WSTĘP CHEMCAD

SKŁAD PAKIETU CHEMCAD 5.X ChemCAD CC-BATCH CC-ReACS CC-DCOLUMN CC-THERM CC-PROPS CC-LANPS

SKŁAD PAKIETU CHEMCAD 6.X, 7.X CC- STEADY STATY CC-DYNAMICS CC-THERM CC-SAFETY NET CC-FLASH CC-BATCH

CC-STEADY STATE Oprogramowanie symulacyjne procesów chemicznych. Zawiera: Biblioteki związków chemicznych Metody termodynamiczne Operacje jednostkowe Umożliwia symulację ciągłych procesów chemicznych w stanie ustalonym w skali od laboratoryjnej po wielkoprzemysłową. Idealne dla: użytkowników pragnących projektować lub sprawdzać istniejące procesy w stanie ustalonym.

CC-DYNAMICS Oprogramowanie procesowe wnoszące nowa jakość do symulacji stanów ustalonych pozwalające na analizy dynamiczne arkuszy. Możliwości są nieograniczone: Sprawdzenie stabilności instalacji Dopasowanie pętli kontroli Trening operatorów Kontrola procesów on-line Idealne dla: użytkowników pragnących projektować lub sprawdzać istniejące procesy w stanie nieustalonym

CC-THERM Oprogramowanie do projektowania i sprawdzania wymienników ciepła. Niezależne lub jako dodatek do innych pakietów. Wykorzystuje wiele międzynarodowych standardów projektowania i materiałów do szybkiego i dokładnego wymiarowania wymienników ciepła Obejmuje wymienniki: Płaszczowo-rurowe Płytowe Chłodnice powietrzne Wymienniki typu rura w rurze Idealne dla: projektantów lub do weryfikacji projektów wymienników ciepła oraz sprawdzania istniejących wymienników (do nowych zastosowań lub obliczeń typu „co jeżeli”

CC-SAFETY NET Oprogramowanie do symulacji i dokładnej analizy sieci rurociągów i zaworów bezpieczeństwa. Pakiet umożliwia dokładne obliczenia : zaworów bezpieczeństwa Spadków ciśnień Własności fizycznych Równowag fazowych Idealny dla: użytkowników projektujących i sprawdzających sieci rurociągów oraz zaworów i systemów bezpieczeństwa

CC-FLASH Oprogramowanie do obliczania właściwości fizycznych oraz równowag fazowych zawarte we wszystkich pakietach ChemCADa Umożliwia dokładne obliczenia dla składników czystych i mieszanin równowag fazowych : Para-ciecz Ciecz-ciecz Para-ciecz-ciecz Idealne dla: użytkowników poszukujących właściwości fizycznych i danych równowagowych oraz regresji danych

CC-BATCH Oprogramowanie do symulacji rektyfikacji okresowej, dostępne jako dodatek lub oprogramowanie niezależne. Łatwe w użyciu, elastyczne z intuicyjnym interfejsem Pozwala zoptymalizować proces rektyfikacji okresowej, poprawić wydajność Idealny dla: użytkowników pragnących projektować lub weryfikować rektyfikacyjne kolumny okresowe.

OPIS NAJWAŻNIEJSZYCH OKIEN CHEMCADA Wersja 5.x Okno najwyższego poziomu – początek pracy Okno symulacji – praca nad projektem Wersja 6.x Główne okno podzielone na 4 części Okno główne – tworzenie schematu ChemCAD Explorer Komunikaty Paleta

Okno główne Eksplorator projektów Okno komunikatów Paleta

ETAPY OPRACOWYWANIA PROJEKTU Utworzenie nowego projektu Wybór jednostek miar Tworzenie schematu instalacji (topologii) Wybór substancji chemicznych występujących w projekcie Wybór opcji termodynamicznych Wprowadzenie parametrów strumieni Wprowadzenie parametrów aparatów Przeprowadzenie symulacji Przegląd wyników Opracowanie raportu

ZASTOSOWANIE METOD „TERMODYNAMICZNYCH” W CHEMCADZIE Obliczanie równowag fazowych Obliczanie entalpii Obliczanie gęstości cieczy Obliczanie gęstości par i gazów Obliczanie prężności par Obliczanie entropii Obliczanie współczynnika lepkości Obliczanie współczynnika przewodzenia ciepła Obliczanie współczynnika napięcia powierzchniowego

RÓWNANIA STANU, RÓWNOWAGI FAZOWE, ENTALPIA I INNE TERMODYNAMIKA W CHEMCADZIE

KORZYŚCI PŁYNĄCE ZE STOSOWANIA METOD TERMODYNAMICZNYCH SYMULATORÓW Obliczanie właściwości fizykochemicznych zgodnie z najnowszą wiedzą Ułatwienie dokonania wyboru metody obliczeniowej odpowiedniej do przypadku Uzupełnianie luk wynikających z niedoskonałego wykształcenia Thermodynamics Wizard – panaceum?

STAN STRUMIENIA LUB W APARACIE Od rodzaju komponentów zależą równania stanu wiążące parametry stanu układu Dla składników czystych Dla mieszanin n składników i układu 1 fazowego Dla mieszanin n składników i układu m faz

STAŁA RÓWNOWAGI FAZOWEJ Składnik i, fazy l i m Składnik i, fazy: lotna i ciekła

RÓWNOWAGI FAZOWE, PO CO? Układ jednofazowy bez zmiany faz Wymiennik ciepła bez zmiany stanu skupienia Rurociąg bez zmiany fazy (skraplania, odparowania) Układ ze zmianą fazy i układy wielofazowe Wymienniki ciepła z odparowaniem/skraplaniem Rurociąg ze zmianą fazy Kolumny rektyfikacyjne i absorpcyjne Reaktory Ekstraktory I wieeeeeele innych

RODZAJE MEDIÓW WYSTĘPUJĄCYCH W INSTALACJACH Gazy i pary Ciecze jednoskładnikowe Roztwory Mieszaniny par i gazów, Mieszaniny cieczy, Gazy rozpuszczone w cieczach Ciała stałe rozpuszczone w cieczach Mieszaniny niejednorodne (wielofazowe) w cieczach: za wiesiny, emulsje w gazach: aerozole (mgły i dymy)

RÓWNOWAGA TERMODYNAMICZNA Stan, w którym wszystkie siły wymuszające zmianę parametrów stanu układu zerują się. W stanie równowagi funkcje termodynamiczne ( U, H, G ) opisujące stan energetyczny układu osiągają minimum:

RÓWNOWAGA TERMODYNAMICZNA Dla zamkniętego układu 2-fazowego: Dla każdej fazy ( j=1, 2 ) i c składników ( i=1..c ): Stąd

RÓWNOWAGA TERMODYNAMICZNA Jeżeli w układzie występuje kilka faz to energia swobodna Gibbsa składnika i mieszaniny w każdej z faz układu w równowadze jest taki sam: Równanie to można wyrazić za pomocą lotności (fugatywności) i -tego składnika

RÓWNOWAGA TERMODYNAMICZNA Fugatywność składnika i w mieszaninie f i jest funkcja udziału i fugatywności składnika czystego w stanie standardowym f i 0 oraz współczynnika aktywności   lub współczynnika fugatywności  : ciecze gazy

RÓWNOWAGA TERMODYNAMICZNA Stan równowagi można zatem opisać równaniami: Stałą równowagi K dla 2 faz definiuje się jako: Ewentualne inne fazy

RÓWNOWAGA TERMODYNAMICZNA Wyliczając x 1i z równania równowagi dla 2 faz Po podstawieniu otrzymuje się wzór na stałą równowagi:

RÓWNOWAGA TERMODYNAMICZNA Zakładając, że faza 1 to ciecz ( c ) a faza 2 to pary ( p ) i wprowadzając odpowiednio oznaczenia x i oraz y i : Lub stosując dla cieczy wyrażenie ze wsp. aktywności

RÓWNOWAGA TERMODYNAMICZNA LLE, VLLE Rozdział faz występuje, gdy spełniony jest warunek (układ dwuskładnikowy) Wymaga znacznej dokładności wyznaczania współczynników aktywności Specjalnego traktowania wymagają mieszaniny związków znacznie różniących się rozmiarem cząstki (polimer-rozpuszczalnik)

RODZAJE KOMPONENTÓW Gazy doskonałe Zerowa objętość cząstek Brak oddziaływań miedzy cząstkami Gazy rzeczywiste (r. van der Waalsa) Inne równania są dokładniejsze ale wpływ czynników nie jest w nich przedstawiony w sposób jawny

RODZAJE ROZTWORÓW Podział wg ChemCAD Roztwory doskonałe Roztwory właściwe lub normalne Roztwory polarne lub mocno niedoskonałe Roztwory specjalne

RODZAJE ROZTWORÓW Roztwory doskonałe: Mieszaniny gazów (także przy dużym P ) Ułamek obj. w mieszaninie jest taki sam jak objętość czystego składnika w tej samej temp. i przy tym samym ciśnieniu Ciekłe mieszaniny bardzo podobnych substancji

RODZAJE ROZTWORÓW Roztwory doskonałe (  )  Spełniają prawa Amagata – Raoulta – Nie wykazują efektu cieplnego mieszania Roztwory doskonałe mogą tworzyć gazy nie będące gazami doskonałymi

RODZAJE ROZTWORÓW Roztwory rzeczywiste – roztwory niedoskonałe, w których nadwyżka entropia mieszania wynosi 0. Różnice w wielkości cząstek Różnice w wielkości oddziaływań cząsteczkowych Należą do nich: wiele roztworów ciekłych pary pod podwyższonym ciśnieniem

RODZAJE ROZTWORÓW Roztwory rzeczywiste Tworzące je składniki: Nie są znacząco różne pod względem Rozmiaru Kształtu Właściwości chemicznych niepolarne Są niepolarne

RODZAJE ROZTWORÓW Roztwory rzeczywiste modelowanie – do obliczeń równowag fazowych wykorzystuje się współczesne równania stanu, np.: Penga-Robinsona (PR) Soave-Redlich-Kwong (SRK) Pozwalające obliczyć wsp. fugatywności

RODZAJE ROZTWORÓW Roztwory rzeczywiste modelowanie : Uwzględnia różnice w wielkości cząstek lecz niezbyt duże (monomer-polimer już nie) Dokładne dla węglowodorów o łańcuchach prostych traci dokładność dla rozgałęzionych i zawierających inne atomy (O, S, N) W takich przypadkach stosuje się rozszerzone metody jak zmodyfikowana SRK (MSRK). ChemCAD zawiera dane dla 300 związków Reguły mieszania maja znaczący wpływ na dokładność równań stanu. Im bardziej niepodobne są składniki tym równanie daje mniej dokładne wyniki. Na obecnym etapie uwzględnia się je za pomocą parametrów wzajemnych oddziaływań (BIP-binary interaction parameter)

RODZAJE ROZTWORÓW Roztwory polarne i silnie nieidealne. Wymagają zastosowania ogólnego równania stałej równowagi:

RODZAJE ROZTWORÓW Roztwory polarne i silnie nieidealne ChemCAD rozróżnia 2 przypadki obliczania fugatywności: 1.Ciecz rzeczywista w równowadze z doskonała mieszaniną par, stan standardowy to stan czystej substancji. Wówczas fugatywność odpowiada prężności par nad czystym składnikiem P pi a wsp. fugatywności wynosi 1

RODZAJE ROZTWORÓW Roztwory polarne i silnie nieidealne 2.Ciecz rzeczywista w równowadze z regularną mieszaniną par Domyślny jest sposób 1. Wybór możliwy jest w opcjach termodynamicznych (K-value): Poynting correction Współczynnik lotności oblicza się z równania stanu SRK

RODZAJE ROZTWORÓW Roztwory polarne i silnie nieidealne Współczynnik aktywności  obliczany jest z wykorzystaniem jednego z równań: UNIFAC* (UNIversal Functional Activity Coefficient) UNIQUAC NRTL WILSON, T. K. WILSON, HRNM WILSON, WILSON SALT VAN LAAR MARGULES REGULAR* GMAC

RODZAJE ROZTWORÓW Roztwory polarne i silnie nieidealne (rzeczywiste) Wszystkie równania bez gwiazdek wymagają podania BIP. Źródła BIP: 1.Korelowane na podstawie danych doświadczalnych użytkownika 2.Wprowadzane dane literaturowe 3.Korelowane na podstawie wyników uzyskanych z metody UNIFAC – nadaje się tylko dla mniej znaczących substancji 4.Baza danych ChemCADa. Dane są zebrane dla większości substancji dostępnych w programie jednak przy ciśnieniu 1bar! Używać ostrożnie przy większych ciśnieniach

RODZAJE ROZTWORÓW Roztwory polarne i silnie nieidealne (rzeczywiste) Regular – nie używany UNIFAC – bazuje na oddziaływaniach grup konstytutywnych poszczególnych składników, niezależnie od rodzaju roztworu: Parametry praktycznie niezależne od temperatury Zakres temperatur K Poprawne do ciśnienia kilku atmosfer Obszerne porównanie z danymi doświadczalnymi Nie tak dokładna jak Wilson, NRTL, UNIQUAC Brak danych dla 1 grupy funkcyjnej uniemożliwia stosowanie

RODZAJE ROZTWORÓW roztwory specjalne Elektrolity Modelowanie metodami Pitzera lub MNRTL Rozpuszczone gazy Równanie Henry’ego metoda TSRK Układy z reakcją AMIN – usuwanie kwaśnych gazów za pomocą MEA, MDEA, DEA SOUR absorpcja CO 2, H 2 S, NH 3 w wodzie