Моделирование процесса - Process simulation

Снимок экрана программы моделирования процесса (DWSIM ).

Моделирование процесса используется для проектирования, разработки, анализа и оптимизации технических процессов, таких как: химические заводы, химические процессы, экологические системы, энергостанции, сложные производственные операции, биологические процессы и аналогичные технические функции.

Главный принцип

Блок-схема типичного процесса аминовой обработки, используемого на промышленных предприятиях

Моделирование процесса - это модель-основанное представление химический, физический, биологический, и другие технические процессы и единичные операции в программном обеспечении. Основными предпосылками модели являются химические и физические свойства.[1] чистых компонентов и смесей, реакций и математических моделей, которые в совокупности позволяют рассчитывать характеристики процесса с помощью программного обеспечения.

Программное обеспечение для моделирования процессов описывает процессы в блок-схемы куда единичные операции позиционируются и связаны между собой потоками продукта или отхода. Программное обеспечение решает масса и энергетический баланс найти стабильную рабочую точку по заданным параметрам. Цель моделирования процесса - найти оптимальные условия для процесса. По сути, это оптимизация проблема, которая должна быть решена в итеративном процессе.

В приведенном выше примере поток сырья в колонну определяется с точки зрения его химических и физических свойств. Это включает в себя состав отдельных молекулярных частиц в потоке; общий массовый расход; давление и температура потоков. Для углеводородных систем отношения равновесия пар-жидкость (K-значения) или модели, которые используются для их определения, указываются пользователем. Свойства колонны определяются такими как давление на входе и количество теоретических тарелок. Мощность ребойлера и верхнего конденсатора рассчитывается с помощью модели для достижения заданного состава или другого параметра нижнего и / или верхнего продукта. При моделировании рассчитываются химические и физические свойства потоков продуктов, каждому из которых присваивается уникальный номер, который используется на диаграмме массы и энергии.

Моделирование процесса использует модели, которые вводят приближения и предположения, но позволяют описывать свойства в широком диапазоне температур и давлений, которые могут не быть покрыты имеющимися реальными данными. Модели также позволяют интерполяция и экстраполяция - в определенных пределах - и разрешить поиск условий вне диапазона известных свойств.

Моделирование

Разработка моделей[2] для лучшего представления реальных процессов является ядром дальнейшего развития программного обеспечения моделирования. Разработка модели осуществляется на основе принципов химической инженерии, а также техники управления и совершенствования методов математического моделирования. Таким образом, моделирование процессов - это область, в которой практикующие специалисты химия, физика, Информатика, математика, и инженерное дело работать вместе.

VLE смеси хлороформа и метанола плюс NRTL подходят и экстраполяция к разному давлению

Прилагаются усилия для разработки новых и улучшенных моделей для расчета свойств. Это включает, например, описание

  • теплофизические свойства, такие как давление пара, вязкости, калорийность и т. д. чистых компонентов и смесей
  • свойства различного оборудования, такого как реакторы, ректификационные колонны, насосы и т. д.
  • химические реакции и кинетика
  • данные об окружающей среде и безопасности

Есть два основных типа моделей:

  1. Простые уравнения и корреляции где параметры соответствуют экспериментальным данным.
  2. Прогнозные методы оценки свойств.

Обычно предпочтение отдается уравнениям и соотношениям, поскольку они (почти) точно описывают свойство. Для получения надежных параметров необходимо иметь экспериментальные данные, которые обычно получают из банков фактических данных.[3][4] или, если нет общедоступных данных, из измерения.

Использование методов прогнозирования более рентабельно, чем экспериментальные работы, а также данные из банков данных. Несмотря на это преимущество, предсказанные свойства обычно используются только на ранних стадиях разработки процесса для поиска первых приближенных решений и исключения ложных путей, поскольку эти методы оценки обычно вносят более высокие ошибки, чем корреляции, полученные на основе реальных данных.

Моделирование процесса стимулировало разработку математических моделей в областях числа и решение сложных проблем.[5][6]

История

История моделирования процессов связана с развитием Информатика компьютерного оборудования и языков программирования. Ранние реализации частичных аспектов химических процессов были представлены в 1970-х годах, когда подходящее оборудование и программное обеспечение (здесь в основном языки программирования FORTRAN и C ) стал доступен. Моделирование химических свойств началось намного раньше, в частности кубического уравнение состояний и Уравнение антуана были предвестниками XIX века.

Моделирование установившихся и динамических процессов

Первоначально моделирование процесса использовалось для моделирования устойчивое состояние процессы. Стационарные модели выполняют баланс массы и энергии стационарного процесса (процесса в состоянии равновесия) независимо от времени.

Динамическое моделирование - это расширение стационарного моделирования процесса, при котором временная зависимость встроена в модели через производные члены, то есть накопление массы и энергии. С появлением динамического моделирования стало возможным нестационарное описание, прогнозирование и управление реальными процессами в реальном времени. Сюда входит описание запуска и остановки установки, изменения условий во время реакции, задержек, тепловых изменений и многое другое.

Динамическое моделирование требует увеличения времени вычислений и является более сложным математически, чем моделирование в установившемся режиме. Его можно рассматривать как многократное повторение моделирования устойчивого состояния (на основе фиксированного временного шага) с постоянно меняющимися параметрами.

Динамическое моделирование можно использовать как в режиме онлайн, так и в автономном режиме. Онлайн-случай - это управление с прогнозированием модели, где результаты моделирования в реальном времени используются для прогнозирования изменений, которые могут произойти при изменении входных данных управления, а параметры управления оптимизируются на основе результатов. Автономное моделирование процесса может использоваться при проектировании, устранении неисправностей и оптимизации технологического оборудования, а также при проведении тематических исследований для оценки воздействия модификаций процесса. Динамическое моделирование также используется для обучение операторов.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Родс К.Л., «Революция в области моделирования процессов: потребности и проблемы в области теплофизических свойств», J.Chem.Eng.Data, 41, 947-950, 1996
  2. ^ Гани Р., Пистикопулос Е.Н., «Моделирование свойств и моделирование для проектирования продуктов и процессов», Fluid Phase Equilib., 194-197, 43-59, 2002
  3. ^ Марш К., Сатиро М.А., «Интеграция баз данных и их влияние на моделирование и проектирование процессов», Конференция, Лейк-Тахо, США, 1994, 1-14, 1994
  4. ^ Уодсли М.В., «Базы данных по термохимическим и теплофизическим свойствам для компьютерного моделирования химических процессов», Конференция, Корея, Сеул, 30 августа - 2 сентября 1998 г., 253-256, 1998 г.
  5. ^ Сэгер Р. Б., Бишной П. Р., «Модифицированный алгоритм« наизнанку »для моделирования процессов многоступенчатого многокомпонентного разделения с использованием метода группового вклада UNIFAC», Can.J.Chem.Eng., 64, 759-767, 1986
  6. ^ Малья Дж. У., Зитни С. Э., Чоудхари С., Штадтерр М. А., «Параллельный фронтальный решатель для моделирования и оптимизации крупномасштабных процессов», AIChE J., 43 (4), 1032-1040, 1997
  7. ^ «ASL: моделирование физического осаждения из паровой фазы».