Моделювання

Програмне забезпечення для моделювання технологічних процесів

Сучасний підхід до розробок в області хімічних технологій вимагає використання комп’ютерного моделювання технологічних процесів та обладнання. При розробках нових технологій, реконструкції або модернізації існуючого виробництва, аналізі роботи технологічних схем необхідно застосування математичних моделей і комп’ютерного аналізу.

Математична модель розробляємої схеми відображає сутність фізико-хімічних процесів, конструктивні характеристики обладнання, а також технологічні зв’язки між елементами схеми. У загальному вигляді така модель являє собою систему нелінійних рівнянь матеріальних і теплових балансів та рівнянь функціональних зв’язків. Побудова й рішення такої системи рівнянь неможливо без використання комп’ютерних моделюючих програм.

Компанія використовує спеціалізований обчислювальний комплекс власної розробки, що дає незаперечні переваги при моделюванні технологічних процесів:

– можливість адаптації розрахункових модулів для врахування особливостей технології та конструкції обладнання замовника;
– оперативне використання останніх досягнень світової науки в галузі моделювання хімічних технологій;
– можливість «налаштування» моделей за експериментальними даними в необхідному діапазоні зміни параметрів.

У основі математичних моделей закладені базові принципи та закони термодинаміки, гідродинаміки, хімічної кінетики і теорії теплопередачі.

Математичне моделювання застосовується на всіх основних етапах прийняття технічних рішень:

  • Розробка технологічної схеми. Вибір оптимального рішення з багатьох прорахованих варіантів.
  • Розрахунок параметрів та конструкції устаткування з метою досягнення заданих технологічних характеристик.
  • Оцінка стану устаткування шляхом відтворення технологічних параметрів при розрахунках за даними обстеження виробництва.
  • Оцінка технологічних показників виробництва.

Для кожної технологічної задачі створюється унікальна база даних, що включає фізико-хімічну основу процесу, дані про структуру технологічної схеми, набір розрахункових модулів технологічного устаткування з похідними та розрахунковими даними.

Програмне забезпечення дозволяє моделювати як проточні схеми, так і циркуляційні. В результаті багаторазових розрахунків визначаються оптимальні технологічні параметри як схеми в цілому (продуктивність, кратність циркуляції, кількість продувок та ін.), так і окремого устаткування (завантаження каталізатора, параметри й розташування реакційних, теплообмінних труб, потужності компресорів та насосів, багато іншого). Використання кінетичних залежностей дозволяє виробляти детальний розрахунок реакторного устаткування та оцінювати режими роботи технологічної схеми при різної активності каталізатора – на початок та кінець кампанії. Використання відповідних моделей фазових рівноваг для розрахунку массообміну устаткування дозволяє отримати адекватну модель стадії ректифікації.

Результати розрахунків представляються у вигляді схем, таблиць і графіків.

Програмне забезпечення являє собою унікальний обчислювальний комплекс, що складається з інформаційних баз даних, розрахункових модулів та інтерфейсної частини.

Для опису процесів хімічного перетворення на каталізаторах розроблене спеціалізоване програмне забезпечення, до складу якого входить банк кінетичних залежностей.

Ряд моделей та розрахункових модулів використовується для розрахунку нестандартного технологічного устаткування, такого як, печі конверсії вуглеводневої сировини різних типів, реакторів синтезу аміаку та метанолу різної конструкції, котлів-утилізаторів для використання тепла конвертованого й димових газів з урахуванням конструктивних особливостей устатковання.

Структура програмного комплексу

1. Інформаційне забезпечення
1.1. База даних властивостей індивідуальних речовин

База даних містить числові значення констант для розрахунку фізико-хімічних властивостей окремих речовин в діапазоні зміни температур й тисків та є основою для розрахунку властивостей багатокомпонентних середовищ та характеристик фізико-хімічних явищ.

1.2. Банк бінарних параметрів

Банк містить значення параметрів бінарної взаємодії, призначених для підвищення точності розрахунків рівноваги пара-рідина та пара-рідина-рідина багатокомпонентних сумішей.

1.3. Банк кінетичних залежностей

Банк містить кінетичні залежності з чисельними значеннями констант для наступних процесів:
– парова конверсія метану на нікелевому каталізаторі;
– високотемпературна конверсія СО на жалізохромовому каталізаторі;
– низькотемпературна конверсія СО на мідьвмістному каталізаторі;
– гомогенна конверсія СО;
– синтез аміаку на залізному каталізаторі;
– синтез метанолу на мідьвмістному каталізаторі;
– синтез диметилового ефіру;
– розкладання аміаку на Ni-Al2O3;
– гомогенне окиснення NO до NO2 .

1.4. База даних каталізаторів для каталітичних стадій виробництв аміаку та метанолу

Банк містить дані про характеристики та властивості основних каталізаторів, що використовуються у виробництві аміаку та метанолу.

2. Моделюючі програми

2.1. Бібліотека базових алгоритмів

Являє собою основу розрахункових модулів та складається з набору програм для обчислення властивостей технологічних середовищ, параметрів хімічного перетворення, гідродинамічних характеристик та процесів тепло- й масопереносу для різних умов.

2.2. Розрахункові модулі загального призначення

Основний набір розрахункових програм для модельного уявлення більшості одиниць технологічного устаткування:
– вузли змішування та поділу;
– насоси, компресори;
– теплообмінне устаткування: кожухотрубчасті теплообмінники, змійовики, вогневі підігрівачі та пальники;
– масообмінне устаткування: сепаратори, абсорбери, ректифікаційні колони;
– кінетичний каталітичний реактор з радіальним або аксіальним ходом газу для розрахунку хімічного перетворення;
– хімічний реактор за рівноважною моделлю;
– реактор для гомогенних газофазних кінетичних некаталітичних процесів.

2.3. Модулі для розрахунку спеціалізованого устаткування

2.3.1. Конверсія вуглеводневої сировини:
– Трубчаста піч зі стельовими пальниками;
– Трубчаста піч з ярусними пальниками;
– Трубчаста піч з терасовими пальниками;
– Змійовики конвективної зони трубчастих пічей та котли з природною та примусовою циркуляцією;
– Парокіслородной (пароповітряний) конвертор.

2.3.2. Синтез аміаку
– 4-х полична аксіальна колона;
– 3-х полична колона синтезу з радіальною насадкою та міжшаровим теплообмінником;
– 2-х полична колона синтезу з радіальною насадкою та міжшаровим теплообмінником.

2.3.3. Синтез метанолу
– Поличні реактори аксіального типу з «холодними» байпасами між шарами або охолодженням газу між шарами в теплообмінниках;
– Реактори синтезу метанолу радіального типу;
– Реактор синтезу метанолу трубчастого типу з системою пароутворення;
– Реактор синтезу метанолу з вбудованим рекуперативним пластинчастим пароводяним або газовим теплообмінником.

2.3.4. Інше устаткування
– Багаторядний котел-утилізатор тепла димових газів з природною циркуляцією теплоносія;
– Кожухотрубчастий котел-утилізатор тепла конвертованого газу з природною циркуляцією теплоносія;
– Котли-утилізатори тепла нітрозних газів;
– Абсорбційна колона нітрозних газів.

3. Інтерфейсна частина програмного комплексу
Частина програмного комплексу, що дозволяє користувачеві-технологу формувати розрахункову базу завдання.
Виконує наступні функції:
– завдання фізико-хімічної основи розрахункової задачі;
– завдання структури технологічної схеми;
– завдання похідних даних по апаратах;
– керування розрахунком завдання;
– формування вихідної інформації у вигляді таблиць та графіків.

4. Допоміжні модулі

  • Набір спеціалізованих програм (контролерів) для управління процесом розрахунку та виведення інформації.
  • Набір допоміжних модулів для обробки експериментальних та літературних даних з метою визначення та / або уточнення чисельних значень параметрів рівнянь.