Лабораторная работа № 3 Построение модели технологической установки в виде рециркуляционной последовательности

Цель работы:

1. Построение математической модели технологической установки с использованием элемента рецикла.

2. Изучение способов обеспечения сходимости итерационных расчетов рециркуляционной последовательности.

Важнейшим требованием к моделирующей системе является умение надежно и эффективно решать задачу расчета рециклов. В этом плане HYSYS имеет существенные преимущества над другими программами расчета технологических схем, которые были унаследованы от ее предшественницы - программы HYSIM. HYSYS позволяет рассчитывать операции против направления потоков и передавать информацию насквозь через несколько операций, что позволяет решать многие проблемы с рециклами безытерационно. Например, большая часть рециклов в теплообменной схеме может быть решена без применения последовательных приближений и, следовательно, без применения операции Рецикл. Однако материальные рециклы, когда поток или часть потока возвращается на вход системы или в промежуточную точку, требуют операции Рецикл.

Операция Рецикл представляет собой теоретический блок, который вставляется в технологический поток. Поток, входящий в рецикл, называется рассчитываемым рецикловым потоком (он рассчитывается в технологической схеме), а поток, выходящий из рецикла, называется задаваемым рецикловым потоком, его значение определяется операцией Рецикл. В процессе расчета Рецикла осуществляются следующие шаги:

1. HYSYS задает значение выходному потоку рецикла и проводит расчет технологической схемы до тех пор, пока не будет определен (пересчитан) входной поток рецикла.

2. HYSYS сравнивает параметры входного и выходного потоков рецикла.

3. Анализируя разницу между параметрами этих потоков, HYSYS присваивает новые значения выходному потоку.

4. Процесс повторяется до тех пор, пока значения параметров технологического потока во входном и в выходном потоках рецикла не совпадут с заданной точностью.

Чтобы установить операцию, нажмите соответствующую кнопку в кассе объектов и расположите Рецикл на схеме. Активизируйте

окно объекта. На этой закладке Соединения имеется три поля:

• Имя Задайте имя операции Рецикл.

• Вход Из падающего списка выберите входной поток Рецикла, который должен быть выходным потоком какой-либо модульной операции.

• Выход Из падающего списка выберите выходной поток Рецикла, который должен быть входным потоком какой-либо модульной операции.

На закладке Параметры имеется две страницы: Переменные и Расчетные.

HYSYS позволяет устанавливать критерии сходимости для любой из перечисленных переменных. Значения допусков, которые вводятся в таблице, используются программой HYSYS как множители на внутренние значения допусков. Ниже приведены значения допусков, принимаемых в HYSYS по умолчанию. Все величины представляют собой абсолютные значения допуска, кроме величины расхода, для которого задается относительная величина допуска.

Переменная	Внутренние допуски
Доля пара Температура Давление Расход Энтальпия Состав	0.01 0.01 0.01 0.001** 1.00 0.0001

** Обратите внимание, что допуск на расход задается в относительных, а не в абсолютных величинах

Например, внутренний допуск на температуру составляет 0.01, и принятый по умолчанию множитель равен 10, таким образом абсолютный допуск на температуру, который операция Рецикл использует в процессе сходимости составляет 0.01 * 10 = 0.1. Таким образом, если Вы работаете в системе СИ, температуры заданного и рассчитанного рецикловых потоков после схождения рецикла будут отличаться не более, чем на 0.1ºС.

Принятый по умолчанию множитель 10 рекомендуется для большинства расчетов. Величины меньше 10 требуют более точных вычислений, т.е. чем меньше множитель, тем уже допуск на сходимость. Разным параметрам могут быть заданы разные множители. Например, если в смеси присутствуют компоненты в очень низких концентрациях (на уровне промилей), следует изменить множитель, относящийся к составу, сделав его меньшим, чем другие множители.

Допуск на величину доли пара, умноженный на множитель, задаваемый в операции Рецикл, составляет 0.1. Может показаться, что эта величина является недопустимо большой. Однако, в большинстве задач в тех случаях, когда с достаточной точностью сошлись другие параметры потока, доли пара во входном и выходном потоке рецикла практически совпадают. Большое значение для допуска величины доли пара задается для тех случаев, когда итерируется состав близкокипящих смесей. В этом случае даже при минимальных изменениях в других параметрах доля пара может меняться значительно.

На закладке Параметры страницы Расчетные содержатся величины, описывающие метод сходимости Вегстайна. Операция Рецикл использует этот метод для вычисления параметров выходного потока на основе параметров входного потока. Метод прямой подстановки обычно не используется. На этой странице имеются следующие расчетные параметры:

Расчетные параметры	Описание
Максимальное число итераций	Число итераций, по выполнению которого программа остановит расчет, даже если сходимость не достигнута (по умолчанию 10). Нажав кнопку Продолжить, Вы сможете продолжить вычисления.

Счетчик Вегстайна	Количество простых итераций, которые выполняет система прежде чем осуществить шаг ускорения Вегстайна (по умолчанию 3)
Параметры потока	Вид расчета фазового равновесия, который используется в операции Рецикл
Q max/Q min	Демпфирующие множители на шаг ускорения (по умолчанию 0 и -20)
Задержка ускорения	Шаг ускорения будет задержан до заданного номера итерации
Тип	Имеются варианты Вложенный и Одновремен-ный (по умолчанию используется Вложенный).

Для того чтобы не рассчитывать операцию Рецикл в процессе вычислений, поставьте флажок в поле Отключить. HYSYS не будет рассчитывать операцию до тех пор, пока Вы не уберете флажок.

Ускорение сходимости

Можно применить один из двух методов ускорения сходимости:

1) метод Вегстайна не учитывает взаимодействие между итерируемыми переменными; 2) метод Доминантных собственных чисел учитывает взаимодействие между итерируемыми переменными. Этот метод является предпочтительным при работе с неидеальными системами и системами, в которых наблюдается сильное взаимодействие между компонентами.

Максимальное количество итераций

Когда HYSYS выполняет максимальное количество итераций, выдается предупреждающее сообщение о том, что операция Рецикл не сошлась за заданное количество итераций. Вы можете сами решить, продолжать или нет дальнейшие вычисления. Если Вы начинаете новый расчет, рекомендуется вначале использовать небольшое значение в качестве максимального числа итераций, например, 3. После того, как становится ясно, что вычисления идут нормально, эта величина может быть увеличена. Требуемое количество итераций зависит не только от сложности Вашей схемы, но также и от точности начальных приближений и от заданных допусков на сходимость.

Демпфирующие факторы - Qmax и Qmin

Метод сходимости Вегстайна использует результаты двух последних итераций для вычисления нового значения итерируемой переменной. Это значение вычисляется следующим образом:

,

где X – вычисляемое новое значение; Y – рассчитанное значение; n – номер итерации; Q – ускоряющий множитель. Значение ускоряющего множителя Q вычисляется на основе изменений, которые происходят между двумя последовательными итерациями.

Величины Qmax и Qmin представляют собой границы, внутри которых может изменяться ускоряющий множитель. Обратите внимание, что когда Q=0,

то метод сводится к прямой подстановке. Если Q<0, то используется ускорение, если же Q>0, применяется демпфирование.

Если Вы обнаружили, что рецикл не сходится и осциллирует, даже когда счетчик Вегстайна задан достаточно большим (что обеспечивает применение прямой подстановки), задайте несколько большее значение величине Qmax для того, чтобы демпфировать прямую подстановку.

Счетчик Вегстайна

Счетчик Вегстайна представляет собой количество итераций рецикла, проводимых до того, как используется шаг ускорения Вегстайна. По умолчанию принимается значение 3, после трех итераций заданные и рассчитанные значения параметров рециклового потока сравниваются и следующее приближение для выходного потока рассчитывается с помощью ускорения Вегстайна. Если шаг ускорения Вегстайна не применяется (во всех итерациях до шага ускорения), применяется метод прямой подстановки.

Обратите внимание, что величина, указанная в поле Задержка ускорения имеет преимущество над величиной, указанной в поле Счетчик Вегстайна. Это означает, что если в поле Задержка ускорения указана величина x, первые x итераций будут выполнены как прямая подстановка (без ускорения), даже если в поле Счетчик Вегстайна указана величина, меньшая x. На x+1 итерации будет выполнен шаг ускорения, и только после этого будет применяться величина, указанная в поле Счетчик Вегстайна.

Как правило метод Вегстайна хорошо работает для большинства задач. Однако в некоторых случаях он задает избыточное ускорение методу сходимости, что ведет к осцилляции процесса и, в некоторых случаях, отсутствию сходимости. Имеются примеры такого рода с рециклами, обладающими очень высокой чувствительностью, или схемами с большим количеством вложенных рециклов и с сильным взаимодействием между отдельными рециклами. В таких случаях может оказаться, что прямая подстановка окажется лучшим возможным методом. Для того, чтобы исключить использование ускорения Вегстайна, задайте счетчик Вегстайна равным очень большой величине (например, 100), которая наверняка не будет достигнута. В очень редких случаях, когда даже прямая подстановка приводит к расхождению решения, следует применять демпфирующий фактор. Соответствующие параметры описаны ниже.

Задержка ускорения

Параметр Задержка ускорения отменяет шаг ускорения до заданного номера итерации. Этот параметр применим только к первоначальным итерациям, после первого же шага ускорения он не действует и применяется Счетчик Вегстайна. По умолчанию Задержка ускорения принимается равным 2, но можно задать любое значение. Например, если задержка равна 5, а счетчик Вегстайна равен 3, то на первых пяти итерациях будут использоваться прямые подстановки, на шестой итерации будет сделан шаг ускорения, а затем он будет повторяться каждую третью итерацию.

Типы рециклов

Имеется два типа рециклов: Вложенный и Одновременный. Если указывается вариант Вложенный, то рециклы вызываются по одному всякий раз, когда соответствующие операторы готовы к вычислению. Если же указать вариант Одновременный, то все рециклы вычисляются одновременно. Если в Вашей схеме имеется только один оператор Рецикл или несколько рециклов, не связанных между собой, используйте вариант Вложенный (он применяется по умолчанию). Если же в Вашей схеме имеется несколько пересекающихся рециклов, используйте вариант Одновременный.

Следует упомянуть еще некоторые сведения об операции Рецикл:

– если операция Рецикл не сходится за заданное Вами число итераций, программа останавливается. Если вы решите, что, задав дополнительное число итераций, вы можете свести задачу, то нажмите кнопку Продолжить на странице числовых параметров. Программа заново инициализирует счетчик итераций и продолжит вычисления до тех пор, пока либо решение не будет найдено, либо заданное число итераций не будет снова превышено;

– если задача не сошлась за разумное число итераций, возможно в вашей схеме имеются какие-то ограничения, которые не дают возможность рециклу сойтись. Например, если расход рециклового потока растет, скорее всего в схеме накапливается какое-то вещество, которое поступает на вход, но не имеет возможность выйти. Это может случиться, например, при расчете газовой установки, когда Вы пытаетесь вывести жидкие продукты с низкой упругостью паров, а паровые продукты не должны содержать жидкости даже при низких температурах. При этом часто промежуточные компоненты, такие как пропан и бутан накапливаются в схеме, поскольку в соответствии с заданными спецификациями они не могут в достаточном количестве поступать ни в газовый, ни в жидкий продукты. Их содержание в циркулирующем потоке постоянно растет. Возможно также, что для одной или большего количества переменных процесса задана слишком высокая точность, которую не удается получить. Это легко увидеть, просмотрев журнал сходимости и сравнив расхождение между значениями переменных на последовательных итерациях с заданными допусками;

– логические операции, такие как Рецикл, Подбор и Регулятор отличаются от других операций тем, что они меняют спецификации потоков. В результате, если Вы удалите любую из этих операций, спецификация выходного потока останется. Таким образом, удалив операцию Рецикл, Вы не потеряете какой-либо информации в схеме. Поэтому можно удалять или делать неактивным рецикл в любой момент;

– задание допусков на сходимость является важным моментом в использовании операции Рецикл. Особенно это важно, когда совместно решается несколько рециклов. Если между рециклами не имеется взаимодействия или если они взаимодействуют и решаются одновременно, для всех рециклов можно применять одни и те же величины допусков. Однако, если рециклы вложенные, то для сходимости внешних рециклов допуски на сходимость внутренних рециклов должны быть заданы более жесткими. Если об этом не позаботиться, внешний рецикл может не сойтись.

Расчетный приоритет операции Рецикл (его можно увидеть в окне Основные свойства) составляет 3500, в то время как для большинства потоков и операций эта величина равна 500. Это означает, что среди других операций Рецикл вычисляется последним. Вы можете изменить относительную последовательность вызова операции Рецикл, изменив соответствующим образом их приоритеты.

HYSYS предоставляет пользователю простые и эффективные средства для решения задач, содержащих рециклы. Интерактивная природа этой программы позволяет постоянно следить за ходом расчетов и постоянно держать их под контролем. Можно установить один единственный оператор Рецикла, соответствующий одному рецикловому контуру, или можно объединить несколько операций Рецикл в один совместно решаемый блок в тех случаях, если они связаны между собой. Как и операция Подбор по нескольким переменным, операция Рецикл может решать все рецикловые потоки одновременно, если это требуется по смыслу задачи.

Задание рецикла осуществляется следующим образом.

1. Введите начальное приближение для рециклового потока (температура, давление, расход, состав). Вообще говоря, расход может быть задан равным 0, но очевидно, что разумные приближения, близкие к реальным данным, могут привести к более быстрой сходимости. Заметьте, что если рецикловый поток поступает в ректификационную колонну, необходимо задать разумные приближения для того, чтобы обеспечить сходимость колонны при первом расчете.

2. Вводите операторы технологической схемы один за другим до тех пор, пока не будет введен оператор, выходом которого является рецикловый поток (имейте в виду, что вычисляемый и задаваемый потоки рецикла должны иметь различные имена).

3. Установите операцию Рецикл.

Для обеспечения быстрой и эффективной сходимости операции Рецикл очень важно правильно выбрать разрываемый поток. Часто в качестве разрываемого потока применяют физические рециклы, имеющиеся в схеме. Однако разрыв можно ввести практически в любом месте. В сложных случаях нужно принимать во внимание целый ряд факторов. Приводим некоторые общие соображения:

Выбирайте место разрыва, чтобы минимизировать число рециклов

Правильно выбрав разрываемые потоки, в которые будут установлены рециклы, вы сумеете значительно снизить время достижения сходимости. Задача оптимального выбора разрываемых потоков определяется топологией схемы. Попытайтесь выбрать поток, задание которого определяет параметры как можно большего количества потоков. Такими свойствами обычно обладает технологический поток перед разветвлением на другие потоки и поток, образованный слиянием других потоков. Так хорошим "кандидатом" на точку рецикла может быть выходной поток смесителя и входные потоки ветвителя, сепаратора или колонны.

Выбирайте точку разрыва для минимизации числа итерируемых переменных

Итерируемыми переменными являются доля пара, температура, давление, расход, энтальпия и состав. Выбирайте такие рецикловые потоки, чтобы как можно больше переменных в них не менялось. Такими потоками могут быть вход в сепаратор, выход из компрессора после холодильника.

Выбранное место разрыва должно быть устойчивым

Место разрыва следует выбирать таким образом, чтобы изменения в рецикловом потоке сказывались на нем минимальным образом. Например, если разорвать главный поток, а не физический рецикл, влияние возмущений будет снижено. Важность этого фактора зависит от применяемого алгоритма сходимости. Это правило является более существенным, когда используется прямая подстановка. Выбор устойчивого разрываемого потока важен также в тех случаях, когда используется одновременное решение нескольких связанных рециклов.

Рассмотрим применение операции Рецикл при разработке математической модели участка технологической схемы Установки ЛЧ-З5-11/600 ЗАО «РНПК».

Принципиальная технологическая схема установки представлена на рис. 1. Сырье из промпарка поступает на прием сырьевых насосов Н-601, смешивается с водородсодержащим газом, поступающим с поршневых компрессоров ПК-4, 5, 6 установки Л-35-5 и направляется в теплообменники Т-601. Газосырьевая смесь с температурой 250°С поступает в трубчатую печь.

ВХК-605

сухой газ в топливную сеть

ХК-601

ДК-601

К-606

П-601

С-615

П-602

рефлюкс

с установки

Р-605

Р-601

Р-602

Р-603

Р-604а,б

Т-602а,б

Н-611

реформат

Т-601а-г

Н-602

К-605

К-604

К-601

Т-606

Т-605

Т-604

Н-612

Д-601

Х-601

Т-612

ВСГ

С-601

Х-602

Т-608

Т-607

гидрогенизат

Д-602

С-606

сырье

Т-614

водород в заводскую линию

Т-603а,б

С-614

Н-603

Н-610

сырье

катализат

Н-601-1

Н-601-2

К-608

К-609

ВХ-603

Н-605

ВХ-604

Рис. 1. Технологическая схема установки ЛЧ-35-11/600 ЗАО «Рязанская НПК»

П-601, где нагревается до температуры реакции 380–425 °С, и проходит через реакторы гидроочистки Р-601 и Р-605. В реакторах гидроочистки сернистые соединения гидрируются, превращаясь в сероводород. Из реактора Р-605 газопродуктовая смесь поступает в рибойлер Т-602 отпарной колонны К-601. В рибойлере Т-602 смесь охлаждается до температуры 280–320 °С, далее охлаждается в Т-601, воздушных холодильниках Х-601, водяных холодильниках Д-601 и с температурой 35 °С поступает в сепаратор С-601. В сепараторе С-601 происходит отделение газа от жидкости. Жидкая фаза из сепаратора С-601 проходит теплообменник Т-603, нагревается за счет теплоты отпарной колонны К-601 до температуры 200 °С и поступает в отпарную колонну.

В отпарной колонне К-601 осуществляется стабилизация гидрогенизата до остаточного содержания серы не более 0,00005 % (масс.). Отпаренные газы с верха колонны К-601 с температурой 150 °С проходят конденсатор-холодильник XК-601, водяной холодильник ДК-601 и поступают в сепаратор С-603.

Сухой газ и сероводород из сепаратора С-603 поступает на очистку в колонну К-606.

Жидкая фаза (легкий бензин из С-603) возвращается в К-601 в качестве орошения.

Гидрогенизат, освобожденный от сероводорода и влаги поступает в Т-603, где охлаждается до температуры не более 80 °С, и направляется в секцию риформинга на прием сырьевых насосов Н-603.

После смешения с циркулирующим водородсодержащим газом смесь гидрогенизата и газа проходит через теплообменники Т-604, 605, 606 и с температурой 400 °С поступает в первую секцию радиантно-конвекционной трубчатой печи П-602, где нагревается до температуры реакции, и направляется в первый реактор риформинга Р-602, затем последовательно в Р-603 и Р-604а,б, в промежутке между которыми подогревается до температуры реакции во второй и третьей секциях печи. Перед поступлением в реакторы Р-604а,б поток разделяется на два параллельных потока. Для поддержания активности катализатора в реакторы подается небольшое количество дихлорэтана, растворенного в риформате. Газопродуктовая смесь из реакторов Р-604а,б с температурой 475–525 °С направляется в теплообменники Т-606, далее в Т-612, 605, 604 затем охлаждается в холодильнике Х-602 и с температурой 35 °С входит в сепаратор С-606.

Циркуляционный газ, отделившись от жидкости и пройдя приемный сепаратор С-614, и либо через осушители К-608, 609, либо напрямую поступает через каплеуловители (на схеме не обозначены) на прием турбокомпрессоров ТК-601, 602. Сжатый компрессором водородсодержащий газ поступает на тройник смешения с гидрогенизатом, а избыток выводится в заводскую линию и на установку Л-35-5, на прием компрессоров ПК 4, 5, 6.

Жидкая фаза сепаратора С-606 (нестабильный катализат) через теплообменники Т-608, 607 поступает на сепарацию второй ступени в дебутанизатор К-605, где происходит выделение углеводородного газа. Выделившийся углеводородный газ после охлаждения на ВКХ-605 и сепарации в С-615 поступает во фракционирующий абсорбер К-604. Колонна К-604 служит для получения сухого газа с лимитированным содержанием пропана. Абсорбер К-604 состоит из двух частей в верхней части абсорбентом является стабильный риформат, в нижней части фракция пентана, которая берется из сепаратора С-616 и подается на орошение колонны насосом Н-612. Несконденси-ровавшиеся газы из С-616 и С-603 поступают на стабилизацию и очистку от сероводорода в колонну К-606. С верха колонны К-606 выводится сухой газ, поступающий в топливную сеть.

Несконденсировавшиеся газы из С-615 поступают в колонну К-604, а жидкая фаза направляется насосом Н-611 в виде орошения обратно в колонну К-605. Избыток жирного газа (рефлюкс) выводится с установки.

Стабильный риформат выводится с низа колонны К-605 и, пройдя через рибойлеры Т-612, 614, теплообменники Т-607, 608 и воздушные холодильники ВХ-603, 604, выводится с установки. Часть риформата в качестве абсорбента с помощью насоса Н-610 подается в верхнюю часть К-604.