Худович И.М. Современные системы автоматизированного моделирован. Уо Полоцкий государственный университет современные системы автоматизированного моделирования химикотехнологических процессов
 Скачать 1.72 Mb.
|
|
распространяется свободно и абсолютно бесплатно (официальный сайт: www.cocosimulator.org). 21 3.2. Состав универсальных моделирующих программ В основу всех современных средств моделирования заложены общие принципы расчетов материально-тепловых балансов химических процес- сов (т.е. процессов, связанных с изменением агрегатного состояния, ком- понентного и химического состава материальных потоков). Как правило, любой процесс состоит из стадий (элементов), на каждой из которых про- изводится определенное воздействие на материальные потоки и превраще- ние энергии. Последовательность стадий обычно описывается с помощью технологической схемы, каждый элемент которой соответствует опреде- ленному технологическому процессу (или группе совместно протекающих процессов). Соединения между элементами технологической схемы соот- ветствуют материальным и энергетическим потокам, протекающим в сис- теме. В целом моделирование технологической схемы основано на приме- нении общих принципов термодинамики к отдельным элементам схемы и к системе в целом. Любая система моделирования включает набор следующих основ- ных подсистем, обеспечивающих решение задачи моделирования химико- технологических процессов: − набор термодинамических данных по чистым компонентам (база данных) и средства, позволяющие выбирать определенные компоненты для описания качественного состава рабочих смесей; − средства представления свойств природных углеводородных сме- сей, главным образом – нефтей и газоконденсатов, в виде, приемлемом для описания качественного состава рабочих смесей, по данным лабораторно- го анализа; − различные методы расчета термодинамических и транспортных свойств, таких как коэффициент фазового равновесия, энтальпии, энтро- пии, плотности, растворимости газов и твердых веществ в жидкостях, вяз- кости, теплопроводности и т.д.; − набор моделей и алгоритмов для расчета отдельных элементов тех- нологических схем или отдельных процессов (например, перекачка жидко- сти, компремирование газа, ректификация, экстракция, теплообмен и т.п.); − средства для формирования технологических схем из отдельных элементов; − средства для расчета технологических схем, состоящих из большо- го числа элементов, определенным образом соединенных между собой. И если последние три подсистемы достаточно специфичны для каж- дой УМП, то первые три можно рассмотреть обобщенно. 22 3.2.1. Термодинамические данные по чистым компонентам Эти данные необходимы для расчета термодинамических свойств, таких как коэффициенты фазового равновесия, энтальпии, энтропии, плот- ности, растворимости газов и твердых веществ в жидкостях и фугитивно- сти паров. Они включают: − критические параметры и фактор ацентричности; − молекулярные массы; − плотности в точке кипения или при стандартных условиях; − температуры кипения при атмосферном давлении; − константы для расчета идеально-газовой теплоемкости или иде- ально-газовой энтальпии, энергии Гиббса, теплоты образования и сгора- ния, вязкости, поверхностного натяжения, и т.п. Моделирующие системы имеют встроенные базы данных свойств чистых компонентов. Число чистых компонентов обычно около 2000, что дает возможность использовать программы практически для любых случа- ев. На практике, при решении задач, характерных для газовой и нефтяной промышленности, используются не более 50 компонентов. 3.2.2. Средства представления и анализа свойств нефтей и газовых конденсатов Эти средства необходимы, чтобы на основе данных лабораторных исследований свойств нефтей, газоконденсатов и нефтепродуктов полу- чить необходимые данные для адекватного представления этих смесей в моделирующей системе. Потоки углеводородов могут быть определены (заданы) с помощью лабораторных данных разгонки. Обычно эти данные состоят из собственно данных разгонки (ИТК, ASTM D86, ASTM D1160 или ASTM D2887), данных по плотности (средняя плотность и, возможно, кривая плотности) и, может быть, данных по молекулярной массе, содер- жанию легких компонентов, а также данных по специальным товарным свойствам, таким как температура застывания и содержание серы. Эта ин- формация используется для генерации набора дискретных псевдокомпо- нентов, которые потом применяются для представления состава каждого потока, характеризуемого кривой разгонки. 23 3.2.3. Методы расчета термодинамических свойств При моделировании отдельного химического процесса, или химиче- ской установки в целом, для получения точного результата, важно использо- вать соответствующий задаче математический метод расчета термофизиче- ских свойств компонентов. Обычно моделирующая система включает раз- личные, проверенные опытом, методы расчета термодинамических свойств, таких как коэффициенты фазового равновесия (распределение компонентов между фазами в состоянии равновесия), энтальпии, энтропии, плотности, вязкости, теплопроводности, поверхностного натяжения, растворимости, фу- гитивности паров, и др. Данные методы расчета включают в себя: − обобщенные корреляции, такие как метод расчета коэффициентов фазового равновесия Чао – Сидера и метод расчета плотности жидкости API; − уравнения состояния, такие как метод расчета Соава – Редлиха – Квонга для коэффициента фазового равновесия, энтальпий, энтропий и плотностей; − методы коэффициентов активности жидкости, такие как метод NRTL (Non-Random Two-Liquid – Упорядоченное двухжидкостное) для расчета коэффициента фазового равновесия; − методы фугитивности паров, такие как метод Хайдена – О’Коннела для димеризующихся веществ; − специальные методы расчета свойств специфических систем ком- понентов, таких как спирты, амины, гликоли и системы кислой воды. Ниже кратко рассматриваются основные термодинамические методы расчета термофизических свойств и рекомендации по их применению. 1) Методы, основанные на уравнениях состояния. Соав – Редлих – Квонг (SRK) и Пенг – Робинсон (PR). Константы для уравнения состояния были получены из приведения величин давления паров для ограниченного числа обычных углеводородов. Это ограничивает использование уравнения состояния SRK только для неполярных компо- нентов. Данное уравнение состояния не предсказывает точного поведения полярных компонентов или жидких газов, таких как водород. Однако про- стота уравнений и их точность при расчете давления паров при температу- рах, которые выше нормальной температуры кипения углеводородов, по- зволило ему найти широкое применение в промышленности. Форма уравнения, предложенная Пенгом и Робинсоном в 1976 году, такая же, что и предложенная в 1972 году Соавом. Уравнение отличается численным значением констант. 24 Указания по применению: все процессы с легкими углеводородами, та- кие как процессы переработки природного газа и переработка легкой части на установках НПЗ. Для богатых водородом систем точность растворимости водорода может быть повышена путем использования разных альфа форму- лировок или же одного или более современных правил смешения. Соав – Редлих – Квонг Кабади – Даннер (SRKKD). Этот метод (SRKKD) является модификацией метода Соав – Редлих – Квонг с целью улучшения предсказания фазового равновесия пары – жидкость – жид- кость для углеводородных систем с водой. Одним из ограничений данного метода является то, что раствори- мость углеводородов в водной фазе предсказывается только с точностью до порядка. Указания по применению: системы природного газа, содержащие во- ду, при высоких давлениях. Углеводородные системы с водой, где важно предсказание растворения углеводородов в воде. Метод работает неудов- летворительно при предсказании растворимости водорода в водной фазе. Соав – Редлих – Квонг модифицированный, Пенг – Робинсон мо- дифицированный (SRKM, PRM). Улучшают предсказание для поляр- ных/неполярных систем, имеющих большую неидеальность. Уточненная корреляция обеспечивает получение более верных предсказаний давления паров по сравнению с первоначальной формулировкой SRK и PRдля ши- рокого диапазона компонентов. Указания по применению: сепараторы с тремя фазами для систем уг- леводороды – вода (блоки ГФУ установок каталитического крекинга и гидрокрекинга). Установки производства масел и установки депарафини- зации. Системы природного газа, содержащие полярные компоненты, та- кие как метанол. Соав – Редлих – Квонг – Гексамер (SRK-Hexamer). Фтористый водород является распространенным химическим реагентом, который ис- пользуется во многих процессах, включая HF алкилирование, производст- во хладагентов и других галогенсодержащих веществ. В отличие от угле- водородов, фтористый водород является полярным и имеет водородные связи и, следовательно, самоассоциируется не только в жидкой, но и в па- ровой фазе. Из экспериментов данных известно, что пары HF существуют главным образом в качестве смеси мономеров и гексамеров. Кроме того, 25 эксперименты свидетельствуют, что гексамеры существуют в форме цик- ла, похожего на бензольный. Это ведет к значительному отклонению от идеальности, особенно при расчете коэффициентов фугитивности, коэф- фициентов сжимаемости паров, теплот испарения и энтальпий. Указания по применению: колонны установки алкилирования в при- сутствии HF, такие как деизобутанизатор, депропанизатор и др. Бенедикт – Уэбб – Рубин – Старлинг (BWRS). Уравнение состоя- ния BWRS может очень точно предсказывать свойства чистых компонен- тов для легких углеводородов, но недостаточно точно при предсказании свойств тяжелых углеводородов и смесей с полярными составляющими. Метод значительно уступает уравнениям SRK и PR при применении в кри- тической и суперкритической областях. Указания по применению: системы легких углеводородов при усло- виях ниже критических. 2) Обобщенные методы корреляции Чао – Сидер (CS). Указания по применению: легкие углеводороды (за исключением метана) при температурах ниже 260 °С (но не менее –70 °С) и давлениях ниже 10 МПа, но не более 0,8 от критического давления систе- мы, с концентрацией растворенных в жидкости газов до 20 % мольн. Не рекомендуется для систем с большими концентрациями H 2 или других не углеводородов, таких как N 2 , H 2 S, CO 2 и т.д. Грейсон – Стрид (GS). Грейсон и Стрид в 1963 году модифицирова- ли корреляцию Чао – Сидера путем обработки данных в более широком диапазоне условий. Модификации Грейсона и Стрида расширили диапазон применений для углеводородных систем вплоть до температуры 450 °С и давления 15 МПа. Нижние пределы, указанные Чао и Сидером, остались в силе. Указания по применению: колонны нефтеперерабатывающих заводов, работающие с тяжелыми продуктами, такие как атмосферные, вакуумные и ректификационные колонны установок каталитического крекинга и коксова- ния. Также может быть использован для большинства газоперерабатываю- щих установок НПЗ и процессов с участием водорода, таких как риформинг и гидрокрекинг. Для гидрокрекинга более точные значения растворимости водорода предсказываются одним из модификаций методов SРК. 26 Улучшенный Грейсон – Стрид (IGS). Для смесей углеводороды – во- да методы Грейсон – Стрид и модифицированный Эрбаром Грейсон – Стрид точно предсказывают фазовое поведение обогащенной углеводородами фазы, однако не делают это так же хорошо для фазы, обогащенной водой. Улучшенный метод Грейсон – Стрид (IGS) является расширением метода Грейсон – Стрид для поддержки строгих расчетов трех фаз углево- дородных систем с водной фазой. Указания по применению: то же, что и для метода Грейсон – Стрид. Может также использоваться для строгих расчетов, включая расчеты угле- водородных систем с тремя фазами, где одной из них является водная. Браун-K10 (BK10). Метод BK10 основан на графиках, разработан- ных Каяндером и др. в 1960 г. Для предсказания констант фазового равно- весия компонентов при давлении системы, используется коррекция графи- ка при давлении 10 фунтов/кв. дюйм (69 кПа). Этот метод имеет ограниченную способность предсказания К-значений для легких компонентов и использует большие приближения для H 2 , N 2 , O 2 , CO, CO 2 и H 2 S. Т.к. влияние состава на К-значения игнори- руется, следует ожидать получения неудовлетворительных результатов для смесей ароматики с парафинами, нафтенами и олефинами. Указания по применению: этот метод обычно дает неплохие резуль- таты для колонн тяжелых продуктов нефтеперерабатывающих заводов, ра- ботающих при низких давлениях. Если распределение легкой части про- дукта в колонне является важным, должен использоваться другой метод. Метод ни в коем случае не должен применяться для систем с давлением выше, чем 500 кПа или температурой за пределами –70 – 500 °С. Идеальный (Ideal). В идеальном растворе, при постоянных темпера- туре и давлении, фугитивность каждого компонента пропорциональна его мольной доле. При расчете коэффициентов фазового равновесия не учиты- вается зависимость их от состава. Они зависят только от температуры (благодаря зависимости от нее давления насыщенных паров) и давления. Плотности идеальных паров получаются из закона идеального газа. Указания по применению: системы с похожими компонентами при низких давлениях и температурах. 27 3) Методы коэффициентов активности жидкости Уравнение Вильсона (Wilson). Полезно для полярных или ассоции- рованных компонентов в неполярных растворителях и для полностью смешивающихся жидкостей. Данный метод был первой моделью, которая включала в себя кон- цепцию местного состава. Основная идея состоит в том, что состав вблизи специфической молекулы раствора будет отличаться от состава жидкости в целом благодаря силам межмолекулярного взаимодействия. Его самое большое ограничение состоит в том, что метод математи- чески не способен предсказывать разделение жидкости на две частично смешивающиеся фазы. Следовательно, он полностью не подходит для сис- тем, в которых наблюдается фазовое разделение жидкость – жидкость. Уравнение NRTL. Полезно для в высокой степени неидеальных смесей и для частично несмешивающихся систем. Уравнение NRTL было разработано Реноном и Праусницем, чтобы использовать концепцию местного состава, избежав неспособности метода Вильсона предсказать фазовое разделение жидкость – жидкость. Данный метод широко использовался для представления широкого диапазона систем. Уравнение UNIQUAC. Уравнение UNIQUAC (универсальное ква- зихимическое) было разработано Абрамсом и Прауцницем на основе мо- дели пространственной квазихимической решетки Гудденхейма. Как и в моделях Вильсона и NRTL, используется принцип местного состава. Од- нако в качестве первичной переменной состава вместо объемных долей используются местные доли поверхности. Каждая молекула характеризу- ется объемным параметром и параметром поверхности. Указания по применению: смеси неэлектролитов, содержащих поляр- ные или неполярные компоненты и для частично смешивающихся систем. Метод UNIFAC. Метод UNIFAC (Universal Functional Activity Coefficient – универсальный функциональный коэффициент активности) рассчитывает величины коэффициентов активности на основе концепции группового вклада. Предполагается, что взаимодействия между двумя мо- лекулами являются функцией взаимодействий между группами, где каж- дый компонент описывается с точки зрения своих функциональных групп. 28 Указания по применению: данный метод очень полезен, когда нет данных по коэффициентам активности для пар компонентов, т.к. он спосо- бен к предсказаниям, если имеются данные по групповому взаимодейст- вию для групп, заменяющие данные для пар компонентов. Ниже приводится ориентировочная блок-схема алгоритма выбора термодинамического метода расчета свойств в зависимости от решаемой задачи (рис. 3.1 – 3.5). Используемые сокращения: SRK – Соав – Редлих – Квонг; PR – Пенг – Робинсон; SRKKD – Соав – Редлих – Квонг Кабади – Даннер; SRKM – СРК-Модифицированный; PRM – ПР-Модифицированный; SRKS – Соав – Редлих – Квонг SimSci; Hexamer – СРК – Гексамер; UNIWAALS – метод UNIWAALS; BWRS – Бенедикт – Уэбб – Рубин – Старлинг; CS – Чао – Сидер; GS – Грейсон – Стрид; CSE, GSE – модификация Эрбара Метода Чао – Сидера и Грейсона – Стрида; IGS – улучшенный Грейсон – Стрид; BK10 – Браун-K10; Ideal – идеальный; Wilson – уравнение Вильсона; NRTL – уравнение NRTL (non-random two-liquid); UNIQUAC – уравнение UNIQUAC (универсальное квазихимическое); UNIFAC – метод UNIFAC; Electrolyte – специализированный пакет ЭЛЕКТРОЛИТ; ALCOHOL – специализированный пакет СПИРТ; GLYCOL – специализированный пакет ГЛИКОЛЬ; SOUR – специализированный пакет КИСЛЫЙ; GPSWATER – специализированный пакет КИСЛАЯ ВОДА; AMINE – специализированный пакет АМИН. 29 Рис. 3.1. Ориентировочный алгоритм выбора термодинамического метода расчета свойств Рис. 3.2. Ориентировочный алгоритм выбора термодинамического метода расчета свойств 30 Рис. 3.3. Ориентировочный алгоритм выбора термодинамического метода расчета свойств 31 O 2 , N 2 , halogen P ≤ АТМ Легкие компоненты и Н 2 Легкие компоненты H 2 H 2 O нет нет да нет да да нет нет да да нет GS,CS, GSE, CSE IGS BK10, ideal SRK, PR GS,CS GSE, CSE,IGS SRK, PR, SRKM, PRM 4 3 Рис. 3.4. Ориентировочный алгоритм выбора термодинамического метода расчета свойств 32 Рис. 3.5. Ориентировочный алгоритм выбора термодинамического метода расчета свойств Применение алгоритма рассмотрим на примере выбора метода рас- чета термофизических свойств компонентов при расчете вакуумной ко- лонны установки АВТ. Это не ионная система – не требует специального пакета – это сис- тема тяжелых (преимущественно) компонентов – не содержит соединений фтора – не является ароматической системой – не содержит газов – давле- ние ниже атмосферного – не содержит легких компонентов – не содержит водорода. Таким образом, приходим к методу Браун-K10 (BK10). |