Худович И.М. Современные системы автоматизированного моделирован
.pdf
Рис. 4.1.3. Окно выбора индивидуальных компонентов программы PRO/II
Для сохранения созданного в главном окне списка компонентов надо нажать кнопку ОК.
В рассматриваемом примере, в соответствии с табл. 4.1, выбираются компоненты из системной базы данных с использованием способа (а), рассмотренного выше.
4. Выбор термодинамических моделей. Для получения точных ре-
зультатов расчетов необходимо выбрать метод, наиболее подходящий для данной химической системы. Выбор термодинамических моделей сводится преимущественно к выбору пригодных методов расчета констант фазового равновесия, энтальпии, энтропии, плотности, а в ряде задач и вязкости, теплопроводности и поверхностного натяжения содержимого потока. PRO/II содержит около 40 методов расчета констант фазового равновесия с различными вариантами, около 24 способов расчета энтальпии, около 20 способов расчета энтропии и около 22 способов расчета плотности. Все способы расчета этих свойств, сгруппированные в соответствии с теми либо иными задачами, представлены в виде базовых моделей расчета термодинамических свойств (более 40 базовых моделей). Для выбора термодинамической модели используется команда меню Input/Thermodynamic Data (Входные данные/Данные по термодинамике, рис. 4.1.4) или нажатие по
39
соответствующей ей кнопке на панели инструментов (с изображением кривой фазового равновесия).
Следует отметить, что при расчете теплообменных аппаратов необходимо дополнительно подключать методы расчета транспортных свойств (вязкости, теплопроводности и т.д.) в соответствующем окне
(Input/Thermodynamic Data –> Modify –> Transport properties).
В данном примере, согласно рассмотренному в пункте 4 алгоритму, выбирается термодинамическая модель расчета – SRK.
Рис. 4.1.4. Окно выбора математической модели расчета термодинамических свойств программы PRO/II
5.Построение технологической схемы сводится, в основном, к
размещению изображений технологического оборудования (далее аппаратов или пиктограмм аппаратов) на экране и соединению их потоками. Иногда на этапе построения схемы возникает необходимость в создании новых
имодификаций имеющихся пиктограмм. Рассмотрим последовательность выполнения этих шагов.
5.1.Размещение изображений аппаратов. Каждый квадрат палитры рабочих элементов (панель PFD) содержит подпись, указывающую его функции, и пиктограмму аппаратов. Для выбора пиктограммы аппарата надо установить на ней курсор мыши, появится подсказка с названием пиктограммы, и далее щелкнуть левой клавишей мыши. После этого на экране отображается курсор в виде прямоугольника, который можно перемещать по экрану. Для отказа от выставления пиктограммы на экран нажимается правая кнопка мыши. Рядом с пиктограммой автоматически вы-
40
ставляется ее идентификационный номер. Эти номера присваиваются последовательно для одинаковых аппаратов.
Все последующие действия по выбору и размещению пиктограмм выполняются аналогичным образом. Завершение размещения изображений аппаратов технологической схемы заканчивается подводом к ним сырьевых, соединением их промежуточными и выводом из них продуктовых потоков.
5.2.Модификация пиктограмм аппаратов. У каждого аппарата, как правило, имеется множество пиктограмм. Для этого надо выделить пиктограмму, щелкнув на ней правой кнопкой мыши, после чего на экран выводится контекстное меню, некоторые команды которого рассмотрены ниже:
–Delete (Удалить) – удаляет выделенный объект;
–Rotate (Вращение объекта относительно оси X) – выполняет поворот выделенного объекта на выбранный угол;
–Flip (Отражение объекта) – выполняет поворот выделенного объекта от носительно оси Y или Х на 180 °С;
–Display (Внешний вид пиктограммы ) – позволяет изменить вид пиктограммы на альтернативный для выделенного объекта.
5.3.Изображение потоков на технологической схеме. После завер-
шения размещения аппаратов технологической схемы необходимо соединить их материальными потоками. При изображении потоков следует руководствоваться рядом общих правил:
а) для начала изображения потока необходимо нажать кнопку. Отказ от изображения потока осуществляется нажатием на правую кнопку мыши или кнопки Streams (Потоки) на панели PFD (левой клавише мыши);
б) каждый поток (за исключением сырьевых и продуктовых) направлен от аппарата-источника к аппарату-приемнику;
в) каждый аппарат имеет позиции входа и выхода. Программа ориентирует потоки по отношению к этим позициям. Поток всегда направлен из выхода аппарата-источника к входу аппарата-приемника;
г) начало потока фиксируется нажатием левой клавиши мыши, конец потока – отжатием. Одновременно рядом с потоком отображается его идентификационная метка;
д) в случае присоединения потока к соответствующему штуцеру стрелка на его конце (в его начале) уменьшается в размере (исчезает).
В соответствии с изложенным, создается расчетная схема рассматриваемого примера (рис. 4.1.5).
41
Рис. 4.1.5. Создание расчетной схемы в программе PRO/II
6. Задание параметров потоков питания. Задание параметров по-
тока можно выполнить следующими способами: дважды щелкнуть левой клавишей мыши на интересующем потоке; использовать команду контекстного меню Data Entry (Ввод данных). В результате будет открыто окно
Stream Data (Данные потока, рис. 4.1.6).
Термодинамическое состояние потока (Thermal Condition (Термические условия)) определяется любыми двумя параметрами из трех следующих: температуры (Temperature), давления (Pressure) и долей жидкости
(Liquid Mole Fraction, Liquid Weight Fraction); обычно задаются температу-
ра и давление. При этом температура или давление могут не задаваться в случае потоков, находящихся в состоянии кипения (Bubble Point) или конденсации (Dew Point). Для каждого потока питания нужно задать расход по всем веществам, включенным в список компонентов, либо задаться суммарным расходом компонентов и их концентрациями.
42
Рис. 4.1.6. Главное окно задания параметров потока программы PRO/II
РассмотримкомандыполяStream Type (Типпотока) окнаStream Data. Команда Composition Defined (Заданный состав) позволяет после на-
жатия кнопки Flowrate and Composition (Расход и состав) задавать расход и состав потока (рис. 4.1.7). При этом можно задать либо общий расход потока (Total Fluid Flowrate) и концентрацию каждого компонента в нем (задается в виде таблицы) либо расход каждого компонента индивидуально
(Individual Component Flowrates). В первом случае, состав может быть оп-
ределен как в процентах, так и в долях, программа определит это автоматически по суммарному содержанию компонентов. В случае если суммарное содержание компонентов не равно 1 или 100 % при нажатии на кнопку ОК будет выдано сообщение об ошибке. Однако, в случае необходимости, предусмотрен вариант нормализации состава отдельных компонентов к общему расходу потока (Normalize Component Flowrates Based on Specified Fluid Flowrate).
43
Рис. 4.1.7. Окно задачи параметров потока программы PRO/II
Команда Petroleum Assay (Нефтяная разгонка) позволяет после нажатия кнопки Flowrate and Assay (Расход и разгонка) задавать расход и разгонку потока. При этом на основании заданной разгонки (ASTM D86, ASTM D1160, ASTM D2887 или ИТК) будут генерироваться нефтяные псевдокомпоненты.
Команда Referenced to Stream (Ссылающийся на поток) позволяет после нажатия кнопки Flowrate and Stream (Расход и поток) задавать расход (необязательно) и ссылку на поток, состав и параметры которого будут продублированы для потока.
В рассматриваемом примере, после двойного щелчка левой клавишей мыши по сырьевому потоку колонны в окне Stream Data (см. рис. 4.1.6), задается температура (40 °С) и давление потока (767 кПа). Выбрав тип потока Composition Defined (Заданный состав) и нажав кнопку Flowrate and Composition (Расход и состав) в одноименном окне задается общий расход и состав, в соответствии с таблицей 4.1 (см. рис. 4.1.7). При этом следует помнить, что размерность активного поля может быть изменена в специальном окне, вызываемом нажатием кнопки UOM левой клавишей мыши.
7. Ввод параметров оборудования. По аналогии с заданием пара-
метров потока, для ввода параметров оборудования также используются: двойной щелчок левой клавишей мыши на единице оборудования, команда контекстного меню Data Entry (Ввод данных) и соответствующая команда меню Input (Входные данные).
44
Вид окна ввода параметров определяется типом оборудования и используемыми параметрами оборудования, которые заложены в его модулях расчета. Окно может содержать один и более разделов. Ниже рассматриваются окна ввода параметров для ряда аппаратов, используемых в рассматриваемом примере.
В окне редактирования колонны (рис. 4.1.8), вызываемого двойным щелчком левой клавиши мыши по соответствующей пиктограмме элемента расчетной схемы, необходимо как минимум задать профиль давления (раздел Pressure Profile), параметры сырьевых и продуктовых потоков (раздел Feeds and Products), параметры конденсатора (раздел Condenser), параметры ребойлера (раздел Reboiler), спецификации (раздел Specifications).
Рис. 4.1.8. Главное окно рабочего элемента Колонна программы PRO/II
Врассматриваемом примере, в разделе Pressure Profile (Профиль давления, см. рис. 4.1.9), выбирается способ задачи профиля давления By Individual Trays (По каждой тарелке) и в таблице задается давление на первой тарелке (т.е. в конденсаторе) 700 кПа, на второй тарелке (в верху колонны) 750 кПа, на 22 (последняя тарелка, т.е. в ребойлере) 785 кПа.
Вразделе Condenser (конденсатор, см. рис. 4.1.10) возможен выбор любого из 3 типов конденсаторов (Condenser Type):
– парциальные (Partial) конденсаторы относятся к равновесным устройствам с равновесными как парами, так и жидкостью, выводимыми из емкости орошения. Равновесная жидкость всегда возвращается в качестве острого орошения на вторую тарелку в модели колонны. Конденсатор может иметь, а может не иметь жидкий продукт, выводимый из емкости орошения;
45
–конденсатор, работающий при температуре кипения (Bubble Temperature). Часть равновесной жидкой фазы возвращается в колонну в качестве острого орошения, а часть выводится в качестве продукта. Именно такой тип конденсатора выбирается в рассматриваемом примере;
–конденсатор, работающий с переохлаждением жидкой фазы (Subcooled). Для этого варианта пары с верхней тарелки колонны (тарелка 2) охлаждаются до температуры, которая ниже температуры их кипения, или переохлаждаются. При этом необходимо задать значение температуры переохлаждения или величину перепада температур. Необходимо отметить, что данный вариант конденсатора не работает как теоретическая тарелка, однако при задании параметров колонны он все равно определяется как тарелка номер один.
Рис. 4.1.9. Окно задачи профиля давления колонны в программе PRO/II
Рис. 4.1.10. Окно выбора типа и задачи параметров конденсатора колонны в программе PRO/II
46
В разделе Feeds and Products (Сырье и продукты, рис. 4.1.11) в качестве тарелки питания (Feed Tray) выбирается тарелка № 12, а также задается начальное приближение (определяется по идеальному материальному балансу при полном разделении продуктов) по верхнему (overhead) продукту 235 кг/час. Кроме того, в этом разделе можно указать каким образом модель учитывает сепарацию сырьевого потока. Потоки сырья, находящегося в одной фазе, всегда поступают на тарелку питания – жидкое сырье вводится над ней, а пары под ней. Имеется два варианта ввода смешанного сырья пары/жидкость в колонну. Вариант, который выбран, используется для всех потоков сырья колонны. Рассмотрим подробнее оба варианта.
Vapor and Liquid On the Feed Tray (Пары и жидкость на тарелку питания) – вариант по умолчанию. Каждый поток сырья вводится на указанную тарелку независимо от его термических условий. Жидкая фаза потока подается на тарелку питания, а паровая фаза поступает под нее.
Flash the feed adiabatically, ... (Сепарация сырья адиабатически). Для этого варианта каждый поток сырья адиабатически разделяется на паровую и жидкую части. Жидкая часть поступает на указанную тарелку питания, а паровая часть поступает на тарелку, лежащую в колонне выше ее, что моделирует условия сепарации, которые имеют место на реальной тарелке питания колонны. Даже если выбран этот вариант, поток сырья, находящегося полностью в паровой фазе, поступает на указанную тарелку питания.
Рис. 4.1.11. Окно задачи параметров сырьевых и продуктовых потоков колонны в программе PRO/II
47
В разделе Reboiler (ребойлер, рис. 4.1.12) необходимо выбрать тип ребойлера. В рассматриваемом примере выбирается ребойлер с паровым пространством (Kettle).
Рис. 4.1.12. Окно выбора типа и задачи параметров ребойлера колонны
впрограмме PRO/II
Вразделе Specifications, могут быть заданы спецификации колонны, такие как расходы или свойства продуктов, внутренних потоков колонны, температур на тарелках и т.д., соответствующие желаемым значениям. Каждой спецификации должна соответствовать рассчитываемая переменная. Переменные могут включать в себя расходы сырьевых потоков колонны, тепловые нагрузки и/или расходы выводимых продуктов для колонны с их фиксированным расходом.
Врассматриваемом примере, естественными спецификациями будут степень извлечения легкого ключевого компонента (или группы компонентов) в верхнем продукте и степень извлечения тяжелого ключевого компонента в нижнем продукте. Логичными переменными будут тепловые нагрузки конденсатора и ребойлера. Отметим, что для двух спецификаций необходимо наличие двух переменных. В целом тепловые нагрузки конденсатора и ребойлера влияют на обе спецификации, следовательно, моделируемая задача решаема при условии, что в модели будет использовано достаточное число теоретических тарелок.
48