Интеграция Моделирование процесса и процесса синтеза

Дизайн нового процесса с использованием компьютерного моделирования для анализа технологической схемы на основе модели лук можно сэкономить время, усилия и, в конечном итоге, деньги.

Дизайн химический процесс предполагает обобщение и анализ. Процесс синтеза общего развития технологической схемы путем объединения отдельных этапов (оборудования и условий эксплуатации) в оптимальные договоренности. Анализ процессов разрушает схемы для оценки работы каждого отдельного элемента, а также, как весь процесс будет выполнять, как правило, в процессе тренажера.

Анализ процессов часто осуществляется после синтеза задача была завершена. Основным недостатком такого подхода является то, что, если схема окажется невозможным на этапе анализа, синтеза задача должна быть повторена до следующего анализа шаг может иметь место. Это переработать можно избежать, если схема синтезируется с использованием модели процесса синтеза и моделирования инструмент.

Эта статья показывает, как эти средства могут быть использованы ручная inhand генерировать достаточно хорошо технологической схемы. Это особенно полезно для оценки нового пути процесса или создания новых альтернатив для процесса развития.

модели процесса синтеза

Две основные модели процесса синтеза являются иерархические подход, изложенный в таблице 1 (1,2) и "лук модель" показано на рисунке 1 (3, 4).

Первая попытка совместить процесс синтеза и анализа в процессе разработки нового процесса использовали иерархический подход к синтезу hydrodealkylation процесс уравнения процесс, основанный на тренажере (5). Основным недостатком такого подхода является то, что уравнения-тренажеры процесс часто требует много времени, чтобы написать программный код до моделирования могут быть выполнены. Модульная тренажеры процесса являются эффективным средством обработки задач моделирования процессов.

Лук модель альтернативный способ представить иерархический подход к процессу дизайна. Процесс дизайна начинается в центре луком, с реактора, а также доходов наружу. Конструкции реактора влияет на разделение и переработку структуры (второй слой лука), которые предназначены следующей. Реактор, перерабатывать и сепаратор структур диктовать общие требования рекуперации тепла, так что дизайн рекуперации тепла сети дальше. Наконец, технологических систем утилиты предназначены для обеспечения дополнительного нагрева и охлаждения требования, которые не могут быть удовлетворены путем рекуперации тепла. Эта модель подчеркивает, последовательный и иерархический характер процесса синтеза схемы.

Тем не менее, лук модель процесса синтеза необходимо использовать инструмент анализа процесс. Синтез решений, принятых на каждый слой лука модель может потребовать подробного анализа - и это роль процесса тренажера. Расчет производится на каждого слоя после новых единиц или добавить новые решения. Это гарантирует, что возможные схемы процесса (с точки зрения массового и энергетического баланса, условий эксплуатации и т.д.), разработанных на каждый слой лука. Оптимизация может осуществляться по каждому вновь добавил блок для определения оптимальных переменных дизайн (аппаратное оптимизации), а также его условия эксплуатации (параметрическая оптимизация).

Суть этого процесса - реактор

Синтез новой схемы процесс должен начаться в центре химического процесса, т. е. системы реактора. Это где сырье превращается в ценные продукты. После синтеза и моделирования системы реактора, процесс проектировщик должен рассмотреть следующие вопросы:

* Что такое правильная модель реактора (реактор непрерывного перемешивают танков, подключаемых проточного реактора и т.д.), и каковы его условия эксплуатации (изотермический, адиабатический, постоянная температура на выходе, вакуум и т.д.)?

* Как преобразования продуктов и выход может быть решен?

* Является катализатором необходимых при моделировании системы реактора?

Ответы на первые два вопросы можно найти в литературе самые разнообразные реакции. При использовании нескольких наборов условий эксплуатации существует, процесс тренажеров может служить инструментом для сравнения жизнеспособных вариантов. Моделирование дает больше информации, чем в доступной литературе в плане нагрева или охлаждения требования, условия эксплуатации, и так далее.

Catalyst моделирования обычно могут быть исключены из реактора моделирования, при условии массового и энергетического баланса являются единственными целями моделирования. Однако, если катализатор, используется в процесс включает в себя изменение фазы, в том числе его анализ позволит более полного анализа нагрева реактора системы требований.

Уровень 2 - разделения и переработки

После синтеза реакторной системы и моделирование закончится, акцент смещается на второй слой лука модели. Продукты и любые побочные продукты образуются в реакторе, должны быть отделены от неосведомленными реагентов для дальнейшей очистки, а неизмененный сырье возвращается в реактор.

Разделение системы. Разделение системы можно подразделить, как жидкости или пара увольнений. Когда реактор стоков содержит смесь жидкости и пара, фазоразделитель, таких как флэш колонке, как правило, используются для разделения фаз, прежде чем они вступят в рамках их соответствующих систем разделения (рис. 2).

Если вспышка колонка с двумя степенями свободы работает, проектировщик должен определить две переменные процесса моделирования. Для простоты, температуры и давления (или перепада давления) часто используются.

системы разделения пара включать конденсаторы, флэш-танки, абсорберы, адсорберы и мембраны для сепарации газов. Эти единицы операций, как правило, используется для очистки пара переработки потока в своем распоряжении снова вступает в процесс. Чистка потока всегда заняты, чтобы избежать нежелательных загрязнений нароста.

системы разделения жидких включать дистилляции (перегонки в том числе добывающей), экстракции, лишив, фильтрация (в том числе мембранного разделения), центрифугирование, и так далее. Выбор соответствующего процесса разделения широко обсуждается в разработке учебников (например, 2, 6, 7) и не рассматривается здесь. Потому что дистилляции настолько широко используется, моделирование ректификационной колонны будут обсуждаться здесь подробно.

Характеристики, необходимые для моделирования ректификационной колонны как правило, включают:

* Количество теоретических лотков. Хороший первоначальной сметы может часто быть получена с помощью укороченной методы, такие как уравнения Фенск (2) или упрощенная модель разделения доступна на симуляторе.

* Верхней и нижней колонке температур. Оценки получены с укороченной моделирования часто приводит к более быстрому сближению в колонке моделирования.

* Колонке давления. Либо в верхней или нижней колонке давление, как правило, набор по столбцу дизайнер или падение давления колонке указан на основе столбца верхнего давления.

* Канал лоток места (мест). местах Feed лоток выбираются исходя из таких соображений, как сохранение энергии (оба потока корма и кормовые лоток имеют одинаковую температуру), и требуется чистота продукта (более высокого уровня корма лоток может повлиять на состав верхней поток продукта) и другие.

* Расходы, приведенные оценкам продукта. Некоторые тренажеры требуют оценки сверху и снизу продукта Расходы, приведенные для инициализации расчетов колонке сходимости. (Это значение будет отличаться от желаемого продукта расход, указанный в качестве критерия сходимости при моделировании.)

Большинство колонке моделирования для несложных разделения смеси будет сходиться без особых затруднений. Иногда колонке моделирования не сходится. Следующие шаги могут быть предприняты, чтобы помочь сближению рубрики:

1. Оценка термодинамических выбор, особенно K-значения.

2. Создать первоначальные предположения использованием сокращенный метод.

3. Ищите недостижимым и невозможным характеристики (например, reboiler долг, который испаряется весь корм, технические характеристики продуктов, которые нарушают баланс колонке материала и т.д.).

4. Упрощение выбора для производства тепла и характеристики материального баланса. Избегайте сложных подходов, которые устанавливают характеристики (например, компонентное возмещений, рефлюкс отношения, а отношения rebouer) для верхнего и нижнего потоков, которые могут вступать в противоречие друг с другом.

Recycle системы. Утилизация является сложной частью схемы моделирования. Хорошее начало (для начинающих) в моделировании цикла переработки является использование концепции "слезу поток" (8).

Как показано на рисунке 3, переработки потока за единицу F рассматривается как две отдельные потоки слез, R ^ 1 ^ к югу и к югу R ^ 2 ^. После блок А и Б не будут решены, моделирование движется к единице C. Некоторые первоначальные предположения на разрыв потока R ^ 1 ^ к югу сделаны таким образом моделирование может приступить к единиц D, E и F. После блок F сходится, в результате расход потока R ^ 2 югу ^ является по сравнению с первоначальным догадаться R ^ югу 1 ^. Если значения совпадают с точностью до указанного терпимости, вполне вероятно, что имитационная модель имеет сошлись. Расчетная величина R ^ 2 югу ^ затем используется вместо R ^ 1 к югу ^ в единицу C и моделирования перезапустить.

Если потоки слез R ^ 1 ^ к югу и к югу R ^ 2 ^ не согласны с точностью до указанного терпимости, первоначальный догадаться R ^ 1 к югу ^ пересмотра и повторного моделирования (без подключения переработки потока к единице C).

Предыдущие статьи КЭП (9, 10) при условии хороших предложений для оказания помощи моделирования переработки. Вот еще несколько:

* Ведение спецификации продукта остается приоритетной задачей процесса.

* Обратите внимание на изменения в температуре подачи и давления.

* Осторожно накопления нежелательных загрязняющих веществ в процессе цикла. Чистка поток важно обеспечить, чтобы система утилизации не ловушка нежелательных материалов.

Дополнительные чаевые для ускорения сходимости утилизации цикла заключается в повышении сходимости толерантности в начальной стадии переработки моделирования. Если схема имеет сходились в этот большой терпимости, толерантности сходимости сводится. Это позволит схема сходится быстрее, чем жесткий допуск сходимости задается на начальной стадии. Можно также изучить различные варианты оптимизации в переработку системы, связанные с реакцией и разделения систем процесса (4).

Layer 3 - сеть теплообмена

Процесс нагревания и охлаждения определяются после структуры процесса в течение двух внутренних слоев лука модели (например, реактора, а также разделения и переработки систем) была завершена. Сейчас настало время для разработки и модели сети теплообмена (HEN). Обычно это осуществляется с помощью инструмента wellestablished интеграционного процесса, который делит порядок HEN дизайн в два этапа - утилита ориентация и проектирование сетей. Подробности этого выходит за рамки настоящей статьи, и читатели могут обратиться к работам. 2, 3, 6 и 7.

После предварительного сети был синтезирован, технологической схемы, как правило, проходят полное повторное моделирование для проверки энергетических балансов. Зачастую более утилизации петли будут привлекаться в качестве технологических потоков, которые были использованы для обмена тепла процесса к процессу в настоящее время связаны между собой. Слезоточивый поток концепции также полезно на данном этапе.

Уровень 4 - коммунальные услуги

После тепловых сетей обмена был синтезирован, верхний слой лука модели - то есть, утилита системы - это имя. Выбор горячих и холодных коммунальных услуг еще один хорошо установленных применения интеграционного процесса (3, 6, 7). Другие варианты включают изучить размещения теплового насоса и теплового двигателя.

Process Simulator является полезным инструментом для оценки выбранной услуги. Часто, моделируемых технологическая схема позволяет получить наглядное представление о том, как и процесс может выполнить после пуска.

Пример: производство н-октан

Синтез лука модели и моделирования техника будет использоваться для разработки технологической схемы для н-октана (C ^ 8 югу ^ H ^ 18 ^ к югу) от производства этилена (C ^ 2 югу ^ H ^ ^ 4 к югу), а я-бутан (C ^ к югу 4 ^ H ^ 10 ^ к югу). Компонент Расходы, приведенные (с некоторыми примесями) и поток спецификаций для свежего корма приведены в таблице 2.

ДИЗАЙН II для Windows используется как инструмент моделирования. Это модульное решение основе программного обеспечения 886 компонентов в ее базу данных и использует последовательный-модульного подхода для выполнения своих расчетах. Различные термодинамические модели могут быть загружены в симуляции.

После реактора моделирование конвергентных, обобщение и анализ задачи фокусируется на разделении и утилизацию систем. Вспышки добавлен столбец с реактором стоков отделить неосведомленными сырья из целевого продукта. Перепад давления 2 фунтов на квадратный дюйм введено, а рабочая температура сохраняется такой же, как реактора. Более-летучих веществ (этилен, н-бутан и другие примеси) будут мелькать к началу потока продукта вместе с небольшой части тяжелых продуктов, н-октан, а остальные н-октан листья в нижней части. Дополнительный блок разделения, необходимых для восстановления н-октан продукт сверху поток.

Перегонка затем добавил к началу потока продукта вспышки колонки для восстановления н-октана. Сокращенный метод проектирования определяет, что этот столбец имеет 10 лотков теоретических и работает на 15 дюйм. Остальные н-октан компонент восстановить в колонке дно, а летучие вещества выходят из колонки сверху. С н-октан разделение связано как вспышки и дистилляции модели, параметрическая оптимизация проводится для определения наилучшего сочетания эксплуатационных параметров в этих моделях для оптимального н-октан восстановления.

Неосведомленными сырья оставив на перегонки верхней поток в настоящее время достаточно чистым для переработки. Чистка поток добавляется перед поток сжиматься, разогревается и отправили обратно в реактор. Слезоточивый поток понятие используется для содействия сближению потока переработки. Рисунок 4 представляет собой предварительный схема процесса на основе синтеза и моделирования проводится так далеко.

Далее, конструкция тепловых сетей обмена и полезность системы будет осуществляться одновременно. Стрим Энтальпия данных, необходимых для анализа извлекаются из конвергентной потока листов на рисунке 4. После HEN разработан с использованием методов процесса интеграции, моделирования повторной проверки общей массы и энергии, средств за тепло-интегрированный поток листов (рис. 5). Слезоточивый поток понятие используется на этой стадии, поскольку процесс комплексного потоки считаются переработку потоков в последовательном модульный подход (например, переработки сырья в потоке рис. 5).

Кроме того, если дистилляции не предпочитали для схемы тепло интеграции, поскольку управляемости причинам, альтернативные схемы является то, что показано на рисунке 6. Это придает процессу дизайнер еще один вариант для сравнения (например, энергетика, управляемости, сложности и т.д.) в процессе развития.

Закрытие мысли

Окончательный консультации пользователей моделирования заключается в следующем: Проверить результаты моделирования и не признать, что все так, как кажется. Мусора в, мусор-аут (Гига) принцип распространяется на все компьютерные модели (U). Они не достаточно умны, чтобы определить неправильные информации, предоставленной пользователем, и в свою очередь, они производят плохие результаты без осведомленности пользователей (12, 13).

Кроме того, физические собственности тренажер не является черным ящиком. Скорее, это хорошо разработанный набор правил, взаимосвязей и отношений, которые могут выполнять сложные расчеты очень быстро, не нарушая принципов.

Моделирование не заменить, что самой полезной из всех инструментов инженера-химика - здравый смысл (14). Всегда использовать инженерные решения для оценки моделирования ошибки или подозрительные результаты, чтобы найти их источник. Вычислительный усилия ничего, кроме скорейшего crunchers число которых логические ключи, отпечатки пальцев и причин. Это всего лишь вопрос выслеживая меньше времени использованы принципиально обоснованных принципах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дуглас, JM, "Иерархические процедуры решения для процесса синтеза". AlChE Journal, 31 (3), с. 353-362 (март 1985).

2. Дуглас, JM, "Концептуальное проектирование химических процессов", McGraw Hill. Нью-Йорк (1988).

3. LinnhotT, Б. и др.., "Руководство по интеграции процессов для эффективного использования энергии." IChemE. Регби. Соединенное Королевство Великобритании и Северной Ирландии (1982).

4. Смит, Р., Б. Linnhoff, "Дизайн Сепараторы в контексте общих процессов". Химреагент Eng. Рез. Des .. 66, с. 195-228 (май 1988).

5. Лотт, DH, "Моделирование программного обеспечения в качестве помощи для процесса синтеза". в "Понимание II процесса интеграции". Крамп, П. Р.. eiai, ред .. IChemE. Регби. Соединенное Королевство Великобритании и Северной Ирландии. с. 1-22. (1988).

6. Смит Р., "Проектирование химических процессов". McGraw Hill, Нью-Йорке (1995).

7. Сейдер, WD и др.., "Продукты и принципы проектирования процессов: синтез, анализ и оценка", М., Hoboken. Нью-Джерси (2003).

8. Тертон Р., и др., "Анализ. Синтез и проектирование химических процессов". Prentice Hall, Верховья реки седло. Нью-Джерси (1998).

9. Шад, RC, "Не позволяйте Recycle потоки Стйми ваша симуляция". Химреагент Eng. Прогресс, 90 (12). с. 68-76 (декабрь 1994).

10. Шад, RC, "Сделать большинство ваших Моделирование процесса", Chem. Eng. Прогресс, 94 (1). с. 21-27 (январь 1998).

11. Petridcs, Д. П.. и др.., "Роль моделирования процессов в области фармацевтической процесса развития и коммерциализации продукта / объема". Фармацевтическая инженерия, 22 (1), с. 1-8 (январь / февраль 2002).

12. Agarvval, Р. и др. /., "Раскрытие реалии моделирования", части 1 и 2, Chem. Eng. Прогресс, 97 (5), с. 42-52, (6), с. 64-72 (May. июня 2001).

13. Le Н. Д. и др.. ", Doublecheck ваш процесс Simulations," Хим. Eng. "Прогресс". 96 (5). с. 51-52 (май 2000).

14. Карлсон, ВЦ "Не Gamble, физические свойства для моделирования". Химреагент Eng. Прогресс, 92 (10). с. 35-46, (октябрь 1996).

Дополнительная литература

Гупта, С., Д. Messey, "Решение нестационарных задач государства Использование ChemCAD, Simulator стационарного процесса", Айше Национального собрания весны. Хьюстон, Техас (1995).

Хорвиц, Б. А., "Не Тошнота при решении динамических задач", Chem. Eng. "Прогресс". 92 (3). с. 41-51 (март 1996).

Хорвиц, ВА, "Сделать большинство ваших Software Design процесса". Химреагент Eng. Прогресс, 90 (1), с. 54-57 (январь 1994).

Хорвиц, ВА, "Are You 'Scotomatized' на Ваш моделирования программного обеспечения?". Химреагент Eng. Прогресс, 92 (9), с. 68-71 (сентябрь 1996).

Хорвиц, Б. A., "Оборудование". Программного обеспечения. Нигде ". Химреагент Eng. "Прогресс". 94 (9), с. 69-74 (сентябрь, 1998).

Кистер, HZ, "Можно ли верить Результаты моделирования?". Химреагент Eng. "Прогресс". 98 (10). с. 52-58 (октябрь 2002).

Westerherg. AW, "Эль Аль". "Процесс построения схемы технологического процесса", Cambridge University Press. Кембридж. Соединенное Королевство Великобритании и Северной Ирландии, (1979).

Доминик CHWAN ЙИ FOO

Universiti TEKNOLOGI МАЛАЙЗИИ

ЗАИНУДДИН Абдул Манан

Universiti TEKNOLOGI МАЛАЙЗИИ

Murugan Selvan

WINSIM, INC

Майкл Линн Мак-Гир

WInSIM, INC

Доминик CHWAN ЙИ FOO является научный сотрудник химического машиностроения "Опытный завод (CEPP) на Universiti Teknologi Малайзии (Телефон: 60-7-553-1662; Факс: 60-7-556-9706; Электронная почта: <A HREF = "mailto: cyfoo@cepp.utm.my"> <cyfoo@cepp.utm.my />). Его основные научные интересы включают процесса синтеза и проектирования, а также процесс интеграции через пинч анализа. Он имеет обширный учебный процесс в использовании тренажеров для моделирования процессов и ликвидацией узких мест непрерывных процессов партии. Он получил BEng и Мэн степеней в области химического машиностроения Universiti Teknologi Малайзии. Он является членом Института инженеров-химиков Малайзии (IChEM) и Института инженеров-химиков (IChemE).

ЗАИНУДДИН А. Манан является ассоциированным профессором и заведующим кафедрой химической технологии на Universiti Teknologi Малайзии (Телефон: 60-7-5535512; Факс: 60-7-558-1463; Электронная почта: Заин @ <A HREF = "mailto: fkkksa@utm.my"> <fkkksa@utm.my />). За 15 лет он активно участвовали как исследователь, консультант и тренер по химической перерабатывающей промышленности в области технологических систем проектирования и совершенствования процессов, с акцентом на эффективное использование энергии (щепотку анализ) и минимизации отходов. Он получил степень бакалавра в области химического машиностроения Univ. Хьюстон, MSc в процессе интеграции в Центре по процессу интеграции в Univ. "Манчестер институт науки и технологии, и степень доктора философии в области химического машиностроения Univ. Эдинбург. Он является членом IChEM и IChemE.

Murugan С. Selvan является поддержка инженер WinSim, Inc (Sugar Land, Техас, телефон: (281) 565-6700 x106, факс: (281) 565-7593, E-почта: <A HREF = "mailto: поддержка @ winsim.com "> <support@winsim.com />). Он несет ответственность за обеспечение технического руководства, качества и профессиональной подготовки в области физических свойств и химического процесса отрасли моделирования потребностей пользователей процесса моделирования. Он получил степень бакалавра Университета Annamali - Индия и MS и кандидат от Univ. Алабама, все в химическом машиностроении. Он является членом Айше.

Майкл Линн Мак-Гир является президентом WinSim, Inc (Телефон: (281) 565-6700 xio2, факс: (281) 565-7593, E-почта: <a href="mailto:lmc@winsim.com"> LMC @ winsim.com </ A>). Он был ответственным за разработку и осуществление программ моделирования процессов на протяжении более 20 лет. Он получил степень бакалавра в области машиностроения из Техаса

Подтверждение

Авторы признают, Sivakumar Kumaresan за рецензирование данной статьи.