Учебный курс по Aspen Plus. Методическое пособие для учебного курса
 Скачать 2.58 Mb.
|
|
4.7 Задание на самостоятельное моделирование с использованием утилиты калькулятора Задание : используйте утилиту калькулятора для поддержания соотношения метана к водяному пару на входе реактора конверсии CH 4 + H 2 O 3 H 2 + CO Метан Вода Водород Монооксид углерода Methane Water Hydrogen Carbon Monoxide Используйте пакет свойств Peng-Robinson Сохраните как файл : CALC.BKP Поток CH4 Давление 62.1 bar Температура 66°C Поток H2O Давление 1.03 bar Температура 21°C Аппарат MIX Давление 58 bar Температура 593.3°C Аппарат REFORMER ∆ P 1.38 bar Температура 787.8°C Степень превращения CH4 0.995 • При риформинге метана после взаимодействия метана с водяным паром водород и монооксид углерода • На вход установки риформинга подаются потоки чистого метана и воды Перед подачей в установку они смешиваются и подогреваются Степень превращения метана составляет 99,5%, а молярное соотношение метана к воде во входящем потоке составляет 1:4 95 • Настройте утилиту расчетного исследования (Sensitivity) и постройте график , показывающий изменение тепловой нагрузки реактора при изменении скорости потока метана на входе от 45 до 220 kmol/hr. • Примечание : используйте утилиту калькулятора для поддержания постоянства соотношения количества метана и воды Sensitivity S-1 Results Summary CH4 TOTAL MOLEFLOW KMOL/HR C A L /S E C 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 220 1 e 6 1 .5 e 6 2 e 6 2 .5 e 6 3 e 6 3 .5 e 6 4 e 6 REACTOR DUTY 96 5 Возможности ускорения расчёта сложных технологических схем 5.1 Сходимость схемы технологического процесса В данном разделе Вы получите общие понятия о блоках сходимости , разрываемых потоках и последовательностях расчёта схем технологических процессов Сходимость схемы технологического процесса • Для того чтобы оценить сходимость схемы технологического процесса , оцените : ⇒ Последовательность расчётов ⇒ Разрываемый поток ⇒ Количество итераций , необходимых для нахождения решения ⇒ Характер значения err/tol ⇒ Используемый метод сходимости • Вся необходимая Вам информация о состоянии сходимости расчёта приведена на панели управления Control Panel ( клавиша F7) Блоки сходимости • С каждым разрываемым потоком и подбором параметров должен быть связан блок сходимости ; • Блок сходимости определяет , как предположительно ведёт себя изменяемая переменная от итерации к итерации ; • Названия блоков сходимости , используемые в Aspen Plus, начинаются с символа “$” • В папке /Data/Convergence/Convergence... пользователь может определить собственные блоки сходимости : ⇒ Имена блоков сходимости , определяемых пользователем , не должны начинаться с символа “$” Последовательность расчёта схемы технологического процесса • Для того чтобы определить последовательность расчёта схемы технологического процесса Aspen Plus, обратитесь к левой части окна панели управления Control Panel - ‘Calculation Sequence’ • В форме Convergence Sequence может быть указана последовательность расчёта , определяемая пользователем ⇒ Пользователь может определять последовательность выполнения целиком или частично Что такое разрываемый поток ? • Разрываемый поток – это такой поток , для которого Aspen Plus устанавливает начальное значение и на каждой итерации пересчитывает его , пока не выполнится условие сходимости итерационного процесса ; • Разрываемые потоки похожи на рециклы , но это не одно и то же ; • Для того чтобы определить , какой разрываемый поток выбрал Aspen Plus, посмотрите в раздел ‘Flowsheet Analysis’ панели управления ; • В форме Convergence Tear пользователь может указывать собственные разрываемые потоки 97 Разрываемые потоки • Какие потоки являются потоками рециркуляции ? (6, 7) • Какие потоки можно разорвать ? (6 и 7; 2 и 4; 3) • Какой поток лучше выбрать в качестве разрываемого ? ⇒ Лучший вариант разрываемого потока – это поток 3. При использовании этого потока вам придётся рассчитывать сходимость только одного потока , а не двух • Разрыв потока может упростить или ускорить сходимость схемы технологического процесса ( настоятельно рекомендуется , иначе по умолчанию указывается нулевое значение ) • Если вы вводите информацию по потоку , образующему « петлю », Aspen Plus автоматически попытается выбрать этот поток в качестве разрываемого ⇒ Если вы вводите начальные оценки потока внутреннего процесса , Aspen Plus выберет ( если сможет ) этот поток в качестве разрываемого по отношению к потокам , начальная оценка у которых не указана Согласование потоков • Результаты моделирования потока можно путём копирования перенести на форму задания его входных величин ; • Выберите на схеме технологического процесса поток , нажмите на нём правую кнопку мыши и выбегите “Reconcile” для копирования результатов потока в форму ввода ⇒ Для расчёта фазового равновесия потока должны быть выбраны две переменные состояния ⇒ Можно скопировать расход компонента или долю компонента в смеси и общий расход ⇒ Может быть выбран молярный , массовый или нормальный объём жидкости Алгоритмы блока сходимости • Для различных функций Aspen Plus использует различные алгоритмы блока сходимости : ⇒ Для сходимости разрываемых потоков : • WEGSTEIN • DIRECT • BROYDEN • NEWTON ⇒ Для сходимости утилиты подбора параметров и разрываемых потоков : • BROYDEN • NEWTON ⇒ Для сходимости утилиты подбора параметров : • SECANT • BROYDEN • NEWTON ⇒ Для оптимизации : • SQP • COMPLEX • Глобальные настройки сходимости изменяются в форме Convergence>Conv Options >Defaults 98 5.2 Задание для самостоятельного моделирования по сходимости схемы технологического процесса Задание : Добиться сходимости данной схемы технологического процесса Поток FEED Условия T 74°C P 1.03 bar Расход 45 кмоль / час Состав , мольные доли H20 0.4 Метанол 0.3 Этанол 0.3 • Используйте пакет свойств NRTL-RK Аппарат PREHEATR Площадь 6.04m 2 Аппарат PREFLASH ∆ P 0 Q 0 Поток GLYCOL Условия T 21°C P 2.4 bar Расход 22.7 кмоль / час Состав , мольные доли Триэтиленгликоль 1 99 Аппарат COLUMN Число теоретических тарелок 10 Флегмовое число 5 Отношение расхода дистиллята к расходу входящего потока 0.2 Расход газового потока 1000 кмоль / час Расход потока золы 200 кг / час Давление в колонне 1 atm Тарелка питания 5 • Сохраните задачу как CONV-R.BKP • Примечание : Существует несколько способов решения задачи сходимости этой модели Вопросы , приведённые ниже , помогут Вам определиться с выбором наилучшего из них • Ответьте на следующие вопросы : ⇒ Какие сообщения отображаются в панели управления ? ⇒ Почему расход некоторых потоков равен нулю ? ⇒ Какова последовательность расчёта схемы технологического процесса , построенная Aspen Plus? ⇒ Какие потоки Aspen Plus выбирает в качестве разрываемых ? ⇒ Какие ещё потоки можно разорвать ? • Рекомендации : ⇒ Задайте начальную оценку для разрываемого потока и запустите расчёт схемы технологического процесса ещё раз ⇒ О каком из трёх потоков , которых Вы можете разорвать , известно больше информации ? ( Примечание : если вы вводите информацию по потоку , образующему « петлю », Aspen Plus автоматически попытается выбрать этот поток в качестве разрываемого ). • Метод решения : ⇒ На форме Convergence>Convergence создайте новый блок сходимости ( по алгоритму NEWTON). На закладке Tear Streams выберите поток FEED-HT. ⇒ Задайте первое для потока FEED-HT первое приближение ⇒ Рассчитайте схему 5.3 Моделирование , ориентированное на уравнения В данном разделе Вы познакомитесь с тем , какие существуют возможности в Aspen Plus решения и оптимизации сложных моделей с ещё большей скоростью и точностью Введение в моделирование , ориентированное на уравнения • Моделирование , ориентированное на уравнения (Equation Oriented), является альтернативной стратегией решения схем технологических процессов Aspen Plus • Настройка схемы технологического процесса производится так же , как и ранее , за исключением того , что Вы можете выбрать для Вашей модели другой способ решения Моделирование , ориентированное на уравнения , и модульный подход • Стандартным подходом к моделированию Aspen Plus является последовательный модульный подход (Sequential Modular, SM) ⇒ Последовательно рассчитывает блоки схемы технологического процесса , в каждом блок вычисляется значение выходного потока по заданному значению потока на входе ⇒ При наличии рециркуляции необходима итерационная процедура ⇒ Несмотря на то , что метод эффективен для многих типов моделей , для решения некоторых типов задач может понадобиться много времени 100 • Моделирование , ориентированное на уравнения (Equation Oriented, EO) – это альтернативный метод расчёта моделей технологических процессов ⇒ Вместо того , чтобы решать последовательно каждый блок , в методе EO собираются вместе все уравнения модели и решаются одновременно Для чего нужно моделирование , ориентированное на уравнения ? • Стратегия , ориентированная на уравнения , обеспечивает : a. Большую скорость решения моделей , которая может быть увеличена на порядок и даже более b. Большую точность результатов , т е меньшую ошибку при расчёте разрываемого потока , чем при использовании только модели SM c. Надёжность результатов при моделировании , оценки параметров , согласовании и оптимизации Часто метод EO работает там , где не сходится SM 4:35 129 10 -4 5:15 150 10 -5 7:40 201 10 -6 Сбой на 300 итер . 10 -7 Время ( мин ) Количество итераций Допуск Последовательный модульный (SM) подход 2:10 59 10 -3 4:35 129 10 -4 5:15 150 10 -5 7:40 201 10 -6 Сбой на 300 итер . 10 -7 Время ( мин ) Количество итераций Допуск Последовательный модульный (SM) подход 2:10 59 10 -3 4:35 129 10 -4 5:15 150 10 -5 7:40 201 10 -6 Сбой на 300 итер . 10 -7 Время ( мин ) Количество итераций Допуск Последовательный модульный (SM) подход 2:10 59 10 -3 0:55 3 SM + 3 EO 10 -8 Время ( мин ) Количество итераций Допуск Подход , ориентированный на уравнения (EO) Использование метода EO для стационарных процессов • Расчёты , основанные на уравнениях , могут быстро и надёжно работать в нескольких сложных приложениях , в том числе : ⇒ В процессах с большими тепловыми потоками ⇒ В схемах с большим количеством рециклов ⇒ В схемах , где применяется утилита подбора параметров ⇒ При моделировании стационарных процессов , где необходима оптимизация ( для проектирования , усовершенствования организации процессов ) ⇒ Настройка модели процесса посредством согласования данных и ( или ) оценки параметров ⇒ Другие случаи , где выявляются трудности сходимости схемы при использовании SM - подхода 101 Возможности EO Offline моделирование Offline оптимизация Online оптимизация Только SM расчёты Н е о б х о д и м ы е у с и л и я д л я н а х о ж д е н и я р е ш е н и я ? “ Сложность ” модели Сочетание SM и EO Использование метода EO в инженерных целях ( стационарные процессы ) • Метод EO делает возможным решение важных задач , которые на сегодняшний день для инженерных организаций достаточно трудны , а именно : ⇒ Анализ проблем , анализ возможностей устранения « узких » мест , разработка технологических процессов ⇒ Проверка текущей деятельности ; изучение улучшенных условий работы ⇒ Поддержка offline- моделей долгосрочного планирования для выбора стратегий поставки сырья и т п ⇒ Определение граничных условий для online- оптимизации ( если применимо ) ⇒ Проверка моделей APC ( если применимо ) Входные данные для моделирования EO • Большинство входных данных для моделирования с помощью методов SM и EO, в том числе задание компонентов , физических свойств , потоков и блоков , являются для них общими Несмотря на это , для уточнения модели EO, вы можете указать дополнительные параметры , в том числе : ⇒ Изменяющиеся атрибуты переменных , включая их спецификации ⇒ Связь между переменными ⇒ Определение целевых функций для оптимизатора • Дополнительные параметры вводятся в обозревателе данных (Data Browser) в папку под названием EO Configuration Инициализация EO • Стратегия моделирования EO хорошо работает в случаях , когда все переменных заданы « близко » к решению ⇒ Стратегия EO не подходит для решения моделей , в которых отсутствуют точные оценки всех переменных • Вам необходимо сначала решить задачу методом SM, и только затем перейти на метод EO. При этом не требуется полной сходимости модели с помощью SM метода ⇒ Минимальные требования – каждый блок должен быть решён хотя бы один раз ⇒ Степень точности , с которой необходимо рассчитать модель в SM для обеспечения устойчивой работы EO, зависит от вида задачи 102 Режимы работы метода SM • Метод SM, реализованный в Aspen Plus, обычно работает в одном режиме : 1. Моделирование : Параметры и входные данные модели зафиксированы В задачах такого типа нет степеней свободы Фиксированные значения переменных определяются значениями , введёнными на входных формах Все остальные количественные величины модели рассчитываются • Эта стратегия имеет ограниченные возможности работы в других режимах , например : ⇒ Оценка и согласование параметров ⇒ Оптимизация ⇒ Тем не менее , применение метода SM к оценке , согласованию и оптимизации параметров в общем случае связано со сложностями сходимости и ( или ) большим временем расчёта Режимы работы метода EO • Метод EO может работать в четырёх различных режимах : 1. Моделирование : В этом режиме нет степеней свободы Параметры выходного потока вычисляются на основе входных потоков и режима работы блока 2. Оптимизация : Этот режим обычно предусматривает варьирование условиями работы установки с целью максимизации прибыли и , таким образом , в нём имеются степени свободы Параметры , определённые при настройке модели , в этом режиме неизменны 3. Оценка параметров : Это режим настройки модели В нём нет степеней свободы Входные и определённые выходные величины зафиксированы , а параметры модели вычисляются Для каждого оцениваемого параметра необходима одна измеряемая переменная 4. Согласование : Этот режим также используется для настройки модели Как правило , он минимизирует среднеквадратичную функцию взвешенного отклонения между прогнозами модели и замерами на установке В этом режиме может быть множество степеней свободы Сравнение двух методов • В численных методах , используемых в подходе EO для решения задач согласования и оптимизации , необходимы производные первого и второго порядков ⇒ В режиме SM производные первого и второго порядков записываются численно Любая погрешность в производной первого порядка будет складываться с погрешностью переменной второго порядка ⇒ В режиме EO производная первого порядка вычисляется аналитически , таким образом , ошибка в производной первого порядка отсутствует Даже несмотря на то , что производная второго порядка в EO записывается численно , её точность значительно выше точности производной второго порядка в SM • Конечный результат : Задачи оптимизации и согласования в EO решаются намного быстрее и более точно , чем в SM – методе Блоки |