Komputerowa Inżynieria Procesowa

1. Komputerowa Inżynieria Procesowa Inżynieria Chemiczna II

2. Tematyka • Symulacja procesów inżynierii chemicznej • Zastosowanie programów typu CAD w inżynierii chemicznej i procesowej • Modelowanie przepływów za pomocą programów wykorzystujących metodę elementów skończonych (CFD - Computational fluid dynamics) • Sztuczne sieci neuronowe

3. Symulacja procesów WSTĘP

4. Symulacja • Działanie mające na celu przewidywanie zachowania rzeczywistych obiektów z wykorzystaniem ich modelów bez konieczności manipulowania rzeczywistym układem

5. Model • Jest odwzorowaniem pewnej rzeczywistości w formie dogodnej dla inżyniera/badacza. • Fizyczny: jedna wielkość zastąpiona przez drugą lub obiekty w pomniejszonej skali • Matematyczny: wykorzystuje równania matematyczne opisujące rzeczywiste układy fizyczne.

6. Podział modeli • Black box – white box • Black box – brak danych na temat natury procesu, znane tylko zależności między wejściem a wyjściem. Praktyczna realizacja to „Sieć neuronowa” • White box – mechanizm procesu jest dobrze <??> znany i opisany zestawem równań.

7. Podział modeli • Deterministyczne – Stochastyczne • Deterministyczne – dany zestaw wartości wejściowych generuje jeden zbiór wartości wyjściowych z prawdopodobieństwem wynoszącym 1. • Stochastyczny – zjawiska losowe wpływają na przebieg procesu i zbiór wyjściowy jest zbiorem liczb losowych o różnym prawdopodobieństwie wystąpienia

8. Podział modeli • Mikroskopowe-makroskopowe • Mikroskopowe – obejmujące tylko małą część rozważanego aparatu (instalacji) • Makroskopowe – obejmujące cały aparat lub proces.

9. Elementy składowe modelu • Zależności bilansowe • Oparte o podstawowe prawa natury • Prawo zachowania masy • Prawo zachowania energii • Prawo zachowania ładunku elektrycznego, itd. • Równanie bilansu: Wejście – Wyjście = Akumulacja

10. Elementy składowe modelu • Równania konstytutywne – dotyczą strumieni niekonwekcyjnych • r. Newtona – tarcia lepkiego • r. Fouriera – przewodzenia ciepła • r. Ficka – dyfuzji masy

11. Elementy składowe modelu • Równania równowag fazowych – ważne przy transporcie masy • Równania właściwości fizycznych do obliczenia parametrów jako funkcji temperatury, ciśnienia i składu. • Zależności geometryczne wprowadzają wpływ geometrii aparatu na współczynniki transportu (masy, ciepła) – strumienie konwekcyjne.

12. Struktura modelu • Zależy od: • Typu pracy obiektu: • Ciągła – stan ustalony • Okresowa – stan nieustalony • Rozkładu parametrów w przestrzeni • Równe we wszystkich punktach aparatu –parametry skupione (reaktor wsadowy z idealnym mieszaniem) • Parametry zmienne w przestrzeni – parametry rozproszone

13. Struktura modelu

14. Rodzaje symulacji w stanie ustalonym przez Rafiqul Gani • Flowsheeting problem – symulacja prosta • Design (specification) problem – symulacja z założeniami na wyjściu • Optimization problem - optymalizacja • Synthesis problem – tworzenie nowego procesu od podstaw

15. Schemat technologiczny (flowseet) INPUT PRODUCTS OPERATING CONDITIONS EQUIPMENT PARAMETERS Flowsheeting problem • Dane: • Schemat technologiczny • Wszystkie parametry wejściowe • Wszystkie warunki prowadzenia procesu • Wszystkie parametry aparatury • Do obliczenia: • Wszystkie dane wyjściowe

16. R.Gani

17. Schemat technologiczny (flowseet) INPUT PRODUCTS OPERATING CONDITIONS EQUIPMENT PARAMETERS Specyfication problem • Dane: • Schemat technologiczny • Niektóre informacje wej/wyj. • Niektóre warunki prowadzeniaprocesu • Niektóre parametry aparatów • Do obliczenia: • Pozostałe parametry wej/wyj • Pozostałe warunki prowadzeniaprocesu • Pozostałe parametry aparatów

18. Specyfication problem • UWAGA: liczba stopni swobody jest taka sama jak w przypadku „flowsheeting problem”.

19. R.Gani

20. Dane: Skład i natężenia na wlocie oraz docelowy skład produktu Znaleźć: D, Qr Znaleźć: natężenie przepływu produktu i zapotrzebowanie na ciepło Rozwiązać „flowsheeting problem” Zmień D, Qr Czy skład produktu spełnia założenia ? STOP

21. Process optimisation • Proces znajdowania najlepszego rozwiązania procesowego (minimalizacja kosztów zużycia energii, surowców, maksymalizacja zysku itp.) przez dobór parametrów procesu bez zmiany zastosowanych aparatów.

23. Dane: Skład i natężenia na wlocie oraz docelowy skład produktu Znaleźć: D, Qr Znaleźć: natężenie przepływu produktu i zapotrzebowanie na ciepło Rozwiązać „flowsheeting problem” Zmień D, Qr Czy skład produktu spełnia założenia AND =min. STOP

24. Process synthesis/design problem • Akt tworzenia nowego procesu. • Dane: • Parametry wejściowe (niektóre strumienie wejściowe mogą być w trakcie dodawane/zmieniane/usuwane) • Parametry wyjściowe (niektóre produkty uboczne/odpady mogą być na początku nieznane) • Znaleźć: • Schemat technologiczny • Parametry aparatów • Warunki prowadzenia procesu

25. Process synthesis/design problem Schemat procesowy nieznany INPUT OUTPUT

27. Dane: Skład i natężenia na wlocie oraz docelowy skład produktu Znaleźć: D, Qr Znaleźć: natężenie przepływu produktu,zapotrzebowanie na ciepło, ilośc półek stopień refluksu itd. Rozwiązać „flowsheeting problem” Znaleźć pasujące D, Qr oraz N, NF, R/D etc. Czy skład produktu spełnia założenia AND =min. STOP

28. Process synthesis/design problem metanol Metoda separacji i aparatura metanol woda woda Metody: destylacja, separacja membranowa, ekstrakcja Aparatura: ile i jakich aparatów potrzeba, jaka jest ich geometria oraz parametry pracy

29. Narzędzia do prowadzenia symulacji procesowych • Kartka, ołówek i kalkulator • Środowiska programistyczne (Pascal, Fortran, C++, itp.) • Programy matematyczne ogólnego stosowania: arkusze kalkulacyjne, pakiety matematyczne, • Specjalizowane symulatory procesowe.

30. Narzędzia do prowadzenia symulacji procesowych • Kartka, ołówek i kalkulator • Środowiska programistyczne (Pascal, Fortran, C++, itp.) • Programy matematyczne ogólnego stosowania: arkusze kalkulacyjne, pakiety matematyczne, • Specjalizowane symulatory procesowe.

31. Elementy składowe schematu technologicznego • Aparaty – wszelkiego typu urządzenia mające odpowiedniki w rzeczywistych instalacjach lub pozwalające w połączeniu ze sobą modelować aparat fizyczny • Strumienie – połączenia pomiędzy aparatami • Zasilanie/odbiór – miejsca wprowadzania do procesu surowców, odbioru produktów, usuwania odpadów

32. Zasada rozdziału na aparaty i strumienie • Podział na strumienie i aparaty wynika z założenia przyjmowanego w większości systemów, że wszelkie reakcje, wymiana ciepła czy masy odbywają się w aparatach a strumienie pozostają w równowadze chemicznej i termodynamicznej. • Odstępstwa dotyczą symulacji procesów nieorganicznych, zachodzących w elektrolitach

33. Parametry strumieni • Natężenie przepływu • Skład • Entalpia • Ciśnienie • Udział par/gazów

34. Ilość stopni swobody strumieni DFs=NC+2 Przykład: Strumień ma 2 składniki. NC=2 -> DFs=4 Można założyć 4 parametry np.: natężenia przepływu, temperaturę oraz ciśnienie F1, F2, T, P Obliczone zostaną: • entalpia • udział par

35. Parametry aparatów • Cechy charakterystyczne danego aparatu w ramach odpowiadającego typu aparatów. Np. w przypadku wymiennika ciepła: • Powierzchnia wymiany ciepła • Współczynnik przenikania ciepła • Średnia różnica temperatur • Ilość stopni swobody jest charakterystyczna dla aparatu

36. Zastosowanie Excela do symulacji układu z wymiennikiem ciepła

37. I. Definicja problemu Przeprowadzić symulację instalacji składającej się z: płaszczowo rurowego wymiennika ciepła, czterech rur oraz dwóch zaworów na rurach wylotowych. Parametry strumieni wlotowych jak i geometria rur oraz wymiennika a także opór miejscowy zaworu są znane. Czynnikiem płynącym przez obydwie strony wymiennika jest woda. Przepływ przez rury jest adiabatyczny. Znaleźć taki opór przepływu przez zawory by ciśnienie wylotowe z rurociągów wynosiło 1bar.

38. 5 s6 s7 2 4 1 3 s1 s2 s3 s4 s5 s8 7 6 s10 s9 II.Schemat technologiczny

39. Dane: Strumień s1 Ps1 =200kPa, ts1 = 85°C, f1s1 = 1000kg/h Strumień s6 Ps6 =200kPa, ts6 = 20°C, f2s6 = 1000kg/h

40. Parametry aparatów: • L1=7m d1=0,025m • L2=5m d2=0,16m, s=0,0016m, n=31... • L3=6m, d3=0,025m • z4=50 • L5=7m d5=0,025m • L6=10m, d6=0,025m • z7=40

41. III. Tabela strumieni Niewiadome:Ts2, Ts3, Ts4, Ts5, Ts7, Ts8, Ts9, Ts10, Ps2, Ps3, Ps4, Ps7, Ps8, Ps9, f1s2, 1s3, f1s4, f1s5, f2s7, f2s8, f2s9, f2s10 Ilość niewiadomych: 24 Potrzeba 24 niezależnych równań.

42. Równania z informacji dotyczących aparatów f1s2= f1s1 f1s7= f1s6 f1s3= f1s2 f1s8= f1s7 f1s4= f1s3 f1s9= f1s8 f1s5= f1s4 f1s10= f1s9 14 równań. Brakuje 24-14=10

43. Równania bilansu cieplnego Nowa zmienna: Q Brakuje: 10+1-2=9 równań

44. Równania wymiany ciepła Nowe zmienne: k, DTm - brakuje 9+2-2=9 równań

45. Równania wymiany ciepła Dwie nowe zmienne: aT and aS Ilość brakujących równań: 9+2-1=10

46. Równania wymiany ciepła Trzy nowe zmienne: NuT, NuS, deq, brakuje: 10+3-3=10 równań

47. Równania wymiany ciepła

48. Równania wymiany ciepła Dwie nowe zmienne ReT and ReS, brakuje: 10+2-4=8równań

49. Spadek ciśnienia

50. Spadek ciśnienia Dwie nowe zmienne Re1 and l1, brakuje: 8+2-3=7 równań