CC BY
13
Попов А. А. Popov A. A.
кандидат технических наук, доцент кафедры системного анализа и исследования операций, ФГБОУВО «Сибирский государственный университет науки и технологий имени академикаМ.Ф. Решетнева», г. Красноярск, Российская Федерация
Овсянкин А. К. Ovsyankin А. К.
магистрант кафедры информационно-управляющих систем, ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева», г. Красноярск, Российская Федерация
УДК 004 DOI: 10.17122/1999-5458-2020-16-2-73-78
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВА ДЛЯ РАСЧЕТА РЕКТИФИКАЦОННОЙ УСТАНОВКИ
Решается задача автоматизации и повышения эффективности расчетов параметров ректификационной колонны для нужд химического производства.
Ректификация — это один из самых трудоемких химико-технологических процессов, отвечающих за разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, которые отличаются температурами кипения, путем многократных испарений жидкости и конденсации паров. Возможность разделения жидкой смеси на составляющие её компоненты ректификацией обусловлена тем, что состав пара, образующегося над жидкой смесью, отличается от состава жидкой смеси в условиях равновесного состояния пара и жидкости. Для того чтобы выбрать наиболее оптимальные условия работы ректификационной установки, необходимо учитывать температуру, расход тепла и давление теплоносителей — охлаждающей воды и греющего пара, а также требуемые размеры колонны и соединенных с ней тепло-обменных аппаратов. Все эти факторы взаимосвязаны и зависят, в частности, от температуры и агрегатного состояния подаваемой на разделение смеси.
При расчете процессов ректификации составы жидкостей обычно задаются в массовых долях, при практическом расчете удобнее пользоваться составами жидкостей и пара, которые выражены в мольных долях или процентах. Разрабатываемое программное средство позволит автоматизировать расчет ректификационных установок, что позволит повысить точность вычислений, увеличить скорость расчетов и минимизировать трудозатраты.
Поэтому большое внимание уделяется исследованию и анализу работы ректификационных колонн, совершенствованию методик их расчета.
В работе представлены основные аспекты проектного решения — физическая модель базы данных справочников смесей, диаграмма деятельности процесса расчета по ряду стандартных формул, а также программная реализация с описанием принципов работы.
Созданное в результате реализации проекта программное средство будет использоваться непосредственно технологами, химиками, преподавателями.
Ключевые слова: ректификация, ректификационная установка, ректификационная колонна, высококипящий компонент, низкокипящий компонент.
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 16, 2020
SOFTWARE DEVELOPMENT FOR CALCULATION OF RECTIFICATION INSTALLATION
The problem of automation and increasing the efficiency of calculating the parameters of the distillation column for the needs of chemical production is being solved.
Rectification is one of the most time-consuming chemical-technological processes responsible for the separation of liquid mixtures into practically pure components, which differ in boiling points, by repeated evaporation of the liquid and vapor condensation. The possibility of separation of the liquid mixture into its constituent components by distillation is due to the fact that the composition of the vapor formed above the liquid mixture differs from the composition of the liquid mixture under the equilibrium state of steam and liquid. In order to select the most optimal conditions for the operation of a distillation unit, it is necessary to take into account the temperature, heat consumption and pressure of the coolants - cooling water and heating steam, as well as the required dimensions of the column and heat exchangers connected to it. All these factors are interrelated and depend, in particular, on the temperature and state of aggregation of the mixture supplied for separation.
When calculating the processes of rectification, the compositions of liquids are usually given in mass fractions; in practical calculations, it is more convenient to use the compositions of liquids and steam, which are expressed in molar fractions or percent. The developed software tool will automate the calculation of distillation plants, which will improve the accuracy of calculations, increase the speed of calculations and minimize labor costs.
Therefore, much attention is paid to the study and analysis of the operation of distillation columns, improving the methods of their calculation.
The paper presents the main aspects of the design solution - the physical model of the database of reference books of mixtures, a diagram of the activity of the calculation process according to a number of standard formulas, as well as a software implementation with a description of the principles of work.
The software created as a result of the project will be used directly by technologists, chemists and lectures.
Key words: distillation, distillation unit, distillation column, high boiling component, low boiling component.
Введение ства. Для преодоления обозначенных труд-
Развитие информационных систем, созда- ностей предлагается разработка программ-ние новых информационных технологий ного средства для автоматизации расчета приводит к возникновению и росту инфор- ректификационной установки. мационных компонентов во всех сферах Актуальность данной темы заключается в жизни общества: в производстве, науке, том, что данные расчеты параметров ректи-образовании, медицине. Исключением не фикационных установок актуальны для тех-стала и химическая отрасль. По всему миру нологов, инженеров и химиков в решении проводится совершенствование химических повторяющихся типовых задач. и нефтяных производств, направленных на Проектирование системы повышение качества выпускаемой продук- Справочные данные для осуществления ции. Во многих таких производствах требу- расчёта ректификационной установки: для ется разделение жидкостей с использованием каждого компонента смеси необходимо зане-ректификационных установок. Возникает сти в базу данных сведения о вязкости, плот-необходимость совершенствования расчетов ности, температуре плавления, поверхност-параметров ректификационных установок, ном натяжении, коэффициентах диффузии, которые необходимы технологам, инженерам мольной массе, давлении насыщенного пара, и химикам. удельной теплоте парообразования веществ,
Все это делает необходимым создание входящих в смесь при различных температу-программного средства для автоматизации рах, равновесных составах смеси. расчета параметров ректификационной Входными данными являются: наимено-колонны для нужд химического производ- вание смеси, производительность уста-
74 -
Electrical and data processing facilities and systems. № 2, v. 16, 2020
новки, состав исходной смеси по низкоки-пящему компоненту, состав остатка по низ-кокипящему компоненту, состав дистиллята по низкокипящему компоненту, ввод поправочного коэффициента для учета увеличения и сужения потока жидкости в результате сжатия его стенками при подходе к сливной перегородке [1-4].
Чтобы провести непосредственно сам расчет с использованием справочной и входящей информацией, необходимо выделить основные этапы расчета:
• расчёт необходимых концентраций исходной смеси;
• расчёт материального баланса процесса ректификации;
• расчёт флегмового числа;
• расчёт объемного расхода пара;
• расчёт высоты и диаметра колонны;
• расчёт гидравлических режимов колонны;
• тепловой расчет ректификационной колонны;
• расчёт тепловой изоляции колонны.
Для повышения качества и скорости разработки были учтены базовые принципы программной инженерии [5]. Решалась задача создания базы данных справочников смесей. Физическая модель базы данных справочников представлена на рисунке 1.
Для того, чтобы структурировать весь алгоритм работы, была спроектирована диаграмма деятельности всего процесса расчета
Dinam_koef_vyazk
Poverx natyaj
(рисунок 2). Каждый блок рассчитывается по определенному сценарию согласно теории расчета ректификационных установок, на основе входных данных [6].
Настройка данного программного обеспечения будет ограничиваться его установкой на персональный компьютер. Визуальной частью данного программного обеспечения будет являться совокупность форм, облегчающих ввод и восприятие информации.
Программная реализация
При разработке программного средства учитывались все требования заказчика. Для удобства использования системы был разработан классический интерфейс, применена общепринятая цветовая гамма (рисунок 3) [7, 8].
При первом запуске кнопки «Справочники» и «Рассчитать» будут недоступны, необходимо подключить базу, по умолчанию открывается окно с папкой программы, выбираем в Microsoft Access. Далее в главном окне программы выбираем нужную нам смесь, вводим исходные данные, нажимаем кнопку «Рассчитать» (рисунок 3). Для редактирования Справочников нажимаем выбираем вкладку «Справочники» (рисунок 3).
После нажатия кнопки «Рассчитать» появляется окно с основными результатами расчета, для вывода расчета в Word нажимаем «Вывести расчет в Microsoft Word» (рисунок 4).
ID Din koef: INTEGER
ID_Vechestva: INTEGER Temperatyra: DOUBLE Koef_vyazk: DOUBLE
ID_Poverx_natyaj: INTEGER
ID_Veschestva: INTEGER Temperatyra: DOUBLE Poverx_natyaj: DOUBLE
Fiz svoistva
ID Fiz Svoistvo: INTEGER
Ydeln_teplota_par
ID_Udel_teplota: INTEGER
ID_Vechestva: INTEGER Temperatyra: DOUBLE Teplota: DOUBLE
Vechestva
Г
ID Vechestva: INTEGER
Vechestvo: VARCHARQ
I
ID_Vechestva: INTEGER Molnaya_massa: DOUBLE Plotnost: DOUBLE Temperatyra_kipen: DOUBLE > Davlenie_para: DOUBLE Temperatyra_plav: DOUBLE Koeffiz_dif_vod: DOUBLE Koef dif vozd: DOUBLE
Smesi
ID smesi: INTEGER
ID Veschestva: INTEGER
L
Pk>t_jidkix_veches
Ravnov sostav jidk
ID Plotnosti: INTEGER
ID_Vechestva: INTEGER Temperatyra: DOUBLE Plotnost: DOUBLE
ID ravnov sost: INTEGER
ID_smesi: INTEGER Temperatyra: DOUBLE mol_Jidkost: DOUBLE mol Par: DOUBLE
Рисунок 1. Физическая модель базы данных справочников
- 75
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 16, 2020
с
Концентрация исходной смеси _■ ^ Концентрация дистиллята
S
Материальный баланс ^ -._; Концентрация кубового остатка
.. . ♦ ,_,_
Минимлаьное флегмовое числа *_^ Флегмовое число
Средняя плотность жидкости _Средние температуры жидкости
Средняя молекулярная масса ___^ Объем расхода пара
А.
Диаметр колонны ^ Ч_■•' Расстояние между тарелками
Скорость лара в колонне _______ Коэффициент диффузии
Коэффициент массотдачи ж.____Критерий Рейнольда
Коэффициент вязкости _\_Критерий Пранделя
- *-
Высота колонны ^__Количество тарепок
Нагткэпвмцюии Л__Спорость открытия прорюй
т
Площадь сечения прорезей
Сопротивление сухой тарелки Эквивалентный диаметр
Ж
Высота уровня жидкости ^ ^_Сопротивление сил поерхностного N
' натяжения J
Общее сопротивление тарелки _Ч_Сопротивление всей тарельчатой части
Тепловые гютерн ______Теплоемкости смесей
Поверхность изоляции колонны Ч,_расход тепла
______V
Расход воды . . ,___ Расход греющего пара
Толщина изоляции , < Вывод диаметра, высоты, скорости пара в
колонне, флегмовое число и число га релин.
3
Рисунок 2. Диаграмма деятельности процесса расчета
JÈ Расчет ректификацио...
Справочники Подключено к базе
!
Смеси вещества
Уксусная. кислота{100%) - Вода Произвол ителзность установки:
10J_
Поправочный коэффициент: 11,03
Состав исходной oieai па низкаютящему
конпоиенту (% ноль): о,9 5
Состав дестилята по нижокипяцему
континенту (% ноль): 0( 18
Состав остатка по низюокипящену компоненту (% ноль); 0,05
Расчет осуществляется исходя из следукхдих параиетроо;
Давление в колонне: атмосферное
Тип колонны: колпачкоеые тарегки
Расчет ректификационной установки
_ п
При расчете были получены следующие данные;
Диаметр колонны (мм): 2000
Высота колонны (м): 1б15
Флегмовое число: 5,61
Скорость пара в колонне (м/с): 4,602
Число тарелок всего: 30
Вывести расчет в Microsoft Wocd
Рисунок 3. Главное окно с подключенной БД Рисунок 4. Окно вывода основных параметров расчета
76 -
Electrical and data processing facilities and systems. № 2, v. 16, 2020
Выводы
Разработанное программное средство реализует функции технологических расчетов: расчет необходимой концентраций исходной смеси, дистиллята и кубового остатка; определение материального баланса процесса ректификации; выполнение расчёта флегмового числа; определение объемного расхода пара; выполнение расчета диаметра колонны; выполнение расчета высоты колонны; выполнение гидравлического расчета колонны; выполнение теплового расчета колонны; выполнение расчёта тепловой изоляции колонны.
Расчёт производится по ряду стандартных формул. Эти формулы включают в себя боль-
Список литературы
1. Брауде Э.Дж. Технология разработки программного обеспечения. СПб.: Питер, 2004. 682 с.
2. Зубарева Н.М., Баринова Т.Н. Информатика в химии: Часть 2. Язык программирования PASCAL: учебное пособие по изучению дисциплины «Информатика» и выполнению расчетно-графической работы для студентов спецтальностей 251100, 320700, 250600, 250100 всех форм обучения. Красноярск: СибГТУ, 2005. 157 с.
3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химических технологий: учеб. пособие для вузов. М.: ООО ТИД «Альянс», 2006. 576 с.
4. Ченцова Л.И., Левина Б.Д. Массо-обменные процессы: учеб. пособие по курсу «Процессы и аппараты химических производств». Красноярск: СибГТУ, 2004. Ч. 2. 237 с.
5. Глушаков С.В. Базы данных. Санкт-Петербург: ООО «Издательство АСТ», 2002. 504 с.
6. Горбачев И.В. CASE-технология моделирования процессов с использованием средств BPWin и ERWin. Санкт-Петербург: Нигма, 2005. 56 с.
7. Марка Д.А., Мак Гоуэн К. Методология структурного анализа и проектирования. М.: Метатехнология, 1993. 296 с.
8. Орлов С.А., Цилькер Б.Я. Технологии разработки программного обеспечения. Современный курс по программной инженерии. Санкт-Петербург: Питер, 2012. 608 с.
шое количество различных параметров и справочных данных.
Преимуществами данной системы являются:
• простота использования;
• наглядность представления данных;
• возможность проведения дополнительных вычислений;
• возможность проверки данных.
Постоянный автоматизированный процесс расчета позволит технологу увеличить скорость выполнения повторяющихся задач, повысить качество работы.
References
1. Braude E.Dzh. Tekhnologiya razrabotki programmnogo obespecheniya [Software Engineering Technology]. Saint Petersburg, Piter Publ., 2004. 682 p. [in Russian].
2. Zubareva N.M., Barinova T.N. Infor-matika v khimii: Chast' 2. Yazyk program-mirovaniya PASCAL: uchebnoe posobie po izucheniyu distsipliny «Informatika» i vypol-neniyu raschetno-graficheskoi raboty dlya studentov spetstal'nostei 251100, 320700, 250600, 250100 vsekh form obucheniya [Informatics in Chemistry: Part 2. PASCAL Programming Language: a Training Manual for the Study of the Discipline «Informatics» and the Execution of Computational and Graphic Work for Students of Specialties 251100, 320700, 250600, 250100 of All Forms of Training]. Krasnoyarsk, SibGTU, 2005. 157 p. [in Russian].
3. Pavlov K.F., Romankov P.G., Nos-kov A.A. Primery i zadachipo kursu protsessov i apparatov khimicheskikh tekhnologii: ucheb. posobie dlya vuzov [Examples and Tasks on the Course of Processes and Apparatuses of Chemical Technologies: Textbook for Universities]. Moscow, OOO TID «Allans», 2006. 576 p. [in Russian].
4. Chentsova L.I., Levina B.D. Masso-obmennye protsessy: ucheb. posobie po kursu «Protsessy i apparaty khimicheskikh proiz-vodstv» [Mass Transfer Processes: A Manual on the Course «Processes and Devices of Chemical Production»]. Krasnoyarsk, SibGTU, 2004. Ch. 2. 237 p. [in Russian].
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 16, 2020
5. Glushakov S.V. Bazy dannykh [Databases]. Saint Petersburg, OOO «Izdatel'stvo AST», 2002. 504 p. [in Russian].
6. Gorbachev I.V. CASE-tekhnologiya modelirovaniya protsessov s ispol'zovaniem sredstv BPWin i ERWin [CASE-Technology for Modeling Processes Using BPWin and ERWin]. Saint Petersburg, Nigma Publ., 2005. 56 p. [in Russian].
7. Marka D.A., Mak Gouen K. Metodo-logiya strukturnogo analiza i proektirovaniya
[Methodology of Structural Analysis and Design]. Moscow, Metatekhnologiya Publ., 1993. 296 p. [in Russian].
8. Orlov S.A., Tsil'ker B.Ya. Tekhnologii razrabotki programmnogo obespecheniya. Sovremennyi kurs po programmnoi inzhenerii [Software Development Technology. Modern Course in Software Engineering]. Saint Petersburg, Piter Publ., 2012. 608 p. [in Russian].
Electrical and data processing facilities and systems. № 2, v. 16, 2020
