Komputerowa Inżynieria Procesowa Wykład 3 Komercyjne symulatory flowsheetingowe – krótki przegląd

Najpopularniejsze współczesne symulatory 1. ASPEN HYSYS HYSYS 2. PRO/II 3. ProMAX 4. ChemCAD 5. Design II for Windows

Wymagania stawiane symulatorom Są różne w zależności od przewidywanego sposobu ich wykorzystania 1. Obliczenia projektowe, kontrola procesu. 2. Prace rozwojowe i naukowo-badawcze

Wymagania stawiane symulatorom Cechy wspólne wszystkim narzędziom 1.Przyjazność dla użytkownika (GUI) 2.Obszerna baza danych fizykochemicznych z możliwością uzupełniania przez użytkownika. 3.Jak najwyższy poziom automatyzacji procesu obliczeniowego (program sam decyduje o kolejności obliczania bloków, organizuje pętle iteracyjne) 4.Kontrola poprawności wprowadzania danych 5.Możliwość prezentacji wyników w formie czytelnych tabel lub wykresów

Kolejność przetwarzania informacji w symulatorach I. Zdefiniowanie problemu (topologia instalacji oraz wprowadzenie danych strumieni i aparatów) II. Weryfikacja poprawności definicji problemu III. Wygenerowanie programu liczącego i wykonanie obliczeń IV. Wygenerowanie raportu

Kolejność przetwarzania informacji w symulatorach Topologia instalacji technologicznej to informacja na temat:  rodzajów aparatów i urządzeń tworzących instalację  połączeń pomiędzy nimi  powiązań z „otoczeniem” czyli:  strumieni zasilających (materiałowych i energetycznych),  strumieni produktów (w tym odpadów).

Kolejność przetwarzania informacji w symulatorach I. Sposoby definiowania problemu 1. Graficzne określenie topologii instalacji 2. Tabelaryczne (macierzowe) 3. W formie programu napisanego w specjalizowanym języku (autokod)

Kolejność przetwarzania informacji w symulatorach I.1. Graficzna definicja topologii Zestawianie schematu instalacji wykonane w PRO/II

Wprowadzanie parametrów aparatu (PRO/II) Kolejność przetwarzania informacji w symulatorach I.1. Graficzna definicja topologii

Zestawianie schematu instalacji wykonane w ChemCADzie seria 5

Wprowadzanie parametrów aparatu (ChemCAD v.5)

ChemCAD w wersji 6.5.4

Kolejność przetwarzania informacji w symulatorach I.2. Tabelaryczna definicja topologii Schemat koduje się w formie wpisów do tabeli. Schemat koduje się w formie wpisów do tabeli.  każdy wiersz to osobny aparat  kolumny zawierają informacje o nazwie i typie aparatu, jego strumieniach wlotowych (zwykle ze znakiem +) i wylotowych (ze znakiem -)

Kolejność przetwarzania informacji w symulatorach I.3. Topologia zapisana za pomocą autokodu Specjalizowany język programowania. Specjalizowany język programowania. Kod składa się ze słów kluczowych (np. typ aparatu) i parametrów (m.in. numer aparatu i numery strumieni) Kod składa się ze słów kluczowych (np. typ aparatu) i parametrów (m.in. numer aparatu i numery strumieni) Oprócz topologii zawiera informacje o parametrach aparatów i strumieni, stosowanych Bazach Danych, wytyczne dotyczące organizacji obliczeń, itp. Oprócz topologii zawiera informacje o parametrach aparatów i strumieni, stosowanych Bazach Danych, wytyczne dotyczące organizacji obliczeń, itp. Niektóre symulatory pozwalają na dostęp do autokodu wygenerowanego na podstawie GUI i jego modyfikację Niektóre symulatory pozwalają na dostęp do autokodu wygenerowanego na podstawie GUI i jego modyfikację

PD-PLUS Chemical Process Simulator *REMARK Ethylene-propylene splitter for Acme General Olefin Co. *END *COMPONENTS, LIBRARY *K VALUES, SOAVE *ENTHALPIES, SOAVE *STREAM C2FEED, TEMP=100. F, PRES=400 PSIA, COMPOSITION= LB/HR; feed is mostly C2 and C2= *COLUMN DEETH 'Deethanizer column', STAGES=40, FEED C2FEED STAGE 20, REBOILER, CONDENSER, VAPOR DISTILLATE, STREAM DIST, EST FLOW=27. LBMOL/HR, BOTTOMS STREAM=BTMS, WT FRACTION=0.10, COMP 3, STREAM BTMS; ethylene spec. in bottoms WT FRACTION=0.001, COMP 4, STREAM DIST; propylene spec. overhead PRESS=400 PSIA, STAGE 40, PRESS=405 PSIA, STAGE 39, PRESS=408.8 PSIA, STAGE 1, EST TEMP=9.0 F, STAGE 40, EST TEMP=129 F, STAGE 1, VAPOR EST FLOW=45 LBMOL/HR, STAGE 20, VAPOR EST FLOW=4 LBMOL/HR, STAGE 19, TRACE LEVEL 1, PRINT STAGES 1 40

Kolejność przetwarzania informacji w symulatorach II. Weryfikacja i dekompozycja problemu 1. Sprawdzenie rozwiązywalności układu równań (kwadratowy układ równań) 2. Dekompozycja – wydzielenie niezależnych problemów 3. W ramach niezależnych problemów wydzielenie obliczeń prostych i objętych pętlami iteracyjnymi; konieczność iteracji wynika z: Występowania recyrkulacji strumienia masy Występowania recyrkulacji strumienia masy Założenia, że pewne parametry wylotowe z aparatów powinny mieć określoną wartość Założenia, że pewne parametry wylotowe z aparatów powinny mieć określoną wartość Brak danych w strumieniach wejściowych Brak danych w strumieniach wejściowych

Kolejność przetwarzania informacji w symulatorach III. Wygenerowanie i uruchomienie programu Na tym etapie symulator odwołuje się do bibliotek modeli aparatów i właściwości mediów Na tym etapie symulator odwołuje się do bibliotek modeli aparatów i właściwości mediów Odbywa się on zwykle poza kontrolą użytkownika Odbywa się on zwykle poza kontrolą użytkownika Niektóre symulatory (ASPEN?) mają klarowną kolejność przetwarzania: Niektóre symulatory (ASPEN?) mają klarowną kolejność przetwarzania: GUI  Autokod  FORTRAN  Program wykonywalny Umożliwiają użytkownikowi wgląd i ingerencję w sposób wykonywania obliczeń

Porównanie symulatorów Cechy wspólne: Cechy wspólne:  Graficzny interfejs użytkownika (GUI)  Możliwość uzupełniania i modyfikacji banków danych Różnice dotyczą "elastyczności", czyli możliwości wpływu użytkownika na sposób prowadzenia symulacji: Różnice dotyczą "elastyczności", czyli możliwości wpływu użytkownika na sposób prowadzenia symulacji:  Ilość dostępnych modeli aparatów i własności  Możliwości wprowadzania własnych modeli  Możliwość wpływu na przebieg obliczeń

ASPEN (advanced system for process engineering) + Bardzo elastyczny + Generuje autokod dostępny dla użytkownika (?) + Generuje program w FORTANie, w który można ingerować (prawdopodobnie już nieaktualne) + Bogata dokumentacja + Nadaje się do zastosowań badawczych - duża swoboda i dowolność pozostawiona użytkownikowi może stwarzać problemy w zastosowaniach inżynierskich

ASPEN One Aspen oferuje specjalizowane pakiety do różnych celów: AspenONE Engineering AspenONE Engineering AspenONE Advanced Process Control AspenONE Advanced Process Control AspenONE Manufacturing Execution Systems ( zarządzanie danymi) AspenONE Manufacturing Execution Systems ( zarządzanie danymi) AspenONE Petroleum Supply Chain AspenONE Petroleum Supply Chain AspenONE Supply Chain Management AspenONE Supply Chain Management

ASPEN One Engineering Aspen HYSYS for Hydrocarbons Aspen HYSYS for Hydrocarbons Aspen Plus for Chemicals & Polymers Aspen Plus for Chemicals & Polymers Economic Evaluation Economic Evaluation Exchanger Design & Rating Exchanger Design & Rating Energy Efficiency Optimization Energy Efficiency Optimization

Aspen HYSYS for Hydrocarbons Upstream & Midstream Upstream & Midstream  HYSYS, Acid Gas Cleaning, Upstream, Upstream dinamics Refining Refining  HYSYS, Petroleum Refining, Refinery Reactors, Acid Gas Cleaning, Crude™ Activated Analysis Activated Analysis Dynamics & Safety Dynamics & Safety Optimizing Operations Optimizing Operations

Steady State Simulation Steady State Simulation Aspen plus, Solids Modeling in Aspen Plus, Aspen Polymers, Aspen Distillation Synthesis, Aspen Rate-Based Distillation, Aspen Custom Modeler® Aspen plus, Solids Modeling in Aspen Plus, Aspen Polymers, Aspen Distillation Synthesis, Aspen Rate-Based Distillation, Aspen Custom Modeler® Batch Simulation Batch Simulation Dynamic Simulation Dynamic Simulation Activated Analysis Activated Analysis Safety Safety Optimizing Operations Optimizing Operations Aspen Plus for Chemicals & Polymers

PRO/II -> SimSci + Dość duża elastyczność + Prostszy w użyciu od ASPENA + Generuje Autokod, który można modyfikować (?) + Nadaje się dość dobrze do prac naukowych jak i inżynierskich - Mała popularność

PRO/II -> SimSci Pakiety: Pakiety:  SimSci Design  SimSci Operate  SimSci Optimize  SimSci Spiral

ProMax Program dedykowany konkretnym procesom związanym głownie z petrochemią Program dedykowany konkretnym procesom związanym głownie z petrochemią  Amine Sweetening – odsiarczanie (H 2 S) roztworami amin  Glycol Dehydration – odwodnienie gazu ziemnego glikolami i alkoholami  Equipment Rating / Sizing – wymiarowanie i sprawdzanie: rur, separatorów, kolumn, wymienników ciepła  Crude Oil Refining – rafinacja ropy naftowej  LPG Recovery – odzysk gazu LPG  Caustic Treating – absorpcja kwaśnych gazów w roztworach NaOH (poprawione własności elektrolitów) Bryan Research & Engineering, Inc.

Symulacja stanów ustalonych i nieustalonych Symulacja stanów ustalonych i nieustalonych  Procesy chemiczne i petrochemiczne w tym:  Rafinacja  Chłodzenie (mrożenie)  Przeróbka i oczyszczanie gazu  Rurociągi  Ogniwa paliwowe  Produkcja amoniaku, metanolu,  Odzysk siarki  Wytwórnie wodoru Dostępna 2 tygodniowa licencja testowa Dostępna 2 tygodniowa licencja testowa NAJTAŃSZY! NAJTAŃSZY!

Główne składniki: Główne składniki:  Physical Properties  2 Phase Pipeline Modeling  Expander and Lean Oil Plants  Glycol Units  Amine Units (Single and Mixed)  Gathering & Transmission  Rigorous Refinery Columns  Petrochemical, Hydrocarbon, Refrigeration, Chemical, Ammonia, Methanol, Sulfur and Hydrogen Plants  Heat Exchanger Sizing & Rating  Separator Sizing & Rating  VLE, VLLE and LLE Data Regression  Fuel Cell Systems

ChemCAD Względnie mała elastyczność Względnie mała elastyczność + Dobry do zastosowań projektowych i inżynierskich - Nie najlepszy do prac naukowych - Skromna dokumentacja

Elementy składowe symulatorów 1. Bazy danych parametrów fizycznych 2. Baza danych równowagowych (VLE, LLE, LLVE, SLE, elektrolity, dla powszechnie stosowanych metod) 3. Procedury obliczeniowe dotyczące własności termodynamicznych oraz transportowych (Thermodynamic and Transport Properties - TTP) 4. Narzędzia wprowadzanie danych 5. Moduł generujący rozwiązania - Solver (kalkulator) 6. Moduł wyjścia – wyniki (w formie Process Flow Diagrams -PFD) 7. Wymiarowanie aparatów oraz funkcje użytkowe

Korzyści płynące z zastosowania symulatorów 1. Bardzo szybkie uzyskanie własności fizyczne czystych związków i mieszanin 2. Proste, szybkie i dokładne oszacowanie parametrów operacji jednostkowej 3. Obliczanie skomplikowanych schematów technologicznych 4. Znalezienie optymalnego rozwiązania spośród wielu alternatyw 5. Poprawa działania istniejących instalacji