Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системный анализ химико-технологических процессов с использованием программы ChemCad. Учебно-методическое пособие
.pdf
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Казанский государственный технологический университет»
Н.Н. Зиятдинов, Т.В. Лаптева, Д.А. Рыжов, Н.Ю. Богула
СИСТЕМНЫЙ А
НАЛИЗ
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММЫ CHEMCAD
Учебно-методическое пособие
Казань
КГТУ
2009
УДК 66.004
Зиятдинов Н.Н.
Системный анализ химико-технологических процессов с
использованием программы ChemCad: учебно-методическое пособие /
Н.Н. Зиятдинов, Т.В. Лаптева, Д.А. Рыжов, Н.Ю. Богула. – Казань : Изд-во
Казан. гос. технол. ун-та, 2009. – 212 с.
ISBN 978-5-7882-0806-0
В пособии приведены основные определения, используемые при
анализе и синтезе химико-технологических систем. Даны
формализованные постановки задач анализа, оптимизации и синтеза
химико-технологических систем. Изложены сведения о подходах к
решению перечисленных задач с использованием моделирующей
программы ChemCad. Описаны этапы моделирования и приемы работы с
программой. Излагаемый материал сопровождается вопросами для
самопроверки и упражнениями для его усвоения.
Предназначено для студентов всех форм обучения, изучающих
дисциплины «Системный анализ ХТП и систем» специальности 240803,
«Анализ ХТП с применением моделирующих программ» специальности
220301.65, «Применение ЭВМ в инженерных расчетах» направления
240400, а также магистрантов, аспирантов, слушателей курсов повышения
квалификации, преподавателей и сотрудников, желающих освоить методику
работы с моделирующими программами.
Подготовлено на кафедре системотехники.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского
государственного технологического университета.
Рецензенты проф. А.Г. Лаптев
проф. В.Н. Шарифуллин
ISBN 978-5-7882-0806-0
Зиятдинов Н.Н., Лаптева Т.В.,
Рыжов Д.А., Богула Н.Ю., 2009
Казанский государственный
технологический университет, 2009
Содержание
Введение.......................................................................................................6
1. Основные сведения о подходах к исследованию и проектированию
ХТС ...............................................................................................................9
1.1. Эффективность функционирования ХТС, свойства ХТС.................9
1.2. Понятие о моделируемой схеме........................................................11
1.3. Формализованная постановка задач расчета и оптимизации и ХТС
.....................................................................................................................12
1.3.1. Математическая модель ХТС.........................................................12
1.3.2. Постановки задач расчета ХТС......................................................13
1.3.3. Постановка задачи оптимизации ХТС..........................................15
1.3.4. Постановки задачи оптимального синтеза ХТС...........................16
1.4. Расчет ХТС..........................................................................................
1.4.1. Структурный анализ ХТС...............................................................16
1.4.2. Методы расчета комплекса.............................................................18
1.5. Оптимизация ХТС ..............................................................................20
1.6. Оптимальный синтез ХТС.................................................................27
1.7. Вопросы для самопроверки...............................................................30
2. Общие сведения о моделирующей программе ChemCad ..................32
2.1. Загрузка и завершение работы с программой ChemCad.................33
2.2. Использование справочной системы ChemCad...............................34
2.3. Структура рабочего окна ChemCad ..................................................34
3. Моделирование технологического процесса......................................36
3.1. Создание нового файла технологической схемы.............................36
3.2. Выбор технических размерностей....................................................37
3.3. Упражнение. Создание нового задания............................................39
3.4. Выбор компонентов............................................................................42
3.5. Упражнение. Выбор компонентов....................................................44
3.6. Выбор термодинамических моделей ................................................44
3.7. Упражнение.
термодинамических свойств смеси........................................................52
3.8. Построение технологической схемы................................................53
3.9. Упражнение.
технологической схемы ..........................................................................56
3.10. Изображение потоков на технологической схеме.........................57
Выбор м
Размещение п
оделей расчета
иктограмм
16
3
3.11. Упражнение. Соединение пиктограмм
технологической схемы .........................................................................58
п
.12. Задание
3
и разрываемых потоков..........................................................................58
3.13. Упражнение. Задание параметров потоков питания.....................60
3.14. Ввод параметров оборудования ......................................................60
3.15. Упражнение.
технологической схемы .........................................................................95
3.16. Выбор
схем с рециклами....................................................................................99
3.17. Упражнение. Задание параметров сходимости............................102
3.18. Запуск программы моделирования.............................................. 103
3.19. Упражнение. Моделирование технологической схемы............. 104
3.20. Вопросы для самопроверки.......................................................... 105
4. Интерактивный просмотр результатов............................................. 106
4.1. Просмотр с помощью меню Results (Результаты)........................ 106
4.2. Просмотр результатов с помощью меню Plot (График)............... 109
4.3. Упражнение. Просмотр результатов расчета................................ 121
4.4. Составление отчета.......................................................................... 122
4.5. Упражнение. Формирование отчета.............................................. 130
4.6. Вопросы для самопроверки............................................................ 131
5. Исследование чувствительности....................................................... 132
5.1. Формирование анализа чувствительности.................................... 132
5.2. Выполнение анализа чувствительности ........................................ 134
5.3. Просмотр результатов анализа чувствительности ...................... 134
5.4. Упражнение.
технологической схемы ....................................................................... 136
5.5. Вопросы для самопроверки ........................................................... 138
6. Использование контроллеров............................................................ 139
6.1. Контроллер
переменной технологической схемы.................................................. 141
6.2. Контроллер
переменной технологической схемы.................................................. 142
6.3. Упражнение.
значения переменной ........................................................................... 144
6.4. Упражнение. Контроллер подбора значения переменной........... 146
6.5. Упражнение. Контроллер подбора значения переменной........... 147
параметров сходимости для расчета
араметров потоков питания
Ввод спецификаций аппаратов
Исследование чувствительности
прямого присвоения значения
подбора значения
Контроллер прямого присвоения
4
6.6. Упражнение. Моделирование ректификационной
колонны для разделения пропан-пропиленовой фракции................ 150
6.7. Упражнение.
водно-гликолевого раствора гидратацией оксида этилена............... 155
6.8. Вопросы для самопроверки ........................................................... 162
7. Оптимизация стационарных режимов процессов............................ 163
7.1. Задание критерия оптимальности.................................................. 165
7.2. Поисковые переменные................................................................... 166
7.3. Ограничения на зависимые переменные процесса....................... 168
7.4. Настройка метода решения задачи оптимизации......................... 169
7.5. Решение задачи оптимизации......................................................... 170
7.6. Упражнение. Оптимизация
пропиленовой колонны....................................................................... 171
7.7. Вопросы для самопроверки ............................................................ 178
Библиографический список................................................................... 179
Приложения............................................................................................. 180
Приложение 1. Описание панели инструментов
рабочего окна ChemCad......................................................................... 180
Приложение 2. Описание элементов палитры моделей
оборудования Main Palette..................................................................... 183
Приложение 3. Рекомендации по использованию моделей
расчета констант фазового равновесия
и моделей расчета энтальпии ................................................................ 191
Приложение 4. Контрольные задания по моделированию колонны для
разделения изобутан-бутановой фракции ............................................ 194
Моделирование установки получения
режима работы пропан-
5
ВВЕДЕНИЕ
Под химико-технологической системой (ХТС) понимается
совокупность аппаратов химической технологии, взаимосвязанных
материальными и энергетическими потоками, в которой
осуществляется переработка сырья в промежуточный или конечный
продукт. Если ХТС включает рецикловые материальные и
энергетические потоки, вводимые с целью максимального
использования сырья и энергоресурсов, то она называется замкнутой. В
противном случае ХТС считается разомкнутой.
Создание ресурсо-, энергосберегающих технологий привело к
широкому распространению замкнутых ХТС. Примерами могут
служить производства: стабильного газового бензина,
нефтепереработки, гидроочистки дизельного топлива, этилена, окиси
этилена, фенола-ацетона, изопрена, аммиака, азотной кислоты и многие
другие.
При проектировании и исследовании химико-технологических
производств требуется провести расчет материального и теплового
балансов. Эта задача часто называется расчетом стационарного режима
ХТС (или просто расчетом ХТС). Задача многовариантного расчета
ХТС позволяет исследовать свойства ХТС. Задача оптимизации ХТС
находит оптимальные режимы функционирования как отдельных
аппаратов, так и ХТС в целом. При проектировании решается задача
оптимального синтеза ХТС: определяются оптимальные топология
(взаимосвязь) аппаратов технологической схемы, аппаратурное
оформление и режимы функционирования аппаратов и ХТС в целом.
Сложности решения обозначенных задач заключаются в
разнообразии моделируемых процессов химической технологии,
высоких требованиях к точности математических моделей
описываемых процессов и к методам расчета термодинамических и
физико-химических свойств веществ участвующих в процессе,
многомерности задачи расчета и оптимизации, сложности расчета
критерия оптимальности, многоэкстремальности, многовариантности.
Для того, чтобы быстро и результативно решить поставленные
задачи с применением компьютеров необходимо иметь:
азу термодинамических данных опорных констант чистых
1) б
веществ, участвующих в химико-технологическом процессе
(молекулярная масса, критические температуры, давления, плотности,
дипольные моменты, константы для расчета теплоемкостей и т.д.);
6
2) программы различных методов расчета термодинамических и
физико-химических свойств веществ и их смесей (парожидкостного
равновесия, энтальпии, плотности, вязкости, теплоемкости,
теплопроводности и т.д.);
3) программы математических моделей аппаратов химической
технологии, включающие эффективные методы их расчета;
4) программные средства, обеспечивающие формирование
моделируемой технологической схемы из математических моделей
отдельных аппаратов;
5) программы алгоритма структурного анализа, предназначенные
для определения последовательности расчетов элементов ХТС;
6) программы методов решения системы нелинейных уравнений, к
которым сводится расчет материально-теплового баланса замкнутой
ХТС;
рограммы методов оптимизации, предназначенные для поиска
7) п
оптимальных режимов работы и оптимальных конструктивных
параметров как отдельных элементов ХТС, так и ХТС в целом;
8) программы моделирования динамических режимов отдельных
аппаратов технологических схем, которые позволяют собрать и
испытать схему регулирования, исследовать переходные режимы,
получить представление о реально работающем процессе;
9) интерактивные средства для взаимодействия пользователя с
перечисленными программами, которые обеспечивают удобство вводавывода информации, наглядность представления исходной информации
и результатов расчета;
10) организационный программный модуль, обеспечивающий
управление выполнением всех программ.
Такой комплекс программ, работающий под управлением главной
организующей программы, называется пакетом моделирующих
программ (ПМП).
Из всего множества предлагаемых на рынке программных средств
моделирования ХТП и ХТС лидирующие места занимают следующие
ПМП: ASPEN PLUS, HYSYS
www.aspentech.ru), ChemCad (фирма Chemstations Inc., USA,
www.chemstation.com), PRO/II (ф
www.simsci.com).
(фирма AspenTechnology, Inc., USA,
ирма Simulation Sciences, Inc., USA,
7
Наличие в ПМП дружественного интерфейса позволяет легко и
просто формировать топологию ХТС, выбирая и соединяя между собой
различные пиктограммы, изображающие аппараты химической
технологии, задавать параметры известных потоков и параметры
аппаратов, формировать задачу исследования (расчет, многократный
расчет, оптимизация и другие), проводить решение задачи, а также
выводить результаты расчетов в удобной для пользователя форме.
Благодаря правильному использованию современных моделей и
методов расчета физико-химических и термодинамических свойств
веществ и их смесей, а также современных моделей аппаратов,
результаты расчетов обладают достаточной достоверностью.
Эффективные методы расчета и оптимизации ХТС позволяют получить
результаты задач в приемлемые сроки.
Применение ПМП в решении обозначенных задач дает высокую
экономическую эффективность. Так, по существующим приближенным
оценкам при модернизации производств с использованием ПМП можно
достичь экономии средств от 10 до 67%. Такая экономия достигается за
счет существенного сокращения сроков проектирования, быстрой
технико-экономической оценки множества раннее не рассматриваемых
альтернативных вариантов технологического и конструктивного
оформления реконструируемого производства. При использовании
программы в режиме реального времени в современных АСУТП и
АСУП экономия составляет от 0,5 до 3 % и достигается за счет
оптимального управления технологическим процессом по единому
технико-экономическому критерию, рассчитываемому с применением
ПМП. При управлении с применением ПМП учитывается как
внутреннее взаимодействие отдельных технологических процессов
производства, так и внешняя конъюнктура рынка.
В предлагаемом пособии рассматриваются основные сведения,
необходимые для решения вышеперечисленных задач, методика
проведения автоматизированного расчета и оптимизации ХТС с
применением моделирующей программы ChemCad. Приведены
примеры решения задач с использованием программы ChemCad.
8
1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ХТС
1.1. Эффективность ХТС, свойства ХТС
При решении задач исследования, интенсификации существующих и
проектирования новых производств качество функционирования ХТС
оценивается по критерию эффективности.
Критерий эффективности ХТС характеризует степень
приспособления ХТС к выполнению поставленных перед нею задач.
Различают технологические и экономические критерии эффективности.
К технологическим критериям относятся в частности
производительность, качество выпускаемой продукции,
разделительный потенциал, конверсия, селективность,
термодинамический или эксергетический к.п.д. элементов ХТС и др. К
числу экономических критериев относятся себестоимость, прибыль,
приведённый доход, приведённые затраты и др.
Как и любая система, ХТС обладает общесистемными свойствами. В
частности, к ним относятся свойства целостности и членимости,
связности, интегративности.
Свойство целостности и членимости. Система – это, прежде
всего, целостная совокупность взаимосвязанных элементов. Она
допускает детализацию (расчленение) на подсистемы, т.е.
пространственно-временные агрегаты, состоящие из взаимосвязанных
элементов. Элементы системы при определенных условиях могут
рассматриваться как самостоятельные системы, а сама система – как
элемент более высокого уровня допускает иерархического расчленения.
Расчленение системы на подсистемы и элементы часто является
условным и зависит от целей проводимого исследования. Пример:
аппарат ХТС состоит из отдельных конструкционных элементов,
которые в свою очередь могут разбиваться на более мелкие
конструкции. Или аппарат может рассматриваться как физикохимическая система (ФХС), представляющая собой многоуровневую
структуру, каждый уровень которой характеризуется своими
пространственно-временными масштабами. Другой пример. ХТС в
нашем случае рассматривается как технологическая установка, которая
является элементом более крупной системы – завода, который в свою
очередь может быть элементом в производственном объединении.
9
Свойство связности. Система существует как целостное
образование тогда, когда сила межэлементных связей внутри системы
выше, чем сила связи элементов с окружающей средой. Упорядоченная
в пространстве и времени совокупность элементов и связей образует
структуру системы.
Свойство интегративности (эмерджентность) состоит в том,
что она обладает свойством, присущим системе в целом, но не
присущим ни одному элементу в отдельности. Отсюда следует важный
вывод: система не сводится к простой совокупности элементов и,
изучая каждую из них в отдельности, нельзя познать все свойства
системы в целом. Поэтому эффективная работа отдельного аппарата
ХТС по технологическому, либо экономическому критерию не
гарантирует эффективность работы ХТС в целом. Вследствие этого
важным является рассмотрение исследуемой (проектируемой) ХТС и ее
отдельных аппаратов с учетом всего многообразия связей
существующих в ХТС. Это один из важнейших принципов системного
подхода к анализу сложных систем.
Наряду с общесистемными ХТС характеризуются следующими
свойствами:
– чувствительность – свойство системы изменять технологические
режимы функционирования под влиянием изменения собственных
параметров системы и внешних возмущающих воздействий;
– управляемость – свойство системы достигать желаемой цели
(заданного состава продукта, производительности и других критериев
эффективности) при ограниченных возможностях управления,
имеющихся в реальных условиях эксплуатации;
– надежность – частота отказов отдельных элементов и системы в
целом выполнять и сохранять заданные функции в заданных пределах
времени должна быть не выше заданной;
– помехозащищённость – способность системы эффективно
функционировать в условиях действия внутренних и внешних помех;
– устойчивость – способность системы возвращаться в
первоначальное состояние после прекращения действия возмущений;
– гибкость – способность системы исполнять возложенные на нее
функции (быть работоспособной) при изменениях внешних и
внутренних факторов.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]