Автоматизация химико-технологических расчетов

АВТОМАТИЗАЦИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ

И.А.Золотарский

Институт катализа им. Г.К.Борескова, г.Новосибирск

Для повышения эффективности работы, модернизации действующих производств и при разработке новых процессов в газовой, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и фармацевтической промышленности все большее применение находит применение автоматизированных расчетов с применением информационно-вычислительных комплексов (ИВК). В настоящее время существует целый ряд ИВК для расчета технологических процессов. Наиболее известные зарубежные ИВК – Хайсис, Аспен, ПРО-II, Хемкад. Из отечественных ИВК неспециального назначения известен пакет САТРАПиС. В Институте катализа им. Г.К.Борескова разработан первый отечественный ИВК общего назначения, работающий в среде WINDOWS, - ФЛОКАС. В состав ФЛОКАСа входят:

Ø  банк данных по физико-химическим свойствам индивидуальных компонентов и его программное обеспечение;

Ø  банк данных по параметрам бинарного взаимодействия для наиболее популярных уравнений состояния и регулярных растворов – всего 13 типов уравнений;

Ø  банк моделей основных аппаратов химической технологии  и программ для их расчета;

Ø  интерфейс для создания базы задачи конкретного производства, расчета свойств смеси, термодинамических расчетов.

Основные аппараты химической технологии, модули расчета которых содержатся во ФЛОКАСе, подразделяются на следующие типы:

Ø  побудители расхода (насосы, компрессоры, вентиляторы, дроссели, турбодетандеры и т.п.);

Ø  смесители;

Ø  делители (паро-жидкостной сепаратор, ректификационные колонны простые и гетероазеотропные, абсорбер, флорентийский сосуд, трехфазный сепаратор и т.п.);

Ø  теплообменники (кожухотрубные, оросительные, нагревательные печи, воздушные холодильники и др.);

Ø  реактора (линейный, равновесный, трубчатый реактор с радиальным переносом, реактор с трубками Фильда и др.).

Кроме приведенных выше, во ФЛОКАСе имеются модули расчета более сложных аппаратов, таких как печь конверсии природного газа, реактора синтеза аммиака и метанола, хемосорбер (например для расчета аминной очистки от СО₂ или абсорбции NO₂ с получением азотной кислоты) и др. Архитектура ФЛОКАСа позволяет легко добавлять новые программы расчета аппаратов, созданные пользователем. Дружественный интерфейс позволяет формировать химико-технологическую схему в графическом режиме (см. Рис.1) и выводить результаты расчета в удобном для использования формате.

Рисунок 1.

Для чего может использоваться ФЛОКАС? Инженеру химику-технологу, работающему в научно-исследовательском институте, ФЛОКАС позволяет:

а) подготовить исходные данные для проектирования технологических процессов на основе физико-химической информации;

б) получить необходимые данные по физической химии процесса на основе экспериментального материала.

Инженеру химику-технологу, работающему в проектной организации, ФЛОКАС дает возможность:

а)  выполнить экспертизу исходных данных на их непротиворечивость, достоверность и полноту;

б) выполнить расчеты материальных и тепловых балансов технологических схем применительно к целям конкретного производства.

Инженеру химику-технологу, работающему на промышленном предприятии, ФЛОКАС дает возможность:

 а) оценить состояние неизмеряемых параметров по объективным характеристикам действующего производства;

б) выбрать наиболее рациональный режим эксплуатации процесса при изменении состава сырья и других технологических параметров.

Если полезность использования ИВК в ВУЗах, научно-исследовательских и проектно-конструкторских организациях в специальных комментариях не нуждается, то методологию их эксплуатации на действующем промышленном предприятии, непосредственно в цехе следует рассмотреть подробнее. Прежде всего, ясно, что все возможности комплекса для конкретного производства избыточны. Рабочие потоки обычно состоят максимум из 20-30 компонентов; технологическая схема установки составляется из аппаратов 10-15 разновидностей. Поэтому для цеха более интересным представляется своего рода экстракт из всего ИВК, отражающий основные особенности производства.

У разработчиков ФЛОКАСА накопился большой положительный опыт его использования для создания автоматизированного рабочего места технолога цеха (АРМ-ХТ. АРМ-ХТ создается в несколько этапов. Сначала изучается корректность воспроизведения комплексом литературных и экспериментальных данных по теплофизическим свойствам важнейших потоков производства. Наиболее критичными из этих свойств являются температура кипения и точка росы среды. ФЛОКАС предоставляют пользователю возможность выбора метода учета неидеальности смеси – необходимо найти самый корректный из предполагаемых, а при возможности и необходимости откорректировать численные значения параметров бинарного взаимодействия. Аналогично исследуется воспроизводимость физико-химических данных: тепловые эффекты реакций, равновесные системы при различных наборах реакций и тому подобное. Метод учета неидеальности и в этом случае играет существенное значение.

На втором этапе создается компьютерная технологическая схема производства из элементов, предлагаемых ФЛОКАСом. Здесь также возникает множество творческих моментов. Обычно один и тот же аппарат может быть рассчитан по различным моделям. Так, наиболее распространенный в химической технологии  кожухотрубный теплообменник рассчитывается:

        а) по простейшей модели, когда заданы оба входных потока и выходная температура одного из них. При этом определяется количество обмениваемого тепла и температура второго потока на выходе. Это тепловой режим расчета, не требующий знания конструкции теплообменника;