Моделирование химико-технологических процессов. Зачем?
В современном мире мощных компьютеров зачастую нет смысла прикладывать карандаш к бумаге, как в прежние времена. Новое программное обеспечение может выполнять сложные химико-технологические расчёты за небольшую долю времени, требуемого для расчётов вручную. Представим себе, что поступило задание рассчитать дистилляционную колонну для получения 90 % бензола в голове колонны и 95 % толуола в кубовом остатке. Для этого нужно взять справочные данные о равновесии жидкость-пар для системы бензол-толуол, построить диаграмму равновесия, провести линии питания колонны и определить количество теоретических тарелок. Затем – определить эффективность тарелок, рассчитать материальные и тепловые балансы, определить температуры кипения и конденсации для продуктов и остатков, оценить параметры конденсатора и ребойлера, решить множество гидравлических уравнений для определения диаметра колонны. И наконец, с использованием уравнений теплопередачи определить размеры конденсатора и ребойлера. А что делать, если возникла новая задача: теперь нужно получить 95 % бензола, и требуемая скорость потока стала уже не 600 кг/ч, а 1000 кг/ч?
Достоинства моделирования
Для вышеуказанного примера, внесение исходных данных в программное обеспечение и получение результата займёт почти столько же времени, что и расчёт вручную. Однако, если исходные условия изменяются, то скорость и точность последующих расчётов многократно увеличиваются, что позволяет существенно сэкономить время и вложения. И не только для изменений исходных данных. В вышеуказанном примере необходимо выбрать флегмовое число на основании устаревшего правила, что оптимальное флегмовое число в несколько раз больше минимального. Не будет ли лучше составить график зависимости флегмового числа от потребляемой энергии или от количества тарелок, и определить оптимальное флегмовое число? К тому же автоматически, при помощи одной лишь команды в программном обеспечении?
Множество повторяющихся вычислений – быстро. Оптимизация процесса – быстро. В этом и заключается основное преимущество компьютерного моделирования. Приведенный выше пример относится к дистилляционной колонне, однако это правило применимо для большинства технологических узлов – не только теплообменников, реакторов, нагревателей, абсорберов, экстракторов, кристаллизаторов, испарителей, но даже для насосов, компрессоров и трубопроводов. Таким образом, целый производственный участок, цех или завод может быть описан одной компьютерной моделью.
Бывают также и обратные задачи: можно ли использовать старый теплообменник или старую колонну для нового производства? Для ответа нужно лишь составить компьютерную модель и проверить.
Применения моделирования
Услуги по проектированию химико-технологических процессов не могут быть полноценными или качественными без надлежащего программного обеспечения для моделирования и квалифицированных специалистов по его использованию. В современном высококонкурентном производстенном мире уже не требуется дать всего лишь правильный ответ на вопрос – нужен именно лучший ответ. А без компьютерного моделирования почти нереально получить наилучший ответ в рамках любого бюджета пользователя. Например, именно при помощи компьютерного моделирования были решены такие вопросы:
- Возможность использования и выбор оптимальных рабочих условий дистилляционной установки с двумя колпачковыми колоннами (изначально спроектированными для удаления пропана и бутана из бензина) для производства высокочистого пропана, изобутана и н-бутана из различных трубопроводов и потоков от различных нефтеперерабатывающих заводов
- Рациональное проведение процесса и выбор оптимальных рабочих условий многоступенчатой абсорбционной установки для производства с максимальной концентрацией целевого продукта, минимального количества газовых выбросов и снижения производственных затрат
- Разработка оптимальной конфигурации реактора и определение его рабочих условий с целью максимального выхода целевого продукта и минимального загрязнения побочными продуктами
- Подтверждение факта того, что в отдельном случае многозадачный испаритель оказался технически неприменимым из-за операционной нестабильности, несмотря на экономию энергии по сравнению с дистилляционной системой
- Определение оптимального количества стадий и рабочих условий концентрационной установки с целью минимизации энергопотребления
- Выбор наилучшего варианта модернизации системы конденсации растворителей, с целью максимального выхода продукта и предотвращения простоя из-за замораживания
- Выбор наилучшего варианта модернизации системы сжигания дыма со снижением расхода топлива
Все эти случаи – реальные проекты, выполненные компанией PROCESS Engineering. И именно благодаря моделированию стало возможным получить именно лучший ответ из нескольких правильных.
|
Как происходит моделирование?
- Для моделирования используется программное обеспечение CHEMCAD с обширной базой данных термодинамических свойств для огромного множества веществ (теплоёмкости, энтальпии, температуры фазовых переходов и т. д.)
- Составляется базовая технологическая схема процесса: выбираются основные единицы оборудования и проводятся соединительные потоки между ними
- В соответствии с особенностями технологии задаются основные параметры работы реакторов, колонн, теплообменников и прочих устройств
- В результате получаются таблицы подробных материальных и тепловых балансов для каждого входящего и исходящего потока, а также отчёты о рассчитанных технологических и конструкционных параметрах оборудования
|
|
Преимущества для пользователя
- Предельно быстрые и точные расчёты материальных и тепловых балансов, а также основных технологических параметров оборудования
- Простота пересчётов при добавлении или изменении технологических узлов
- Возможность многократных перерасчётов за короткое время при изменившихся исходных условиях (например, если меняется необходимая производительность процесса или требуемая концентрация вещества в продукте)
- Возможность оптимизации процесса – определения наилучшей производительности из множества вариантов
- Возможность выполнения проверочных расчётов например: обеспечит ли существующая у пользователя колонна разделение веществ с заданной производительностью?)
|
