Моделирование технологических и природных систем. Учебное пособие

дерева графа, который позволяет выявить обратные потоки и замкнутые контуры. Для построения прадерева графа необходимо создать таблицу инцидентных вершин графа (табл. 3).

Построение прадерева графа. Для установления контуров соединяются инцидентные вершины графа в направлении движения потока

(рис. 19).

5

II III

31

Рис. 19. Прадерево графа

51

Таблица 4

Матрица контуров

ОРМД соответствует максимальному значению контурной степени дуги, которая показывает принадлежность дуги данным контурам (табл. 4). Целесообразно разорвать дугу, которая присутствует во всех контурах, потому что в этом случае, разорвав все контуры, мы избавляемся от замкнутых циклов и можем определить последовательность расчета ХТС.

Находим ОРМД = fi → max. Для разрыва всех контуров ОРМД = 3-4; 4-7. Выбираем дугу 3-4, в точке разрыва ставим итерационный блок (ИБ). Расчет начинается с точки разрыва, т.е. с итерационного блока (рис. 20).

Рис. 20. Схема замкнутой ХТС с итерационным блоком

Находим последовательность расчета: ИБ, 4, 7,6,5,1,2,3

52

Определив последовательность расчета, переходим к следующему этапу – составляем материальный баланс для каждого элемента ХТС.

3. Для описания материальных потоков каждого элемента рекомендуется воспользоваться схемой модуля делителя-смесителя. Такой модуль позволяет наглядно увидеть все входные и выходные потоки для каждого элемента. Основное условие этого метода – масса всех входных потоков равна массе всех выходных потоков (закон сохранения массы).

Представим схемы модуля делителя-смесителя для каждого элемента ХТС в соответствии с найденной выше последовательностью расчета:

53

Таким образом, переходя от одного элемента к другому в соответствии с заданной последовательностью, можно рассчитать всю ХТС.

4. Расчет материального баланса ХТС.

Поскольку в точке разрыва ХТС нет данных о материальном потоке, в этом случае начинаем расчет, задав начальное значение потока G3н. Приступаем к первой итерации, приняв, что начальное значение потока не превышает исходного значения минимального входного потока.

Выполнив расчет, получаем значение потока, которое значительно отличается от заданного. В табл. 5 погрешность первой итерации составила 224 %. Продолжаем расчет с той величины, которую получили в первой итерации.

Таблица 5

Результаты расчета материального баланса ХТС

54

Погрешность второй итерации составляет 16 %. Продолжаем расчет до тех пор, пока в точке разрыва ХТС потоки G3Н и G’3 не будут равны и погрешность не составит 0 % (ведь, по сути, это один поток G3, который мы разорвали, чтобы рассчитать всю ХТС).

В результате такого расчета получаем значения массы всех потоков ХТС (и промежуточных, и выходных), т.е. рассчитываем материальный баланс ХТС.

Контрольные вопросы

1.Как классифицируются структурные модели?

2.Как может быть представлена структурная модель системы?

3.Методы расчета химико-технологических систем.

4.В виде каких матриц представляются графы?

5.Как определяется последовательность расчета для замкнутых ХТС?

8.ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

8.1. ХАРАКТЕРИСТИКА СПЕЦИАЛЬНЫХ ПРОГРАММ МОДЕЛИРОВАНИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Проектирование современных химических производств, их оптимизация и управление невозможны без специализированного программного обеспечения. Основой этих специальных программ являются математические модели химических и физических процессов, математическое описание химико-технологических объектов.

Программы, позволяющие моделировать любой химико-технологи- ческий объект и осуществлять их исследование с помощью вычислительного эксперимента, имеют большое значение для проектирования, оптимизации и управления действующими производствами.

Моделирующие программы разрабатываются фирмами США и Канады, хотя существуют и российские разработки (GIBBS, КОМФОРТ и др.). Лидирующие позиции на рынке программных продуктов

55

моделирования занимают продукты трех иностранных компаний –

Invensys Process Systems (в состав которой входит SimSci – Esscor), Aspen Technologies (с вошедшей в ее состав компанией Hyprotech) и

ChemStations [6].

В моделирующих системах используются общие принципы расчетов материальных и тепловых балансов химических процессов. Во всех программах заложены средства моделирования химических и физических процессов, протекающих в одно- и многофазных системах (реакторы, экстракторы, кристаллизаторы, центрифуги, фильтры, сушилки, теплообмен в многопоточных теплообменниках, сложные дистилляционные системы со стриппингами, боковыми орошениями, подогревателями). Технологическая схема определяет последовательность расчета. Каждый элемент технологической схемы соответствует определенной технологической операции, осуществляемой в отдельно взятом аппарате или группе аппаратов. Анализ и синтез технологической схемы основан на использовании термодинамических, кинетических, гидродинамических закономерностей, особенностей теплообмена и массообмена в элементах системы.

Для решения задач моделирования химико-технологических процессов программа должна включать следующие подсистемы [6]:

−термодинамические данные по индивидуальным веществам, позволяющие рассчитать характеристики любых смесей компонентов;

−база данных свойств природных углеводородных смесей (нефтей и газоконденсатов), описания качественного состава рабочих смесей по данным лабораторного анализа;

−методы расчета термодинамических свойств (коэффициент фазового равновесия, энтальпия, энтропия, плотность, растворимость газов и твердых веществ в жидкостях и фугитивность паров);

−математические модели для расчета отдельных элементов технологических схем-процессов;

−средства для формирования технологических схем из отдельных элементов;

56

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

В настоящее время создание моделирующих программ основано на блочном принципе. Такая модульная структура программ обеспе-

чивается с помощью стандарта CAPE-OPEN (Open Computer Aided Process Engineering) – специально разработанного стандарта в системе компьютеризированного моделирования технологического производства, предназначенного для согласования между собой компонентов универсальных моделирующих программ различных разработчиков. Стандарт CAPE-OPEN поддерживают следующие производители программного обеспечения: ANSYS, Aspen Technology (Aspen Plus,

HYSYS), Heat Transfer Research Inc. (HTRI), SimSci-Esscor (PRO/II), Virtual Materials Group (VMGSim. VMGThermo) и многие другие [6].

Рис. 21. Схема типичной универсальной моделирующей программы (с позиций стандарта CAPE-OPEN)

Блочная структура позволяет быстро адаптировать и модифицировать специализированные программы, а также расширить возможности модулирующих программ за счет подключения новых модулей

(рис. 21).

57

Блочная структура дает возможность создать любую моделирующую программу в виде многоуровневой иерархической системы. Модульная структура программ основана на следующих принципах [4]:

−принцип включения – предусматривает включение отдельных программ в систему без изменения их структуры и функций за счет адаптирующих программ, выполняющих роль посредника;

−принцип системного единства – на всех стадиях создания, функционирования и развития предусматривается целостность системы за счет связей между подсистемами;

−принцип развития – обеспечение условий включения новых элементов и связей между ними, интеграция баз данных;

−принцип информационного единства – в подсистемах должны использоваться единые способы представления информации.

8.2. ОСНОВНЫЕ МОДУЛИ СПЕЦИАЛЬНЫХ ПРОГРАММ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Блочная структура специализированных программ предполагает наличие базовых подсистем, без которых система моделирования не может функционировать.

1.Модуль расчета термодинамических величин по чистым веществам. Модуль представляет собой базу данных физикохимических свойств чистых компонентов.

2.Модуль представления свойств нефтей и газовых конден-

сатов.

Предоставляется возможность внести составы смесей углеводородов, полученные при лабораторных исследованиях.

3. Модуль методов расчета термодинамических свойств.

В подсистему включены методы расчета коэффициентов активности жидкости, расчет фугитивности паров, обобщенные корреляции Чао – Сидера, Соава – Редлиха – Квонга, методы расчета коэффициентов фазового равновесия, специальные методы для расчета специфических систем компонентов (спирты, амины, гликоли), уравнения состояния Пенга – Робинсона.

58

4. Модуль средств моделирования процессов.

Подсистемы моделирования физических процессов: сепарации, конденсации, испарения, дросселирования, тепловые процессы, процессы дистилляции, адсорбции, абсорбции.

5. Модуль построения технологических схем.

В программе используются специальные подсистемы с визуальным интерфейсом или подсистемы табличного кодирования. Визуальный интерфейс позволяет строить технологическую схему на экране компьютера. Табличное кодирование предполагает присвоение адресов соответствующим элементам и потокам.

6. Модуль расчета технологических схем.

Расчетный модуль, представленный в виде системы уравнений, описывающих проектируемую установку. Математическое описание включает уравнения расходов и составов; термодинамических свойств потоков; моделей выбранных процессов. Последовательность расчета задается пользователем или определяется автоматически по алгоритмам, заложенным в модуле.

Если в технологической схеме предусмотрены обратные потоки (рециклы), которые создают замкнутые контуры в химико-технологи- ческой системе, то используется итерационный метод. Данный метод подробно с примером представлен выше в главе 7.4. Замкнутые контуры разрываются, и определяется последовательность расчета через метод расчета рециклов.

7. Модуль динамического моделирования.

Данная подсистема позволяет проводить расчеты для химикотехнологических систем в динамическом режиме, когда параметры системы переменны во времени. С помощью этого модуля можно прогнозировать поведение системы в разных ситуациях: пусковые режимы, нештатные ситуации, дрейф активности катализатора и т.д.

8. Модуль конструкции аппаратов.

Расчет химико-технологического объекта завершается подбором соответствующего оборудования, поэтому в современных программах заложены модули конструкций емкостного оборудования, тепло-

59

обменной аппаратуры, насадочных и тарельчатых колонн, печей, сепарационного оборудования.

Подсистема конструкции аппаратов содержит в основном стандартное оборудование. Разработка нестандартного оборудования также может быть выполнена в рамках моделирующей программы.

Такой модуль позволяет выполнить предварительную оценку стоимости аппаратов различной конструкции, что очень важно при создании новой технологии. Оценка капиталовложений позволяет выбрать оптимальный вариант химико-технологической системы.

8.3. СИСТЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Лидирующие позиции в области разработки программ моделиро-

вания занимают компании ChemStations, Aspen Technologies.

HYSYS и HYSIM предназначены для проектирования процессов газопереработки, нефтепереработки и нефтехимии.

Впрограммах заложены алгоритмы расчета ректификационных колонн различной степени сложности и широкий набор задаваемых спецификаций. Исходные данные вводятся в программах в специальные таблицы, по которым строится изображение технологической схемы в формате AUTOCAD.

Впрограммы можно интегрировать дополнительный пакет Hyprop, предназначенный для обработки экспериментальных данных. Полученные зависимости используются в расчетах.

Программа HYSYS позволяет рассчитывать не только стационарные, но и динамические режимы работы химико-технологических систем, дает возможность проводить многокритериальную оптимизацию при проектировании новых производств и модернизации существующих процессов на основе данных, непосредственно поступающих с действующих производств.

HYSYS преимущественно используется в нефтегазовом секторе, позволяет создавать модели установок, заводов и месторождений как

встатике, так и в динамике. В программе заложена возможность моделировать колонны любой сложности, заложены алгоритмы расчета

60