Программное обеспечение для моделирования технологических процессов
Современный подход к разработкам в области химических технологий требует использования компьютерного моделирования технологических процессов и оборудования. При разработках новых технологий, реконструкции или модернизации существующего производства, анализе работы технологических схем необходимо применение математических моделей и компьютерного анализа.
Математическая модель разрабатываемой схемы отражает сущность физико-химических процессов, конструктивные характеристики оборудования, а также технологические связи между элементами схемы. В общем виде такая модель представляет собой систему нелинейных уравнений материальных и тепловых балансов и уравнений функциональных связей. Построение и решение такой системы уравнений невозможно без использования компьютерных моделирующих программ.
Компания использует специализированный вычислительный комплекс собственной разработки, что дает неоспоримые преимущества при моделировании технологических процессов:
— возможность адаптации расчетных модулей для учета особенностей технологии и конструкции оборудования заказчика;
— оперативное использование последних достижений мировой науки в области моделирования химических технологий;
— возможность «настройки» моделей по экспериментальным данным в требуемом диапазоне изменения параметров.
В основе математических моделей заложены базовые принципы и законы термодинамики, гидродинамики, химической кинетики и теории теплопередачи.
Математическое моделирование применяется на всех основных этапах принятия технических решений:
- Разработка технологической схемы. Выбор оптимального решения из множества многократно просчитанных вариантов.
- Расчет параметров и конструкции оборудования с целью достижения заданных технологических характеристик.
- Оценка состояния оборудования путем воспроизведения технологических параметров при расчетах по данным обследования производства.
- Оценка технологических показателей производства.
Для каждой технологической задачи создается уникальная база данных, включающая физико-химическую основу процесса, данные о структуре технологической схемы, набор расчетных модулей технологического оборудования с исходными и расчетными данными.
Программное обеспечение позволяет моделировать как проточные схемы, так и циркуляционные. В результате многократных расчетов определяются оптимальные технологические параметры как схемы в целом (производительность, кратность циркуляции, количество продувок и пр.), так и отдельного оборудования (загрузка катализатора, параметры и расположение реакционных, теплообменных труб, мощности компрессоров и насосов и многие другие). Использование кинетических зависимостей позволяет производить детальный расчет реакторного оборудования, и оценивать режимы работы технологической схемы при различной активности катализатора — на начало и конец кампании. Использование соответствующих моделей фазовых равновесий для расчета массообменного оборудования позволяет получить адекватную модель стадии ректификации.
Результаты расчетов представляются в виде схем, таблиц и графиков.
Программное обеспечение представляет собой уникальный вычислительный комплекс, состоящий из информационных баз данных, расчетных модулей и интерфейсной части.
Для описания процессов химического превращения на катализаторах разработано специализированное программное обеспечение, в состав которого входит банк кинетических зависимостей.
Ряд моделей и расчетных модулей используется для расчета нестандартного технологического оборудования, такого как, печи конверсии углеводородного сырья разных типов, реакторов синтеза аммиака и метанола различной конструкции, котлов-утилизаторов для использования тепла конвертированного и дымовых газов с учетом конструктивных особенностей аппаратуры.
Структура программного комплекса
1. Информационное обеспечение
1.1. База данных свойств индивидуальных веществ
База данных содержит численные значения констант для расчета физико-химических свойств отдельных веществ в диапазоне изменения температур и давлений и является основой для расчета свойств многокомпонентных сред и характеристик физико-химических явлений.
1.2. Банк бинарных параметров
Банк содержит значения параметров бинарного взаимодействия, предназначенных для повышения точности расчетов равновесия пар-жидкость и пар-жидкость-жидкость многокомпонентных смесей.
1.3. Банк кинетических зависимостей
Банк содержит кинетические зависимости с численными значениями констант для следующих процессов:
— паровая конверсия метана на никелевом катализаторе;
— высокотемпературная конверсия СО на железохромовом катализаторе;
— низкотемпературная конверсия СО на медьсодержащем катализаторе;
— гомогенная конверсия СО;
— синтез аммиака на железном катализаторе;
— синтез метанола на медьсодержащем катализаторе;
— синтез диметилового эфира;
— разложение аммиака на Ni-Al2O3;
— гомогенное окисление NO до NO2 .
1.4. База данных катализаторов для каталитических стадий производств аммиака и метанола
Банк содержит данные о характеристиках и свойствах основных катализаторов, используемых в производстве аммиака и метанола.
2. Моделирующие программы
2.1. Библиотека базовых алгоритмов
Представляет собой основу расчетных модулей и состоит из набора программ для вычисления свойств технологических сред, параметров химического превращения, гидродинамических характеристик и процессов тепло- и массопереноса для различных условий.
2.2. Расчетные модули общего назначения
Основной набор расчетных программ для модельного представления большинства единиц технологического оборудования:
— узлы смешения и разделения;
— насосы, компрессоры;
— теплообменное оборудование: кожухотрубчатые теплообменники, змеевики, огневые подогреватели и горелки;
— массообменное оборудование: сепараторы, абсорберы, ректификационные колонны;
— кинетический каталитический реактор с радиальным или аксиальным ходом газа для расчета химического превращения;
— химический реактор по равновесной модели;
— реактор для гомогенных газофазных кинетических некаталитических процессов.
2.3. Модули для расчета специализированного оборудования
2.3.1. Конверсия углеводородного сырья:
— Трубчатая печь с потолочными горелками;
— Трубчатая печь с ярусными горелками;
— Трубчатая печь с террасными горелками;
— Змеевики конвективной зоны трубчатых печей и котлы с естественной и принудительной циркуляцией;
— Парокислородный (паровоздушный) конвертор.
2.3.2. Синтез аммиака
— 4-х полочная аксиальная колонна;
— 3-х полочная колонна синтеза с радиальной насадкой и межслойным теплообменником;
— 2-х полочная колонна синтеза с радиальной насадкой и межслойным теплообменником.
2.3.3. Синтез метанола
— Полочные реакторы аксиального типа с «холодными» байпасами между слоями или охлаждением газа между слоями в теплообменниках;
— Реакторы синтеза метанола радиального типа;
— Реактор синтеза метанола трубчатого типа с системой парообразования;
— Реактор синтеза метанола со встроенным рекуперативным пластинчатым пароводяным или газовым теплообменником.
2.3.4. Прочее оборудование
— Многорядный котел-утилизатор тепла дымовых газов с естественной циркуляцией теплоносителя;
— Кожухотрубчатый котел-утилизатор тепла конвертированного газа с естественной циркуляцией теплоносителя;
— Котлы-утилизаторы тепла нитрозных газов;
— Абсорбционная колонна нитрозных газов.
3. Интерфейсная часть программного комплекса
Часть программного комплекса, позволяющая пользователю-технологу формировать расчетную базу задачи.
Выполняет следующие функции:
— задание физико-химической основы расчетной задачи;
— задание структуры технологической схемы;
— задание исходных данных по аппаратам;
— управление расчетом задачи;
— формирование выходной информации в виде таблиц и графиков.
4. Вспомогательные модули
- Набор специализированных программ (контроллеров) для управления процессом счета и вывода информации.
- Набор вспомогательных модулей для обработки экспериментальных и литературных данных с целью определения и/или уточнения численных значений параметров уравнений.
