- •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
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) |
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. Модуль Valve(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. Модуль Stream 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.
