Худович И.М. Современные системы автоматизированного моделирован. Уо Полоцкий государственный университет современные системы автоматизированного моделирования химикотехнологических процессов
 Скачать 1.72 Mb.
|
|
6. Задание параметров потоков питания и разрываемых потоков. Термодинамическое состояние потока определяется любыми двумя пара- метрами из трех следующих: температуры, давления и долей пара; обычно задаются температура и давление. При задании всех трех параметров ChemCad выводит сообщение об избыточном определении потока. Для каждого потока питания нужно задать расход по всем веществам, вклю- ченным в список компонентов, либо задаться суммарным расходом ком- понентов и их концентрациями. Если в схеме присутствуют рецикловые (разрываемые) потоки, то для расчета схемы используется итерационный процесс. В этом случае за- дание начальных приближений параметров разрываемых потоков не обя- зательно, программа принимает в их качестве нулевые значения. Однако удачный подбор отличных от нуля начальных приближений может уско- рить сходимость. 78 Задание параметров потока можно выполнить следующими способа- ми: дважды щелкнуть левой клавишей мыши на интересующем потоке; использовать команду контекстного меню Edit Unit Op Streams (Редакти- рование потоков единицы оборудования) для задания параметров потоков выбранной единицы оборудования; с помощью команд меню Specifications (Спецификации). Задание параметров потоков выполняется в режиме Mode: Simulation в окне Edit Streams (рис. 4.3.6). Рассмотрим команды меню Specifications. Команда Select Streams (Выбор потоков) позволяет выбирать интересующие потоки технологиче- ской схемы. После выполнения команды на экран выводится окно Select Streams для ввода ID номера потока. Этот номер можно либо непосредст- венно ввести в поле, либо щелкнуть левой клавишей мыши на нужном по- токе, и его номер появится в поле окна. После нажатия кнопки ОК на экран выводится окно Edit Streams (Редактирования потоков). Ввод данных по составу и параметрам состояния потока выполняется в соответствующие поля и завершается каждый раз нажатием клавиши [ENTER]. Данные можно редактировать и удалять. Кнопка Flash (Испарение) используется для расчета испарения параметров состава, температуры и давления. Кнопка Comp List (Список компонентов) выводит на экран текущий спи- сок компонентов. Окно Edit Streams может охватывать все выбранные на технологической схеме потоки. После определения всех параметров пото- ка нажимается кнопка ОК. Все последующие команды меню Specifications, относящиеся к зада- нию параметров потоков, выполняются аналогично команде Select Streams и позволяют: – Feed Streams (Потоки питания) автоматически выбратъ все потоки питания технологической схемы; – Cut Streams (Разрываемые потоки) редактировать разрываемые по- токи технологической схемы; – Сорy Stream (Копирование потока) копировать все данные, отно- сящиеся к одному потоку, в другой поток. Для этого надо в окне Copy Stream (Копируемый поток) в полях Copy Stream to (Копировать поток в) ввести, соответственно, номера исходного потока и потока, в который бу- дут копироваться данные; – Select Cut Streams (Выбрать разрываемые потоки) переопределить разрываемые потоки технологической схемы; – Reset Cut Streams (Восстановить исходные разрываемые потоки) восстановить исходные номера и состояние разрываемых потоков. 79 В рассматриваемом примере, после двойного щелчка левой клавишей мыши по сырьевому потоку колонны в окне Edit Streams (рис. 4.3.6), задается температура (40 °С) и давление потока (767 кПа), а также его состав, в соответствии с таблицей 4.1 (предварительно установив в графе Comp unit (Единицы измерения компонентов) размерность состава (кг/час)). Рис. 4.3.6. Окно задания параметров потока программы ChemCad 7. Ввод параметров оборудования. По аналогии с заданием пара- метров потока, для ввода параметров оборудования также используются: двойной щелчок левой клавишей мыши на единице оборудования, команда контекстного меню Edit Unit Op Data (Редактирование параметров едини- цы оборудования) и соответствующие команды меню Specifications (Спе- цификации). Задание параметров оборудования выполняется в режиме Mode: Simulation. Команда Specifications/Select UnitOps (Спецификации/Выбор обору- дования) позволяет выбрать отдельные единицы оборудования. Их выбор выполняется аналогично выбору потоков. Команда Specifications/All UnitOps (Спецификации/Все оборудова- ние) позволяет автоматически выбрать все оборудование технологической схемы. Окна для ввода параметров появляются на экране последовательно, в соответствии с ID номерами оборудования. 80 Вид окна ввода параметров определяется типом оборудования и ис- пользуемыми параметрами оборудования, которые заложены в его моду- лях расчета. Окно может содержать один и более разделов. Ниже рассмат- риваются окна ввода параметров для ряда аппаратов, используемых в рас- сматриваемом примере. В окне редактирования колонны, вызываемого двойным щелчком ле- вой клавиши мыши по соответствующей пиктограмме элемента расчет- ной схемы, необходимо задать основные параметры (раздел General), спе- цификации (раздел Specifications), начальные приближения и параметры сходимости (раздел Convergence). В разделе основных параметров (General, рис. 4.3.7) выбирается 2 тип конденсатора Total with decant (Полная конденсация с разделением), задается давление вверху колонны (Top pressure) 750 кПа, перепад давле- ния через конденсатор (Cond press drop) 50 кПа, перепад давления через колонну (Colm press drop) 35 кПа, задается число теоретических ступеней контакта (No of stages) с учетом конденсатора и ребойлера. Указывается тарелка питания (Feed tray for stream) 12, имея ввиду, что нумерация та- релок начинается сверху, а конденсатор является первой теоретической ступенью контакта. Рис. 4.3.6. Раздел основных параметров колонны программы ChemCad 81 В разделе спецификации (Specifications, рис. 4.3.7) задается специ- фикация режима конденсатора (Condenser mode) и режима ребойлера (Select reboiler mode). Возможные варианты спецификаций в программе ChemCad значительно беднее, чем в рассмотренных ранее программах PRO/II и HYSYS. В связи с тем, что для конденсатора невозможно задать спецификацию по концентрации группы компонентов в смеси, как сформу- лировано в условиях рассматриваемого примера, для конденсатора выбра- на спецификация по массовой доле компонента (Weight fraction of one com- ponent). В качестве характеризующего компонента выбирается гексан и задается его содержание в верхнем продукте на уровне 0,1 % мас. (при- нято на основании анализа результатов решения данного примера в рас- смотренных выше УМП). Для ребойлера задается аналогичная специфика- ция по n-бутану. Его концентрация в нижнем продукте, в соответствии с заданием, составляет 2,76 % масс. Рис. 4.3.7. Раздел спецификаций колонны программы ChemCad Раздел начальных приближений и параметров сходимости (Conver- gence, рис. 4.3.8) состоит из 6 блоков: General estimates (Главные началь- ные приближения), Temperature estimates (Начальные приближения по температуре), Side product estimates (Начальные приближения бокового продукта), Convergence (Сходимость), Thermosyphon reboiler (Термоси- фонный ребойлер), Calculated results (Результаты расчета). Для решения материального, теплового, баланса равновесия и баланса спецификаций необходимы начальные профили колонны (начальные при- ближения). Они или могут быть заданы пользователем, или выработаны са- мой программой с помощью генератора начальных приближений. В идеале единственным приближением, которое должен задать пользователь, являет- 82 ся расход верхнего продукта колонны (Dist. rate). Другая крайность – это за- дание пользователем полного набора оценок значений температуры и рас- ходов. Алгоритм генерации начальных приближений программы ChemCad может вырабатывать эти значения, и пользователь не должен задавать примерных значений параметров за исключением самых трудных случаев моделирования. В блоке Convergence пользователю предоставляется возможность за- дать максимальное число итераций (значение по умолчанию 20), погреш- ность расчета (значение по умолчанию 0,00005) и демпинг фактор (значе- ние по умолчанию 1). Демпфирующий фактор (Damping Factor) меньший, чем единица, может использоваться для улучшения сходимости при расче- те сложных колонн. В блоке Calculated results приводятся основные результаты преды- дущего расчета. В рассматриваемом примере задается начальное приближение по расходу дистиллята (Dist. rate) равное 3,856 кмоль/ч (232 кг/час). Следует обратить внимание, что начальные приближения в данной программе мо- гут задаваться только в кмоль/час (в системе CИ). Остальные парамет- ры данного раздела в рассматриваемой задаче не изменяются (для пара- метров сходимости принимаются умолчания). Рис. 4.3.8. Раздел начальных приближений и параметров сходимости ChemCad 83 В окне редактирования насоса, вызываемого двойным щелчком левой клавиши мыши по соответствующей пиктограмме элемента расчетной схемы, в рассматриваемом примере, необходимо выбрать в качестве спе- цификации расчета давление на выходе (Mode: Specify outlet pressure), за- дать значение спецификации (1000 кПа) и эффективность (Efficiency) на- соса, например, условно равную 0,9 . 8. Запуск программы моделирования. Для проведения моделирова- ния технологической схемы используются команды меню Run (Счет). С помощью этих команд можно задавать последовательность расчета и вы- полнять контроль над ходом расчета. Рассмотрим варианты моделирования технологической схемы: – Run All (Счет всего) – рассчитывает все оборудование техноло- гической схемы. При этом программа в первую очередь проверяет все дан- ные перед началом расчетов. В процессе проверки она может выдавать как предупреждения, так и сообщения об ошибках. Расчет не будет выпол- няться до тех пор, пока не будут устранены причины этих ошибок. После- довательность расчета модулей оборудования определяется программой автоматически; – Run Selected Units (Счет выбранного оборудования) – выполняет расчет одной или более единиц выбранного оборудования. Процесс выбора тот же, что и при работе с командой UnitOps (Оборудование). Команда может использоваться для задания последовательности расчета; – Recycles (Рециклы) – позволяет идентифицировать порядок рас- чета рециклов технологической схемы и рассчитать их; – Calculation sequence (Последовательность расчета) – позволяет задать свою последовательность расчета. После выполнения команды на экран выводится окно ChemCad Message box с сообщением о результатах расчета. Для продолжения расче- та надо нажать кнопку Yes (Да), в противном случае No (Нет). 9. Просмотр результатов. Просмотр полученных результатов ис- пользуется как на промежуточных этапах моделирования технологической схемы, так и по его завершении. При просмотре в любой момент все данные для моделирования и его результаты можно распечатать или записать в файл. Для просмотра используются команды меню Results (Результаты) и Plot (Граф.), доступные в режиме Mode: Simulation. Просмотр с помощью меню Results (Результаты). Команды меню Results (Результаты) используются при просмотре на экране всех данных 84 для моделирования и результатов моделирования в табличной форме. Ре- зультаты просмотра выводятся в окне редактора WordPad. Перед просмотром с помощью команды Results/Set Flow Units (Ре- зультаты/Размерности расхода), при необходимости, можно выбрать новые глобальные размерности расхода. Команда Results/Stream Compositions (Результаты/Составы потоков) выводит на экран подменю с различными командами для просмотра соста- вов потоков технологической схемы: – Select Streams (Выбор потоков) – позволяет задать один или более потоков для просмотра на экране; – All Streams (Все потоки) – выводит на экран составы всех потоков технологической схемы; – Feed Streams (Потоки питания) – позволяет просмотреть составы только потоков питания технологической схемы; – Product Streams (Потоки продуктов) – выбирает для просмотра только продуктовые потоки; – Unit Streams (Потоки единицы оборудования) – выводит на экран только те потоки, которые связаны с выбранной единицей оборудования. Команда Results/Stream Properties (Просмотр/Свойства потоков) вы- водит на экран подменю с различными командами для просмотра свойств потоков. Команда Select Properties (Выбрать свойства) позволяет выбрать нужные свойства потоков, которые будут выводиться при просмотре. С помощью следующих команд меню Results можно: – UnitOp's (Оборудование) – просмотреть исходные данные и рассчи- танные величины для одной или более выбранных единиц оборудования; – Topology (Топология) – вывести на экран матрицу процесса; – Thermodynamics (Термодинамика) – вывести на экран установлен- ные для текущего задания термодинамические опции; – Tower Profiles (Профили по колонне) – просмотреть профиль ректи- фикации для выбранной колонны: число ступеней, температуру, давление, расходы жидкости и пара, расход питания, выход продукта, тепловую нагруз- ку кипятильника и конденсатора, расход, нагрузку циркуляционного насоса; – Tray Compositions (Составы на тарелках) – вывести на экран зна- чения температуры, давления, состава жидкости и пара, константы равно- весия для каждой ступени выбранной ректификационной колонны; 85 – Tray Properties (Свойства на тарелках) – выполнить просмотр транспортных свойств жидкости и пара для указанных ступеней выбран- ной ректификационной колонны; – Distillation Curves (Кривые дистилляции) – выбрать один или более по- токов для просмотра полного набора кривых дистилляции в табличной форме; – Convergence (Сходимость) – вывести на экран все установленные параметры сходимости. Результаты просмотра можно сохранить в файле формата doc, вы- полнив команду Файл/Сохранить. Просмотр с помощью меню Plot (Граф.). Для графического изобра- жения результатов моделирования используются команды меню Plot (Граф.). С помощью этих команд можно вычертить профили по колоннам, изменения свойств потоков и диаграммы парожидкостного равновесия. 10. Составление отчета. ChemCad позволяет создавать отчет о ре- зультатах моделирования в виде таблиц с помощью команды Output/Report/Calculate and Give Results (Выходные данные / Отчет / Рас- считать и выдать результаты). Их можно вывести на экран, сохранить в текстовом файле со стандартной кодировкой символов (ASCII), в файле типа (PRN) или послать отчет на устройство печати. Программа имеет стандартный формат вывода отчета, однако при необходимости его можно изменить в окне Report Menu (доступно по команде Output/Report). Можно указать, какие части отчета, а также какие потоки и свойства будут вклю- чены в отчет. Имеются опции для задания формата выводимых чисел. Отчет можно получить в табличной (текстовой) форме и в виде диа- граммы технологического процесса. Ниже приводятся элементы отчета по решению рассматриваемой задачи, посвященные колонне и насосу: Unit type : TOWR Unit name: Eqp # 2 Mole Reflux ratio 0.564 Temp Pres Liquid Vapor Feeds Product Duties Stg C kPa kmol/h kmol/h kmol/h kmol/h MJ/h 1 57.2 700.00 2.16 3.83 -121.1 0.00 Decant 2 70.7 750.00 2.12 5.99 3 75.0 751.75 2.07 5.95 4 77.0 753.50 2.05 5.90 5 78.1 755.25 2.03 5.88 6 78.9 757.00 2.00 5.86 7 79.7 758.75 1.97 5.83 8 80.6 760.50 1.94 5.80 9 81.7 762.25 1.89 5.77 86 10 83.1 764.00 1.81 5.72 11 85.2 765.75 1.66 5.64 12 89.5 767.50 21.16 5.49 12.87 13 91.1 769.25 21.27 12.12 14 92.7 771.00 21.35 12.23 15 94.5 772.75 21.40 12.31 16 96.8 774.50 21.46 12.36 17 99.5 776.25 21.54 12.42 18 102.8 778.00 21.66 12.51 19 106.7 779.75 21.77 12.62 20 111.4 781.50 21.81 12.73 21 118.1 783.25 21.37 12.77 22 131.1 785.00 12.33 9.04 313.7 Pump Summary Equip. No. 1 Name Output pressure kPa 1000.0000 Efficiency 0.9000 Calculated power kW 0.0964 Calculated Pout kPa 1000.0000 Head m 41.3081 Vol. flow rate m3/h 1.4514 Mass flow rate kg/h 770.3321 Как видно из результатов расчета программы ChemCad расчетная температура в конденсаторе составляет 57,2 °С, в ребойлере 131,1 °С, теп- ловая нагрузка конденсатора 121,1 МДж/час, ребойлера 313,7 МДж/час. Мольная кратность орошения в колонне 0,564. Расчет насоса показал, что его мощность (при кпд 90 %) должна составлять 0,0964 кВт, а напор насоса составит 41,308 м. 4.4. Сравнительный анализ результатов расчета в различных УМП В табл. 4.4.1 приведены обобщенные основные результаты расчета рассмотренного выше примера в программах PRO/II, HYSYS и ChemCad. Как видно из таблицы, результаты расчета различных программ практически одинаковы. Существующие незначительные расхождения в первую очередь свя- заны с итерационностью расчета и различной точностью сведения специ- фикаций при нем (не редактировалась при проведении расчета, принима- лись значения по умолчанию специфические для каждой УМП). Кроме то- го, алгоритм реализации математической модели расчета термодинамиче- 87 ских свойств (в реализованном примере – Соав-Редлих-Квонг), в рассмот- ренных программах различен, что вносит свою составляющую в погреш- ность расчета в целом в силу итерационности расчета некоторых свойств компонентов (например, констант фазового равновесия). Таблица 4.4.1 Результаты расчета Результаты расчета Размер ность Универсальная модели- рующая программа Станд. откл. % PRO/I I HY- SYS ChemCad Стабилизационная колонна Температура в конденсаторе °С 57,4 56,99 57,2 ±0,45 Температура в ребойлере °С 131,1 130,9 131,1 ±0,09 Тепловая нагрузка конденсатора МДж/час 119,1 120,5 121,1 ±0,58 Тепловая нагрузка ребойлера МДж/час 312 313,4 313,7 ±0,24 Кратность орошения мол. доля 0,530 0,566 0,564 ±3,13 |