- •Математическое моделирование и оптимизация химико-технологических процессов с применением моделирующей программы chemcad содержание
- •1. Постановка задачи оптимизации 90
- •1. Введение 133
- •1. Режимы работы ChemCad 155
- •9. Интерактивный просмотр результатов 174
- •Введение
- •Исторический обзор умп
- •Эффективность использования умп
- •Терминология и обозначения
- •Главное и контекстное меню
- •Команды меню, диалоговые окна и их элементы
- •Каталоги и имена файлов
- •Вводимая информация
- •Манипулятор «мышь»
- •Общие сведения о программе СhemCad
- •Замечания к установке программы
- •Использование главного меню
- •Использование панели инструментов
- •Использование панели «Основная графическая палитра» (Main Palette)
- •Кнопки без математических модулей
- •Основные математические модули
- •Модули для математического описания процесса дистилляции (ректификации)
- •Модули для математического описания процессов с твердой фазой вещества
- •Модули для математического описания процесса химической реакции
- •Модули для математического описания динамических процессов
- •Разные модули
- •Использование панелей «Дополнительная графическая палитра» (SubPalette)
- •Статусная строка
- •Контекстное меню
- •Операции контекстного меню в графическом режиме
- •Операции контекстного меню в режиме моделирования, тип выделенного объекта – поток
- •Операции контекстного меню в режиме моделирования, тип выделенного объекта – аппарат
- •Помощь (Справочная подсистема)
- •Вызов и меню управления анализами чувствительности
- •Выполнение оптимизации технологической схемы
- •Режимы работы ChemCad
- •Задачи исследования, оптимизации и проектирования хтс
- •Система единиц измерения
- •Постановка задачи многовариантного расчета
- •Исходные данные:
- •Вызов задачи многовариантного расчета (анализ чувствительности)
- •Вопросы для самопроверки
- •Постановка задачи оптимизации
- •Вызов задачи оптимизации
- •Вопросы для самопроверки Основные приемы и этапы построения технологических схем
- •Этапы моделирования новой технологической схемы
- •Создание нового файла технологической схемы
- •Упражнение. Создание нового файла технологической схемы
- •Выбор инженерных единиц измерения (технических размерностей)
- •Упражнение. Выбор единиц измерения
- •Построение технологической схемы
- •Размещение изображений аппаратов
- •Редактирование изображений аппаратов
- •Изображение потоков на технологической схеме
- •Редактирование потоков на технологической схеме
- •Редактирование id (идентификационных номеров) аппаратов и потоков
- •Сохранение технологической схемы
- •Упражнение. Построение технологической схемы
- •Выбор индивидуальных компонентов (веществ)
- •Идентификационные номера веществ
- •Стандартный банк данных веществ СhemCad
- •Ввод нового вещества в банк данных
- •Задание списка химических компонентов
- •Упражнение. Выбор компонентов системы
- •Выбор теплофизических свойств смеси
- •Выбор термодинамических моделей
- •Автоматический выбор модели коэффициентов равновесия
- •Выбор модели коэффициентов равновесия
- •Выбор модели энтальпии
- •Выбор транспортных свойств
- •Упражнение. Выбор методов расчета коэффициентов фазового равновесия и энтальпии
- •Задание параметров потоков питания и разрываемых потоков
- •Упражнение. Задание параметров потока питания
- •Выбор параметров сходимости для расчета схем с рециклами
- •Упражнение. Выбор параметров сходимости
- •Упражнение. Ввод параметров оборудования
- •Математическое моделирование аппаратов
- •Ввод параметров оборудования
- •Теплообменник
- •Модули ректификации
- •Модуль ректификации towr
- •Модули химической реакции
- •Модуль Stoichiometric reactor (srea)
- •Модуль Equilibrium reactor (erea)
- •Модуль Kinetic Reactor (krea)
- •Модуль реактора периодического действия breact
- •Пиктограмма аппарата и его изображение
- •Меню реактора периодического действия
- •Модуль «Cont» (Контроллер)
- •Вкладка «General Settings» (общие параметры)
- •Режим работы контроллера Feed-Forward
- •Режим работы контроллера Feed-Backward
- •Вкладка «Optional parameters» (дополнительные параметры)
- •Остальные? (сепаратор, клапан и т.Д.)
- •Математическое моделирование технологических процессов
- •Запуск программы моделирования
- •Упражнение
- •Интерактивный просмотр результатов
- •Упражнение п.2.21. Сп , дополнить заданием 4 п. 2.23 сп)
- •Составление отчетов
- •Упражнение п.2..23сп задания 1,2,3 дополнить построением основной pfd
- •Исследование параметрической чувствительности
- •Упражнение (п.2.19 сп, задание 3)
- •Применение контроллеров
- •Задание
- •Исходные данные:
- •Упражнение
- •Задание
- •Исходные данные:
- •Упражнение
- •Оптимизация технологических процессов
- •Постановка задачи моделирующего расчета
- •Описание технологической схемы
- •Исходные данные
- •Задание
- •Оптимизация топологии
- •Дополнения и изменения в исходных данных
- •Задание
- •Оптимизация стационарного режима
- •Задание
- •Оптимизация поиска переменных с неявной зависимостью
- •Задание
- •Вопросы для самопроверки Расчет размеров оборудования
- •Тарелочные колонны
- •3.2. Упражнение
- •Насадочные колонны
- •3.5. Упражнение
- •Расчет размеров теплообменников
- •Расчет теплообменника в составе колонны
- •Расчет теплообменников с одним потоком на схеме
- •Расчет размеров кожухотрубчатых теплообменников
- •Heat Curve Generation (Генерация тепловой кривой)
- •Edit Heat Curve (Редактирование тепловой кривой)
- •General Specifications (Общие спецификации)
- •Закладка “General Information” (Общая информация)
- •Дополнительный ввод данных в режиме проектирования
- •Закладка “Modeling Methods” (Методы моделирования)
- •Exchanger Geometry (Геометрия теплообменника)
- •Tube (Труба)
- •Shell (Кожух)
- •Baffles (Перегородки)
- •Nozzles (Патрубки)
- •Clearance (Зазоры)
- •Material (Материалы)
- •Miscellaneous (Разное)
- •Calculate (Расчет)
- •View Results (Просмотр результатов)
- •Summary Results (Общие результаты)
- •Plot (Графики)
- •Report Generation (Генерация отчета)
- •Save Configuration (Сохранить конфигурацию)
- •Упражнение
- •3.9. Упражнение
- •Задания для самостоятельной работы
- •Лабораторная работа 1 Моделирование пропан-пропиленовой ректификационной колонны
- •Введение
- •Цели работы
- •Задание
- •Исходные данные
- •Задание
- •Типы конденсатора (дефлегматора) в ректификационной колонне
- •Задание
- •Использование контроллера
- •Задание (дополнительное)
- •Лабораторная работа 2 Моделирование кинетики химических реакций
- •Введение
- •Цели работы
- •Описание технологической схемы
- •Исходные данные
- •Задание
- •Экспериментальные данные для моделирования кинетики химических реакций распечатка файла “t70.Txt”
- •Библиографический список
- •Определение переменных в технологической схеме ChemCad
- •Выбор элемента технологической схемы
- •Задание переменной
- •Примеры задания переменных
- •Анализ параметрической чувствительности
- •Применимость исследования чувствительности
- •Вызов и меню управления анализами чувствительности
- •Команда New Analysis (Новый анализ)
- •Команда Load Analysis (Загрузка анализа)
- •Команда Copy (Копировать)
- •Команда Delete (Удалить)
- •Команда Rename (Переименовать)
- •Главное окно -Sensitivity Analysis- и ввод исходных данных
- •Команда Edit Independent Variable (Редактировать независимую переменную)
- •Команда Edit Independent Parameter(Optional) (Редактировать независимый параметр)
- •Команда Edit Recorded Variables (Редактировать зависимые переменные)
- •Команда Run All (Запуск моделирования всей схемы)
- •Команда Run Selected Units (Запуск моделирования отдельных блоков)
- •Команда Plot Results (Графический вывод результатов)
- •Работа с графиками
- •Команда Report Results (Текстовый отчет по результатам)
- •Реализация оптимизации в ChemCad
- •Вызов меню оптимизации
- •Пункт меню Задание целевой функции (Define Objective Function)
- •Задание независимых переменных
- •Задание ограничений
- •Настройки
- •Выполнение оптимизации
- •Специфика реализации оптимизации
- •Вывод имен переменных при генерации отчета
- •Удаление независимых переменных или ограничений
- •Результаты оптимизации технологической схемы. Пример сгенерированного отчета
- •Важное замечание
- •Оформление результатов расчета в программе chemcad в виде диаграммы технологического процесса (pfd)
- •Режимы работы ChemCad
- •Структура диаграммы технологического процесса (pfd)
- •Виды диаграмм технологического процесса
- •Построение диаграммы технологического процесса (pfd)
- •Вход в режим редактирования диаграммы тп (Edit pfd)
- •Добавление блока данных потоков (Add Stream Box)
- •Select Streams (Выбор потоков)
- •DataBox Property Options(Выбор информации о потоке)
- •Data Box Settings(Выбор настроек для блока данных)
- •Добавление блока данных единиц оборудования (Add UnitOp Box)
- •Добавление динамических ярлыков потоков (Add tp Box)
- •Последовательность построения основной диаграммы технологического процесса (Main pfd)
- •Последовательность построения вторичной диаграммы технологического процесса (Secondary pfd)
- •Ввод нового вещества в банк данных
- •Вызов команды «New Component»
- •Задание атомарных групп по методике Joback
- •Пример задания атомарных групп по методике Joback
- •Сохранение результатов в базу данных
- •Просмотр и корректировка результатов
- •Построение модели кинетики хим.Реакции с использованием данных эксперимента
- •Выбор параметров (Select Parameters)
- •Страница 1 выбора параметов (Page 1)
- •Страница 2 выбора параметов (Page 2)
- •Ввод профиля (Import Profile)
- •Просмотр/редактирование данных (Input/Edit rate profile)
- •Проверка начальных оценок (Check initial estimations)
- •Выполнение регрессии (Perform regression)
- •Вывод результатов (Plot results)
- •Интерактивный просмотр результатов
- •Интерактивный просмотр результатов
- •Просмотр результатов с помощью меню Results (Результаты)
- •Команда Results/Stream Compositions (Результаты/Составы потоков)
- •Команда Results/Stream Properties (Результаты/Свойства потоков)
- •Другие команды меню Results (Результаты)
- •Просмотр результатов с помощью меню Plot
- •Редактирование графической информации
- •Генерация отчета в табличной форме
- •Окно Report Menu
- •Команда Calculate and Give Results
- •Команда Report Formats
- •Команда Select Streams
- •Команда Select Unit Operations
- •Команда Stream Properties
- •Команда Stream Flowrate/Compositions
- •Команда Distillation Summaries
- •Команда Heating Curves
- •Команда Batch/Dynamic Results
- •Команда Miscellaneous
- •Команда End Report
- •Приложения
- •Единицы измерения длины/толщины/диаметра (Length/Thickness/Diameter)
- •Единицы измерения массы/количества вещества (Mass/Mole)
- •Единицы измерения времени (Time)
- •Единицы измерения давления (Pressure)
- •Единицы измерения температуры (Temperature)
- •Единицы измерения энергии/работы (Enthalpy/Work)
- •Единицы измерения объема жидкости/пара (Liquid Volume/Vapor Volume)
- •Единицы измерения плотности жидкости (Liquid Density)
- •Единицы измерения удельной энтальпии (Specific Heat/SpecificEnthalpy)
- •Единицы измерения удельной теплоемкости (Heat Capacity)
- •Единицы измерения скорости (Velocity)
- •Единицы измерения объемного расхода жидкости/пара/нефти (Liquid Vol. Rate/Vapor Vol. Rate/Crude Flow Rate)
- •Единицы измерения коэффициента теплоотдачи (Heat Transfer Coefficient)
- •Единицы измерения теплопроводности (Thermal Conductivity)
- •Единицы измерения вязкости (Viscosity)
- •Единицы измерения поверхностного натяжения (Surface Tension)
- •Единицы измерения растворимости (Solubility Par)
- •Единицы измерения дипольного момента (Dipole Moment)
- •Единицы измерения сопротивления (Cake Resistance)
- •Специальные методы
- •Приложение 3. Методы расчета энтальпии
1. Режимы работы ChemCad 155
2. Структура диаграммы технологического процесса (PFD) 155
3. Виды диаграмм технологического процесса 156
4. Построение диаграммы технологического процесса (PFD) 156
4.1. Вход в режим редактирования диаграммы ТП (Edit PFD) 156
4.2. Добавление блока данных потоков (Add Stream Box) 157
4.3. Добавление блока данных единиц оборудования (Add UnitOp Box) 159
4.4. Добавление динамических ярлыков потоков (Add TP Box) 160
5. Последовательность построения основной диаграммы технологического процесса (Main PFD) 161
6. Последовательность построения вторичной диаграммы технологического процесса (Secondary PFD) 161
7. Работа в режиме моделирования (Simulation) с ярлыками потоков и блоками данных 161
7.1. Управление отображением динамических ярлыков потоков 161
7.2. Принудительное обновление блоков данных 161
7.3. Динамическое обновление блоков данных 162
Приложение 5 163
ввод нового вещества в банк данных 163
1. Вызов команды «New Component» 163
2. Задание атомарных групп по методике Joback 164
2.1. Пример задания атомарных групп по методике Joback 164
3. Сохранение результатов в базу данных 164
4. Просмотр и корректировка результатов 165
Приложение 6 167
построение модели кинетики хим.реакции с использованием данных эксперимента 167
1. Выбор параметров (Select Parameters) 167
1.1. Страница 1 выбора параметов (Page 1) 167
1.2. Страница 2 выбора параметов (Page 2) 168
2. Ввод профиля (Import Profile) 170
3. Import RC1 file (New format) 171
4. Import RC1 file (Old format) 171
5. Просмотр/редактирование данных (Input/Edit rate profile) 171
6. Проверка начальных оценок (Check initial estimations) 172
7. Выполнение регрессии (Perform regression) 172
8. Вывод результатов (Plot results) 173
Приложение 7 174
Интерактивный просмотр результатов 174
9. Интерактивный просмотр результатов 174
9.1. Просмотр результатов с помощью меню Results (Результаты) 174
9.2. Просмотр результатов с помощью меню Plot 179
9.3. Редактирование графической информации 186
Приложение 8 188
генерация отчета в табличной форме 188
1. Окно Report Menu 188
2. Команда Calculate and Give Results 188
3. Команда Report Formats 189
4. Команда Select Streams 189
5. Команда Select Unit Operations 189
6. Команда Stream Properties 190
7. Команда Stream Flowrate/Compositions 190
8. Команда Distillation Summaries 190
9. Команда Heating Curves 191
10. Команда Batch/Dynamic Results 191
11. Команда Miscellaneous 192
12. Команда End Report 193
Приложения 193
Приложение 3. Методы расчета энтальпии 198
Введение
С развитием химической промышленности особенно важными становятся сведения о свойствах газов и жидкостей, в том числе многих новых химических продуктов, физические свойства которых никогда не определялись экспериментально. Например, при проектировании химического производства необходимо знать или уметь рассчитать свойства исходных, конечных и сопутствующих веществ для правильного расчета трубопроводов и насосов, а также для проектирования нагревательного, холодильного и разделительного оборудования. Основной деятельностью многих химиков и технологов является получение в виде достоверных количественных данных сведений о химических, физических и термодинамических свойствах чистых веществ и смесей. К сожалению, далеко не одно и то же, знать законы и иметь цифровой материал, который могли бы использовать инженеры и научные работники, занимающиеся прикладными науками.
Чтобы быстро и эффективно решать прикладные задачи, поставленные в области химико-технологических процессов (ХТП) с применением вычислительной техники (ВТ) необходимо иметь:
базу данных опорных констант веществ, участвующих в химико-технологическом процессе (молекулярная масса, критические температуры, давления, плотности, дипольные моменты, константы для расчета теплоемкостей и т.д.);
подпрограммы методов расчета термодинамических и физико-химических свойств веществ и их смесей (парожидкостного равновесия, энтальпии, плотности, вязкости, теплоемкости, теплопроводности и т.д.);
подпрограммы математических моделей аппаратов, включающие методы их расчета;
программный модуль, обеспечивающий сборку отдельных аппаратов в единую систему заданной топологии;
подпрограммы алгоритма структурного анализа;
подпрограммы методов решения системы нелинейных уравнений;
подпрограммы методов оптимизации;
организационный программный модуль, обеспечивающий расчет элементов ХТС и передачу информации в последовательности, полученной в результате структурного анализа;
интерактивные средства для взаимодействия пользователя с перечисленными подпрограммами, которые обеспечивают удобство ввода-вывода информации, наглядность ее представления.
Такой универсальный комплекс программ, работающий под управлением главной организующей программы, называется универсальной моделирующей программой (УМП).
УМП позволяет легко и просто, как в детских конструкторах, формировать топологию химико-технологической системы (ХТС), выбирая и соединяя между собой различные аппараты химической технологии, а также задавая параметры известных потоков и параметры аппаратов.
