книги / Design-II for Windows. ╨Ю╨┐╨╕╤Б╨░╨╜╨╕╨╡ ╨╝╨╛╨┤╤Г╨╗╨╡╨╣ ╨╛╨▒╨╛╤А╤Г╨┤╨╛╨▓╨░╨╜╨╕╤П

1.Если начиная с первой позиции строки стоит последовательность символов С-*, то вся данная строка превращается в комментарий и при расчетах использоваться не будет

2.Первые шесть символов строки считаются «служебными», поэтому ввод операторов и команд должен начинаться не ранее чем

сседьмой позиции.

3.Длина строки, включая «служебную» зону, не может превышать 72 символа, поэтому если длина вводимого выражения превышает 63 символа, то ввод выражения следует перенести на следующую строку. Для указания, что строка является продолжением предыдущей строки, необходимо в позиции шесть данной строки установить любой символ, например * или цифру от 0 до 9.

4.Нельзя давать переменным с плавающей точкой (с дробной частью) имена, начинающиеся на I, J, K, L, M и N, так как с этих символов начинаются целыепеременные, неимеющие дробной части.

5.Набор команд производят прописными символами (с нажатой Caps Lock) на латинице.

6.По умолчанию в Design-II используются единицы измерения США, где, например, давление измеряется в РSIA (фунты на квадратный дюйм), абсолютная температура в R (градусы Ренкина), поэтому в процедуре на фортране необходимо предусмотреть их перевод в соответствующие единицы измерения.

Рис. 5.56. Изображение окна Inline Fortran

81

В связи с тем, что написание процедуры на языке программирования фортран требует наличия некоторых знаний по моделированию, рассмотрим уравнения, лежащие в основе модели кинетики данного процесса.

Уравнения химических реакций:

1.CH4 + H2O = CO + 3H2,

2.CO + H2O = CO2 + H2.

Уравнения кинетики химических реакций:

где константы равновесия реакций рассчитываются по уравнениям

2,5426 10 7 T 2 7,461 10 11 T 3 2,3;

константы скоростей химических реакций рассчитываются по уравнениям

Kc2 = 30,9.

Текст, который необходимо ввести в поле команд при использовании опции Inline Fortran, представлен на рис. 5.57.

82

го смешения (Continuous Stirred Tank Reactor), опции задания ре-

жимов которого в основном аналогичны, поэтому данный тип реактора не будет рассматриваться подробно.

Выше были описаны основные химические реакторы, имеющиеся в базе данных по процессам Design-II for Windows, наиболее широко использующихся для создания ХТС при выполнении учебных заданий. Для изучения возможностей модулей других реакторов следует читать Design II Reference Guide, выход на который возможен через Help.

Ниже будут рассмотрены основные модули, использующиеся в Design-II for Windows для расчета многокомпонентного парожидкостного равновесия, знание возможностей которых необходимо при выполнении учебных заданий: модуль сепаратора газа и жидкости, модули колонны дистилляции.

5.14. Сепаратор (Flash)

Модуль сепаратора газовой и жидкой фаз представляет собой модуль для расчета парожидкостного равновесия при различных условиях. В Design-II имеются четыре изображения модулей, выполняющих одинаковую функцию (рис. 5.58). Выбор модуля произво-

дится через Меню: Equipment => Pressure Change.

Рис. 5.58. Изображение модулей Flash

Количество входных потоков не ограничено и определяется только точками присоединения, а выходных потоков – два: один из них жидкость, а другой – газ. Если входные потоки имеют разное давление, то автоматически включается функция смесителя, рассчитывающая адиабатическое расширение потоков с высоким давлением.

84

Вид закладки General Data модуля представлен на рис. 5.59.

Единицы

измерения

Выбор опций расчета по температуре

Выбор опций расчета по давлению

Поля

специальных

опций

Рис. 5.59. Вид закладки General Data

Для ввода необходимого набора исходных данных в этом окне необходимо:

1.В ниспадающем меню опций расчета по температуре выбрать требуемый способ расчета:

– Duty – тепловая нагрузка,

– Temperature – температура,

– Temperature from Feed – температура на выходе равна температуре входа,

– Bubble Point Temperature – температура кипения,

– Dew Point Temperature – температура точки росы,

– Water Dew Temperature – температура насыщения воды (если воды в потоке нет, то эквивалентно температуре конденсации),

– Isentropic – адиабатный,

– Liquid Fraction (Molar) – задается доля жидкости на выходе (мольная),

– Liquid Fraction (Mass) – задается доля жидкости на выходе (массовая).

2.В ниспадающем меню опций расчета по давлению выбрать требуемый способ расчета:

85

–Pressure Drop – перепад давления,

–Pressure – давление на выходе,

–Pressure from Feed – давление на выходе равно давлению на входе,

–Bubble Point Pressure – давление точки кипения,

–Dew Point Pressure – давление точки конденсации,

–Water Dew Pressure – давление при точке конденсации воды (если воды в потоке нет, то эквивалентно давлению конденсации),

–Isentropic – адиабатный,

–Liquid Fraction (Molar) – задается доля жидкости на выходе (мольная),

–Liquid Fraction (Mass) – задается доля жидкости на выходе (массовая).

Если одновременное выполнение двух условий невозможно, то программа сообщит об этом и предложит изменить выбор условия.

Следует отметить, что кроме указанных данный модуль имеет возможности произвести расчет размеров вертикального сепаратора (закладка Vertical Sizing) или горизонтального сепаратора (закладка Horizontal Sizing), однако данные опции не будут использоваться при проведенииучебныхзаданий, поэтому здесьрассматриваться небудут.

5.15. Упрощенная колонна ректификации

(Shortcut Fractionator)

Модуль упрощенного расчета колонны ректификации предназначен для проектного расчета (с ограничениями – см. Help) колонны ректификации с кубом и дефлегматором, т.е. определения количества теоретических тарелок, номера тарелки питания, флегмового числа и тепловых нагрузок на куб и дефлегматор. Изображение модуля Shortcut Fractionator представлено на рис. 5.60. Выбор модуля производится через Меню: Equipment => Columns.

Количество входных потоков не ограничено и определяется только точками присоединения, а выходных потоков два: один – из куба, а другой – из дефлегматора. Следует отметить, что при расчете колонна имеет одну точку ввода питания, поэтому перед началом расчета все входящие потоки будут смешаны с учетом их давления.

86

2

1

3

Рис. 5.60. Изображение модуля

Shortcut Fractionator

Для задания основных опций расчета необходимо зайти в модуль и перейти на закладку General Data (рис. 5.61).

Выбор типа дефлегматора

Поле задания дистиллята

Поле задания кубового продукта

Поле

параметров

управления

Рис. 5.61. Вид закладки General Data

Как видно на рисунке, на закладке General Data есть четыре поля, на которых имеются различные инструменты для ввода исходных данных. Длявводанеобходимогонабораисходных данныхследует:

87

1. Выбрать тип дефлегматора, который связан с подключением верхнего потока к колонне. При выборе опции Total Condenser, как на рис. 5.61 (полная конденсация, т.е. дистиллят будет жидким), верхний потокследует подключитьк нижней точкедефлегматора(рис. 5.62).

При выборе опции Partial Condenser (частичная конденсация, т.е. дистиллят будет газовым, а конденсироваться будет только флегма) верхний поток следует подключить к верхней точке дефлегматора (рис. 5.63).

2.Для задания характеристик дистиллята в ниспадающем меню поля Specification of Top Product выбрать ключевой компонент (Component ID), заданное количество которого (от его количества

впотоке питания) требуется выделить в дистиллят, и в окне Amount of Recovery ввести данное значение в долях единицы. В примере на рис. 5.61 дано задание выделить в дистиллят 99,999 % пропана из его количества во входящем потоке.

3.Для задания характеристик кубового продукта в ниспадаю-

щем меню поля Specification of Bottom Product выбрать ключевой компонент (Component ID), заданное количество которого (от его количества в потоке питания) требуется выделить в кубовый продукт, и в окне Amount of Recovery ввести данное значение в долях единицы. В примере на рис. 5.61 дано задание выделить в кубовый продукт 99,999 % бутана из его количества во входящем потоке.

Рекомендации по заданию данных опций:

– Одно и то же вещество не может быть ключевым компонентом для куба и дефлегматора.

– Рекомендуется верхним (Top) и нижним (Bottom) продуктом выбирать «соседние» по температуре кипения вещества из потока питания, тогда более легкие вещества будут уходить в дистиллят, а более тяжелые – в кубовый продукт.

88

Объем исходных данных, указанный выше, является достаточным для расчета колонны, однако рекомендуется также заполнить поле параметров управления колонны:

–Для того чтобы задать перепад давления между низом и верхом колонны ректификации, необходимо ввести соответствующее число

вполеPressure Drop (впримерерис. 5.61 эта величинаравна3 кг/см2).

–Для того чтобы задать конкретное давление в колонне, необ-

ходимо ввести давление вверху колонны – Top Pressure (в примере рис. 5.61 эта величина равна 8 кг/см2). Тогда давление в нижней части колонны будет равно давлению в верхней части колонны плюс

перепад давления между низом и верхом (в примере рис. 5.61 эта величина будет равна 11 кг/см2).

–По умолчанию расчет колонны производится с флегмовым числом, равным 130 % от минимального. Если имеется необходимость произвести расчет с другим флегмовым числом, то в поле Minimum Reflux следует ввести необходимое значение (в примере рис. 5.61 эта величина равна 210 %).

Просмотр результатов расчета возможен либо через Excel, либо при наведении указателя мыши на поле модуля (рис. 5.64)

Min флегмовое число

Min числотеоретич. тарелок

Тарелка питания

Флегмовое число

Число теоретич. тарелок

Тепловые нагрузки на куб (Reboiler) и дефлегматор

(Condenser)

Рис. 5.64. Просмотр результатов расчета

При анализе результатов расчета следует учитывать следующие особенности:

89

–Нумерация тарелок в колонне идет сверху вниз, поэтому дефлегматор является нулевой тарелкой колонны, а куб – К + 1, где

К– количество тарелок в самой колонне.

–Значение минус у тепловой нагрузки на дефлегматор (Condenser) обозначает, чтотеплотаотводится.

–Алгоритм расчета таков, что в некоторых случаях может получиться отрицательное количество тарелок в колонне, т.е. произошла ошибкарасчета, несмотряна сообщение обуспешностирасчета.

Для решения данной проблемы необходимо последовательно: 1. Проверить правильность исходных данных – может быть за-

дано выделение легкого компонента из куба колонны.

2. Изменить набор уравнений для расчета термодинамических свойств веществ, а для этого следует зайти в Basic Thermo и

− сменить Equilibrium K-value на термодинамический метод расчета парожидкостного равновесия, специфичный для данного процесса и веществили, вкрайнемслучае, на Vapour Pressure или Ideal;

− изменить Vapor/Liquid Enthalpy на Latent Heat или, в край-

нем случае, на Ideal;

− изменить методы расчета Vapor Density и Liquid Density на

Pend Robinson или, в крайнем случае, на Ideal.

Кроме того, необходимо иметь в виду, что чем больше термодинамические методы расчета парожидкостного равновесия будут отличаться от специфичных для данного процесса и веществ, тем больше будет ошибка в проектном расчете колонны. В связи с этим для выбора термодинамических методов расчета парожидкостного равновесия для конкретного процесса и веществ рекомендуется предварительно произвести обзор литературы по моделированию парожидкостного равновесия в данном процессе.

5.16. Колонна ректификации (Distill)

Кроме модуля Shortcut Fractionator в Design-II имеются другие разнообразные модули расчета колонн ректификации, к которым относятся модули:

– Distill – четыре модуля, реализующие поверочный метод расчета тарельчатых колонн от тарелки к тарелке,

90