Embed Size (px)
Citation preview
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования «Казанский государственный технологический университет»
Н.Н. Зиятдинов, Т.В. Лаптева, Д.А. Рыжов
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ПРОГРАММЫ CHEMCAD
Учебно-методическое пособие
Казань 2008
2
УДК 66.004
Составители: проф. Н.Н. Зиятдинов доц. Т.В. Лаптева асс. Д.А. Рыжов
Математическое моделирование химико-технологических систем с использованием программы ChemCad: Учебно-методическое пособие / Казан. гос. технол. ун-т. Сост.: Н.Н. Зиятдинов, Т.В. Лаптева, Д.А. Рыжов. – Казань, 2008. – 160 с.
В пособии изложены основные сведения о моделирующей программе ChemCad (версия 5.6), предназначенной для решения задач исследования и проектирования химико-технологических процессов. Описаны основные этапы моделирования и приемы работы с программой. Излагаемый материал сопровождается упражнениями для его усвоения.
Предназначено для студентов, изучающих дисциплины «Системный ана-лиз ХТП и систем» специальности 240803, «Анализ ХТП с применением мо-делирующих программ» специальности 220301.65, «Применение ЭВМ в ин-женерных расчетах» направления 240400, а также магистрантов, аспирантов, слушателей повышения квалификации, преподавателей и сотрудников, желаю-щих 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. А.В. Клинов
Зиятдинов Н.Н., Лаптева Т.В., Рыжов Д.А., 2008
Казанский государственный технологический университет, 2008
3
Содержание
1.Общие сведения .......................................................................................51.1. Загрузка и завершение работы с программой ChemCad..............5 1.2. Использование справочной системы ChemCad ............................6 1.3. Структура рабочего окна ChemCad ...............................................6
2.Моделирование технологического процесса ........................................82.1. Создание нового файла технологической схемы .........................8 2.2. Выбор технических размерностей .................................................9 2.3. Упражнение. Создание нового задания.......................................12 2.4. Выбор компонентов ......................................................................14 2.5. Упражнение. Выбор компонентов ...............................................16 2.6. Выбор термодинамических моделей ...........................................16 2.7. Упражнение. Выбор моделей расчета
термодинамических свойств смеси ............................................24 2.8. Построение технологической схемы ...........................................25 2.9. Упражнение. Размещение пиктограмм
технологической схемы ...............................................................28 2.10. Изображение потоков на технологической схеме....................29 2.11. Упражнение. Соединение пиктограмм
технологической схемы ..............................................................29 2.12. Задание параметров потоков питания
и разрываемых потоков...............................................................30 2.13. Упражнение. Задание параметров потоков питания................32 2.14. Ввод параметров оборудования .................................................32 2.15. Упражнение. Ввод спецификаций аппаратов
технологической схемы ...............................................................67 2.16. Выбор параметров сходимости для расчета
схем с рециклами..........................................................................71 2.17. Упражнение. Задание параметров сходимости ........................74 2.18. Запуск программы моделирования ........................................... 75 2.19. Упражнение. Моделирование технологической схемы.......... 76
3.Интерактивный просмотр результатов............................................... 773.1. Просмотр с помощью меню Results (Результаты)..................... 77 3.2. Просмотр результатов с помощью меню Plot (График) ........... 80 3.3. Упражнение. Просмотр результатов расчета............................. 92 3.4. Составление отчета ......................................................................93 3.5. Упражнение. Формирование отчета ......................................... 101
4.Исследование чувствительности.......................................................102
4
4.1. Формирование анализа чувствительности ............................... 103 4.2. Выполнение анализа чувствительности ................................... 104 4.3. Просмотр результатов анализа чувствительности ................. 105 4.4. Упражнение. Исследование чувствительности
технологической схемы .............................................................106 5.Использование контроллеров ............................................................108
5.1. Контроллер прямого присвоения значения переменной технологической схемы....................................... 110
5.2. Контроллер подбора значения переменной технологической схемы....................................... 111
5.3. Упражнение. Контроллер прямого присвоения значения переменной ................................................................113
5.4. Упражнение. Контроллер подбора значения переменной...... 115 5.5. Упражнение. Контроллер подбора значения переменной...... 116 5.6. Упражнение. Моделирование ректификационной
колонны для разделения пропан-пропиленовой фракции..... 119 5.7. Упражнение. Моделирование установки получения
водно-гликолевого раствора гидратацией оксида этилена.... 123 6.Оптимизация стационарных режимов процессов............................ 131
6.1. Задание критерия оптимальности ............................................. 133 6.2. Поисковые переменные .............................................................134 6.3. Ограничения на зависимые переменные процесса.................. 136 6.4. Настройка метода решения задачи оптимизации.................... 136 6.5. Решение задачи оптимизации.................................................... 137 6.6. Упражнение. Оптимизация режима работы пропан-
пропиленовой колонны.............................................................138 Библиографический список ...................................................................145 Приложения.............................................................................................146
Приложение 1. Описание панели инструментов рабочего окна ChemCad ....................................................................146 Приложение 2. Описание элементов палитры моделей оборудования Main Palette ................................................................149 Приложение 3. Рекомендации по использованию моделей расчета констант фазового равновесия и моделей расчета энтальпии ..........................................................157
5
1.Общие сведения
Программа ChemCad (версия 5.6) представляет собой инструментальные средства математического моделирования химико-технологических про-цессов для решения задач исследования и проектирования как химико-технологических систем, так и отдельных аппаратов.
ChemCad имеет модульную структуру и состоит из системного и функционального наполнений, представляющих собой средства и объек-ты расчета, а также баз данных и интерфейса пользователя, обладающего мощными графическими возможностями.
При описании работы с программой ChemCad подразумевается, что пользователь знаком с основными принципами работы в прикладных про-граммах операционной системы Windows. В описании работы с командами меню принята следующая терминология: “Выполнить команду File/New Job (Файл/Новое задание)” . Это означает, что вызывается меню File (Файл) и выполняется его команда New Job (Новое задание).
В процессе инсталляции ChemCad 5.6 на указанном пользователем диске создаются 2 каталога: СС5, в котором хранятся файлы программы ChemCad, а также рабочий каталог CC5DATA, в котором хранятся файлы поставляемых с программой примеров и в который рекомендуется поме-щать задания, созданные пользователем.
1.1. Загрузка и завершение работы с программой ChemCad
Загрузка и завершение работы с программой ChemCad выполняются аналогично любому другому приложению Windows.
После загрузки программы на экране появляется фирменная заставка, и далее выводится окно верхнего уровня ChemCad’a. В этом окне мож-но настроить отображение панелей инструментов командами меню View (Вид), получить информацию о лицензированных компонентах програм-мы – меню License (Лицензия), воспользоваться справочной системой – меню Help (Справка), выполнить операции над заданиями, используя меню File (Файл).
Команды меню File, служащие для создания, открытия, экспорта и импорта заданий описаны в п. 2.1.
В окне верхнего уровня можно удалить имеющееся задание командой File/ Delete Job/Case (Файл/Удалить задание/Вариант задания) обыч-ным для Windows образом.
Для переименования и копирования существующего задания служат ко
6
манды File/Rename Job (Переименовать задание) и File/Copy Job (Копировать задание), в окнах которых в области Source destination (Ис-ходное размещение) кнопка Find Job … (Найти задание…) служит для указания исходного задания, область Destination (Размещение) – для ука-зания нового имени либо новой папки соответственно.
Также пользователь может сменить рабочий каталог ChemCad командой File/ Misc. Setting (Файл/Дополнительные настройки), используя опцию Work Dir (Рабочий каталог) окна команды, и настроить режим клиент-сервер для работы с пакетом Microsoft Office Excel.
После загрузки задание отображается в рабочем окне ChemCad.
1.2. Использование справочной системы ChemCad
Для использования справочной системы нужно выполнить команду Help/ Help Topics (Помощь/Содержание справки), после чего на экран выводится окно ChemCad 5.6 Help (ChemCad 5.6 Помощь). Работа со справочной системой ChemCad проводится аналогично работе со Справ-кой Windows.
1.3. Структура рабочего окна ChemCad
Структура рабочего окна ChemCad (рис. 1.1) содержит типовые эле-менты в соответствии со стандартами среды Windows.
В зависимости от этапа моделирования ChemCad переключается в со-ответствующий режим при помощи кнопки панели инст-рументов, либо используя меню Mode (Режим), которое содержит три команды: − Flowsheet (Технологическая схема) – соответствует режиму созда-ния информационной блок-схемы технологического процесса; − Simulation (Моделирование) – соответствует режиму моделирования; − Main PFD (Основная диаграмма технологического процесса) – со-ответствует режиму создания диаграммы технологического процесса.
Вид и команды операционного меню и панели инструментов изменя-ются в зависимости от режимов работы ChemCad и будут подробно рас-смотрены при описании соответствующих этапов.
В верхней части рабочего окна расположены строка заголовка с име-нем текущего задания, строка меню, панель инструментов.
7
Рис. 1.1. Вид рабочего окна ChemCad Панель инструментов, кроме стандартных для приложений Windows,
содержит инструменты, соответствующие командам меню. Подробное описание инструментов приведено в Приложении 1.
Ниже панели инструментов расположена рабочая часть окна, в кото-рой отображается технологическая схема текущего задания.
В режиме Flowsheet в рабочей части окна отображается основная па-литра моделей оборудования Main Palette. Каждый из элементов палит-ры соответствует пиктограмме и математической модели одного из аппа-ратов химической технологии, кроме того в число элементов палитры включены инструменты графического и текстового оформления техноло-гической схемы. Подробное описание элементов палитры приведено в Приложении 2. Описание работы с элементами палитры приведено в п. 2.8.1.
В режиме Main PFD в рабочей части окна отображается вариант па-литры Main Palette, содержащий только элементы оформления (см. При-ложение 2).
В нижней части рабочего окна расположена строка состояния, в кото-рой отображаются текущие установки программы: информация о готов-ности программы к работе, координаты курсора, коэффициент масштаба отображения технологической схемы, режим работы программы (Flowsheet, Simulation, Main PFD), моделируемый режим (Steady State
8
(Стационарный), Dynamics (Динамический)), наименование текущих моделей расчета равновесия и энтальпии смесей, наименования включен-ных клавиш, текущее время.
2.Моделирование технологического процесса
Моделирование новой технологической схемы с помощью ChemCadпредполагает следующие этапы: 1. Создание нового файла технологической схемы;2. Выбор технических размерностей;3. Выбор компонентов потоков;4. Выбор термодинамических моделей;5. Построение технологической схемы;6. Задание параметров входных потоков;7. Задание спецификаций единиц оборудования;8. Настройка математических методов расчета рециклов;9. Запуск программы моделирования;10. Просмотр результатов моделирования на экране;11. Получение твердой копии результатов моделирования.
Указанные этапы не обязательно выполнять в такой же последова-тельности, не обязательно также проходить через все этапы при построе-нии технологической схемы, так как для некоторых из них существует информация по умолчанию; но эти этапы, по крайней мере, следует при-нять во внимание при решении каждой задачи.
2.1. Создание нового файла технологической схемы
При работе с заданием (технологической схемой) подразумевается его создание, сохранение, загрузка и управление этим заданием. 2.1.1. Создание, загрузка и сохранение задания
Пользователь может создать и запустить новое задание командой File/New Job (Файл/Новое задание) или кнопкой панели инструмен-тов, выбрать существующее задание командой File/Open Job (Файл/Новое задание) или кнопкой панели инструментов, импорти-ровать в рабочий каталог задание из другого каталога командой File/Import Job (Файл/ Импорт задания) обычным для среды Windows образом.
Можно выполнить экспорт задания из рабочего каталога в другую существующую папку командой File/Export Job (Файл/Экспорт зада-ния). В окне команды кнопка Find job for copying (Указать задание для
9
копирования) области Source destination (Исходное размещение) слу-жит для выбора существующего задания, кнопка Locate target directory (Указать принимающий каталог) области Destination (Размещение) – для указания папки, в которую нужно поместить папку с заданием.
Существующее задание можно открыть, используя команду File/Open Job… (Файл/Открыть задание…) или кнопку на панели инструмен-тов. Дальнейшие действия выполняются стандартным для приложений Windows образом.
На основе текущего задания можно создать его варианты, которые бу-дут размещены в каталоге текущего задания. Для этого выполняется ко-манда File/ Save As Case (Файл/Сохранить как вариант), в окне коман-ды надо указать имя варианта и нажать кнопку Сохранить.
Для сохранения задания выполняется команда File/Save (Файл/Сохранить). Основной файл задания имеет расширение ссх.
После загрузки задание отображается в рабочем окне ChemCad в ре-жиме Simulation (Моделирование).
2.2. Выбор технических размерностей
Для формирования информации о технологическом процессе необходи-мо выбрать технические размерности. В программе представлены готовые профили единиц измерения для 4 систем: британской, метрической, СИ и модифицированной СИ. Эти наборы называются профилями единиц изме-рения. В том случае, когда необходимо использовать единицы измерения из разных систем, либо внесистемные единицы измерения, имеется возмож-ность формировать свой профиль единиц измерения.
Для выбора технических размерностей используется команда Format/Engineering Units (Формат/Единицы измерения). На экран вы-водится окно Engineering Unit Selection (Выбор единиц измерения). Окно содержит вкладки Unit Selection (Выбор единиц) и Options and Reference (Опции и установки). Область Stream Flow Units (Размерно-сти потока) вкладки Options and Reference (см. рис. 2.1) предназначена для выбора размерностей, которые будут использованы при выдаче ин-формации о потоках технологической схемы. Остальные области вкладки предназначены для задания температуры и давления, соответствующих понятию «нормальные условия».
10
Рис. 2.1. Опции вкладки Options and Reference Выбор готовых профилей размерностей производится с помощью со-
ответствующих кнопок, расположенных в нижней части вкладки Unit Selection (см. рис. 2.2): English (Британская), Si (СИ), Alt Si (Модифи-цированная СИ), Metric (Метрическая).
Для формирования собственного профиля единиц используются спи-ски Time (Время), Mass/Mole (Массовые/Мольные), Temperature (Температура), Pressure (Давление), Enthalpy (Энтальпия), Work (Ра-бота), Liquid Volume (Объем жидкости), Liquid Vol. Rate (Объемный расход жидкости), Crude Flow Rate (Расход потока нефти), Vapor Volume (Объем пара), Vapor Vol. Rate (Объемный расход пара), Liq. Density/Conc. (Плотность жидкости/Концентра-
11
Рис. 2.2. Опции вкладки Unit Selection ция), Vapor Density (Плотность пара), Thickness (Толщина), Diameter (Диаметр), Length (Длина), Velocity (Скорость), Area (Площадь), Heat Capacity (Теплоемкость), Specific Heat (Удельная теплоемкость), Heat Trans. Coeff. (Коэффициент теплопереноса), Therm. Conduct (Тепло-проводность), Viscosity (Вязкость), Surf . Tension (Поверхностное натя-жение), Solubility Par. (Растворимость), Dipole Moment (Дипольный момент), Cake Resistance (Гидравлическое сопротивление), Packing DP (Перепад давления в насадочной колонне), Currency (Денежная еди-ница), Currency Factor (Денежный коэффициент). Созданный профиль размерностей можно сохранить для использования в других заданиях. Для этого в поле, расположенном рядом с кнопкой Save Profile (Сохранить профиль), вводится имя файла профиля, сохранение проводится кнопкой Save Profile.
Для использования созданного ранее профиля надо нажать кнопку Load Profile (Загрузка профиля), в окне Select Item (Выбрать элемент) выбрать имя нужного профиля.
Для загрузки и сохранения установленных по умолчанию наборов ис-пользуются соответственно кнопки LoadDefault (Загрузка по умолча-нию) и SaveDefault (Сохранение установок по умолчанию).
12
2.3. Упражнение. Создание нового задания.
1. Загрузить ChemCad.2. Создать новое задание: выполнить команду File/New Job (Файл/ Но-вое задание), в окне команды ввести имя задания TUTOR1.Ниже предлагается описание технологической схемы, построение иисследование которой будет проводиться в следующих заданиях в со-ответствии с этапами моделирования.На рис. 2.3 изображена технологическая схема процесса стабилизациигазового конденсата.Назначение установки – получение сухого газа (поток 5) с заданной тем-пературой точки росы, стабильного газового конденсата (поток 9) с за-данной концентрацией пропана, широкой фракции углеводородов. Ис-ходное сырье (поток 1) – головной нагнетательный поток из установкидегидратации и демеркаптанизации – поступает в межтрубное простран-ство кожухотрубчатого теплообменника-рекуператора 1, где охлаждаетсяза счет потока сухого газа 4, далее поступает в теплообменник 2, где ох-лаждается до заданной температуры и частично конденсируется. В сепа-раторе 3 происходит разделение на газовую (поток 4) и жидкую (поток 6)фазы. Жидкая фаза после дросселирования в 4 подается на разделение наверхнюю тарелку ректификационной колонны 5. С куба колонны отби-рается стабильный конденсат (поток 9), с верха колонны – широкаяфракция углеводородов (поток 8).
1 23
4
5
5
6
8
732
9
1
4
рецикл
Рис. 2.3. Технологическая схема установки стабилизации газового конденсата
13
Постановка задачи: При заданных параметрах сырья, спецификациях аппаратов провести расчет материально-теплового баланса рассмат-риваемого процесса. Проектные требования: − Наивысшая точка росы полученного газа (поток 5) должна быть не более -3,9 оС. − Стабилизированный конденсат (поток 9) должен содержать пропан не более 1% массового. Исходные данные: Параметры потока сырья: Температура, °С 25.00; Давление, бар 15.00; Покомпонентный массовый расход сырья, кг/ч: 1. Азот 1500; 2. Метан 33500; 3. Этан 7500; 4. Пропан 4500; 5. Изобутан 500; 6. Н-бутан 500; 7. Изопентан 1000; 8. Н-пентан 400; 9. Н-гексан 600. Спецификация теплообменника 1: Тип теплообменника кожухотрубчатый. Перепад давления между входом и выходом для межтрубной стороны
0.3 бара.
Перепад давления между входом и выходом для трубной стороны
0.3 бара.
Мольная доля пара в выходном потоке межтрубной стороны
1.0.
Спецификация теплообменника 2: Тип теплообменника кожухотрубчатый. Перепад давления 0.3 бара. Температура выходного потока -20 °С. Спецификация сепаратора 3. В данном примере сепаратор по умолча-нию используется как устройство разделения фаз при температуре и давлении входного потока. Спецификация клапана 4:
14
Выходное давление 9 бар. Спецификация колонны 5: Число тарелок 12; Поток питания подается на верхнюю тарелку; Тип тарелок клапанные; Давление верха колонны 9 бар; Перепад давления в колонне 0.3 бара; Режим работы кипятильника: Массовый расход кубового остатка 1000 кг/ч; Оценка температуры верха колонны 40 °С; Оценка температуры низа колонны 120 °С. Метод расчета термодинамических свойств: Расчет констант фазового равновесия по методу Пенга-Робинсона. Расчет энтальпии по методу Пенга-Робинсона. Параметры сходимости: Расчет сходимости рециклов по методу Вегстейна. Частота ускорения 3. Режим расчета последовательный.
3. Для текущего задания используется система единиц измерения Alt SI. Спомощью команды Format/Engineering Units (Формат/ Единицы из-мерения) установить в окне Engineering Unit Selection (Выбор единиц измерения) систему единиц измерения Alt SI (Модифицированная система СИ).
2.4. Выбор компонентов
В соответствии с этапами моделирования следующим шагом является задание списка химических компонентов, участвующих в процессе. Выбор компонентов проводится из банка данных программы. Каждое вещество банка данных имеет свой уникальный идентификационный номер (ID). Для встроенного банка данных СhemCad используется диапазон номеров 1-4999. Для дистилляционных кривых 5000-5999. Для нефтяных фракций 6000-7999. Для веществ, добавляемых в банк данных пользователем, заре-зервированы порядковые номера от 8000 до 9999.
Для формирования списка компонентов используется команда ThermoPhisical/Component List (Термофизика/Список компонентов) или кнопка на панели инструментов, которые доступны в режиме Simu-lation (Моделирование). После выполнения команды на экран выводится окно Component Selection (Выбор компонента) (см. рис. 2.4).
15
Рис. 2.4. Окно выбора компонентов химической смеси В области Component Databank (Банк данных компонентов) пере-
числены все компоненты баз данных чистых веществ и локальных поль-зовательских баз данных. Список компонентов составлен по возрастанию их ID номеров. В поле Search for (Поиск по) поиск компонента проводят либо по ID номерам, либо по названиям или брутто-формулам. С помо-щью кнопки Next (Следующий) можно перемещаться к следующему компоненту в соответствии с введенным в поле Search for поисковым контекстом.
В левой части окна в области Selected Components (Выбранные ком-поненты) отображается список компонентов, используемых в задании. Для выбора нужного компонента следует либо найти его при помощи поля Search for и нажать клавишу [ENTER], либо указать мышью нужный ком-понент в списке и щелкнуть по кнопке Аdd (Добавлять). Выбранный компонент выводится в области Selected Components.
Созданный список компонентов можно изменять: − Аdd (Добавить) новые компоненты в список. − Insert (Вставить) новые компоненты в список. Для этого надо уста-
новить курсор мыши в списке Selected Components на том компонен-те, перед которым будет вставляться новый, выбрать нужный компо-нент в области Component Databank и щелкнуть по кнопке Insert.
ID номер Название Брутто-формула
16
− Delete (Удалить) компонент из списка. Для этого в списке Selected Components следует выбрать удаляемый компонент и щелкнуть по кнопке Delete. Все ссылки на удаленный компонент также убираются из задания.
− Clear (Очистить) все присутствующие в списке компоненты. Для сохранения созданного списка компонентов надо щелкнуть по
кнопке ОК. ChemCad запишет эти данные в папку с заданием и вернется в рабочее окно в режим Mode: Simulation.
2.5. Упражнение. Выбор компонентов
1. Загрузить задание TUTOR1.2. Выполнить команду ThermoPhisical/Component List (Термофизи-ка/Список компонентов) и ознакомиться с опциями окна ComponentSelection (Выбор компонентов).
3. Ввести следующие компоненты: Nitrogen (Азот), Methan (Метан),Ethan (Этан). Для ввода компонентов использовать различные спосо-бы.
4. Добавить в список компоненты: Propane (Пропан), I-Butane (Изобу-тан), N-Butane (Н-бутан), N-Pentane (Н-пентан), N-Hexane (Н-гексан).Вставить перед компонентом N-Pentane (Н-пентан) компонент I-Pentane (Изопентан). Для сохранения созданного списка компонентовнажать кнопку ОК.
2.6. Выбор термодинамических моделей
Термодинамические свойства химической системы определяются за-данием любых двух параметров из следующих: температура, давление и доля пара.
Чтобы получить точные результаты расчетов, необходимо выбрать метод, наиболее подходящий для данной химической системы. Выбор термодинамических моделей сводится к выбору пригодных методов рас-чета констант фазового равновесия, энтальпии, энтропии, плотности, вязкости, теплопроводности и поверхностного натяжения смеси, состоя-щей из выбранных пользователем компонентов. Перечень используемых методов расчета констант фазового равновесия, энтальпии, теплофизиче-ских свойств веществ представлен в Приложении 3. Для выбора термо-динамических методов используются команды меню ThermoPhisical
17
(Термофизика), доступные в режиме Mode: Simulation (Режим: Моде-лирование).
2.6.1. Wizard система
ChemCad предоставляет возможность использования советующей Wizard системы для выбора моделей расчета констант равновесия и эн-тальпии. Система на основе известных компонентов смеси, заданных ус-ловий моделирования процесса, имеющихся термодинамических данных выбирает подходящий метод для решения задачи. Пользователь может отменить рекомендацию Wizard системы.
Для работы с Wizard системой используется команда ThermoPhisical/K Value Wizard (Термофизика/Советчик расчета рав-новесия). На экран выводится окно Thermodynamic Suggestions (Термо-динамические рекомендации) (см. рис. 2.5), в котором надо заполнить по-ля Temperature Min (Минимальная температура), Temperature Max (Максимальная температура), Pressure Min (Минимальное давление), Pressure Max (Максимальное давление). Эти значения указываются, ис-ходя из имеющихся сведений обо всем моделируемом процессе. По задан-ному диапазону температур и давлений система решает, какая модель рав-новесия подходит для этих условий.
В том случае, если пользователь не хочет учитывать влияние на рав-новесие отдельных компонентов смеси, он может указать эти компонен-ты в списках области Select components to ignore (Укажите игнорируе-мые компоненты).
Поле Bip data threshold (Пороговые значения Параметра Бинарно-го Взаимодействия (ПБВ)) корректируется только для модели активно-сти.
18
Рис. 2.5. Опции окна Wizard системы
После заполнения по-лей нажимается кнопка
ОК и на экран выводитсяокно с выбранным систе-мой методом расчета рав-новесия и энтальпии.
Затем ChemCad выво-дит на экран окно K Value Options (Модели кон-стант равновесия), в ко-тором в списке Global K Value Option (Глобаль-ная модель констант
равновесия) установлен выбранный метод.
2.6.2. Выбор моделей расчета констант равновесия
Имеется возможность самостоятельного выбора модели расчета кон-стант фазового равновесия. Для этого используется команда ThermoPhisical/K Values (Термофизика/Константа равновесия) или кнопка на панели инструментов. На экран выводится окно K Value Options (рис. 2.6).
В списке Global K Value Option по умолчанию установлена модель SRK (Соаве-Редлиха-Квонга). Рекомендации по использованию моделей приводятся в Приложении 3. Остальные опции служат для задания осо-бых условий расчета равновесия.
Опции Ethan/Ethylene, Propan/Propylene: (Этан/Этилен, Про-пан/Пропилен:) позволяют, при использовании моделей SRK или Peng-Robinson (Пенг-Робинсона), выбрать Regular (Cтандартные) или Spesial (Cпециальные) ПБВ для систем этан/этилен, пропан/ пропилен.
Для ряда соединений, например, карбоновых кислот, которые необхо-димо учитывать их тенденцию димеризоваться и даже полимеризоваться в паровой фазе. Опции Vapor Phase Association: (Ассоциация в паро-вой фазе:) позволяют учитывать (или нет) этот эффект.
19
Рис. 2.6. Опции окна K Values Options Использование опций Vapor Fugasity/Poynting Correction: (Коррек-
ция фугитивности пара по Пойтингу) позволяет проводить коррекцию фугитивности паровой фазы в процедуре расчета фазового равновесия. При отсутствии коррекции фугитивности летучесть пара рассчитывается по уравнению состояния SRK. Обычно допустимо пренебрегать коррек-цией при низких давлениях паровой фазы.
Опции SRK/PR Alpha function (Соаве-Редлих-Квонг/Пенг-Робинсон Альфа функция) используются при расчете коэффициентов активности для метанольных систем с легкими газами и/или водой. По умолчанию установлены Standartd SRK/PR (Стандартные SRK/PR) уравнения состояния Soave-Redlich-Kwong и Peng-Robinson. Опция Boston-Mathias extrapolation (Экстраполяция Бостон-Матиаса) ис-пользуется для повышения точности расчета давления паров полярных компонентов.
Опции Global Phase Option: (Глобальные опции фаз:) позволяют выполнить расчет равновесного состояния для трехфазной системы – пар, жидкость, твердое вещество, либо при наличии двух несмешиваю-
20
щихся жидкостей, пара и твердого вещества. По умолчанию это три фазы Vapor/Liquid/ Solid (Пар/Жидкость/Твердое вещество). Опции дос-тупны только в моделях, предсказывающих образование двух жидких фаз (MARGULES, NRTL, UNIFAC, UNIQUAC и др.).
Опции Water/Hydrocarbon Solubility (Растворимость в системе во-да/ углеводороды) используются для расчета констант равновесия в слу-чае присутствия воды, Miscible (Смешиваемой) или Immiscible (Не-смешиваемой) с другими компонентами. Если вода несмешиваема, то все компоненты, кроме воды, считаются по выбранному методу расчета кон-станты фазового равновесия.
Для систем, содержащих в разных концентрациях различные соли, в списке Wilson model salt (Позиция соли для модели Wilson) выбирает-ся компонент, обозначенный как соль. Используется для модели Wilson Salt Effect (Солевой эффект Вильсона).
ChemCad позволяет для каждого метода расчета коэффициентов ак-тивности использовать до 10 наборов ПБВ. Причем один набор можно использовать в одной части технологической схемы, а другой набор – в другой. Обычно это используется при наличии двух жидких фаз в кон-денсаторе ректификационной колонны. В поле No. of BIP Sets (Число наборов ПБВ) задается число наборов ПБВ. По умолчанию установлен один набор ПБВ.
В поле Default BIP Set (Набор ПБВ по умолчанию) определяется на-бор ПБВ, используемый программой глобально.
Опция Clear all local K Models/BIP’s (Очистить все локальные мо-дели/ ПБВ) используется для удаления всех локальных моделей расчета равновесия и наборов ПБВ и возврата к глобальной модели.
Опция Clear all tray BIP’s (Очистить ПБВ для всех тарелок) удаля-ет наборы ПБВ, заданные для тарелок колонн.
Опция Set local K Models/BIP’s (Локальная модель констант фазо-вого равновесия/ПБВ) позволяет назначить индивидуальные модели расчета равновесия и набор ПБВ для отдельных единиц оборудования. По завершению работы с окном K Values Options выводится окно выбо-ра оборудования. Для выбранного оборудования выводится окно Local K Model and BIP Options (Локальная модель равновесия и опции ПБВ), где указывается, какую модель равновесия или набор параметров бинар-ного взаимодействия следует применить для выбранной единицы обору-дования.
21
Опция Set Tray BIP’s (Задать ПБВ тарелки) позволяет по заверше-нию работы с окном K Values Options задать интервал номеров тарелок и набор параметров бинарного взаимодействия, используемых на данном интервале.
Опция Set Henry components (Задать компоненты, подчиняющиеся закону Генри) используется для указания тех компонентов смеси, кото-рые могут быть рассчитаны по закону Генри.
2.6.3. Выбор моделей энтальпии
Для расчета энтальпии используется команда ThermoPhisical/ Enthalpy (Термофизика/Энтальпия) или кнопка на панели инстру-ментов.
В левом верхнем углу окна Enthalpy Options: (Опции энтальпии:) (рис. 2.7) расположен список Global Enthalphy Option: (Глобальные модели энтальпии:). Рекомендации по использованию моделей даны в Приложении 3.
Рис. 2.7. Опции окна Enthalpy Options Иногда необходимо в расчетах энтальпии учитывать теплоты раство-
рения как функции концентраций раствора, например, при расчете эн-тальпий по методам SRK, PR, скрытой теплоты и др. Эти данные форми-руются пользователем в файле с именем: <имя задания>.HTS. Если та-кой файл создан, то назначается опция Use heat of solution file (Исполь-зовать файл с данными по теплотам растворения).
22
Опция Use electrolyte enthalpy (Использовать энтальпию электро-литов) позволяет отключить учет теплоты диссоциации в энтальпии при использовании моделей для электролитов, которые самостоятельно учиты-вают эту теплоту. В случае выбора модели для неэлектролитов опция влия-ния не оказывает.
Опция Heat of Mixing by Gamma (Теплота смешения Гамма) позво-ляет учесть теплоту смешения в тепловом балансе. Она учитывается при расчете коэффициента активности.
Опция Compressed Water pressure correction for steam table (Кор-рекция давления воды по таблицам водяного пара) позволяет при вы-соких давлениях вводить поправку в расчет энтальпии воды.
Список Ideal gas heat capacity: (Теплоемкость идеального газа:) ис-пользуется для выбора Polinomial (Полиномиального) или DIPPR урав-нений в расчетах теплоемкости газа при использовании ряда моделей эн-тальпии.
Для отмены использования локальных моделей и переходу к глобаль-ной модели используется опция Clear all local H mоdels (Удалить все локальные модели энтальпии).
Опция Specify local H models (Определить локальные модели эн-тальпии) позволяет определить различные модели для конкретных еди-ниц оборудования технологической схемы. Выбор единиц оборудования проводится по завершению работы с окном Enthalpy Options.
2.6.4. Транспортные свойства
Для расчета транспортных свойств потоков моделируемого процесса используется команда ThermoPhisical/Transport Properties (Термофи-зика/Транспортные свойства). На экран выводится одноименное окно со списками моделей расчета транспортных свойств потоков (см. рис. 2.8):
23
Рис. 2.8. Окно Transport Properties − Liquid density model (Модель плотности жидкости) – модели расчета
плотности жидкости. По умолчанию установлена Library (Библиотечная) модель;
− Li quid viscosity model (Модель вязкости жидкости) – модели расче-та вязкости жидкости. По умолчанию установлена Library (Библио-течная) модель;
− Li quid Viscosity mixing rule (Правило для модели вязкости жидко-сти) –способ учета смеси как среднее логарифмическое мольных или массовых долей в модели вязкости жидкости;
− Vapor viscosity model (Модель вязкости пара) – модели расчета вяз-кости пара. По умолчанию установлена Library (Библиотечная) мо-дель;
− Li quid surface tension model (Модель поверхностного натяжения жидкости) – модели расчета поверхностного натяжения жидкости;
− Liquid thermal conductivity model (Модель теплопроводности жидкости) – модели расчета теплопроводности жидкости;
− Vapor thermal conductivity model (Модель теплопроводности пара) – модели расчета теплопроводности пара. По умолчанию установленаLibrary (Библиотечная) модель;
− Vapor conductivity correlation (>1 atm) (Корреляционная модель теплопроводности (>1 атм)) – методы для коррекции теплопровод-ности пара при давлении выше 1 атм. По умолчанию установлен Stiel-Thodos (Метод Стиэля-Тодеса);
24
− Electrolyte Std Liquid (Электролиты при стандартных условиях) – методы расчета объемного расхода жидкости для электролитов. По умолчанию установлен Based on actual volume (расчет на основе объе-ма смеси). Для ввода поправки на давление в уравнении вязкости жидкости и па-
ра назначаются опции Liquid viscosity pressure correction (Коррекция давления вязкости жидкости) и Dean-Stiel Pressure Correction (Кор-рекция давления по Дину-Стиелю).
2.7. Упражнение. Выбор моделей расчета термодинамических свойств смеси
1. В задании TUTOR1 выбрать методы расчета констант фазового рав-новесия и энтальпии.Для выбора наилучшего метода расчета констант фазового равновесияиспользовать Wizard систему. Выполнить команду ThermoPhisical/KValue Wizard (Термофизика/Константа равновесия), в окне
Thermodynamic Suggestions (Термодинамические рекомендации)ввести данные:
− в поля Temperature Min (Минимальная температура), Temperature Max (Максимальная температура) вводим значения -22 и 120 соот-ветственно, поскольку наименьшей температурой процесса являетсятемпература выходного потока из теплообменника 2 со значением -20°С (-10%), а максимальной температурой процесса является оценкатемпературы в кипятильнике колонны 5 со значением 132°С (+10%);
− в поля Pressure Min (Минимальное давление), Pressure Max (Мак-симальное давление) вводим значения 8 и 16.5 соответственно, т.к.наименьшим давлением в процессе является выходное давление вклапане 4 со значением 9 бар (-10%), а наибольшим – давление в по-токе питания 1 – значение 15 бар (+10%). Сохранить данные, нажавкнопку ОК. Wizard система рекомендует модель SRK (Соаве-Редлих-Квонг). Принять рекомендации системы щелчком по кнопке ОК.
− Мы хотим использовать модель Peng-Robinson (Пенга-Робинсона), поэтому в появившемся окне K Value Options нужно выбрать эту мо-дель.
2. Для расчета энтальпии выполнить команду ThermoPhisical/Enthalpy(Термофизика/Энтальпия). Убедиться, что программа автоматическиустановила для расчета энтальпии тот же метод, который был выбран
25
для расчета констант фазового равновесия. Сохранить выбор, нажав кнопку ОК.
2.8. Построение технологической схемы
Построение технологической схемы сводится, в основном, к размеще-нию изображений технологического оборудования (далее аппаратов или пиктограмм аппаратов) на экране и соединению их потоками. Иногда на этапе построения схемы возникает необходимость в создании новых и модификации имеющихся пиктограмм. Рассмотрим последовательность выполнения этих шагов.
2.8.1. Размещение пиктограмм аппаратов
Выбор и размещение пиктограмм аппаратов выполняется в режиме Mode: FlowSheet: (Режим: Редактирование технологической схемы). При создании нового задания переход в этот режим выполняется автома-тически.
На экран выводится Main Palette (Основная палитра) (см. рис. 2.9). Каждый элемент палитры содержит пиктограмму одного аппарата хи-
мической технологии. Назначение модулей, соответствующих элементам палитры приведено в Приложении 2.
Вывести/убрать основную палитру можно с помощью команды View/Main Pallete (Просмотр/Основная палитра), либо нажав кнопку
на панели инструментов. Для выбора пиктограммы аппарата надо подвести к ней курсор мыши
(появится подсказка с названием пиктограммы) и щелкнуть левой кла-вишей мыши. Курсор примет вид квадрата, который нужно установить в рабочей области окна в место размещения пиктограммы аппарата и щелчком мыши установить пиктограмму. Кроме основной палитры, для ряда пиктограмм можно вывести Sub Palletes (Дополнительную палит-ру) с дополнительными вариантами пиктограмм аппа-
26
Рис. 2.9. Основная палитра пиктограмм аппаратов Main Palette
рата. Ее вызов выполняется щелчком правой кнопки мыши на изображении пик-тограммы в Main Palette. Выбор нужной пиктограммы проводится аналогично как для Main Palette.
Для отмены вывода пик-тограмм на экран выполня-ется команда Edit/Undo (Ре-дактирование/Отменить). Команда позволяет последо-вательно отказаться от всех выставленных на экран пик-тограмм аппаратов. Для вос-становления на экране отме-ненных ранее пиктограмм выполняется команда Edit/ Redo (Редактирование/Вос-становить).
Размещение изображений аппаратов технологической схемы начинается, как пра-
вило, с выставления пиктограммы Feed (Питание) . Рядом с пик-тограммой автоматически выставляется ее ID (идентификационный) но-мер. Первому аппарату присваивается ID равный 1, затем номер увеличи-вается в порядке выставления пиктограмм. Завершение размещения изо-бражений аппаратов технологической схемы заканчивается выставлени-ем пиктограмм Product (Продукт) .
При формировании нового задания в режиме FlowSheet ChemCad не проводит автоматического сохранения введенной информации. Автомати-ческое сохранение начинает работать после переключения в режим Simula-tion.
2.8.2. Операции над пиктограммами аппаратов
Над пиктограммами, размещенными в рабочей области окна, можно выполнять различные действия. Для этого надо выделить пиктограмму щелчком правой кнопкой мыши, выбрать одну из команд контекстного меню:
27
− Cut (Вырезать) – вырезает выделенный объект и помещает его в бу-фер обмена;
− Copy (Копировать) – копирует выделенный объект в буфер обмена; − Delete (Удалить) – удаляет выделенный объект; − Paste (Вставить) – вставляет ранее скопированную или вырезанную
пиктограмму; − Swap unit (Заменить объект) – позволяет заменить выделенную пик-
тограмму на другую. ChemCad выдаст предупреждение Please select a new symbol from palette (Выберите новую пиктограмму на палит-ре), после чего нужно стандартным образом выбрать новую пикто-грамму, а затем щелкнуть мышью по пиктограмме, вместо которой нужно вставить новую;
− Insert unit (Вставить объект) – позволяет вставить в выделенный поток пиктограмму аппарата. Работа с командой аналогична работе с коман-дой Swap unit;
− Select All (Выделить все) – выделяет все объекты, расположенные в рабочей области окна;
− Bring to Front (Перенести на передний план) – помещает выделен-ный объект на передний план;
− Send to Back (Поместить на задний план) – помещает выделенный объект на задний план;
− Flip Horisontal X (Вращение объекта относительно оси Х) – выполняет поворот выделенного объекта относительно вертикальной оси;
− Flip Vertical Y (Вращение объекта относительно оси Y) – выполняет поворот выделенного объекта относительно горизонтальной оси;
− 90 Clock wise (Поворот по часовой стрелке на 90 градусов) – выполняет поворот выделенного объекта по часовой стрелке на 90 градусов;
− 90 Conunter CW (Поворот против часовой стрелки на 90 градусов) – выполняет поворот выделенного объекта против часовой стрелки на 90 градусов;
− Edit ID (Редактирование ID номера) – выполняет редактирование ID номера выделенного объекта. В окне Enter a new unit ID or press cancel (Введите новый ID номер оборудования или нажмите отказ) надо ввести новый ID номер и нажать кнопку ОК. Невозможно присво-ить уже занятый номер;
− Edit Name (Редактирование имени) – позволяет ввести метку длиной не более 12 символов для выделенного объекта. В окне Enter new label or
28
press cancel (Введите новую метку или нажмите отказ) надо ввести метку и нажать кнопку ОК;
− Show ID (Показать ID номер) – отображает/скрывает ID объекта; − Redraw (Обновить) – обновляет изображение на экране.
2.9. Упражнение. Размещение пиктограмм технологической схемы
1. Выполнить построение технологической схемы в соответствии с рис.2.3. Для этого перейти в режим Mode: FlowSheet: (Режим: Технологиче-ская схема:). Для удобства размещения пиктограмм выполнить ко-манду View/Grid Visible (Вид/Отобразить сетку).Первый аппарат – это пиктограмма источника питания – Feed#1 .После его размещения, используя Sub Palletes (Дополнительную па-литру), выбрать пиктограмму – Heat Exchanger #5 (Двухстороннего
теплообменника) и разместить на схеме после пиктограммы Feed. Теплообменник получил ID, равный 1.Выбрать пиктограмму Heat Exchanger #3 и поместить ее со-гласно рисунку. Затем разместить на схеме пиктограммуFlash (Испарителя).При размещении пиктограммы Control Valve (Регулиро-вочного клапана) выполнить ее модификацию в соответст-вии с представлением на технологической схеме (рис. 2.3)Для разворота пиктограммы использовать команду контекстного меню90 Clock Wise (Поворот по часовой стрелке на 90 градусов).Далее, используя Sub Palletes (Дополнительную палитру),выбрать пиктограмму Tower #4 и разместить после регули-ровочного клапана.Завершить размещение пиктограмм аппаратов на схеме вы-ставлением пиктограммы Product (Продукт) .
2. Переключиться в режим Mode: Simulation и сохранить задание.
2.10. Изображение потоков на технологической схеме
После завершения размещения аппаратов технологической схемы не-обходимо соединить их материальными потоками. При изображении по-токов следует руководствоваться рядом общих правил:
29
1. Каждый поток направлен от выхода аппарата-источника к входу аппа-рата-приемника.
2. Каждый аппарат имеет позиции входа и выхода. Таких позиций можетбыть несколько. Они установлены при создании пиктограммы аппара-та.Соединение аппаратов потоками выполняется в режиме Mode:
FlowSheet. В Main Pallete (Основной палитре) надо выбрать элемент Stream (Поток), после чего курсор мыши принимает вид �. Для рисова-ния потока курсор нужно подвести к аппарату-источнику. Когда выход аппарата отобразится в виде красной точки, щелчком мыши поток соеди-няется с выходом этого аппарата, после чего нужно нарисовать поток в направлении аппарата-приемника. Когда вход аппарата отобразится си-ней точкой, щелчком мыши поток подсоединяется к выбранному входу аппарата. Программа изобразит поток и автоматически присвоит ему его ID (идентификационный) номер.
Для прекращения процесса рисования потоков надо щелкнуть правой кнопкой мыши и выполнить Stop drawing stream (Остановить изобра-жение потока).
С помощью соответствующих команд контекстного меню можно, по аналогии с манипуляциями пиктограмм аппаратов, выполнять различные манипуляции с потоками. Также, контекстное меню потока содержит ко-манду: − Reroute stream (Перерисовать поток) – позволяет перерисовать по-ток или направить его в другой аппарат.
При формировании нового задания в режиме FlowSheet ChemCad не проводит автоматического сохранения введенной информации. Автомати-ческое сохранение начинает работать после переключения в режим Simula-tion.
2.11. Упражнение. Соединение пиктограмм технологической схемы
1. Выполнить соединение аппаратов технологической схемы потоками всоответствии с рис. 2.3.Для этого перейти в режим Mode: FlowSheet, в Main Pallete (Основ-ной палитре) выбрать символ Stream (Поток) и подвести курсор кисточнику питания (пиктограмма Feed). При отображении выхода ввиде красной точки, щелкнуть левой кнопкой мыши, нарисовать по-ток, подведя мышь, согласно рис. 2.3, к теплообменнику 1 (пикто-грамма Heat Exchanger). Когда отобразится вход теплообменника каксиняя точка, щелчком мыши подсоединить поток. Программа изобра-
30
зит поток, идущий прямо в эту точку, и присвоит ему ID номер. Так как программа присваивает ID номера последовательно, то номер это-го потока будет 1. Для изображения второго потока надо курсор под-вести к выходу теплообменника 1 и создать поток, идущий к левому входу в теплообменник 2 (пиктограмма Heat Exchanger). Изобразить на схеме все остальные потоки.
2. Для ввода надписи «рецикл» к потоку 4, согласно рис. 2.3, использо-вать элемент Text (Текст) Main Palette (Основной палитры). После чего, установив курсор в нужном месте, ввести текст.
3. Переключиться в режим Mode: Simulation и сохранить задание. Об-ратите внимание, что те потоки, которые ChemCad выбрал в качестве разрываемых, отображаются на схеме красным цветом.
2.12. Задание параметров потоков питания и разрываемых потоков
Следующим этапом является задание параметров потоков питания и разрываемых потоков. Термодинамическое состояние потока определя-ется любыми двумя параметрами из трех следующих: температуры, дав-ления и долей пара; обычно задаются температура и давление. Для каж-дого потока питания нужно задать расход по всем веществам, включен-ным в список компонентов, либо задаться суммарным расходом компо-нентов и их концентрациями.
Если в схеме присутствуют рецикловые (разрываемые) потоки, то схема рассчитывается итерационно. В этом случае задание начальных приближений параметров разрываемых потоков не обязательно, про-грамма задает нулевые значения. Однако удачный подбор отличных от нуля начальных приближений может ускорить сходимость.
Задание параметров потоков выполняется в режиме Mode: Simulation . Открыть паспорт потока для задания параметров потока можно следую-щими способами: дважды щелкнуть левой клавишей мыши на интере-сующем потоке; использовать команду контекстного меню Edit Unit Op Streams (Редактирование потоков единицы оборудования) для задания параметров потоков выбранного аппарата; с помощью команд меню Specifications (Спецификации) и др.
Рассмотрим команды меню Specifications. Команда Select Streams (Выбор потоков) позволяет задавать пара-
метры для выбранных потоков технологической схемы. После вызова команды выводится окно Select Streams для ввода ID номеров потоков, которые можно либо ввести в поле с клавиатуры, либо указать поток
31
щелчком мыши в схеме, его номер появится в окне. После нажатия кноп-ки ОК на экран выводится окно Edit Streams (Редактирования пото-ков), в которое вводится информация для всех выбранных потоков. Ввод данных о составе и параметрах состояния потока выполняется в соответ-ствующие поля. Данные можно редактировать и удалять. Кнопка Flash (Испарение) используется для расчета равновесия потока с заданными параметрами состава и двумя параметрами из трех: температуры, давле-ния и доли пара. Кнопка Comp List (Список комп.) выводит на экран текущий список компонентов. После задания параметров потока нажима-ется кнопка ОК.
Указание потоков для остальных команд меню Specifications выпол-няется аналогично. Остальные команды позволяют: − Feed Streams (Потоки питания) автоматический выбор всех потоков
питания технологической схемы; − Cut Streams (Разрываемые потоки) автоматический выбор всех раз-
рываемых потоков технологической схемы; − Copy Stream (Копирование потока) копировать все данные, отно-сящиеся к одному потоку, в другой поток. Для этого надо в окне Copy Stream (Копируемый поток) в поле Copy Stream (Копировать по-ток) и поле to ввести, соответственно, номера исходного потока и по-тока, куда будут копироваться данные;
− Select Cut Streams (Выбрать разрываемые потоки) переопределить разрываемые потоки технологической схемы. В окне команды указать номера потоков, которые нужно назначить в качестве разрываемых;
− Reset Cut Streams (Восстановить исходные разрываемые потоки) восстановить исходные номера и параметры разрываемых потоков;
− Specifications/Load last snap shot (Загрузить последний срез) вос-станавливает рассчитываемые параметры потоков, если они были сохранены до выполнения расчета схемы при помощи опции Take a snap shot before running flowsheet (Выполнить предварительное сохранение среза перед расчетом схемы) в окне команды Run/Convergence (Расчет/Сходимость).
2.13. Упражнение. Задание параметров потоков питания
1. В задании TUTOR1 ввести параметры потока питания. Для этого вы-полнить команду Specifications/Select streams (Специфика-ции/Выбор потоков). В окне Edit Streams (Редактирование пото-ков) в соответствующие поля ввести значения параметров потока пи-
32
тания: покомпонентные массовые расходы, температуру и давление (см. задание 2.3).
2. Для сохранения данных нажать кнопку ОК.
2.14. Ввод параметров оборудования
Задание параметров оборудования выполняется в режиме Mode: Simulation . По аналогии с заданием параметров потока, открыть окно паспорта аппарата для ввода параметров оборудования можно, используя двойной щелчок левой клавишей мыши на единице оборудования, либо команду контекстного меню Edit Unit Op Data (Редактирование пара-метров единицы оборудования), а также соответствующие команды меню Specifications (Спецификации).
Меню Specifications/UnitOps (Спецификации/ Оборудование) со-держит команды для задания спецификаций аппаратов: − Select UnitOps (Выбор оборудования) позволяет выбрать отдельные
единицы оборудования. Их выбор выполняется аналогично выбору потоков;
− Al l UnitOps (Все оборудование) позволяет выбрать все единицы обо-рудования;
− Copy UnitOps (Копирование аппарата) копировать все данные, от-носящиеся к одному аппарату, в другой аппарат. Для этого надо в ок-не Copy UnitOp Parameters (Копирование параметров аппарата) в поле Copy Unit Op (Копируемый аппарат) и поле to ввести, соответ-ственно, номера исходного аппарата и аппарата, куда будут копиро-ваться данные;
− Create New Sequence Group (Создать новую группу) позволяет вы-делить несколько аппаратов в отдельную группу. Имя группе при-сваивается автоматически. В дальнейшем группа может быть исполь-зована для получения сведений о включенных в группу аппаратах, за-дания спецификаций этим аппарата, просмотр их паспортов, расчета аппаратов группы;
− View/Edit Sequence Group (Просмотр/Редактирование группы) просмотр окон с паспортами аппаратов, включенных в группу;
− Remove Sequence Group (Удалить группу) удаляет информацию об объединении аппаратов в указанную группу, но не удаляет аппараты и их спецификации. Вид окна паспорта аппарата определяется типом оборудования и ис-
пользуемыми параметрами оборудования, которые заложены в его моду-
33
лях расчета. Окно паспорта может содержать одну и более вкладок, так-же паспорт аппарата может включать несколько последовательно откры-вающихся окон. Ниже рассматриваются окна ввода параметров для ряда основных аппаратов, используемых в химико-технологических процес-сах.
2.14.1. Теплообменник
В ChemCad представлены модули расчета теплообменников Heat ex-changer (HTXR) с одним или двумя входными потоками. При одном входном потоке модуль служит как нагреватель или как охладитель. Если у теплообменника два входных потока, то доступны более сложные ре-жимы. Рассмотрим ввод параметров для двустороннего теплообменника.
Окно ввода параметров содержит три раздела (см. рис. 2.10). На вкладке Specifications (Спецификации) вводятся и отображаются
основные данные, такие, как перепады давления, температуры потоков и т.д.
Значения перепадов давления вводятся в области Pressure Drops: (defaults=0) (Перепад давления (по умолчанию=0)) в поля Stream ID (Поток ID) . Это положительная величина или 0.
Calculation Modes: (Режимы расчета:) позволяют выбрать режимы расчета теплообменника. В списке Simulation mode (Вариант модели-рования) выбирается один из вариантов:
34
Рис. 2.10. Окно с паспортом теплообменника − 0 Enter specifications (Ввод спецификаций) – расчет теплообменника
на основе заданных пользователем спецификаций; − 1 Shell and tube simulation (Моделирование кожухотрубчатого теп-лообменника) – ввод геометрических характеристик для выполнения моделирования программой СС-ТЕРМ;
− 2 Shell and tube fouling factor rating (Моделирование кожухотруб-чатого теплообменника с учетом загрязнений) – расчет коэффици-ентов загрязнения программой СС-ТЕРМ для кожухотрубчатого теп-лообменника;
− 4 Plate exchanger fouling factor rating (Моделирование пластинча-того теплообменника) – расчет коэффициентов загрязнения про-граммой СС-ТЕРМ для пластинчатого теплообменника;
35
− 5 Double pipe simulation (Моделирование теплообменника типа труба в трубе) – ввод геометрических характеристик для выполнения моделирования программой СС-ТЕРМ;
− 6 Double pipe fouling factor rating (Моделирование теплообменника типа труба в трубе с учетом загрязнений) – расчет коэффициентов загрязнения программой СС-ТЕРМ для теплообменника типа труба в трубе. В списке Backcalc Mode (for Autocalc): (Режим обр. счета (для ав-
томат. расчета)) содержатся варианты для обратного счета. Они доступ-ны только для режима автоматического расчета AutoCalc, включаемого в команде Run/Convergence (Расчет/Сходимость). По умолчанию уста-новлено 0 No back calculation (0 Не включен). Последующие четыре варианта позволяют пересчитать температуру и расход входных потоков.
Список Utility Option: ( Вспом. опций) используется только для дву-сторонних теплообменников и позволяет так подобрать расход потока питания, чтобы он соответствовал требуемой (рассчитанной) тепловой нагрузке аппарата. По умолчанию установлено 0 Utility Option Off (0 Вспом. опция выключ.). При выборе другого варианта необходимо за-дать либо выходную температуру, либо долю пара в каждом выходном потоке.
В соответствующие поля области Enter one specification only (Введи-те только один параметр) вводится значения одного из следующих па-раметров: − Temperature Stream ID (Температура потока ID) – температура
первого (второго) выходного потока. Рядом выводится ID номер этого потока;
− Vapor fraction stream ID (Доля пара потока ID) – доля пара первого (второго) выходного потока. Значение должно быть больше 1.0e-045 и меньше или равно 1. Если задано значение 1.0e-045, то рассчитывает-ся температура кипения второго (первого) выходного потока. Этот па-раметр должен быть использован для систем с одним компонентом и систем с полной/частичной конденсацией или испарением;
− Subcooling stream ID (Недогрев потока ID) – температура недогрева первого (второго) выходного потока. Задается температура ниже точ-ки кипения;
36
− Superheat stream ID (Перегрев потока ID) – температура перегрева первого (второго) выходного потока. Задается температура выше точ-ки росы, положительное число.
− Heat Duty (Тепловая нагрузка) – тепловая нагрузка. Задается для теплообменника с одним или двумя входными потоками. Для тепло-обменника с двумя входными потоками это всегда положительное число. Соответствующие поля области Delta temperature specifications:
(Значения допустимых температурных погрешностей:) используются для задания: − Mi nimum delta temperature (Минимальная температурная погреш-ность) – минимальной допустимой температурной погрешности;
− Hot outlet – cold inlet и Hot inlet – cold outlet (Горячий выходной – холодный входной и Горячий входной – холодный выходной) – раз-ности между температурами горячего выходного и холодного входно-го потоков и температурами горячего входного и холодного выходно-го потоков. Заполняются только для теплообменника с двумя входны-ми потоками;
− Stream ID – stream ID (Поток ID-поток ID) – разность температур между двумя выходными потоками (задается для прямоточного теп-лообменника), разности температур между входным и выходным по-токами двухстороннего теплообменника. Опции области Heat Transfer Coeff. and Area specification: (Значе-
ния коэффициента теплопередачи и поверхности теплообмена:) ис-пользуются для задания значений (если вводятся, то оба): − Heat Transfer Coeff. (U) (Коэффициент теплопередачи (U)) – коэф-
фициента теплопередачи; − Ar ea/shell (Пов/кожух) – площади поверхности теплообмена.
Вкладка Misc. Settings (Необязательные параметры (установки)) используется для задания информации по кожухам, трубам, трубному пространству и др. параметрам. Здесь же выводятся рассчитанные значе-ния: тепловой нагрузки теплообменника, среднелогарифмической разно-сти температур, поправочного коэффициента и др. В разделе Cost. Estimations (Стоимость оценки) приводятся значения рассчитанных стоимостных оценок.
37
2.14.2. Сепаратор
Для расчета парожидкостного равновесия в ChemCad предлагается модуль FLASH, который представляет собой обобщенную модель испа-рителя. Окно ввода параметров Multipurpose Flash (FLAS) имеет две вкладки. На вкладке Specifications (Спецификации) (рис. 2.11) выбира-ется режим работы модуля Flash Mode (Режим испарителя):
Рис. 2.11. Окно настройки модуля Flash − 0 Use inlet T and P, calculate V/F and Heat (Использовать входные температуру и давление, рассчитать долю пара и тепловую на-грузку);
− 1 Specify V/F and P, calculate T and Heat (Заданы доля пара и дав-ление, рассчитать температуру и тепловую нагрузку);
− 2 Specify T and P, calculate V/F and Heat (Заданы температура и давление, рассчитать долю пара и тепловую нагрузку);
− 3 Specify T and H, calculate V/F and P (Заданы температура и теп-ловая нагрузка, рассчитать долю пара и давление) – если не задана температура, то она берется из входного потока;
− 4 Specify V/F and T, calculate P and Heat (Заданы доля пара и тем-пература, рассчитать давление и тепловую нагрузку) – если не за-дана температура, то она берется из входного потока;
− 5 Specify P and H, calculate V/F and T (Заданы давление и тепловая нагрузка, рассчитать долю пара и температуру) – если не задано давление, то оно берется из входного потока;
38
− 6 Specify P, isentropic flash (Задано давление, изоэнтропийное ис-парение) – испарение при энтропии входного потока и заданном дав-лении. Если давление не задано, оно берется из входного потока;
− 7 Specify T, isentropic flash (Задана температура, изоэнтропийное испарение) – испарение при энтропии входного потока и заданной температуре. Если температура не задана, она берется из входного по-тока;
− 8 Specify P, water dew pt T (H20/HC) (Задано давление, вычислить точку росы воды) – если не задано давление, то оно берется из вход-ного потока;
− 9 Specify T, water dew pt T (H20/HC) (Задана температура, вычис-лить точку росы воды) – если не задана температура, то она берется из входного потока; Модуль может иметь до трех выходных потоков:
− если выходной поток один, то он имеет тот же состав и расход, что и входной, но термодинамические характеристики зависят от режима работы FLASH;
− если выходных потоков два, то первый – пар, второй – жидкость. При включенной опции Immisible (Несмешиваемая) в окне команды K-Value, свободная вода будет включена во второй поток;
− если выходных потоков три, то, при включенной опции Immisible (Несмешиваемая) в окне команды K-Value, свободная вода будет представлять третий поток, во втором потоке будет содержаться не-большое количество растворенной воды, согласно модели раствори-мости по API. Если выбрана опция Vapor/Liquid/Liquid/Solid (Пар/Жидкость/Жидкость/Твердое), то первый поток – пар, второй – легкая жидкость, третий – тяжелая жидкость.На вкладке Cost Estimation (Оценка стоимости) задаются парамет-
ры, характеризующие конструктивные особенности аппарата и позво-ляющие оценить его стоимость.
2.14.3. Клапан
Банк модулей ChemCad включает модуль Valv, который позволяет рассчитать падение давления для входного потока и изменение его свойств в адиабатических условиях с учетом фазовой сепарации.
39
В окне модуля Valv (Клапан) (рис. 2.12) опция Close valve completely (turn valve off) (Клапан полностью закрыт (завернут)) служит для от-крытия/ закрытия клапана.
Рис. 2.12. Окно настройки модуля Valv Если клапан открыт, для настройки его работы задается значение од-
ной спецификации: − Outlet pressure (Выходное давление); − Pressure drop (Перепад давления); − Dew point temp (Температура точки росы); − Bubble point temp (Температура точки кипения).
Модуль может иметь до двух выходных потоков. Если есть второй выходной поток, то первый – пар, второй – жидкость.
2.14.4. Ректификация
Ректификация в ChemCad представлена набором модулей: прибли-женного расчета ректификации (Shortcut Column (SHOR)), строгого рас-чета ректификации и абсорбции (TOWR Distillation Column), строгого расчета ректификации и абсорбции нефтяных смесей (Tower plus), расче-та ректификации с химической реакцией (SCDS Column).
Модуль TOWR Distillation Column широко используется при модели-ровании технологических схем. С его помощью рассчитывается колонна любого типа – ректификационная, абсорбционная, абсорбционная с ку-бом и стриппер. Модуль имеет множество спецификаций, что делает его чрезвычайно гибким в использовании.
40
Окно ввода параметров модуля TOWR имеет пять вкладок (см. рис. 2.13). Вкладка General (Общая конфигурация) содержит General Model Parameters (Общие параметры модели).
Рис. 2.13. Окно модуля TOWR Distillation Column . Вкладка General В списке Condenser type (Тип конденсатора) выбирается тип кон-
денсатора: − 0 Total or no condenser (0 Полный или нет конденсатора) (установ-
лен по умолчанию); − 1 Partial condenser (Парциальный конденсатор); − 2 Total with water decant (Трехфазный полный конденсатор со сливом воды);
− 3 Partial with water decant (Трехфазный парциальный конденсатор со сливом воды). Для полного конденсатора подразумевается полная конденсация пото-
ка, отбираемого по верху колонны. Для парциального конденсатора подра-зумевается частичная конденсация потока, отбираемого по верху колонны. Если присутствует отбор дистиллята из флегмовой емкости, то он задается как жидкий боковой продукт, отбираемый с верхней тарелки. Если выбран 2 или 3 тип конденсатора, то используется метод расчета константы фазо-вого равновесия в системах с несмешивающимися с водой компонентами.
41
Следующие поля используются для задания: − Subcooled temp. (Температура переохлаждения) – значения темпе-
ратуры переохлаждения (задается только для полного конденсатора); − Top pressure (Давление вверху) – давления в конденсаторе или вверху
колонны. Если давление не задано, то используется давление потока питания;
− Cond pressure drop (Перепад давления в конденсаторе) – перепада давления в конденсаторе, задается как положительное число;
− Colm pressure drop (Перепад давл в колонне) – перепада давления в колонне, задается как положительное число. Давление на каждой тарел-ке вычисляется линеаризацией изменения давления между верхом (без конденсатора) и низом колонны (включая куб, если он задан);
− Reflux pump pout (Выходное давление флегмового насоса); − Bottom pump pout (Выходное давление кубового насоса).
В поле No. of stages (Число тарелок) вводится значение числа тарелок, включая куб и конденсатор. Тарелки нумеруются сверху вниз. Если есть конденсатор, он рассматривается как 1-я тарелка. Если есть куб, он рас-сматривается как N-я тарелка. Минимальное число тарелок – 2, макси-мальное не ограничено.
Feed stages: (Тарелки питания:) используется для задания номеров тарелок питания. Они вводятся сверху вниз, и их количество должно быть равно числу потоков питания, подводимых к колонне. Боковые на-греватели/охладители задаются как энтальпийные потоки (потоки с энер-гией, но без расхода компонентов); их положение задается так же, как и положение тарелок питания. Положительная энтальпия соответствует нагреванию, отрицательная – охлаждению.
Опции области Ambient heat transfer (Теплообмен с внешней средой) позволяют учесть потери/поступление тепла из/в оборудования: − Heat transfer area/stage (Площадь теплообмена на тарелку) площадь
тарелки, участвующая в теплопереносе; − Heat transfer coeff. (U) (Коэф. теплопередачи); − Ambient temperature (Температура внешней среды).
На вкладке Specifications (Спецификации) задаются параметры (см. рис. 2.14), используемые при расчете Heat And Material Balance Specifications (Теплового и материального балансов).
42
Рис. 2.14. Окно модуля TOWR Distillation Column . Вкладка Specifications В списке Condenser mode: (Выбор режима конденсатора:) выбира-
ется режим конденсатора: − -1 No condenser spec (see tray spec) (Есть конденсатор, но не заданы характеристики);
− 0 No codenser (Нет конденсатора); − 1 Reflux ratio (R/D) (Флегмовое число); − 2 Condenser duty, negative (Тепловая нагрузка конденсатор, отри-цательная);
− 3 Distilate temperature (Температура дистиллята); − 4 Distilate mole flowrate (Общий мольный расход дистиллята); − 5 Distilate rate of one component (Мольный расход компонента в дис-тилляте);
− 6 Distilate component mole fraction (Мольная доля компонента в дистилляте);
− 7 Distilate comp fraction recovery (Отношение количества одного компонента в дистилляте к его количеству в потоках питания);
− 8 Distilate total fraction recovery (Отношение количества потока питания к количеству дистиллята);
− 9 Two components molar flow ratio (Отношение мольных расходов 2-х компонентов в дистилляте);
43
− 10 Volume flow rate (crude flowrate) (Объемный расход дистиллята);
− 11 Distilate mass flowrate (Массовый расход дистиллята); − 12 Weight fraction of component (Массовая доля компонента в дис-тилляте);
− 13 Reserved for TPLS module (Зарезервирован для модуля Tower plus);
− 14 Reserved for TPLS module (Зарезервирован для модуля Tower plus);
− 15 Molecular wight (Молекулярная масса дистиллята); − 16 API gravity of the distilate (Удельная плотность дистиллята по стандартам Американского института нефти);
− 17 Volume fraction of the component (Объемная доля компонента в дистилляте);
− 18 Reflux mole flowrate (Мольный расход флегмы); − 19 Reflux mass flowrate (Массовый расход флегмы).
По умолчанию установлен режим 0 No condenser, указывающий на отсутствие конденсатора (например, в абсорбере). Любой другой режим больше 0 показывает, что конденсатор есть, и его характеристики долж-ны быть заданы в поле Specification (Значение). Величина тепловой на-грузки должна быть отрицательным действительным числом. Для режи-ма 0 ничего указывать не нужно. Для режимов 5, 6, 7, 12, 17 нужно задать Component (Компонент), можно задать перечень компонентов, для чего отмечается опция Select component range (Выбрать перечень компо-нентов), и в списке Last component (Последний компонент) выбирает-ся, какой компонент будет последним в перечне, при этом начинается перечень с компонента, указанного в поле First component (Первый компонент). Для режима 9 нужно задать Component (Компонент) и Di-vided by (Делитель). Для режима -1 нужно задать Stage (Номер тарел-ки), в списке Select optional tray mode (Выбор режима тарелки) вы-брать нужный режим с 0 по 28, указать Specification (Спецификации) тарелки.
В списке Select reboiler mode: (Выбор режима куба:) выбирается ре-жим куба: − -1 No reboiler spec (see tray spec) (Есть куб, но не заданы характе-ристики);
− 0 No reboiler (Нет куба); − 1 Vapor/Bottoms mole flow ratio (V/B) (Паровое число);
44
− 2 Reboiler duty, positive (Тепловая нагрузка куба, положительная); − 3 Bottom product temperature (Температура куба); − 4 Bottom mole flowrate (Общий мольный расход кубового остатка); − 5 Bottom mole rate of one component (Мольный расход одного ком-понента кубового остатка);
− 6 Bottom component mole fraction (Мольная доля компонента в ку-бовом остатке);
− 7 Bottom comp fraction recovery (Отношение количества компо-нента в кубе к его количеству в потоках питания);
− 8 Botton total fraction recovery (Отношение расхода потоков пита-ния к расходу кубового продукта);
− 9 Two components molar flow ratio (Отношение мольных расходов двух компонентов в кубе);
− 10 Volume flowrate (crude flowrate) (Объемный расход кубового остатка);
− 11 Botton mass flowrate (Массовый расход кубового остатка); − 12 Weight fraction of component (Массовая доля компонента в ку-бовом остатке);
− 15 Molecular weight of bottom product (Молекулярная масса кубо-вого остатка);
− 16 API gravity of bottoms (Удельная плотность кубового остатка по стандартам Американского института нефти);
− 17 Volume fraction of component (Объемная доля одного компонен-та кубового остатка). Любой режим больше 0 показывает, что куб есть, и его характеристики
должны быть заданы в поле Specification (Значение). Для режима -1 за-даются спецификации аналогично режиму -1 конденсатора. Для режимов 5, 6, 7, 12, 17 нужно задать Component (Компонент), можно задать пере-чень компонентов, для чего отмечается опция Select component range (Выбрать перечень компонентов), и в списке Last component (Послед-ний компонент) выбирается, какой компонент будет последним в переч-не, при этом начинается перечень с компонента, указанного в поле First component (Первый компонент). Для режима 9 нужно задать Component (Компонент) и Divided by (Делитель).
Если в колонне присутствует боковой отбор продукта, то в области Side Product Specifications (Спецификации бокового продукта) для каждого отбираемого потока задаются Stage (Тарелка) – номер тарелки
45
отбора, Side product mode (Режим бокового отбора) и Specification (Спецификация).
Режим бокового отбора выбирается из списка: − Liquid component mass fraction (Массовая доля компонента в жидко-сти);
− Liquid side product mass flowrate (Массовый расход жидкости бо-кового продукта);
− Liquid volume flowrate (Объемный расход жидкости); − Liquid component mole fraction (Мольная доля компонента в жидко-сти);
− Liquid component mole flowrate (Мольный расход компонента в жидкости);
− Liquid mole flowrate (Мольный расход жидкости); − Liquid draw ratio (Отношение для жидкости) отношение расхода
жидкости в потоке ко всему количеству жидкости, покидающему та-релку;
− Vapor draw ratio (Отношение для пара) отношение расхода пара в потоке ко всему количеству пара, покидающему тарелку;
− Vapor mole flowrate (Мольный расход пара); − Vapor component mole fraction (Мольная доля компонента в паре); − Vapor component mole flowrate (Мольный расход компонента в паре);
− Vapor volume flowrate (Объемный расход пара); − Vapor mass flowrate (Массовый расход пара); − Vapor componenet mass fraction (Массовая доля компонента в па-ре); Вкладка Convergence (Сходимость) (см. рис. 2.15) содержит области
Estimates (Оценки) и Convergence (Сходимость).
46
Рис. 2.15. Окно модуля TOWR Distillation Column . Вкладка Convergence Область Estimates (Оценки) содержит параметры:
− Initialization (Инициализация) – начальные оценки для расчета ректи-фикации: − 0 Use simple estimations (Использовать простые оценки) – уста-
новлено по умолчанию. Для этого требуется минимум входной ин-формации (расход дистиллята, расход флегмы и т. д.);
− 1 Reload column profile (Использование полного профиля ко-лонны) – в качестве исходной точки при расчете модели использу-ется профиль колонны, вычисленный в предыдущем расчете. Число тарелок и компонентов должно оставаться тем же, что и в базовом варианте;
− 2 Temp. profile only (Использование только температурного профиля);
− 3 Temp.&vapor profile (Использование профиля температуры и расхода пара);
47
− 4 Temp., vapor, liquid profile (Использование профиля темпера-туры, пара, жидкости);
− 5 Temp., vapor, liquid, pres (Использование профиля температу-ры, пара, жидкости и профиля давления);
− 6 Auto estimation (Автоматическое задание оценок) – использу-ются оценки, заложенные в модели. Режимы 2, 3, 4, 5 используются, если TOWR не сходится из-за
чрезвычайно нелинейного характера температурного профиля пара или жидкости в колонне.
Далее в области Estimates можно задать оценки, если они извест-ны:
− Dist. rate (Расход дистиллята) – оценку расхода дистиллята. Ее ре-комендуется задавать в мольных единицах;
− Reflux rate (Расход флегмы) – оценку расхода флегмы. Также вво-дится в мольных единицах;
− T top (Т наверху) – температуры в верхней части колонны. Задается оценочная температура конденсатора или верхней тарелки;
− T bottom (Т внизу) – температуры в нижней части колонны. Задается оценочная температура куба или последней тарелки;
− T 2 (ovhd) – температуры на тарелке 2. Задается, если существует большая разность температур между конденсатором и верхней тарел-кой. В соответствующих полях Side product estimations (Оценки боково-
го продукта) задаются оценки мольных расходов продуктов отбора. В том случае, если значения оценок параметров не известны, то поля
не заполняются и остаются пустыми. Однако задание оценок, близких к истинным, улучшает сходимость модели аппарата.
При задании Convergence (Сходимости) указывается: − I terations (Итерации) – максимальное число итераций; − Tolerance (Погрешность) – значение допустимой погрешности, по
умолчанию 0.001; − Damping factor (Демпфирующий фактор) – значение демпфирую-
щего коэффициента для модели константы фазового равновесия. Для сильно неидеальных химических систем рекомендуется задавать от-ношение меньше 1;
− Pressure profile (Профиль давления) – способ задания перепада дав-ления в колонне: − Specify pressure drop (Задать перепад давления по колонне);
48
− Specify pressure profile (Задать профиль давления); − Use tray column rating (Использовать расчет размеров тарелоч-ной колонны); − Use packed column rating (Использовать расчет размеров наса-дочной колонны). При выборе 3 последних режимов по завершению работы с окном на-
стройки колонны будет выведено окно, где нужно будет ввести данные, характеризующие выбранный режим.
В области Stage Efficiency (Эффективность тарелок) задается эффек-тивность тарелок по Мерфи для тарелочной колонны. Tray efficiency pro-file (Профиль эффективности тарелок) – задание профиля: − 0 No efficiency profile (Не используется профиль эффективности); − 1 Tray efficiency (Профиль эффективности для тарелок); − 2 Comp/Tray efficiency (Профиль эффективности для тарелок по компонентам). При выборе режима 0 No efficiency profile можно задать коэффициен-
ты эффективности для верхней (Top stage) и последней (Last stage) таре-лок колонны. Для режимов 1 и 2 по окончании работы с окном настройки колонны будет выведено окно для задания профиля эффективности.
В области Termosyphon Reboiler (Ребойлер-термосифон) в поле Va-por fraction (Доля пара) задается доля пара, выводимая из термосифона. На расчет дистилляции параметр не влияет.
Опция Water Quench (Подача воды) – признак подачи воды. Если сверху колонны подается большое количество воды, и она присутствует на каждой тарелке, то установленный признак позволит достигнуть схо-димости.
Область Calculated results (Вычисленные величины) содержит зна-чения: − Сondenser duty (Нагрузка конденсатора) – тепловой нагрузки кон-
денсатора (отрицательная величина); − Rebolier duty (Нагрузка куба) – тепловой нагрузки куба (положи-
тельная величина); − Reflux mole (Расход флегмы в мольных единицах) – расхода флег-
мы в мольных единицах; − Reflux mass (Расход флегмы в массовых единицах) – расхода флег-
мы в массовых единицах; − Reflux ratio (Флегмовое число) – флегмового числа.
49
На вкладках Cost Estimation 1 и Cost Estimation 2 (Оценки стоимо-сти) представлены опции для оценки стоимости ряда конструктивных элементов тарельчатых и насадочных колонн, конденсатора, кипятильни-ка.
В списке Column type (Тип колонны) Cost Estimation 1 вкладки вы-бирается тип колонны – тарелочная (Tray), либо насадочная (Packed).
Модуль SCDS column (SCDS) имеет больше возможностей модели-рования процессов разделения по сравнению с модулем Tower.
Окно ввода параметров модуля имеет 5 вкладок (см. рис. 2.16).
Рис. 2.16. Окно модуля SCDS column. Вкладка General Вкладка General (Общие) содержит General Model Parameters (Об-
щие параметры модели) где находятся списки и поля аналогичные та-ким же в модуле TOWR Distillation Column (п. 2.14.4): − Condenser type (Тип конденсатора); − Subcooled temp. (Температура переохлаждения); − Top pressure (Давление вверху); − Cond pressure drop (Перепад давления в конденсаторе); − Colm pressure drop (Перепад давления в колонне);
50
− No. of stages (Число тарелок); − Feed stages: (Тарелки питания:).
Также как и в модуле TOWR Distillation Column на этой вкладке присутствуют опции области Ambient heat transfer (Теплообмен с внешней средой): Heat transfer area/stage (Площадь теплообмена на тарелку), Heat transfer coeff. (U) (Коэффициент теплопередачи); Am-bient temperature (Температура внешней среды).
Кроме перечисленных опций на вкладке General расположены: Список Simulation model (Модель), который позволяет выбрать мо-
дель расчета ректификации: − Regular VLE model (Обычная модель парожидкостного равнове-сия);
− Packed column mass transfer (Модель массопереноса насадочной колонны) модель насадочной колонны с расчетом диффузии и общих коэффициентов массопереноса;
− Tray column mass transfer (Модель массопереноса тарелочной ко-лонны) модель тарелочной колонны с расчетом диффузии и общих коэффициентов массопереноса. Опция Check here for reactive distillation (Отметить для дистилляции
с химической реакцией) используется для моделирования ректификации, осложненной химической реакцией. При задании этой опции по окончании работы с окном колонны будут открыты окно для формирования инфор-мации о протекающих реакциях, где нужно будет указать число реакций, фаза протекания реакции, каков тип задания информации о реакции, ин-формация о параметрах каждой реакции.
Область Optional three phase control (Учитывать наличие трех фаз) служит для учета наличия трех фаз на отдельных стадиях разделения: − Use local three phase model (Использовать локальную трехфазную модель);
− Three phase stage from (Начальная тарелка с тремя фазами); − Three phase stage to (Конечная тарелка с тремя фазами).
Вкладка Specifications содержит настройки (рис. 2.17) для расчета те-плового и материального баланса.
51
Рис. 2.17. Окно модуля SCDS column. Вкладка Specifications Список Condenser mode: (Выбор режима конденсатора:) служит для
выбора режима работы конденсатора. Он содержит режимы с номерами от 0 до 9, аналогичные режимам модуля TOWR Distillation Column , ос-тальные режимы: − 10 Volume flow rate (crude flowrate) (Объемный расход дистиллята);
− 11 Distillate comp. mass flowrate (Массовый расход компонента в дистилляте);
− 12 Distillate comp. mass fraction (Массовая доля компонента в дис-тилляте);
− 13 Distillate std liquid volume rate (Объемный расход жидкости в дистилляте при стандартных условиях);
− 14 Reflux mole flowrate (Мольный расход флегмы); − 15 Reflux mass flowrate (Массовый расход флегмы); − 16 Reflux mole/feed mole (R/F) (Мольный расход флегмы/ Моль-ный расход питания);
52
− 17 Reflux mass/feed mass (R/F) (Массовый расход флегмы/ Массо-вый расход питания). Список Select reboiler mode: (Выбор режима куба:) служит для вы-
бора режима работы конденсатора. Он содержит режимы с номерами от 0 до 9, аналогичные режимам модуля TOWR Distillation Column , осталь-ные режимы: − 10 Botton mass flowrate (Массовый расход кубового остатка); − 11 Bottom comp. mass flowrate (Массовый расход компонента в ку-бовом остатке);
− 12 Bottom comp. mass fraction (Массовая доля компонента в кубо-вом остатке). Если в колонне присутствует боковой отбор продукта, то в Side Prod-
uct Specifications (Спецификации бокового продукта) для каждого от-бираемого потока задаются Stage (Тарелка) – номер тарелки отбора, Side product mode (Режим бокового отбора) и Specification (Специфи-кация). Режим бокового отбора выбирается из списка: − Liquid mass Flow (Массовый расход жидкости); − Liquid mole Flow (Мольный расход жидкости); − Liquid Ratio (Отношение для жидкости) – отношение расхода жидко-
сти в потоке ко всему количеству жидкости, покидающему тарелку; − Vapor Ratio (Отношение для пара) – отношение расхода пара в по-
токе ко всему количеству пара, покидающему тарелку; − Vapor mole Flow (Мольный расход пара); − Vapor mass Flow (Массовый расход пара); − Liquid Mole/Feed Mole (Мольный расход жидкости/Мольный рас-ход питания колонны);
− Liquid Mass /Feed Mass (Массовый расход жидкости/Массовый расход питания колонны);
− Vapor Mole/Feed Mole (Мольный расход пара/Мольный расход питания колонны);
− Vapor Mass /Feed Mass (Массовый расход пара/Массовый расход питания колонны). Область Optional Tray Specification (Дополнительные специфика-
ции тарелки) может использоваться для управления работой колонны. Оп-ции области выполняют следующее воздействие на колонну:
«Необходимо подобрать такое значение варьируемой переменной, при котором значение контролируемой переменной будет равным констан-те».
53
В списке Adjust the specification for (Подбирать значение переме-ной) выбирается варьируемая переменная из числа: − 1 Condencer (Конденсатор); − 2 Reboiler (Куб); − 3 Side prod 1 (Поток бокового отбора 1); − 4 Side prod 2 (Поток бокового отбора 2); − 5 Side prod 3 (Поток бокового отбора 3); − 6 Side prod 4 (Поток бокового отбора 4).
В списке until the (До тех пор, пока) указывается местонахождение контролируемой переменной: − 0 Tray (Тарелка), тогда в поле Tray (Тарелка) задается номер тарел-
ки; − 1 Distillate (Дистиллят), затем в списке Variable (Переменная) указывается какой параметр нужно выбрать для контролируемой переменной: − 0 None (Нет); − 1 Temperature (Температура); − 2 Total mole flowrate (Общий мольный расход); − 3 Total mass flowrate (Общий массовый расход); − 4 Total std liquid vol flowrate (Общий объемный расход жидкости в станд. условиях);
− 5 Component mole flowrate (Общий мольный расход компонента); − 6 Component mass flowrate (Общий массовый расход компонента); − 7 Component std liquid vol flowrate (Общий объемный расход ком-понента в жидкой фазе при стандартных условиях);
− 8 Component mole fraction (Мольная доля компонента); − 9 Component mass fraction (Массовая доля компонента); − 10 Component std liquid vol fraction (Объемная доля компонента в жидкой фазе при стандартных условиях). Для режимов 5, 6, 7, 8, 9, 10 нужно выбрать компонент в списке
Component. Далее для контролируемой переменной необходимо выбрать фазовое состояние в списке Phase (Фаза): − 0 Liquid (Жидкость); − 1 Distillate (Пар); после чего в поле is equal to specify value of (будет равным) указывает-ся числовое значение, которого должна достигнуть контролируемая пе-ременная.
54
Настройки сходимости модели задаются на вкладке Convergence, оп-ции которой аналогичны опциям на вкладке Convergence модуля TOWR Distillation Column.
На вкладках Cost Estimation (Оценка стоимости) 1 и Cost Estimation 2 представлены опции для оценки стоимости ряда конструктивных эле-ментов тарельчатых и насадочных колонн, конденсатора, кипятильника.
В списке Column type (Тип колонны) вкладки Cost Estimation 1 (Оценка стоимости 1) выбирается тип колонны – тарелочная (Tray), ли-бо насадочная (Packed).
2.14.5. Реакторы
ChemCad предоставляет средства для решения большого количества задач, связанных с реакторами, начиная с простых стехиометрических реакций и кончая множественными кинетическими реакциями.
Модуль Stoichiometric reactor (REAC) моделирует стехиометрический реактор при наличии набора стехиометрических коэффициентов, ключе-вых компонентов и степеней превращения. Реактор может быть адиаба-тическим, изотермическим или с подводом/отводом тепла.
Окно Stoichiometric reactor (REAC) модуля содержит две вкладки. На вкладке General Specifications (Общие спецификации) (рис. 2.18) представлены опции для задания общих технических условий.
В области Specify Thermal Mode: (Задать тепловой режим:) выби-рается тепловой режим работы реактора: − 1. Adiabatic (Адиабатический) – адиабатический; − 2. Isothermal (Изотермический)– изотермический; − 3. Heat Duty (Тепловая нагрузка) – с заданной тепловой нагрузкой.
55
Рис. 2.18. Вкладка General Specifications модуля Stoichiometric reactor В списке Key component (Ключевой компонент) выбирается ключе-
вой компонент. Предполагается, что ключевой компонент является реа-гентом. Это обязательный для ввода параметр.
В следующих полях задаются значения: − Frac. Conversion (Степень превращения) – степени превращения
ключевого компонента (значение от 0 до 1). Параметр обязательный для ввода;
− Heat of Reaction (Теплота реакции) – теплоты реакции. Она задается при стандартных условиях (обычно при 25 °С, давлении 1 атм). Эта ве-личина положительна для эндотермических реакций и отрицательна для экзотермических. Параметр не обязателен для ввода; если теплота реак-
56
ции не задана, то ChemCad оценит ее по данным о теплоте образования каждого компонента из базы данных;
− Reactor Pressure (Давление в реакторе) – давления в реакторе. Если задан 0, то давление в реакторе будет равно давлению входного потока;
− Calc H of Reac. (Рассчитанное значение теплоты реакции). В Stochiometric Coefficients: (Стехиометрические коэффициенты:)
задается последовательный набор стехиометрических коэффициентов: отрицательных – для реагентов, положительных – для продуктов и нуле-вых – для веществ, не участвующих в реакции. При необходимости зада-ние стехиометрических коэффициентов можно продолжить, открыв вкладку More Components (Следующие компоненты).
У модуля REAC может быть один вход и до 3-х выходов. Если есть не-сколько выходов, то первый содержит пар (если таковой присутствует), а второй и третий содержат жидкости (если таковые присутствуют).
Модуль Equilibrium reactor (EREA) используется для расчета равно-весных реакторов. Он может работать с двухфазными системами, но ре-акция будет происходить только в одной фазе, которая задается пользо-вателем. Паспорт модуля состоит из нескольких последовательно откры-вающихся окон.
Окно Equilibrium reactor (EREA) модуля имеет две вкладки. Вкладка General Specifications (Общие спецификации) (рис. 2.19) содержит па-раметры общего назначения.
В поле Number of reactions (Число реакций) задается число реакций. Можно одновременно задать до 300 реакций.
В поле Pressure drop (Перепад давления) – перепад давления в реак-торе.
Область Reactor Model (Модель реактора) содержит опции для оп-ределения модели реактора и фазы реакции. Модель реактора выбирается в списке Specify reactor type: (Типы моделей реактора:): − General equilibrium reactor (Общий равновесный реактор); − Shift reactor (Конвертор СО); − Methanation reactor (Метанатор).
Модуль EREA может использоваться для моделирования любого на-бора реакций. Для общего равновесного реактора данные по равновесию и стехиометрии задаются в меню данных реакций. Для реакции конверсии СО и для реакционной системы получения метана в ChemCad имеются тре-буемые равновесные данные.
57
Рис. 2.19. Вкладка General Specifications модуля Equilibrium reactor Предполагается, что реакция происходит в одной фазе, которая зада-
ется пользователем: − Liquid only (Только жидкая) – фаза жидкая (по умолчанию); − Vapor only (Только пар) – фаза паровая; − Liquid reaction, Mixed phase (Жидкая реакция, смешанная фаза) –
реакция протекает в жидкой фазе, смешанная фаза; − Vapor reaction, Mixed phase (Паровая реакция, смешанная фаза) –
реакция протекает в паровой фазе, смешанная фаза. Любой равновесный реактор может быть адиабатическим, адиабати-
ческим с заданной тепловой нагрузкой или изотермическим. Выбор теп-лового режима реактора выполняется в области Thermal mode: (Тепло-вой режим:):
58
− Adiabatic (no heat exchange) (Адиабатический (без теплообмена)) – для этого режима выходная температура (температура реакции) будет рассчитана, а тепловая нагрузка принимается равной 0;
− Izothermal (specify temp) (Изотермический (с заданной температу-рой)) – для этого режима температура реакции равна температуре реак-тора. Рассчитывается тепловая нагрузка, требуемая для поддержания заданной температуры;
− Specify heat duty (Заданная тепловая нагрузка) – это адиабатический режим с заданной тепловой нагрузкой. Выходная температура (темпера-тура реакции) рассчитывается при заданной тепловой нагрузке; Выбор режимов расчета выполняется в области Specify calculation
mode: (Задание режима расчета:): − Reaction conversion (Конверсия реакции) – при задании конверсии
реакции расчет равновесия не обязателен, а тепловые и материальные балансы определяются точно из стехиометрии, теплоты реакции и за-данной конверсии. Для конвертора СО и метанатора не задается;
− Approach delta T (Температурное приближение) – задается темпера-турное приближение в поле Temperature delta в зависимости от выбран-ного режима;
− Approach Fraction (Степень приближения) – степень приближения к равновесию используется вместе с равновесной конверсией. Степени приближения к равновесию задаются в экранах реакций, которые выво-дятся на экран после определения числа редактируемых реакций. Спи-сок Liquid Keq model (Модель равновесия для жидкости) позволяет выбрать вариант расчета равновесия для жидкости: − Kx – на основе мольных долей; − Ka – на основе активности компонентов. Вкладка More Specifications (Другие спецификации) (рис. 2.20) со-
держит дополнительные данные для ввода: − Number of iterations (Число итераций) – задается допустимое число
итераций для обеспечения сходимости уравнений. По умолчанию уста-новлено 30;
59
Рис. 2.20. Вкладка More Specifications модуля Equilibrium reactor − Tolerance (Погрешность) – задается погрешность для расчета равно-
весия; − Edit reaction number (Номера редактируемых реакций) – указыва-
ется, для каких реакции должны вводиться данные в последующих окнах: − 0 – все реакции; − -1 – ни одной реакции; − N – реакция с номером N. Для выбора единиц измерения используются соответствующие списки
области Reaction Engeneering Units (Единицы измерения параметров
60
реакции): Temperature Units: (Единицы температуры:), Pressure Units: (Единицы давления:), Heat of Reaction Units: (Единицы тепло-ты реакции:), Molar Flow Units: (Мольные единицы расхода:).
В области Convergence Method (Метод сходимости) выбирается ме-тод сходимости. По умолчанию установлен метод, рассматривающий по-токи компонентов как независимые переменные и, таким образом, отве-чающий за обратимость реакции при указании приближенной доли. Дру-гая опция позволяет применить метод, использующий превращение ком-понентов потоков питания в качестве самостоятельных переменных и, таким образом, не отвечающий за обратимость при указании приближен-ной доли.
В поле Temperature reference for heat of reaction: (Базовая темпе-ратура для расчета теплоты реакции) задается значение базовой тем-пературы реакции. По умолчанию задано значение 25 °С.
В поле Calculated overall IG heat of reaction Rxn/ Calculated overall Liq heat of reaction Rxn (Рассчитанная теплота реакции идеального газа/Рассчитанная теплота реакции идеальной жидкости) выводится рассчитанное значение общей теплоты реакции для идеального га-за/теоретической жидкости при контрольной температуре реакции.
У модуля EREA один вход и может быть до трех выходов. Если есть два или три выходных потока, то первый выходной поток – пар (если есть), а второй и третий выходной поток – жидкость (если есть).
По окончании работы с окном Equilibrium reactor (EREA) на экран для каждой реакции выдается окно Equilibrium Data ( Равновесные дан-ные) (рис. 2.21) для внесения информации о протекании реакции.
В окне нужно указать Base component (Базовый компонент) реак-ции, значения коэффициентов А и В в уравнении расчета константы рав-новесия. Если известны, задать Heat of reaction (Оценка теплоты про-текания реакции), для режима реактора Approach delta T – оценку тем-пературы Approach delta T, для режима Approach Fraction – параметр Frac. approach (Степень приближения к равновесию), для режима Reaction conversion – параметр Frac. conversion (Степень превращения базового компонента). В списке Specified heat of rxn is указывается, для какого состояния рассчитывать теплоту реакции – Ideal gas state (Иде-альный газ) или Liquid state (Жидкость).
61
Рис. 2.21. Окно Equilibrium Data модуля Equilibrium reactor Для указания стехиометрии реакции в поле Component выбираются
компоненты, участвующие в реакции, для них задаются Stoichiometric coefficient (Стехиометрические коэффициенты) аналогично стехио-метрическому реактору. Можно задать Exponential factor (Экспоненци-альный фактор) для парциального давления компонента, обычно он равен стехиометрическому коэффициенту.
Модуль Kinetic Reactor (KREA) служит для поверочного и проектного расчетов кинетических реакторов идеального вытеснения RFR (РИВ) и реакторов идеального смешения CSTR (РИС). Каждый из реакторов (РИВ или РИС) может быть жидкофазным или газофазным. Допускаются также двухфазные реакторы, но реакция может иметь место только в од-ной фазе.
Окно модуля имеет две вкладки. Вкладка General Specifications (Об-щие спецификации) (рис.2.22) содержит параметры, которые использу-ются как для РИВ, так и для РИС.
62
Рис. 2.22. Вкладка General Specifications модуля Kinetic Reactor В поле Number of reactions (Количество реакций) вводится число
реакций. Допускается до 300 одновременных реакций. В поле Reactor pressure (Давление в реакторе) задается давление на
входе в реактор. Если оно не задано, то используется давление во вход-ном потоке.
В Pressure Drop (Перепад давления) определяется давление, при ко-тором протекает химическая реакция в реакторе. Для РИС эта величина равна нулю. Для РИВ профиль давления равномерно распределяется ме-жду входом и выходом по числу шагов интегрирования.
Список Kinetic rate expression (Выражение скорости реакции) слу-жит для указания, как задана информация о реакциях: − Standart – All reactions (Обычный – для всех реакций);
63
− Excel VB – All reactions (В Excel VB – для всех реакций); − Define each reaction (Определять каждую реакцию отдельно).
В области Reactor Model (Модель реактора) определяется тип реак-тора и фаза протекания реакции.
Тип реактора выбирается в списке Specify reactor type: (Определение типа реактора:): − Cont Stir Tank Reac (CSTR) – РИС; − Plug Flow Reactor (PFR) – РИВ.
Следующие опции позволяют задать фазу протекания реакции: − Liquid (Только жидкость) – по умолчанию; − Vapor only (Только пар); − Liquid reaction, Mixed phase – смешанная фаза, реакция в жидкой
фазе; − Vapor reaction, Mixed phase – смешанная фаза, реакция в паровой
фазе. В области Thermal mode: (Тепловой режим:) выбирается тепловой
режим (вариант расчета): − Izothermal (specify temp) (Изотермический (Задать температуру)) –
для него рассчитывается тепловая нагрузка. В этом случае в поле на-против необходимо ввести значение температуры. В противном слу-чае используется температура входного потока;
− Adiabatic (no heat exchange) (Адиабатический (без теплообмена)). – для этого режима рассчитывается температура для РИС и температур-ный профиль для РИВ;
− Specify heat duty (Заданная тепловая нагрузка) – для этого режима в случае РИС с заданной тепловой нагрузкой итерационно определя-ется температура. В поле напротив задается количество тепла, добав-ляемое или отнимаемое от реакции. Используются глобальные едини-цы измерения. В случае РИВ тепловая нагрузка равномерно распреде-ляется на каждом шаге интегрирования и затем используется для рас-чета температурного профиля;
− Spec PFR temp. profile (later) (Задан температурный профиль для РИВ). Этот режим используется только в случае РИВ. Задаются зна-чения температур на каждом шаге интегрирования и для них вычис-ляются соответствующие тепловые нагрузки. Затем они суммируются и определяется общая тепловая нагрузка;
− Specify PFR utility U (Задан коэффициент теплопередачи для РИВ). В этом режиме тепловая нагрузка на каждом шаге интегрирования
64
вычисляется индивидуально с использованием общего коэффициента теплопередачи, значение которого вводится в поле напротив. Это значение необходимо только для РИВ. В области Specify calculation mode (Определение режима расчета)
выбирается режим расчета: − Specify Volume, Calculate conversion (Задан объем, рассчитать сте-пень превращения);
− Specify convercion, Calculate volume (Задана степень превращения, рассчитать объем). Если выбран режим расчета Specify Volume, Calculate conversion, то
объем реактора используется для вычисления степени превращения реа-гентов, а также выходных составов и условий. Объем задается следую-щим способом: − для РИС задается объем в поле Reactor Volume (Объем реактора); − для РИВ вводится либо объем как число в поле Reactor Volume (Объем реактора), либо объем как составное из длины, диаметра труб и числа труб на вкладке More Specifications (Другие условия);
− в режиме Specify PFR utility U объем задается только как составное из длины, диаметра труб и числа труб на вкладке More Specifications (Другие условия). Если выбран режим расчета Specify conversion, Calculate volume, то
объем реактора вычисляется на основе конверсии ключевого компонента. Расчет связан со степенью превращения одного (ключевого) компонента независимо от числа реакций.
В списке Key Component (Ключевой компонент) выбирается номер ключевого компонента, относительно которого определяется объем реак-тора. В поле Conversion (Степень превращения) задается степень пре-вращения ключевого компонента. Для РИС объем определяется време-нем пребывания, для РИВ пока не будет достигнута требуемая степень превращения ключевого компонента. Для РИВ необходимо задать длину, диаметр труб и число труб на вкладке More Specifications. Значение объе-ма используется как оценка при расчете.
Вкладка More Specifications (Другие условия) (рис. 2.23) содержит геометрические параметры и численные параметры для выполнения сче-та.
65
Рис. 2.23. Вкладка More Specifications модуля Kinetic Reactor На этой вкладке только для РИВ можно задать Length of tubes (Длину
труб), Diameter of tubes (Диаметр труб), Number of tubes (Число труб). Опции настройки метода расчета реактора – Number of steps (Число
шагов), Stepsize (Шаг), Tolerance (Точность). Для пятого теплового режима Specify PFR utility U задается направ-
ление потока 0 Counter current (Противоток), 1 Co current (Прямо-ток).
В области Reaction engineering units (Единицы измерения для реак-ции) задаются единицы измерения.
Если задан вспомогательный поток (термический режим =5), то у реакто-ра может быть два входа и два выхода. Первые вход и выход содержат пото-ки процесса, а вторые вход и выход – вспомогательные потоки.
66
По окончании работы с окном настройки реактора выдается окно формирования информации о реакциях (рис. 2.24). Для каждой реакции выдается отдельное окно. В поля Frequency factor (Предэкспоненци-альный коэффициент) Activation energy (Энергия активации) нужно занести коэффициенты уравнения Аррениуса.
Задание стехиометрии реакций проводится аналогично реактору EREA.
Рис. 2.24. Окно задания параметров реакции для модуля Kinetic Reactor
2.15. Упражнение. Ввод спецификаций аппаратов технологической схемы
1. В задании TUTOR1 выполнить ввод параметров аппаратов техноло-гической схемы стабилизации газового конденсата. Для вывода на экран окна ввода параметров аппарата использовать разные способы: команду Specifications/Select Unit Ops (Технические условия/Выбор оборудования), двойной щелчок левой клавиши мы-ши на пиктограмме аппарата, команду контекстного меню Edit Unit Op Data (Редактирование параметров единицы оборудования).
67
Для теплообменника 1: Выбрать вкладку Specifications (Технические условия) (рис. 2.25), в поля Pressure Drops: (Перепад давления:) вве-сти значения
Рис. 2.25. Настройка параметров теплообменника 1
68
перепада давления между входом и выходом для обеих сторон тепло-обменника: для Stream 1 (Потока 1) – 0.3 бара, для Stream 4 (Потока 4) – 0.3 бара. В Vapor fraction stream 2 (Доля пара потока 2) задать точку росы рав-ной 1.0. Сохранить данные, нажав кнопку ОК. Для теплообменника 2. Выбрать вкладку Specifications (Специфика-ции) (рис. 2.26): В поле Pressure Drop ввести значение перепада давления, равное 0.3 ба-ра, в поле Temperature of stream 3 (Температура потока 3) ввести зна-чение -20 °С.
Рис. 2.26. Настройка параметров теплообменника 2
Для сепаратора 3. В данном примере сепаратор рассчитывает пара-метры выходных жидкого и парового потоков при известных пара-метрах входного потока и в других спецификациях не нуждается.
Рис. 2.27. Настройка параметров клапана 5
Для вентиля 4. Давле-ние на выходе из вен-тиля соответствует 9 бар. В окне ввода па-раметров (рис. 2.27) в поле Outlet pressure (Давление на выходе) ввести значение 9 бар.
Для стабилизатора 5. Выбрать вкладку General (Общая конфигура-ция) (рис. 2.28) и ввести значения следующих параметров:
69
В списке Condenser type (Тип конденсатора) установить тип конден-сатора – 0 Total or no condenser (0 полный конденсатор или нет конденсатора).
Рис. 2.28. Настройка параметров стабилизатора 6. Вкладка General В поле Top pressure (Давление вверху) ввести значение 9 бар. В поле Colm press drop (Перепад давления в колонне) ввести значе-ние перепада давления в колонне 0.3 бара. В поле No. of stages (Число тарелок) задать число тарелок равное 12. Рядом с полем Feed tray for stream (Тарелка питания для потока) выводится ID номер потока питания (на схеме это поток 7), а непо-средственно в поле надо задать расположение тарелки питания – это тарелка номер 1. После завершения ввода параметров на вкладке General перейти на вкладку Specifications (Спецификации) (рис. 2.29). В списке Select reboiler mode: (Выбор режима куба:) указать расход кубового потока колонны: 11 Bottom mass flowrate (4 Массовый рас-ход куб. остатка). В поле Specification (Значение) ввести значение расхода 1000 кг/ч.
70
Рис. 2.29. Настройка параметров стабилизатора 6. Вкладка Specifications Выбрать раздел Convergence (Сходимость) (рис. 2.30), в поле T top (Т наверху) ввести значение оценки температуры, равное 40 °С, а в поле T bottom (Т внизу) – значение 120 °С.
Рис. 2.30. Настройка параметров стабилизатора 6. Вкладка Convergence. 2. Сохранить задание.2.16. Выбор параметров сходимости для расчета схем с рециклами
По умолчанию в ChemCad модули оборудования рассчитываются по-следовательно. Каждый модуль принимает входные потоки и вычисляет параметры выходных потоков, используя параметры оборудования, зада-ваемые пользователем. При наличии рециклов программа решает задачу
71
итерационно до тех пор, пока параметры рецикловых потоков не станут неизменными с заданной точностью в двух последовательных итерациях. Скорость сходимости итерационного процесса регулируется параметра-ми сходимости.
Для выбора параметров сходимости используется команда Run/Convergence (Расчет/Сходимость), доступная в режиме Mode: Simulation. На экран выводится окно Convergence Parameters (Пара-метры сходимости) (рис. 2.31).
Рис. 2.31. Настройка параметров сходимости для расчета схемы Опция Take a snap shot before running flowsheet (Выполнить
предварительное сохранение среза перед расчетом схемы) сохраняет рассчитываемые параметры всех потоков аппаратов схемы. После вы-полнения расчета их можно восстановить командой Specifications/Load last snap shot (Загрузить последний срез).
Область Recycle Convergence Methods (Методы сходимости ре-циклов) содержит опции, позволяющие выбрать Convergence Method:
72
(Метод сходимости:) и задать параметры, соответствующие выбранно-му методу.
В качестве методов сходимости в программе используются: метод Direct substitution (Простой итерации), метод Wegstein (Вегстейна) и Dominant Eigenvalue (DEM) (Доминирующего собственного значе-ния). По умолчанию установлен метод Direct Substitution. В зависимо-сти от выбранного метода изменяются опции настройки параметров ме-тода.
For Wegstein method only: (Только для метода Вегстейна:) задают-ся соответственно Wegstein lower bound (Нижняя граница) и Wegstein upper bound (Верхняя граница) – нижний предел (по умолчанию уста-новлено значение -5.0) и верхний предел для параметра q. Чем более от-рицательно q, тем больше ускорение. Если сходимость расчета рецикла монотонная, то нижняя граница для q может быть от –10 до –50.
Соответственно For DEM method only: (Только для метода DEM:) указывается DEM damping factor (Демпфирующий фактор DEM) – ко-эффициент затухания. Демпфирующий фактор должен изменяться в преде-лах от 0 до 1. По умолчанию он равен 0.7.
Для ускорения сходимости в методе Вегстейна и метода доминирующе-го собственного значения необходимо задать Speed up frequency (Частоту ускорения). Величина этого параметра, равная по умолчанию 4, означает, что ускорение по методу доминирующего собственного значения будет использовано на каждой четвертой итерации, а на остальных итерациях будет приниматься шаг по простой итерации.
При расчете сходимости рециклов и оценке относительных ошибок на двух последовательных итерациях используются пять погрешностей. Если относительные разности в параметрах одного и того же потока (расход, температура, давление, доля пара, энтальпия) на двух последовательных итерациях меньше заданных погрешностей, то считается, что поток «со-шелся». Если все рецикловые потоки в технологической схеме сошлись, задача решена.
В области Recycle Tolerances (Погрешности рециклов) перечислены опции, с помощью которых задается точность вычислений следующих величин: − Flow rate (Расхода компонента); − Temperature (Температуры); − Pressure (Давления); − Vapor fraction (Доли пара);
73
− Enthalpy (Энтальпии). По умолчанию для всех величин точность принимается равной 0.001. При Flash calculations (Расчете испарения) в списке Flash algorithm:
(Алгоритм расчета испарения:) выбирается алгоритм расчета для Normal (Обычных) смесей или Electrolyte (Электролитов).
Далее задаются параметры: − Flash damping factor (Демпфирующий фактор испарения) – коэф-
фициент затухания для расчета величин констант равновесия. По умолчанию для нормальных систем установлено значение 1.0;
− Flash tolerance (Погрешность) – допустимая погрешность при расче-те испарения (по умолчанию установлено значение 1.0е-005); В списке Calculation sequence (Последовательность расчета) выбира-
ется метод, применяемый для построения последовательности расчета: − Sequential (Последовательный) – последовательный расчет (установ-
лен по умолчанию). В этом случае последовательность расчета модулей аппаратов схемы совпадает с направлением материальных потоков. Ес-ли в схеме присутствуют рециклы, то они будут рассчитываться до тех пор, пока не будет достигнута требуемая точность; В списке Steady State/Dynamics (Статическое/Динамическое) выби-
рается моделируемый режим. В списке Flow/Pressure Conversion (Преобразования Расхо-
да/Давления) выбирается режим, требуемый для работы элемента NODE. В том случае, если такой элемент в схеме не используется, выби-рается No conversion (Без преобразований).
Для вывода показателей сходимости на каждой итерации назначается опция Display trace window (Отображать трассировку).
Опция Generate run history (Создать протокол моделирования) ис-пользуется для запоминания информации, выводимой на экран во время выполнения расчета и просмотра этой информации.
Для запрета вмешательства пользователя в ход моделирования ис-пользуется опция Disable user interaction during simulation (Блокиро-вать пользовательское вмешательство при моделировании).
Опции Refresh data boxes after each iteration (Обновлять блоки данных после каждой итерации) и Refresh data boxes after each run (Обновлять блоки данных после каждого расчета) позволяют обнов-лять информацию на PFD-диаграмме после каждой итерации либо по окончании расчета соответственно.
74
Опция Run one time step for dynamic simulation (Выполнить один шаг по времени для динамического моделирования) используется при расчете динамического режима системы. Для продолжения моделирова-ния используется кнопка .
Опция Allow dynamic editing anytime (Редактирование динамиче-ских данных в любом случае) позволяет редактировать параметры сис-темы даже в том случае, если после моделирования динамического ре-жима время и характеристики процесса не установлены в стартовое зна-чение.
Поле OTS real time scale (Коэффициент реального времени) служит для указания коэффициента, переводящего единицу времени моделиро-вания в единицы реального времени при расчете динамических режимов.
2.17. Упражнение. Задание параметров сходимости
1. В задании TUTOR1 задать параметры сходимости (см. рис 2.31). Дляэтого выполнить команду Run/Convergence (Расчет/ Сходимость). Вокне Convergence Parameters (Параметры сходимости) в областиRecycle Convergence Method (Метод сходимости рециклов) выбратьметод Wegstein (Вегстейна). В поле Speed up frequency (Частота ус-корения) задать частоту ускорения равную 3. В списке Calculationsequence: (Последовательность расчета:) выбрать Sequential (По-следовательный) метод расчета. Для сохранения введенных парамет-ров нажать клавишу ОК.
2.18. Запуск программы моделирования
Для проведения моделирования технологической схемы используются команды меню Run/Run (Расчет/Расчет). С помощью этих команд мож-но задавать последовательность расчета и выполнять контроль за ходом расчета.
Рассмотрим варианты моделирования технологической схемы: − Run All (Полный расчет) – рассчитывает все оборудование техноло-
гической схемы. При этом ChemCad в первую очередь проверяет все данные перед началом расчетов. В процессе проверки ChemCad может выдавать как предупреждения, так и сообщения об ошибках в окне (см. рис. 2.32). Щелчок по кнопке Yes позволит начать расчет, невзи-рая на полученные предупреждения. Последовательность расчета мо-дулей оборудования определяется программой автоматически. Расчет не будет выполняться до тех пор, пока не будут устранены причины
75
этих ошибок. Щелчок по кнопке No закроет окно и ChemCad перейдет в рабочее окно;
Рис. 2.32. Окно выдачи сообщений перед проведением расчета схемы − Run Selected Unit Ops (Расчет выбранного оборудования) – выпол-
няет расчет одной или более единиц выбранного оборудования. Про-цесс выбора оборудования тот же, что и при работе с командой Spesi-fications/ UnitOps (Спецификации/Оборудование);
− С командами Add Unit Op Sequence Group (Добавить оборудование в группу), View/Edit Sequence Group (Просмотр/Редактирование группы), Remove Sequence Group (Удалить группу) работают ана-логично таким командам меню Specifications/Unit Ops, описанным выше. Группы должны быть созданы командой Specifications/Unit Ops.
− Run/Recycles (Расчет/Рециклы) – позволяет выбрать аппараты, включенные в рециклы, и рассчитать их. После запуска команды расчета для схемы с рецикловыми потоками на
экран выводится окно ChemCad Message box с сообщением о предвари-тельном анализе задачи. Если найдены только предупрежденеия Warning, и они не критичны для проведения расчета, то для продолжения работы надо щелкнуть по кнопке Yes (Да). Если найдены ошибки Error , то для их устранения надо щелкнуть по кнопке No (Нет) и начать устранение оши-бок.
По окончании расчета ChemCad выдаст окно с сообщением о результа-тах расчета. Если расчет всех рециклов сошелся, выводится сообщение Re-cycle calculations has converged (Расчет рециклов сошелся). Если расчет хотя бы одного из рециклов не сошелся, выводится сообщение Recycle cal-culations did not converge (Расчет рециклов не сходится).
76
2.19. Упражнение. Моделирование технологической схемы
1. Используя команду Run/Run/Run All (Расчет/Расчет/Полный рас-чет), выполнить моделирование всей технологической схемы стабили-зации конденсата. Проанализировать полученные результаты.
2. Изменить данные для стабилизатора 5, введя для кубового продуктадолю пропана 1%.Для этого любым из известных способов выбрать стабилизатор 5. Вокне ввода параметров перейти на вкладку Specifications (Специфи-кации) и в списке Select reboiler mode: (Выбор режима куба:) вы-брать режим 6 Bottom component mole fraction (6 Мольная долякомпонента в кубовом остатке). В поле Specification (Значение)ввести значение 0.01. После выбора режима куба на экране отобразит-ся список Component (Компонент), в котором надо выбрать пропан.Для использования конечных результатов последнего моделированияв качестве начального приближения на вкладке Convergence (Сходи-мость) в поле Initialization (Инициализация) выбрать 1 Reloadcolumn profile (Перезагрузка профиля колонны). Сохранить вве-денные параметры. Выполнить снова моделирование схемы. Проана-лизировать полученные результаты.
3.Интерактивный просмотр результатов
Просмотр полученных результатов используется как на промежуточ-ных этапах моделирования технологической схемы, так и по его завер-шению. 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 (График), доступные в режиме Mode: Simulation.
3.1. Просмотр с помощью меню Results (Результаты)
Команды меню Results (Результаты) используются при просмотре на экране всех данных для моделирования и результатов моделирования в текстовой форме. Результаты просмотра выводятся в окне редактора WordPad.
Перед просмотром с помощью команды Results/Set Flow Units (Ре-зультаты/Размерности расхода) (см. рис. 3.1), при необходимости, можно выбрать размерности расхода потока, которые будут использо-ваться при выдаче информации командами меню Results.
77
Рис. 3.1. Окно команды Set Flow Units
Команда Results/Stream Compo-sitions (Результаты/Составы пото-ков) выводит на экран подменю с различными командами для про-смотра составов потоков технологи-ческой схемы: − Select Streams (Выбор потоков)
– позволяет задать один или бо-лее потоков для просмотра на эк-ране. Выбор потоков выполняет-ся аналогично выбору, описан-ному ранее для команды Spesifi-cations/Select Streams (Специ-фикации/Выбор потоков);
− All Streams (Все потоки) – вы-водит на экран составы всех по-токов 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 оборудова-ния. Команда Results/Stream Properties (Просмотр/Свойства потоков)
(см. рис. 3.2) выводит на экран подменю с различными командами для просмотра свойств потоков.
78
Рис. 3.2. Окно выбора свойств потоков для вывода информации о потоке. Общие свойства, свойства пара, жидкости.
Команда Select Properties (Выбрать Свойства) позволяет выбрать нужные свойства потоков, которые будут выводиться при просмотре.
Выбор потоков выполняется аналогично выбору, описанному для ко-манды Stream Compositions (Составы потоков).
С помощью остальных команд меню Results можно: − UnitOps (Оборудование) – вывести исходные данные и рассчитанные
величины для одной или более выбранных единиц оборудования; − Topology (Топология) – вывести топологическую матрицу процесса.
Информация приводится в виде двух таблиц, в одной дается сводка по аппаратам с указанием входных (положительные номера) и выходных потоков (отрицательные номера) каждого аппарата, в другой – сводка по потокам, с указанием, из какого оборудования поток выходит (столбец From) и в какое поступает (столбец To);
− Thermodynamics (Термодинамика) – вывести список выбранных для задания: компонентов; текущих моделей расчета равновесия, энталь-
79
пии, транспортных свойств; значений параметров бинарного взаимо-действия веществ;
− Tower Profiles (Профили по колонне) – вывести профиль ректифи-кации для выбранной колонны: число стадий разделения, постадий-ные профили температуры, давления, расходов жидкости и пара, рас-ход питания, выход продукта, тепловую нагрузку кипятильника и конденсатора, характеристики потоков питания колонны, расход, на-грузку циркуляционного насоса;
− Tray Compositions (Составы на тарелках) – вывести для каждой стадии разделения для каждого компонента значения температуры, давления, состава жидкости и пара, константы равновесия;
− Tray Properties (Свойства на тарелках) – вывести транспортные свойств жидкости и пара для указанных ступеней выбранной ректи-фикационной колонны;
− Tower Mass Transfer (Коэффициенты массопереноса) – для моду-лей дистилляционной колонны или экстрактора, в том случае, если выбрана модель расчета модуля Mass transfer, вывести потарелочно сведения о коэффициентах модели массопереноса;
− Distilation Curves (Кривые дистилляции) – для выбранных потоков вывести набор кривых дистилляции в табличной форме;
− Batch Results (Результаты периодического процесса) – для перио-дического реактора выдать результаты моделирования;
− Particle size distribution (Расчет размеров частиц) выдает отчет по расчету размеров частиц компонентов, состояние которых было зада-но как твердое в команде Thermophysical/Pick solids;
− Convergence (Сходимость) – вывести на экран все установленные параметры сходимости, в том числе последовательность расчета тех-нологической схемы. Результаты просмотра можно сохранить в файле формата doc, выпол-
нив команду Файл/Сохранить).
3.2. Просмотр результатов с помощью меню Plot (График)
Для графического изображения результатов моделирования исполь-зуются команды меню Plot (График). С помощью этих команд можно вычертить профили по колоннам, изменения свойств потоков и диаграм-мы парожидкостного равновесия.
80
3.2.1. Просмотр профилей колонны
Команда Plot/Tower Profiles (График/Профили по колонне) строит профили изменения свойств для ректификационных колонн периодиче-ского и непрерывного действия. Для колонны периодического действия программа просит указать, какая стадия процесса будет изображена, в непрерывном случае этот запрос не выдается.
После выполнения команды на экран выводится окно Profile Options (Опции профилей) (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Окно настроек команды Profile Options При выборе опции Plot temperature profile (График температурного
профиля) будет выдан график температуры в зависимости от номера ступени. В том случае, если эта опция отмечена, она подавляет работу остальных опций.
Опции Plot total vapor flow (График общего расхода пара) и/или Plot total liquid flow ( График общего расхода жидкости) используются для построения графика общего расхода пара/жидкости в зависимости от номера стадии разделения. Если на график нужно добавить постадийный профиль содержания компонента в одной из фаз, то в области Plot com-ponents (Отобразить компоненты) выбирается нужный компонент, а из
81
списка Phase (Фаза) выбирается фаза, для которой строится график со-става в зависимости от номера ступени: − 0. Liquid Phase – жидкая фаза; − 1. Vapor Phase – паровая фаза; − 2. Light Liquid Phase – легкая жидкая фаза; − 3. Heave Liquid Phase – тяжелая жидкая фаза.
В списоке Flow rate units (Единицы расхода) выбираются размерно-сти выводимых величин на графике: − 0. Mole – мольный расход; − 1. Mass – массовый расход; − 2. Mole Fraction – мольная доля; − 3. Mass Fraction – массовая доля.
При построении графика относительных летучестей в списке Base component (Базовый компонент) выбирается компонент, считающийся базовым. ChemCad рассчитывает летучести выбранных в списке Plot components (Отобразить компоненты) компонентов относительно ба-зового компонента.
Для форматирования графика используются списки области Plot Controls (Параметры графика). С их помощью можно: − Scale (Шкала) – выбрать линейную или логарифмическую шкалу; − Axes (Оси) – переопределить переменные по осям; − Stage No. (Нумерация тарелок) – изменить нумерацию тарелок от
минимума до максимума и наоборот; − Type (Тип) – выбрать тип графика столбиковый или XY.
После определения всех необходимых параметров нажимается кнопка ОК, и на экран выводятся значения рассчитанных точек и далее графики кривых.
3.2.2. Построение кривых равновесия TPXY
Команда Plot/TPXY (График/TPXY) позволяет получить кривую рав-новесия TPXY (температура, давление, состав). Она используется для ана-лиза взаимодействия компонентов и для проверки равновесных данных. По-сле выполнения команды на экран выводится окно TPXY Options (TPXY опции) (рис. 3.4).
82
Рис. 3.4. Окно настроек команды TPXY Для выбора позиций в списке компонентов тех соединений, которые
составят смесь, используются соответствующие списки в Enter components of interest (Задание интересующих компонентов). Можно задать присутствие заданного количества третьего компонента в рас-сматриваемой смеси, для чего используется список Third Component (Третий компонент) для выбора компонента, поле Mole frac. (Мольная фракция) – для задания количества компонента. Управление отображе-нием на графике третьего компонента проводится опциями Show XY as actual composition (Отобразить указанную смесь), Show XY excluding 3rd component (Отобразить, исключив 3-й компонент). На диаграмме будут отображаться графики только для первого компонента, количество второго компонента можно рассчитать, исходя из материального баланса.
В списке Mode (Режим) определяется режим, при котором будет стро-иться график: − 0 Constant pressure (0 Фиксированное давление); − 1 Constant temperature (1 Фиксированная температура).
В зависимости от выбранного выше режима в поле Specify Pressure (Значение давления) вводится значение давления, а в поле Estimation
83
temperature (Оценка температуры) начальное приближение темпера-туры.
Число точек, выводимое на графике, задается в поле No. of points (Число точек). В поля X mol frac. from/ X mol frac. from to (Интервал мольных долей от/Интервал мольных долей до) вводится интервал значений мольных долей, для которого будет построен график. Можно выбрать любой интервал, лежащий между нулем и единицей.
Область Display options (Параметры диаграммы) предназначены для управления выводом данных на диаграмму.
Выбор размерностей величин, отображаемых на графике, выполняется в списке X axis units (Размерность осей): − Mole fractions (Мольные доли) (принято по умолчанию); − Weight fractions (Весовые доли).
Следующие опции позволяют подключить или отключить вывод соот-ветствующей информации: − Display text report (Отобразить отчет в текстовом виде) – вывод
отчета в текстовом виде в редакторе Word Pad; − Plot XY (отобразить график ХY) – вывод графиков для содержания
первого компонента в паровой и жидкой фазе; − Plot experimental data in XY (Отобразить экспериментальные дан-ные) – отображение на графике точек необработанных эксперимен-тальных данных;
− Plot TXY diagram (Графики температуры и XY) – кроме графика XY вывести графики изотерм для первого вещества, если выбрана по-стоянной температура; либо изобары первого вещества, если постоян-но давление.
− Plot activity coefficient (Отобразить график изменения коэффициента активности);
− Plot fugacity coefficient (Отобразить график изменения коэффициента фугитивности); После определения всех необходимых параметров нажимается кнопка
ОК, и на экран выводятся значения рассчитанных точек и далее графики кривых.
3.2.3. Построение кривых равновесия тройной системы
Команда Plot/Residue Curve Map (График/Диаграмма состояния парожидкостного равновесия) (рис. 3.5) позволяет получить кривые состояния парожидкостного равновесия тройной системы.
84
Рис. 3.5. Окно команды Residue Curve Map Выбор компонентов и задание давления в рассматриваемой системе
проводится аналогично команде Plot/TPXY. Для форматирования графи-ка используются опции No of lines on each axis (Число кривых равно-весия по каждой оси) – для выявления азеотропии может потребоваться большое количество графиков, однако это влияет на время расчета. По умолчанию равно 10.
В списке Axis mode (Тип оси) выбирается: − Mole fraction (Мольная доля); − Weight fraction (Весовая доля).
Поле Step size (Шаг) указывает, с каким шагом анализируется паро-жидкостное равновесие в смеси. Допустимый диапазон от 0.01 до 0.1.
Если нужно указать для первых двух веществ точки, через которые обязательно должны пройти кривые, они задаются в области Point of interest (Интересующие точки).
На диаграмме отображаются графики концентраций компонентов, приводятся значения точек кипения для компонентов, а также данные по точкам бинарной и тройной азеотропии, если она обнаружена.
3.2.4. Построение бинодальныхх кривых равновесия в системе жид-кость-жидкость
Команда Plot/Binodal Plot (График/Бинодальные кривые) (рис. 3.6) позволяет получить бинодальные кривые для исследования данных по рав-новесию жидкость – жидкость в трехкомпонентных системах.
85
Рис. 3.6. Окно команды Binodal Plot Выбор компонентов проводится аналогично предыдущим командам. В
поле Temperature задается температура смеси, Step length – шаг. Построение бинодальной кривой возможно только в случае, когда пер-
вый и третий компоненты взаимно нерастворимы. Значения, задаваемые в полях 1st comp in 3rd comp rich phase (Первый компонент в смеси), 3st comp in 3rd comp rich phase (Третий компонент в смеси) представляют собой приближенные значения концентраций (в мольных долях), при ко-торых это имеет место. Ввод этих значений не требуется, но их задание может улучшить сходимость расчета.
3.2.5. Построение кривых равновесия и бинодальных кривых
Команда Plot/Binodal/Residue Curve (График/Бинодальные кри-вые/Кривые парожидкостного равновесия) позволяет получить бино-дальные кривые и кривые оценки ПЖР для исследования данных по рав-новесию жидкость – жидкость в трехкомпонентных системах. Настройка опций команды аналогична настройке опций команд Plot/Residue Curve Map и Plot/Binodal Plot.
86
3.2.6. Построение кривых бинарного равновесия в системе жидкость-жидкость
Команда Plot/Binary LLE ( График/Бинарное равновесие в системе жидкость-жидкость) позволяет получить кривые равновесия в системе двух несмешивающихся жидкостей. Настройка опций команды анало-гична настройке опций команд Plot/Residue Curve Map и Plot/Binodal Plot.
3.2.7. Построение фазовых диаграмм
Команда Plot/Envelopes (График /Фазовые диаграммы) предназна-чена для получения фазовых диаграмм одного из потоков технологиче-ской схемы. Чтобы использовать эту команду, должны быть известны состав и параметры состояния потока. Перед расчетом фазовой диаграм-мы программа попросит указать номер потока. Далее на экран выводится окно Phase Envelope (Фазовая диаграмма) (рис. 3.7). Заполнение полей в этом окне необязательно.
В соответствующие поля области Estimatios (optional): (Оценки (не-обязательные):) вводятся начальные приближения для Bubble point T (Температуры кипения) и Dew point T (Температуры конденсации). Ввод этих данных не обязателен, они необходимы только при плохой сходимости, например, для смеси с широким диапазоном возможной температуры кипения.
При построени фазовой диаграммы ChemCad вычисляет температуры кипения и росы по мере увеличения давления. График выводится после достижения критической точки. Можно построить фазовые
87
Рис. 3.7. Окно Phase Envelope
диаграммы для четырех различ-ных состояний процесса испа-рения: в поля Vapor fractions (optional): (Доля пара (необя-зательная)) вводятся доли пара для интересующих точек.
В поле Starting press. (На-чальное давление) вводится начальное значение давления для фазовой диаграммы. После определения всех необходимых параметров нажимается кнопка ОК, и на экран выводятся гра-фики кривых.
3.2.8. Построение тепловых кривых
Команда Plot/Heat Curves (График/Тепловые кривые) используется для получения тепловых кривых для отдельных теплообменников, кипя-тильников и конденсаторов ректификационных колонн. При выполнении этой команды ChemCad попросит указать теплообменник, если он не был выбран, после чего на экран выводится окно Plot Heat Curves (рис. 3.8).
Рис. 3.8. Окно Plot Heat Curves
В поле No. of points (Чис-ло точек) указывается число точек, вычисляемых при по-строении тепловой кривой.
Опции области Zone cut option: (Способ разбиения на зоны) позволяют определить, какой именно интервал: − Temperature cut (Темпе-ратурный);
− H cut dew/bubble points (Равные шаги по энталь-пии от точки конденса-ции до точки кипения);
− Edual H cut (Равные шаги по энтальпии);
88
будет разбит на равные отрезки (зоны) с указанным числом точек при по-строении тепловой кривой. По умолчанию установлен температурный ин-тервал.
В области Plot option (Графические опции) выбирают одну из оп-ций: Plot X-axis=DelH, Y-axis=Temp (По оси Х изменение энтальпии, по оси Y – температуры) или Plot X-axis=%Length, Y-axis=Temp (По оси Х изменение в процентах длины трубы, по оси Y – температуры). После определения всех необходимых параметров нажимается кнопка ОК, и на экран выводятся значения рассчитанных точек и далее графики тепловых кривых.
3.2.9. Построение тепловых кривых
Команда Plot/Composite Curves (График/Составные кривые) исполь-зуется для построения комбинированных кривых, основанных на тепловых кривых отдельных теплообменников. Это дает возможность разбить всю систему на различные тепловые зоны. ChemCad позволяет выбрать для анализа до пятидесяти единиц оборудования – обычных теплообменников и теплообменников с несколькими входами и выходами. После выполнения команды на экран выводится окно Composite Heat Curves (Составные те-пловые кривые) (рис. 3.9).
Рис. 3.9. Окно Composite Heat Curves
Опция Select from graphics (Вы-брать на схеме) используется для выбора единиц оборудования непо-средственно на технологической схеме. После назначения этой оп-ции фиксируется кнопка ОК, все последующие действия аналогичны действиям команды Specificatios/ Select UnitOps. ID номера оборудо-вания, для которых будет выпол-няться анализ, можно вводить и непосредственно в поля Enter the unit op. ID’s . Выбранные единицы оборудования автоматически ото-бражаются в полях Enter the unit
op. ID’s (Задайте ID номера оборудования) при повторном выборе оп-ции Select from graphics.
89
В списке Zone cut option (Способ разбиения на зоны) определяют, какой именно интервал– температурный или по энтальпии – будет разбит на 10 равных отрезков (зон) при построении тепловой кривой (по умол-чанию установлен температурный интервал).
Опция Plot individual heat curves (Выводить индивидуальные теп-ловые кривые) указывает программе, что на график составных кривых надо добавить тепловые кривые потоков.
После выбора всех необходимых опций на экран выводится график, и программа сгенерирует отчет в табличной форме для всех тепловых кри-вых, имеющихся на данном графике.
3.2.10. Построение диаграмм свойств потоков
Команда Plot/Properties (График/Свойства) позволяет получить график давления пара и девяти транспортных свойств любого потока технологической схемы. Параметры потока должны быть полностью оп-ределены. После выбора потока на экран выводится окно Properties Options (Опции свойств) (рис. 3.10).
Рис. 3.10. Окно Properties Options
В области Select property to plot (Выбрать свойство для ото-бражения) представлены опции для выбора транспортных свойств любого потока технологической схемы: − Vapor pressure – Давление па-ра;
− Vapor density – Плотность па-ра;
− Liquid density – Плотность жидкости;
− Vapor viscosity – Вязкость па-ра;
− Liquid viscosity – Вязкость жидкости;
− Vapor thermal conductivity – Теплопроводность пара;
− Liquid thermal conductivity – Теплопроводность жидкости; − Liquid surface tension – Поверхностное натяжение жидкости; − Liquid heat capacity – Теплоемкость жидкости;
90
− Vapor heat capacity – Теплоемкость пара. Поля Temperature range: (Температурный диапазон:) используются
для задания T max верхней и T min нижней границ температурного ин-тервала, в котором будут рассчитаны свойства. В поле No. of points (Число точек) вводится количество рассчитываемых точек (по умолча-нию 20).
3.2.11. Построение диаграмм свойств потоков
Команда Plot/Distillation Curves (График/Кривые дистилляции) ис-пользуется при построении кривых дистилляции для перегоняемых пото-ков (до 30 потоков). Для использования этой возможности необходимо указать тип разгонки. После выполнения команды на экран выводится окно Plot Distillation Curve…(График кривой дистилляции) (рис. 3.11).
Рис. 3.11. Окно Plot Distillation Curve
Выбор типа разгонки выполняет-ся в группе Select a method (Вы-брать тип): − TBP 1 atm (ИТК 1 атм) – истинная
температура кипения при 1 атм; − ASTM D86 1 atm (ASTM D86 при 1 атм) – ASTM D86 при 1 атм;
− TBP 10 mmHg (ИТК 10 мм рт. ст.) – истинная температура ки-пения при 10 мм рт. ст.;
− D1160 10 mmHg (D1160 10 мм рт. ст.) – D1160 10 мм рт. ст.;
− D1160 1 atm (D1160 1 атм);− D86 with cracking (D86 с крекингом) – D86 с крекингом.
Далее программа предложит указать поток, для которого будет по-строена кривая дистилляции. Создаваемые программой диаграммы выво-дятся в графическом окне ChemCad.
3.2.12. Построение профиля реактора идеального вытеснения
Команда Plot/Plug Flow Reactor Profile (График/Профиль реактора вытеснения) применима только для кинетических реакторов (KREA), ко-торые были определены как реакторы вытеснения (Plug Flow Reactors = PFR).
91
3.2.13. Построение профиля трубопровода
Команда Plot/Pipe profile (График/Профиль трубопровода) выдает данные по изменению выбранных пользователем свойств веществ в ука-занном пользователем модуле Pipe (Труба). Выбор свойств проводится аналогично команде Results/Stream Compositions.
3.2.14. Построение диаграммы сходимости контроллера
Команда Plot/Controller convergence (График/Сходимость контрол-лера) выдает графическое представление ошибки сходимости выбранно-го контроллера как функции номера итерации.
Остальные команды меню Plot работают с оборудованием динамиче-ского и периодического типа.
3.2.15. Редактирование графической информации
При необходимости графическую информацию можно отредактиро-вать перед выводом ее на печать. Для выполнения редактирования ис-пользуются команды меню Graph (График), доступные в графическом окне.
Команда Graph/Edit (График/Редактирование) выводит на экран окно Chart Explorer (Проводник диаграмм). С его помощью можно ре-дактировать различные элементы графика.
Все последующие команды меню Graph позволяют: − Zoom out (Уменьшить) – уменьшить размер ранее увеличенного гра-
фика. Для увеличения части графика надо закрасить ее, используя ле-вую клавишу мыши;
− Log Y / Log Х (Логарифмическая шкала для оси Y / Логарифмиче-ская шкала для оси Х) – преобразовать шкалу оси Y/ оси X в лога-рифмическую (по основанию е);
− Linear Y / Linear X (Линейная шкала Y / Линейная шкала X) – вы-полнить преобразование логарифмической шкалы в линейную для оси Y/оси X;
− Data to Excel CSV file (Пересылка данных в файл CSV) – переслать данные графика в файл Excel с расширением CSV;
− Data to Excel (; delimiter) (Подготовить данные для Excel (раздели-тель ;)) – подготовить данные в WordPad с разделителем (;) для Excel;
− Hide data points/Show data points (Скрыть точки данных/Отобра-зить точки данных);
92
− Edit tittle ( Редактировать заголовок) – открывает окно редактирова-ния заголовка диаграммы;
− Edit text (Редактировать текст) – открывает окно редактирования текста, где можно добавить текст на диаграмму.
3.3. Упражнение. Просмотр результатов расчета
1. Для задания TUTOR1, используя команды меню Results/StreamProperties (Результаты/Свойства потока), выполнить просмотр
свойств: массовый расход потока, массовый расход паровой и жидкойфаз, молекулярный вес, энтальпию, массовые доли компонентов для по-токов 3, 4, 6 при текущих условиях процесса.Для выполнения задания выполнить команду Results/StreamProperties/ Select Properties. В окне команды отметить свойства:− в столбце Overall: Mass Flow Rate, Molecular wt., Enthalpy;− в столбце Vapor: Mass Flow Rate;− в столбце Liquid: Mass Flow Rate;− в списке Composition Option выбрать mass fractions.После выбора свойств вызвать команду Results/Stream Proper-ties/Select Streams, для которой в окне выбора потоков щелкнуть натехнологической схеме по потокам с номерами 3, 4, 6.
2. Используя команды меню Results/Stream Composition (Про-смотр/Состав потока), выполнить просмотр составов потоков питания ипродуктовых потоков.Для выполнения задания выполнить команду Results/ StreamComposition/ Select Streams, для которой в окне выбора потоковщелкнуть на технологической схеме по потокам питания и продукто-вым потокам.
3. Построить температурный профиль для стабилизатора конденсата.Для этого выполнить команду Plot/Tower Profiles (Начертить/ Про-фили колонны). В окне Profile Options (Опции профиля) отметитьPlot Temperature profile (Начертить температурный профиль). Вгруппе Plot Controls (Управление начертанием) выбрать в полях:Scale (Шкала) – линейную шкалу, Axes (Оси) – оси, Stage No (Номе-ра тарелок) – нумерацию тарелок от максимального номера до мини-мального, Type (Тип) – график XY.
4. Используя команду Plot/Envelopes (График/Фазовая диаграмма),построить для потока номер 5 фазовую диаграмму. Построить линиидля долей пара, равных 0.5 и 0.75. Для этого в окне Phase Envelope в
93
первое поле, обозначенное как Vapor fraction (Доля пара), ввести значение 0.5, а во второе такое поле – значение 0.75. Получить графи-ки, нажав кнопку ОК.
5. Используя левую клавишу мыши, определить на фазовой диаграмме,равна или ниже -10°С наивысшая точка росы потока 5. После просмотра части диаграммы вернуть ее первоначальные размеры, используя для этого правую кнопку мыши. Если точка росы потока не соответствует указанной температуре, то подобрать такую температуру потока 3, что-бы эти условия выполнялись.
3.4. Составление отчета
ChemCad позволяет создавать отчет о результатах моделирования в текстовом виде. Отчет 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. Можно указать, какие части отчета, а также какие потоки и свойства бу-дут включены в отчет. Имеются опции для задания формата выводимых чисел.
Отчет можно получить в табличной (текстовой) форме и в виде диа-граммы технологического процесса.
3.4.1. Генерация отчета в табличной форме
Для получения отчета в табличной (текстовой) форме используются возможности команды Output/Report (Вывод/Отчет). После выполне-ния этой команды на экран выводится окно Report Menu (Меню отчета) (рис. 3.12).
Команда Calculate and give results (Расчет и получение результа-тов) создает отчет в соответствии с текущими установками. Если она вы-брана сразу после входа в меню, в отчет войдут данные, принятые по умолчанию. Такой отчет включает следующие части: − Топологию технологической схемы; − Список компонентов;
94
Рис. 3.12. Окно Report Menu
− Термодинамические опции (если использовались параметры бинар-ного взаимодействия, они также будут перечислены);
− Общий материальный баланс; − Перечень оборудования техноло-
гической схемы; − Параметры потоков, молярные
расходы и свойства потоков. Отчет выводится в окне Microsoft
Word . Для сохранения отчета в фай-ле выполняется команда File/Save (Файл/Сохранить).
Предварительный просмотр отче-та перед печатью осуществляется ко-мандой File/Print Preview (Файл/ Предварительный просмотр). Для печати отчета на принтере выполня-ется команда File/Print (Файл/Печать).
Можно либо получить отчет по всем потокам технологической схемы (принимается по умолчанию), либо выбрать один или несколько кон-кретных потоков, которые будут включены в отчет.
Команда Report Formats (Форматы отчета) используется для зада-ния формата вывода чисел в отчете (рис.3.13).
Область Overall Report Format (Общий формат отчета) позволяет выбрать вид отчета: текстовый – WORD Format, табличный – EXCEL Format. Для табличного отчета можно указать максимальное число столбцов отчета в поле Max # of columns in EXCEL.
95
Рис. 3.13. Окно команды Report Formats В области Flow Rate (Расход) в списке Flow rate format (Формат
расхода) выбирается формат расхода, а в поле No. of digits after the dicimal point for flow rate (Количество десятичных цифр после запя-той в значении расхода) задается количество знаков после запятой.
Выбор форматов в области Fractions (Доли) выполняется аналогично, как и при выборе формата расхода.
По умолчанию принят формат F format. Это означает, что числа ото-бражаются фиксированным количеством цифр, независимо от величины числа. Формат E format - экспоненциальный формат выводит числа в на-учной нотации или, другими словами, в форме с плавающей запятой. Фор-мат G format – это комбинация двух выше описанных форматов. При его использовании сначала выполняется попытка вывести число в формате F. Если данное число слишком велико для представления его в формате F format , оно выводится в формате E format.
Для выбора потоков технологической схемы используется команда Select Streams (Выбор потоков). После выполнения команды на экран выводится окно Select Streams. Выбор потоков, которые будут включены в отчет, выполняется аналогично, как и для команды Plot/Composite Curves. В список можно включить до 50 потоков. Для включения в отчет всех потоков технологической схемы используется опция Print ALL streams (Печатать все потоки). Список потоков запоминается, и при повторном выполнении этой команды для того же задания его можно бу-дет увидеть в списке окна выбора потоков.
96
Для вывода отчета по всему оборудованию используется команда Select Unit Operations (Выбор единиц оборудования). Ее целесообразно использовать, если надо указать для отчета конкретные единицы обору-дования. Эта команда работает аналогично описанной выше команде Select Streams.
Команда Stream Properties (Свойства потоков) позволит задать свойства, которые будут выведены в отчете для выбранных потоков тех-нологической схемы. Выбор свойств для отражения в отчете проводится аналогично выбору свойств в команде Result/Stream Properties/Select Properties.
Для выбора размерности, в которой будут выводиться данные о соста-вах потоков, включенных в отчет, используется команда Stream Flowrate/Compositions (Расходы и составы потоков).
Команда Distillation Summaries (Резюме по ректификации) позволит указать, какие отчеты будут созданы для ректификационных колонн. В окне Distillation Options (Опции дистилляции) (рис. 3.14) содержатся следую-щие опции:
Рис. 3.14. Окно Distillation Options
− Tray profile (Профиль по тарелкам) – выводит информацию о ректифи-кационной колонне: флегмовое число, темпе-ратуру, давление, расход пара и жидкости на каж-дой тарелке. Выводится также величина и распо-ложение потоков питания и продуктовых потоков. Кроме того, выдаются те тепловые нагрузки и рас-
положение конденсаторов, кипятильников и боковых теплообменников. − Tray properties (Свойства на тарелках) – включает в отчет массовый
расход и транспортные свойства на каждой тарелке колонны; − Tray sizing (Размеры тарелки) – выдает отчет по результатам расчета
размеров тарелки; − Packed column sizing (Размеры насадочной колонны) – выдает от-
чет о размерах насадочной колонны.
97
Список Tray compositions (Составы на тарелках) содержит единицы измерения для вывода состава на тарелках: − No tray composition (Не выводить составы на тарелках); − Mole flow rate (Мольный расход); − Mass flow rate (Массовый расход); − Mole fraction (Мольная доля); − Mass fraction (Массовая доля).
Если выбрана опция No tray composition (Не выводить составы на тарелках), то эта часть отчета будет пропущена.
Команда Heating Curves (Тепловые кривые) используется для таб-личного представления тепловой кривой любого теплообменника, тепло-обменника с несколькими входными и выходными потоками, либо для любого кипятильника или конденсатора.
Рис. 3.15. Окно Heat Curves
В окне Heat Curves (рис. 3.15) в поле Number of points (Число точек) задается количество точек для тепловой кривой.
Опции области Cutting Method (Способ разбиения на зоны) задают аналогично коман-де Plot/Heat Curves.
Команда Batch/Dynamic Results (Периодические/Дина-мические результаты) использу-ется для печати результатов пе-риодической ректификации.
В окне Batch/Dynamic Options (Периодические/Динамические пара-метры) для Batch Distiations (Периодической ректификации) это опции: − Print operation results (Печать результатов, полученных в конце операции) – выводит на печать значения температуры, давления, эн-тальпии, доли пара, состав и количество кубового остатка, флегмы и дистиллята;
− Print history (Печать результатов в зависимости от времени) – по-зволяет получить данные для каждого временного этапа и режимы ра-боты конденсатора и кипятильника;
− Print final holdups (Печать результатов конечных удерживающих способностей) – позволяет вывести количество и состав жидкости, ос-
98
тающейся на каждой тарелке колонны в конце процесса ректифика-ции. Все последующие опции печати результатов аналогичны опциям пе-
чати для периодической ректификации. Команда Miscellaneous (Дополнительно) используется для исключе-
ния из отчета данных по топологии Exclude Topology, сходимости Ex-clude Convergence и термодинамике Exclude Thermodynamics. По умол-чанию эти данные выводятся в результатах отчета.
Для выхода из меню отчетов выполняется команда End Report (Вы-ход).
3.4.2. Создание диаграммы технологического процесса
Отчет можно получить в виде диаграммы технологического процесса (Process Flow Diagrams (PFD)). ChemCad предоставляет возможность соз-давать такие диаграммы для каждой технологической схемы. При этом все изменения, выполненные в технологической схеме, автоматически будут отражены во всех диаграммах процесса, связанных с ней.
Построение диаграммы выполняется в следующей последовательно-сти: − выбирается местоположение и масштаб новой технологической схе-
мы; − вводятся блоки данных потоков (тепловые и материальные балансы); − блоки данных единиц оборудования (спецификации и результаты рас-
четов оборудования); − блок основной надписи, текстовые примечания, символы компании и
т.д. Для создания или коррекции диаграмм технологических процессов
выполняется команда Output/New PFD (Вывод/Новая диаграмма). По-сле выполнения команды на экран выводится окно Открытие файла. В соответствующее поле вводится имя файла диаграммы технологического процесса и нажимается кнопка Открыть. Можно задать для диаграммы как имя задания, так и новое имя, поскольку возможно наличие несколь-ких диаграмм процесса для одной технологической схемы. Файлы диа-грамм имеют расширение cpf. После выполненных действий на экран выводится диаграмма схемы. В заголовке окна ChemCad’а отображается имя файла диаграммы, выводятся новое операционное меню и панель PFD Palette (Палитра PFD). Команда Output/Main PFD создает основ-
99
ную диаграмму, всегда отображаемую вместе с заданием. Формирование всех диаграмм технологического процесса аналогично.
Чтобы добавить на диаграмму блок данных по потокам, используется команда Format/Add Stream Box (Формат/Добавить блок данных по-тока). В окне Select Streams (Выбрать потоки) надо задать ID номера потоков, данные для которых будут включены в блок. После выполнен-ных действий нажимается кнопка ОК и на экран выводится окно DataBox Property Options (Опции свойств потока для блока данных). В этом окне можно выбрать компоненты, которые будут введены в блок данных потока, изменить текущие размерности и формат для выводимых значений. Работа проводится аналогично команде Result/Stream Properties/Select Properties.
После выбора свойств ChemCad выводит окно Data Box Setting (Ус-тановки для блока данных). В нем задается стиль оформления блока данных, после чего на диаграмме выводится блок данных в соответствии с выполненными установками. С помощью левой клавиши мыши его можно передвигать по экрану и изменять его размеры.
Для помещения на диаграмму блока данных по аппаратам технологи-ческой схемы выполняется команда Format/Add UnitOp Box (Фор-мат/Добавить блок данных оборудования). Все последующие действия аналогичны действиям, выполняемым при выводе блока данных по пото-кам.
Для размещения на диаграмме диапазона ячеек таблицы Excel исполь-зуется команда Format/Add Excel Range. Для выбора диапазона нужно указать местонахождение файла с таблицей в полях Excel workbook path (Путь к книге Excel), Worksheet name (Имя таблицы), указать для вы-водимого диапазона координаты верхнего левого угла Upper left и ниж-него правого – Lower right . Настройка размеров шрифта проводится ана-логично описанному выше.
Команда Format/Add TP Box (Формат/Добавить блоки ТР) (рис. 3.16) позволяет поместить на диаграмму индивидуальные блоки па-раметров потоков рядом с выбранными потоками. В окне команды TP Box Setting (Настройки блока ТР) опции Generate boxes for all streams (Соз-дать блоки для всех потоков) и Select streams from flowsheet (Выбрать потоки на технологической схеме) управляют выбором потоков, для ко-торых будут выведены индивидуальные блоки.
100
Рис. 3.16. Окно TP Box Setting Списки в области Display (Отображать) позволяют вывести в блоке 4
параметра потока: − No selection (Не выбран) – позволяет пропустить строку; − Temperature (Температура); − Pressuer (Давление); − Mole flowrate (Мольный расход); − Mass flowrate (Массовый расход).
Правее находятся списки Number format (Формат числа), где выби-рается тип представления числовой информации: − Fixed point (С фиксированной точкой); − Scientific (Научный); − Floating point (С плавающей точкой).
Поля Digits (Цифры) предназначены для указания числа цифр, выво-димых после десятичной запятой.
Список Font style и поле Font size используются для форматирования индивидуальные блоков. Опции Display Units (Отображать единицы размерности), Stream IDs (ID потоков) позволяют вывести дополни-тельную информацию в индивидуальном блоке.
При редактировании диаграммы процесса используются соответст-вующие символы палитры PFD Palette. Она обеспечивает базовые воз-можности для рисования. Практически можно создавать диаграммы про-цессов с любой желаемой степенью детализации.
101
Для перемещения и изменения масштаба объектов диаграммы процес-са используются команды меню View/Zoom Options (Просмотр/Опции масштаба изображений) и соответствующие кнопки панели инструмен-тов.
Диаграммы процесса можно сохранять, предварительно просматривать и печатать, используя для этого соответствующие команды меню File.
Возврат в окно технологической схемы, находящейся в режиме Mode: Simulation, проводится с помощью меню Window.
3.5. Упражнение. Формирование отчета
1. Загрузить задание TUTOR1.2. Для потоков 1, 5, 8 и 9 распечатать составы потоков, выраженные в
массовых расходах и мольных долях, а также все свойства потоков,установленные по умолчанию. Для выбора потоков выполнить коман-ду Output/Report/Select Streams (Вывод/Отчет/Выбор потоков). Вокне Select Streams выбрать опцию Select streams from flowsheet(Выбрать потоки на схеме) и нажать кнопку ОК. Выбранные на схе-ме ID номера потоков автоматически будут занесены в поля Enter thestream ID’s окна Select Streams.
3. Для выбора единиц расхода составов потоков выполнить командуOutput/Report/Stream Flowrate/Compositions (Вывод/Отчет/Рас-ходы/Cостав потока), установить опцию Mass flow rate (Массовыйрасход) и нажать кнопку ОК.
4. Вывести на PFD диаграмму материально-тепловой баланс рассматри-ваемого процесса. Дополнить диаграмму блоками спецификаций теп-лообменника 1 и стабилизатора 5. Вывести индивидуальные блоки дляпотоков 5, 7, 8, 9. В индивидуальных блоках выводить сведения отемпературе, давлении и массовом расходе потока.Для этого вызвать команду Output/Main PFD . Затем в окне командыFormat/Add Stream Box отметить опцию All streams. В окне DialogProperty Options отметить свойства Mass Flow Rate, Temperature,Pressure, Mole Vapor Fraction, Enthalpy. В списке Composition Op-tion выбрать Mass Flowrate, отметить опцию Include all components.В окне Databox Setting выбрать Font – Regular, Size 6.Поместить блок с данными ниже технологической схемы.Затем вызвать команду Format/Add UnitOp Box и ввести номера мо-дулей 1 и 5. В окне Databox Setting выбрать Font – Regular, Size 6.
102
Поместить блоки со спецификациями аппаратов рядом с соответст-вующими пиктограммами на технологической схеме. Далее вызвать команду Format/Add TP Box, отметить в окне опцию Select streams from flowsheet и выбрать в списках области Display требуемые параметры: Temperature, Pressuer, Mass flowrate. После щелчка по кнопке ОК в окне выбора потоков указать номера потоков 5, 7, 8, 9. Разместить ярлычки так, чтобы они не закрывали пиктограмм аппаратов.
5. Сохранить задание.
4.Исследование чувствительности
Анализ чувствительности позволяет исследовать влияние варьируемыхпеременных на поведение процесса. При этом в качестве варьируемых пе-ременных должны выбираться независимые переменные процесса. Диспа-зоны значений, которые варьируемые переменные будут принимать в про-цессе анализа чувствительности, задаются пользователем. Анализ чувстви-тельности рассчитывает значения зависимых переменных для различных значений варьируемых переменных и позволяет отобразить расчетные данные в текстовом и графическом виде.
Для анализа параметрической чувствительности технологической схемы используются команды меню Run/Sensitivity Study (Рас-чет/Исследование чувствительности).
Команда New Analysis (Новый анализ) выводит на экран окно New Analysis (Новый анализ) для задания имени анализа, после чего проис-ходит возврат в окно Sensitivity Analysis, в котором отображается меню с командами задания переменных и выполнения анализа.
Данные выполненного ранее анализа можно Copy (Копировать), Rename (Переименовывать) и Delete (Удалять).
Команда Load Analysis (Загрузка анализа) позволяет выбрать из имеющегося списка анализ для выполнения.
4.1. Формирование анализа чувствительности
Для загруженного анализа чувствительности можно провести редак-тирование его данных командой Edit Sensitivity Study (Редактирование анализа чувствительности). После вызова команды выводится окно Edit Sensitivity Study (рис. 4.1).
103
Рис. 4.1. Окно редактирования данных анализа чувствительности В анализе могут присутствовать одна или две независимые (варьируе-
мые) переменные Independent Variable и до двенадцати зависимых пе-ременных Recording. Варьируемые переменные задаются на вкладке Ad-justing (Подбор), где указывается из числа Equipment (Аппарата) или Stream (Потока) берется переменная. Соответственно в поле ID вводит-ся ID номер потока или аппарата.
В списках Variable (Переменная) и Comp.(Комп.) выбираются соот-ветственно параметры оборудования или потока, компонент потока, а в списке Variable Units (Единицы измерения переменной) их размер-ность.
В поле Variable name (Имя переменной) вводится имя переменной, используемое для названия на графике результатов анализа.
Для задания интервала варьирования переменной используются опции Vary this variable from (Начальное значение переменной), to (Конеч-ное значение переменной), in equal steps (С равными шагами) – число шагов, на которые будет разбит заданный диапазон.
104
Для определения зависимых переменных используются вкладки Re-cording (Зависимые переменные). Вкладки содержат опции Equipment (Оборудование), Stream (Поток), ID, Variable (Переменная), Comp.(Комп.), Variable Units, Variable name, назначение которых анало-гично опциям вкладки Adjusting.
4.2. Выполнение анализа чувствительности
После определения независимых и зависимых переменных для вы-полнения анализа чувствительности используются команды меню Run/Sensitivity Study/Run: − Run All (Расчет полный); − Run Selected Unit (Расчет выбранного оборудования).
По окончании расчета ChemCad выдает запрос Do you wish to reset the process data to the original state? (Хотите ли Вы вернуть процесс в исходное состояние). Ответ Да установит исходные значения всех за-тронутых анализом чувствительности переменных. Ответ Нет сохранит то состояние переменных, которое анализ чувствительности получил на последнем шаге.
С командами Add Unit Op Sequence Group (Добавить оборудование в группу), View/Edit Sequence Group (Просмотр/Редактирование груп-пы), Remove Sequence Group (Удалить группу) работают аналогично таким же командам меню Specifications/Unit Ops, описанном выше. Груп-пы должны быть созданы командой Specifications/Unit Ops. 4.3. Просмотр результатов анализа чувствительности
Команды Plot Results (Графики результатов) и Report Results (От-чет результатов) позволяют получить результаты последнего успешно завершенного расчета анализа в графическом или табличном виде. При выполнении команды Plot Results выводится окно Sensitivity Plot (рис. 4.2).
105
Рис. 4.2. Окно команды Plot Results В перечне зависимых переменных Selected plot Y axis options (Вы-
брать для отображения по оси Y) нужно отметить, какие переменные нужно включить в график. В опции Plot Title можно задать заголовок графика, в опции Y axis title – название оси Y. После этого будут выве-дены значения зависимых переменных в окне текстового редактора, по выходу из которого будут представлены графические зависимости.
Для сохранения результатов анализа параметрической чувствительно-сти используется команда операционного меню File/Save в окне резуль-татов анализа чувствительности.
Чтобы завершить анализ чувствительности и возвратиться в режим Mode: Simulation нужно воспользоваться командой Close Analysis (За-крыть анализ).
4.4. Упражнение. Исследование чувствительности технологической схемы
3. Используя команду Run/Sensitivity Study (Расчет/Исследованиечувствительности), исследовать влияние колебаний давления и рас-хода потока питания на расход стабильного конденсата (поток 9) и со-держание в нем пропана, а также расход и температуру потока 5. Про-
106
верить, удовлетворяет ли предельный случай колебания давления и расхода потока питания заданной точке росы потока 5. Исходные данные: Температуру в кипятильнике колонны установить равной 120 0С. Остальные параметры оборудования оставить без изменения. Варьируемые переменные: давление потока питания от 10 бар до 15 бар; расход потока питания от 30000 кг/ч до 45000 кг/ч. Для выполнения задания вызвать команду контекстного меню стаби-лизатора 5 Edit Unit Op Data (Редактирование данных единицы оборудования). В окне TOWR Distillation Column (Ректификационная колонна) выбрать раздел Specifications (Спецификации). В списке Select reboiler mode: (Выбор режима куба:) установить режим 3 Bottom product temperature (3 Температура куба) и в поле Specification (Спецификация) ввести значение 120. С помощью команды Run/Sensitivity Study/New Analysis (Рас-чет/Анализ чувствительности/Новый анализ) создать новый анализ с именем Analysis 1. Загрузить анализ командой Run/Sensitivity Study/Load Analysis (Рас-чет/Анализ чувствительности/Загрузить анализ). Для задания первой варьируемой переменной выполнить команду Run/Sensitivity Study/Edit Sensitivity Study (Расчет/Анализ чувст-вительности/Редактирование анализа чувствительности). На вкладке Adjusting задать Independent Variable (Независимую переменную): выбрать Stream (Поток), в поле Object ID (ID номер объекта) ввести номер потока – 1, из списка Variable (Переменная) выбрать 2 Pressure. Установить Variable Units (Единицы измерения переменной) 4 Pressure. Для задания интервалов варьирования пере-менной в поле Vary this variable from (Начальное значение пере-менной) ввести значение 10, в поле to (Конечное значение перемен-ной) – 15, в поле in equal steps (с равными шагами) – 10. В поле Variable name (Имя переменной) ввести название переменной Press 1. Для задания второй варьируемой переменной в области Independent Variable 2 (optional) (Независимая переменная 2 (если нужно)) вы-брать Stream (Поток), в поле Object ID (ID номер объекта) ввести номер потока – 1, из списка Variable выбрать 6 Total mass rate (Пол-ный массовый расход). Установить Variable Units (Единицы изме-
107
рения переменной) 16 Mass Rate (Массовый расход). Для задания интервалов варьирования переменной анализа в поле Vary this variable from (Начальное значение переменной) ввести значение 30000, в поле to (Конечное значение переменной) – 45000, в поле in equal steps (С равными шагами) – 10. В поле Variable name (Имя переменной) ввести название переменной Mass Rate 1. Для указания зависимых переменных на вкладке Recording в качестве Dependent Variable 1 (Зависимой переменной 1) использовать Stream (Поток), в поле Object ID ввести номер потока – 9. В списке Variable (Переменная) выбрать 6 Total mass rate (Общий массовый расход), в списке Variable units – 16 Mass rate. В поле Variable name (Имя пе-ременной) ввести название переменной Total 9. В качестве Dependent Variable 2 (Зависимой переменной 2) использо-вать Stream (Поток), в поле Object ID ввести номер потока – 9. В спи-ске Variable (Переменная) выбрать Comp mass rate (Массовый рас-ход компонента), в списке Comp (Компонент) – Propane (Пропан). В списке Variable units – 16 Mass rate. В поле Variable name (Имя пе-ременной) ввести название переменной Propane. В качестве Dependent Variable 3 (Зависимой переменной 3) исполь-зовать Stream (Поток), в поле Object ID ввести номер потока – 5. В списке Variable (Переменная) выбрать 1 Temperature, а в списке Variable units – 2 Temperature. В поле Variable name (Имя перемен-ной) ввести название переменной Temperature. В качестве Dependent Variable 4 (Зависимой переменной 4) исполь-зовать Stream (Поток), в поле Object ID ввести номер потока – 5. В списке Variable (Переменная) выбрать 6 Total mass rate (Общий массовый расход), а в списке Variable units – 16 Mass rate. В поле Variable name (Имя переменной) ввести название переменной Total 5. Сохранить данные, нажав кнопку ОК. Используя команду Run/Sensitivity Study/Run/Run All, выполнить анализ. На запрос о сохранении в схеме полученных результатов щелкнуть по кнопке Нет. Для просмотра и вывода результатов анализа в графической и таблич-ной форме использовать команду Run/Sensitivity Study/Plot Results. Поочередно вывести диаграммы для каждой из зависимых перемен-ных. Для этого в перечне зависимых переменных Selected plot Y axis options (Выбрать для отображения по оси Y) отметить зависимую переменную Total 9. Свернуть диаграмму и аналогичным образом вы-
108
вести диаграммы для переменных Propane, Temperature, Total 5. Про-анализировать полученные результаты.
4. Используя команду Plot/Envelope (График/Фазовая диаграмма) по-строить для потока 5 фазовую диаграмму. По полученному графику проверить значение точки росы.
5.Использование контроллеров
Контроллер используется для решения двух задач:− прямого присвоения одной переменной значения другой; − подбора значения переменной таким образом, чтобы требуемая пере-
менная/переменные приняли указанное значение. При настройке контроллера открывается окно Controller (CONT) (рис. 5.1). В списке Controller Mode (Режим контроллера) выбирается ре-жим работы контроллера:
− Controller Off (Контроллер выключен) – модуль контроллера не участвует в расчете схемы;
− Feed-Forward (Прямое присвоение) – контроллер присваивает ука-занной независимой переменной модифицированное значение другой переменной. В этом режиме контроллер может извлечь значение пе-ременной из потока/аппарата, находящегося в последовательности расчета оборудования до него, и присвоить значение переменной из потока/аппарата, находящихся в последовательности расчета обору-дования после него.
− Feed-Backward (Подстройка переменной) – контроллер выполняет подбор значения независимой переменной таким образом, чтобы ука-занные пользователем условия выполнялись. В этом режиме контрол-лер может анализировать значения переменных из потока/аппарата, на-ходящихся в последовательности расчета оборудования до него, и под-бирать значение переменной из потока/аппарата, находящегося в по-следовательности расчета оборудования также до него. Подбор значе-ния проводится методом Ньютона-Рафсона.
109
Рис. 5.1. Окно настроек модуля Controller . Режим Feed Backward. Для просмотра Equipment Calculation Sequence (Последовательно-
сти расчета оборудования) можно использовать команду Re-sult/Convergence. 5.1. Контроллер прямого присвоения значения переменной технологи-ческой схемы
В зависимости от режима работы контроллера окно настроек модуля меняет вид. Рассмотрим режим Feed-Forward (Прямое присвоение), (см. рис. 5.2):
110
Рис. 5.2. Окно настроек режима работы контроллера Feed-Forward В режиме Feed-Forward (Прямого присвоения) для работы контрол-
лера надо указать переменную в области Set This variable (Присвоить этой переменной), которой будет присваиваться значение арифметиче-ского выражения, сформированного как
<k1*a>операция<k2*b>, где ♦ a, b – переменные процесса, которые задаются в области Equal to this
(Равной следующему). Возможно использование одной переменной. ♦ k1, k2 – числовые значения коэффициентов пропорциональности, за-
даются в полях Scale (Множитель); ♦ операция – одна из операций:
− 0 No operator (Нет операции) – по умолчанию; − 1 Add (Сложение); − 2 Substract (Вычитание) a-b; − 3 Multiple (Умножение); − 4 Divide (Деление); − 5 Log (a) (Десятичный логарифм); − 6 Exp (a) (еа); − 7 Power (a^b) (аb);− 8 Select HI (Выбор наибольшего значения); − 9 Select LOW (Выбор наименьшего значения); − 10 Discretize (Дискретные значения);
111
− 11 Lag 1 (Запаздывание) – используется только при моделирова-нии динамического режима;
− 12 Lead-Lag (Упреждение-Запаздывание) – используется только при моделировании динамического режима;
− 13 Dead time (Мертвое время) – используется только при моде-лировании динамического режима.
Операции 11-13 используются при моделировании динамических ре-жимов. Для них необходимо будет указать значения Lag time (Время задержки), Lead time (Время упреждения), Dead time (Мертвое время) в зависимости от выбранных операций.
Указание местонахождения переменных проводится аналогично ука-занию переменных при проведении Анализа чувствительности.
Вкладка Calculated Results (Рассчитанные результаты) дает возмож-ность сохранения результатов работы контроллера в локальных переменных контроллера.
5.2. Контроллер подбора значения переменной технологической схе-мы
Рассмотрим режим Feed-Backward (Подстройка переменной) работы контроллера (рис. 5.1). В этом режиме необходимо найти такое значение переменной, указанной в области Adjust this variable (Подобрать значение переменной), которое обеспечит выполнение условия, сформированного как
<F>должно быть равно <C>, где: ♦ в качестве F выступает арифметическое выражение вида
<k1*a>операция<k2*b>, построенное на основе одной или двух переменных из области Until this (Пока) аналогично режиму Прямого присвоения;
♦ в качестве С в области Is equal to target (Равное следующему) может быть задано только одно из двух: − константа в поле Constаnt и выбрана ее размерность в списке Units
(Единицы); − переменная процесса, указание которой проводится аналогично ре-
жиму Прямого присвоения. Для нее также можно задать коэффи-циент масштабирования в поле Scale (Множитель), а также нужно указать размерность в списке Units (Единицы).
Указание местонахождения переменных проводится аналогично ука-занию переменных при проведении Анализа чувствительности.
112
Для переменной в области Adjust this variable (Подстраивать пере-менную) необходимо задать диапазоны ее изменения, которые должен со-блюдать метод расчета модуля: − Minimum value (Максимальное значение); − Maximum value (Минимальное значение).
Желательно, чтобы границы заданного диапазона были как можно бли-же к искомому значению. Также для переменной необходимо выбрать соот-ветствующую размерность в списке Unit of adjusted variable (Размерность подстраиваемой переменной).
Вкладка Feedback Options (Опции режима Подстройки величины) (рис. 5.3) служит для настройки математического метода контроллера:
Рис. 5.3. Окно настрек контроллера. Вкладка Feedback Options − Relative step size (Относительный размер шага) используется при вы-
числении производных, по умолчанию 0.005; − Maximum change (Максимальное изменение) максимальное изменение
шага, по умолчаниию 10%; − Tolerance (Точность) точность расчета контроллера, по умолчанию
0.001; − Список Sign flag (Признак знака):
− Allow controller to decide (На умотрение контроллера) – следующий шаг подбирается математических методом, заложенным в контролле-ре;
113
− If [measured]<[target], decrease [adjusted] если величина выражения F меньше значения C, то уменьшать значение подбираемой перемен-ной, указанной в области Adjust this variable;
− If [measured]<[target], increase [adjusted] если величина выражения F меньше значения C, то увеличивать значение подбираемой пере-менной, указанной в области Adjust this variable;
− Beginning iteration (Стартовая итерация) номер итерации в рецикле, начиная с которой может работать контроллер. По умолчанию контрол-лер рассчитывается одновременно с началом расчета рецикла схемы, то есть значение поля равно 1;
− Iterations (Число итераций) максимальное число итераций расчета кон-троллера, по умолчанию 20. Область Optional User Specified Controller Loop (Заданный пользова-
телем рецикл с контроллером) служит для указания перечня ID аппаратов, которые необходимо просчитать для того, чтобы можно было рассчитать контроллер без расчета всей схемы.
Возможности области Calculated Report (Рассчитанные результаты) аналогичны режиму Feed-Forward.
5.3. Упражнение. Контроллер прямого присвоения значения перемен-ной
1. Давление после клапана 4 должно быть прямо пропорционально дав-лению потока питания (1). Коэффициент пропорциональности равен0.8.
2. Проверить задание на соответствие исходным данным− Параметры потока питания:
− Температура, °С 25.0; − Давление, бар 15.0;
− Температура куба колонны, °С 120.0. При необходимости внести изменения и рассчитать схему. Далее со-хранить загруженное задание под новым именем TUTORCONT.
3. В поток 6 перед клапаном вставить контроллер. Для этого перейти врежим Flowsheet при помощи инструмента , щелкнуть правой кнопкой мыши по потоку 6, в контекстном меню выбрать ко-манду Insert Unit (Вставить оборудование), в ответ на сообщение ChemCad щелкнуть по кнопке ОК. Выбрать среди элементов Main Palette пиктограмму контроллера с подсказкой Controller #1, щелк-нуть мышью по изображению потока 6. Пиктограмма контроллера вставлена в поток.
114
4. Выполнить настройку параметров контроллера так, чтобы выходноедавление после клапана 4 было пропорционально давлению потока 1.Выполнению этой задачи соответствует режим работы контроллераFeed-Forward (Прямое присвоение).Для настройки контроллера открыть окно модуля, перейти на вкладкуGeneral Setting, установить режим работы согласно рис. 5.4.На вкладке Calculated Results параметры устанавливать не нужно.
Рис. 5.4. Окно настроек модуля контроллера
5. Выполнить расчет всей схемы. Для этого вызвать команду
Run/Run/Run All. Проверить значение давления в потоке, выходящем
из вентиля 4 и сравнить его с давлением потока 1.6. Изменить давление потока 1 с 15 до 12 бар. Пересчитать схему. Убе-
диться в изменении давления в потоке после клапана 4.7. Снова изменить давление потока 1 на 15 бар. Выполнить расчет с по-
следующим сохранением задания.
5.4. Упражнение. Контроллер подбора значения переменной
1. В задании TUTORCONT при помощи модуля контроллер подобратьтакое значение входного потока 1, чтобы общий расход потока сухогогаза 5 составлял 45000 кг/час.
115
2. В поток сухого газа 5 вставить пиктограмму контроллера способом,описанном в упражнении 2.26, п.3. Теперь в контроллер входит потокс ID=11.
3. Выполнить настройку модуля контроллера:нужно подбирать значение переменной «Общий расход потока 1» так,чтобы значение переменной «Общий расход потока 11» равнялоськонстанте 45000, имеющей размерность кг/ч (то есть совпадающую сразмерностью, принятой для общего массового расхода). Значения ле-вой и правой границ диапазона изменения подстраиваемой перемен-ной «Общий расход потока 1» примем 45000 кг/час и 50000 кг/час со-ответственно.Выполнению этой задачи соответсвует режим работы контроллераFeed-Backward (Подстройка величины).Для выполнения настроек открыть окно модуля, перейти на вкладкуGeneral Setting, установить режим работы контроллера согласно рис.5.5. На остальных вкладках параметры устанавливать не нужно.
4. Выполнить расчет всей схемы. Для этого вызвать команду
Run/Run/Run All. Проверить значение общего расхода в потоке сухо-го газа 11. Сохранить задание.
116
Рис. 5.5. Окно настроек модуля контроллера
5.5. Упражнение. Контроллер подбора значения переменной
1. В задании TUTORCONT в осущенный газ (поток 11) следует добавитьиндикаторный газ в количестве 5 ппм, с тем, чтобы потребитель могощущать запах газа в случае его утечки. В качестве индикаторного га-за использовать этилмеркаптан.Исходные данные:Индикаторный газ: этилмеркаптан, брутто формула С2H6S, номер вбазе чистых веществ 137;Температура, °С 20.0; Давление, бар 20.0;
117
Расход, кг/час 20.0; 2. Добавить в перечень компонентов смеси процесса этилмеркаптан. Для
этого в окне команды Thermophysycal/Component List любым из описанных ранее способов выбрать этилмеркаптан и добавить его в перечень выбранных веществ кнопкой Add.
3. Добавить в схему технологическую линию подачи индикаторного газав поток осушенного газа 11 согласно рис. 5.6. Добавить в схему согласно рис. 5.6 контроллер для подбора подачи ин-дикаторного газа после контроллера, управляющего подбором расхода потока питания схемы. Добавление пиктограмм необходимого оборудо-вания проводить аналогично описанному в упражнении 5.3.
4. Задать характеристики потока индикаторного газа. Для этого открытьпаспорт потока 12 и задать параметры потока согласно рис. 5.7.
1 23
4
5
732
9
1
рецикл
7
6
5
12
13
11
8
10 14
6
9
Установка давленияв клапане
Подбор общего расходапотока №1
Подбор расхода потокаэтилмеркаптана
Поток
этилмеркаптана
Поток
сухого
газа
4
8
Рис. 5.6. Схема подачи индикаторного газа 5. Выполнить настройку модуля контроллера так, чтобы он подбирал
значение переменной «Общий расход потока 12» таким образом, чтозначение переменной «Массовая доля компонента в потоке 10» длякомпонента «этилмеркаптан» было равно константе 0.0005, размерностьконстанты соответствет внутренней.
118
Рис. 5.7. Настройка параметров потока индикаторного газа
Выполнению этой задачи соответ-свует режим работы контроллера Feed-Backward (Подстройка ве-личины). Для выполнения настроек открыть окно модуля, перейти на вкладку General Setting, установить режим работы контроллера согласно рис. 5.8. На остальных вкладках пара-метры устанавливать не нужно.
6. Выполнить расчет всей схемы. Дляэтого вызвать команду Run/Run/ Run All. Проверить значение массо-вой доли этилмеркаптана в потоке 10.
7. Сохранить задание.
Рис. 5.8. Окно настроек модуля контроллера
119
5.6. Упражнение. Моделирование ректификационной колонны для разделения пропан-пропиленовой фракции
1. Провести моделирование разделения близкокипящей смеси в ректи-фикациионной колонне. В качестве разделяемой смеси взять пропан-пропиленовую фракцию с параметрами:Температура 40 °С; Давление 17 бар; Расходы компонентов:
Этан 10 кг/час; Пропилен 10500 кг/час; Пропан 4400 кг/час; н-Бутан 90 кг/час.
Обеспечить качество разделения с долей пропилена по верху колонны 95% массовых, долей пропана по кубу колонны 95% массовых.
2. Для моделирования процесса разделения будем использовать модульректификационной колонны SCDS column.
3. Создать новое задание PPFCOLUMN .В режиме Flowsheet собрать схему согласно рис. 5.9.
1
1
2
3
Рис. 5.9. Технологическая схема установки разделения пропан-пропиленовой фракции
Вызвав команду Format/Engeneering Units, в качестве профиля еди-ниц измерения выбрать систему единиц Alt SI.
4. Используя команду Thermophysical/Component List, любым из опи-санных ранее способов включить в список компонентов указанные вп.1 вещества.
5. При помощи команды Thermophysical/K-Value, в качестве моделирасчета равновесия задать модель Peng-Robinson (Пенга-Робинсона).Парожидкостное равновесие смесей пропан/пропилен, этан/этилен
120
подвержено влиянию взаимодействия между компонентами. Для ком-пенсации неидеальностей в этих смесях используются специальные параметры бинарного взаимодействия (BIPs) при расчетах фазового равновесия по уравнениям Соаве-Редлиха-Квонга или Пенга-Робинсона. В окне команды Thermophysical/K-Value отметить в об-ласти Ethane/Ethylene, Propane/Propylene опцию Spesial SRK/PR Bips.
6. Задать параметры потока питания согласно п.1.7. Задать спецификации колонны:
Открыть окно модуля SCDS column, вкладку General, внести данные:Condenser Type (Тип конденсатора) Полный (0 Total or
None); Top Pressure (Давление верха колон-ны)
15.5 бар
Cond press drop (Перепад давления в конденсаторе)
1 бар
Colm press drop (Перепад давления в колонне)
1.5 бар
No. of stages (Количество тарелок) 152 (150+куб+конденсатор)
Feed tray for stream 1 (Тарелка питания) 110 Перейти на вкладку Specifications, внести данные: Конденсатор: Condenser mode Specification Сomponent 12 Distillate component mass frac-tion
0.95 пропилен
Кипятильник: Select Reboiler mode Specification Сomponent 12 Bottom component mass fraction 0.95 пропан
Перейти на вкладку Convergence. В области Estimations задать оцен-ки:
T Top (Верх колонны) 40 °С T Bottom (Низ колонны) 50 °С
В области Stage efficeincy внести данные: Tray efficiency profile (Профиль эффективности тарелок)
0 No efficiency profile
Top stage (Верхняя тарелка) 0.6 Last stage (Нижняя тарелка) 0.6
121
8. Провести расчет схемы командой Run/Run/Run All. Проанализиро-вать полученное качество разделения. Выяснить, в какой фазе нахо-дятся потоки, отбираемые с верха и из куба колонны. Сохранить зада-ние.
9. Проведем моделирование парциального режима работы конденсатора.Отбор дистиллята будем моделировать как боковой отбор с тарелки 1в количестве 10500 кг/ч. В этом случае поток, отбираемый с верха ко-лонны будет сдувками (паровая фаза).Провести в режиме Flowsheet модификацию схемы согласно рис. 5.10.
10. Открыть окно настроек колонны и на вкладке General в списке Con-dencer type выбрать режим работы конденсатора 1 Partial (Парциаль-ный). Перейти на вкладку Specifications и в области Side Product Speci-fications задать параметры для бокового отбора:
Stage (Тарелка) 1 Side product mode(Режим бокового отбора) Liquid mass Flow Specification (Параметры) 10500.
1
1
2
3
4
Рис. 5.10. Технологическая схема установки разделения пропан-пропиленновой фракции с отбором дистиллята и сдувками на колонне
11. Провести расчет схемы командой Run/Run/Run All.Проанализировать полученное качество разделения.Какова массовая доля пропилена в дистилляте?Выяснить, в какой фазе находятся потоки сдувок (2) и дистиллята (4).
12. Получить содержание пропилена в дистилляте 95% массовых.Выполнение этой задачи можно провести при помощи контроллера.В режиме Flowsheet провести модификацию схемы согласно рис. 5.11.
13. В заданном режиме работы конденсатора модель колонны обеспечи-вает требуемое качество разделения не в потоке дистиллята, а в сдув-ках.
122
1
1
2
3
2
4 5
Рис. 5.11. Технологическая схема установки разделения пропан-пропиленновой фракции с контроллером
Контроллер должен подбирать массовую долю пропилена в сдувках, чтобы обеспечить массовую долю пропилена в боковом отборе (дис-тилляте) 0.95. Эта задача решается при помощи режима работы кон-троллера Feed-backward. Подбираемая переменная в данном случае – «Спецификация конден-сатора оборудования 1», размерность внутренняя. Диапазон измене-ния переменной зададим как [0.9 ; 0.99]. Контролируемая переменная – «Массовая доля пропилена в потоке 4». Требуемое значение контролируемой переменной 0.95, размерность внут-ренняя.
14. В окне контроллера задать на вкладке General Setting параметры со-гласно рис. 5.12.
15. Провести расчет схемы командой Run/Run/Run All. Проанализиро-вать полученное качество разделения. Сохранить задание PPFCOL-UMN .
123
Рис. 5.12. Окно настроек модуля Controller
5.7. Упражнение. Моделирование установки получения водно-гликолевого раствора гидратацией оксида этилена
1. При заданных технологических параметрах работы оборудования про-извести моделирование стационарного режима работы установки полу-чения водно-гликолевого раствора гидратацией оксида этилена.Гидратацию оксида этилена (ОЭ) (по стадию образования тетраэти-ленгликолей (тетраЭГ)) можно описать следующими химическими ре-акциями:1. C2H4O + H2O → HO-CH2-CH2-OH,2. C2H4O + HO-CH2-CH2-OH → H-(-O-CH2-CH2-)2-OH,3. C2H4O + H-(-O-CH2-CH2-)2-OH → H-(-O-CH2-CH2-)3-OH,4. C2H4O + H-(-O-CH2-CH2-)3-OH → H-(-O-CH2-CH2-)4-OH,где реакция 1– получение моноэтиленгликоля (МЭГ), реакция 2– по-лучение диэтиленгликоля (ДЭГ), реакция 3– получение триеэтиленг-
124
ликоля (ТЭГ), реакция 4 – получение тетраЭГ. Кинетические и сте-хиометрические параметры этих реакций имеют значения:
Таблица 5.1 Кинетические и стехиометрические параметры реакций
Реакция Параметр
1 2 3 4 Frequency factor (Предэкспоненциальный коэффициент), моль/(л·час)
3.19·109 6.7·109 6.7·109 6.7·109
Activation energy (Энергия активации), кал/моль
19000 19000 19000 19000
Компонент: Стехиометрический коэффициент Оксид этилена -1 -1 -1 -1 Моноэтиленгликоль 1 -1 - - Диэтиленгликоль - 1 -1 - Триэтиленгликоль - - 1 -1 Тетраэтиленгликоль - - - 1 Вода -1 - - -
Описание технологической схемы установки получения водно-гликолевого раствора гидратацией оксида этилена (рис. 5.13)
Оксид этилена и вода (в мольном соотношении 1:15), а также возврат-ный МЭГ смешиваются в смесителе 1 и подаются в подогреватель 2, где нагреваются до необходимой температуры циркуляционной водой с начальной температурой 165°С. Подогретая до 120-135°С реакцион-ная смесь подается в гидрататор 3, где осуществляется гидратация ОЭ до степени превращения 99.6% по ОЭ. Полная гидратация ОЭ осуще-ствляется в полом реакторе 4. Для поддержания необходимого темпе-ратурного режима в гидрататор подается циркуляционная вода после подогревателя. В качестве подогревателя 2 и гидрататора 3 в реальной установке ис-пользуются кожухотрубчатые теплообменники, в качестве полого реак-тора 4 – емкость. Для моделирования протекания реакций в этих аппа-ратах будем использовать модуль кинетического реактора KREA в ре-жиме РИВ.
125
1
2 3
4
1
2
3
6 7
9 10
5
4
8
Рис. 5.13. Технологическая схема получения водно-гликолевого раствора Потоки питания: Поток 1 2 3 8 Название потока Оксид
этилена Вода Возврат-
ный МЭГ Циркуляци-онная вода
Температура, °С 90 90 80 165 Давление, кгс/см2 22 22 22 8 Состав, кмоль/ч Оксид этилена 100 0 0 0 МЭГ 0 0 0.5 0 Вода 0 1500 0 7000 Спецификации смесителя 1: Output Pressure 21 кгс/см2;
Таблица 5.2 Спецификации подогревателя 2, гидрататора 3, реактора 4:
Спецификации Подогрева-тель 2
Гидрата-тор 3
Полый реактор 4
Модуль KREA Спецификации вкладки General Specifications
Specify reactor type: РИВ Number of reactions 4 Pressure Drop 0.3 Фаза протекания ре-акции
Liquid (Только жидкость)
Thermal mode:
Specify PFR utility U (Задано условие вспо-могательного потока
для РИВ)
Adiabatic (no heat exchange) (Адиабатиче-ский (без теп-лообмена)).
Продолжение таблицы 5.2 Коэффициент тепло- 280 Ватт/м2
К -
126
передачи
Specify calculation mode
Specify Volume, Calculate conversion (Задан объем реактора, рассчитать сте-
пень превращения) Спецификации вкладки More Specifications
Length of tubes 7.6 м 60 м 9 м Diameter of tubes 0.025 м 0.04 м 0.9 м Number of tubes 121 38 1 Specify utility flow di-rection
1 Co current (Противоток)
Concentration option (Единицы концентрации) 0 – moles/volume (0 – моли/объемные)
Partial pressure (Парциальное давление) 9 – kg/cm2
Activation energy (Энергия активации) 6 – Cal
Molar flow (Мольный расход) 2 – Gm-moles
Volume (Объем) 2 – Liter Mass flow (Массовый расход) 2 – g
Time (Время) 0 – Hours (0 – Часы) 2. Создать новое задание GLYCOL .
Перейти в режим Flowsheet и создать технологическую схему согласно приведенному рисунку. Для доступа к пиктограмме смесителя 1 нужно в палитре Main Palette щелкнуть правой кнопкой мыши по элементу Mixer #1 и в дополнительной палитре выбрать пиктограмму Mixer #7. Для доступа к пиктограмме кинетического реактора нужно в палитре Main Palette щелкнуть правой кнопкой мыши по элементу Kinetic reac-tor#1 и в дополнительной палитре выбрать пиктограмму Kinetic reactor #2. Для вращения пиктограмм использовать команды контекстного меню Flip Vertical, 90 Clockwise. Перейти в режим Simulation и сохранить задание.
3. Вызвать команду Format/Engeneering Units, в окне которой настроитьосновной профиль единиц измерения метрический кнопкой Metric. В полученном профиле настроить поля согласно рис. 5.14.
окончание таблицы
127
Рис. 5.14. Настройка профила единиц измерения 4. Используя командку Thermophysical/Component List, включить в спи-
сок компонентов, участвующих в процессе, следующие вещества: Брутто-формула № в банке данных
Оксид этилена C2H4O 129 Моноэтиленгликоль С2H6O2 165 Диэтиленгликоль C4H10O3 163 Триэтиленгликоль C6H14O4 176 Тетраэтиленгликоль C8H18O5 180 Вода H2O 62
5. В окне команды Thermophysical/K Value выбрать в качестве моделипарожидкостного равновесия модель PSRK. Остальные опции окна не изменять. Используя команду Thermophysical/Entalphy, выбрать модель энталь-пии Mixed model.
6. При помощи инструмента панели инструментов вызвать окно вво-да параметров потоков питания и ввести параметры согласно заданию.
7. Ввести спецификации оборудования согласно заданию.8. Провести расчет схемы командой Run/Run/Run All.9. Дополнить схему таблицей потоков, используя PFD диаграмму.
128
Для построения PFD диаграммы вызвать команду Output/Main PFD . Затем вызвать команду Format/Add Stream Box. В окне выбора пото-ков отметить опцию All streams (Все потоки). В окне Dialog Property Options отметить свойства Mass Flow Rate, Temperature, Pressure, Mole Vapor Fraction, Enthalpy. В списке Composition Option вы-брать Mass Flowrate, отметить опцию Include all components. В окне Databox Setting выбрать Font – Regular, Size 6. Поместить блок с данными ниже технологической схемы. Перейти в режим Simulation. Проанализировать степень конверсии оксида этилена после каждого из реакторов.
10. Используя контроллер, подобрать такой расход циркуляционной водыс температурой 165°С, чтобы степень конверсии по ОЭ после реактора 3 была равна 0.996. Степень конверсии по ОЭ рассчитывается по фор-муле 1 - (Gпосле реакции ОЭ / Gисходного ОЭ), где G – массовый расход вещества. В режиме Flowsheet работы ChemCad в поток 10 вставить модуль контроллера. Перейти в режим Simulation и настроить режим его ра-боты так, чтобы он подбирал такое значение «расхода потока цирку-ляционной воды 8», что отношение «массового расхода компонента оксид этилена в потоке 6» к «массовому расходу компонента оксид этилена в потоке 1» равнялось 0.004. Контроллер должен работать в режиме Feed-backward. Настроить контроллер. Провести расчет схемы. Проанализировать полученный расход цирку-ляционной воды для обеспечения требуемой конверсии оксида этиле-на.
11. Сохранить задание. Создать вариант задания GLYCOL1.12. Открыть задание GLYCOL1. Отключить контроллер. Расход цирку-
ляционной воды принять 7000 кмоль/ч.Используя Анализ чувствительности, исследовать влияние мольногосоотношения исходных компонентов«ОЭ» : «вода» (от 1:0.3 до 1:50)на состав получаемого водного раствора этиленгликолей.Определить, при каких соотношениях максимальны выходы МЭГ, ДЭГ,ТЭГ, ТетраЭГ. Необходимое условие безопасного ведения процесса –поддержание температуры реакционной смеси ниже кипения.Поскольку в предложенном задании в рассматриваемом отношении«ОЭ» : «вода» меняется только количество воды, анализ чувствитель-
129
ности будем проводить только по одной независимой переменной «мольный расход компонента вода в потоке 2». Для нее нужно задать диапазон изменения значений с левой границей, равной 0.3*100=30 кмоль/ч, и правой границей, равной 50*100=5000 кмоль/ч. В качестве зависимых переменных следует выбрать переменные: - массовый расход компонента МЭГ в потоке 7; - массовый расход компонента ДЭГ в потоке 7; - массовый расход компонента ТЭГ в потоке 7; - массовый расход компонента тетраЭГ в потоке 7.
13. Провести расчет анализа чувствительности. Построить графические за-висимости массового расхода МЭГ, ДЭГ, ТЭГ, ТетраЭГ в потоке 7 от мольного расхода воды в реакционной смеси. Проанализировать полу-ченные зависимости (рис. 5.15).
14. Используя Анализ чувствительности, построить температурныйпрофиль по длине реактора 3 для реакционной смеси и циркуляцион-ной воды. Расходы реагентов задать согласно п.1 задания. Расход цир-куляционной воды принять 7000 кмоль/ч. Рекомендации: в качестве независимой переменной выбрать длину трубок реактора (параметр 10 Length of Tubes), диапазон изменения длины трубок взять от 10 м до 80 м; в качестве зависимых переменных выбрать температуру потока 6 и температуру потока 9.
15. Провести расчет анализа чувствительности. Построить графические за-висимости температур потоков 6 и 10 от длины трубок реактора 3. Объ-яснить поведение кривых на диаграмме (рис. 5.16).
16. Сохранить задание GLYCOL1.
130
Рис. 5.15. Зависимость выхода продуктов реакции от подачи воды
Рис. 5.16. Изменение температур реакционной смеси и циркуляционной воды по длине трубок реактора 3
131
6.Оптимизация стационарных режимов процессов
С целью подбора оптимального режима работы установки по заданномукритерию можно использовать средства инструмента ChemCad Оптимиза-ция.
Зададча оптимизации заключается в нахождении значений независимых (поисковых) переменных, при которых критерий оптимальности принимает минимальное (максимальное) значение. В формализованном виде задача может быть представлена:
)(min uFUu∈
, (1)
0)( =ug , (2) 0)( ≤uh , (3)
где функция F(u) – функциональная запись критерия оптимальности, u – независимые переменные процесса, выбранные в качестве поисковых переменных, U – область, в которой могут принимать значения поиско-вые переменные u, )(ug – ограничения типа равенства, )(uh – ограничения типа нервенства. Любая задача оптимизации может быть сведена к виду (1)-(3).
В задачах поиска оптимальных режимов химико-технологических про-цессов критерий F в (1) отражает различные формы записи технологиче-ских, термодинамических, технико-экономических критериев, например, производительность, приведенные на единицу продукта энергозатраты, прибыль и др. Ограничения (2) – это условия выполнения материально-теплового баланса моделируемого химиико-технологического процесса. В качестве ограничений (2), (3) могут также выступать различные технологи-ческие ограничения, например, на качество получаемого продукта, ограни-чения, задающие область физического существования процесса и др.
Для вызова инструмента служит меню Run/Optimization (Рас-чет/Оптимизация). Аналогично средству Анализа чувствительности для Оптимизации создается задача оптимизации. Задач оптимизации для одно-го задания ChemCad может быть несколько.
Для создания новой задачи оптимизации используется команда New (Новое). Загрузка существующей задачи проводится командой Open (Открыть). Работа по указанию папки размещения и имени задания про-водится аналогично Windows приложениям.
Для формирования информации о задаче оптимизации открывается окно Process Optimization (Оптимизация процесса) (рис. 6.1) с кнопками:
132
− Define Objective Function (Определить целевую функцию) служит для задания критерия оптимальности;
− Independent Variables (Независимые переменные) используется для задания поисковых переменных задачи;
− Constraints (Ограничения) применяется для формирования ограни-чений задачи. Ограничения на изменение поисковых переменных за-даются в Independent Variables (Независимые переменные);
− Settings (Настройки) предназначена для задания дополнительных на-строек задачи;
Рис. 6.1. Окно Process Optimization − Define Calculation Sequence (Задать последовательность расчета)
позволяет задать свою последовательность расчета, отличную от предлагаемой ChemCad (рассчитано на опытных пользователей);
− Perform Optimization (Выполнить оптимизацию); − Help (Справка); − Exit (Выход).
Рассмотрим последовательно формирование задачи оптимизации в про-грамме ChemCad.
133
6.1. Задание критерия оптимальности
Для задания критерия оптимальности в окне Process Optimization нуж-но щелкнуть по кнопке Define Objective Function. Откроется окно Objective Function (Целевая функция) (рис. 6.2).
Рис. 6.2. Окно формирования критерия задачи оптимизации В поле Title (Заголовок) окна необходимо задать название решаемой
задачи, оно выводится в отчете. В области Type (Тип) указывается переменная процесса, которая будет
использована в качестве критерия оптимальности. Задание переменной про-водится аналогично Анализу чувствительности. В поле Object Name (Имя целевой функции) задается имя критерия оптимальности, оно вы-водится в отчете. Замечание. Используя предлагаемые командами меню
Run/Optimization средства, можно в качестве функций критерия выби-рать параметр потока либо аппарата. Построение сложных функциональ-ных зависимостей на основе параметров потоков и аппаратов средствами команд меню Run/Optimization невозможно. Однако для таких целей можно использовать модуль Excel, который предлагает пользователю
134
самому построить программу на языке Visual Basic for Application, реали-зующую математическую модель модуля. Рассчитанные параметры тако-го модуля могут быть использованы в качестве критерия оптимальности в задаче оптимизации.
Область Min/Max служит для указания того, какая задача решается: − Minimize (Минимизация целевой функции); − Maximize (Максимизация целевой функции).
В поле Scale (Коэффициент) можно указать масштабирующий множи-тель, на который будет домножаться значение целевой функции в процессе оптимизации.
Список Method (Метод) служит для выбора метода решения задачи оптимизации: − Generalized Reduced Gradient (Метод проецированного градиен-та);
− Successive Quadratic Programming (Метод последовательного квадратичного программирования);
− Simultaneous Modular SQP (Метод последовательно-парал-лельного квадратичного программирования).
6.2. Поисковые переменные
Для задания поисковых переменных служит одна из кнопок Inde-pendent Variables (Независимые переменные) окна Process Optimiza-tion. После щелчка по кнопке открывается окно Independent Variables (Независимые переменные) (рис. 6.3).
В задаче можно выбрать до 120 поисковых переменных по 20 штук в каждом окне и наложить на них ограничения.
Указание независимой переменной процесса, которая будет использо-вана в качестве поисковой в задаче оптимизации, проводится аналогично Анализу чувствительности.
В списке Variable range (Границы изменения переменной) выбира-ется тип накладываемых на поисковую переменную ограничений: − Unconstrained (Переменная не ограничена);
135
Рис. 6.3. Окно выбора поисковых переменных Independent Variables − Min/Max Bounded (Переменная ограничена сверху и снизу); − Max Bounded (Переменная ограничена сверху); − Min Bounded (Переменная ограничена снизу); − Fixed (Переменная принимает фиксированное значение).
В зависимости от типа выбранных ограничений в поля Minimum (Минимальное значение), Maximum (Максимальное значение), Fixed Value (Фиксированное значение) вводятся соответственно минималь-ное, максимальное или фиксированное значения поисковой переменной.
В поле Initial Value (Начальное значение) задается значение поис-ковой переменной, которое будет ей присвоено в начале решения задачи оптимизации. Это значение может отличаться от значения независимой переменной, установленного в технологической схеме.
В поле Slope Locus можно указать величину, которая будет характе-ризовать скорость изменения поисковой переменной на каждой итерации решения задачи оптимизации. Значение по умолчанию 0.001. 6.3. Ограничения на зависимые переменные процесса
Для задания ограничений на зависимые переменные процесса служит одна из кнопок Constraints (Ограничения) окна Process Optimization.
136
После щелчка по кнопке открывается окно Dependent Variable Con-straints (Ограничения на зависимые переменные) (рис. 6.4).
Рис. 6.4. Окно формирования ограничений Dependent Variable Constraints
В задаче можно задать до 120 ограничений по 20 штук в каждом окне. Выбор зависимой переменной процесса, на которую будет наложено
ограничение, проводится аналогично Анализу чувствительности. В списке Variable range (Границы изменения переменной) анало-
гично поисковым переменным выбирается тип накладываемых на зави-симую переменную ограничений.
6.4. Настройка метода решения задачи оптимизации
Для задания настроек работы математического метода решения задачи оптимизации служит кнопка Settings (Настройки) окна Process Optimi-zation. После щелчка по кнопке открывается окно Control Paramters (Настроечные параметры) (рис. 6.5).
137
Рис. 6.5. Окно Control Paramters В поле Print level (Уровень печати) вводится число от 0 до 4, которое
задает уровень детализации отчета о процессе решения задачи оптимиза-ции. Большее значение поля соответствует большей подробности отчета.
В поле I terations (Итерации) указывается максимальное число итера-ций, которые можно выполнить в процессе решения задачи оптимизации.
В поле Tolerance (Точность) вводится значение допустимой погреш-ности вычисления целевой функции.
В списке Derivatives (Производные) выбирается способ численной аппроксимации производных: − Forward differences (Разности вперед) установлен по умолчанию; − Central differences (Центральные разности) – более медленный, но
более точный способ.
6.5. Решение задачи оптимизации
Запуск на выполнение задачи оптимизации проводится кнопкой Per-form Optimization (Выполнить оптимизацию) окна Process Optimiza-tion.
По окончании процесса оптимизации ChemCad выдаст окно с запросом (рис. 6.6). Щелчком по кнопке Да можно сохранить полученные значения поисковых переменных и целевой функции в параметрах технологической схемы. ChemCad откроет окно текстового редактора с отчетом о ходе ре-шения задачи оптимизации. В отчете, в зависимости от уровня печати, бу-дет отражено поведение целевой функции, поисковых переменных и огра-ничений в ходе решения задачи.
138
Рис. 6.6. Окно запроса Chemcad Замечание . При решении задачи методом Generalized Reduced
Gradient (Метод проецированного градиента) в отчете размерности использованных в задаче оптимизации переменных будут выражены во внутренних единицах измерения ChemCad: температура в град. Renkin (град. Ренкина), давление в psia, расход в lbmol/h (фунт-моль/час). Для перевода полученных значений из одной системы единиц в другую мож-но воспользоваться встроенным калькулятором ChemCad, который вызы-вается командой Tools/UnitsCalculator (Инструменты/Калькулятор единиц) в рабочем окне ChemCad.
При решении задачи оптимизации методами Successive Quadratic Programming и Simultaneous Modular SQP значения переменных вы-даются в единицах измерения, выбранных пользователем.
6.6. Упражнение. Оптимизация режима работы пропан-пропиле-новой колонны
1. Проведем оптимизацию режима работы пропан-пропиленовой колон-ны, максимизируя прибыль при получении продукта требуемого каче-ства.В качестве критерия оптимальности будем использовать функциюприбыли, которую запишем как:F = a*D – b*R, (4)где D – массовый расход дистиллята, кг/ч, R – флегмовое число, a, b –ценовые коэффициенты.На получаемые продукты наложим ограничения
95.03 ≥DCx , (5)
95.03 ≥WCx , (6)
где DCx 3 , W
Cx 3 – содержание пропилена в дистилляте и пропана в кубо-вом продукте соответственно.В качестве поисковых переменных выбраны R – флегмовое число и W– массовый расход кубового продукта, кг/ч. На поисковые перемен-ные наложим ограничения
301 ≤≤ R , (7) 50002000 ≤≤ W . (8)
Решение задачи будем проводить на основе задания PPFCOLUMN (упражнение 5.5).
139
2. Открыть задание PPFCOLUMN .Сохранить задание под именем PPFOPTIM. Открыть заданиеPPFOPTIM в режиме Flowsheet и привести к виду, соответствующе-му рис. 6.7.
1
1
2
3
Рис. 6.7. Технологическая схема установки разделения пропан-пропиленовой фракции
3. Открыть окно настроек модуля SCDS column, перейти на вкладкуGeneral, выбрать режим работы конденсатора 0 Total or none (Пол-ный или отсутствует), в поле Feed tray for stream 1 задать номер та-релки питания 64.Затем перейти на вкладку Specifications, внести данные:
Mode Specification Condenser (Конденсатор) 1 Reflux Ratio (R/D) 13.33
Reboiler (Кипятильник) 10 Bottom mass flowrate 4067 Далее перейти на вкладку Convergence (Сходимость) и в списке Ini-tialization (Инициализация) выбрать режим 6 Auto estimation (Ав-томатическое задание оценок).
4. Провести расчет схемы командой Run/Run/Run All.Для ускорения расчета модуля колонны в процессе решения задачиоптимизации сохраним полученный профиль колонны как стартовыйдля последующих расчетов.Для этого нужно открыть окно модуля, перейти на вкладку Conver-gence (Сходимость) и в списке Initialization (Инициализация) вы-брать режим1 Reload column profile (Перезагрузка профиля колонны).Провести расчет схемы. Теперь профиль колонны сохранен для даль-нейшего использования.
140
5. Для решения задачи нам нужно построить сложный критерий. Вос-пользуемся средствами модуля Excel.Перейти в режим Flowsheet и привести технологическую схему к виду,представленному на рис. 6.8. Для этого в поток 2 вставить модуль Excel.Он получил №2. Сохранить задание.
2
1
3
1
2 4
Рис. 6.8. Технологическая схема установки разделения пропан-пропиленовой фракции с модулем Excel
6. Перейти в режим Simulation . В качестве критерия оптимальности бу-дем использовать число, размещенное в поле параметра Presssure (Давление) модуля Excel. Этому параметру программа, написанная на Visual Basic for Applicatins, будет присваивать рассчитанное значение Прибыли.
7. Загрузить при помощи кнопки Пуск из Панели задач Windows пакетMicrosoft Excel. В окне Excel открыть файл PPFOPTIM.xls, который находится в папке задания PPFOPTIM , макросы не отключать.
8. Выполнить в окне Excel команду Сервис/Макрос/Редактор VisualBasic. В окне Microsoft Visual Basic перейти на строку программы с содержимым Sub ExcelUop(ByVal ChemCADEntry As Object). Здесь начинается подпрограмма реализации модели пользователя. Перейти на строку с содержимым 'PART 2, user declarations (insert Dim statements here) и в строке ниже ввести следующие строки, которые содержат объяв-ление типов используемых в расчете переменных
Dim a As Single Dim b As Single Dim N_UOP As Integer Dim temparam As Single
141
Dim ttuop(1 To 250) As Single Dim f As Single Dim tchek As Integer Dim ttlets(1 To 26) As Integer Dim N_STR As Integer Dim ttemp As Single Dim tpres As Single Dim tenthalpy As Single Dim mvf As Single Dim tmoleRat As Single Dim tmassRat As Single Dim tstdLRat As Single Dim tstdVRat As Single Dim compRate(1 To SIZE_COMP_ARRAY) As Single Dim d As Single Dim ss As Single
Перейти на строку с содержимым ' PART 3, user calculations (author your codes here) и в строке ниже ввести следующие строки, содержащие присвоение переменным данные из технологической схемы
a = 1 b = 10 N_UOP = 1 temparam = uopInfo.GetUnitOpSpecByID(N_UOP, ttuop) f = ttuop(57) tchek = flowSht.GetOutletStreamIDsToUnitOp(1, ttlets) N_STR = ttlets(1)
142
check = strInfo.GetStreamInCurUserUnitByID(N_STR, ttemp, tpres, tenthalpy, mvf, tmoleRat, tmassRat, tstdLRat, tstdVRat, compRate)
d = tmassRat ss = a*d - b*f myUnitPar(3) = ss / 0.0689476
Сохранить полученную программу при помощи стандартного инстру-мента сохранения. Закрыть окно Microsoft Visual Basic. Сохранить книгу Excel. В качестве целевой функции выбран параметр 3 Presssure модуля Excel 2.
9. Проверить, каково значение критерия оптимальности при текущем
режиме работы колонны. Для этого провести расчет схемы. Затем открыть окно модуля Excel Unit: 2 – Excel WorkBook Unit , за-крыть окно настроек щелчком по кнопке ОК, в открывшемся окне Ex-cel unit значение Прибыли помещено в поле параметра Pressure. Это значение 10799.8.
10. Сформировать задачу оптимизации при помощи команды Run/ Opti-mization/New. Задать имя файлу задачи OPTIM1 . Затем в окне Proc-ess Optimization щелкнуть по кнопке Define Objective Function, в ок-не Objective Function задать параметры согласно рис. 6.9. Здесь также в качестве целевой функции выбран параметр 3 Presssure модуля Ex-cel 2.
11. Перейдем к заданию поисковых переменных. Для этого в окне ProcessOptimization щелкнуть по кнопке Independent Variables (1-20) и на-строить опции вкладки Page 1 согласно рис. 6.10: В качестве поисковых переменных выбраны: 1 – «Спецификация конденсатора аппарата 1». Это флегмовое число колонны. Размерность используется внутренняя. Задан интервал изменения переменной Min/Max Bounded, со значе-нием 1 в поле Minimum , со значением 30 в поле Maximum . В качест-ве начального приближения в поле Initial Value задано значение 13.33. Соответствует ограничению (7). 2 – «Спецификация куба аппарата 1». Это массовый расход кубового продукта. Используется размерность массового расхода. В поле Vari-able Unit выбрано 1 Mole/Mass.
143
Рис. 6.9. Окно формирования целевой функции
Рис. 6.10. Задание поисковых переменных Задан интервал изменения переменной Min/Max Bounded, со значе-нием 2000 в поле Minimum , со значением 5000 в поле Maximum. В
144
качестве начального приближения в поле Initial Value задано значе-ние 4067. Соответствует ограничению (8).
12. Перейдем к заданию ограничений. Для этого в окне Process Optimiza-tion щелкнуть по кнопке Constraints (1-20) и настроить опции вклад-ки Page 1 согласно рис. 6.11.
Рис. 6.11. Окно формирования ограничений на зависимые переменные В окне сформированы ограничения: − На зависимую переменную «Массовая доля компонента в потоке 2» для компонента «Пропилен». Размерность используется внутрен-няя. Для переменной задано ограничение снизу Min Bounded со зна-чением 0.95 в поле Minimum . Соответствует ограничению (5). − На зависимую переменную «Массовая доля компонента в потоке 3» для компонента «Пропан». Размерность используется внутренняя. Для переменной задано ограничение снизу Min Bounded со значением 0.95 в поле Minimum . Соответствует ограничению (6).
13. Настроим работу метода решения задачи оптимизации. Для этогокнопкой Settings окна Process Optimization откроем окно Control Pa-rameters. Задать в поле Print level уровень печати равный 4. Макси-мальное количество итераций в поле I terations задать равным 100. Ввести в поле Tolerance значение точности вычислений 1e-015. В списке Derivatives выбрать способ вычисления производных Forward differences (Разности вперед).
145
14. Щелчком по кнопке Perform Optimization запустить решение задачиоптимизации. По окончании решения ChemCad выдаст окно с запро-сом (рис. 6.6). Щелчком по кнопке ОК сохранить полученные значе-ния поисковых переменных и целевой функции в параметрах техноло-гической схемы. ChemCad откроет окно текстового редактора с отче-том о ходе решения задачи оптимизации.
15. Найти в отчете значения целевой функции, поисковых переменных иограничений на стартовой итерации Initial Value и на конечной ите-рации Final Results и сравнить их. В последних строках отчета Chem-Cad приводит информацию о количестве сделанных итераций:Number of iterations = #Проверить количество итераций, проделанное методом проецирован-ного градиента в процессе решения поставленной задачи оптимиза-ции.
16. Закрыть полученный отчет. Способом, описанным в п. 9 настоящегоупражнения, получить значение Прибыли из параметра Pressure мо-дуля Excel при полученном режиме.Поскольку решалась задача максимизации, то найденное значениедолжно быть больше того, что было получено в п. 9. Если это условиевыполнено, то технологическая схема настроена на работу в опти-мальном режиме.
Библиографический список
1. ХЕМКАД. Версия 5.6. Руководство пользователя. - М., МХТИ, 2007.2. Зиятдинов Н.Н. и др. Исследование и проектирование химико-тех-
нологических процессов с применением моделирующей программыChemCad: Учебное пособие / Казан. гос. технол. ун-т. – Казань, 2001.– 84 с.
146
Приложения
Приложение 1. Описание панели инструментов рабочего окна ChemCad
Таблица П1 Инструменты, доступные во всех режимах работы ChemCad
Инструмент Команда Назначение
View/Zoom oрtions/ Zoom percentage
Задание значения масштаба ото-бражения
/
View/Zoom oрtions/ In View/Zoom op-
tions/ Out
Увеличение/Уменьшение мас-штаба отображения
View/Zoom options/ Zoom to fit
Увеличение до размера окна
/
View/Zoom options/ In at point
View/Zoom options/ Out at point
Увеличение/Уменьшение мас-штаба отображения относитель-но указанной точки
View/Zoom options/ Zoom rectangle
Масштабирование выделенной прямоугольной рамкой части технологической схемы до раз-меров окна
View/Zoom options/ Pan overview win-
dow
Вывод окна Pan Overview пол-ного обзора технологической схемы
View/Main Palette
Управление отображением пане-ли Main Palette (Основная палит-ра моделей оборудования).
Доступна только в режимах Flowsheet и Main PFD.
Mode Выбор режима работы ChemCad
147
Таблица П2 Инструменты, доступные в режиме Simulation работы ChemCad
Инструмент Команда Назначение
Thermophysical/ Component List
Создание списка чистых ве-ществ, участвующих в модели-руемом процессе
ThermoPhysi-cal/
K Values
Выбор и настройка модели рас-чета равновесия
ThermoPhysi-cal/ Enthalpy
Выбор и настройка модели рас-чета энтальпии
Specifications/ Feed Streams
Редактирование параметров по-токов питания
Run/Run/ Run all
Расчет материально-теплового баланса всей технологической схемы
Results/Stream compositions/ All streams
Просмотр составов всех потоков технологической схемы во внешнем текстовом редакторе (по умолчанию Word Pad)
Results/Stream properties/ All streams
Просмотр свойств всех потоков технологической схемы во внешнем текстовом редакторе (по умолчанию Word Pad)
- Отображение списка выбранных компонентов процесса
View/ Flowsheet Quickview
Управление режимом быстрого просмотра технологической схе-мы
148
Таблица П3 Инструменты, доступные при моделировании динамических
режимов в ChemCad
Инструмент Команда Назначение
Run / Dynamics/ Set Run Time
Задание времени протекания моделируемого процесса
Run / Dynamics/ Restore to initial
state
Возврат к стартовому состоя-нию после моделирования
Run/Dynamics/Run from initial state
Выполнение моделирования динамического режима процес-са
- Графическое отображение ди-намики изменения параметров потоков
- Графическое отображение ди-намики изменения специфика-ции аппарата
149
Приложение 2. Описание элементов палитры моделей оборудова-ния Main Palette
Таблица П4 Элементы оформления палитры Main Palette
Элемент Назначение
Вращение графического объекта
Рисование прямоугольника
Рисование эллипса
Рисование линии
Рисование ломаной линии
Рисование многоугольника
Создание текстовой надписи
Таблица П5 Вспомогательные элементы палитры Main Palette
Элемент Назначение
Выбор аппарата из списка
Красная стрелка – поток питания
Синяя стрелка – продуктовый поток
150
Таблица П6 Элементы палитры Main Palette, соответствующие
основным моделям аппаратов
Элемент Подсказка Назначение
1 2 3
Stream
Формирование потоков, связывающих аппараты, а также элементы, соответст-вующие потокам питания и продукто-вым потокам
Compressor Модель изоэнтропийного или полит-ропического компрессора.
Expander (EXPN)
Модель изоэнтропийного или полит-ропического экспандера.
Component separator (CSEP)
Покомпонентный сепаратор.
Divider (DIVI)
Модель деления входного потока на потоки с теми же термодинамически-ми характеристиками и составами.
Liquid/Liquid extractor (EXTR)
Модель экстракции в системе жид-кость-жидкость. Допускается исполь-зовать до двух входных потоков и восьми выходных.
Fired Heater (FIRE)
Модель печи. Если требуется разде-лить фазы, то для каждой фазы зада-ется свой выходной поток.
Flash (FLAS)
Модель фазового сепаратора.
Heat exchanger (HTXR)
Модель теплообменника. Использует-ся для моделирования теплообменни-ка с одним или двумя входными пото-ками.
151
Продолжение таблицы П6 1 2 3
Three phase flash
(LLVF)
Модель расчета трехфазного равнове-сия в системе жидкость-жидкость-пар.
LNG Heat exchanger (LNGH)
Модель многопоточного теплообмен-ника. Максимальное количество вход-ных и выходных потоков – семь.
Mixer (MIXE)
Модель смешения потоков. Если вы-ходов более 1, то работает как фазо-вый сепаратор в адиабатических усло-виях.
Phase generator (PGEN)
Модуль последовательных вычисле-ний Flash для набора условий, задан-ного пользователем. Доступны все постановки расчета фазового равнове-сия.
Pipe simulator (PIPE)
Модуль расчета размера трубы и ее по-верочного расчета. Режим расчета зада-ется адиабатическим или изотермиче-ским.
Liquid pump (PUMP)
Модель насоса для перекачки жидко-сти. Рассчитывается требуемая работа для получения заданного давления.
Stream recorder (SREC)
Запись параметров входного потока в течение указанного числа итераций или времени.
Stream reference (SREF)
Модуль используется для передачи информации о потоке в другой поток. Должен располагаться после того ап-парата, который генерирует переда-ваемую информацию.
152
Продолжение таблицы П6 1 2 3
Valve (VALV)
Модель клапана рассчитывает для входного потока падение давления и изменение свойств потока в адиабати-ческих условиях. Если выходных по-токов больше 1, то будет учитываться сепарация фаз.
Vessel (VESL)
Моделирование процесса фазового разделения с делителем потока. В слу-чае деления системы пар-жидкость может делить жидкий поток, при деле-нии системы пар-жидкость-жидкость обе жидкие фазы будут присутство-вать во всех жидких потоках.
Shortcut column (SHOR)
Модуль использует метод Фенске-Андервуда-Джиллиленда для модели-рование простой ректификационной колонны с одним входным потоком и двумя выходными продуктовыми пото-ками (дистиллят и кубовый продукт).
Distillation column
(TOWR)
Модуль точного расчета многокомпо-нентной ректификации. Моделирует ректификационные колонны, абсорбе-ры, отпарные колонны. Наличие боко-вых погонов, боковых теплообменни-ков. Число тарелок меньше 100. Мо-делирование систем пар-жидкость
Rigorous distillation
column (SCDS)
Модуль точного расчета многокомпо-нентной ректификации. Моделирует ректификационные колонны, абсорбе-ры, отпарные колонны. Наличие боко-вых погонов, боковых теплообменни-ков. Моделирование систем пар-жидкость, пар-жидкость-жидкость. Учет химической реакции.
153
Продолжение таблицы П6 1 2 3
Tower plus (TPLS)
Модуль точного расчета многокомпо-нентной ректификации. Моделирует ректификационные колонны, абсорбе-ры, отпарные колонны. Боковые стрипперы рассматриваются как часть модуля и рассчитываются одновре-менно с основной колонной, без вы-полнения рецикловых вычислений.
Batch distillation (BATC)
Модуль периодической ректифика-ции. Базовый режим реальных опера-ций с колонной является последова-тельностью нескольких независимых шагов с воздействиями. Состояние колонны в конце шага принимается за начальное в начале следующего и т.д.
Equilibrium reactor (EREA)
Моделирование до 300 равновесных химических реакций. Режимы: обыч-ный равновесный, конвертор СО, ме-танатор. Задаются равновесные и сте-хиометрические параметры.
Gibbs free energy reactor
(GIBS)
Для заданной химической системы мо-делируются возможные пути протека-ния реакций и вероятность их протека-ния устанавливается на основе мини-мизации свободной энергии системы.
Stoichiometric reactor (REAC)
Моделирование одной химической реакции. Задаются стехиометриче-ские коэффициенты, ключевой ком-понент и степень конверсии.
Kinetic reactor (KREA)
Моделирование режимов идеального смешения (РИС) и идеального вытес-нения (РИВ). Задаются стехиометриче-ские и кинетические параметры. Моде-лирование до 300 химических реакций.
154
Продолжение таблицы П6 1 2 3
Polymer reactor
Моделирования химического процес-са полимеризации вещества.
Batch reactor (CC-REACS)
Модуль периодического реактора.
Baghouse Filter (BAGH)
Моделирует действие стандартного ма-терчатого пылевого фильтра. Модуль рассчитывает эффективность сбора и перепад давления или поток через фильтр.
Centrifugal filtration (CFUG)
Моделирует подвесную фильтрую-щую центрифугу. Может быть перио-дического и полунепрерывного дейст-вия.
Crusher/ Grinder (CRSH)
Моделирование дробилок типов: ще-ковой, конусной, валковой.
Crystallizer (CRYS)
Моделирование процессов кристалли-зации, плавления и растворения (если задан поток растворителя).
Cyclone separator (CYCL)
Моделирование процесса разделения в системе газ-твердое тело.
Hydro-cyclone (HCYC)
Моделирование процесса разделения в системе жидкость-твердое тело.
Screen (SCRE)
Моделирование процесса просеивания – грохота.
Centrifugal sedimentation
(CSED)
Моделирование центробежной сепа-рации твердой фазы из суспензии. Плотность твердой фазы должна быть выше, чем жидкой.
155
Продолжение таблицы П6 1 2 3
Solids washer (WASH)
Моделирование процессов промывки.
Dryer (DRYE)
Моделирование процесса сушки.
Filter (FLTR)
Моделирование фильтра, работающего под вакуумом или при постоянном дав-лении.
Venturi scrubber (VSCR)
Моделирование скруббера Вентури, предназначенного для осаждения час-тиц, туманов и конденсирующихся паров из газовых потоков.
Electrostatic precipitator
(ESPT)
Моделирование электростатического фильтра.
Control Valve
Моделирование работы управляемого ПИД-регулятором клапана. Модуль не-применим в случае каскадного управле-ния.
Controller (CONT)
Контроллер. Имеет два режима: а) пря-мая передачи данных; б) настройка па-раметра потока или модуля по заданно-му условию с помощью изменения дру-гого параметра другого потока или мо-дуля.
Dynamic Vessel Моделирование фазового разделения в динамике.
PID controller
Моделирование ПИД-регулятора (пропорциионально-интегрально-дифференциального). Применим в каскаде управления.
156
Продолжение таблицы П6 1 2 3
RAMP for equipmt/ stream
parameters
Моделирование управления парамет-рами потоков и спецификациями ап-паратов по заданному правилу.
Time delay block
Моделирование задержек по времени, например, транспортное запаздывание.
Time switch
Переключение входного потока меж-ду выходными потоками в соответст-вии с заданными временными интер-валами.
Calculation loop
(LOOP)
Расчет указанных модулей в заданной последовательности до выполнения введенной точности.
Calculator module (CALC)
Модуль, содержащий пользователь-скую программу на языке С, опери-рующую параметрами технологиче-ской схемы.
User added module
Пользовательский модуль.
Excel work-book unit
Модуль, содержащий пользователь-скую программу на Visual Basic, под-ключаемую через Excel.
Tank
Используется только с модулем BATC. Для статических расчетов ис-пользуются модули FLAS или VESL. Для динамических расчетов исполь-зуйте модуль Dynamic Vessel.
Pressure Node (NODE)
Принудительное задание значения давления.
157
Приложение 3. Рекомендации по использованию моделей расчета констант фазового равновесия и моделей расчета энтальпии
Таблица П7 Рекомендации по использованию моделей констант равновесия
Модель
расчета
КФР∗∗∗∗
Рекомендации Модель
расчета
энтальпии
1 2 3
SRK Системы углеводородов, давление больше 10 бар.
SRK, Latent Heat
Grayson-Streed
Неполярные углеводороды, тяжелые углеводороды,
давление от 7 бар до 200 бар, температура от -18°С до 430 °С.
Lee-Kesler
Peng-Robinson
Системы углеводородов, давление больше 10 бар, криогенные процессы.
Peng-Robinson
ESSO Тяжелые углеводороды, давление меньше 7бар,
температура от 90 °С до 200°С. Lee-Kesler
MSRC Циклические угдеводороды,
галогенизированные углеводороды, некоторые полярные соединения.
SRK
BWRS Простые системы газов,
сжатие газов. BWRS
NRTL, UNIFAC,
UNIQUAC Растворы углеводородов. Latent Heat
SRK, API SRK
Углеводороды, давление больше 1 бара. SRK
∗ КФР – константы фазового равновесия.
158
Продолжение таблицы П7
1 2 3
PR Криогенные процессы,
давление больше 1 бара, температура менее -70°С.
PR
ESD, SAFT
Системы углеводороды-вода,
углеводороды-газы. SRK
Ideal Vapor Pressure
Идеальные растворы. SRK
UNIFAC
Неидеальные несмешивающиеся жидкие фазы,
гетерогенные азеотропы,
давление от 0 атм до 4 атм,
температура от 275 K до 475 K,
модель требует задания ПБВ.
Latent Heat
Wilson
Сильно неидеальные смеси, гомогенные азеотропы,
неидеальные растворы с растворимыми солями,
модель требует задания ПБВ.
Latent Heat
NRTL, UNIQUAC
Сильно неидеальные растворы, гетерогенные азеотропы,
модель требует задания ПБВ. Latent Heat
Margules, TK Wilson
Сильно неидеальные растворы, гомогенные азеотропы,
модель требует задания ПБВ. Latent Heat
HRNM Modi-fied Wilson
Сильно неидеальные растворы, модель требует задания ПБВ.
Latent Heat
Regular solution
Умеренно неидеальные растворы. SRK
Van Laar Умеренно неидеальные растворы,
гомогенные азеотропы, модель требует задания ПБВ.
Latent Heat
159
Продолжение таблицы П7
1 2 3
МSRK Полярные соединения в регулярных растворах.
SRK
PSRK
Полярные соединения в неидеаль-ных растворах.
При высоких давлениях лучше, чем UNIFAC.
Latent Heat
Закон Генри Газы, растворенные в воде.
Amine Газы, смешанные с H2S-MEA-DEA. Amine
Sour Water Кислые газы и аммиак, растворенные в воде
SRK
PPAQ Электролиты, с диссоциацией HCl,
NH3, HNO3. SRK,
Latent Heat
TEG Dehy-dratation
Дегидрирование углеводородов в системе триэтиленгликоль-вода. SRK
Flory-Huggins
Полимеры. Latent Heat
ACTX Пользовательские коэффициенты
активности. Latent Heat
МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММЫ CHEMCAD
Составители: Зиятдинов Надир Низамович Лаптева Татьяна Владимировна Рыжов Денис Александрович
Печатается в авторской редакции
Лицензия № 020404 от 6.03.97 г.
Подписано в печать Формат 60×84 1/16. Бумага писчая. Печать Riso усл. печ. л.
уч.-изд. л. Тираж 150 экз. Заказ «С» 255 Издательство Казанского государственного технологического университета
Офсетная лаборатория Казанского государственного технологического университета
420015, Казань, К.Маркса, 68
