Худович И.М. Современные системы автоматизированного моделирован

ект S в памяти, получает его адрес и возвращает этот адрес системе. Система же, зная, от кого поступил запрос, возвращает адрес объекту C, модуля MS. Таким образом, устанавливается взаимодействие между модулями.

Одним из ключевых моментов в данном взаимодействии является определение системой по имени объекта имени модуля. Для идентификации имен COM-объектов используются так называемые CLSID – идентификаторы классов, 128-битные численные значения, уникальные для данного объекта и ProgID мнемонически значимые имена.

На стадии разработки стандарта CAPE-OPEN были определены главные классы (категории) компонентов (модулей) универсальных моделирующих программ и формально определены их основные интерфейсы (спецификации способа взаимодействия двух объектов), созданы и протестированы первые опытные образцы программ и программных модулей, началась работа по его распространению и адаптации к требованиям стандарта ПО основных производителей. Стандарт постоянно уточняется и дополняется, первая версия, известная под индексом 0.9, к настоящему времени уже трижды перерабатывалась и текущий, 4 вариант стандарта, имеет индекс версии 1.1.

Таким образом, стандарт CAPE-OPEN – специально разработанный для химической технологии, унифицированный стандарт, предназначенный для согласования между собой компонентов универсальных моделирующих программ различных разработчиков. Он основывается на общепризнанных в программировании технологиях COM и CORBA. Непосредственно сам стандарт CAPE-OPEN является открытым, мультиплатформенным, унифицированным и бесплатно распространяемым, доступ к его документации предоставляется на официальном сайте «Сети исследова-

тельских учреждений CAPE-OPEN» (CAPE-OPEN Laboratories Network – Co-LaN) www.colan.org.

В заключение следует отметить, что в настоящее время к проекту CAPE-OPEN присоединились и в той либо иной мере его поддерживают следующие производители программного обеспечения: ANSYS, Aspen Technology (Aspen Plus, HYSYS), Heat Transfer Research Inc. (HTRI), SimS- ci-Esscor (PRO/II), Virtual Materials Group (VMGSim. VMGThermo) и мно-

гие другие.

Отдельно можно выделить фирму AmsterCHEM и ее программный продукт COCO (см. рис. 3.1.3). COCO – универсальный моделирующий программный комплекс, целиком разработанный в соответствии со стан-

19

дартом CAPE-OPEN. Несмотря на то, что по возможностям она уступает основным УМП для химической технологии, круг задач которые она позволяет решать достаточно большой.

Рис. 3.1.3. Интерфейс пользователя (СOFE) программы СOCO v.1.09

Последняя версия программы позволяет рассчитывать технологические схемы, состоящие из следующих элементов: смеситель потоков, делитель потока, компрессор, турбина, сепаратор, подогреватель/холодильник потока, теплообменник, насос, равновесный реактор, реактор заданной степенью конверсии, клапан (дроссель) и ряд вспомогательных элементов. Кроме того, в программный комплекс входит модуль ChemSep 6.0 LITE, дополняющий базу расчетных элементов СОСО и позволяющий рассчитывать абсорбционные, ректификационные и экстракционные процессы и соответствующие им аппараты, включенные в общую технологическую схему. База данных программы насчитывает около 150 индивидуальных компонентов. Поддерживаются основные термодинамические системы и пакеты. И самое главное программный комплекс распространяется свободно и абсолютно бесплатно (официальный сайт: www.cocosimulator.org).

20

3.2.Состав универсальных моделирующих программ

Воснову всех современных средств моделирования заложены общие принципы расчетов материально-тепловых балансов химических процессов (т.е. процессов, связанных с изменением агрегатного состояния, компонентного и химического состава материальных потоков). Как правило, любой процесс состоит из стадий (элементов), на каждой из которых производится определенное воздействие на материальные потоки и превращение энергии. Последовательность стадий обычно описывается с помощью технологической схемы, каждый элемент которой соответствует определенному технологическому процессу (или группе совместно протекающих процессов). Соединения между элементами технологической схемы соответствуют материальным и энергетическим потокам, протекающим в системе. В целом моделирование технологической схемы основано на применении общих принципов термодинамики к отдельным элементам схемы и

ксистеме в целом.

Любая система моделирования включает набор следующих основных подсистем, обеспечивающих решение задачи моделирования химикотехнологических процессов:

−набор термодинамических данных по чистым компонентам (база данных) и средства, позволяющие выбирать определенные компоненты для описания качественного состава рабочих смесей;

−средства представления свойств природных углеводородных смесей, главным образом – нефтей и газоконденсатов, в виде, приемлемом для описания качественного состава рабочих смесей, по данным лабораторного анализа;

−различные методы расчета термодинамических и транспортных свойств, таких как коэффициент фазового равновесия, энтальпии, энтропии, плотности, растворимости газов и твердых веществ в жидкостях, вязкости, теплопроводности и т.д.;

−набор моделей и алгоритмов для расчета отдельных элементов технологических схем или отдельных процессов (например, перекачка жидкости, компремирование газа, ректификация, экстракция, теплообмен и т.п.);

−средства для формирования технологических схем из отдельных элементов;

−средства для расчета технологических схем, состоящих из большого числа элементов, определенным образом соединенных между собой.

И если последние три подсистемы достаточно специфичны для каждой УМП, то первые три можно рассмотреть обобщенно.

21

3.2.1. Термодинамические данные по чистым компонентам

Эти данные необходимы для расчета термодинамических свойств, таких как коэффициенты фазового равновесия, энтальпии, энтропии, плотности, растворимости газов и твердых веществ в жидкостях и фугитивности паров. Они включают:

−критические параметры и фактор ацентричности;

−молекулярные массы;

−плотности в точке кипения или при стандартных условиях;

−температуры кипения при атмосферном давлении;

−константы для расчета идеально-газовой теплоемкости или иде- ально-газовой энтальпии, энергии Гиббса, теплоты образования и сгорания, вязкости, поверхностного натяжения, и т.п.

Моделирующие системы имеют встроенные базы данных свойств чистых компонентов. Число чистых компонентов обычно около 2000, что дает возможность использовать программы практически для любых случаев. На практике, при решении задач, характерных для газовой и нефтяной промышленности, используются не более 50 компонентов.

3.2.2. Средства представления и анализа свойств нефтей и газовых конденсатов

Эти средства необходимы, чтобы на основе данных лабораторных исследований свойств нефтей, газоконденсатов и нефтепродуктов получить необходимые данные для адекватного представления этих смесей в моделирующей системе. Потоки углеводородов могут быть определены (заданы) с помощью лабораторных данных разгонки. Обычно эти данные состоят из собственно данных разгонки (ИТК, ASTM D86, ASTM D1160 или ASTM D2887), данных по плотности (средняя плотность и, возможно, кривая плотности) и, может быть, данных по молекулярной массе, содержанию легких компонентов, а также данных по специальным товарным свойствам, таким как температура застывания и содержание серы. Эта информация используется для генерации набора дискретных псевдокомпонентов, которые потом применяются для представления состава каждого потока, характеризуемого кривой разгонки.

22

3.2.3. Методы расчета термодинамических свойств

При моделировании отдельного химического процесса, или химической установки в целом, для получения точного результата, важно использовать соответствующий задаче математический метод расчета термофизических свойств компонентов. Обычно моделирующая система включает различные, проверенные опытом, методы расчета термодинамических свойств, таких как коэффициенты фазового равновесия (распределение компонентов между фазами в состоянии равновесия), энтальпии, энтропии, плотности, вязкости, теплопроводности, поверхностного натяжения, растворимости, фугитивности паров, и др. Данные методы расчета включают в себя:

−обобщенные корреляции, такие как метод расчета коэффициентов фазового равновесия Чао – Сидера и метод расчета плотности жидкости API;

−уравнения состояния, такие как метод расчета Соава – Редлиха – Квонга для коэффициента фазового равновесия, энтальпий, энтропий и плотностей;

−методы коэффициентов активности жидкости, такие как метод NRTL (Non-Random Two-Liquid – Упорядоченное двухжидкостное) для расчета коэффициента фазового равновесия;

−методы фугитивности паров, такие как метод Хайдена – О’Коннела для димеризующихся веществ;

−специальные методы расчета свойств специфических систем компонентов, таких как спирты, амины, гликоли и системы кислой воды.

Ниже кратко рассматриваются основные термодинамические методы расчета термофизических свойств и рекомендации по их применению.

1) Методы, основанные на уравнениях состояния.

Соав – Редлих – Квонг (SRK) и Пенг – Робинсон (PR). Константы для уравнения состояния были получены из приведения величин давления паров для ограниченного числа обычных углеводородов. Это ограничивает использование уравнения состояния SRK только для неполярных компонентов. Данное уравнение состояния не предсказывает точного поведения полярных компонентов или жидких газов, таких как водород. Однако простота уравнений и их точность при расчете давления паров при температурах, которые выше нормальной температуры кипения углеводородов, позволило ему найти широкое применение в промышленности.

Форма уравнения, предложенная Пенгом и Робинсоном в 1976 году, такая же, что и предложенная в 1972 году Соавом. Уравнение отличается численным значением констант.

23

Указания по применению: все процессы с легкими углеводородами, такие как процессы переработки природного газа и переработка легкой части на установках НПЗ. Для богатых водородом систем точность растворимости водорода может быть повышена путем использования разных альфа формулировок или же одного или более современных правил смешения.

Соав – Редлих – Квонг Кабади – Даннер (SRKKD). Этот метод

(SRKKD) является модификацией метода Соав – Редлих – Квонг с целью улучшения предсказания фазового равновесия пары – жидкость – жидкость для углеводородных систем с водой.

Одним из ограничений данного метода является то, что растворимость углеводородов в водной фазе предсказывается только с точностью до порядка.

Указания по применению: системы природного газа, содержащие воду, при высоких давлениях. Углеводородные системы с водой, где важно предсказание растворения углеводородов в воде. Метод работает неудовлетворительно при предсказании растворимости водорода в водной фазе.

Соав – Редлих – Квонг модифицированный, Пенг – Робинсон мо-

дифицированный (SRKM, PRM). Улучшают предсказание для полярных/неполярных систем, имеющих большую неидеальность. Уточненная корреляция обеспечивает получение более верных предсказаний давления паров по сравнению с первоначальной формулировкой SRK и PR для широкого диапазона компонентов.

Указания по применению: сепараторы с тремя фазами для систем углеводороды – вода (блоки ГФУ установок каталитического крекинга и гидрокрекинга). Установки производства масел и установки депарафинизации. Системы природного газа, содержащие полярные компоненты, такие как метанол.

Соав – Редлих – Квонг – Гексамер (SRK-Hexamer). Фтористый водород является распространенным химическим реагентом, который используется во многих процессах, включая HF алкилирование, производство хладагентов и других галогенсодержащих веществ. В отличие от углеводородов, фтористый водород является полярным и имеет водородные связи и, следовательно, самоассоциируется не только в жидкой, но и в паровой фазе. Из экспериментов данных известно, что пары HF существуют главным образом в качестве смеси мономеров и гексамеров. Кроме того,

24

эксперименты свидетельствуют, что гексамеры существуют в форме цикла, похожего на бензольный. Это ведет к значительному отклонению от идеальности, особенно при расчете коэффициентов фугитивности, коэффициентов сжимаемости паров, теплот испарения и энтальпий.

Указания по применению: колонны установки алкилирования в присутствии HF, такие как деизобутанизатор, депропанизатор и др.

Бенедикт – Уэбб – Рубин – Старлинг (BWRS). Уравнение состоя-

ния BWRS может очень точно предсказывать свойства чистых компонентов для легких углеводородов, но недостаточно точно при предсказании свойств тяжелых углеводородов и смесей с полярными составляющими. Метод значительно уступает уравнениям SRK и PR при применении в критической и суперкритической областях.

Указания по применению: системы легких углеводородов при условиях ниже критических.

2) Обобщенные методы корреляции

Чао – Сидер (CS). Указания по применению: легкие углеводороды (за исключением метана) при температурах ниже 260 °С (но не менее –70 °С) и давлениях ниже 10 МПа, но не более 0,8 от критического давления системы, с концентрацией растворенных в жидкости газов до 20 % мольн. Не рекомендуется для систем с большими концентрациями H2 или других не углеводородов, таких как N2, H2S, CO2 и т.д.

Грейсон – Стрид (GS). Грейсон и Стрид в 1963 году модифицировали корреляцию Чао – Сидера путем обработки данных в более широком диапазоне условий.

Модификации Грейсона и Стрида расширили диапазон применений для углеводородных систем вплоть до температуры 450 °С и давления 15 МПа. Нижние пределы, указанные Чао и Сидером, остались в силе.

Указания по применению: колонны нефтеперерабатывающих заводов, работающие с тяжелыми продуктами, такие как атмосферные, вакуумные и ректификационные колонны установок каталитического крекинга и коксования. Также может быть использован для большинства газоперерабатывающих установок НПЗ и процессов с участием водорода, таких как риформинг и гидрокрекинг. Для гидрокрекинга более точные значения растворимости водорода предсказываются одним из модификаций методов SРК.

25

Улучшенный Грейсон – Стрид (IGS). Для смесей углеводороды – вода методы Грейсон – Стрид и модифицированный Эрбаром Грейсон – Стрид точно предсказывают фазовое поведение обогащенной углеводородами фазы, однако не делают это так же хорошо для фазы, обогащенной водой.

Улучшенный метод Грейсон – Стрид (IGS) является расширением метода Грейсон – Стрид для поддержки строгих расчетов трех фаз углеводородных систем с водной фазой.

Указания по применению: то же, что и для метода Грейсон – Стрид. Может также использоваться для строгих расчетов, включая расчеты углеводородных систем с тремя фазами, где одной из них является водная.

Браун-K10 (BK10). Метод BK10 основан на графиках, разработанных Каяндером и др. в 1960 г. Для предсказания констант фазового равновесия компонентов при давлении системы, используется коррекция графика при давлении 10 фунтов/кв. дюйм (69 кПа).

Этот метод имеет ограниченную способность предсказания К-значений для легких компонентов и использует большие приближения для H2, N2, O2, CO, CO2 и H2S. Т.к. влияние состава на К-значения игнорируется, следует ожидать получения неудовлетворительных результатов для смесей ароматики с парафинами, нафтенами и олефинами.

Указания по применению: этот метод обычно дает неплохие результаты для колонн тяжелых продуктов нефтеперерабатывающих заводов, работающих при низких давлениях. Если распределение легкой части продукта в колонне является важным, должен использоваться другой метод. Метод ни в коем случае не должен применяться для систем с давлением выше, чем 500 кПа или температурой за пределами –70 – 500 °С.

Идеальный (Ideal). В идеальном растворе, при постоянных температуре и давлении, фугитивность каждого компонента пропорциональна его мольной доле. При расчете коэффициентов фазового равновесия не учитывается зависимость их от состава. Они зависят только от температуры (благодаря зависимости от нее давления насыщенных паров) и давления. Плотности идеальных паров получаются из закона идеального газа.

Указания по применению: системы с похожими компонентами при низких давлениях и температурах.

26

3) Методы коэффициентов активности жидкости

Уравнение Вильсона (Wilson). Полезно для полярных или ассоциированных компонентов в неполярных растворителях и для полностью смешивающихся жидкостей.

Данный метод был первой моделью, которая включала в себя концепцию местного состава. Основная идея состоит в том, что состав вблизи специфической молекулы раствора будет отличаться от состава жидкости в целом благодаря силам межмолекулярного взаимодействия.

Его самое большое ограничение состоит в том, что метод математически не способен предсказывать разделение жидкости на две частично смешивающиеся фазы. Следовательно, он полностью не подходит для систем, в которых наблюдается фазовое разделение жидкость – жидкость.

Уравнение NRTL. Полезно для в высокой степени неидеальных смесей и для частично несмешивающихся систем.

Уравнение NRTL было разработано Реноном и Праусницем, чтобы использовать концепцию местного состава, избежав неспособности метода Вильсона предсказать фазовое разделение жидкость – жидкость.

Данный метод широко использовался для представления широкого диапазона систем.

Уравнение UNIQUAC. Уравнение UNIQUAC (универсальное квазихимическое) было разработано Абрамсом и Прауцницем на основе модели пространственной квазихимической решетки Гудденхейма. Как и в моделях Вильсона и NRTL, используется принцип местного состава. Однако в качестве первичной переменной состава вместо объемных долей используются местные доли поверхности. Каждая молекула характеризуется объемным параметром и параметром поверхности.

Указания по применению: смеси неэлектролитов, содержащих полярные или неполярные компоненты и для частично смешивающихся систем.

Метод UNIFAC. Метод UNIFAC (Universal Functional Activity Coefficient – универсальный функциональный коэффициент активности) рассчитывает величины коэффициентов активности на основе концепции группового вклада. Предполагается, что взаимодействия между двумя молекулами являются функцией взаимодействий между группами, где каждый компонент описывается с точки зрения своих функциональных групп.

27

Указания по применению: данный метод очень полезен, когда нет данных по коэффициентам активности для пар компонентов, т.к. он способен к предсказаниям, если имеются данные по групповому взаимодействию для групп, заменяющие данные для пар компонентов.

Ниже приводится ориентировочная блок-схема алгоритма выбора термодинамического метода расчета свойств в зависимости от решаемой задачи (рис. 3.1 – 3.5).

Используемые сокращения:

SRK – Соав – Редлих – Квонг; PR – Пенг – Робинсон;

SRKKD – Соав – Редлих – Квонг Кабади – Даннер; SRKM – СРК-Модифицированный;

PRM – ПР-Модифицированный; SRKS – Соав – Редлих – Квонг SimSci; Hexamer – СРК – Гексамер; UNIWAALS – метод UNIWAALS;

BWRS – Бенедикт – Уэбб – Рубин – Старлинг; CS – Чао – Сидер;

GS – Грейсон – Стрид;

CSE, GSE – модификация Эрбара Метода Чао – Сидера и Грейсона – Стрида;

IGS – улучшенный Грейсон – Стрид; BK10 – Браун-K10;

Ideal – идеальный;

Wilson – уравнение Вильсона;

NRTL – уравнение NRTL (non-random two-liquid); UNIQUAC – уравнение UNIQUAC (универсальное квазихимическое);

UNIFAC – метод UNIFAC;

Electrolyte – специализированный пакет ЭЛЕКТРОЛИТ; ALCOHOL – специализированный пакет СПИРТ; GLYCOL – специализированный пакет ГЛИКОЛЬ; SOUR – специализированный пакет КИСЛЫЙ;

GPSWATER – специализированный пакет КИСЛАЯ ВОДА; AMINE – специализированный пакет АМИН.

28