0dnurvnrsvnl qlyr rslvd ± dqdol]d vlvwhpd rvqryh...
TRANSCRIPT
6. MAKROSKOPSKI NIVO OPISA - PROCES I POSTROJENJE
MODELOVANJE I SIMULACIJA PROCESA 1
MODELOVANJE I SIMULACIJA PROCESA
6. Makroskopski nivo opisa –analiza sistema; osnove projektovanja procesa i
postrojenja
http://elektron.tmf.bg.ac.rs/modProf. dr Nikola Nikačević
INDUSTRIJSKI HEMIJSKI PROCES• Proces transformacije sirovina u željene proizvo-
de se u industriji odvija u većem broju uređaja.• Uređaji u procesu se najčešće mogu grupisati u
klase slične po funkciji, pa se hemijski proces može predstaviti pomoću jednostavne šeme:
• Najmanje jedan, a često više procesa čine jedno industrijsko postrojenje.
Prečišćavanje i priprema sirovina za uslove u hem. reaktoru
Hemijski reaktor
Prečišćavanje i separacija željenih od neželjenih proizvoda reakcije
1
2
6. MAKROSKOPSKI NIVO OPISA - PROCES I POSTROJENJE
MODELOVANJE I SIMULACIJA PROCESA 2
MAKROSKOPSKI MODEL PROCESA • Projektovanje i/ili analiza procesa i postrojenja se, zbog
složenosti problema, vrši pomoću makroskopskih, stacionarnih modela.
• Pojedinačni uređaji se opisuju jednačinama koji uzimaju u obzir najvažnije, osnovne karakteristike uređaja, bez detaljnih opisa mezo-procesa u unutrašnjosti uređaja.
• Uređaji su povezani, uslovi u jednom zavise od uslova u drugom, te se procesi proračunavaju simultano.
• Za opis na nivou postrojenja najvažniji ukupan materi-jalni i energetski bilans celog procesa, sa detaljima toko-va pojedinačnih struja na izlazu iz procesa, kao i između uređaja.
• Model celog procesa / postrojenja često vrlo složen, pa se koriste specijalizovani programski paketi – simulatori.
TEORIJA SISTEMA• Metod analize složenih sistema – podela u
podsisteme sistemska analiza.• Karakteristike: veliki broj elemenata (podsistema)
koji su uzajamno povezani utiču jedni na druge, pa se veliki broj jednačina rešava simultano.
• Metode sistemske analize: – Dekompozicija – prevodjenje sistema u manje jedinice
koje se mogu jednostavnije rešiti.– Uprošćavanje – izostavljanje manje važnih detalja.– Minimizacija interakcija između elemenata. – Grafička analiza i teorija grafova – informacije o
strukturi toka.
3
4
6. MAKROSKOPSKI NIVO OPISA - PROCES I POSTROJENJE
MODELOVANJE I SIMULACIJA PROCESA 3
CILJEVI SISTEMSKE ANALIZE1. Postavljanje tačnog broja nezavisnih jednačina koje
određuju sistem (ni više ni manje).2. Postavljanje osnovnih veza (interakcija) između
elemenata sistema.3. Usvajanje konzistentnog obeležavanja, kako bi se
identifikovali različiti ulazi i izlazi.4. Izračunavanje i predstavljanje željenih izlaza u odnosu
na date ulaze.5. Postizanje stabilnog rešenja za kompletan sistem.6. Ispitivanje efekata na izlazu koje izazivaju promene
parametara.
DEKOMPOZICIJA SISTEMA
Pripremna sekcija-Rezervoari-Pumpe-Razmenjivači topl.
Reakciona sekcija- Reaktori- Pumpe- Ventili
Separaciona sekcija-Destilacione kolone-Posude-Razmenjivači topl.
Hemijski proces
Blok
Operacija
Uređaj
5
6
6. MAKROSKOPSKI NIVO OPISA - PROCES I POSTROJENJE
MODELOVANJE I SIMULACIJA PROCESA 4
GRAFIČKA ANALIZA SISTEMA• Topografija sistema ostaje ista, ali se manje
važni detalji izostavljaju.• Graf: skup elemenata (čvorova) koje povezuju
orjentisani vektori dijagram (linearni sistem)• Tipovi grafova:
1. Organizacione šeme i logički dijagrami(algoritmi programa, finansijski tok,...)
2. Procesni dijagrami i šeme (tokovi materije i energije, a elementi uređaji – projektovanje)
3. Blok dijagrami (tokovi signala, a elementi dinamički linearni modeli – upravljanje procesima)
PROCESNE ŠEME
272
273
276
275
274
105-RBed 1
105-RBed 2
278
105-R Exchr
105-RBed 3
122-C
280
158
277
279
270
1002
281
1003
282
271
1006
1007
640.62 F2201.7 psia
915.14 F2200.7 psia
765.41 F2197.7 psia
690 F2203.6 psia
757.83 F2192.7 psia
833.51 F2192.2 psia
705.72 F2184.1 psia
690 F2203.6 psia
690 F2203.6 psia
884.48 F2197.2 psia
306.51 F2201.7 psia
306.49 F2207.7 psia
306.5 F2206.6 psia
ConverterInletSyn Gas
ConverterExitSyn Gas
Recycle Wheel Makeup SynGas Compression
104-S
136-CX 116-CX 129-CX105-S
103-K HPC
103-K LPC
103-K HPC
93
94
9
96 98 10095
104
90
1005
107109
120-CX
119-CX
106-S
124
126
128
1011
130
133
134
121-CX
132
123-CX
143 145
124-CX
117-CX
118-CX
146
149
150
108-S
125-CXA/CXB
162
163
164
165
108
306.48 F2211.6 psia
138.82 F2146.7 psia
109 F2273 psia
70.6 F2268 psia
25 F2263 psia
-15 F2143.7 psia
29 F2266 psia
93.874 F2221.4 psia
310 F2211.6 ps ia62.1 F
2288 psia
136356 lb/hr
663391 lb /hr
362 F2176.3 psia
171.31 F2278 psia
1050.05 mol /hr
1009
1010
1015
1214.21 lb/hr
59.21 lb /hr
222632 lb/hr
66763.3 lb/hr
166908 lb/hr
223535 lb/hr
127
1016
1017126031 lb/hr
3306.36 lb/hr
13165.6 lb/hr
137416 lb/hr
261.41 F986.3 psia
1001.07 lb/hr
172 F985 psia
100 F980 psia
41 F966.3 psia
41 F966. 3 psia
225.46 F154.37 F
110
1008
1012
1013HP Hydrogen
799894 lb /hr
171.31 F2278 psia
-12 F2236.5 psia
307959 lb/hr
679838 lb/hr
138.82 F2146.7 psia
2119 psia
26.544 F2263 psia
-9523 hp -3300 hp -8125 hp
1004
Uređaji – grafički simbol i jedinstven broj u šemi
Tok fluida – linija sa strelicom u pravcu toka i
jedinstven broj struje (i nazivom
za izlazne)
Informacije o strujama –tempertura, pritisak (i protok) na linijama
7
8
6. MAKROSKOPSKI NIVO OPISA - PROCES I POSTROJENJE
MODELOVANJE I SIMULACIJA PROCESA 5
ELEMENTI PROCESNIH ŠEMA –UREĐAJI I SIMBOLI
Razmenjivač toplote
Cevnireaktor
Destilaciona /rektifika-cionakolona
Separacionaposuda
Reaktorsa meša-njem
Kompresor
Pumpa
Ventil
T-8
C-3
Regulator
Meračprotoka
PROJEKTOVANJE PROCESA POMOĆU PROGRAMSKIH PAKETA
• Programski paketi – simulatori koriste se za projektovanje procesa u stacionarnom stanju ili analizu postojećih postrojenja.
• Prvi simulatori nastali u velikim kompanijama za njihove sopstvene potrebe pri analizi i projekto-vanju.
• Komercijalni simulatori opšteg tipa se mogu naći na tržištu od 80tih, ali se mnogo više koriste od 90tih zbog ubrzanog razvoja računara.
• Veliki broj simulatora na tržištu, najpoznatiji: Aspen Plus, Design II, SuperPro Designer , ChemCad i dr...
9
10
6. MAKROSKOPSKI NIVO OPISA - PROCES I POSTROJENJE
MODELOVANJE I SIMULACIJA PROCESA 6
SIMULATORI STACIONARNIH PROCESA
• Savremeni simulatori procesa sadrže:– Bazu fizičkih i hemijskih podataka za
komponente i smeše, i termodinamičke modele za izračunavanje karakteristika fluida na različitim uslovima.
– Bazu makroskopskih modela uređaja i osnovnih operacija i grafički interfejs za kreiranje šema.
– Numeričke metode za optimalno rešavanje problema složene strukture.
– Postprocesore za kreiranje tabeli, izveštaja i grafika.
SIMULATORI – KRATKO POREĐENJE• U svim simulatorima modeli se definišu na sličan način –
grafički interfejs za kreiranje procesnih šema i definisanje uređaja.
• Razlike: u broju i tipu modela uređaja / operacija, broju čistih komponenti i smeša u bazi, detaljnosti proračuna karakteristika struja i uređaja.
• Aspen Plus : veliki broj uređaja, detaljan proračun struja, vrlo pregledan interfejs, pouzdani rezultati, koristi se za projektovanje realnih procesa, najveći broj licenci.
• ChemShare Design II : uglavnom uređaji za separaciju, rektifikaciju - postrojenja nafte i petrohemije, detaljan termodinamički proračun struja, može se koristiti u projektovanju.
• SuperPro Designer : veći broj uređaja, naročito pogodan za biohemijske i farmaceutske procese i inženjerstvo zaštite životne sredine, proračun karakteristika struja nije detaljan, manje pouzdan, nije preporučljiv za detaljno projektovanje već za konceptualno, odličan za edukaciju.
11
12
6. MAKROSKOPSKI NIVO OPISA - PROCES I POSTROJENJE
MODELOVANJE I SIMULACIJA PROCESA 7
SIMULATOR ASPEN PLUS
SIMULATORI – FAZE U MODELOVANJU I SIMULACIJI
I Zadavanje karakteristika ulaznih komponenti i termodinamičkih jednačina.II Izbor moda operacije, uređaja i kreiranje procesne šeme.III Definisanje ulaznih struja i uslova u pojedinačnim uređajima.IV Simulacije i kreiranje tabela i izveštaja.V Analiza rezultata, promena radnih uslova / dimenzija, i ponovne simulacije.
13
14
6. MAKROSKOPSKI NIVO OPISA - PROCES I POSTROJENJE
MODELOVANJE I SIMULACIJA PROCESA 8
PRIMER – PROCES PREČIŠĆAVANJA GASA SIMULIRAN U SUPER PRO DESIGNER-U
1. Izlazni gas iz toplane je neohodno prečistiti od čestica ugljene prašine i sumpor dioksida poznatog sastava. Potrebno je ukloniti 99% čestica i 98% SO2. Dati su protok i T gasa.
Rešenje:Zbog zahtevanih visokih stepena prečišćavanja odabrani su elektrostatički precipitator za čestice i apsorpciona kolona sa punjenjem za gas (visoko-efikasni uređaji). Odabran je rastvor limunske kiseline, puferisan sa Na-citratom, kako bi se povećala brzina apsorpcije usled hem. reakcije. Transport tečnosti će se obaviti centrifugalnom pumpom. Prvo je neophodno je pronaći ravnotežne podatke za apsorpciju (Henry) i izračunati potreban protok tečnosti kao 20% veći od minimalnog.
1 – IZBOR KOMPONENTI IZ BAZE I DEFINISANJE KARAKTERISTIKA
Definisanje svih supstanci iz projektnog zadatka – izbor iz postojeće baze podatakaprograma, uvoz iz druge baze ili samostalno kreiranje (ako su specifični i nema ih u bazi)
Podešavanje karakteristika supstanci – pregled, izmene i dopune postojećih podataka
15
16
6. MAKROSKOPSKI NIVO OPISA - PROCES I POSTROJENJE
MODELOVANJE I SIMULACIJA PROCESA 9
2 – IZBOR UREĐAJA I KREIRANJE PROCESNE ŠEME
Izbor odgovara-jućih uređaja / operacija iz ponuđene baze modela
Elektrostatički precipitator, pumpa, apsorpciona kolona sa punjenjem
Formiranje šeme –spajanje uređaja po redosledu / toku gasa –kreiranje svih struja
3 – DEFINISANJE USLOVA SVIH ULAZNIH STRUJA
Definisanje uslova u ulaznim strujama: komponente i sastav (udeo ili koncentracija), protok, ukupan pritisak i temperatura
Ulaz 101: zaprljan gas –vazduh, ugljena prašina i SO2
Ulaz 107: apsorpciona tečnost –voda, limunska kiselina i Na-citrat
17
18
6. MAKROSKOPSKI NIVO OPISA - PROCES I POSTROJENJE
MODELOVANJE I SIMULACIJA PROCESA 10
4 – IZBOR TIPA OPERACIJE I MODA SIMULACIJE
Izbor kontinualne operacije (u odnosu na šaržnu)
Izbor moda projektovanja (u odnosu na mod analize - ratinga)
5 – DEFINISANJE SVIH UREĐAJA –PARAMETRI, USLOVI
Definisanje el. precipitatora: efikasnost uklanjanja čestica, brzina gasa, raspodela veličine čestica, jačina električnog polja
Definisanje apsorpcione kolone: procenat uklanjanja SO2, Henry-jeva konstanta, koeficijenti difuzije, viskozitet gasa i tečnosti, pad pritiska, veličina i specifična površina pakovanja.
Definisanje pumpe: razlika pritisaka i efikasnost pumpe
19
20
6. MAKROSKOPSKI NIVO OPISA - PROCES I POSTROJENJE
MODELOVANJE I SIMULACIJA PROCESA 11
6 – SIMULACIJA STACIONARNOG PROCESA - REZULTATI (DIMENZIJE)
Rezultati za el. precipitator: ukupna površina kolekcije, broj ploča, visina i širina ploče, broj kanala i sekcija, ukupna dužina i širina uređaja
Rezultati za apsorpcionu kolonu: visina prenosne jedinice, broj prenosnih jedinica, širina kolone, visina kolone, ukupan pad pritiska
Rezultati za pumpu: potrebna snaga pumpe
7 – ANALIZA REZULTATA - IZVEŠTAJI: TOKOVA FLUIDA, EKOLOŠKI...
Pregled rezultata prikazanih u izveštaju (tabeli) – analiza izlaznih struja i njihovih karakteristika, provera i potvrda dobijenih rezultata u odnosu na zadate vrednosti željenog prečišćavanja
21
22
6. MAKROSKOPSKI NIVO OPISA - PROCES I POSTROJENJE
MODELOVANJE I SIMULACIJA PROCESA 12
8 – PROMENA USLOVA / DIMENZIJA, NOVE SIMULACIJE I ANALIZA PROMENA
Prelazak na mod simulacije za rating: smanjenje visine kolone na 4m (sa dobijenih 4.5) u cilju analize uticaja promene visine na izlazni sastav. Da li kolona koju poseduje fabrika može da obezbedi željeno prečišćavanje i pod kojim uslovima?
23