0dnurvnrsvnl qlyr rslvd ± dqdol]d vlvwhpd rvqryh...

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



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



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



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



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



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



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



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



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



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 – 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



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

0dnurvnrsvnl qlyr rslvd ± dqdol]d vlvwhpd rvqryh...

Documents