Моделирование химико-технологических систем с использованием програ

Составитель Д.В. Саулин

УДК 66.001.57:66.01.011:65.015.13:65.011.56:519.7 ББК 35.11

М74

Рецензент доктор технических наук, профессор В.З. Пойлов

(Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

М74 Моделирование химико-технологических систем с использованием программного обеспечения Design-II for Windows : метод. указания лабораторным работам / сост. Д.В. Саулин. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2015. – 31 с.

Описан порядок выполнения лабораторных работ по курсу «Моделирование химико-технологических систем» с использованием специализированного программного обеспечения Design-II for Windows. Даны соответствующие рекомендации, требования к составлению отчета и критерии оценки работы.

Предназначено для выполнения лабораторных работ по курсу «Моделирование химико-технологических систем» для студентов специальностей ХТ, а также для выполнения практических и лабораторных работ в ряде специальных курсов и для написания курсовых и дипломных работ.

УДК 66.001.57:66.01.011:65.015.13:65.011.56:519.7 ББК 35.11

© ПНИПУ, 2015

3

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторные работы по курсу «Моделирование химикотехнологических систем» выполняются после прослушивания лекционного материала и предназначены для получения практических навыков:

–по рассмотрению любого производства как химико-техно- логической системы (ХТС), состоящей из элементарных процессов, объединенных в единую технологическую систему;

–основным принципам синтеза ХТС;

–отображению ХТС произвольной сложности в виде графа

сиспользованием технологических операторов;

–применению специализированного программного обеспечения (DESIGN-II for Windows) для расчета и оптимизации ХТС;

–составлению отчетов по результатам расчета и оптимизации ХТС с использованием средств Windows и специализированного программного обеспечения.

Указанные практические навыки формируются в ходе выполнения заданий с использованием принципа «от простого к сложному». Это требует напряженной работы студентов в течение всего времени, поэтому не рекомендуется пропускать занятия без уважительных причин. Критерии оценки отчетов, связанные с необходимостью не просто констатации полученных зависимостей, а в необходимости объяснения данных зависимостей с точки зрения теории технологических процессов, требуют применения знаний по другим курсам. Например, первые три лабораторных работы связаны с теоретическими расчетами по технологии производства аммиака, а четвертая – с расчетами по разделению смесей компонентов, поэтому при их выполнении рекомендуется освежить знания, полученные на курсах связанного азота, общей химической технологии, процессов

иаппаратов химической технологии и т.д. Некоторые задания могут выполняться студентами самостоятельно.

4

Необходимо отметить, что задания в основном ориентированы на получение студентами определенных навыков работы и основ инженерного анализа, поэтому рассматриваемые технологические схемы являются упрощенными и могут отличаться от реального производства.

Оценка качества выполнения заданий и составления отчетов производится по балльной системе: за каждое задание можно получить до 10 баллов. Набор студентом в ходе выполнения заданий не менее 32 баллов может соответствовать сдаче практического вопроса зачета, поэтому зачет может приниматься и оцениваться только по первому вопросу – теоретическому.

ЗАДАНИЕ № 1

Цели работы

1.Получение навыков построения химико-технологической системы в среде Design-II for Windows на основании технологической схемы производства;

2.Получение навыков работы с простейшими модулями Design-II for Windows, не связанными с химическим взаимодействием и парожидкостным равновесием;

3.Получение навыков анализа и оптимизации ХТС с операторами, не связанными с химическим взаимодействием и парожидкостным равновесием.

Технологическая схема

5

Описание технологической схемы

На ГРС из магистрального трубопровода природного газа высокого давления происходит отбор газа на технологию, давление которого затем адиабатически сбрасывается до безопасных 15 кг/см2 (абс), после чего он подается на производство по трубопроводу с заданным диаметром и длиной. Поскольку температура природного газа низка, поэтому во избежание обледенения оборудования он смешивается с потоком горячего рециркулирующего газа после компрессора. Температура на всасе компрессора поддерживается

впределах 25–30 °С регулировкой расхода рециркулирующего потока природного газа. Далее из этого потока отбирается газ на го-

релки, а остальная часть потока газа подается на компрессор, где его давление увеличивается до рабочих 40–45 кг/см2 (абс). Далее природный газ после компрессора смешивается с потоком азотоводородной смеси (АВС), подогревается в огневом подогревателе и по трубопроводу с заданной длиной и диаметром подается в смеситель, где смешивается с потоком перегретого пара, также подаваемого

всмеситель по трубопроводу с заданной длиной и диаметром. Количество перегретого пара регулируется по расходу природного газа, исходя из соотношения пар/газ = 3,65…3,70.

Пример изображения технологической схемы в среде

Design-II for Windows

6

Исходные данные

–Природный газ в магистральном трубопроводе:

расход: 1,5 млн нм3/ч, давление: 75 кг/см2 (абс), температура 10 °С,

состав: СН4 – 98 об.%, N2 – 1 об.%, СО2 – 1 об.%.

–Отбор природного газа на ГРС: расход: 67840 нм3/ч

–Трубопровод от ГРС до установки:

расположение: на воздухе, длина: 1500 м, наружный диаметр: 426 мм,

толщина стенки трубы: 10 мм, материал трубы: углеродистая сталь, наличие теплоизоляции: отсутствует.

–Отбор топливного газа на горелки: расход 32 200 нм3/ч

–Компрессор природного газа:

тип компрессора: политропный одноступенчатый (КПДполитр = = 72 %),

мощность привода: 4500 кВт.

–Поток АВС:

расход: 6000 нм3/ч, давление: 250 кг/см2 (абс), температура: 120 °С,

состав: H2 – 72 об.%, N2 – 23 об.%, СH4 – 5 об. %.

–Огневой подогреватель:

температура на выходе: 350 °С,

сжигаемое топливо: QН = 33 МДж/нм3 , КПД = 70 %, гидравлическое сопротивление 1…1,5 кг/см2.

– Трубопровод газовой смеси до узла смешения с паром:

расположение: на воздухе, длина: 300 м, наружный диаметр: 219 мм,

толщина стенки трубы: 15 мм, материал трубы: углеродистая сталь,

7

наличие теплоизоляции: теплопроводность 0,05 Вт/мК, толщина 30 мм.

–Линия пара до узла смешения:

расположение: на воздухе, длина: 300 м, наружный диаметр: 219 мм,

толщина стенки трубы: 15 мм, материал трубы: углеродистая сталь,

наличие теплоизоляции: теплопроводность 0,05 Вт/мК, толщина 30 мм.

–Температура атмосферного воздуха: 15 °С.

–Параметры пара:

температура: 371 °С, давление: 40,5 кг/см2 изб.

Этапы выполнения работы

1.Разобраться с технологической схемой, ее описанием, заданными ограничениями, допущениями и исходными данными;

2.Освежить знания по теории технологических процессов производства аммиака;

3.Освежить знания по особенностям функционирования используемых в работе модулей из программного обеспечения DesignII for Windows;

4.В среде Design-II for Windows создать указанное задание, добиться корректных расчетов (SOLUTION HAS BEEN RICHED) и показать их преподавателю;

5.Выполнить соответствующее индивидуальное задание.

Варианты индивидуальных заданий:

1. Определить влияние давления газа после ГРС на эффектив-

ность работы узла (т.е. определить, как будут изменяться требуемая мощность компрессора и расход топливного газа на огневом подогревателе при различных давлениях после ГРС при условии поддержания заданных соотношений и температур, а также обосновать оптимальные условия ведения процесса);

8

2.Определить влияние величины рецикла на компрессии на эффективность работы узла (для данного варианта допускается тем-

пература на всасе 20…45 °С) (т.е. определить, как будут изменять-

ся требуемая мощность компрессора и расход топливного газа на огневом подогревателе при различных величинах рецикла (нм3/ч) при условии поддержания заданных соотношений и указанной температуры, а также обосновать оптимальные условия ведения процесса);

3.Определить влияние величины расхода АВС на эффективность работы узла при поддержании в ПГС соотношения пар/газ =

=3,65±0,01 (т.е. определить, как будут изменяться требуемая мощность компрессора и расход топливного газа на огневом подогревателе, а также расход материальных потоков при различных расходах АВС при условии поддержания заданных соотношений и температур, а также обосновать оптимальные условия ведения процесса);

4.Определить целесообразность теплоизоляции линии трубопровода (теплопроводность теплоизоляции 0,035 Вт/мК) после ГРС

(т.е. определить, как будут изменяться требуемая мощность компрессора и расход топливного газа на огневом подогревателе при различной толщине теплоизоляции (до 100 мм) на трубопроводе от ГРС до завода, а также обосновать оптимальные условия ведения процесса);

5.Определить влияние величины отбора топливного газа на эффективность работы узла (для данного варианта Т на всасе ком-

прессора должна быть 30 1 °С) (т.е. определить, как будут изменяться требуемая мощность компрессора, расход топливного газа на огневом подогревателе и расход материальных потоков при различной величине отбора газа на горелки при условии поддержания заданных соотношений и температур, а также обосновать оптимальные условия ведения процесса);

6. Определить влияние давления на выходе компрессора на эффективность работы узла (т.е. определить, как будут изменяться требуемая мощность компрессора, расход топливного газа на огне-

9

вом подогревателе и расход материальных потоков при различном давлении на выходе компрессора при условии поддержания заданных соотношений и температур, а также обосновать оптимальные условия ведения процесса);

7.Определить влияние состава природного газа на эффективность работы узла: метан в природном газе заменяется на эквивалентное количество этана и пропана с соотношением концентраций этан/пропан = 4. Для данного варианта в ПГС мольное соотношение

пар/углерод должно быть Н2О/С = 3,65±0,01 (т.е. определить, как будут изменяться требуемая мощность компрессора, расход топливного газа на огневом подогревателе и расход материальных потоков при изменении состава природного газа с условием поддержания указанных соотношений и заданных температур, а также обосновать оптимальные условия ведения процесса);

8.Определить влияние диаметра и толщины стенки трубопровода природного газа от ГРС к установке на эффективность работы узла (т.е. определить, как будут изменяться требуемая мощность компрессора и расход топливного газа на огневом подогревателе при использовании трубопровода заданного диаметра, но с более

толстой стенкой, а также трубопровода большего диаметра с заданной толщиной стенки при условии поддержания заданных соотношений и температур, а также обосновать оптимальные условия ведения процесса);

9. Определить оптимальную точку ввода сдувок АВС (до рецикла на компрессии, в рецикл после компрессора, после рецикла – существующий вариант, и после огневого подогревателя) (т.е. необ-

ходимо составить несколько вариантов технологических схем, определить требуемую мощность компрессора, расход топливного газа на огневом подогревателе и расход материальных потоков при

с КПД = 32 %) (т.е. определить, требуемую мощность компрессора

10