СКАЧАТЬ:  laba-1.zip [749,72 Kb] (cкачиваний: 31)

Лабораторная работа №1

по дисциплине Моделирование систем

на тему:

«Математическое моделирование технологических процессов»

Введение

С развитием химической промышленности особенно важными становятся сведения о свойствах газов и жидкостей, в том числе многих новых химических продуктов, физические свойства кото­рых никогда не определялись экспериментально. Например, при проектировании химического производства необходимо знать или уметь рассчитать свойства исходных, конечных и сопутствующих веществ для правильного расчета трубопроводов и насосов, а также для проектирования нагревательного, холодильного и разделительного оборудования. Основной деятельностью многих химиков и технологов является получение в виде достоверных количественных данных сведений о химических, физических и термодинамических свойствах чистых веществ и смесей. К сожалению, далеко не одно и то же, знать законы и иметь цифровой материал, который могли бы использо­вать инженеры и научные работники, занимающиеся прикладными науками.

Чтобы быстро и эффективно решать прикладные задачи, поставленные в области химико-технологических процессов (ХТП) с применением вычислительной техники (ВТ) необходимо иметь:

●     базу данных опорных констант веществ, участвующих в химико-технологическом процессе (молекулярная масса, критические температуры, давления, плотности, дипольные моменты, константы для расчета теплоемкостей и т.д.);

●     подпрограммы методов расчета термодинамических и физико-химических свойств веществ и их смесей (парожидкостного равновесия, энтальпии, плотности, вязкости, теплоемкости, теплопроводности и т.д.);

●     подпрограммы математических моделей аппаратов, включающие методы их расчета;

●     программный модуль, обеспечивающий сборку отдельных аппаратов в единую систему заданной топологии;

●     подпрограммы алгоритма структурного анализа;

●     подпрограммы методов решения системы нелинейных уравнений;

●     подпрограммы методов оптимизации;

●     организационный программный модуль, обеспечивающий расчет элементов ХТС и передачу информации в последовательности, полученной в результате структурного анализа;

●     интерактивные средства для взаимодействия пользователя с перечисленными подпрограммами, которые обеспечивают удобство ввода-вывода информации, наглядность ее представления.

Такой универсальный комплекс программ, работающий под управлением главной организующей программы, называется универсальной моделирующей программой (УМП).

УМП позволяет легко и просто, как в детских конструкторах, формировать топологию химико-технологической системы (ХТС), выбирая и соединяя между собой различные аппараты химической технологии, а также задавая параметры известных потоков и параметры аппаратов.

Практическая часть

Для задания TUTOR1, используя команды меню Results/Stream Properties (Результаты/Свойства потока), выполняем просмотр свойств потоков при заданных условиях процесса.

Используя команды меню Results/Stream Composition (Просмотр/Состав потока), выполняем просмотр составов потоков питания и продуктовых по­токов.

Используя команду Plot/Envelopes (Граф./Фазовая диаграмма), строим для потока номер 5 фазовую диаграмму. Построить линии для долей пара, равных 0.5 и 0.75. Для этого в окне Phase Envelope в первое поле, обозначенное как Vapor fraction (Доля пара), вводим  значение - 0.5, а во второе поле - 0.75. Сохраняем данные, нажав кнопку ОК.

Используя левую клавишу мыши, определяем на фазовой диаграмме, равна или ниже -20°C наивысшая точка росы потока 5. После просмотра части диаграммы возвращаем ее первоначальные размеры, используя для этого правую кнопку мыши. Если точка росы потока не соответствует указанной температуре, то подбираем температуру потока 3 так, чтобы эти условия выполнялись.

Строим температурный профиль для стабилизатора конденсата. Для этого выполняем команду Plot/Tower Profiles (Начертить/Профили колонны). В окне Profile Options (Опции профиля) отмечаем - Plot Temperature profile (Начертить температурный профиль). В группе Plot Controls (Управление начертанием) выбираем Scale (Шкала) - шкалу, Axes (Оси) - оси, Stage No (Номера тарелок) - нумерацию тарелок, Туре (Тип) - график или диаграмму.

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 команду Output/Report/Select Streams (Вывод/Отчет/Выбор потоков). В окне Select Streams выбрать опцию Select streams from flowsheet (Выбрать потоки на схеме) и нажать кнопку ОК. Выбранные на схеме ГО номера потоков автоматически будут занесены в поля Enter the stream BD's окна Select Streams.

Для   выбора   единиц   расхода   составов   потоков   выполнить   команду
Output/Report/Stream Flowrate/Compositions (Вывод/Отчет/Расходы/Состав потока), установить опцию Mass flow rate (Массовый расход) и нажать кнопку ОК.

Поток 1

Stream No.                      1

       Name                      

- - Overall - -

Molar flow kmol/h       2029.3789

Mass flow  kg/h        40000.0219

Temp C                    25.0000

Pres bar                  15.0000

Vapor mole fraction         1.000

Enth kcal/h          -3.7297E+007

Tc C                     -43.5195

Pc bar                    67.9474

Std. sp gr.  wtr = 1        0.337

Std. sp gr.  air = 1        0.681

Degree API               287.9290

Average mol wt            19.7105

Actual dens kg/m3         12.5291

Actual vol m3/h         3192.5667

Std liq  m3/h            118.6738

Std vap 0 C m3/h       45485.7825

- - Vapor only - -

Molar flow kmol/h       2029.3789

Mass flow  kg/h        40000.0219

Average mol wt            19.7105

Actual dens kg/m3         12.5291

Actual vol m3/h         3192.5667

Std liq  m3/h            118.6738

Std vap 0 C m3/h       45485.7825

Cp kcal/kmol-C            10.1095

Z factor                   0.9521

Visc cP                   0.01103

Th cond kcal/h-m-C         0.0272

Temp  C                   25.0000

Pres  bar                 15.0000

Enth  kcal/h         -3.7297E+007

Vapor mass fraction        1.0000

Total kg/h             40000.0219

Flowrates in kg/h

Nitrogen                1200.0000

Methane                26800.0215

Ethane                  6000.0025

Propane                 3600.0034

I-Butane                 399.9979

N-Butane                 399.9979

I-Pentane                800.0007

N-Pentane                320.0009

N-Hexane                 479.9971

Поток 5

Stream No.                      5

       Name                      

- - Overall - -

Molar flow kmol/h       4739.4197

Mass flow  kg/h        92982.2259

Temp C                    12.9302

Pres bar                  14.1000

Vapor mole fraction         1.000

Enth kcal/h          -8.7335E+007

Tc C                     -44.7290

Pc bar                    66.9195

Std. sp gr.  wtr = 1        0.337

Std. sp gr.  air = 1        0.677

Degree API               288.7434

Average mol wt            19.6189

Actual dens kg/m3         12.2572

Actual vol m3/h         7585.9328

Std liq  m3/h            276.3995

Std vap 0 C m3/h      106227.6767

- - Vapor only - -

Molar flow kmol/h       4739.4197

Mass flow  kg/h        92982.2259

Average mol wt            19.6189

Actual dens kg/m3         12.2572

Actual vol m3/h         7585.9328

Std liq  m3/h            276.3995

Std vap 0 C m3/h      106227.6767

Cp kcal/kmol-C             9.9139

Z factor                   0.9490

Visc cP                   0.01066

Th cond kcal/h-m-C         0.0258

Temp  C                   12.9302

Pres  bar                 14.1000

Enth  kcal/h         -8.7335E+007

Vapor mass fraction        1.0000

Total kg/h             92982.2259

Flowrates in kg/h

Nitrogen                2808.9833

Methane                62711.2501

Ethane                 13986.7139

Propane                 8277.7188

I-Butane                 888.2316

N-Butane                 866.7766

I-Pentane               1581.6860

N-Pentane                620.4917

N-Hexane                 743.3326

Поток 8

Stream No.                      8

       Name                      

- - Overall - -

Molar flow kmol/h          7.7816

Mass flow  kg/h          278.3480

Temp C                    27.5949

Pres bar                   9.0000

Vapor mole fraction         1.000

Enth kcal/h          -1.7830E+005

Tc C                      68.9232

Pc bar                    66.6504

Std. sp gr.  wtr = 1        0.446

Std. sp gr.  air = 1        1.235

Degree API               185.5470

Average mol wt            35.7699

Actual dens kg/m3         14.3231

Actual vol m3/h           19.4336

Std liq  m3/h              0.6242

Std vap 0 C m3/h         174.4147

- - Vapor only - -

Molar flow kmol/h          7.7816

Mass flow  kg/h          278.3480

Average mol wt            35.7699

Actual dens kg/m3         14.3231

Actual vol m3/h           19.4336

Std liq  m3/h              0.6242

Std vap 0 C m3/h         174.4147

Cp kcal/kmol-C            16.1250

Z factor                   0.8990

Visc cP                  0.009294

Th cond kcal/h-m-C         0.0190

Temp  C                   27.5949

Pres  bar                  9.0000

Enth  kcal/h         -1.7830E+005

Vapor mass fraction        1.0000

Total kg/h               278.3480

Flowrates in kg/h

Nitrogen                   0.3107

Methane                   29.6596

Ethane                    59.7525

Propane                  144.0016

I-Butane                   9.1594

N-Butane                   9.0337

I-Pentane                 15.6693

N-Pentane                  6.1934

N-Hexane                   4.5678

Поток 9

Stream No.                      9

       Name                      

- - Overall - -

Molar flow kmol/h         11.7311

Mass flow  kg/h          879.6006

Temp C                   115.5554

Pres bar                   9.3000

Vapor mole fraction        0.0000

Enth kcal/h          -4.5597E+005

Tc C                     203.0274

Pc bar                    34.9555

Std. sp gr.  wtr = 1        0.634

Std. sp gr.  air = 1        2.589

Degree API                91.6793

Average mol wt            74.9801

Actual dens kg/m3        512.3791

Actual vol m3/h            1.7167

Std liq  m3/h              1.3886

Std vap 0 C m3/h         262.9373

- - Liquid only - -

Molar flow kmol/h         11.7311

Mass flow  kg/h          879.6006

Average mol wt            74.9801

Actual dens kg/m3        512.3791

Actual vol m3/h            1.7167

Std liq  m3/h              1.3886

Std vap 0 C m3/h         262.9373

Cp kcal/kmol-C            52.1542

Z factor                   0.0416

Visc cP                    0.1209

Th cond kcal/h-m-C         0.0695

Surf tens N/m              0.0055

Temp  C                  115.5554

Pres  bar                  9.3000

Enth  kcal/h         -4.5597E+005

Vapor mass fraction       0.00000

Total kg/h               879.6006

Flowrates in kg/h

Nitrogen                   0.0000

Methane                    0.0000

Ethane                     0.0001

Propane                    6.1625

I-Butane                  39.0377

N-Butane                  60.6188

I-Pentane                275.5071

N-Pentane                122.4607

N-Hexane                 375.8138

Исследование параметрической чувствительности

Для анализа параметрической чувствительности технологической схемы используется команда Run/Sensitivity Study (Пуск/Исследование чувствительности). С помощью этого анализа можно найти параметры, которые оказывают наибольшее влияние на функционирование системы.

Используя команду Run/Sensitivity Study (Счет/Исследование чувстви­
тельности), исследуем влияние колебаний давления и расхода потока питания на расход стабильного конденсата (поток 9) и содержание в нем пропана, а также расход и температуру потока 5. Проверяем, удовлетворяет ли предельный случай колебания давления и расхода потока питания заданной точке росы потока 5.

Исходные данные:

Температуру в кипятильнике колонны устанавливаем равной 240 °F. Остальные параметры оборудования оставляем без изменения. Интервалы варьирования:

для давления потока питания от 150 psia до 250 psia; для расхода питания от 4000 lDmol/hr до 6000 lbmol/hr. Выполняем команду контекстного меню Edit Unit Op Data (Редактирова­ние данных единицы оборудования). В окне TOWR Distillation Column (Ректификационная колонна) выбираем раздел Specifications (Специфика­ции). В списке Select reboiler mode: (Выбор режима куба:) устанавливаем ре­жим 3 Bottom product temperature (3  Температура куба)  и в поле Specification (Спецификация) вводим значение 240.

В окне Sensitivity Analysis (Анализ чувствительности) с помощью коман­ды New Analysis (Новый анализ) задаем имя анализа – Analysis 1. Выполняем команду Edit Independent Variable (Определение независимой переменной). В окне Independent Variable (Независимая переменная) вы­бираем Stream (Поток), в поле Object П> (ГО номер объекта) вводим номер потока – 1, из списка Variable4 выбрать 2 Pressure. Устанавливаем Variable Units (Единицы измерения переменной) 4 Pressure. Для задания интерва­лов варьирования переменной анализа в поле Vary this variable from (На­чальное значение переменной) вводим значение 150, в поле to (Конечное значение переменной) – 250, в поле in equal steps (С равными шагами)

–         10. Сохраняем данные, нажав кнопку ОК.

Для задания второй входной переменной выполняем команду Edit inde­pendent Parameter (Optional) (Определение независимого параметра (Произвольного)). В окне Independent Parameter (2nd Independent Variable) (Независимый параметр (2-ая независимая переменная)) вы­бираем Stream (Поток), в поле Object ГО (ГО номер объекта) вводим номер потока - 1, из списка Variable выбрать 5 Total mole rate (Полный мольный расход). Устанавливаем Variable Units (Единицы измерения переменной) 1 Mole Rate (Мольный расход). Для задания интервалов варьирования пере­менной анализа в поле Vary this variable from (Начальное значение пере­менной) вводим значение 4000, в поле to (Конечное значение переменной) –         6000, в поле in equal steps (С равными шагами) – 10.

Для задания выходных переменных выполняем команду Edit Recorded Variables (Определение перечня зависимых переменных). В качестве Dependent Variable 1 (Зависимой переменной 1) используем Stream (Поток), в поле Object ГО ввести номер потока – 9. В списке Variable (Пе­ременная) выбираем Comp mole rate (Мольный расход компонента), в спи­ске Сотр (Компонент) – Propane (Пропан). В списке Variable units – 1 Mole rate.

В качестве Dependent Variable 2 (Зависимой переменной 2) используем , Stream (Поток), в поле Object Ш вводим номер потока – 5. В списке Variable (Переменная) выбираем 1 Temperature, а в списке Variable units – 2 Temperature. Сохраняем данные, нажав кнопку ОК. Используя команду Run All (Счет всего), выполняем анализ. Используя кнопку  на панели инструментов или команду Run/Run All (Счет/Счет всего), выполнить моделирование  всей технологической схемы стабилизатора конденсата. Для просмотра и вывода результатов анализа в графической и табличной форме используем команду Plot Results (Графики результатов). Ана­лизируем полученные результаты.

Применение контроллеров

Controller(CONT) - контроллер. Функциональное назначение контроллера – изменение в процессе итерационного расчета схемы какой-либо независимой переменной А технологического процесса, используя данные измерений одной или двух переменных технологического процесса.

Если измеряется одно значение В1, то оно преобразовывается к виду: B=k1*B1, где k1 – коэффициент пропорциональности. В общем случае измеряемых переменных может быть задано две и математическая модель в этом случае будет следующей: B=f(k1*B1,k2*B2), где фунция f() представляет одну из арифметических бинарных операций со своими переменными: сложение, вычитание, умножение, деление.

Изменение независимой переменной А может производится двумя способами:

а) Прямым присвоением независимой переменной А значения В, т.е. выполняется операция А=B.

Режим прямого присвоения переменной контроллером называется Feed-Forward.

б) Изменением независимой переменной А таким образом, чтобы, зависимая от А (через технологический процесс) переменная В=f(A) приняла значение С, которое может быть как постоянным числом, так и любой измеряемой переменной процесса. Иными словами с помощью контроллера решается следующее уравнение: B(A)–C=0.

Режим решения уравнения B(A)–C=0 контроллером называется Feed-Backward.

Сохраняем загруженный проект под новым именем TUTORctrl.

1. В поток перед вентилем вставляем контроллер с ID=9. Выполняем настройку параметров контроллера так, чтобы выходное давление после вентиля №5 было линейной функцией давления потока №1.

2. Выполняем расчет. Проверяем значение давления после вентиля №5 и сравнить его с давлением потока №1.

3. Изменяем давление потока №1 с 15 до 12 бар. Убеждаемся в изменении давления после вентиля №5.

4. Снова изменяем давление потока №1 на 15 бар. Выполняем расчет с последующим сохранением.

5. Вставляем в поток №5 контроллер с ID=7. Выполняем настройку параметров контроллера таким образом, чтобы расход потока №5 составил 45000 кг/час.

6. Выполняем расчет схемы, проверяем массовый расход потока №5.

7. Добавляем из банка данных в список компонентов проекта этилмеркаптан.

8. Рисуем технологическую линию подачи этилмеркаптана в поток газа №5. Объединение потоков выполняем с помощью модуля: «смеситель потоков» (MIXE).

9. Задаем параметры потока индикаторного газа.

1.1.1.          Исходные данные:

–     Индикаторный газ:                          этилмеркаптан;

●     Температура, °С                           20.0;

●     Давление, бар                               20.0;

●     Расход, кг/час                               20.0;

10. Выполняем расчет схемы. Сохраняем схему.

11. Вставляем в поток после контроллера №7 еще один контроллер с ID=8. Выполняем настройку параметров контроллера таким образом, чтобы мольное содержание этилмеркаптана в потоке №5 составило 5ппм.

12. Выполняем расчет схемы и убеждаемся, что содержание этилмеркаптана в потоке №5 составляет 5ппм.

13. Изменяем содержание этилмеркаптана с 5ппм до 8 ппм.

14. Приводим ID аппаратов и потоков в соответствии с Рис. 1, расставляем комментарии к  контроллерам.

Рис. 1

Вывод

Мы провели моделирование технологической схемы стабилизатора конденсата, используя ко­манды меню Run (Счет). С помощью этих команд можно задавать последова­тельность расчета и выполнять контроль над ходом расчета.

Run All (Счет всего) – рассчитывает все оборудование технологической
схемы.