Худович И.М. Современные системы автоматизированного моделирован

Министерство образования Республики Беларусь УО «Полоцкий государственный университет»

СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В НЕФТЕПЕРЕРАБОТКЕ И НЕФТЕХИМИИ

Составитель И.М. Худович

Новополоцк 2008

УДК 519.242: 665.03.046

Одобрены и рекомендованы к изданию Методической комиссией технологического факультета

Кафедра химической технологии топлива и углеродных материалов

Составитель:

И.М. Худович, ст. преподаватель

Рецензенты:

С.М. Ткачёв, канд. техн. наук, доцент А.А. Ермак, канд. техн. наук, доцент

© Составление и общая редакция, И.М. Худович, 2008 ©Оформление, УО «Полоцкий государственный университет», 2008

1. ИСТОРИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В НЕФТЕХИМИИ И НЕФТЕПЕРЕРАБОТКЕ

Компьютерное моделирование химико-технологических процессов в нефтехимии и нефтепереработке к настоящему времени полностью доказало свою актуальность и перспективность. Разработка современных технологических процессов переработки природного углеводородного сырья и оптимальная эксплуатация действующих производств невозможна без применения моделирующих программ, имеющих высокую точность описания параметров технологических процессов и позволяющих без значительных материальных и временных затрат производить исследования этих процессов. Такие модельные исследования имеют огромное значение не только для проектирования, но для функционирования существующих производств, так как позволяет учесть влияние внешних факторов (изменение состава сырья, изменение требований к конечным и промежуточным продуктам и т.д.) на показатели действующих производств. С его помощью удается повысить качество управления процессами и эффективность работы технологической системы. Но особенно большое значение компьютерное моделирование имеет для оптимизации существующих и проектируемых технологических схем. Исторически можно выделить два этапа развития компьютерного моделирования химико-технологических систем (ХТС) и наметить третий.

Первый этап компьютерного моделирования был связан с переводом расчета материальных и тепловых балансов ХТС с ручного на компьютерный. Этот этап начался в 1958 г. с появлением первой моделирующей системы Flexible Flowsheet, и бурное развитие его шло на протяжении 60 – 70-х гг. Тогда была выработана общая концепция универсальной моделирующей программы (УМП) для моделирования ХТС, состоящей из

4частей:

1)организующей программы;

2)библиотекимодулейдлярасчетахимико-технологическихаппаратов;

3)банка физико-химических свойств;

4)библиотеки математических модулей.

В этот же период времени создано несколько десятков УМП: Flexible Flowsheet, Cheops, Chevron, Sreed Up, Macsim, Network67, Chess, Pacer 245, Flowtran, Flowpack, Process и др.

2

Ряд моделирующих программ был создан и в Советском Союзе: РСС

иРОСС (НИФХИ им. Л. Я. Карпова), АСТР и БАСТР (ГИАП), НЕФТЕХИМ (ВНИ ПИНЕФТЬ), САМХТС (НИУИФ), SYNSYS-78 (МХТИ им. Д. И. Менделеева) и др.

Расчет термодинамических параметров нефтепродуктов, расчеты массообмена и теплообмена, ректификации, подбор теплообменных аппаратов – все это значительно упростило проектирование установок. Однако тогда машинное время стоило очень дорого и его постоянно не хватало. К тому же изготовление программ требовало узкой специализации – общедоступного языка программирования еще не было. В результате сложилась ситуация, когда специалисты нефтепереработчики, не разбираясь в программировании (и не имея времени на его изучение) сотрудничали с программистами, которые, в свою очередь, не всегда до конца понимали особенностей расчетов процессов и аппаратов нефтехимии и нефтепереработки.

Но на определенном этапе совершенствования УМП было осознано, что наибольшие возможности компьютерного моделирования химикотехнологических систем связаны не с передачей компьютеру традиционных для проектировщиков функций по расчету материальных и тепловых балансов, а с реализацией с помощью компьютера новых функций, прежде всего – функции оптимизации.

Под оптимизацией понимается достижение наилучших показателей (например, прибыли или приведенных затрат) при выполнении всех требуемых ограничений. Последние могут быть технологическими, экономическими, экологическими и регламентными. Например, ограничения по производительности ХТС, по качеству продукта, по выбросам в атмосферу

идр. Оптимизация возможна как на этапе эксплуатации ХТС, так и на этапе проектирования. Особенно большой эффект дает оптимизация, рассчитанная на этапе проектирования.

Настоящий расцвет компьютерного моделирования начался с появлением персональных компьютеров и общепонятных языков программирования высокого уровня. К этому времени в результате длительного процесса из общего числа выделились четыре УМП, которые заняли лиди-

рующее положение в мире: Aspen Plus, Hysys, ChemСad и Pro/II.

Начало второго этапа в развитии компьютерного моделирования можно условно отнести ко второй половине 80-х годов, когда в течение короткого времени произошел переход к персональным компьютерам, и появились первые прототипы четырех вышеназванных УМП. В эти УМП были введены оптимизационные процедуры, и они стали применяться не

3

только для расчета отдельных вариантов, но и для оптимизации ХТС в статике. Но все же, вплоть до настоящего времени, УМП гораздо чаще применяются в своей первой функции – для расчета материальных и тепловых балансов с использованием наиболее полных и совершенных модулей для расчета аппаратов и банка физико-химических свойств, снабженного данными, отвечающими последним достижениям. Причина здесь – и в значительно большей математической трудности оптимизационного расчета по сравнению с балансовым, и в непривычности функции оптимизации для проектировщиков. Но главное и принципиальное затруднение связано с частичной неопределенностью информации, которой мы располагаем, когда должны решать задачу оптимизации (см. п. 5).

Химико-технологические системы, без которых не существует современного химического производства, стоят в начале третьего этапа. Реализация этого этапа развития (на котором широкое распространение получит решение оптимизационных задач) выведет компьютерное моделирование ХТС на тот уровень, когда с его помощью можно будет проектировать значительно более экономичные и надежные химико-техноло- гические системы и более эффективно управлять работой действующих.

Одновременно с этим изменятся наше понимание ХТС – как системы, в которой множество компонент находятся во взаимной связи и влияют на работу друг друга, а также общая культура труда проектировщика. Но для перехода на этот этап, сулящий очередной скачок производительности труда, необходимо проведение большой исследовательской работы и совместные усилия теории и практики.

4

2. ОБЗОР ПАКЕТОВ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Функциональные возможности той либо иной моделирующей системы зависят от состава средств моделирования отдельных процессов. Как правило, все моделирующие системы включают средства для моделирования следующего набора процессов:

−сепарация газа и жидкости (2-х несмешивающихся жидкостей);

−однократное испарение и конденсация;

−дросселирование;

−адиабатическое сжатие и расширение в компрессорах и детандерах;

−теплообмен двух потоков;

−нагрев или охлаждение потока;

−ветвление и смешение потоков;

−процессы в дистилляционных колоннах с возможностью подачи и отбора боковых материальных и тепловых потоков:

а) абсорберы; б) конденсационные (укрепляющие) колонны;

в) отпарные (исчерпывающие) колонны; г) дистилляционные колонны;

Программы позволяют моделировать сложные дистилляционные системы со стриппингами, боковыми орошениями, подогревателями и т.д., т.е. решать наиболее сложные задачи первичной переработки нефти. Большинство задач дистилляции, имеющихся на действующих производствах, с помощью современных пакетов решаются успешно и с высокой скоростью.

Системы моделирования могут содержать также средства для моделирования процессов, расширяющих сферу их использования на химическую и нефтехимическую промышленность:

−теплообмен в многопоточных теплообменниках;

−химические процессы в реакторах (в т.ч. стехиометрический, с минимизацией энергии Гиббса, равновесный, полного вытеснения и смешения);

−процессы в экстракторах жидкость – жидкость;

−процессы с твердой фазой (кристаллизаторы, центрифуги, фильтры, сушилки и т.д.).

−процессы с полимерами (реактора полимеризации, сепараторы, пленочные испарители и т.д.)

5

Часто в моделирующих системах имеются средства для написания несложных программ для моделей пользователями. При этом используется достаточно простой язык, например, Fortran или Basic.

По способу построения технологических схем из отдельных элементов моделирующие программы можно разделить на системы с визуальным интерфейсом и системы с табличным кодированием. Первые позволяют формировать схемы непосредственно на экране компьютера, выбирая элементы из списка и соединяя их в определенном порядке. Табличное кодирование предусматривает последовательный выбор элементов и назначение входным и выходным потокам адресов из общего списка потоков моделируемой схемы. Естественно, первый способ наиболее удобен. И в первом, и во втором случае интерфейс пользователя во всех пакетах позволяет работать с графом потоков и агрегатов посредством обращения и редактирования специальной таблицы, содержащей заданные пользователем алфа- витно-цифровые идентификаторы потоков и их характеристики.

По изменению параметров модели по времени моделирующие программы можно разделить на системы, поддерживающие статическое и динамическое моделирование. При статическом моделировании соотношение параметров происходит до определенного момента времени. В случае динамического моделирования параметры модели претерпевают непрерывные изменения во времени. Возможность проводить расчеты в динамическом режиме позволяет гораздо лучше понять сущность моделируемых процессов. Можно собрать и испытать схему регулирования, исследовать пусковые режимы, получить представление о реально работающем процессе и поведении объекта в нештатных ситуациях, о влиянии изменения рабочих параметров на качество продуктов.

Многие моделирующие программы позволяют, после выполнения стадии расчета технологической схемы или отдельного аппарата, выполнять расчеты гидравлических и основных конструктивных характеристик сепарационного оборудования, емкостей, теплообменной аппаратуры, тарельчатых и насадочных ректификационных колонн, а также выполнять оценку стоимости изготовления каждого аппарата. Это очень важно для выполнения стадии как для проектных работ, так и предпроектных исследований, так как позволяет оптимизировать капиталоемкость разрабатываемой технологии.

При расчете системы взаимосвязанных аппаратов последовательность расчета элементов определяется автоматически (или может быть за-

6

дана пользователем). При наличии рециклов создается итерационная схема, в которой рецикловые потоки разрываются, и создается последовательность сходящихся оценочных значений. Эти значения получаются замещением величин, рассчитанных при предыдущем просчете схемы (Метод Простого Замещения) или путем применения специальных методов ускорения расчета рециклов – Вегштейна (Wegstein) и Бройдена (Broyden).

К настоящему времени лидирующие позиции на рынке программных продуктов занимают продукты трех компаний – Invensys Process Systems (в состав которой входит SimSci – Esscor владелец торговой марки PRO/II), Aspen Technologies (с вошедшей в ее состав компанией Hyprotech владельца торговой марки HYSIM, HYSYS) и ChemStations (владеющая торговой маркой CHEMCAD).

Рассмотрим основные программные продукты данных фирм более подробно.

Process Engineering Suite (PES) – пакет программ инженера-техно-

лога компании SIMSCI – Esscor представляет собой комплекс взаимосвязанных инструментов для инженерного проектирования и проведения расчетных исследований. Комплекс программ работает в самой распространенной в отрасли среде – Windows NT, – и легко может взаимодействовать с другими прикладными программами, которые обычно используют инже- неры-технологи, способствуя увеличению эффективности технологических процессов в течение всего рабочего цикла.

Пакет PES, объединяющий программы PRO/II, HEXTRAN, DATACON, INPLANT и VISUAL FLOW, может использоваться для моде-

лирования технологических установок при добыче нефти и газа, в переработке нефти, в нефтехимическом и химическом производстве, в фармацевтической промышленности и в производстве полимерных материалов. Основой данного комплекса является программа PRO/II в свою очередь являющаяся универсальным пакетом программ для моделирования и оптимизации технологических процессов.

Pro/II с графическим интерфейсом пользователя ProVision (см. рис. 2.1) является одной из наиболее широко известных УМП. Система Pro II была первоначально создана на платформе DOS/PC. В этой реализации она не имела удобного пользовательского интерфейса. В 1995 году фирма анонсировала новый графический интерфейс для платформ PC/Windows и выпустила пакет ProVision. Одновременно разрабатывалась реализация и для Unix-платформ.

7