Моделирование технологических процессов

Разработка современных технологических процессов перера­ботки природного углеводородного сырья и оптимальная эксплуа­тация действующих производств невозможны без применения мо­делирующих программ, имеющих высокую точность описания па­раметров технологических процессов и позволяющих без значи­тельных материальных и временных затрат производить исследова­ние этих процессов. В настоящее время используется большое чис­ло программных средств моделирования химико-технологических процессов.

В основу всех средств моделирования заложены общие принци­пы расчетов материально-тепловых балансов производств, связан­ных с изменением агрегатного состояния, компонентного и хими­ческого состава материальных потоков. Любая система моделиро­вания включает набор следующих основных подсистем, обеспечивающих решение задачи моделирования химико-технологических процессов:

термодинамические данные по чистым компонентам (база дан­ных) и средства, позволяющие выбирать определенные компонен­ты для описания качественного состава рабочих смесей;

средства представления свойств природных углеводородных смесей, главным образом нефтей и газоконденсатов, в виде, прием­лемом для описания качественного состава рабочих смесей, по дан­ным лабораторного анализа;

различные методы расчета термодинамических свойств, таких как коэффициент фазового равновесия, энтальпия, энтропия, плотность, растворимость газов и твердых веществ в жидкостях и фугитивность паров;

модели для расчета отдельных элементов технологических схем процессов;

средства для формирования технологических схем из отдельных элементов;

средства для расчета технологических схем, состоящих из боль­шого числа элементов, определенным» образом соединенных между собой.

Эти данные необходимы для расчета термодинамических свойств, таких как коэффициент фазового равновесия, энтальпия, энтропия, плотность, растворимость газов и твердых веществ в жидкостях и фугитивность паров.

Методы расчета термодинамических свойств.Обычно моделиру­ющие системы имеют встроенные базы данных свойств чистых компонентов. Число чистых компонентов обычно превышает 1000, что дает возможность использовать программу практически для любых случаев. На практике при решении задач, характерных для газовой и нефтяной промышленности, используются не более 50 компонентов. :

Как правило, моделирующая система включает различные ме­тоды расчета термодинамических свойств, таких как коэффициент фазового равновесия, энтальпия, энтропия, плотность, раствори­мость газов и твердых веществ в жидкостях и фугитивность паров. Данные методы включают в себя:

обобщенные корреляции, такие как метод расчета коэффициен­тов фазового равновесия и метод расчета плотности жидкости;

уравнения состояния, такие, как методы расчета коэффициента фазового равновесия, энтальпии, энтропии и плотности;

методы коэффициентов активности жидкости;

методы фугитивности паров; ^J

специальные методы расчета свойств специфических систем ком­понентов, таких как спирты, амины, гликоли и системы кислой воды.

Средства моделирования процессов.От состава средств модели­рования отдельных процессов зависят функциональные возможно­сти всей моделирующей системы. Моделирующие системы включа­ют средства для моделирования следующего набора процессов:

сепарация газа и жидкости (2-х несмешивающихся жидкостей

однократное испарение и конденсация;

дросселирование;

адиабатическое сжатие и расширение в компрессорах и детанж pax;

теплообмен двух потоков;

нагрев или охлаждение потока;

ветвление и смешение потоков;

процессы в дистилляционных колоннах с возможностью подач; и отбора боковых материальных и тепловых потоков — абсорберы конденсационные (укрепляющие) колонны; отпарные (исчерпыва ющие) колонны; дистилляционные колонны.

Все программы позволяют моделировать сложные дистилляци­онные системы со стриппингами, боковыми орошениями, подогре­вателями и т. д. Такого набора процессов достаточно для моделиро­вания основного круга задач нефте- и газопереработки. Системы моделирования могут содержать также средства для моделирования процессов, расширяющих сферу их использования: теплообмен в многопоточных теплообменниках; химические процессы в реак­торах (в том числе стехиометрический, с минимизацией энергии Гиббса, равновесный, полного вытеснения и смешения); процессы в экстракторах жидкость—жидкость; процессы с твердой фазой (кристаллизаторы, центрифуги, фильтры, сушилки и т. д.).

Системы моделирования. В настоящее время наиболее широкое распространение получили системы моделирования, созданные в компаниях 'Simulation Sciences" (SimSci), "Aspen Technologies" и "Hyprotech".

Программа канадской компании "Hyprotech Hysim" позволяет выполнять статическое моделирование практически всех основных процессов газопереработки, нефтепереработки и нефтехимии. В основе пакета лежит оригинальный совершенный алгоритм рас­чета ректификационных колонн. Программа практически не имеет ограничений в отношении набора задаваемых спецификаций и сложности колонны. Данные в программу вводятся в виде табли­цы, затем строится изображение схемы в формате AutoCAD, В 1996 г. фирма представила новую разработку — Hysys, которая наряду с возможностью статического моделирования технологиче­ских схем позволяет в той же среде производить динамическое мо­делирование отдельных процессов и всей технологической цепоч­ки, а также разрабатывать .и отлаживать схемы регулирования про­цессов. С помощью этих программ имеется возможность выполнять расчеты основных конструктивных характеристик сепарационного оборудования, емкостей, теплообменной аппаратуры, тарельчатых и насадочных ректификационных колонн и оценку стоимости обо­рудования.

Американской фирмой "Simulation Sciences, Inc." разработаны широко известные программные продукты Pro Пи Pro Vision. Прак­тически в Pro If/ProVision заложены возможности моделирования почти всех химических и нефтехимических производств. Имеется возможность проведения гидравлических расчетов сепарационного оборудования, реакторов, насадочных и тарельчатых ректификаци­онных колонн,