Учебный курс по Aspen Plus. Методическое пособие для учебного курса
 Скачать 2.58 Mb.
|
|
TASC – это интерфейс к программе AspenTech, используемой для проектирования , конструкционных расчётов трубчатых теплообменников ⇒ HTFI-IST – это интерфейс к программе HTRI • Информация , относящаяся к геометрии и конфигурации теплообменников , вводится внутри специализированных программ Кривые теплосодержания • Все модели теплообменников могут рассчитывать тепловые кривые (Hcurves) • Для различных независимых переменных ( например , нагрузки или температуры ) могут быть построены таблицы для любого свойства , учитываемого в Aspen Plus • Эти таблицы могут быть распечатаны , преобразованы в графики или экспортированы для использования с другими программными продуктами разработки теплообменников Табличные результаты кривых теплосодержания Чтобы построить график , выделите столбец , соответствующий оси X, перейдите на Plot>X- Axis Variable. Аналогичным образом выберите данные , соответствующие оси Y. Постройте график : Plot>Display Plot (Add New Curve). 54 Графики кривых теплосодержания Вспомогательные потоки • Вспомогательные потоки (Utility) – это функция , которая может быть использована для расчёта потребления энергии отдельной типовой операции , стоимость энергии и ( или ) количество вспомогательных потоков каждого типа ( т е пар низкого , среднего и высокого давления ) • В отличие от материальных потоков , вспомогательные потоки в Aspen Plus реализованы как переменные , в которых предполагается , что имеется общий источник теплоносителей , доступный для использования , а их использование в каждой типовой операции рассчитывается на основе величины нагрева или охлаждения , требуемого блоком • Вы можете назначить вспомогательные потоки любому блоку , у которого указывается или вычисляется нагрузка или мощность ( за исключением MHeatX) • Доступны следующие виды вспомогательные потоки : – Уголь (Coal) – Электроэнергия (Electricity) – Газ (Gas) – Нефть (Oil) • Укажите тип расходов , стоимость и условия , либо значение нагрева или охлаждения , либо входящее или исходящее состояние Как происходит моделирование вспомогательных потоков • Для расчёта необходимых вспомогательных потоков определённого процесса не нужно даже изменять схему Просто выполните следующие шаги : 1. Создайте новый объект в папке Utilities 2. Выберите тип вспомогательных потоков из восьми доступных вариантов 3. Для расчёта стоимости вспомогательных потоков введите либо закупочную стоимость (Purchase price), либо стоимость энергии (Energy price) 4. Установите параметру расчётов (Calculation) значение Specify heating/cooling value ( по умолчанию ) или Specify inlet/outlet conditions ( установка значений на форме State Variables) и укажите значение нагрева или охлаждения в первом случае и условий на входе и выходе во втором 5. Откройте форму ввода блока , для которого задаются вспомогательные потоки и передаются на закладку Utility 6. Из выпадающего списка Utility ID выберите Ваш объект – Хладагент (Refrigerant) – Пар (Stream) – Вода (Water) – Общие ( любого состава ) (General) 55 2.10 Задание для самостоятельного моделирования по блоку HeatX Задание : Сравнить моделирование теплообменника , использующего воду для охлаждения углеводородной смеси с помощью трёх методов : два нагревателя , соединённых потоком тепла (Heat), простой модели HeatX и детальной модели HeatX Имя файла HEATX.BKP Поток Углеводороды Условия Total flow ( расход ) 10000 кг / час T 200°C P 4 bar Состав , массовые проценты Бензол (benzene) 50 Стирол (styrene) 20 Этилбензол (ethylbenzene) 20 Вода (water) 10 Фазовый состав газ - жидкость - жидкость Поток Охлаждающая вода Условия Total flow ( расход ) 60000 кг / час T 20°C P 10 bar Состав , массовые проценты Вода (water) 100 Выберите соответствующий пакет свойств . (NRTL-RK) У c ловия работы теплообменников : Теплообменник Heater и простой блок HeatX Доля пара на выходе потока углеводородов 0 Гидравлическое сопротивление в обоих потоках Отсутствует При задании исходных условий расчёта теплообменника укажите для горячего потока ( т е потока углеводородов ) в поле Valid phases значение Vapor-Liquid-Liqiud. Обратите внимание , что для расчёта свойств чистой воды , поступающей в трубное пространство , необходимо выбрать пакет свойств STREAM-TA. Укажите его на форме Block Options. 56 Теплообменник Detailed HeatX Диаметр кожуха (Shell diameter) 1 м Кол - во проходов по трубкам (1 tube pass) 1 Кол - во гладких труб (bare tube) 300 Длина гладких труб (length) 3 м Шаг труб (pitch) 31 мм Внутренний диаметр труб 21 мм Внешний диаметр труб 25 мм Все штуцера (nozzles) 100 мм Кол - во перегородок (baffles) 5 Срез (cut) 15% 1. Запустите режим оценки (Rating), когда углеводороды выходят из кожуха с нулевой долей пара Необходимая площадь ______ м 2 Действительная площадь ______ м 2 Процент избытка / недостатка площади ______ % Температура горячего выходного потока ______ °C 2. Измените тип вычислений на Simulation и запустите ещё раз Температура горячего выходного потока ______ °C 3. Постройте графики тепловых кривых 2.11 Устройства , изменяющие давление В данном разделе представлены модели типовых операций , используемых для изменения давления ( например , насосы и компрессоры ) и рассчитывающих местные сопротивления ( например , трубы и клапаны ). Модель насоса и турбины • Блок Pump может быть использован для моделирования : ⇒ Насосов ⇒ Гидравлических турбин • Нагрузка рассчитывается или вводится • Просто для расчёта изменения давления может быть использована модель Heater • Насос предназначен для работы только с жидкой фазой • Для проверки фаз выходного потока могут быть выполнены парожидкостные расчёты систем с одной или двумя жидкими фазами Кривые напора насосов Расчёт можно выполнить путём указания скалярных параметров или кривой производительности насоса : ⇒ Размерные кривые : • Отношение напора к расходу • Отношение мощности к расходу ⇒ Безразмерные кривые : • Отношение коэффициента напора к коэффициенту расхода Модель компрессора • Блок Compr может быть использован для моделирования : ⇒ Политропного центробежного компрессора ⇒ Политропного объёмного компрессора 57 ⇒ Адиабатического компрессора ⇒ Адиабатической турбины • Нагрузка рассчитывается или вводится • Для расчёта простого изменения давления может быть использована модель Heater • Модель Compr предназначена для работы как с однофазными , так и с многофазными системами • Расчёт может быть выполнен с использованием кривой производительности компрессора : ⇒ Размерные кривые : • Отношение напора к расходу • Отношение мощности к расходу ⇒ Безразмерные кривые : • Отношение коэффициента напора к коэффициенту расхода • Блок Compr не может работать с кривыми производительности присоединённых к нему турбин • Для моделирования многоступенчатых компрессоров используйте блок MCompr Модель многоступенчатого компрессора • Блок MCompr может быть использован для моделирования : ⇒ Многоступенчатого политропного центробежного компрессора ⇒ Многоступенчатого политропного объёмного компрессора ⇒ Многоступенчатого адиабатического компрессора ⇒ Многоступенчатой адиабатической турбины • Между ступенями MCompr могут быть установлены промежуточные холодильники , а после последней ступени – выходной холодильник ⇒ Вы можете провести расчёт фазового равновесия одной , двух или трёх фаз в промежуточных холодильниках ⇒ У каждого холодильника , за исключением последней ступени , может быть поток сепарации жидкости ⇒ Параметры одного промежуточного холодильника применяются ко всем оставшимся холодильникам Потоки работы • Для насосов и компрессоров можно указать любое число потоков работы • Для определения чистой нагрузки насоса или компрессора можно указать один исходящий поток работы • Чистая рабочая нагрузка является суммой входящих потоков работы за вычетом действительной ( расчётной ) работы агрегата Модель клапана • Блок Valve может использоваться для моделирования : ⇒ Запорных клапанов ⇒ Местных сопротивлений • Падение давление на клапане вычисляется по коэффициенту расхода клапана • Предполагается , что поток адиабатный • Блок Valve может выполнять однофазные и многофазные расчёты • Могут быть учтёны сопротивления фитингов труб • Существует три режима расчёта клапана : ⇒ Адиабатический расчёт фазового равновесия для выходного давления (pressure changer) ⇒ Расчёт коэффициента расхода клапана для указанного выходного давления (design) ⇒ Расчёт давления на выходе определённого клапана (rating) • Клапан может проводить проверку на закупоривание потока 58 • Может быть рассчитан коэффициент кавитации Модель участка трубы • Блок Pipe может рассчитывать падение давления и теплоотдачу для одного сегмента трубы • Блок Pipe может выполнять расчёты как для одной , так и для нескольких фаз • Варианты расчёта : ⇒ Если известно давление на входе , блок рассчитывает давление на выходе ⇒ Если известно давление на выходе , блок рассчитывает давление на входе и обновляет переменные состояния входящего потока • Не моделируются эффекты входа потока в трубу • Может моделировать фитинги ( клапаны , колена , тройники ) Модель трубопровода • Блок Pipeline может использоваться для моделирования трубопровода , состоящего из нескольких сегментов • Блок Pipeline может выполнять расчёты как для одной , так и для нескольких фаз • Варианты расчёта : ⇒ Если известно давление на входе , блок рассчитывает давление на выходе ⇒ Если известно давление на выходе , блок рассчитывает давление на входе и обновляет переменные состояния входящего потока • Выполняет точный расчёт потерь на ускорение , трение и подъём 2.12 Задание для самостоятельного моделирования по устройствам , изменяющим давление Задание : добавить типовые модели аппаратов для изменения давления на схему технологического производства циклогексана Насос FEEDPUMP КПД насоса 0.6 КПД двигателя 0.9 Кривая напора Напор , м Расход , м 3/ час 40 20 250 10 300 5 400 3 Насос PUMP Давление на выходе 26 бар 59 Участок трубы PIPE Диаметр 27 мм Длина 25 м Клапан VALVE Давление на выходе 20 бар Компрессор COMP Тип Изэнтропический Изменение давления 4 бар Сохраните файл под именем PRESCHNG.BKP • Результаты ⇒ Расчётная эффективная мощность (Brake power) FEEDPUMP _________ ⇒ Чистая нагрузка , необходимая для обеспечения падения давления на COMP (Net work) _________ ⇒ Общее падение давления на PIPE _________ • ( Не обязательно ) Введите кривую эффективности для FEEDPUMP ( вместо ранее заданного КПД насоса ): КПД Расход , м 3/ час 0.60 20 0.62 10 0.61 5 0.60 3 Значения КПД указываются на форме FEEDPUMP>Performance Curves>Efficiencies ⇒ Новое значение эффективной мощности _________ ⇒ Используемый КПД насоса _________ 60 3 Расчёт физических свойств в Aspen Plus 3.1 Процесс задания параметров физических свойств Для получения достоверных результатов моделирования важно правильно выбрать модель физических свойств и точно рассчитать эти свойства COLUMN FEED OVHD BTMS COLUMN FEED OVHD BTMS Спецификация – мольный выход ацетона 99.5% Модель идеального газа Модель на уравнениях состояния Модель на коэффициентах эффективности Расчётное колочество теоретических тарелок 11 7 42 Примерные затраты 650,000 490,000 1,110,000 Как выбрать модель расчёта физических свойств Выберите термодинамический пакет Проверьте параметры и получите результаты расчёта физических свойств Подтвердите соответствие рассчитанных и экспериментальных значений свойств Создайте схему технологического процесса Определение терминов • Термодинамический пакет – набор моделей свойств и методов , используемых для расчёта физических свойств , необходимых для моделирования • Физическое свойство – расчётное значение физического свойства , например , энтальпия смеси 61 x y x y • Модель расчёта свойств – уравнение или уравнения , используемые для расчёта физических свойств • Параметр свойств – постоянные величины , используемые в модели свойств • Набор отображаемых свойств (Prop-Set) – способ работы с физическими свойствами таким образом , чтобы их можно было использовать и выводить в виде таблицы в любом месте Термодинамический пакет • Термодинамический пакет – это набор моделей и методов , используемый для расчёта физических свойств • В Aspen Plus реализованы термодинамические пакеты , содержащие наиболее часто используемые термодинамические модели • Пользователи могут изменять существующие методы свойств или создавать новые Модели физических свойств • Подходы к представлению физических свойств компонентов Модели физических процессов Модель идеального газа Модели на уравнениях состояния (EOS) Модели на коэффициентах активности Особые модели Модели физических процессов Модель идеального газа Модели на уравнениях состояния (EOS) Модели на коэффициентах активности Особые модели • Выбор типа модели зависит от степени неидеальности поведения и условий работы Идеальное и неидеальное поведение • Что мы подразумеваем под идеальным поведением ? ⇒ Закон идеального газа и закон Рауля • Какие системы ведут себя как идеальные ? ⇒ Неполярные компоненты похожих размеров и формы • Что влияет на степень неидеальности ? ⇒ Молекулярные взаимодействия , например , полярность , размер и форма молекул • Как мы можем определить степень неидеальности системы ? ⇒ По графикам свойств ( например , TXY и XY) Сравнение моделей активности и EOS Модели на уравнениях состояния Модели на коэффициентах активности Хороши для моделирования газообразных веществ и жидкостей малой полярности Хороши только для построения моделей жидких веществ Ограниченная способность представления неидеальных жидкостей Могут представлять в большой степени неидеальные жидкости Требуется небольшое число бинарных коэффициентов Требуется большое число бинарных коэффициентов Параметры умеренно экстраполируются с изменением температуры Бинарные коэффициенты сильно зависят от температуры Непротиворечивы в критических областях Противоречивы в критических областях 62 Модели на уравнениях состояния Модели на коэффициентах активности Примеры : PENG-ROB RK-SOAVE Примеры : NRTL UNIFAC UNIQUAC WILSON Уравнение Генри • Уравнение Генри используется для определения объёма сверхкритического компонента или лёгкого газа в жидкой фазе • Он используется только в моделях идеального газа и моделях , основанных на коэффициентах активности • Объявите любой сверхкритический компонент или лёгкий газ (CO 2 , N 2 и т п .) как компоненты Генри на форме Components>Henry Comps Selection • После этого выберите идентификатор компонента Генри в выпадающем списке Henry Components на странице Properties Specifications Алгоритм выбора метода свойств Используйте модель коэффициента активности с компонентами Генри Используйте модель на коэффициентах активности Есть ли в вашей системе полярные компоненты ? Нет Да Близки ли рабочие условия к критической области смеси ? Используйте модель на уравнениях состояния Нет Есть ли в вашей системе лёгкие газы или сверхкритические компоненты ? Да Да Нет Пример выбора термодинамического пакета Система Тип модели Термодинамический пакет Пропан , этан , бутан Уравнение состояния RK-SOAVE, PENG-ROB Бензол , вода Коэффициент активности NRTL-RK, UNIQUAC Ацетон , вода Коэффициент активности NRTL-RK, WILSON Выберите термодинамический пакет , соответствующий следующим системам компонентов в нормальных условиях : Система Термодинамический пакет Этанол , вода Бензол , толуол Ацетон , вода , диоксид углерода Вода , циклогексан Этан , пропанол 63 Параметры чистых веществ • Соответствуют характеристикам одного компонента • Хранятся в банках данных PURE12, AQUEOUS, SOLIDS и т п ., перечисленных на форме Components / Specifications / Databanks • Вводятся в папке Properties Parameters / Pure Components • Примеры : ⇒ Скалярные величины : MW для молекулярного веса ⇒ Зависимые от температуры : PLXANT для параметров модели насыщенного пара Антуана • Aspen Plus не отображает на форме ввода параметров все параметры банка данных • Для того чтобы просмотреть параметры чистых веществ , соответствующих компонентам , указанным в модели , выберите Retrieve Parameter Results в меню Tools ⇒ Уже загруженные результаты будут потеряны Они могут быть рассчитаны заново повторным запуском моделирования ⇒ Параметры отображаются в форме Properties Parameters Results • Для того чтобы просмотреть отчёт о полученных параметрах в виде текстового файла , выберите Report из меню View. Выберите отчёт для модели (Simulation) и нажмите OK Бинарные коэффициенты взаимодействия • Используются для описания взаимодействия между двумя компонентами • Хранятся в банках данных бинарных компонентов , таких как VLE-IG, LLE-ASPEN • Вводятся в папке Properties Parameters Binary Interaction ⇒ Значения параметров из банков данных автоматически отображаются в графическом интерфейсе пользователя Эти данные необходимо обязательно просмотреть до завершения схемы технологического процесса • Примеры : ⇒ Скалярные : RKTKIJ-1 для модели Рэкетта ⇒ Зависимые от температуры : NRTL-1 для параметров модели NRTL Форма Properties Parameters Binary Interaction NRTL-1 • Нажмите клавишу F1 для отображения данных регрессии для каждой пары компонентов Дополнительные источники данных о физических свойствах В число возможных источников данных входят : • Поиск литературы 64 • Банк данных системы данных о физических свойствах (PPDS) Национальной технической лаборатории Великобритании , доступ к которой предусмотрен в Aspen Plus ( по лицензии NEL) • Банк данных DETHERM, доступный через интерфейс Aspen Plus-Internet • Регрессия экспериментальных данных с помощью Data Regression • Оценка свойств компонентов с помощью Property Estimation Интерфейс DETHERM • Банк данных DETHERM, поддерживаемый DECHEMA, является наиболее полным единым источником данных о теплофизических свойствах – Данные фазового равновесия – Азеотропные данные – Дополнитеьные свойства – Данные PVT • Данные , получаемые в Aspen Plus: ⇒ Скалярные данные вводятся в формы Property Parameters ⇒ Зависимые от температуры и бинарные коэффициенты вводятся в формы Properties Data • С помощью инструмента Data Regression, встроенного в Aspen Plus, можно проводить регрессию данных Регрессия данных • Обрабатывает первичные данные с целью определения параметров модели физических свойств , необходимых Aspen Plus для расчёта чистых компонентов , парожидкостного и жидкостного равновесия , а также других данных о смеси , среди которых : ⇒ Физические свойства компонентов смеси ⇒ Физические свойства чистых компонентов ⇒ Физические свойства электролитов • Производит регрессию нескольких типов данных одновременно • В регрессию данных может входить расчёт анализа свойств и оценки свойств Оценка свойств • Оценивает параметры физических свойств компонентов , отсутствующих в банках данных Aspen Plus или компонентов , чьи свойства были получены в других условиях Могут оцениваться : ⇒ Отдельные постоянные величины физических свойств чистых компонентов ⇒ Отдельные параметры моделей , зависящих от температуры ⇒ Двоичные параметры взаимодействия для моделей , основанных на коэффициентах активности Вильсона , NRTL и UNIQUAC ⇒ Групповые параметры UNIFAC • Для оценки свойств инструмент Property Estimation может использовать сочетание экспериментальных данных и молекулярную структуру Анализ свойств • Используется для создания простых диаграмм свойств с целью проверки данных и моделей физических свойств • Типы диаграмм : ⇒ Чистые компоненты , т е отношение давления пара к температуре ⇒ Двоичные , т е ., TXY, PXY ⇒ Номограммы для трёх параметров • Для начала анализа выберите Analysis из меню Tools • Входные параметры и результаты анализа свойств можно сохранить в виде таблиц для последующего использования 65 Графики анализа свойств Предсказание неидеального поведения : График XY для двух жидких фаз : Идеальный график XY: График XY для азеотропной смеси : График y-x для МЕТАНОЛА / ПРОПАНОЛА ЖИДКОСТНАЯ ДОЛЯ МЕТАНОЛА 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 П А Р О В А Я Д О Л Я М Е Т А Н О Л А (PRES = 14.7 PSI) График y-x для ЭТАНОЛА / ТОЛУОЛА ЖИДКОСТНАЯ ДОЛЯ МЕТАНОЛА 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 П А Р О В А Я Д О Л Я Э Т А Н О Л А (PRES = 14.7 PSI) График y-x для ТОЛУОЛА / ВОДЫ ЖИДКОСТНАЯ ДОЛЯ ТОЛУОЛА 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 П А Р О В А Я Д О Л Я Т О Л У О Л А (PRES = 14.7 PSI) График XY для двух жидких фаз : Идеальный график XY: График XY для азеотропной смеси : График y-x для МЕТАНОЛА / ПРОПАНОЛА ЖИДКОСТНАЯ ДОЛЯ МЕТАНОЛА 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 П А Р О В А Я Д О Л Я М Е Т А Н О Л А (PRES = 14.7 PSI) График y-x для МЕТАНОЛА / ПРОПАНОЛА ЖИДКОСТНАЯ ДОЛЯ МЕТАНОЛА 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 П А Р О В А Я Д О Л Я М Е Т А Н О Л А (PRES = 14.7 PSI) График y-x для ЭТАНОЛА / ТОЛУОЛА ЖИДКОСТНАЯ ДОЛЯ МЕТАНОЛА 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 П А Р О В А Я Д О Л Я Э Т А Н О Л А (PRES = 14.7 PSI) График y-x для ЭТАНОЛА / ТОЛУОЛА ЖИДКОСТНАЯ ДОЛЯ МЕТАНОЛА 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 П А Р О В А Я Д О Л Я Э Т А Н О Л А (PRES = 14.7 PSI) График y-x для ТОЛУОЛА / ВОДЫ ЖИДКОСТНАЯ ДОЛЯ ТОЛУОЛА 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 П А Р О В А Я Д О Л Я Т О Л У О Л А (PRES = 14.7 PSI) График y-x для ТОЛУОЛА / ВОДЫ ЖИДКОСТНАЯ ДОЛЯ ТОЛУОЛА 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 П А Р О В А Я Д О Л Я Т О Л У О Л А (PRES = 14.7 PSI) При использовании анализа свойств для проверки разделения двух жидких фаз , выберите в качестве разрешённых (Valid phases) фаз Vapor-Liquid-Liquid Как установить физические свойства 1. Выберите метод свойства на основе : ⇒ Компонентов , участвующих в модели ⇒ Рабочих условий , определённых в модели ⇒ Доступных данных или параметров компонентов 2. Проверьте параметры ⇒ Определите доступность параметров в банке данных Aspen Plus и по необходимости получите дополнительные параметры 3. Подтвердите результаты ⇒ Проверьте выбор метода свойств и данных физических свойств с помощью инструментов построения графиков Property Analysis Наборы свойств • Набор свойств (Prop-Set) - это способ работы с комплексом ( или набором ) свойств как с объектом с заданным пользователем названием При использовании свойств в приложении указывается только название набора • Используйте наборы свойств для построения отчётов о значениях термодинамических , транспортных и других свойств • На сегодняшний день наборы свойств используются в следующих приложениях : ⇒ Спецификации , блоки калькуляторов , расчётные исследования ⇒ Отчёты о потоках ⇒ Таблицы физических свойств (Property Analysis) ⇒ Свойства тарелок (RadFrac, MultiFrac и т п .) ⇒ Кривые нагрева и охлаждения (Flash2, HeatX и т п .) Свойства , включаемые в Prop-Sets • В состав доступных свойств входят : ⇒ Термодинамические свойства компонентов смеси ⇒ Термодинамические свойства чистых компонентов ⇒ Транспортные свойства ⇒ Свойства электролитов ⇒ Свойства , относящиеся к нефти • В число наиболее часто включаемых в наборы свойств входят : ⇒ VFRAC Молярная доля пара в потоке ⇒ BETA Доля L1 в смеси жидкостей ⇒ CPMX Теплоёмкость смеси при неизменном давлении 66 ⇒ MUMX Коэффициент вязкости смеси Предопределённые наборы свойств • В некоторые шаблоны моделей входят предопределённые наборы параметров • В общий шаблон (General) входят следующие предопределённые наборы свойств : Набор свойств Типы свойств HXDESIGN Конструкция теплообменников THERMAL Тепловые свойства смеси (HMX, CPMX, KMX) TXPORT Транспортные свойства VLE Парожидкостное равновесие (PHIMX, GAMMA, PL) VLLE Парожидкостное равновесие систем с двумя жидкими фазами Определение наборов свойств • Создайте набор свойств и дайте ему имя • Выберите свойства для созданного набора в форме Properties>Prop-Sets ⇒ Для поиска свойства можно использовать кнопку Search ⇒ Поле Units ( единицы измерения ) является необязательными Если вы не указываете единицы измерения , свойства будут отображаться в соответствии с глобальными установками • Все указанные уточнения применяются к каждому свойству , где это возможно • Для того , чтобы использовать Prop-Set для вывода дополнительных параметров к каждому потоку : ⇒ Нажмите кнопку Property Sets на листе Setup>Report Options>Stream и перенесите имя Prop-Set из списка доступных в список выбранных 67 3.2 Задание для самостоятельного моделирования по физическим свойствам Цель : создать модель резервуара с двухфазной жидкостью и изучить физические свойства системы На нефтеперерабатывающем заводе есть отстойник , который используется для сброса воды из водонефтяной смеси Во входящем потоке также содержится некоторое количество двуокиси углерода и азота Резервуар и входящие компоненты находятся в нормальных условиях (20 0 С , 1 атм ), а расходы компонентов таковы : Компонент Расход , кг / час Вода (Water) 515 Нефть (Oil) 4322 CO2 751 N2 43 Для упрощённого представления нефти используйте n- декан Известно , что вода и нефть в условиях резервуара образуют две жидкие фазы 1. Выберите метод свойств , подходящий для представления этой системы Убедитесь , что доступны необходимые бинарные коэффициенты 2. Найдите параметры физических свойств , используемых для определения критической температуры диоксида углерода и воды ( форма Components> кнопка Review): T C (CO2) = _______ T C (H2O) = _______ 3. Убедитесь с помощью анализа свойств , что выбранная модель физических свойств и доступные параметры прогнозируют образование двух жидких фаз в потоке ( не забудьте включить Vapor-Liquid-Liquid для потока ). 4. Постройте схему технологического процесса и смоделируйте отстойник с помощью трёхфазного сепаратора 5. Измените таблицу свойств потока таким образом , чтобы в него входили теплоёмкость (CPMX) каждой фазы ( пар , 1- я и 2- я жидкости ), а также доля первой жидкости в общем объёме смеси жидкостей (BETA) 6. Создайте таблицу состава каждой жидкой фазы (1- я жидкость и 2- я жидкость ) при различных температурах для смеси воды и нефти Выведите в эту же таблицу давления пара компонентов ( смотрите ниже « метод решения задачи »). 68 7. В дополнение к интерактивной команде Analysis меню Tools вы можете провести анализ свойств вручную , используя утилиту анализа свойств Процесс схож с интерактивной командой Analysis, но он более гибок в отношении входных величин и отчётности Метод решения задачи : 1. Создайте общий (Generic) объект в папке Properties>Analysis 2. Выберите тип утилиты анализа свойств – «Points along a flash curve» ( точки на кривой кипения ) 3. Задайте расход компонентов – воды (water) и нефти (oil) равными 1 кмоль / час 4. Установите возможные фазы (Valid phases) - Vapor-liquid-liquid 5. На закладке Переменные (Variable) в списке подбираемых переменных выберите температуру Нажмите на кнопку Range/List и укажите диапазон изменения переменной от 50 до 200 0 C. 6. Выберите переменную Vapor Fraction, равную нулю 7. Задайте новый набор свойств , куда войдут : ⇒ Мольная доля воды и нефти в 1- й и 2- й жидких фазах (MOLEFRAC) ⇒ Мольный расход потока воды и нефти в 1- й и 2- й жидких фазах (MOLEFLOW) ⇒ Бета – соотношение 1- й жидкости к общему количеству жидкости (BETA) ⇒ Давление чистых компонентов воды и нефти (PL) 69 8. Выберите этот набор для созданной утилиты анализа свойств 3.3 Дополнительный курс . Оценка физических свойств . • Система оценки свойств (Property Estimation) – это система оценки параметров с помощью моделей физических свойств , применимая как для компонентов из банка данных , так и для компонентов , не содержащихся в банке данных Она может быть использована для оценки : ⇒ Констант физических свойств чистых компонентов (Properties>Estimation>Pure Component) ⇒ Физических свойств , зависимых от температуры (Properties>Estimation>T-Dependent) ⇒ Бинарных коэффициентов для моделей Wilson, NRTL и UNIQUAC (Properties>Estimation>Binary) ⇒ Групп параметров для модели UNIFAC (Properties>Estimation>UNIFAC Group) • При оценке параметров могут использоваться экспериментальные данные • Оценку параметров свойств в Aspen Plus проводить двумя способами : ⇒ С помощью формы Properties>Estimation или выбрав тип расчёта Run type = Property Estimation ⇒ Одним из следующих способов : Property Analysis, Data Regression, PROPERTIES PLUS или Assay Data Analysis • Для просмотра полного списка оцениваемых свойств , а также доступных методов оценки и соответствующих им требования , смотрите Руководство пользователя , Глава 30, Оценка параметров свойств (User Guide, Chapter 30, Estimating Property Parameters). Пошаговая инструкция по оценке свойств 1. Определите молекулярную структуру на форме Properties>Molecular Structure 2. Введите все имеющиеся экспериментальные данные в формы Parameters или Data ⇒ Для большинства методов оценки очень важны экспериментальные данные , такие как нормальная температура кипения (TB). Если есть возможность , их следует ввести 70 ⇒ Чем больше входных данных для компонента вы введёте , тем более точной будет оценка 3. Перейдите на форму Properties>Estimation>Input и сделайте активной опцию оценки параметров Определение молекулярной структуры • Для всех методов , используемых при оценке свойств , необходима молекулярная структура Вы можете : ⇒ Задать молекулярную структуру в виде формулы и позволить Aspen Plus определить функциональные группы или ⇒ Определить молекулярную структуру с помощью функциональных групп • Примечание : Если молекула отсутствует в банке данных , введите Component ID, а поля названия и формулы (Component name и Formula) оставьте пустыми 1. Нарисуйте на листе бумаги структуру молекулы 2. Назначьте порядковый номер ( начиная с 1) каждому атому , кроме водорода Молекулярная структура изобутилового спирта : C C C C O 1 2 3 4 5 C C C C O 1 2 3 4 5 3. Перейдите на форму Properties>Molecular Structure>Object Manager и выберите компонент 4. Опишите молекулу согласно типам связей между атомами : ⇒ укажите типы атомов (C, O, …) ⇒ укажите тип связи между этими атомы ( одинарная , двойная , …) 71 Типы атомов Atom Type Description Atom Type Description C Carbon P Phosphorous O Oxygen Zn Zinc N Nitrogen Ga Gallium S Sulfur Ge Germanium B Boron As Arsenic Si Silicon Cd Cadmium F Fluorine Sn Tin Cl Chlorine Sb Antimony Br Bromine Hg Mercury I Iodine Pb Lead Al Aluminum Bi Bismuth Типы связей • В Aspen Plus можно использовать следующие типы связи : ⇒ Одинарная связь ⇒ Двойная связь ⇒ Тройная связь ⇒ Бензольное кольцо ⇒ Насыщенное 5- членное кольцо ⇒ Насыщенное 6- членное кольцо ⇒ Насыщенное 7- членное кольцо ⇒ Насыщенная углеводородная цепь • Примечание : Вам необходимо последовательно нумеровать атомы в бензольном кольце , насыщенных 5- ти , 6- ти и 7- членных кольцах и углеводородных цепях Ввод дополнительных данных • Для повышения точности оценок введите в модель дополнительные данные для изобутилового спирта (COMP1): ⇒ Нормальная температура кипения (TB) = 107.6°C ⇒ Критическая температура (TC) = 274.6°C ⇒ Критическое давление (PC) = 43 бар 1. Создайте в папке Properties>Parameters>Pure Component новый скалярный параметр объекта под именем PURE-1 2. Выберите три параметра , компонент COMP1, и введите соответствующие значения : Активация оценки свойств Для того чтобы включить оценку свойств : 1. Выберите одну из двух последних радиокнопок на форме Properties>Estimation> Input>Setup и ( или ) измените тип расчёта (Run type = Property Estimation) на форме Setup>Specifications>Global 2. Выберите один из вариантов : 72 ⇒ Estimate all missing parameters: Оцениваются все отсутствующие необходимые параметры , а также любые указанные Вами параметры на закладках Pure Component, T-Dependent, Binary и UNIFAC-Group ⇒ Estimate only the selected parameters: Производится оценка только выбранных Вами на этом форме типов параметров ( а также указанных на соответствующих дополнительных формах ) Примечание • Вы можете сохранить параметры свойств , структуру и оценки как резервные файлы и импортировать их впоследствии в другие модели (Run Type - Flowsheet, Data Regression, Property Analysis). Простая функция Edit/ Selected, Copy также работает • Для продолжения моделирования в том же файле вы можете изменить тип запуска (Run type) на форме Setup>Specifications>Global • Если вы хотите изменить какой - либо тип запуска на оценку свойств (Property Estimation), никакой информации из схемы технологического процесса не пропадёт , даже если эта информация не отображается в режиме Property Estimation 3.4 Дополнительный курс . Задание для самостоятельного моделирования по оценке физических свойств . Задание : необходимо оценить свойства этилцеллозольва ( моноэтилового эфира этиленгликоля ) • Этилцеллозольв (Ethylcellosolve) отсутствует в банках данных Aspen Plus • Оцените свойства нового компонента в режиме расчёта Run Type = Property Estimation и на форме Properties>Estimation> Input>Setup выберите Estimate all missing parameters. • Формула компонента и нормальная температура кипения , полученные из литературы , приведены ниже ⇒ Формула : CH3 – CH2 - O – CH2 - CH2 - O - CH2 - CH2 - OH ⇒ TB = 195°C • По завершении работы сохраните файл под именем PCES.BKP 3.5 Дополнительный курс . Электролиты . Характеристика электролитов • Молекулы электролитов частично или полностью распадаются на ионы в жидких растворителях • Реакции в жидкой фазе всегда протекают в условиях химического равновесия • Растворы электролитов являются неидеальными системами • Возможно выпадение соли в виде осадка • Некоторые примеры : ⇒ Растворы кислот , солей или щелочей ⇒ Кислые водные растворы ⇒ Водные растворы аминов Типы компонентов • Растворители : стандартные молекулы ⇒ Вода ⇒ Метанол ⇒ Уксусная кислота • Растворимые газы : компоненты закона Генри ⇒ Азот ⇒ Кислород 73 ⇒ Диоксид углерода • Ионы : частицы с зарядом ⇒ H 3 O + ⇒ OH - ⇒ Na + ⇒ Cl - ⇒ Fe(CN) 6 3- • Соли : каждая выпавшая в осадок соль является новым чистым компонентом ⇒ NaCl ⇒ CaCO 3 ⇒ CaSO 4 •2H 2 O ( гипс – gypsum) ⇒ Na 2 CO 3 •NaHCO 3 •2H 2 O ( трона – trona) Видимые и действительные компоненты • Подход , основанный на действительных компонентах ⇒ учитываются молекулы , ионы , осадки , присутствующие в системе после диссоциации компонента • Подход , основанный на видимых компонентах ⇒ учитываются только базовые компоненты , присутствовавшие в системе до их диссоциации ⇒ ионы и соли , выпавшие в осадок , не могут быть видимыми компонентами ⇒ спецификации должны указываться для видимых компонентов , а не для ионов или твёрдых солей • Результаты эквиваленты • Пример : NaCl в воде ⇒ Уравнение диссоциации • NaCl → Na + + Cl - • Na + + Cl - ↔ NaCl (раствор) ⇒ Видимые компоненты • H2O, NaCl ⇒ Действительные компоненты • H2O, Na + , Cl - , NaCl (раствор) Мастер электролитов • Создаёт новые компоненты ( ионы и твёрдые соли ) • Изменяет порядок поиска в банках данных чистых компонентов , первым просматриваемым банком становится ASPENPCD • Описывает реакции между компонентами • Устанавливает пакет свойств ELECNRTL • Создаёт список компонентов Генри • Извлекает параметры для : ⇒ Постоянных величин уравнения равновесия реакции ⇒ Параметров растворимости солей ⇒ Бинарных коэффициентов ELECNRTL ⇒ Постоянных параметров уравнения Генри • Созданная модель процесса может быть изменена Упрощенное описание процесса ускоряет расчёт , но делает его более грубым • Примечание : Пользователю необходимо проверить соответствие модели реальной химической системе Упрощенное представление химической системы В число типовых модификаций входят : 74 • Добавление компонента к списку компонентов Генри • Исключение реакций с выпадением соли в осадок • Исключение незначимых частиц • Добавление частиц и ( или ) реакций , отсутствующих в базе данных экспертной системы по электролитам • Исключение незначимых реакций равновесия Пошаговая инструкция по использованию электролитов • Укажите возможные видимые компоненты на форме Components>Specifications> Selection • Нажмите на кнопку Elec Wizard для создания компонентов и реакций в системах электролитов Это можно сделать в четыре этапа : 1. Определите основные компоненты и укажите параметры реакции 2. Исключите из созданного списка все нежелательные элементы модели 3. Выберите тип расчёта для расчёта электролитов 4. Рассмотрите параметры физических свойств и измените созданный список компонентов Генри и реакций Ограничения на использование электролитов • Ограничения на использование подхода , основанного на действительных компонентах : ⇒ Не может быть рассчитано равновесие двух жидких фаз ⇒ Не могут быть использованы следующие модели : • Реакторы на основе равновесия : RGibbs и REquil • Кинетические реакторы : RPlug, RCSTR и RBatch • Посекционный расчёт колонны : Distl, DSTWU и SCFrac • Потарельчатый расчёт колонны : MultiFrac и PetroFrac • Ограничения на использование подхода , основанного на видимых компонентах : ⇒ В правой стороне уравнений реакции не может содержаться летучих веществ ⇒ В описании равновесием двух жидких фаз не может быть уравнений диссоциации ⇒ Входные данные не могут указываться в виде ионов или твёрдых солей 3.6 Дополнительный курс . Задание для самостоятельного моделирования по работе с электролитами . Задание : постройте модель колонны очистки кислой воды Используйте подход , основанный на видимых компонентах 75 Поток SOURWAT Условия Total flow ( расход ) 4536 кг / час T 88°C P 1.034 bar Состав , массовые проценты H2O 99.7 NH3 0.1 H2S 0.1 CO2 0.1 Поток STEAM ( пар ) Условия Total flow ( расход ) 907.2 кг / час Доля пара 1 P 1.034 bar Колонна COLUMN Number of stages ( число теоретических тарелок ) 9 Condenser ( конденсатор ) |