Логико - вычислительные процедуры разработки блочных компьютерных моделей реакторных и ректификационных процессов Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 519.673:620.9.97

Ф.С. Советин, ст. преподаватель, (499)-500-19-17, [email protected] (Россия, Москва, РХТУ им. Д. И. Менделеева),

Т.Н. Гартман, д-р техн. наук, проф., (495)-724-32-50, [email protected] (Россия, Москва, РХТУ им. Д. И. Менделеева)

ЛОГИКО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕДУРЫ РАЗРАБОТКИ БЛОЧНЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ РЕАКТОРНЫХ И РЕКТИФИКАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

Предложены логико-вычислительные процедуры комбинирования для разработки блочных компьютерных моделей посредством комбинаций стандартных расчётных модулей программного комплекса ХЕМКАД.

Ключевые слова: разработка, программный комплекс, модуль, комбинация.

Современные тенденции развития химической промышленности требуют создания высокоэффективных, малоотходных и энергозамкнутых производств [1]. Для решения указанной проблемы требуется разрабатывать новые процедуры моделирования реакторных и ректификационных процессов, позволяющие реализовывать эти модели при моделировании химических производств с использованием специализированных программных комплексов, одним из которых является программный комплекс ХЕМКАД.

Программный комплекс ХЕМКАД (так называемый симулятор химических производств) представляет собой универсальную программную оболочку, в которой реализуются три основных режима её работы: графическое представление технологических схем производств, расчёты аппаратов, и изображение диаграмм различных процессов. Его применение позволяет решать задачи анализа и оптимизации, как режимов работы отдельных аппаратов и узлов технологических схем, так и технологических схем в целом, посредством их компьютерных моделей [2]. При этом физические аппараты моделируются стандартными расчётными модулями или их комбинациями. Расчётные модули (в дальнейшем просто модули) представляют собой реализованные в программах вычислительные алгоритмы, предназначенные для расчётов химико-технлогических процессов.

В работе предложены логико-вычислительные процедуры разработки компьютерных моделей реакторных и ректификационных процессов посредством комбинации стандартных расчётных модулей программного комплекса ХЕМКАД.

Для разработки моделей химических реакторов предлагается следующая логико-вычислительная процедура комбинирования стандартных модулей (рис.1):

а) простой реактор (без вспомогательных потоков) моделировать посредством одного модуля химического реактора (модуля кинетического реактора, модуля равновесного реактора, модуля стехиометрического реактора и. т.д.);

б) печь моделировать посредством комбинаций стандартных модулей - двух модулей химических реакторов и модуля статического контроллера, при этом для модуля 2 указаны следующие условия:

- стехиометрические данные реакций, протекающих в трубках;

- кинетические данные реакций или данные уравнений температурных зависимостей констант равновесия или конверсии базовых реагентов;

- тепловой режим - задаётся тепловая нагрузка;

для модуля 4 указаны следующие условия:

- стехиометрические данные всех реакций горения горючих веществ, протекающих в межтрубном пространстве;

- конверсии базовых реагентов (горючих веществ), равные 1;

- тепловой режим - изотермический;

- модуль статического контроллера 3 передаёт расчётную тепловую нагрузку модуля 4 модулю 2 (учитывая знак).

в) автотермический реактор моделировать посредством комбинаций стандартных модулей - двух модулей химических реакторов и модуля статического контроллера (рис. 2), при этом для модуля 2 указаны следующие условия:

- стехиометрические данные всех экзотермических реакций;

- кинетические данные реакций или данные уравнений температурных зависимостей констант равновесия или конверсии базовых реагентов для всех экзотерических реакций;

- тепловой режим - изотермический.

Для модуля 4 указаны следующие условия:

- стехиометрические данные всех эндотермических реакций;

- кинетические данные реакций или данные уравнений температурных зависимостей констант равновесия или конверсии базовых реагентов для всех эндотермических реакций;

-тепловой режим - задаётся тепловая нагрузка.

При этом модуль 2 соответствует той части реактора, в которой протекают экзотермические реакции, а модуль 4 - той части реактора, в которой протекают эндотермические реакции. Модуль статического контроллера 3 передаёт расчётную тепловую нагрузку модуля 2 модулю 4.

г) реактор с внешней рубашкой моделировать посредством модуля реактора, модуля теплообменника и модуля статического контроллера (рис. 3), при этом при этом для модуля 2 (данным модулем моделируется основной поток) указаны следующие условия:

- стехиометрические данные всех реакций;

- кинетические данные реакций или данные уравнений температурных зависимостей констант равновесия или конверсии базовых реагентов для всех реакций;

- тепловой режим - изотермический.

Для модуля 4 (данным модулем моделируется вспомогательный поток) указано условие - задаётся тепловая нагрузка. Модуль статического контроллера 3 передаёт расчётную тепловую нагрузку модуля 2 модулю 4.

ФИ31ГЧЕСКИ11 (ПРОМЬ 1Ш.ТЕКНЫ11) АППАРАТ

Основной поток (входной) Вспомогательный

поток (выходной). Основной поток так называемые (входной) дымовые газы

О

КО МЕДИАЦИЯ МОДУЛЕ И, ПОС РЕДС ТБОМ КОТОРЫХ МОДЕЛШЧТТСЯ ПРОЦЕСС Б ФИЗИЧЕСКОМ АППАРАТЕ

Вспомогательный поток (входной) - смесь горючих газов

Основной поток

(выходной)

\

Основной поток

(выходной)

©

I ©

Вспомогательный поток (выходной)

Вспомогательный поток (входной)

Рис. 1. Логико-вычислительная процедура комбинирования

стандартных модулей

Рис. 2. Схема автотермического реактора

Приведённая логико-вычислительная процедура комбинирования стандартных модулей программного комплекса ХЕМКАД для моделирования реакторных процессов реализована при расчете химических производств и проиллюстрирована на примере расчета 4 известных реакторных процессов: получения синтез-газа, синтеза метанола и углеводородов по реакции Фишера - Тропша из синтез-газа, а также гидрокрекинга тяжелых углеводородов [3-4]. Следует отметить, что в данных работах процессы в

279

химических реакторах моделируются посредством задания конверсий базовых реагентов.

Рис. 3. Схема реактора с внешней рубашкой

Для моделирования ректификационных колонн предлагается следующая логико-вычислительная процедура комбинирования стандартных модулей (рис. 4):

а) моделирование ректификационного процесса посредством модуля расчёта ректификации 2:

- определение минимального числа тарелок и флегмового числа, а также требуемого числа тарелок с использованием модуля приближённого расчёта ректификации [5];

Рис. 4. Логико-вычислительная процедура

- определение параметров выходных потоков, а также тепловых нагрузок конденсатора и кипятильника колонны с использованием алгоритмов строгого расчёта ректификации, в частности - «от тарелки к тарелке» и Inside/out [5];

- выбор типа тарелок, определение диаметра колонны и нахождение перепада давления по колонне.

б) Моделирование вспомогательных потоков (потока теплоносителя, подаваемого в куб колонны, потока хладагента, подаваемого в конденсатор колонны), осуществляется посредством модулей теплообменников 3 и 4, при этом модули статических контроллеров 5 и 6 передают расчётные тепловые нагрузки конденсатора и кипятильника от модуля 2 колонны модулям теплообменников 3 и 4.

Указанная логико-вычислительная процедура комбинирования стандартных модулей программного комплекса ХЕМКАД для моделирования ректификационных процессов реализована на примере построения моделей процессов многокомпонентной ректификации смеси жидких углеводородных фракций синтетического жидкого топлива и ректификации смеси метанол-вода с последующим включением данных моделей в модели производств синтетического жидкого топлива и метанола из природного газа [6-7].

Таким образом, логико-вычислительные процедуры разработки компьютерных моделей реакторных и ректификационных процессов рекомендуется использовать при моделировании химических производств, включающих большое число основных и вспомогательных единиц оборудования (больше 50) и рециклических потоков.

Статья выполнена в рамках программы Правительства Москвы «Повышение квалификации специалистов городского хозяйства, отраслевых институтов и инжиниринговых компаний города Москвы по применению компьютерной моделирующей программы CHEMCAD для решения задач проектирования, модернизации и оптимизации ресурсосберегающих и экологических показателей технологических процессов».

Список литературы

1. Писаренко Е.В. Анализ и моделирование гетерогенно-каталитических процессов на примере безрециркуляционного синтеза метанола: дис. ... канд. техн. наук. М.: РХТУ, 2001.

2. Гартман Т.Н., Клушин Д.В. Основы компьютерного моделирования химико-технологических процессов. М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. 415 с.

3., Разработка компьютерной модели многостадийного производства синтетического жидкого топлива из природного газа / Т.Н. Гартман [и др.] // Химическая промышленность сегодня. № 1. 2009. С. 40-50.

4. Гартман Т.Н., Советин Ф.С., Новикова Д.К. Опыт применения программы ХЕМКАД для моделирования реакторных процессов // Теоретические основы химической технологии. 2009. Т. 43. № 6. С. 702-712.

5. Комиссаров Ю.А, Гордеев Л.С, Вент Д.П. Научные основы процессов ректификации; в 2 т. / под ред. Л. А. Серафимова. М.: Химия 2004. 415 с.

6. Гартман Т.Н., Советин Ф.С. Применение пакетов программ ХЕМКАД для моделирования процессов многокомпонентной ректификации в тарельчатых колоннах при получении синтетического жидкого топлива // Химическая техника. 2010. № 2. С. 36-38.

7. Гартман Т.Н., Советин Ф.С. Компьютерное моделирование технологического узла ректификации производства метанола с применением пакетов программ ХЕМКАД // Химическая техника. № 4. 2010. С. 12-14.

F.S. Sovetin, T.N. Gartman

LOGICAL-CALCULATINGLY PROCEDURES OF DEVELOPMENT OF BLOCK COMPUTER MODELS OF REACTORS & RECTIFICATION PROCESSES

Logical-calculatingly procedures of development of block computer models of reactors & rectification processes by combination standard modules of simulator CHEMCAD are suggested.

Key words: development, simulator, module, combination.

Получено 16.09.11

УДК 519.95

Г.Н. Никитина, соискатель (4872)350219, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)

АНАЛИЗ СЕТЕЙ ПЕТРИ - МАРКОВА В КОНЦЕПЦИИ РАБОТЫ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

Проведен анализ взаимодействия процессов в системах на основе работы сетей Петри - Маркова с целью определения оптимальных критериев релевантности информационного поиска. Определены качественный и количественный параметры для оценки полученной информации, коэффициент эффективности запроса, а также временные и вероятностные характеристики поискового процесса.

Ключевые слова: сеть Петри - Маркова, система критериев, релевантность информации, цикл поиска, эффективность запроса, временной интервал.

Вследствие быстрого развития средств вычислительной техники и передачи данных проектирование систем распределенной информации