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

Составление отчетов

ChemCad позволяет создавать отчет о результатах моделирования в виде таблиц.

Отчет можно получить в табличной (текстовой) форме и в виде диаграммы технологического процесса.

Подробнее о составлении отчетов см. Приложения:

- «Генерация отчета в табличной форме»;

- «Составление диаграммы технологического процесса».

1. Упражнение п.2..23сп задания 1,2,3 дополнить построением основной PFD

Загрузить задание TUTOR1.

Для потоков 1, 5, 8 и 9 распечатать составы потоков, выраженные в массо­
вых расходах и мольных долях, а также все свойства потоков, установлен­
ные по умолчанию! Для выбора потоков выполнить команду Output/Re­
port/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/Со­
став потока), установить опцию Mass flow rate (Массовый расход) и на­
жать кнопку ОК.

1. 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.

После выполнения команды на экран выводится окно, содержащее меню с командами управления анализами чувствительности.

Подробности о работе с анализом параметрической чувствительности приводятся в Приложении «Анализ параметрической чувствительности в ChemCad».

1. Упражнение (п.2.19 сп, задание 3)

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

Исходные данные:

Температуру в кипятильнике колонны установить равной 240 °F. Остальные параметры оборудования оставить 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. Выполнить команду контекстного меню 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 240.

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

–            10. Сохранить данные, нажав кнопку ОК.

Для задания второй входной переменной выполнить команду Edit inde­pendent Parameter (Optional) (Определение независимого параметра (Произвольного)). В окне Independent Parameter (2nd Independent Variable) (Независимый параметр (2-ая независимая переменная)) вы­брать Stream (Поток), в поле Object ГО (ГО номер объекта) ввести номер потока - 1, из списка Variable выбрать 5 Total mole rate (Полный мольный расход). Установить 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) ввести значение 4000, в поле to (Конечное значение переменной)

–            6000, в поле in equal steps (С равными шагами) – 10.

Для задания выходных переменных выполнить команду Edit Recorded Variables (Определение перечня зависимых переменных). В качестве Dependent Variable 1 (Зависимой переменной 1) использовать Stream (Поток), в поле Object ГО ввести номер потока – 9. В списке Variable (Пе­ременная) выбрать 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) использовать , Stream (Поток), в поле Object Ш ввести номер потока – 5. В списке Variable (Переменная) выбрать 1 Temperature, а в списке Variable units – 2 Temperature. Сохранить данные, нажав кнопку ОК. Используя команду Run All (Счет всего), выполнить анализ. Для просмотра и вывода результатов анализа в графической и табличной форме использовать команду Plot Results (Графики результатов). Проана­лизировать полученные результаты.

1. Применение контроллеров

Одним из часто используемых модулей в УМП CHEMCAD является модуль 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.

1. Задание

Давление после вентиля №5 (Рис. 4) должно быть прямо пропорционально давлению потока №1. Коэффициент пропорциональности равен 0.8.

6.1.1.          Исходные данные:

–      Параметры потока питания:

●     Температура, °С                         25.0;

●     Давление, бар                            15.0;

– Температура куба колонны, °С    120;

1.  Упражнение

1. Загрузить задание TUTOR.Проверить проект на соответствие исходным данным предыдущего пункта. При необходимости внести изменения и рассчитать схему. Далее сохранить загруженный проект под новым именем TUTORctrl.

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

3. Выполнить расчет. Проверить значение давления после вентиля №5 и сравнить его с давлением потока №1.

4. Изменить давление потока №1 с 15 до 12 бар. Убедиться в изменении давления после вентиля №5.

5. Снова изменить давление потока №1 на 15 бар. Выполнить расчет с последующим сохранением.

1.  Задание

1. Найти такое значение входного потока №1, чтобы расход потока №5 составлял 45000 кг/час.

2. Добавить в схему технологическую линию подачи индикаторного газа в поток осушенного газа №5.

8.1.1.          Исходные данные:

–      Индикаторный газ:                            этилмеркаптан;

●     Температура, °С                                        20.0;

●     Давление, бар                                            20.0;

●     Расход, кг/час                                            20.0;

3. Установить содержание индикаторного газа в потоке осушенного газа равным 5ппм.

1.  Упражнение

1. Загрузить задание TUTORctrl.

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

3. Выполнить расчет схемы, проверить массовый расход потока №5.

4. Добавить из банка данных в список компонентов проекта этилмеркаптан.

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

6. Задать параметры потока индикаторного газа.

7. Выполнить расчет схемы. Сохранить схему.

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

9. Выполнить расчет схемы и убедиться, что содержание этилмеркаптана в потоке №5 составляет 5ппм.

10. Изменить содержание этилмеркаптана с 5ппм до 8 ппм.

11. Привести ID аппаратов и потоков в соответствии с Рис. 54, расставить комментарии к  контроллерам.

10.  Вопросы для самопроверки

Оптимизация технологических процессов

1. Постановка задачи оптимизации

1. Формирование задачи оптимизации. Выбор критерия оптимальности, поисковых переменных, ограничений

1. Упражнение

Оптимизация технологического процесса будет показана на примере ТП синтеза аммиака. Данный пример реализован в виде лабораторного практикума, последовательность выполнения которого рекомендуется выполнять согласно схеме на

Рис. 5 (стр.33), где оптимизация ТП выполняется на этапе …. То есть, предварительно необходимо выполнить моделирование схемы. Оптимизация в УМП ChemCad реализована в виде отдельного инструмента, руководство по работе с которым приводится в Приложении «Реализация оптимизации в ChemCad».

3.1.    Постановка задачи моделирующего расчета

При заданных параметрах исходной смеси и режимах работы оборудования произвести моделирующий расчет установки синтеза аммиака с применением программы CHEMCAD. Технологическая схема процесса представлена ниже на Рис. 55.

3.2.    Описание технологической схемы

Исходная азото-водородная смесь с примесью газов метана и аргона смешивается с газовой фазой из сепаратора низкого давления (2), сжимается в компрессоре (3) до 335 Бар, смешивается с циркуляционным газом из компрессора (4), нагревается в печи (5) и поступает в реактор (6). В реакторе с неподвижным слоем катализатора при температуре 400-550 град.С и давлении 335 Бар протекает обратимая экзотермическая реакция синтеза аммиака:

Равновесная смесь контактного газа, покидающая реактор, охлаждается в теплообменнике (7), частично конденсируется и поступает в сепаратор высокого давления (8). Циркуляционный газ из сепаратора высокого давления  с целью предотвращения накопления инертных газов частично выводится из установки постоянной продувкой. Циркуляционный газ компримируется в компрессоре (4) до давления 335 Бар. Сжатие циркуляционного газа предназначено для компенсации потерь давления в системе. Конденсат аммиака из сепаратора (8) дросселируется до давления 150 Бар через дросселирующий клапан (9), охлаждается в теплообменнике (10) и поступает в сепаратор низкого давления (2) на выделение растворенных в аммиаке газов. Жидкий аммиак из сепаратора (2) в качестве товарного продукта покидает установку. Выделившиеся в сепараторе (2) газы направляются в начало технологического процесса. 

Указанная постановка задачи относится к моделирующему расчету.

3.3.    Исходные данные

Список компонентов системы:

– Водород (Hydrogen)

– Метан (Methane)

– Аммиак (Ammonia)

– Азот (Nitrogen)

– Аргон (Argon)

Поток питания:

Температура                            –                          30 град.С

Давление                                 –                        150 бар                    

Расход                                      –                      1000 кг/час

Массовые доли компонентов (Weight fraction):                                       

Водород                    –                          17%

Метан                        –                            1%

Азот                           –                          81%

Аргон                        –                            1%

Спецификация компрессоров (3), (4)

Модуль компрессора                                                 –          COMP/EXPN

Режим работы (Mode of operation)                          –          Задать выходное давление и эффективность (Specify output pressure and efficency)

Модель компрессора (compressor model type)      –          Адиабатическое сжатие (Adiabatic Compression)

Выходное давление (Pressure out)                           –          335 Бар

Эффективность (Efficiency)                                     –          0.8

Спецификация печи (5)

Модуль печи                                                              –          FIRE

Температура на выходе (Temperature out)                        –          450 град.С

Перепад давления  (Pressure Drop)                        –          0.1 Бар

Спецификация реактора (6)

Модуль реактора                                                       ­­–          EREA

Число хим.реакций (Number of reactions)             –          1

Перепад давления (Pressure Drop)                         –          0.1 Бар

Модель реактора (Reactor Model)

Тип реактора (Specify reactor type)           –         Общий равновесный реактор

(General equilibrium reactor)

              Реакция протекает только в паровой фазе (Vapour only)

Тепловой режим (Thermal Mode)                           –          Адиабатический (Adiabatic)

Режим вычислений (Specify Calculation Mode)    –          Примерный перепад

                                                                                                температур (Approach Delta T)

Окно "Данные по химическому равновесию" (Equilibrium Data)

              Базовый компонент (Base Component)    –          Аммиак (Ammonia)

              А-Фактор (A Factor)                                   –          -19.8

              B-Фактор (B Factor)                                               –          14392

              Компонент (Component)                                       Стехиом. коэффициент      

                          Азот (Nitrogen)                                –          -1

                          Водород (Hydrogen)                        –          -3

                          Аммиак (Ammonia)                         –          2

Спецификация теплообменников (7), (10)

Модуль теплообменников                                        –          HTXR

Перепад давления (Pressure drop)                          –          0.1 Бар

Температура потока 7 (Temperature of stream 7) –          90 град.С

Температура потока10(Temperature of stream10)–          30 град.С

Спецификация сепараторов (2), (8)

Модуль сепараторов                                                 –          FLAS

Режим расчета равновесия (Flash Mode)                –          Использовать входные T и P

                                                                                                (Use inlet T and P)

Спецификация дросселирующего клапана (9)

Модуль дросселирующего клапана                         –          VALV

Выходное давление (Outlet Pressure)                     –          150.1 Бар

Спецификация делителя потока (12)

Модуль делителя потока                                          –          DIVI

Деление потока основано на (Split based on)         –       Доля потоков (Flow Ratio)

              Поток 16 (Output_1 Stream 16)                   –          0.0001

              Поток 14 (Output_2 Stream 14)                   –          0.9999

Расчет коэффициентов фазового равновесия: (Global KValue option):

Пенг-Робинсон (Peng-Robinson);

Инженерные единицы (Engineering Units)          –          Alt SI.

Параметры сходимости (Convergence Parameters)

              Расчет сходимости рециклов                     –          Метод простых итераций

(Recycle convergence Methods)                                           (Direct Substitution)

Макс. число рецикловых итераций          –          4400

(Max Recycle Iterations)

              Погрешности вычисления рециклов        –          0.0002

              (Recycle Tolerances)

              Коэффициент сглаживания ОИ                –          0.1

              (Flash damping factor)                                                                                            

              Погрешность расчета ОИ                           –          1e-006

              (Flash tolerance)

3.4.    Задание

1. Создать новый проект с названием AMMONIA. Путь к проекту на жестком диске необходимо согласовать с преподавателем.

2. Собрать технологическую схему, приведенную на Рис. 55. При сборке схемы использовать при необходимости команды контекстного меню (щелчок правой кнопкой мыши на выделенном объекте) для отображения объектов относительно горизонтальной (Flip Horizontal X) или вертикальной оси (Flip Vertical Y), а также для их поворота на 90 град. (90 Clockwise, 90 CounterCW).

3. Задать компоненты системы.

4. Задать метод расчета равновесия, инженерные единицы, параметры сходимости.

5. Задать параметры потока питания и оборудования в соответствии с предложенными спецификациями. Присвоить потокам 1, 11, 16 имена. Запустить программу моделирования.

6. Дополнить технологическую схему спецификацией на реактор (6), компрессор (3), делитель (12), теплообменники (7) и (10), сепараторы (2) и (8), используя дополнительный графический режим работы CHEMCADa – PFD (Process Flow Diagramm).

7. Дополнить технологическую схему таблицей по входным/выходным потокам со следующей информацией: массовый расход, температура, давление, энтальпия, энтропия, мольная доля отгона, а также состав потоков в массовых процентах и молекулярный вес потоков. Проанализировать материальный баланс системы.

8. Для потоков 5, 6, 7, 9, 14 создать динамические ярлычки (TP-Boxes), с указанием в них температуры и давления соответсвующих потоков.

9. (Дополнительное). Используя проект "AMMONIA", создать технологическую схему в стандартном текстовом процессоре "MS Word", аналогично Рис. 55 данной работы.

3.5.    Оптимизация топологии

Учитывая, что реакция синтеза аммиака сильно экзотермическая, целесообразно использовать тепло реакционных газов для подогрева исходной смеси, поступающей в реакторный узел. Для этого включим между смесителем 11 и печью 5 теплообменник-рекуператор.

Технологическая схема примет вид, как показано на Рис. 56.

Изменения в существующей технологической схеме можно произвести следующим образом.

В графическом режиме выделить разрываемый поток. В данном случае это поток №4 на Рис. 55. Вызвать контекстно-зависимое меню нажатием правой кнопки мыши на выделенном потоке. В появившемся меню выполнить пункт "Insert Unit" (Вставить модуль). CHEMCAD выдаст следующее сообщение (см.Рис. 57):

В нашем случае необходимо выбрать модуль теплообменника HTXR. Для выбора теплообменника с двумя потоками необходимо щелкнуть правой кнопкой мыши по символу теплообменника на палитре модулей. В появившемся списке выбрать теплообменник #5, а затем щелкнуть на разрываемом потоке №4. Произойдет автоматическая вставка выбранного объекта.

Далее, изменяется направление потока 6 с помощью команды контекстно-зависимого меню "Reroute Stream" (Перенаправить поток), а из свободного выхода нового теплообменника проводится поток к теплообменнику 7.

3.6.    Дополнения и изменения в исходных данных

Спецификация печи (5)

Температура на выходе (Temperature out)                        –          500 град.С

Спецификация теплообменника (10)

Температура потока10(Temperature of stream10)–          50 град.С

Спецификация теплообменника (13)

Модуль теплообменника                                          –          HTXR

Перепады давлений (Pressure drop)                       –          0.1 Бар

Температура потока17(Temperature of stream17) –         350 град.С

3.7.    Задание

Произвести расчет видоизмененной технологической схемы.

3.8.    Оптимизация стационарного режима

Сформулируем критерий оптимизации, ограничения, выберем поисковые (независимые переменные).

Пусть требуется при заданной нагрузке по синтез-газу (поток 1) максимизировать производительность установки (поток 11)

В качестве поисковых переменных u примем температуру t⁵ на входе в реактор (6), температуру t¹⁰ на входе в сепаратор низкого давления (2). На поисковые переменные накладываются ограничения:

Кроме этого необходимо выполнение ограничений на качество получаемого аммиака

3.9.    Задание

1. Ознакомиться с Приложением "Определение переменных в технологической схеме".

2. Ознакомиться с Приложением "Оптимизация в CHEMCADe".

3. Сохранить имеющийся проект «AMMONIA» под другим именем: «AMMONIA2».

4. Вызвать главное окно оптимизации.

5. Ввести данные для задачи оптимизации из предыдущего пункта и выполнить задачу оптимизации.

6. Провести анализ сгенерированного отчета.

1. Интерпретация результатов оптимизации

1. Упражнение

5.1.    Оптимизация энергопотребления

Пусть компрессор 3 будет двухступенчатым, первая ступень которого насажена на один вал с турбодетандером. Турбодетандер, в свою очередь, заменит дросселирующий клапан №9 – см. Рис. 58:

Совместное использование компрессора и турбодетандера приводит к рекуперации энергии в технологической схеме: кинетическая энергия турбодетандера через общий вал передается на первую ступень компрессора. Модулем, с помощью которого можно смоделировать передачу энергии из одного модуля в другой, является контроллер. На схеме он расположен под номером 15. Данный контроллер должен находиться в режиме прямой передачи сигнала (Feed-forward).

Настроечные параметры детандера приведены на Рис. 59.

Настроечные параметры компрессора приведены на Рис. 60.

Настроечные параметры контроллера приведены на Рис. 61, Рис. 62.

5.2.    Задание

1. Загрузить проект «AMMONIA».

2. Сохранить загруженный проект «AMMONIA» под другим именем: «AMMONIA3».

3. Изменить технологическую схему, добавив в нее компрессор 14, турбодетандер 9 – выполнив замену клапана 9, а также контроллер 15.

4. Выполнить расчет схемы с обновленными исходными данными.

5. Перевести контроллер 15 в режим «Feed-forward». Выполнить расчет схемы и проанализировать параметры настройки компрессора 14. Сохранить проект.

5.3.    Оптимизация поиска переменных с неявной зависимостью

Пусть требуется получить выход аммиака, равный 1500 кг/час при неизвестном расходе потока питания №1. Данную задачу с приемлемой точностью можно решить, подбирая расход потока питания №1 таким образом, чтобы расход потока №11 стал равным 1500 кг/час. После изменения потока №1 схема запускается на расчет, и получается расход потока №11. Если расход аммиака не удовлетворяет требуемому значению, то процедура поиска повторяется.

С помощью модуля «CONT» (контроллер) данную задачу можно решить значительно проще. В этом случае контроллер вставляется в схему под №16 в разрыв потока №11 – см. Рис. 58. Настроечные параметры контроллера приведены на Рис.105. В данном случае контроллер должен находиться в режиме обратной передачи сигнала (Feed-backward).

5.4.    Задание

1. Изменить технологическую схему, добавив в нее контроллер 16 (см. Рис. 58).

2. Выполнить расчет схемы с обновленными исходными данными.

3. Перевести контроллер 16 в режим «Feed-backward». Выполнить расчет схемы и проанализировать параметры входного потока 1.

4. Сохранить проект.