Разработка математических моделей многокомпонентной ректификации с созданием базы данных и программного комплекса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Дам Куанг Шанг

• Дам Куанг Шанг
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дам Куанг Шанг

ВВЕДЕНИЕ.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

ГЛАВА I

ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ КОМЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ

МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ.

1.1. Некоторые понятия компьютерного моделирования в химической технологии.

1. 2. Развитие компьютерного обеспечения при расчете процесса ректификации.

1. 3. Математическое описание процесса ректификации многокомпонентных систем и методы их решения.

1.4. Модели фазового равновесия при расчетах многокомпонентной ректификации.

1. 5. Исходная информация для расчета процесса ректификации. 52 Выводы по первой главе.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

ГЛАВА II

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ, МЕТОДЫ ИХ РЕШЕНИЯ И АЛГОРИТМЫ РАСЧЕТА ПРОЦЕССА МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ

РЕКТИФИКАЦИИ В ТАРЕЛЬЧАТОЙ КОЛОННЕ.

2.1. Математическое описание процесса многокомпонентной ректификации в виде Л^(2С+3) уравнений.

2.2. Математическое описание процесса многокомпонентной ректификации в виде 7V(2C+1) уравнений.

2.3. Выбор исходных данных.

2.4. Основные методы моделирования и расчета процесса ректификации.

2.4.1. Последовательный подход решения системы уравнений MESH.

2.4.2. Одновременное решение системы уравнений MESH.

2.4.3. Преимущества и недостатки последовательного и одновременного решений системы уравнений MESH.

2.5. Метод трехдиагональной матрицы и алгоритм его решения.

2.6. Метод 2]Ч-Ньютона и алгоритм его решения.

2.7. Метод одновременного решения системы уравнений MESH (Ньютона - Рафсона).

2.8. Двухконтурный метод (Inside-Out method).

2.8.1. Система уравнений MESH для деухконтурного метода.

2.8.2. Простейшая термодинамическая модель определения коэффициентов фазового равновесия и энтальпии фаз.

2.8.3. Завершающие процедуры расчета процесса ректификации по двухконтурному методу.

2.9. Метод гомотопии при решении систем уравнений MESH.

2.9.1. Решение системы MESH методом гомотопии.

2.9.2. Процедура расчета процесса ректификации по методу математической гомотопии.

2.10. Выбор метода расчета процесса ректификации.

2.11. Расчет парожидкостного равновесия многокомпонентных смесей.

2.11.1. Расчет температуры кипения жидкости.

2.11.2. Расчет температуры точки росы паровой фазы.

2.11.3. Расчет однократного испарителя при известном давлении и температуре.

2.11.4. Расчет однократного испарителя при известном давлении и W.

2.11.5. Расчет парожидкостногоравновесия смеси в питании

2.12. Прогноз начальных значений переменных для расчета процесса ректификации.

Прогноз начального профиля температуры.

Прогноз начальных профилей потоков жидкой и паровой фаз.

Прогноз начальных профилей составов жидкой и паровой фаз. 118 Прогноз начальных профилей покомпонентных потоков жидкой и паровой фаз.

2.13. Проектный расчет простой ректификационной колонны.

Блок предварительных расчетов.

Блок потарелочныхрасчетов.

Блок определения оптимальной тарелки питания.

Блок окончания потарелочного расчета.

Блок корректировки концентраций продуктов при переходе от одной итерации к другой.

Блок диагностики.

2.14. Расчет минимального флегмового числа.

Выводы по второй главе.

ГЛАВА III.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИХ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ И РАСЧЕТЕ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ.

3.1. Модели расчета коэффициента парожидкостного равновесия

3.2. Модели расчета коэффициента активности жидкой фазы.

3.3. Уравнения для расчета давления насыщенного пара.

3.4. Методы расчета энтальпии газовой и жидкой фаз.

3.5. Расчет теплоты парообразования AHv.

3.6. Определение молярных объемов жидкости.

3.7. Методы (алгоритмы) определения параметров бинарного взаимодействия в моделях Вильсона, HPTJI и ЮНИКВАК.

3.8. Исходная информация при моделировании и расчете процесса ректификации (элетронный справочник THERMOBANK).

Выводы по третьей главе.

ПРИКЛАДНАЯ ЧАСТЬ.

ГЛАВА IV

ПРОГРАММА «DISTSIM» И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЕЕ ПРИ РАСЧЕТЕ ПАРОЖИДКОСТНОГО РАВНОВЕСИЯ И ПРОЦЕССА МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ.

4.1. Структура и принцип работы программы DISTSIM.

4.2. Расчет парожидкостного равновесия по программе DISTSIM.

Пример N° 1:.

Пример № 2:.

Пример № 3:.

Пример N° 4:.

Пример № 5:.

Пример N° 6:.

4.3. Расчет параметров бинарного взаимодействия для моделей Вильсона, НРТЛ и ЮНИКВАК по экспериментальным данным парожидкостного равновесия бинарной пары.

Пример № 7.

4.4. Расчет процесса многокомпонентной ректификации с помощью программы DISTSIM.

Пример N° 8:.

Пример J\h 9:.

Пример №10:.

Пример № 11:.

Пример № 12:.

Пример № 13:.

Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка математических моделей многокомпонентной ректификации с созданием базы данных и программного комплекса»

В современной химической технологии процесс ректификации многокомпонентных систем (МКС) занимает первое место по степени энергозатрат на его проведение при заданном качестве целевых продуктов. Поэтому целью всех исследований процесса ректификации и является снижение энергозатрат самого процесса.

Как известно при анализе и синтезе процесса многокомпонентной ректификации выявляется наиболее оптимальный путь и вариант решения проблемы снижения энергозатрат. Без использования современных методов математического моделирования, оптимизации и системного анализа решить эту проблему невозможно.

За последние 50 лет математическое моделирование и оптимизация процесса многокомпонентной ректификации с использованием современных ЭВМ получили большое развитие. Многие моделирующие программы расчета процесса ректификации применялись не только на лабораторном, но и на промышленном уровнях. Ядром этих программ было решение систем уравнений теплового и материального балансов, описывающих поведение технологической системы, с помощью различных методов и соответствующих допущений. Многие компьютерные программы позволяли проводить проверочные расчеты ректификации в стационарном режиме для простых систем с одной колонной или с несколькими колоннами, связанных друг с другом для сложных систем. Другие программы позволяли проводить автоматизированное проектирование химико-технологических систем.

В настоящее время мощные универсальные моделирующие программы (УМП) широко применяются во всем мире (СЬешсас!, АзрепР1ш, Нузуз, Рго/П). Однако большинство этих программ либо было написано на уже устаревших языках программирования (сейчас не могут работать на современных операционных системах), их программный интерфейс не удобен и решает только определенные задачи, либо очень дороги и трудно применимы для обычного пользователя, а иногда не удовлетворяют требованиям практики. УМП являются фактически черным ящиком (пользователь узнать не может что происходит в процессе расчета).

Поэтому построение удобной (универсальной) моделирующей программы расчета процесса многокомпонентной ректификации МКС, основанной на современном языке программирования с обобщенным алгоритмом, является актуальной задачей.

Целью настоящей работы является комплексный подход при создании математического описания, современного программного обеспечения и алгоритмов расчета парожидкостного равновесия и кинетики массопере-дачи процесса ректификации бинарных и многокомпонентных систем широкого класса смесей для использования их при анализе и синтезе действующих и вновь проектируемых ректификационных колонн и систем.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- совершенствования алгоритмов и методов расчета парожидкостного равновесия с использованием моделей Чао-Сидера, Грайсона-Стрида, уравнений состояния Соава-Редлиха-Квонга (СРК), Пенга-Ропинсона (ПР) (при высоком давлении) и моделей Ван-Лаара, Маргулеса, Вильсона, НРТЛ, ЮНИКВАК, ЮНИФАК, АСОГ (при низком давлении). При отсутствии экспериментальных данных по парожидкостному равновесию бинарных пар использовались модели ЮНИФАК и АСОГ;

- разработки алгоритма оптимального поиска коэффициентов бинарного взаимодействия уравнений в моделях Вильсона, НРТЛ, ЮНИКВАК при наличии экспериментальных данных по парожидкостному равновесию бинарных пар;

- совершенствования алгоритмов и методов расчета процесса ректификации многокомпонентных систем методами трехдиагональной матрицы, 21Ч-Ныотона, Ньютона-Рафсона, двухконтурного метода и метода го-мотопии;

- создания базы данных для объединения с программой расчета многокомпонентной ректификации, который содержит следующие таблицы: физико-химических параметров (более 600 популярных индивидуальных веществ - см. Приложение В); + параметров бинарного взаимодействия в уравнениях состояний СРК иПР; параметров моделей Чао-Сидера и Грайсона-Стрида; + параметров бинарного взаимодействия для расчета коэффициентов активности моделей Ван-Лаара, Маргулеса, Вильсона, НРТЛ, ЮНИКВАК, ЮНИФАК и АСОГ; + групповых параметров для моделей ЮНИФАК и АСОГ;

- создания программного комплекса на языке Visual Basic.Net 2008 для моделирования процесса ректификации многокомпонентных систем.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР