Komputerowa Inżynieria Procesowa
description
Transcript of Komputerowa Inżynieria Procesowa
-
Komputerowa Inynieria ProcesowaInynieria Chemiczna II
-
TematykaSymulacja procesw inynierii chemicznejZastosowanie programw typu CAD w inynierii chemicznej i procesowejModelowanie przepyww za pomoc programw wykorzystujcych metod elementw skoczonych (CFD - Computational fluid dynamics)Sztuczne sieci neuronowe
-
Symulacja proceswWSTP
-
SymulacjaDziaanie majce na celu przewidywanie zachowania rzeczywistych obiektw z wykorzystaniem ich modelw bez koniecznoci manipulowania rzeczywistym ukadem
-
ModelJest odwzorowaniem pewnej rzeczywistoci w formie dogodnej dla inyniera/badacza. Fizyczny: jedna wielko zastpiona przez drug lub obiekty w pomniejszonej skaliMatematyczny: wykorzystuje rwnania matematyczne opisujce rzeczywiste ukady fizyczne.
-
Podzia modeliBlack box white box Black box brak danych na temat natury procesu, znane tylko zalenoci midzy wejciem a wyjciem. Praktyczna realizacja to Sie neuronowaWhite box mechanizm procesu jest dobrze znany i opisany zestawem rwna.
-
Podzia modeliDeterministyczne StochastyczneDeterministyczne dany zestaw wartoci wejciowych generuje jeden zbir wartoci wyjciowych z prawdopodobiestwem wynoszcym 1.Stochastyczny zjawiska losowe wpywaj na przebieg procesu i zbir wyjciowy jest zbiorem liczb losowych o rnym prawdopodobiestwie wystpienia
-
Podzia modeliMikroskopowe-makroskopoweMikroskopowe obejmujce tylko ma cz rozwaanego aparatu (instalacji)Makroskopowe obejmujce cay aparat lub proces.
-
Elementy skadowe modeluZalenoci bilansoweOparte o podstawowe prawa naturyPrawo zachowania masyPrawo zachowania energiiPrawo zachowania adunku elektrycznego, itd.Rwnanie bilansu: Wejcie Wyjcie = Akumulacja
-
Elementy skadowe modeluRwnania konstytutywne dotycz strumieni niekonwekcyjnychr. Newtona tarcia lepkiego
r. Fouriera przewodzenia ciepa
r. Ficka dyfuzji masy
-
Elementy skadowe modeluRwnania rwnowag fazowych wane przy transporcie masyRwnania waciwoci fizycznych do obliczenia parametrw jako funkcji temperatury, cinienia i skadu.Zalenoci geometryczne wprowadzaj wpyw geometrii aparatu na wspczynniki transportu (masy, ciepa) strumienie konwekcyjne.
-
Struktura modeluZaley od:Typu pracy obiektu: Ciga stan ustalonyOkresowa stan nieustalonyRozkadu parametrw w przestrzeniRwne we wszystkich punktach aparatu parametry skupione (reaktor wsadowy z idealnym mieszaniem)Parametry zmienne w przestrzeni parametry rozproszone
-
Struktura modelu
-
Rodzaje symulacji w stanie ustalonymFlowsheeting problem symulacja prostaDesign (specification) problem symulacja z zaoeniami na wyjciuOptimization problem - optymalizacjaSynthesis problem tworzenie nowego procesu od podstawprzez Rafiqul Gani
-
Flowsheeting problem Dane:Schemat technologicznyWszystkie parametry wejcioweWszystkie warunki prowadzenia procesuWszystkie parametry aparaturyDo obliczenia:Wszystkie dane wyjciowe
-
R.Gani
-
Specyfication problem Dane:Schemat technologicznyNiektre informacje wej/wyj.Niektre warunki prowadzenia procesuNiektre parametry aparatwDo obliczenia:Pozostae parametry wej/wyjPozostae warunki prowadzenia procesuPozostae parametry aparatw
-
Specyfication problem UWAGA: liczba stopni swobody jest taka sama jak w przypadku flowsheeting problem.
-
R.Gani
-
Znale: D, QrRozwiza flowsheetingproblemSTOPCzy skad produktu spenia zaoenia?Zmie D, QrDane: Skad i natenia na wlocie oraz docelowy skad produktuZnale: natenie przepywu produktu i zapotrzebowanie na ciepo
-
Process optimisation Proces znajdowania najlepszego rozwizania procesowego (minimalizacja kosztw zuycia energii, surowcw, maksymalizacja zysku itp.) przez dobr parametrw procesu bez zmiany zastosowanych aparatw.
-
Znale: D, QrRozwiza flowsheetingproblemSTOPCzy skad produktu spenia zaoeniaAND =min.Zmie D, QrDane: Skad i natenia na wlocie oraz docelowy skad produktuZnale: natenie przepywu produktu i zapotrzebowanie na ciepo
-
Process synthesis/design problemAkt tworzenia nowego procesu.Dane:Parametry wejciowe (niektre strumienie wejciowe mog by w trakcie dodawane/zmieniane/usuwane)Parametry wyjciowe (niektre produkty uboczne/odpady mog by na pocztku nieznane)Znale:Schemat technologicznyParametry aparatw Warunki prowadzenia procesu
-
Process synthesis/design problemSchemat procesowy nieznanyINPUTOUTPUT
-
Znale pasujce D, QrorazN, NF, R/D etc.Znale: D, QrRozwiza flowsheetingproblemSTOPCzy skad produktu spenia zaoeniaAND =min.Dane: Skad i natenia na wlocie oraz docelowy skad produktuZnale: natenie przepywu produktu, zapotrzebowanie na ciepo, iloc pek stopie refluksu itd.
-
Process synthesis/design problemMetoda separacji i aparaturametanolwodametanolwodaMetody: destylacja, separacja membranowa, ekstrakcjaAparatura: ile i jakich aparatw potrzeba, jaka jest ich geometria oraz parametry pracy
-
Narzdzia do prowadzenia symulacji procesowychKartka, owek i kalkulatorrodowiska programistyczne (Pascal, Fortran, C++, itp.)Programy matematyczne oglnego stosowania: arkusze kalkulacyjne, pakiety matematyczne, Specjalizowane symulatory procesowe.
-
Narzdzia do prowadzenia symulacji procesowychKartka, owek i kalkulatorrodowiska programistyczne (Pascal, Fortran, C++, itp.)Programy matematyczne oglnego stosowania: arkusze kalkulacyjne, pakiety matematyczne, Specjalizowane symulatory procesowe.
-
Elementy skadowe schematu technologicznegoAparaty wszelkiego typu urzdzenia majce odpowiedniki w rzeczywistych instalacjach lub pozwalajce w poczeniu ze sob modelowa aparat fizycznyStrumienie poczenia pomidzy aparatamiZasilanie/odbir miejsca wprowadzania do procesu surowcw, odbioru produktw, usuwania odpadw
-
Zasada rozdziau na aparaty i strumieniePodzia na strumienie i aparaty wynika z zaoenia przyjmowanego w wikszoci systemw, e wszelkie reakcje, wymiana ciepa czy masy odbywaj si w aparatach a strumienie pozostaj w rwnowadze chemicznej i termodynamicznej.Odstpstwa dotycz symulacji procesw nieorganicznych, zachodzcych w elektrolitach
-
Parametry strumieniNatenie przepywuSkad EntalpiaCinienie Udzia par/gazw
-
Ilo stopni swobody strumieniDFs=NC+2Przykad: Strumie ma 2 skadniki.NC=2 -> DFs=4 Mona zaoy 4 parametry np.: nateniaprzepywu, temperatur oraz cinienie F1, F2, T, PObliczone zostan: entalpiaudzia par
-
Parametry aparatwCechy charakterystyczne danego aparatu w ramach odpowiadajcego typu aparatw. Np. w przypadku wymiennika ciepa:Powierzchnia wymiany ciepaWspczynnik przenikania cieparednia rnica temperaturIlo stopni swobody jest charakterystyczna dla aparatu
-
Zastosowanie Excela do symulacji ukadu z wymiennikiem ciepa
-
I. Definicja problemuPrzeprowadzi symulacj instalacji skadajcej si z: paszczowo rurowego wymiennika ciepa, czterech rur oraz dwch zaworw na rurach wylotowych. Parametry strumieni wlotowych jak i geometria rur oraz wymiennika a take opr miejscowy zaworu s znane. Czynnikiem pyncym przez obydwie strony wymiennika jest woda. Przepyw przez rury jest adiabatyczny.
Znale taki opr przepywu przez zawory by cinienie wylotowe z rurocigw wynosio 1bar.
-
II. Schemat technologiczny
-
Dane:Strumie s1Ps1 =200kPa, ts1 = 85C, f1s1 = 1000kg/h
Strumie s6Ps6 =200kPa, ts6 = 20C, f2s6 = 1000kg/h
-
Parametry aparatw:L1=7m d1=0,025mL2=5m d2=0,16m, s=0,0016m, n=31...L3=6m, d3=0,025mz4=50L5=7m d5=0,025mL6=10m, d6=0,025mz7=40
-
III.Tabela strumieni Niewiadome: Ts2, Ts3, Ts4, Ts5, Ts7, Ts8, Ts9, Ts10, Ps2, Ps3, Ps4, Ps7, Ps8, Ps9, f1s2, 1s3, f1s4, f1s5, f2s7, f2s8, f2s9, f2s10
Ilo niewiadomych: 24Potrzeba 24 niezalenych rwna.
s1
s2
s3
s4
s5
s6
s7
s8
s9
s10
f1
f1s1
X
X
X
X
f2
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
-
Rwnania z informacji dotyczcych aparatwf1s2= f1s1f1s7= f1s6
f1s3= f1s2 f1s8= f1s7
f1s4= f1s3 f1s9= f1s8
f1s5= f1s4 f1s10= f1s9
14 rwna. Brakuje 24-14=10
-
Rwnania bilansu cieplnegoNowa zmienna: QBrakuje: 10+1-2=9 rwna
-
Rwnania wymiany ciepa Nowe zmienne: k, DTm - brakuje 9+2-2=9 rwna
-
Rwnania wymiany ciepa Dwie nowe zmienne: aT and aS Ilo brakujcych rwna: 9+2-1=10
-
Rwnania wymiany ciepaTrzy nowe zmienne: NuT, NuS, deq,
brakuje: 10+3-3=10 rwna
-
Rwnania wymiany ciepa
-
Rwnania wymiany ciepaDwie nowe zmienne ReT and ReS,
brakuje: 10+2-4=8 rwna
-
Spadek cinienia
Ps1-Ps2=P1
Ps2-Ps3=P2T
Ps3-Ps4=P3
Ps4-Ps5=P4
Ps6-Ps7=P5
Ps7-Ps8=P2S
Ps8-Ps9=P6
Ps9-Ps10=P7
Osiem nowych zmiennych: P1, P2T, P3, P4, P5, P2S, P6, P7, brakuje 8+8-8=8 rwna
-
Spadek cinienia
Dwie nowe zmienne Re1 and l1, brakuje: 8+2-3=7 rwna
-
Spadek cinienia
Dwie nowe zmienne Re2t and l2T, brakuje: 7+2-3=6 zmiennych
-
Spadek cinienia
Dwie nowe zmienne Re3 and l3, brakuje: 6+2-3=5 rwna
-
Spadek cinienia
Brakuje: 5-1=4 rwna
-
Spadek cinienia
Dwie nowe zmienne Re5 and l5,
Brakuj: 4+2-3=3 rwnania
-
Spadek cinienia
Dwie nowe zmienne Re2S i l2S, brakuj: 3+2-3=2 rwnania
-
Spadek cinienia
Dwie nowe zmienne Re6 i l6,
Brakuje: 2+2-3=1 rwnanie
-
Spadek cinienia
brakuje: 1-1=0 rwna!!!!!!!!!!!!!!
-
Parametry czynnikwPoniewa w rnych odcinkach instalacji i dla rnych nastaww zaworw temperatury czynnikw s rne w obliczeniach konieczne jest uwzgldnienie wpywu temperatury na waciwoci wody.Zalene od temperatury waciwoci fizyczne wody Ciepo waciwe cp Wsp. lepkoci dynamicznej h Gsto r Wsp. przewodzenia ciepa l Liczba Prandtla Pr
-
Parametry czynnikwDo dyspozycji s tabele zalenoci parametrw od temperatury
-
Parametry czynnikwKorzystanie z tabel jest trudneRozwizanie:Przybliy dane tabelaryczne zalenociami funkcyjnymi.Estymacja.Kad zaleno mona przedstawi za pomoc wielomianu.Najprostszy sposb dostpny w arkuszach kalkulacyjnych opiera si na wykresach i tzw. "liniach trendu"
-
Parametry czynnikw
-
Prowadzenie obliczeZnaczna ilo rwnaRozwizanie prowadzi na dwa sposoby:
Sekwencyjno-moduowyZorientowany rwnaniowoW kadym punkcie oblicze symulowany jest model jednego aparatuRozwizuje wszystkie modele tworzce flowsheet jednoczenieFlowsheet podlega dekompozycjiPorzdkowane s rwnaniaWystpuj iteracje w przerwanych strumieniachUaktualnia wszystkie poszukiwane wartoci w jednym krokuMniej elastyczny ale stabilniejszyBardziej elastyczny ale mniej stabilnyNiewygrowane zapotrzebowanie na pami Bardzo due zapotrzebowanie na pamiParametry startowe waneParametry startowe bardzo wane
-
Zorientowane rwnaniowoSekwencyjno-moduowex- odpowiada zmiennym strumieni czcych aparaty
-
Rodzaje oblicze bilansowychBilans oglny (bez rwna modelowych aparatu) Szczegowe obliczenia modelowe
-
Balans oglnyWymaga wicej danych strumieniBrak informacji czy przemiana jest fizycznie moliwa
-
Bilans oglny - przykadPrzeciwprdowy wymiennik ciepa, dane s parametry trzech strumieni: 1, 2, 3 (str. 1 ogrzewa str.3). Parametry 4tego mona obliczy z bilansu. Istnieje moliwo, e tak obliczona t4 bdzie wysza od t1DF=5
-
Bilans oglny - przykadDane: mA=10kg/smB=20kg/st1= 70Ct2=40Ct3=20CcpA=cpB=f(t)
-
Uycie modeli aparatwProces zachodzcy w aparacie opisuj odpowiednie rwnania (rniczkowe, bezwymiarowe etc.) maj miejsce tylko fizycznie moliwe przemiany Mniej danych strumieni (mniejsza liczba stopni swobody)Przykad wymiennika: dane dla dwch strumieni pozostae 2 obliczane z boilansu i rwnania transportu ciepa.
-
Ptle i przerwane strumieniePtle wystpuj gdy: Pewne produkty s zawracane i mieszane ze strumieniami wejciowymiGdy strumie wyjciowy ogrzewa/chodzi strumie wejciowyBrak danych na wejciu Rozwizanie w okadzie sekwencyjno-moduowym:Jeden ze strumieni wewntrz ptli przecina siDefiniuje si parametry pocztkowe w przecitym strumieniu Oblicza kolejne moduy a do punktu przeciciaPorwnuje si obliczone wartoci z zaoonymi, w razie potrzeby koryguje zaoenia i powtarza obliczenia.
-
Ptle i przerwane strumienie - przykad
-
Obliczenia instalacji z wymiennikiemSchemat technologiczny sugeruje brak oblicze w ptliDogodny sposb oblicze: sekwencyjno-moduowyW rzeczywistoci rwnanie wymiany ciepa wymaga zastosowania rednich temperatur czynnikwKonieczne zaoenie temperatur wylotowych by wyliczy rednieDokadne rwnanie bilansu wymaga caki ciepa waciwego od temp. wlot do wylot.Konieczne zaoenie temp. wylotowych.
-
Obliczenia instalacji z wymiennikiemRozwizanie problemuzaoy temperatury wylotoweobliczy bilansskorygowa jedn z temperatur przyjmujc zaoenie, e na tym etapie druga jest poprawnie zaoona (ptla iteracyjna 1 - wewntrzna)wykona obliczenia wymiany ciepa (Nu, , k)obliczy wczeniej przyjta za poprawn temp. wylotow z rwnania transportu ciepaporwna obliczon i zaoon temperatur, w razie potrzeby wrci z t temperatur do punktu 2. (ptla iteracyjna 2 zewntrzna)
-
Za. Ts3 Za. Ts8 Obliczy rednie temp. wymienniku i rednie cpObliczy Ts8o z r. bilansu |Ts8o- Ts8|eObliczy Ts3o z rwna transportu ciepa|Ts3o- Ts3|eSkoryguj Ts8Skoryguj Ts3Temp. wyznaczonetaktak
At first sight na pierwszy rzut oka