ChemCAD

ChemCAD

Stopnie swobody operacji jednostkowych

Sprężarka

Wykres h-s (i-s)

Sprawność

Sprężarka R ó w n a n i a L i c z b a r ó w n a ń L i c z b a z m i e n n y c h B i l a n s s k ł a d n i k ó w

02,1, ii FF cni ,...,1 cn cn2

R ó ż n i c a c i ś n i e ń

PPP 12 1 3

B i l a n s e n t a l p i i ( d l a 1 k m o l a g a z u )

021 hWh A 1 3

l u b s p r a w n o ś ć ( r ó w n a n i a s ą z a l e ż n e ) l u b l u b

12

1,2

hh

hh TA

1 4

g d z i e

jncjjjj zzPThh ,,1 ,...,,, 2,1j 2 2 2 2

222,2,1111,1,1.2,2 ,,,...,,,,,..., PTzzPTzzShh ncncTT 1 0

nc

ijij FF

1, 2,1j

j

jiji F

Fz ,

, 2,1j

cni ,...,1

4 cnn 82 cnm

l u b

5 cnn 92 cnm

Sprężarka

224 cc nnnmsStopnie swobody:

Kocioł/jednostronny wymiennik ciepła

R ó w n a n i a L i c z b a r ó w n a ń L i c z b a z m i e n n y c h B i l a n s s k ł a d n i k ó w

02,1, ii FF cni ,...,1 cn cn2

S p a d e k c i ś n i e n i a

PPP 12 1 3

B i l a n s e n t a l p i i

01

2,21

1,1

QFhFhnc

ii

nc

ii 1 3

Z n a k p r z y w a r t o ś c i Q ( z a p o t r z e b o w a n i e c i e p ł a ) z a l e ż y o d k i e r u n k u p r o c e s u Z a w s z e d o d a t n i d l a p o d g r z e w a c z y i u j e m n y d l a c h ł o d n i c . Z a l e ż n o ś c i :

jncjjjj zzPThh ,,1 ,...,,, 2,1j

nc

ijij FF

1, 2,1j

j

jiji F

Fz ,

, 2,1j

cni ,...,1

2 cnn 62 cnm

Kocioł/jednostronny wymiennik ciepła

224 cc nnnms

Liczba stopni swobody:

Strumień 11 to wlot / Strumień 17 to wylot

Wymiennik ciepła dwustronny

R ó w n a n i a L i c z b a r ó w n a ń L i c z b a z m i e n n y c h B i l a n s s k a d n i k ó w

02,1, ii FF cni ,...,1 cn cn2

02,1, Ui

Ui FF uni ,...,1 un un2

S p a d e k c i ś n i e n i a

PPP 12 1 3 UUU PPP 12 1 3


01

2,21

1,1

QFhFhnc

ii

nc

ii 1 3

01

2,21

1,1

QFhFhnu

i

Ui

Unu

i

Ui

U 1 2

4 uc nnn 112 uc nnm


3227 ucuc nnnnnms

Stopnie swobody:

Parametry strumieni wlotowych oraz:1. Spadek ciśnienia strumienia procesowego2. Spadek ciśnienia strumienia pomocniczego3. Parametr bilansu cieplnego (zwykle temp. wylotowa s. proc.)

Problem: zwykle nieznane natężenie przepływu czynnika pomocniczego.

Rozwiązanie: zamiast określać F1 można przyjąć temp. wylotową czynnika pomocniczego. Natężenie przepływu wyliczone zostanie z modelu


Zjawisko PINCHu– Zanika siła napędowa procesu, np.:

• temp. wylotowa czynnika chłodzącego jest wyższa niż wlotowa ogrzewającego

• temp. wlotowa czynnika chłodzącego jest wyższa niż wylotowa ogrzewającego

Wymiennik ciepła

ReaktorReaktor stechiometryczny

Zakładamy reakcję według poniższego równania:

Mi - to symbol reagenta

0...11 RR MM

vi - to współczynnik stechiometryczny (ujemny dla substratów, dodatni dla produktów, zero dla inertów)

MR substrat i jednocześnie składnik kluczowy. Stopień przemiany składnika kluczowego:

1,

2,1,

R

RR

F

FF

Reaktor stechiometrycznyReaktor

stechiometryczny

R ó w n a n i a L i c z b a r ó w n a ń L i c z b a z m i e n n y c h B i l a n s s k ł a d n i k ó w

01,2,1, RR

iii FFF

cni ,...,1 cn 12 cn

Z m i a n a c i ś n i e n i a

PPP 12 1 3


01

2,21

1,1

QFhFhnc

ii

nc

ii 1 3

J e ś l i w ł a ś c i w i e o b l i c z y m y e n t a l p i ę t o r ó w n a n i u b i l a n s o w y m c i e p ł o r e a k c j i n i e w y s t ą p i w f o r m i e j a w n e j ! Z a l e ż n o ś c i :

jncjjjj zzPThh ,,1 ,...,,, 2,1j

nc

ijij FF

1, 2,1j

j

jiji F

Fz ,

, 2,1j

cni ,...,1

2 cnn 72 cnm

ReaktorReaktor stechiometryczny

325 cc nnnms

Liczba stopni swobody:

Trzeba podać dane strumienia wlotowego oraz trzy parametry, np.:

•zmianę ciśnienia, •zapotrzebowanie ciepła •stopień przemiany

Reaktor stechiometryczny

Podaje się:– Termiczny rodzaj

reaktora– wsp.

stechiometryczne– zmianę ciśnienia, – stopień przemiany

Reaktor równowagowy (EREA)

Podaje się:– Ilość reakcji– rodzaj obliczeń termicznych– Sposób obliczeń

• Stopień konwersji – jak r. stechiometryczny– Rodzaje reakcji – równoległe/następcze

• Podejście z przyrostem temperatury• Podejście równowagowe

– Podaje się stałe równowag reakcji oraz względny stopień konwersji w odniesieniu do stanu równowagi


• Pi – produkty, Ri – substraty, xi , yi – zwykle wsp. stechiometryczne

• Dla reakcji konwersji CO i metanizacji stałe są dostępne

• JEDNOSTKI (zakładka More Specyfications)

2

21

21 ln...

...lnln

21

21

ETDTTCT

BA

RRR

PPPk

m

n

ym

yy

xn

xx

Reaktor kinetyczny

Podaje się:– Ilość reakcji– Typ reaktora (zbiornikowy/rurowy)– Sposób obliczeń termicznych– Cel obliczeń– JEDNOSTKI (More Specyfications) – Parametry kinetyczne reakcji

Reaktor kinetyczny zbiornikowyReaktor kinetyczny zbiornikowy

Reaktor rurowy (przepływ tłokowy)Reaktor rurowy (przepływ tłokowy)

Obliczane są

Temperatura/zapotrzebowanie ciepła Objętość reaktora/stopień

przereagowania

Kinetyka reakcji

Standardowa: – równanie Arrheniusa – Równanie Langmuira-Hinselwooda –

reakcja z katalizą heterogeniczną Niestandardowa

– Tworzy się własne równanie– Parametry zapisywane w plikach .xls i .bas

Reaktor Gibbsa

Do obliczeń bilansu masowego i cieplnego Natężenia przepływu produktów, skład,

warunki termiczne obliczane z minimalizacji energii Gibbsa

Dla typowych związków wystarczy podać parametry zasilania

Nie trzeba podawać stechiometrii!!!!Nie trzeba podawać stechiometrii!!!!– Należy wyszczególnić INERTYNależy wyszczególnić INERTY

Obliczany jest hipotetyczny stan równowagi Szczególnie użyteczny przy obliczeniach

spalania i wytrącania

Reaktor Gibbsa

Reaktor okresowy (Batch)

Jest elementem dynamicznym Wsad stanowi stan początkowy Obliczenia z wykorzystaniem kinetyki

reakcji

Technologia- ilość stopni swobody instalacji

Przykładowa technologia

Surowiec

Mieszalnik

Recykl

Kocioł grzewczy

Reaktor

Spręż.

Odpr. cz. pomocniczego

Dopr. cz. pomocniczego

Chłodnica Zawór

Rozdzielacz faz

Rozdziel. strumieni Odpow.

Produkt

Technologia- ilość stopni swobody instalacji


Mieszalnik

Kocioł grzewczy

Reaktor

Sprężarka

Chłodnica Zawór

Rozdzielacz faz

Rozdziel. strumieni

28432375442 cccccucccc nnnnnnnnnns

Obliczyć można odejmując od sumy stopni swobody wszystkich aparatówstopnie swobody strumieni wewnętrznych.

122216 ucuc nnnns

Technologia- łączenie operacjiWielofunkcyjny rozdzielacz – obejmuje rozdzielacz, wymiennik ciepłai regulator ciśnienia (zawór, kompresor)


Mieszalnik

Recykl

Kocioł grzewczy

Reaktor

Sprężarka

Odpr. cz. pomocniczego

Dopr. cz. pomocniczego

Chłodnica Zawór

Rozdzielacz faz


Produkt

Surowiec Uniwersalny Rozdziel faz


Mieszalnik

Recykl

Kocioł grzewczy Reaktor

Sprężarka Rozdziel. strumieni

Odpow.

Produkt

Surowiec

Uniwersalny Rozdziel faz Flash

Uwaga: tracimy informacje o strumieniach pomocniczych

Liczba stopni swobody wielofunkcyjnego rozdzielacza wynosi (nc+2)+2

Analiza czułości

Pozwala przeanalizować wpływ zmian parametru na działanie aparatu/instalacji– Parametrem może być

• jeden ze stopni swobody aparatu• parametr strumienia

– Definiuje się• Parametr(y) modyfikowany, zakres modyfikacji i ilość

kroków• Parametr(y) zapisywane

Analiza czułości

Utworzenie analizy czułości:– Menu: Run/Sensitivity Study/New Analysis– Podanie nazwy analizy– Dane parametru zmienianego (Adjusting)

• Typ (Equipment/Stream)• ID• Nazwa (wystąpi na wykresach)

– Parametry zapisywane (Recording)• Typ (Equipment/Stream)• ID• Nazwa (wystąpi na wykresach)

Recykle strumieni w instalacji

Jeżeli w instalacji występuje recyrkulacja strumienia nie można przeprowadzić wprost obliczeń sekwencyjnych

Konieczne jest (wykonuje to symulator)– Przerwanie strumienia (Cut stream)– Wstawienie modułu zbieżności– Określenie sekwencji obliczeń– Nadanie przerwanemu strumieniowi startowych

wartości parametrów– Prowadzenie obliczeń i przerwanie w momencie

uzyskania zbieżnego rozwiązania

Recykle strumieni w instalacjiPrzykładowa technologia

Mieszalnik

Reaktor


Produkt

Surowiec

Uniwersalny Rozdziel faz

Flash

Recykle strumieni w instalacjiPrzykładowa technologia

Mieszalnik

Recykl

Reaktor

Moduł zbieżności


Produkt

Surowiec

Uniwersalny Rozdziel fazFlash


Stosowane metody:– Podstawienie bezpośrednie– Metoda Wegsteina– Metoda dominującej wartości własnej

(DEM)


Podstawienie bezpośrednie

kk xFx 1

** xFx

xFx

x* - rozwiązanie dokładne

*k

j

kj

*j

j

kk*k*k*1k

xxJ

xxx

FxFxFxFxFxxFxx

Zbieżność metody jest liniowa:

Recykle strumieni w instalacji Metoda Wegsteina

1

1

kkk

kkk

yye

xxFy

Oznaczmy:

Dysponując wynikami dla dwóch kroków 21 k

iki yx

1 ki

ki yx

11211 ki

ki

ki

ki

ki xyyye

ki

ki

ki

ki

ki xyyye 1


Zakładając liniową zmianę błędu kolejna przybliżenie można obliczyć:

11

1

1111

1

1

1

0

ki

ki

ki

ki

ki

ki

ki

ki

ki

kik

iki

ki

ki

kii

kii

kiik

iki

ki

kik

ii

xxwxx

ee

ew

ee

exxxxee

xx

xxxx

eeee


W praktyce stosuje się równanie:

11

1

ki

ki

ki

ki

ki

ki

e

e

xx

yyw

w

wq

1

ki

ki

ki yqqyx 111

Gdzie granice q określa się w okienkach: Wegstein lower bound" i “Wegstein upper bound".Im bardziej ujemna wartość q tym metoda bardziej przyspiesza jest jednak wówczas bardziej niestabilnaDelay Factor określa częstość użycia metody w obliczeniach


Metoda dominującej wartości własnej (DEM)

1

111

kkkk xx

axx

Gdzie a to wsp. tłumienia, miedzy 1 a 0 (domyślnie 0,7). Delay Factor określa częstość użycia metody w obliczeniach


Ubogi

Wzbogacony

GAZ ZASILAJĄCY

Gaz oczyszczony

Odpow.

Uzupełnienie

Iteracja bezpośrednia: 10 cykli obliczeniowychMetoda Wegsteina: 5 cykli obliczeniowychDEM: : 7 cykli obliczeniowych

Aparat złożony: kolumna

Kolumna destylacyjna

Częśc. skropl.

Całk. skropl.

Zasilanie

Produkt dolny Produkt dolny

Zasilanie 2

Zasilanie 1

Produkt górnyKolumna absorpcyjna (Kolumna ekstrakcyjna)

Półka zasilana

kocioł

skraplacz

Model półki uniwersalnej

j - ta półka

Dekompozycja modelu półki

Mieszalnik

Rozdzielacz

Rozdzielacz

Równowaga

Uniwersalny rozdzielacz faz

Boczny odbiór par z półki

Boczny odbiór cieczy z półki

Stopnie swobody półki

M o d e l S to p n ie sw o b o d y P a ra m e try

M ie sza ln ik , 4n s 2n32n1n ccs b ra k p a ra m e tró w a p a ra tu

R o zd z ie la cz , 3n s 3nnn csc a , s to su n e k s tru m ie n i lu b

N a tę że n ie p rze p ływ u je d n e g o ze s tru m ie n i

W ilo fu n k . ro zd z . fa z 4n c T , te m p e ra tu ra lu b

za p o trze b o w a n ie c ie p ła P , c iśn ie n ie

S u m a s to p n i sw o b o d y 16n6 c (m ie sza ln ik , ro zd z . fa z o ra z d w a ro zd z. s tru m ie n i)

L iczb a s tru m ie n i w e w n ę trzn ych 3 (m ie sza ln ik – ro zd z . fa z , ro zd z. fa z – ro zd z . s tru m ie n i d w u k ro tn ie ),

2n c

S to p n ie sw o b o d y p ó łk i 3 n c+ 1 0

Dla modułowych obliczeń sekwencyjnych zdefiniować należy strumienie wlotowe (zasilanie, zasilanie fazą ciekłą, zasilanie fazą gazową ) oraz parametry aparatu, zazwyczaj parametry rozdziału w rozdzielaczach (2), ciśnienie w układzie (1) oraz zapotrzebowanie ciepła (1).

Stopnie swobody kolumny

Zdefiniujmy dla kolumny– całkowita ilość półek: nt

– całkowita ilość strumieni zasilających: nf

– całkowita ilość strumieni (odbiorów) bocznych fazy ciekłej: nsl

– całkowita ilość strumieni (odbiorów) bocznych fazy gazowej: nsv

– całkowita ilość stopni ogrzewania: nq


– Suma stopni swobody półek:

– Liczba strumieni wewnętrznych

– Liczba stopni swobody kolumny

103 ct nn

12 tn

2242212103 ctctctct nnnnnnnn


2242 ctct nnnn

Parametry strumieni zasilających

liczba parametrów opisujących obiekty – półki:

1. upustowe strumienie boczne ciekłe

2. upustowe strumienie parowe,

3. strumienie ciepła, 4. Ciśnienia panujące na

półce

Opisuje półki skrajne: na pierwszej półce nie ma strumienia dolotowego cieczy – skład destylatuna ostatniej półce nie ma strumienia dolotowego par – skład wywaru


Jako, że faktyczna liczba półek zasilanych nf jest zwykle mniejsza niż suma półek, definiuje się

2 cf nn

Pozostałe (nt-nf) są definiowane automatycznie


Definiować należy tylko istniejące strumienie boczne: nsl i nsv pozostałe (2nt-(nsl + nsv))zostaną wprowadzone automatycznie

Zakładamy, że zdefiniować musimy tylko istniejące zapotrzebowania ciepła, nq, pozostałe nt-nq zostanąwprowadzone automatycznie.

Ostatnim parametrem półek jest ciśnienie i jego wartościnależy wstępnie oszacować.

ChemCAD

Documents

Transcript of ChemCAD