Худович И.М. Современные системы автоматизированного моделирован

В рассматриваемом примере, после двойного щелчка левой клавишей мыши по сырьевому потоку колонны в окне Edit Streams (рис. 4.3.6), задается температура (40 °С) и давление потока (767 кПа), а также его состав, в соответствии с таблицей 4.1 (предварительно установив в графе Comp unit (Единицы измерения компонентов) размерность состава (кг/час)).

Рис. 4.3.6. Окно задания параметров потока программы ChemCad

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 Edit Unit Op Data (Редактирование параметров единицы оборудования) и соответствующие команды меню Specifications (Спецификации). Задание параметров оборудования выполняется в режиме

Mode: Simulation.

Команда Specifications/Select UnitOps (Спецификации/Выбор обору-

дования) позволяет выбрать отдельные единицы оборудования. Их выбор выполняется аналогично выбору потоков.

Команда Specifications/All UnitOps (Спецификации/Все оборудование) позволяет автоматически выбрать все оборудование технологической схемы. Окна для ввода параметров появляются на экране последовательно, в соответствии с ID номерами оборудования.

79

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.

Вокне редактирования колонны, вызываемого двойным щелчком левой клавиши мыши по соответствующей пиктограмме элемента расчетной схемы, необходимо задать основные параметры (раздел General), спецификации (раздел Specifications), начальные приближения и параметры сходимости (раздел Convergence).

Вразделе основных параметров (General, рис. 4.3.7) выбирается 2 тип конденсатора Total with decant (Полная конденсация с разделением), задается давление вверху колонны (Top pressure) 750 кПа, перепад давления через конденсатор (Cond press drop) 50 кПа, перепад давления через колонну (Colm press drop) 35 кПа, задается число теоретических ступеней контакта (No of stages) с учетом конденсатора и ребойлера. Указывается тарелка питания (Feed tray for stream) 12, имея ввиду, что нумерация тарелок начинается сверху, а конденсатор является первой теоретической ступенью контакта.

Рис. 4.3.6. Раздел основных параметров колонны программы ChemCad

80

В разделе спецификации (Specifications, рис. 4.3.7) задается спецификация режима конденсатора (Condenser mode) и режима ребойлера (Select reboiler mode). Возможные варианты спецификаций в программе ChemCad значительно беднее, чем в рассмотренных ранее программах PRO/II и HYSYS. В связи с тем, что для конденсатора невозможно задать спецификацию по концентрации группы компонентов в смеси, как сформулировано в условиях рассматриваемого примера, для конденсатора выбрана спецификация по массовой доле компонента (Weight fraction of one component). В качестве характеризующего компонента выбирается гексан и задается его содержание в верхнем продукте на уровне 0,1 % мас. (принято на основании анализа результатов решения данного примера в рассмотренных выше УМП). Для ребойлера задается аналогичная спецификация по n-бутану. Его концентрация в нижнем продукте, в соответствии с заданием, составляет 2,76 % масс.

Рис. 4.3.7. Раздел спецификаций колонны программы ChemCad

Раздел начальных приближений и параметров сходимости (Convergence, рис. 4.3.8) состоит из 6 блоков: General estimates (Главные началь-

ные приближения), Temperature estimates (Начальные приближения по температуре), Side product estimates (Начальные приближения бокового продукта), Convergence (Сходимость), Thermosyphon reboiler (Термоси-

фонный ребойлер), Calculated results (Результаты расчета).

Для решения материального, теплового, баланса равновесия и баланса спецификаций необходимы начальные профили колонны (начальные приближения). Они или могут быть заданы пользователем, или выработаны самой программой с помощью генератора начальных приближений. В идеале единственным приближением, которое должен задать пользователь, являет-

81

ся расход верхнего продукта колонны (Dist. rate). Другая крайность – это задание пользователем полного набора оценок значений температуры и расходов. Алгоритм генерации начальных приближений программы ChemCad может вырабатывать эти значения, и пользователь не должен задавать примерных значений параметров за исключением самых трудных случаев моделирования.

Вблоке Convergence пользователю предоставляется возможность задать максимальное число итераций (значение по умолчанию 20), погрешность расчета (значение по умолчанию 0,00005) и демпинг фактор (значение по умолчанию 1). Демпфирующий фактор (Damping Factor) меньший, чем единица, может использоваться для улучшения сходимости при расчете сложных колонн.

Вблоке Calculated results приводятся основные результаты предыдущего расчета.

Врассматриваемом примере задается начальное приближение по расходу дистиллята (Dist. rate) равное 3,856 кмоль/ч (232 кг/час). Следует обратить внимание, что начальные приближения в данной программе могут задаваться только в кмоль/час (в системе CИ). Остальные параметры данного раздела в рассматриваемой задаче не изменяются (для параметров сходимости принимаются умолчания).

Рис. 4.3.8. Раздел начальных приближений и параметров сходимости ChemCad

82

В окне редактирования насоса, вызываемого двойным щелчком левой клавиши мыши по соответствующей пиктограмме элемента расчетной схемы, в рассматриваемом примере, необходимо выбрать в качестве спецификации расчета давление на выходе (Mode: Specify outlet pressure), задать значение спецификации (1000 кПа) и эффективность (Efficiency) насоса, например, условно равную 0,9 .

8.Запуск программы моделирования. Для проведения моделирова-

ния технологической схемы используются команды меню Run (Счет). С помощью этих команд можно задавать последовательность расчета и выполнять контроль над ходом расчета.

Рассмотрим варианты моделирования технологической схемы:

–Run All (Счет всего) – рассчитывает все оборудование технологической схемы. При этом программа в первую очередь проверяет все данные перед началом расчетов. В процессе проверки она может выдавать как предупреждения, так и сообщения об ошибках. Расчет не будет выполняться до тех пор, пока не будут устранены причины этих ошибок. Последовательность расчета модулей оборудования определяется программой автоматически;

–Run Selected Units (Счет выбранного оборудования) – выполняет расчет одной или более единиц выбранного оборудования. Процесс выбора тот же, что и при работе с командой UnitOps (Оборудование). Команда может использоваться для задания последовательности расчета;

–Recycles (Рециклы) – позволяет идентифицировать порядок расчета рециклов технологической схемы и рассчитать их;

–Calculation sequence (Последовательность расчета) – позволяет задать свою последовательность расчета.

После выполнения команды на экран выводится окно ChemCad Message box с сообщением о результатах расчета. Для продолжения расчета надо нажать кнопку Yes (Да), в противном случае No (Нет).

9.Просмотр результатов. Просмотр полученных результатов используется как на промежуточных этапах моделирования технологической схемы, так и по его завершении. При просмотре в любой момент все данные для моделирования и его результаты можно распечатать или записать в файл.

Для просмотра используются команды меню Results (Результаты) и Plot (Граф.), доступные в режиме Mode: Simulation.

Просмотр с помощью меню Results (Результаты). Команды меню

Results (Результаты) используются при просмотре на экране всех данных

83

для моделирования и результатов моделирования в табличной форме. Результаты просмотра выводятся в окне редактора WordPad.

Перед просмотром с помощью команды Results/Set Flow Units (Результаты/Размерности расхода), при необходимости, можно выбрать новые глобальные размерности расхода.

Команда Results/Stream Compositions (Результаты/Составы потоков) выводит на экран подменю с различными командами для просмотра составов потоков технологической схемы:

–Select Streams (Выбор потоков) – позволяет задать один или более потоков для просмотра на экране;

–All Streams (Все потоки) – выводит на экран составы всех потоков технологической схемы;

–Feed Streams (Потоки питания) – позволяет просмотреть составы только потоков питания технологической схемы;

–Product Streams (Потоки продуктов) – выбирает для просмотра только продуктовые потоки;

–Unit Streams (Потоки единицы оборудования) – выводит на экран только те потоки, которые связаны с выбранной единицей оборудования.

Команда Results/Stream Properties (Просмотр/Свойства потоков) выводит на экран подменю с различными командами для просмотра свойств потоков.

Команда Select Properties (Выбрать свойства) позволяет выбрать нужные свойства потоков, которые будут выводиться при просмотре.

С помощью следующих команд меню Results можно:

–UnitOp's (Оборудование) – просмотреть исходные данные и рассчитанные величины для одной или более выбранных единиц оборудования;

–Topology (Топология) – вывести на экран матрицу процесса;

–Thermodynamics (Термодинамика) – вывести на экран установленные для текущего задания термодинамические опции;

–Tower Profiles (Профили по колонне) – просмотреть профиль ректификации для выбранной колонны: число ступеней, температуру, давление, расходы жидкости и пара, расход питания, выход продукта, тепловую нагрузкукипятильникаиконденсатора, расход, нагрузкуциркуляционногонасоса;

–Tray Compositions (Составы на тарелках) – вывести на экран значения температуры, давления, состава жидкости и пара, константы равновесия для каждой ступени выбранной ректификационной колонны;

84

–Tray Properties (Свойства на тарелках) – выполнить просмотр транспортных свойств жидкости и пара для указанных ступеней выбранной ректификационной колонны;

–Distillation Curves (Кривые дистилляции) – выбрать один или более потоковдляпросмотраполногонаборакривыхдистилляциивтабличнойформе;

–Convergence (Сходимость) – вывести на экран все установленные параметры сходимости.

Результаты просмотра можно сохранить в файле формата doc, выполнив команду Файл/Сохранить.

Просмотр с помощью меню Plot (Граф.). Для графического изобра-

жения результатов моделирования используются команды меню Plot (Граф.). С помощью этих команд можно вычертить профили по колоннам, изменения свойств потоков и диаграммы парожидкостного равновесия.

10. Составление отчета. ChemCad позволяет создавать отчет о результатах моделирования в виде таблиц с помощью команды

Output/Report/Calculate and Give Results (Выходные данные / Отчет / Рас-

считать и выдать результаты). Их можно вывести на экран, сохранить в текстовом файле со стандартной кодировкой символов (ASCII), в файле типа (PRN) или послать отчет на устройство печати. Программа имеет стандартный формат вывода отчета, однако при необходимости его можно изменить в окне Report Menu (доступно по команде Output/Report). Можно указать, какие части отчета, а также какие потоки и свойства будут включены в отчет. Имеются опции для задания формата выводимых чисел.

Отчет можно получить в табличной (текстовой) форме и в виде диаграммы технологического процесса.

Ниже приводятся элементы отчета по решению рассматриваемой задачи, посвященные колонне и насосу:

85

Как видно из результатов расчета программы ChemCad расчетная температура в конденсаторе составляет 57,2 °С, в ребойлере 131,1 °С, тепловая нагрузка конденсатора 121,1 МДж/час, ребойлера 313,7 МДж/час. Мольная кратность орошения в колонне 0,564.

Расчет насоса показал, что его мощность (при кпд 90 %) должна составлять 0,0964 кВт, а напор насоса составит 41,308 м.

4.4.Сравнительный анализ результатов расчета в различных УМП

Втабл. 4.4.1 приведены обобщенные основные результаты расчета рассмотренного выше примера в программах PRO/II, HYSYS и ChemCad.

Как видно из таблицы, результаты расчета различных программ практически одинаковы.

Существующие незначительные расхождения в первую очередь связаны с итерационностью расчета и различной точностью сведения спецификаций при нем (не редактировалась при проведении расчета, принимались значения по умолчанию специфические для каждой УМП). Кроме того, алгоритм реализации математической модели расчета термодинамиче-

86

ских свойств (в реализованном примере – Соав-Редлих-Квонг), в рассмотренных программах различен, что вносит свою составляющую в погрешность расчета в целом в силу итерационности расчета некоторых свойств компонентов (например, констант фазового равновесия).

Таблица 4.4.1

Результаты расчета

87

5.РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ОПТИМИЗАЦИИ В НЕФТЕПЕРЕРАБОТКЕ

Внастоящее время решение оптимизационных задач в нефтепереработке способствует проектированию значительно более экономичных и надежных химико-технологических систем, а также позволяет более эффективно управлять работой действующих.

5.1. Общие сведения

Оптимизационные расчеты математически и, соответственно, программно гораздо сложнее, чем просто балансовые, кроме того, в настоящее время они достаточно непривычны для проектировщиков. Но главное и принципиальное затруднение их реализации связано с частичной неопределенностью информации, которой мы располагаем, когда должны решать задачу оптимизации. Разработка именно этой проблемы обещает ученым и производителям УМП очередной прорыв в моделировании и повышении эффективности химического производства.

Неопределенность практически всегда имеет место на этапе проектирования и часто – на этапе эксплуатации ХТС. Наличие неопределенности информации требует как новых математических постановок задач, так и новых методов их решения.

Неопределенности бывают двух родов. Одни из них, такие как параметры сырья и температура окружающей среды, могут изменяться во время работы системы, оставаясь в пределах некоторого диапазона изменений. Для них принципиально невозможно указать единственное значение. Другие могут быть в реальности постоянными для данного процесса, но их значения нам известны лишь с точностью до некоторого интервала, как, например, некоторые коэффициенты в кинетических уравнениях или уравнениях тепло- и массопереноса.

Нельзя сказать, что до сих пор при решении задачи оптимизации неопределенности просто игнорировались. Они учитывались, но приближенным и волевым способом, который состоит в следующем. Неопределенным переменным на основе опыта и интуиции присваиваются некоторые «номинальные» (обычно – средние) значения. Решается задача оптимизации с этими значениями в традиционной постановке, в результате чего определяются номинальные оптимальные величины параметров оборудования (длины и диаметра реактора, поверхностей теплообмена в теплообменниках, числа тарелок в ректификационных колоннах и т.п.). После этого с учетом знаний о процессе, опять же волевым способом, вводят так на-

88