки

При проектировании программы HYSYS большое внимание уделялось ее многосхемной многоуровневой архитектуре, тесно связанной с механизмом Расчетных сред. Главная схема называется «родительской» по отношению к содержащимся в ней подсхемам. Если подсхема сама содержит другую подсхему, то по отношению к последней и она является родительской.

Среда главной схемы/среда подсхемы для расчетной задачи включает выполнение основных действий по введению информации о технологическом объекте (задание потоков, операций, колонн и подсхемы).

Главная схема служит базовым объектом для построения всей задачи. В главной схеме можно организовать сколько угодно подсхем.

Экран среды главной схемы имеет линейку меню и линейку кнопок с максимально широкими возможностями, позволяющими организовывать и запускать расчеты.

Здесь имеются два рабочих экрана: Рабочая тетрадь, которая активизируется при нажатии кнопки и Графический экран (PFD), активизируемый кнопкой .

Среда подсхемы похожа на среду главной схемы, здесь можно задавать потоки, операции и другие подсхемы. Принципиальное отличие состоит в том, что пока пользователь находится в среде подсхемы, расчеты в главной схеме и в других подсхемах не проводятся (речь идет только о стационарном режиме, в динамическом режиме проводится).

В среде подсхемы имеется дополнительная кнопка для возврата в Родительскую схему .

Среда подсхемы колонны как и среда подсхемы, рассмотренная выше, может задавать потоки и операции, но только те операции, которые разрешены в этой среде, а именно: тарельчатые секции, конденсаторы, ребойлеры, боковые отпарные секции, теплообменники, насосы. Программа HYSYS содержит заранее подготовленные шаблоны подсхем колонн, которые позволяют быстро задать колонну нужной конфигурации и, если необходимо, модернизировать эту конфигурацию.

Линейка меню, линейка кнопок и рабочие экраны среды подсхемы колонны спроектированы специально с целью работы в среде колонны.

Имеется дополнительный экран этой среды - Пульт колонны , несколько специальных пунктов линейки меню и дополнительных кнопок. Тем не менее, в целом экран среды подсхемы колонны выглядит аналогично экранам других сред.

Диаграмма, приведенная на следующем рисунке показывает соотношения между различными расчетными средами. Стрелки указывают направления, в которых может перемещаться пользователь в процессе построения расчетной модели в программе HYSYS.

Ниже приведена типичная последовательность построения расчета:

1. Создать новую расчетную задачу, после чего пользователь оказывается в базисной среде (среда базиса расчета).

2. Внутри этой среды необходимо:

– выбрать термодинамические пакеты;

– выбрать компоненты из библиотеки компонент HYSYS;

– создать и определить гипотетические компоненты;

– определить реакции.

Если в системе имеются нефтяные смеси, которые нужно охарактеризовать, перейдите к п. 3, иначе - к п. 5.

3. Войти в среду характеризации нефтей (кнопка ), где имеется возможность:

– задать произвольное количество наборов данных и смесей;

– рассчитать псевдокомпоненты, представляющие нефтяные смеси.

4. Вернуться в среду базиса расчета (кнопка ).

5. Войти в главную расчетную среду (среда главной схемы), где имеется возможность:

– задать потоки и операции, которые находятся в главной подсхеме.

– задать операции колонн, схемные шаблоны и подсхемы.

6. Если необходимы дополнительные возможности, которые предоставляют среды подсхем, или в них нужны схемные изменения, войдите в эти подсхемы.

Подсхема как модульная операция

Понятие расчетной среды, описанное в предыдущем разделе, вместе с возможностями подсхем, образуют краеугольный камень, на котором основана архитектура программы HYSYS.

Если рассчитывается очень большое производство, состоящее из многих установок, нет необходимости задавать все потоки и операции в одной схеме, поскольку она получиться громоздкой и малообозримой, следует рассчитать отдельные установки каждую в своей подсхеме.

Всякая схема в HYSYS (главная схема или подсхема), содержит следующие компоненты: пакет свойств, схемные объекты, графическое изображение схемы (PFD), рабочая тетрадь, рабочий экран.

Многосхемная архитектура программы HYSYS обеспечивает целый ряд технических и функциональных преимуществ:

1. Возможность иметь в каждой подсхеме свой собственный пакет свойств, ориентированный на проведение специализированных расчетов.

2. Учет необходимости перерасчета свойств сред при переходе границ подсхем с разными пакетами свойств.

3. Структуризация расчетной задачи путем разбивки ее на отдельные подзадачи с возможностью детальной проработки заданных элементов.

4. Возможность оформления в виде шаблона (сохранения на диске) любой логически завершенной подсхемы (например, схемы холодильного цикла). Этот шаблон затем можно вставить в любую расчетную задачу как всякую модульную операцию, указав связи его входных и выходных потоков.

5. Возможность организации вложенных подсхем (нельзя только внутри подсхемы колонна)

Таким образом, многосхемная архитектура представляется идеальным решением, если:

1) в расчете требуется использовать разные пакеты свойств;

2) схема очень велика и требует декомпозиции.

С точки зрения главной схемы все подсхемы, которые в ней содержатся, аналогичны модульным операциям, которые связаны с главной схемой потоками питания и продуктовыми потоками. Если важным для мониторинга расчета являются только потоки, входящие в подсхему и выходящие из нее, можно постоянно оставаться в главной схеме. Если же необходимо внести изменения в подсхему или детально ознакомится с операциями, которые она объединяет, требуется войти внутрь подсхемы, или, говоря по-другому, войти в среду подсхемы.

Сказанное выше относится как к «просто» подсхеме, так и к операции колонна (среда подсхемы колонны).

Рассмотрим подробнее данную среду на примере задачи расчета очистки (отпарки) кислых стоков.

Приведенная здесь схема очистки кислых стоков является типичной в нефтепереработке. Очистке подвергаются смешанные стоки, приходящие с установок водной очистки, риформингов, гидрокрекингов и установок АВТ.

Кислые стоки (поток 1) поступают в теплообменник Е-100, в котором подогреваются потоком 4. Подогретый поток 2 поступает на 3-ю тарелку 8-тарельчатой ректификационной колонны, оснащенной кипятильником и конденсатором с полным рефлюксом. В кубе колонны (поток 4) получают продукт, в котором массовая доля NH3 составляет 1е-5. Этот поток поступает в теплообменник Т-1, где подогревает питание колонны. В качестве источника тепла обычно применяется водяной пар низких параметров.

Целью процесса является максимально возможное удаление сероводорода и аммиака, которые уходят с верха отпарной колонны. Весьма важно правильно спроектировать такую колонну, поскольку она должна справляться с переработкой всех кислых стоков нефтеперерабатывающего завода, поступающих из различных источников. Часто производительность этих колонн оказывается недостаточной для работы в нестационарных (например, при пуске или остановке производства) или аварийных условиях, и кислые стоки приходится накапливать в резервных емкостях.

Из расчетной среды главной схемы операция колонна представляется точно так же, как всякая другая операция, имеющая в данном случае один входной и два выходных потока. В то же время колонна является и подсхемой со своими потоками и операциями. Чтобы увидеть это, нужно войти в расчетную среду подсхемы колонны. Внутри подсхемы колонны тарельчатая секция, ребойлер и конденсатор представляются как отдельные операции, связанные своими потоками.

С точки зрения главной схемы интерес представляют только те потоки подсхемы, которые непосредственно связаны с главной схемой, т.е. входной (поток 2) и выходные потоки колонны (потоки 3 и 4), и ее энергетические потоки - охлаждающая вода и греющий пар. Эти потоки называют граничными, поскольку они пересекают границу схема - подсхема и осуществляют обмен информацией между схемой и подсхемой.

Имейте в виду, что для выполнения схемных изменений, относящихся к подсхеме, пользователь обязательно должен войти в расчетную среду этой подсхемы.

Многосхемную архитектуру программы HYSYS можно сравнить с иерархической структурой каталогов файлов на жестком диске. Главная схема и подсхемы аналогичны корневому каталогу и подкаталогам, а потоки и операции, находящиеся в данной схеме/подсхеме, аналогичны файлам, принадлежащим соответствующим каталогам. Наконец, технологическая информация, которая содержится в потоках и операциях, сопоставима с содержанием файлов.

Программа HYSYS имеет специальный инструмент, называемый Навигатор (вызов при помощи кнопки ), который позволяет легко перемещаться по схемам/подсхемам задачи, причем здесь активно используется аналогия со структурой каталогов.

Для того чтобы установить операцию подсхема можно воспользоваться кассой объектов (кнопка ).

Далее имеются следующие два варианта действий:

– вызвать имеющийся шаблон;

– начать новую подсхему.

Подсхема колонны

Операция Колонна представляет собой подсхему, содержащую оборудование и потоки , которая через потоки обменивается информацией с главной схемой. Из главной схемы колонна представляется единым аппаратом с питаниями и продуктами. Вы можете работать также и внутри подсхемы колонны, например, если хотите сфокусировать внимание только на колонне. Когда Вы входите в подсхему колонны, главная схема «сворачивается»: все расчеты в основной схеме приостанавливаются до тех пор, пока Вы снова не выйдете из подсхемы колонны. Когда Вы вернетесь в основную схему, экран будет выглядеть так же, как и перед тем, как Вы ушли в подсхему колонны.

Работать внутри подсхемы колонны, требуется при создании колонны особой конфигурации. Некоторое дополнительное оборудование (циркуляционные орошения, боковые отпарные и укрепляющие секции) можно добавить, находясь в специализированном окне колонны в основной схеме. Однако, если Вы хотите инсталлировать несколько колонн в одну подсхему (далее это будет показано в примере), необходимо войти в подсхему колонны. Как только Вы окажитесь в среде колонны, Вы получите доступ к ее отдельным элементам (тарельчатые секции, нагреватели/холодильники, конденсаторы, ребойлеры и т. д.) и сможете собирать колонну из элементов как любую другую схему. Если Вы хотите создать шаблон колонны для использования в других расчетах, в меню команды Файл в линейке команд выберите Новый, а затем Колонна. Поскольку Вы заранее объявили, что будет создан шаблон колонны, то из среды Базиса Вы попадаете в среду Колонны. Когда шаблон будет создан, сохраните его на диске. Перед тем как инсталлировать шаблон в другой расчет, убедитесь, что в Настройках отключен Инспектор ввода.

Специализированное окно колонны

Специализированное окно колонны (представлено на рис. ниже) обеспечивает доступ ко всей информации о колонне. Вы можете войти в подсхему колонны, чтобы добавить какое-либо оборудование.

Когда Вы инсталлируете колонну, HYSYS создает подсхему, содержащую все операции и потоки того шаблона, который Вы выбрали. По отношению к главной схеме эта подсхема действует как обычная модульная операция.

При работе в главной схеме колонна представляется как любая другая операция, имеющая специализированное окно с такими параметрами как число тарелок, давление наверху и внизу. Если изменить один из этих параметров, подсхема будет пересчитана (как если бы Вы нажали кнопку Пуск); главная схема также будет пересчитана, когда расчет колонны завершится.

Однако, если Вы работаете в среде подсхемы колонны, Вы работаете в совершенно другой среде. Чтобы сделать серьезные изменения в колонне, например, добавить ребойлер, необходимо войти в среду подсхемы колонны. Когда Вы входите в подсхему колонны, главная схема встает в режим ожидания до тех пор, пока Вы не вернетесь в нее.

Теория

Ректификационные колонны, такие как колонны атмосферной и вакуумной перегонки, деметанизатор с ребойлером, экстракторы, представляют собой наиболее сложные модульные операции, выполняемые HYSYS. В зависимости от моделируемой системы каждая такая колонна состоит из ряда термодинамических равновесных или неравновесных ступеней разделения – тарелок (Stage). Пар с каждой j-ой тарелки направляется на вышележащую тарелку, а жидкость стекает на тарелку, расположенную ниже. На каждую тарелку может поступать один или несколько сырьевых потоков , с каждой тарелки могут отбираться жидкие или паровые продукты, каждая тарелка может нагреваться или охлаждаться боковым теплообменником . На рисунке показана типовая j-ая тарелка колонны (тарелки нумеруются сверху вниз)

Сложные колонны могут иметь циркуляционные орошения, которые забирают жидкость с одной тарелки колонны и возвращают ее, как правило, на расположенную выше тарелку . Некоторые колонны могут иметь вспомогательные отпарные секции (так называемые боковые стриппинги), используемые для очистки боковых жидких продуктов.

Важно отметить, что с помощью операции Колонна можно моделировать процессы фракционирования из самых различных сфер применения. Можно моделировать криогенные колонны, системы абсорбции ТЭГ высокого давления, отпарные колонны кислых вод, абсорберы тощего масла, сложные атмосферные колонны, в высшей степени нелинейные азеотропные фракционирующие колонны и т.д. Не существует фиксированных ограничений для количества компонентов и тарелок: максимальный возможный размер рассчитываемой колонны будет зависеть от конфигурации Вашего компьютера и от объема имеющейся памяти.

Правила смешения на тарелке питания

Для вычисления внутренних потоков на тарелке питания используется следующий алгоритм:

1. Покомпонентные расходы и паровой и жидкой части питания добавляются к покомпонентным расходам внутренних потоков пара и жидкости, поступающих на эту тарелку, т.е. смешиваются с содержимым тарелки.

2. Общая энтальпия питания добавляется к суммарной энтальпии внутренних парового и жидкого потоков, поступающих на тарелку.

3. Производится расчет фазового равновесия образовавшейся смеси при давлении, равном давлению на тарелке, и при суммарной энтальпии смеси. В результате этого определяются паровой и жидкий потоки, уходящие с тарелки.

Однако, в большинстве реальных ситуаций паровая фаза питания не контактирует с жидкостью на тарелке питания. Для того, чтобы жидкая часть питания попадала на одну тарелку, а паровая - на другую, лежащую выше, суммарный поток питания можно сначала разделить в сепараторе на два однофазных потока, и ввести их на разные тарелки колонны. Это можно сделать «вручную», установив соответствующий сепаратор, а можно поручить программе, отметив флажок Разделять питания на странице Соединения закладки Данные или на странице Настройка закладки Схема/Подсхема специализированного окна колонны

При расчете неидеальных систем, содержащих более трех компонентов, могут возникать ограничения, которые не удается преодолеть с помощью обычных ректификационных колонн. Иногда бывает сложно свести расчет для неидеальной системы, поскольку нужны очень точные начальные приближения. Чтобы задать такие начальные приближения для ректификационной колонны, имеется трехфазный эксперт ввода, который позволяет инициализировать начальные профили температур, расходов и составов.

Кроме того, имеется специальная программа DISTIL, предназначенная для расчета неидеальных многокомпонентных систем, с помощью которой можно определить возможные пути процесса разделения. Эта программа концептуального проектирования позволяет также определить оптимальное положение тарелки питания и позволяет непосредственно экспортировать параметры колонны в программу HYSYS, где они используются как начальные приближения.

Начальные оценки параметров помогают системе обеспечить сходимость расчета. Чем лучше Ваши оценки, тем быстрее HYSYS получит решение. Необходимо помнить, что если Вы заменяете исходные спецификации, принятые по умолчанию (расход пара и жидкости с верха колонны или флегмовое число), замененные значения останутся начальными оценками. Поэтому рекомендуется с самого начала задавать разумные значения, даже если Вы собираетесь потом их заменять.

Начальные оценки можно задать с помощью окна Пульт колонны либо на странице Монитор закладки Данные в списке спецификаций, либо на странице Оценки закладки Параметры. Хотя HYSYS не требует обязательного задания оценок, разумные оценки помогают свести расчет колонны.

Температуры

Оценки температур можно задать для любой тарелки колонны, включая конденсатор и ребойлер. Это делается на странице Оценки закладки Параметры в окне Пульт колонны. Незаданные температуры вычисляются с помощью линейной интерполяции. Если перепад температур на конденсаторе или ребойлере значителен, полезно задать оценки температур на верхней и нижней тарелках секции.

Заметим, что если верхний продукт является переохлажденной жидкостью, в качестве оценки температуры в конденсаторе лучше задать не температуру переохлажденной жидкости, а оценку температуры кипения.

Основные параметры колонны

Независимо от типа колонны ее основные параметры сохраняют заданные значения. К основным параметрам относятся: