ФЭА / АИТ / Лабораторная работа №1 по дисциплине Моделирование систем на тему: «Математическое моделирование технологических процессов»
(автор - student, добавлено - 7-04-2014, 20:09)
СКАЧАТЬ:
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 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 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 Похожие статьи:
|
|