Transcript Document
Komputerowa Inżynieria Procesowa Tematyka Symulacja procesów inżynierii chemicznej Zastosowanie programów typu CAD w inżynierii chemicznej i procesowej Symulacja procesów WSTĘP Symulacja Działanie mające na celu przewidywanie zachowania rzeczywistych obiektów z wykorzystaniem ich modelów bez konieczności manipulowania rzeczywistym układem Model Jest odwzorowaniem danej rzeczywistości w formie dogodnej dla inżyniera/badacza. Fizyczny: jedna wielkość zastąpiona przez drugą lub obiekty w pomniejszonej skali Matematyczny: wykorzystuje równania matematyczne opisujące rzeczywiste układy fizyczne. Podział modeli Black box – white box Black box – brak danych na temat natury procesu, znane tylko zależności między wejściem a wyjściem. Praktyczna realizacja to „Sieć neuronowa” White box – mechanizm procesu jest znany i dobrze (?) opisany zestawem równań. Podział modeli Deterministyczne – Stochastyczne Deterministyczne – dany zestaw wartości wejściowych generuje jeden zbiór wartości wyjściowych z prawdopodobieństwem wynoszącym 1. Stochastyczny – zjawiska losowe wpływają na przebieg procesu i zbiór wyjściowy jest zbiorem liczb losowych o różnym prawdopodobieństwie wystąpienia Podział modeli Mikroskopowe-makroskopowe Mikroskopowe – obejmujące tylko małą część rozważanego aparatu (instalacji) Makroskopowe – obejmujące cały aparat lub proces. Elementy składowe modelu Zależności bilansowe 1. Oparte o podstawowe prawa natury Prawo zachowania masy Prawo zachowania energii Prawo zachowania ładunku elektrycznego, itd. Równanie bilansu: Wejście – Wyjście + Źródło = Akumulacja Elementy składowe modelu Równania konstytutywne 2. r. Newtona – tarcia lepkiego F dv A dr r. Fouriera – przewodzenia ciepła q T r. Ficka – dyfuzji masy J D Elementy składowe modelu 3. 4. 5. Równania równowag fazowych – ważne przy transporcie masy przez powierzchnię międzyfazową Równania właściwości fizycznych do obliczenia parametrów jako funkcji temperatury, ciśnienia i składu. Zależności geometryczne wprowadzają wpływ geometrii aparatu na współczynniki transportu (masy, ciepła) – strumienie konwekcyjne. Struktura modelu Zależy od: Typu pracy obiektu: Ciągła – stan ustalony Okresowa – stan nieustalony Rozkładu parametrów w przestrzeni Równe we wszystkich punktach aparatu – parametry skupione (reaktor zbiornikowy z idealnym wymieszaniem) Parametry zmienne w przestrzeni – parametry rozproszone Struktura modelu Stan ustalony Stan nieustalony Parametry skupione Równania algebraiczne Zwykłe równania różniczkowe Parametry rozproszone Równania różniczkowe. 1. Zwykłe dla przypadku 1-wymiarowego 2. Cząstkowe dla 2&3wym. przypadku (bez pochodnych po czasie, zwykle eliptyczne) Równania różniczkowe cząstkowe. (z pochodnymi po czasie, zwykle paraboliczne) Rodzaje symulacji w stanie przez Rafiqul Gani ustalonym Flowsheeting problem – symulacja prosta Design (specification) problem – symulacja z założeniami na wyjściu Optimization problem – optymalizacja istniejącego układu Synthesis problem – tworzenie nowego procesu od podstaw Flowsheeting problem Dane: Schemat technologiczny Wszystkie parametry wejściowe Wszystkie warunki prowadzenia procesu Wszystkie parametry aparatury Do obliczenia: Wszystkie dane wyjściowe INPUT Schemat technologiczny (flowseet) OPERATING CONDITIONS PRODUCTS EQUIPMENT PARAMETERS Dane Szukane Wszystkie parametry wejściowe są dane. Oblicza się parametry wyjściowe i pośrednie R.Gani Specyfication problem Dane: Schemat technologiczny Niektóre informacje wej/wyj. Niektóre warunki prowadzenia procesu Niektóre parametry aparatów Do obliczenia: Pozostałe parametry wej/wyj Pozostałe warunki prowadzenia procesu Pozostałe parametry aparatów INPUT Schemat technologiczny (flowseet) OPERATING CONDITIONS PRODUCTS EQUIPMENT PARAMETERS Specyfication problem UWAGA: liczba stopni swobody jest taka sama jak w przypadku „flowsheeting problem”. Dane Szukane Zamiast wszystkich parametrów wejściowe dane są dwa wyjściowe. Oblicza się jednak taką samą Ilość parametrów. R.Gani Znaleźć: D, Qr Dane: Skład i natężenia na wlocie oraz docelowy skład produktu Znaleźć: natężenie przepływu produktu i zapotrzebowanie na ciepło Rozwiązać „flowsheeting problem” Czy skład produktu spełnia założenia ? STOP Zmień D, Qr Process optimisation Proces znajdowania najlepszego rozwiązania procesowego (minimalizacja kosztów zużycia energii, surowców, maksymalizacja zysku itp.) przez dobór parametrów procesu bez zmiany zastosowanych aparatów. Dane Szukane nie W odniesieniu do nie Znaleźć: D, Qr Dane: Skład i natężenia na wlocie oraz docelowy skład produktu Znaleźć: natężenie przepływu produktu i zapotrzebowanie na ciepło Rozwiązać „flowsheeting problem” Czy skład produktu spełnia założenia AND =min. STOP Zmień D, Qr Process synthesis/design problem Akt tworzenia nowego procesu. Dane: Parametry wejściowe (niektóre strumienie wejściowe mogą być w trakcie dodawane/zmieniane/usuwane) Parametry wyjściowe (niektóre produkty uboczne/odpady mogą być na początku nieznane) Znaleźć: Schemat technologiczny Parametry aparatów Warunki prowadzenia procesu Process synthesis/design problem INPUT Schemat procesowy nieznany OUTPUT Dane Określić – optymalny sposób rozdziału mieszaniny Założenie – najlepsza metoda rozdziału to destylacja Szukane nie Tak by nie Znaleźć: D, Qr, N, Nf, Dane: Skład i natężenia na wlocie oraz docelowy skład produktu Znaleźć: natężenie przepływu produktu, zapotrzebowanie na ciepło, ilość półek stopień refluksu itd. Rozwiązać „flowsheeting problem” Czy skład produktu spełnia założenia oraz =min. STOP Znaleźć pasujące D, Qr oraz N, NF, R/D etc. nie Process synthesis/design problem metanol metanol woda Metoda separacji i aparatura woda Metody: destylacja, separacja membranowa, ekstrakcja Aparatura: ile i jakich aparatów potrzeba, jaka jest ich geometria oraz parametry pracy Narzędzia do prowadzenia symulacji procesowych Kartka, ołówek i kalkulator Środowiska programistyczne (Pascal, Fortran, C, itp.) Programy matematyczne ogólnego stosowania: arkusze kalkulacyjne, pakiety matematyczne, Specjalizowane symulatory procesowe. Elementy składowe schematu technologicznego Aparaty – wszelkiego typu urządzenia mające odpowiedniki w rzeczywistych instalacjach lub pozwalające w połączeniu ze sobą modelować aparat fizyczny Strumienie – połączenia pomiędzy aparatami Zasilanie/odbiór – miejsca wprowadzania do procesu surowców, odbioru produktów, usuwania odpadów Podział na strumienie i aparaty wynika z założenia przyjmowanego w większości systemów, że wszelkie reakcje, wymiana ciepła czy masy odbywają się w aparatach a strumienie pozostają w równowadze chemicznej i termodynamicznej Parametry strumieni Natężenie przepływu Skład Temperatura Entalpia Ciśnienie Udział fazy lotnej (par/gazów) Pytanie: ile parametrów można/należy przyjąć? Ilość stopni swobody strumieni DFs=NC+2 Przykład: Strumień ma 2 składniki. NC=2 -> DFs=4 Można założyć 4 parametry np.: natężenia przepływu, temperaturę oraz ciśnienie (F1, F2, T, P) Obliczone zostaną: •entalpia •udział par Parametry aparatów Cechy charakterystyczne danego aparatu w ramach odpowiadającego typu aparatów. Np. w przypadku wymiennika ciepła: 1. 2. 3. Powierzchnia wymiany ciepła Współczynnik przenikania ciepła Średnia różnica temperatur Ilość stopni swobody jest charakterystyczna dla aparatu Symulacji układu z wymiennikiem ciepła I. Definicja problemu Przeprowadzić symulację instalacji składającej się z: płaszczowo rurowego wymiennika ciepła, czterech rur oraz dwóch zaworów regulacyjnych na rurach wylotowych. Parametry strumieni wlotowych jak i geometria rur oraz wymiennika a także opór miejscowy zaworu są znane. Czynnikiem płynącym przez obydwie strony wymiennika jest woda. Przepływ przez rury jest adiabatyczny. Znaleźć taki opór przepływu przez zawory by ciśnienie wylotowe z rurociągów wynosiło 1bar. II. Schemat technologiczny 5 s6 s7 2 1 s1 4 3 s2 s3 s4 s8 s5 7 6 s9 s10 Dane: Strumień s1 Ps1 =200kPa, ts1 = 85°C, f1s1 = 1000kg/h Strumień s6 Ps6 =200kPa, ts6 = 20°C, f2s6 = 1000kg/h Parametry aparatów: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. L1=7m d1=0,025m L2=5m d2=0,16m, s=0,0016m, n=31... L3=6m, d3=0,025m z4=50 L5=7m d5=0,025m L6=10m, d6=0,025m z7=40 III. Tabela strumieni f1 s1 s2 s3 s4 s5 f1s1 X X X X f2 s6 s7 s8 s9 s10 f2s6 X X X X T Ts1 X X X X Ts6 X X X X P Ps1 X x x X Ps6 X X X X Niewiadome: Ts2, Ts3, Ts4, Ts5, Ts7, Ts8, Ts9, Ts10, Ps2, Ps3, Ps4, Ps5, Ps7, Ps8, Ps9, Ps10, f1s2, 1s3, f1s4, f1s5, f2s7, f2s8, f2s9, f2s10 Ilość niewiadomych: 26 Potrzeba 26 niezależnych równań. Równania z informacji dotyczących aparatów T2 T1 f1s2= f1s1 f2s7= f2s6 T4 T3 T5 T4 f1s3= f1s2 f2s8= f2s7 f1s4= f1s3 f2s9= f2s8 f1s5= f1s4 f2s10= f2s9 T7 T6 T9 T8 T10 T9 14 równań. Brakuje 26-14=12 Równania bilansu cieplnego T2 m c dT Q T p T3 T8 m c dT Q f 1s1 c pT T2 T3 Q f 2s 6 c pS T8 T7 Q S p T7 Nowa zmienna: Q Brakuje: 12+1-2=11 równań Równania wymiany ciepła Q kFmTm Ts 5 Ts 6 Ts1 Ts10 Tm T T ln s 5 s 6 Ts1 Ts10 Nowe zmienne: k, Tm - brakuje 11+2-2=11 równań Równania wymiany ciepła k 1 ar 1 s st 1 ap Dwie nowe zmienne: ar and ap Ilość brakujących równań: 11+2-1=12 Równania wymiany ciepła Nu r r ar d2 ap Nu p p deq. D22 nd22 deq D2 nd2 Trzy nowe zmienne: Nur, Nup, deq, brakuje: 12+3-3=12 równań Równania wymiany ciepła 0,023ReT0,8 P rT0, 4 Re 10000 0,5 Re P r r d 2 0,5Gz Re 2300, Gz 5 r T r r L2 1/ 3 Nu r d2 1/ 3 1,62 Re r P rr 1,62Gzr Re r 2300, Gz 5 L2 ln Nu Lr ln Nu Br ln 2300 ln ReT 2300 Re r 10000 exp ln Nu Lr ln 2300 ln 10000 Re r wd 2 r 4 f 1s1 nd2 r Równania wymiany ciepła 0,023Re 0p,8 P rp0, 4 Re 10000 d eq. 0 , 5 Re P r 0,5Gz p Re p 2300, Gz 5 p p L2 1/ 3 Nu p d eq 1,62Gz1p/ 3 Re p 2300, Gz 5 1,62 Re p P rp L2 ln Nu Lp ln NuTp exp ln Nu Lp ln 2300 ln Re S 2300 Re p 10000 ln 2300 ln 10000 Re p wd eq. p f 2 s 6 d eq. Fspm p Dwie nowe zmienne ReT, ReS, brakuje: 12+2-4=10 równań Spadek ciśnienia Ps1-Ps2=P1 Ps6-Ps7=P5 Ps2-Ps3=P2r Ps7-Ps8=P2p Ps3-Ps4=P3 Ps8-Ps9=P6 Ps4-Ps5=P4 Ps9-Ps10=P7 Osiem nowych zmiennych: P1, P2r, P3, P4, P5, P2p, P6, P7, brakuje 10+8-8=10 równań Spadek ciśnienia 8 ff112ss11 l w2 l 16 P1 2 4 4 2 d1 dd d 1 2 64 Re , Re 2300 0,3164 1 0, 25 ,2300 Re 105 Re 0,221 0 , 0032 Re 0, 237 1 4 f 1s1 Re1 d Dwie nowe zmienne Re1 and 1, brakuje: 10+2-3=9 równań 1 Spadek ciśnienia P2r w l 2 d 2 21 8 f 16 f 1 l 2 2r L nnd ddw4HEX d2T s1 2 42 64 Re , Re 2300 2r 0,3164 Re 105 0 , 25 ,2300 Re 0,221 0 , 0032 0 , 237 Re 2r Jedna nowa zmienna 2r, brakuje: 9+1-3=7 zmiennych HEX 2 Spadek ciśnienia 22 w2 l 168 ff11s1 l P3 2 44 2 d3 dd d 3 3 64 Re , Re 2300 0,3164 3 0, 25 ,2300 Re 105 Re 0,221 0 , 0032 Re 0, 237 3 4 f 1s1 Re3 d 3 Dwie nowe zmienne Re3, 3, brakuje: 7+2-3=6 równań Spadek ciśnienia 8 f 12s1 w2 16 P4 z z 2 44 2 4 dd 2 Brakuje: 6-1=5 równań 44 Spadek ciśnienia 2 w2 l 168 ff 22s22 l P5 2 44 2 d5 dd d 64 Re , Re 2300 0,3164 5 0, 25 ,2300 Re 105 Re 0,221 0 , 0032 Re 0, 237 5 Dwie nowe zmienne Re5, 5, Brakują: 5+2-3=4 równania Re5 55 4 f 2s 2 d 5 Spadek ciśnienia w L2 P2 p 2 2 d eq. 2p 2 2 f 2 16 f 2 s 2 lL2 2 deq Fwpm CSA d eq.. 2 S 64 Re , Re 2300 2 p 0,3164 Re 105 0, 25 ,2300 Re 0,221 0,0032 Re0, 237 2S Jedna nowa zmienna 2S, brakują: 4+1-3=2 równania 2p Spadek ciśnienia 8 f 22s22 2 l w2 l 16 P6 2 44 2 d6 dd d 64 Re , Re 2300 0,3164 6 0, 25 ,2300 Re 105 Re 0,221 0 , 0032 Re 0, 237 5 Re 6 Dwie nowe zmienne Re6, 6, Brakuje: 2+2-3=1 równanie 6 4 f 2s2 d 6 Spadek ciśnienia w2 16 f 2 s22 8 P7 z zz 4 2 d4 2 7 d 2 7 7 brakuje: 1-1=0 równań!!!!!!!!!!!!!! Parametry czynników Ponieważ w różnych odcinkach instalacji i dla różnych nastawów zaworów temperatury czynników są różne w obliczeniach konieczne jest uwzględnienie wpływu temperatury na właściwości wody. Zależne od temperatury właściwości fizyczne wody • Gęstość • Wsp. lepkości dynamicznej • Wsp. przewodzenia ciepła • Ciepło właściwe cp • Liczba Prandtla Pr Parametry czynników Do dyspozycji są tabele zależności parametrów od temperatury t 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00 999,80 999,60 998,20 995,60 992,20 988,00 983,20 977,70 971,80 965,30 958,30 17,89 13,04 10,00 8,014 6,531 5,495 4,709 4,059 3,559 3,147 2,822 0,551 0,575 0,599 0,618 0,634 0,648 0,659 0,668 0,675 0,68 0,683 cp 4237 4212 4203 4199 4199 4199 4203 4211 4216 4224 4229 Pr 13,76 9,55 7,02 5,45 4,33 3,56 3,00 2,56 2,22 1,95 1,75 Parametry czynników Korzystanie z tabel jest trudne Rozwiązanie: Przybliżyć dane tabelaryczne zależnościami funkcyjnymi. Estymacja. Każdą zależność można przedstawić za pomocą wielomianu. Najprostszy sposób dostępny w arkuszach kalkulacyjnych opiera się na wykresach i tzw. „liniach trendu” lub w pakietach matematycznych (MathCAD – regres) Parametry czynników y = 1,540E-05x3 - 5,895E-03x2 + 2,041E-02x + 9,999E+02 1010 3 [kg/m ] 1000 990 980 970 960 950 0 20 40 60 t [°C] 80 100 Prowadzenie obliczeń Znaczna ilość równań Rozwiązanie prowadzi na dwa sposoby: Sekwencyjno-modułowy Zorientowany równaniowo W każdym punkcie obliczeń symulowany jest model jednego aparatu Rozwiązuje wszystkie modele tworzące flowsheet jednocześnie Flowsheet podlega dekompozycji Porządkowane są równania Występują iteracje w przerwanych strumieniach Uaktualnia wszystkie poszukiwane wartości w jednym kroku Mniej elastyczny ale stabilniejszy Bardziej elastyczny ale mniej stabilny Niewygórowane zapotrzebowanie na pamięć Bardzo duże zapotrzebowanie na pamięć Parametry startowe ważne Parametry startowe bardzo ważne Zmienne Rozwiązać Zorientowane równaniowo Równania x- odpowiada zmiennym strumieni łączących aparaty Sekwencyjno-modułowy Rodzaje obliczeń bilansowych Bilans ogólny (bez równań modelowych aparatu) Szczegółowe obliczenia modelowe Balans ogólny Wymaga więcej danych strumieni Brak informacji czy przemiana jest fizycznie możliwa Bilans ogólny - przykład 3, mA 2 Przeciwprądowy wymiennik ciepła, dane są parametry trzech strumieni: 1, 2, 3 (str. 1 ogrzewa str.3). Parametry 4tego można obliczyć z bilansu. 1, mB 4 Ac pA t4 t3 m Bc pB t1 t2 m DF=(4+2)-1=6-1=5 Istnieje możliwość, że tak obliczona t4 będzie wyższa od t1 Bilans ogólny - przykład 3, mA 2 1, mB 4 Dane: 1. mA=10kg/s 2. mB=20kg/s 3. t1= 70°C 4. t2=40°C 5. t3=20°C cpA=cpB=f(t) Ac pA t4 t3 m Bc pB t1 t2 m m B t1 t2 t 4 t3 m A 20 t 4 20 70 40 80C 10 Użycie modeli aparatów Proces zachodzący w aparacie opisują odpowiednie równania (różniczkowe, bezwymiarowe etc.) mają miejsce tylko fizycznie możliwe przemiany mniejsza liczba stopni swobody (mniej danych strumieni) Przykład wymiennika: dane dla dwóch strumieni pozostałe 2 obliczane z bilansu i równania transportu ciepła. Bilans z najprostszym modelem 3, mA 2 Q m Ac pA t4 t3 Q m B c pB t1 t2 t1 t 4 t2 t3 Q kF t1 t4 ln t 2 t3 1, mB 4 DF=(4+2+1)-3=7-3=4 Pętle i przerwane strumienie Pętle występują gdy: Pewne produkty są zawracane i mieszane ze strumieniami wejściowymi Gdy strumień wyjściowy ogrzewa/chłodzi strumień wejściowy Brak danych na wejściu Rozwiązanie w okładzie sekwencyjno-modułowym: Jeden ze strumieni wewnątrz pętli przecina się (tzw. cut stream) Definiuje się parametry początkowe w przeciętym strumieniu Oblicza kolejne moduły aż do punktu przecięcia Porównuje się obliczone wartości z założonymi, w razie potrzeby koryguje założenia i powtarza obliczenia. Pętle i przerwane strumienie przykład Kolejność obliczeń: 2,3,4,1 (strumień przecięty to 2) Obliczenia instalacji z wymiennikiem Schemat technologiczny sugeruje brak obliczeń w pętli W rzeczywistości równanie wymiany ciepła wymaga zastosowania średnich temperatur czynników Dogodny sposób obliczeń: sekwencyjno-modułowy Konieczne założenie temperatur wylotowych by wyliczyć średnie Dokładne równanie bilansu wymaga całki ciepła właściwego od temp. wlot. do wylot. Konieczne założenie temp. wylotowych. Obliczenia instalacji z wymiennikiem Rozwiązanie problemu sekwencyjno modułowe 1. 2. 3. 4. 5. 6. założyć temperatury wylotowe obliczyć bilans skorygować jedną z temperatur przyjmując założenie, że na tym etapie druga jest poprawnie założona (pętla iteracyjna 1 - wewnętrzna) wykonać obliczenia wymiany ciepła (Nu, a, k) obliczyć wcześniej przyjęta za poprawną temp. wylotową z równania transportu ciepła porównać obliczoną i założoną temperaturę, w razie potrzeby wrócić z tą temperaturą do punktu 2. (pętla iteracyjna 2 zewnętrzna) Zał. Ts3 Zał. Ts8 Obliczyć średnie temp. wymienniku i średnie cp Skoryguj Ts8 Skoryguj Ts3 Obliczyć Ts8o z r. bilansu |Ts8o- Ts8|e tak |Ts3o- Ts3|e tak Temp. wyznaczone Obliczyć Ts3o z równań transportu ciepła Obliczenia instalacji z wymiennikiem Rozwiązanie problemu zorientowane równaniowo 1. 2. 3. założyć temperatury wylotowe Zapisać układ równań opisujących poszczególne strumienie Rozwiązać układ równań za pomocą narzędzi typu procedura given-find (MathCAD)