Stopnie swobody operacji jednostkowych

Prezentacja na temat: "Stopnie swobody operacji jednostkowych"— Zapis prezentacji:

1 Stopnie swobody operacji jednostkowych
ChemCAD Stopnie swobody operacji jednostkowych

2 Sprężarka Wykres h-s (i-s) Sprawność

3 Sprężarka

4 Sprężarka Stopnie swobody:

5 Kocioł/jednostronny wymiennik ciepła

6 Kocioł/jednostronny wymiennik ciepła
Liczba stopni swobody: Strumień 11 to wlot / Strumień 17 to wylot

7 Wymiennik ciepła dwustronny

8 Wymiennik ciepła dwustronny
Stopnie swobody: Parametry strumieni wlotowych oraz: Spadek ciśnienia strumienia procesowego Spadek ciśnienia strumienia pomocniczego Parametr bilansu cieplnego (zwykle temp. wylotowa s. proc.) Problem: zwykle nieznane natężenie przepływu czynnika pomocniczego. Rozwiązanie: zamiast określać F1 można przyjąć temp. wylotową czynnika pomocniczego. Natężenie przepływu wyliczone zostanie z modelu

9 Wymiennik ciepła dwustronny
Zjawisko PINCHu Zanika siła napędowa procesu, np.: temp. wylotowa czynnika chłodzącego jest wyższa niż wlotowa ogrzewającego temp. wlotowa czynnika chłodzącego jest wyższa niż wylotowa ogrzewającego

10 Wymiennik ciepła

11 Reaktor stechiometryczny
Zakładamy reakcję według poniższego równania: Mi - to symbol reagenta vi - to współczynnik stechiometryczny (ujemny dla substratów, dodatni dla produktów, zero dla inertów) MR substrat i jednocześnie składnik kluczowy. Stopień przemiany składnika kluczowego:

12 Reaktor stechiometryczny

13 Reaktor stechiometryczny
Liczba stopni swobody: Trzeba podać dane strumienia wlotowego oraz trzy parametry, np.: zmianę ciśnienia, zapotrzebowanie ciepła stopień przemiany

14 Reaktor stechiometryczny
Podaje się: Termiczny rodzaj reaktora wsp. stechiometryczne zmianę ciśnienia, stopień przemiany

15 Reaktor równowagowy (EREA)
Podaje się: Ilość reakcji rodzaj obliczeń termicznych Sposób obliczeń Stopień konwersji – jak r. stechiometryczny Rodzaje reakcji – równoległe/następcze Podejście z przyrostem temperatury Podejście równowagowe Podaje się stałe równowag reakcji oraz względny stopień konwersji w odniesieniu do stanu równowagi

16 Reaktor równowagowy (EREA)
Pi – produkty, Ri – substraty, xi , yi – zwykle wsp. stechiometryczne Dla reakcji konwersji CO i metanizacji stałe są dostępne JEDNOSTKI (zakładka More Specyfications)

17 Reaktor równowagowy (EREA)

18 Reaktor równowagowy (EREA)

19 Reaktor kinetyczny Podaje się: Ilość reakcji
Typ reaktora (zbiornikowy/rurowy) Sposób obliczeń termicznych Cel obliczeń JEDNOSTKI (More Specyfications) Parametry kinetyczne reakcji

20 Reaktor kinetyczny zbiornikowy

21 Reaktor rurowy (przepływ tłokowy)

22

23 Obliczane są Temperatura/zapotrzebowanie ciepła
Objętość reaktora/stopień przereagowania

24 Kinetyka reakcji Standardowa: Niestandardowa równanie Arrheniusa
Równanie Langmuira-Hinselwooda – reakcja z katalizą heterogeniczną Niestandardowa Tworzy się własne równanie Parametry zapisywane w plikach .xls i .bas

25 Reaktor Gibbsa Do obliczeń bilansu masowego i cieplnego
Natężenia przepływu produktów, skład, warunki termiczne obliczane z minimalizacji energii Gibbsa Dla typowych związków wystarczy podać parametry zasilania Nie trzeba podawać stechiometrii!!!! Należy wyszczególnić INERTY Obliczany jest hipotetyczny stan równowagi Szczególnie użyteczny przy obliczeniach spalania i wytrącania

26 Reaktor Gibbsa

27 Reaktor okresowy (Batch)
Jest elementem dynamicznym Wsad stanowi stan początkowy Obliczenia z wykorzystaniem kinetyki reakcji

28 Technologia- ilość stopni swobody instalacji

29 Technologia- ilość stopni swobody instalacji
Obliczyć można odejmując od sumy stopni swobody wszystkich aparatów stopnie swobody strumieni wewnętrznych.

30 Technologia- łączenie operacji
Wielofunkcyjny rozdzielacz – obejmuje rozdzielacz, wymiennik ciepła i regulator ciśnienia (zawór, kompresor) Uwaga: tracimy informacje o strumieniach pomocniczych Liczba stopni swobody wielofunkcyjnego rozdzielacza wynosi (nc+2)+2

31 Analiza czułości Pozwala przeanalizować wpływ zmian parametru na działanie aparatu/instalacji Parametrem może być jeden ze stopni swobody aparatu parametr strumienia Definiuje się Parametr(y) modyfikowany, zakres modyfikacji i ilość kroków Parametr(y) zapisywane

32 Analiza czułości Utworzenie analizy czułości:
Menu: Run/Sensitivity Study/New Analysis Podanie nazwy analizy Dane parametru zmienianego (Adjusting) Typ (Equipment/Stream) ID Nazwa (wystąpi na wykresach) Parametry zapisywane (Recording)

33

34 Recykle strumieni w instalacji
Jeżeli w instalacji występuje recyrkulacja strumienia nie można przeprowadzić wprost obliczeń sekwencyjnych Konieczne jest (wykonuje to symulator) Przerwanie strumienia (Cut stream) Wstawienie modułu zbieżności Określenie sekwencji obliczeń Nadanie przerwanemu strumieniowi startowych wartości parametrów Prowadzenie obliczeń i przerwanie w momencie uzyskania zbieżnego rozwiązania

35 Recykle strumieni w instalacji
Przykładowa technologia Mieszalnik Reaktor Rozdziel. strumieni Odpow. Produkt Surowiec Uniwersalny Rozdziel faz Flash

36 Recykle strumieni w instalacji
Przykładowa technologia Mieszalnik Recykl Reaktor Moduł zbieżności Rozdziel. strumieni Odpow. Produkt Surowiec Uniwersalny Rozdziel faz Flash

37 Recykle strumieni w instalacji
Stosowane metody: Podstawienie bezpośrednie Metoda Wegsteina Metoda dominującej wartości własnej (DEM)

38 Recykle strumieni w instalacji
Podstawienie bezpośrednie x* - rozwiązanie dokładne Zbieżność metody jest liniowa:

39 Recykle strumieni w instalacji
Metoda Wegsteina Oznaczmy: Dysponując wynikami dla dwóch kroków

40 Recykle strumieni w instalacji
Metoda Wegsteina Zakładając liniową zmianę błędu kolejna przybliżenie można obliczyć:

41 Recykle strumieni w instalacji
Metoda Wegsteina W praktyce stosuje się równanie: Gdzie granice q określa się w okienkach: Wegstein lower bound" i “Wegstein upper bound".Im bardziej ujemna wartość q tym metoda bardziej przyspiesza jest jednak wówczas bardziej niestabilna Delay Factor określa częstość użycia metody w obliczeniach

42 Recykle strumieni w instalacji
Metoda dominującej wartości własnej (DEM) Gdzie a to wsp. tłumienia, miedzy 1 a 0 (domyślnie 0,7). Delay Factor określa częstość użycia metody w obliczeniach

43 Recykle strumieni w instalacji
Ubogi Wzbogacony GAZ ZASILAJĄCY Gaz oczyszczony Odpow. Uzupełnienie Iteracja bezpośrednia: 10 cykli obliczeniowych Metoda Wegsteina: 5 cykli obliczeniowych DEM: : 7 cykli obliczeniowych

44 Aparat złożony: kolumna

45 skraplacz Półka zasilana kocioł
Kolumna destylacyjna Częśc. skropl. Całk. skropl. Zasilanie Produkt dolny Zasilanie 2 Zasilanie 1 Produkt górny Kolumna absorpcyjna (Kolumna ekstrakcyjna) skraplacz Półka zasilana kocioł

46 Model półki uniwersalnej
j - ta półka

47 Dekompozycja modelu półki
Mieszalnik Rozdzielacz Równowaga Uniwersalny rozdzielacz faz Boczny odbiór par z półki Boczny odbiór cieczy z półki

48 Stopnie swobody półki Dla modułowych obliczeń sekwencyjnych zdefiniować należy strumienie wlotowe (zasilanie, zasilanie fazą ciekłą, zasilanie fazą gazową ) oraz parametry aparatu, zazwyczaj parametry rozdziału w rozdzielaczach (2), ciśnienie w układzie (1) oraz zapotrzebowanie ciepła (1).

49 Stopnie swobody kolumny
Zdefiniujmy dla kolumny całkowita ilość półek: nt całkowita ilość strumieni zasilających: nf całkowita ilość strumieni (odbiorów) bocznych fazy ciekłej: nsl całkowita ilość strumieni (odbiorów) bocznych fazy gazowej: nsv całkowita ilość stopni ogrzewania: nq

50 Stopnie swobody kolumny
Suma stopni swobody półek: Liczba strumieni wewnętrznych Liczba stopni swobody kolumny

51 Stopnie swobody kolumny
Parametry strumieni zasilających liczba parametrów opisujących obiekty – półki: upustowe strumienie boczne ciekłe upustowe strumienie parowe, strumienie ciepła, Ciśnienia panujące na półce Opisuje półki skrajne: na pierwszej półce nie ma strumienia dolotowego cieczy – skład destylatu na ostatniej półce nie ma strumienia dolotowego par – skład wywaru

52 Stopnie swobody kolumny
Jako, że faktyczna liczba półek zasilanych nf jest zwykle mniejsza niż suma półek, definiuje się Pozostałe (nt-nf) są definiowane automatycznie

53 Stopnie swobody kolumny
Definiować należy tylko istniejące strumienie boczne: nsl i nsv pozostałe (2nt-(nsl + nsv)) zostaną wprowadzone automatycznie Zakładamy, że zdefiniować musimy tylko istniejące zapotrzebowania ciepła, nq, pozostałe nt-nq zostaną wprowadzone automatycznie. Ostatnim parametrem półek jest ciśnienie i jego wartości należy wstępnie oszacować.