СКАЧАТЬ:  http://mysagni.ru/ucheba/avtomatizaciya/1910-posobie-matematicheskoe-modelirovanie-i-optimizaciya-himiko-tehnologicheskih-processov-s-primeneniem-modeliruyuschey-programmy-chemcad-.html

 Модуль реактора периодического действия BREACT

1.1.    Пиктограмма аппарата и его изображение

Реактор периодического действия представлен следующей пиктограммой , а также изображением: .

1.2.    Меню реактора периодического действия

Модуль CHEMCADa «Batch Reactor» (Реактор периодического действия) реализует собой математическую модель с большим набором настроечных параметров. Поэтому при вызове редактирования модуля «Batch Reactor» (обычно – двойной щелчок мышью на изображении аппарата в режиме Simulation: моделирование) вместо окна паспорта модуля появляется вертикально оформленное меню, с помощью которого осуществляется доступ к группам настроечных параметров модуля «Реактор периодического действия», Рис.38.

Для настройки модуля необходимо последовательно пройтись по всем вкладкам меню. Для выполнения данной лабораторной работы требуется настроить параметры только в следующих пунктах меню: Initial Charge (Начальная загрузка); General information (Общая информация); Rate equation units (Единицы измерения уравнения кинетики); Reaction Kinetics (Кинетические параметры реакции).

1.2.1.          Initial Charge (Начальная загрузка)

Данное окно является стандартным окном CHEMCAD редактирования потока.

1.2.2.          General information (Общая информация)

Вкладка Page 1

Вкладка Page 2

1.2.3.          Rate equation units (Единицы измерения уравнения кинетики)

1.2.4.          Reaction Kinetics (Кинетические параметры реакции)

1. Модуль «Cont» (Контроллер)

Данный модуль используется для решения двух задач:

– прямого присвоения одной величины другой;

– подбора влияющей величины таким образом, чтобы другая величина соответствовала определенному значению или третьей величине.

Окно ввода параметров содержит два раздела:

– вкладка «General Settings»(общие параметры), Рис. 44, Рис. 45;

– вкладка «Optional Parameters»(дополнительные параметры), Рис. 46.

2.1.    Вкладка «General Settings» (общие параметры)

В списке Controller Mode (Режим расчета контроллера) выбираются следующие режимы:

– Controller Off (Контроллер выключен); в этом случае модуль контроллера не участвует в расчете схемы;

– Feed-Forward (Прямое присвоение); контроллер присвавает некоторой переменной модифицированное значение другой переменной; в этом режиме не все поля доступны для редактирования.

– Feed-Backward (Подстройка величины); контроллер выполняет поиск решения одномерного нелинейного уравнения методом Ньютона-Рафсона. Параметры уравнения формируются в полях ввода данных.

Далее, имеются три группы полей, назначение которых различно в зависимости от режима работы контроллера.

2.1.1.          Режим работы контроллера Feed-Forward

В группе полей Set This variable (Установить эту переменную) используются три базовых поля, позволяющих определить во внутренних единицах измерения некоторые переменные технологической схемы (Рис. 44). Подробнее об этих полях см. в приложении «Определение переменных в технологической схеме».

В группе полей Equal to this (Равной следующему выражению) используются восемь базовых полей, позволяющих определить во внутренних единицах измерения какие-либо две переменные технологической схемы (по четыре поля на каждую переменную). Подробнее об этих полях см. в приложении «Определение переменных в технологической схеме». Кроме этого для каждой из двух переменных имеются поля Scale(Масштаб), позволяющих задать коэффициенты пропорциональности, на которые умножаются переменные. В списке Arithmetic Operator (Арифметический оператор) можно выбрать одну из четырех арифметических операций (сложение, вычитание, умножение, деление), которая выполняется над этими двумя переменными, чтобы получить искомое выражение. По умолчанию в списке арифметическая операция не задействована (0 No operator).

Последняя группа полей (без названия) в режиме работы контроллера Feed-Forward не используется.

2.1.2.          Режим работы контроллера Feed-Backward

В группе полей Adjust this variable (Настраивать эту переменную) используются четыре базовых поля, позволяющих определить в требуемых единицах измерения некоторые переменные технологической схемы (Рис. 45). Подробнее об этих полях см. в приложении «Определение переменных в технологической схеме». В полях Minimum value (Минимальное значение) и Maximum value (Максимальное значение) задается интервал в требуемых единицах измерения, в котором контроллер будет варьировать настраиваемую величину (независимую переменную).

В группе полей Until this (до тех пор, пока следующее выражение) используются восемь базовых полей, позволяющих определить во внутренних единицах измерения какие-либо две переменные технологической схемы (по четыре поля на каждую переменную). Подробнее об этих полях см. в приложении «Определение переменных в технологической схеме». Кроме этого для каждой из двух переменных имеются поля Scale(Масштаб), позволяющих задать коэффициенты пропорциональности, на которые умножаются переменные. В списке Arithmetic Operator (Арифметический оператор) можно выбрать одну из четырех арифметических операций (сложение, вычитание, умножение, деление), которая выполняется над этими двумя переменными для получения искомого выражения. По умолчанию в списке арифметическая операция не задействована (0 No operator).

В группе полей Is equal to this target (не станет равным следующему значению) используются пять базовых полей, позволяющих определить в требуемых единицах измерения какую-либо переменную технологической схемы. Подробнее об этих полях см. в приложении «Определение переменных в технологической схеме». Кроме этого для каждой из задаваемой переменной имеется поле Scale(Масштаб), позволяющее задать коэффициент пропорциональности, на который умножается переменная.

Имеется возможность вместо переменной технологической схемы задать постоянное значение в требуемых единицах измерения, которое вводится в поле Constant (Константа).

2.2.    Вкладка «Optional parameters» (дополнительные параметры)

Данная вкладка (Рис. 46) доступна только для контроллера в режиме Feed-Backward.

На ней приводятся настроечные параметры для поиска решения с помощью метода Ньютона-Рафсона.

Кроме этого имеется группа полей Optional User Specified Controller Loop (последовательность расчета контура контроллера), в которых можно задать последовательность расчета модулей технологической схемы, влияющих на замкнутый контур расчета контроллера.

Примечание. Работа с полями  вкладки «Optional parameters» рассчитаны на опытного пользователя.

1.  Остальные? (сепаратор, клапан и т.д.)

Модуль Valve(VALV) (Вентиль) выполняет функцию расчета фазового равновесия при адиабатических условиях над входным потоком при заданном выходном давлении (Рис. 47).

В качестве настроечных параметров модели могут быть заданы:

­ Outlet pressure (выходное давление) – вводится выходное давление в соответствующих единицах измерения;

­ Pressure drop (перепад давления) – вводится перепад давления на вентиле, выходное давление будет рассчитано;

­ Dew point temp (температура точки росы) – выходное давление будет установлено давлению, соответствующему температуре начала конденсации входного потока;

­ Bubble point temp (температура точки кипения) – выходное давление будет установлено давлению, соответствующему температуре начала кипения входного потока.

Настроечные параметры вводятся в соответствущие поля, причем задается только один параметр из четырех возможных, о чем и предупреждает сопутствующая надпись с зеленым текстом: Enter on of the options (Введите одну из опций).

В дополнение к этому можно выставить флажок в поле Close valve completely (turn valve off), при этом вентиль будет считаться закрытым, а выходной поток – нулевым.

Модуль VALV имеет один вход и от 1 до 3 выходов. Если с помощью дополнительной графической палитры была выбрана пиктограмма с несколькими выходами, то в этом случае модуль VALV будет выполнять функцию сепаратора фаз. Модуль с двумя выходными потоками работает следующим образом: газовая фаза направляется через первый выход, жидкая фаза (если имеется) – через второй. Модуль же с тремя выходами делит на фазы поток с одной газовой фазой и двумя жидкими.

Как уже было сказано, изменение давление потока происходит адиабатически, т.е. температура потока может измениться на выходе. Для большинства газов температура после вентиля понижается.

Модуль Flash (FLAS) (Равновесие) является обобщенной моделью, которая позволяет рассчитывать фазовое равновесие в различных постановках. При выборе соответствующей постановки задачи может быть выполнен расчет фазового равновесия при постоянной доле отгона, изотермических, адиабатических, изоэнтропийных условиях при различных температурах и давлениях. В случаях, когда вода и и углеводороды образуют две жидкие фазы, допускается слив воды с последнего (нижнего) выхода. При задании адиабатических режимов в качестве входных данных может быть использована тепловая нагрузка.

Из списка Flash Mode (Режим расчета равновесия) можно выбрать следующие постановки задачи:

– 0 Use inlet T and P; calculate V/F and Heat (Использовать входные давление и температуру, рассчитать долю отгона и энтальпию);

– 1 Specify V/F and P; calculate T and Heat (Задать долю отгона и давление; рассчитать температуру и энтальпию);

– 2 Specify T and P; calculate V/F and Heat (Задать давление и температуру; рассчитать долю отгона и энтальпию);

– 3 Specify T and H; calculate V/F and P (Задать температуру и энтальпию; рассчитать долю отгона и давление);

– 4 Specify V/F and T; calculate P and Heat (Задать долю отгона и температуру; рассчитать давление и энтальпию);

– 5 Specify P and H; calculate V/F and T (Задать давление и энтальпию; рассчитать долю отгона и температуру);

– 6 Specify P; isentropic flash (Задать давление; поиск решения при постоянной энтропии);

– 7 Specify T; isentropic flash (Задать температуру; поиск решения при постоянной энтропии);

– 8 Specify P; water dew pt T (H20/HC) (Задать давление; поиск решения при температуре точки росы в смеси вода/углеводороды);

– 9 Specify T; water dew pt P (H20/HC) (Задать температуру; поиск решения при давлении точки росы в смеси вода/углеводороды);

There are several modes for specifying the flash.

 0 - T,P flash     Isothermal flash at input stream conditions.

   1 - V,P flash  Flash at fixed vapor fraction (parameter 1) and pressure (parameter 2).  Bubble point temperature can be obtained by setting V = 0 (parameter 1) and P (parameter 2).  Dew point temperature can be obtained by setting V = 1. (parameter 1) and P (parameter 2).

   2 - T,P flash   Flash at fixed temperature (parameter 1) and pressure (parameter 2).  Input stream T and P will be used if parameters are not entered.

   3 - H,T flash  Flash at input enthalpy and fixed temperature (parameter 1).  Input temperature will be used if parameter 1 is not entered.  The user may input a heat duty in parameter 5, using mode 6.

   4 - V,T flash  Flash at fixed vapor fraction (parameter 1) and temperature (parameter 2).  This mode can be used to calculate the vapor pressure of a stream at T, and specified vapor fraction .  Bubble point pressure can be calculated by specifying V = 0. (parameter 1) and T (parameter 2).  Input stream temperature will be used if temperature is not entered.

 5 - H,P flash     Adiabatic flash at input stream enthalpy and fixed pressure P (parameter 1). Input stream pressure will be used if parameter 1 is zero.  The user may input a heat duty in parameter 5.

   6 - S,P flash   Flash at input stream entropy and fixed pressure (parameter 1).  Input stream pressure will be used if pressure is not entered.

   7 - S,T flash   Flash at input stream entropy and fixed temperature (parameter 1).  Input stream temperature will be used if temperature is not entered.

 8 - H2O DP at T          Calculate the water dew point temperature at a fixed temperature (parameter 1).  The inlet stream temperature will be used if a temperature is not entered.

   9 - H2O DP at P        Calculate the water dew point pressure at a fixed pressure (parameter 1).  The inlet stream pressure will be used if a pressure is not entered.

10 - T,P for drying        This option is for the drying of solids.  Using this option, the user specifies temperature and pressure.  The program assumes that all the solids come out the bottom and everything else comes out the top as vapor.  It then performs a heat and material balance on that basis.

Specification 1:

Each operation mode allows thermal specifications for the outlet. This field is labeld with the units of the value being specified by the selected mode. Below is the list of variable vs. mode.  Leaving this field blank will result in the use of the inlet value for the property.

mode 0, not used

  mode 1, enter vapor fraction

  mode 2, enter temperature

  mode 3, enter temperature

  mode 4, enter vapor fraction

  mode 5, enter pressure

  mode 6, enter pressure

  mode 7, enter temperature

  mode 8, enter temperature

  mode 9, enter pressure

  mode 10, enter temperature

Specification  2 :

Each operation mode allows thermal specifications for the outlet. This field is labeld with the units of the value being specified by the selected mode. Below is the list of variable vs. mode. Not all modes allow a second specification. Leaving this field blank will result in the use of the inlet value for the property.

mode 0, not used

  mode 1, enter pressure

  mode 2, enter pressure

  mode 3, not needed

  mode 4, enter temperature

  mode 5, not used

  mode 6, not used

  mode 7, not used

  mode 8, not used

  mode 9, not used

  mode 10, enter pressure

Heat duty :

This is the heat duty required to obtain the specified outlet conditions, starting from the inlet conditions.

The FLAS may have multiple (up to 13) input streams.

The flash operation may have one to three output streams.  If one output stream is specified, the output stream will always have the same composition and flow rate as the input stream but the thermal conditions (temperature, pressure, vapor fraction enthalpy, etc.) may be different depending on the mode selected for flash operation.

If two output streams are specified, the first is always vapor and the second is always liquid.  Should the flash operation result in all vapor, the second output stream (liquid) will be an empty stream with zero flow rate and will have the same temperature and pressure as the first output stream (vapor).  If the flash operation produces all liquid, the first output (vapor) will be empty and the second stream (liquid) will have the same flow rate and composition as its input stream.  If the water immiscible option is selected as the thermodynamic model, the free water (if any) will be included in the second output stream unless three output streams are specified as described below.

If three output streams are specified, and the water immiscible option is selected, the third output stream will contain free water (if any) as a result of flash operation.  In this case, the first output stream will be vapor and the second output will be liquid which contains the hydrocarbons and some water dissolved in the hydrocarbon as predicted by the water solubility model.  The third will be all liquid containing free water.

If three output streams are specified and the LLV (rigorous three-phase flash for all units) option is on, the first outlet will contain the vapor, the second outlet will contain the light liquid phase, and the third outlet will contain the heavy liquid phase.

Estimations on output temperature or pressure are usually not required in most cases.  However, if the flash operation condition is close to the critical region of the stream, estimation on temperature or pressure may be needed for better convergence.  Estimations can be entered as temperature or pressure of the first flash output stream.  Check the following table for estimations on different flash modes.

Mode     FLASH           Estimation of the first output stream

  0          Inlet T,P          Not needed

    1        V,P Flash        Temperature

    2        T,P Flash         Not needed

    3        H,T Flash        Pressure

    4        V,T Flash        Pressure

    5        H,P Flash        Temperature

    6        S,P Flash         Temperature

    7        S,T Flash         Pressure

    8        H2O DP, T Flash       Temperature

    9        H2O DP, P Flash       Pressure

 10         T1 P Calculation         Not needed

Note:   Estimations of flow rate and vapor fraction are not  needed in all cases.

Поле Output pressure (Выходное давление):

Введите давление смесителя. Если значение поля не задано, нулевое или отрицательное, то в качестве выходного давления смесителя используется наименьшее давление из входных потоков в модуль.

Поле For autocalc only, select the input stream where flowrate will be recalculated (Только для режима AutoCalc выберите входные потоки, для которых расход будет пересчитан).

В режиме моделирования AutoCalc один входной поток остается незаданным. Выходной поток и заданные входные потоки используются для обратного расчета незаданного входного потока. В данном поле указывается ID незаданного входного потока. Его расход будет рассчитан данным модулем по условию материального баланса.

Поле For autocalc only, select the input streams where pressure is recalculated (Только для режима AutoCalc выберите входные потоки, для которых давление будет пересчитано). Для выбранных входных потоков их давление будет переустановлено на выходное давление модуля.

Для смешиваемых потоков адиабатически рассчитывается равновесие при заданном давлении. Если давление не задано, то используется наименьшее давление из входных потоков. Важно отметить, что на выходе из смесителя чаще всего температура отличается от входной вследствие адиабатического расчета равновесия, то есть при постоянной энтальпии.

У смесителя может быть до тринадцать входных потоков и до двух выходных потоков, но суммарное число входов и выходов не должно превышать четырнадцати.

Если у смесителя два выхода, то на первом выходе – поток паровой фазы, на втором выходе – поток жидкой фазы.

Математическое моделирование технологических процессов

1. Запуск программы моделирования

Для проведения моделирования технологической схемы используются ко­манды меню Run (Счет). С помощью этих команд можно задавать последова­тельность расчета и выполнять контроль над ходом расчета.

Рассмотрим варианты моделирования технологической схемы:

Run All (Счет всего) – рассчитывает все оборудование технологической
схемы. При этом программа в первую очередь проверяет все данные перед
началом расчетов. В процессе проверки она может выдавать как предупре­ждения (Warning), так и сообщения об ошибках (Error) с выводом информационного окна «-CHEMCAD Message Box-» (Рис. 49):

 Расчет не будет выполняться до тех пор, пока не будут устранены причины этих ошибок (Correct data before running – Исправьте данные перед счетом; Рис. 49).

Если при проверке данных не будет обнаружено ни одной ошибки при наличии предупреждений, то информационное окно «-CHEMCAD Message Box-» будет иметь условно следующий вид (Рис. 50):

В этом случае пользователю будет предложено: Do you wish to continue (Вы желаете продолжить?), см. Рис. 50. В случае нажания на кнопку Yes схема будет запущена на расчет. При нажатии на кнопку No расчет производиться не будет.

Если при проверке данных не будет обнаружено ни одной ошибки и ни одного предупреждения, то окно выводится не будет и схема сразу же будет запущена на расчет.

Последовательность расчета модулей оборудования определяется программой автоматически.

После завершения процесса расчета снова выводится информационное окно «-CHEMCAD Message Box-», которое информирует пользователя о полном сведении материально-теплового баланса схемы (см.Рис. 51), о частичном сведении материального баланса схемы (см.Рис. 52) или же о том, что баланс не сошелся (см.Рис. 53). В двух последних случаях не все материальные потоки схемы будут достоверными.

Run Selected Units (Счет выбранного оборудования) – выполняет расчет
одной или более единиц выбранного оборудования. Процесс выбора тот же,
что и при работе с командой UnitOps (Оборудование). Команда может ис­пользоваться для задания последовательности расчета.

Recycles (Рециклы) – позволяет идентифицировать порядок расчета рециклов технологической схемы и рассчитать их.

Calculation sequence (Последовательность расчета) – позволяет задать
свою последовательность расчета модулей технологической схемы.

1. Упражнение

1. Используя кнопку  на панели инструментов или команду Run/Run All (Счет/Счет всего), выполнить моделирование  всей технологической схемы стабилизатора конденсата.  Проана­лизировать полученные результаты.

2. Изменить данные для стабилизатора, введя для кубового продукта долю
пропана 1%.

Для ввода новых данных любым из известных способов выбрать стабилиза­тор. В окне ввода параметров перейти в раздел Specifications (Специфика­ции) и в списке Select reboiler mode: (Выбор режима куба:) выбрать режим 6 Bottom component mole fraction (6 Суммарная мольная доля компонентов в кубовом остатке). В поле Specification (Значение) ввести значение 0.01 вместо имеющегося значения. После выбора режима куба на экране отобразится список Component (Компонент), в котором надо выбрать про­пан.

3. Для использования конечных результатов последнего моделирования в каче­стве начального приближения в разделе Convergence (Сходимость) в поле Initial flag (Признак профиля) выбрать 1 Reload column profile (Повторная загрузка профиля колонны). Сохранить введенные параметры. Вы­полнить снова моделирование схемы. Проанализировать полученные результаты.

1. Интерактивный просмотр результатов

Просмотр полученных результатов используется как на промежуточных эта­пах моделирования технологической схемы, так и по его завершению. При про­смотре в любой момент все данные для моделирования и его результаты можно распечатать или записать в файл.

Для просмотра используются команды меню Results (Результаты) и Plot (Граф.), доступные в режиме Mode: Simulation.

Подробнее об использовании команд см. Приложение «Интерактивный просмотр результатов».

1. Упражнение п.2.21. СП , дополнить заданием 4 п. 2.23 сп)

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

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

Используя команду Plot/Envelopes (Граф./Фазовая диаграмма), построить 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), ввести значение - 0.5, а во второе поле - 0.75. Сохранить данные, нажав кнопку ОК.

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

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