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
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 [1] 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 задача 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 охвачены доступными реальными данными. Модели также допускают интерполяцию и экстраполяцию - в определенных пределах - и позволяют искать условия за пределами диапазона известных свойств.
Моделирование
Разработка моделей [2] для лучшего представления реальных процессов является ядром дальнейшего развития программного обеспечения для моделирования. Разработка модели 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 .
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:
- Простые уравнения и корреляции, где параметры соответствуют экспериментальным данным.
- 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 [3] [4] или, если данные не являются общедоступными, 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. [5] [6]
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 математически сложнее, 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
- ^ Rhodes CL, «Революция в моделировании процессов: потребности и проблемы теплофизических свойств», J.Chem.Eng.Data, 41, 947-950, 1996
- ^ Гани Р., Пистикопулос EN, «Моделирование свойств и моделирование для проектирования продуктов и процессов», Fluid Phase Equilib., 194-197, 43-59, 2002
- ^ Марш К., Сатиро М.А., «Интеграция баз данных и их влияние на моделирование и проектирование процессов», Конференция, Лейк-Тахо, США, 1994, 1-14, 1994
- ^ Wadsley МВт, «термохимическая и теплофизические Базы данных недвижимости Вычислительных химических процессов моделирования», конференция, Корея, Сеул, 30 августа - 2 сентября 1998, 253-256, 1998
- ^ 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
- ^ Малья Дж. Ю, Зитни С. Е., Чоудхари С., Стадтерр М. А., «Параллельная фронтальная решающая программа для моделирования и оптимизации крупномасштабных процессов», AIChE J., 43 (4), 1032-1040, 1997
- ^ "ASL: Моделирование физического осаждения из паровой фазы" .