Моделирование процесса - Process simulation

Снимок экрана программы моделирования технологического процесса ( DWSIM ).

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

Главный принцип

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

Моделирование процесса - это основанное на модели представление химических , физических , биологических и других технических процессов и единичных операций в программном обеспечении. Основными предпосылками для модели являются химические и физические свойства чистых компонентов и смесей, реакций и математических моделей, которые в совокупности позволяют рассчитывать свойства процесса с помощью программного обеспечения.

Программное обеспечение для моделирования процессов описывает процессы в блок-схемах, в которых единичные операции позиционируются и связаны потоками продукта или отхода. Программное обеспечение решает баланс массы и энергии, чтобы найти стабильную рабочую точку при заданных параметрах. Цель моделирования процесса - найти оптимальные условия для процесса. По сути, это проблема оптимизации, которую необходимо решать в итеративном процессе.

В приведенном выше примере поток сырья в колонну определяется с точки зрения его химических и физических свойств. Это включает 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.

При моделировании процесса используются модели, которые вводят приближения и допущения, но позволяют описывать свойства в широком диапазоне температур и давлений, которые могут не быть покрыты доступными реальными данными. Модели также допускают интерполяцию и экстраполяцию - в определенных пределах - и позволяют искать условия за пределами диапазона известных свойств.

Моделирование

Разработка моделей для лучшего представления реальных процессов является основой дальнейшего развития программного обеспечения для моделирования. Разработка моделей осуществляется на основе принципов химической инженерии, а также техники управления и совершенствования методов математического моделирования. Таким образом, моделирование процессов - это область, в которой работают вместе практикующие специалисты из области химии , физики , информатики , математики и инженерии .

VLE смеси хлороформа и метанола плюс NRTL подгонка и экстраполяция для различных давлений

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

  • теплофизические свойства, такие как давление пара , вязкость , 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 или, если данные отсутствуют в открытом доступе, из измерений .

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 приводят к более высоким ошибкам, чем корреляции, полученные на основе реальных данных.

Моделирование процессов стимулировало разработку математических моделей в области числовых вычислений и решение сложных проблем.

История

История моделирования процессов связана с развитием информатики, компьютерного оборудования и языков программирования. Ранние реализации частичных аспектов химических процессов были представлены в 1970-х годах, когда стали доступны подходящие аппаратные средства и программное обеспечение (здесь в основном языки программирования FORTRAN и C ). Моделирование химических свойств началось намного раньше, в частности, кубическое уравнение состояний и уравнение Антуана были предшествующими разработками 19 века.

Моделирование установившегося состояния и динамического процесса

Первоначально моделирование процесса использовалось для моделирования стационарных процессов. Стационарные модели выполняют баланс массы и энергии установившегося 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, изменений условий во время реакции, задержек, тепловых изменений и т. Д.

Динамическое моделирование требует увеличения времени вычислений и является более сложным с математической точки зрения, чем моделирование в установившемся режиме. Это можно рассматривать как многократное повторение имитации 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 обучения операторов .

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Rhodes CL, «Революция в моделировании процессов: потребности и проблемы в области теплофизических свойств», J.Chem.Eng.Data, 41, 947-950, 1996
  2. ^ Гани Р., Пистикопулос Э. Н., «Моделирование свойств и симуляция 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. ^ Wadsley МВт, «термохимическая и теплофизические Базы данных недвижимости Вычислительных химических процессов моделирования», конференция, Корея, Сеул, 30 августа - 2 сентября 1998, 253-256, 1998
  5. ^ Saeger RB, Bishnoi PR, «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. Ю, Зитни С. Е., 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" .