close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

mu ctscalc 2015

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ТЕХНОЛОГИИ И ДИЗАЙНА»
Автоматизированные расчеты
химико-технологических систем
Интегральные и декомпозиционные методы
Методические указания к лабораторным занятиям и самостоятельной работе
для студентов всех форм обучения по направлению подготовки бакалавриата
18.03.02 (241000.62) – Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической
технологии, нефтехимии и биотехнологии
Составители:
Н. Ю. Бусыгин
И. В. Багров
Санкт-Петербург
2015
Утверждено
на заседании кафедры
25.03.2015 г., протокол № 5
Рецензент Н. В. Дроботун
Методические указания составлены в помощь студентам, выполняющим материальные расчеты сложных химико-технологических систем
(ХТС) на лабораторных занятиях или самостоятельно в рамках изучения
дисциплины «Автоматизированные расчеты химико-технологических систем». Рассмотрены принципы составления системы уравнений в интегральных методах и этапы структурного анализа ХТС в декомпозиционных.
Предназначены для студентов бакалавриата очной и очно-заочной
форм обучения по направлению подготовки 18.03.02 (241000.62) – Энергои ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и
биотехнологии.
Оригинал-макет подготовлен составителями
Подписано в печать 08.06.2015 г. Формат 60х84 1/16.
Усл. печ. л. 2,73. Тираж 100 экз. Заказ 548/15.
Электронный адрес: http://publish.sutd.ru
Отпечатано в типографии ФГБОУВПО «СПГУТД»
191028, С.-Петербург, ул. Моховая, 26
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1. Математическое моделирование и расчет сложных ХТС . . . . . . . . . . . 5
2. Постановка задачи и методы расчета ХТС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
3. Матричный (безытерационный) метод расчета ХТС. . . . . . . . . . . . . 7
4. Декомпозиционный метод расчета сложных ХТС . . . . . . . . . . . . . . 12
5. Расчет ХТС с помощью моделирующей программы . . . . . . . . . . . . 21
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Приложение А. Варианты индивидуальных учебных заданий
для расчета материальных потоков в сложных ХТС. . . . . . . . . . . . . . . 39
3
Введение
Дисциплина
«Автоматизированные
расчеты
химикотехнологических систем» направлена на изучение математического, информационного и программного обеспечения компьютерных
технологических расчетов. В рамках дисциплины рассматриваются как расчет параметров технологических потоков химикотехнологических систем (ХТС) сложной структуры, так и моделирование элементов ХТС.
Первый учебный модуль «Математическое моделирование
сложных химико-технологических систем» является базовым и
посвящен рассмотрению интегральных и декомпозиционных подходов к расчету ХТС. Кроме аудиторных занятий по темам модуля
рабочая программа дисциплины предполагает значительную по
объему самостоятельную работу студентов ввиду необходимости
выполнения достаточно трудоемких подготовительных процедур
перед расчетом ХТС на компьютерах, например, выполнение
структурного анализа технологических схем для определения последовательности расчета аппаратов в декомпозиционных методах
или формирование системы уравнений расчета ХТС и приведение
ее к стандартному виду в интегральных методах. Все расчеты
проводятся по индивидуальным заданиям, примеры которых приведены в приложении.
В качестве инструмента решения предлагается использовать
в основном математическую среду Mathcad, которая может быть
установлена с сайта разработчика и даже после истечения пробного периода эксплуатации обладает достаточной функциональностью. Выбор Mathcad в качестве средства решения математических задач определяется его широкими возможностями (наличие
элементов программирования, развитый аппарат работы с матрицами, выполнение операций в символьной форме и др.) и наглядностью записи выражений, приближенной к обычному математическому виду.
Рассматриваемые методы могут быть реализованы и в общедоступных электронных таблицах, например, в Microsoft Excel, а
также в специализированной моделирующей программе, что отражено в настоящих методических указаниях.
4
1. Математическое моделирование и расчет сложных ХТС
Объектами математического моделирования могут быть как
отдельные явления, процессы или аппараты, так и химикотехнологические системы (ХТС) в целом. При этом рассматриваются статические модели, описывающие установившиеся режимы,
и динамические, пригодные для изучения переходных процессов.
Возможны две различных постановки задачи расчета ХТС.
В первом случае полагаются известными параметры входных
потоков (сырье и вспомогательные вещества), заданными параметры выходных потоков (продукты производства), а определяемыми
являются конструктивные характеристики оборудования, обеспечивающего заданный конечный результат. Таким образом, речь
идет о проектном расчете, реализация которого рассматривается,
например, в дисциплинах «Процессы и аппараты химических технологий», «Процессы и аппараты защиты окружающей среды»,
«Техника и технология защиты окружающей среды» и других. В
более общей постановке задачи проектируемой является и структура технологической схемы, тогда говорят о задаче синтеза ХТС.
Во втором случае полагаются известными параметры входных потоков, структура схемы и конструктивные параметры всех
элементов схемы, а определяемыми являются параметры выходных и промежуточных потоков. В этом случае речь идет о поверочном расчете, когда исследуется вопрос, обеспечит ли конкретная технологическая схема требуемые характеристики конечных продуктов. Подобные задачи можно отнести к задачам анализа ХТС. Постановка задача расчета одного элемента схемы формулируется следующим образом: определить параметры всех выходных потоков при известных параметрах входных потоков и заданной конструкции данного элемента.
В этой главе будем рассматривать именно задачи анализа
технологических схем.
2. Постановка задачи и методы расчета ХТС
Основная задача расчета ХТС – нахождение параметров состояния выходных и промежуточных потоков технологической
схемы: общих и покомпонентных расходов, составов потоков,
5
температур и энтальпий [1]. При этом полагаются известными или
заданными параметры входных потоков, а также конструктивные
характеристики аппаратов и узлов.
Методы решения этой задачи можно разделить на две группы – интегральные и декомпозиционные.
Суть интегральных методов расчета ХТС заключается в
объединении систем уравнений, описывающих работу отдельных
аппаратов, в одну большую систему уравнений и решении этой
системы. Очевидно, что в этом случае следует стремиться использовать математические зависимости одного типа, например, только алгебраические (например, балансовые соотношения) или
только дифференциальные уравнения (моделирование переходных процессов).
К недостаткам этой группы методов следует отнести большую размерность единой системы уравнений и уникальность
каждой системы уравнений, соответствующей специфике рассчитываемой ХТС.
Первый недостаток обусловлен тем, что в реальную ХТС входит много аппаратов, каждый из которых описывается сравнительно небольшой системой уравнений. Однако суммарная размерность
единой системы уравнений получается настолько большой, что получившуюся систему не всегда удается решить на ЭВМ. Кроме того, размерность системы пропорциональна параметричности потоков – числу параметров, характеризующих поток.
Второй недостаток – неповторимость системы уравнений –
вызывает необходимость при решении задачи на ЭВМ или составлять каждый раз заново программу вычислений, или проводить
вручную большую подготовительную работу. При этом достаточно сложно автоматизировать решение задачи на ЭВМ.
Суть декомпозиционных методов расчета заключается в том,
что каждый аппарат или группу аппаратов рассчитывают отдельно, а расчет всей ХТС состоит из последовательности расчетов отдельных аппаратов. В этом случае размерность каждой системы
уравнений небольшая, так как рассчитывается только один элемент схемы. Кроме того, типов аппаратов сравнительно немного,
и можно заранее составить программы расчета типовых аппаратов
и из этих программных модулей скомпоновать программу расчета
ХТС в целом, т. е. автоматизировать процесс расчета.
6
Автоматизированные системы технологических расчетов и
моделирующие программы для расчета сложных ХТС базируются
в основном на декомпозиционных.
3. Матричный (безытерационный) метод расчета ХТС
В некоторых практических случаях математическое описание отдельного аппарата может быть линейно по форме или сведено к линейному (линеаризовано) в ограниченном диапазоне изменения входных и выходных параметров. Тогда математическая
модель аппарата в матричной форме имеет вид
Y   A X ,
(1)
где [A] – матрица преобразования, или операционная матрица,
элементы которой соответствуют коэффициентам функциональной связи между элементами векторов входных (x1, x2, ... , xm) и
выходных (y1, y2, ... , yn) переменных данного аппарата. Элементами матрицы преобразования [A] могут быть коэффициенты разделения, степень превращения, выход целевого продукта, к. п. д.,
степень абсорбции и другие, а также коэффициенты линейной регрессии [1]. Совокупность систем линейных уравнений вида (1)
для всех элементов ХТС дает общее математическое описание
схемы и представляет собой тоже систему линейных алгебраических уравнений, которая может быть решена соответствующим
численным методом.
Изучая подходы к расчету ХТС, примем, что параметричность потоков равна единице, и единственным определяемым параметром является массовый расход вещества G.
Рассмотрим в качестве примера расчет расходов материальных потоков в замкнутой ХТС (рис. 1) при следующих условиях:
расход сырья на входе G01 = 10000 кг/ч, некоторые связи между
потоками выражаются линейными соотношениями
G13 = 0,4G01; G23 = 0,5(G42+G12 );
G35 = 0,1(G23+G13 ); G45 = 0,6(G24+G34+G64 );
G65 = 0,3G56; G67 = 0,5G56; G57 = 0,7(G45+G65+G35).
Здесь и далее расход потока G маркируется двумя индексами
– первый соответствует номеру аппарата, из которого поток вышел, а второй – номеру аппарата, в который поток поступил. Цифрой «0» обозначена внешняя среда.
7
Рис. 1
Исходя из постановки задачи расчета ХТС, требуется рассчитать расходы выходного (G70) и всех промежуточных потоков
(G12, G13, G23, G24, G34, G35, G42, G45, G56, G57, G65, G64, G67), т. е.
14 неизвестных величин.
Заданные уравнения связи между параметрами входных и
выходных потоков аппаратов имеют линейную форму. Если записать уравнения материального баланса для каждого аппарата и
дополнить их приведенными выше уравнениями связи, то получим замкнутую (число неизвестных расходов будет равно числу
уравнений) систему линейных алгебраических уравнений:
G01 = G12+ G13;
G12+G42 = G23+G24;
G23+ G13 = G34+G35;
G24+G34+G64= G42+G45;
G45 +G35 +G65 = G56+G57;
G56 = G67+G64+G65;
G70 = G67+G57;
(2)
G13 = 0,4G01;
G23 = 0,5(G42+G12);
G35 = 0,1( G23 + G13 );
G45 = 0,6(G24+G34+G64);
G65= 0,3G56;
G67= 0,5G56;
G57 = 0,7(G45+G65+G35).
Для решения системы типовыми численными методами ее
следует привести к стандартному для систем линейных алгебраических уравнений виду
8
a11x1 + a12x2 +...+ a1nxn = b1;
a21x1 + a22x2 +...+ a2nxn = b2;
.........................
an1x1 + an2x2 +...+ annxn = bn.
(3)
Здесь n – число уравнений и аргументов; xj – аргументы системы уравнений, в качестве которых в уравнениях (2) рассматриваются неизвестные расходы; aij – числовые коэффициенты системы линейных уравнений; bi – свободные члены, не содержащие
неизвестных параметров.
В каждом уравнении должны быть представлены все аргументы в строго одинаковой последовательности. Если аргумент не
входит в уравнение, то, следовательно, коэффициент при этом аргументе равен нулю.
Для приведения системы уравнений к стандартному виду перенесем слагаемые, содержащие неизвестные расходы налево, а
остальные слагаемые – направо. Если принять последовательность
аргументов такой, как перечислено выше, то после преобразования первое уравнение примет вид
0·G70 +1·G12 +1·G13 +0·G23 +0·G24 +0·G34 +0·G35 +0·G42 +
+0·G45 +0·G56 +0·G57 +0·G65 +0·G64 +0·G67= G01.
В этом уравнении нулевыми являются все коэффициенты,
кроме a12 и a13, которые равны единице; свободный член b1 = G01.
Удобно результат преобразования системы (2) к стандартному виду (3) представлять в табличной (матричной) форме. Пусть
номер строки соответствует порядковому номеру уравнения, а
номер столбца – номеру аргумента (для наглядности сверху указаны сами аргументы), тогда матрица коэффициентов при неизвестных расходах а и вектор правых частей (свободных членов b)
примет вид, приведенный в табл. 1.
Решение системы линейных алгебраических уравнений в
Mathcad может быть выполнено в матричной форме X  a 1b . Значения элементов матриц a и b можно задать непосредственно на
рабочем листе Mathcad или предварительно поместить в отдельные
текстовые файлы или файлы MS Excel, а затем ввести данные из
файлов (листинг 1)
9
10
Т а б л и ц а 1 . Коэффициенты системы линейных алгебраических уравнений и свободные члены
Листинг 1
В приведенном примере рассмотрен простейший случай расчета небольшой ХТС, причем каждый поток характеризовался
единственным параметром – расходом вещества. Но даже в этом
случае размерность системы уравнений в 2 раза превысила число
аппаратов. Учет многопараметричности технологических потоков
(расход и покомпонентный состав, температура, давление и пр.),
увеличение числа аппаратов в схемах резко повышают размерность системы уравнений математического описания ХТС и ограничивают применимость безытерационного метода расчета.
4. Декомпозиционный метод расчета сложных ХТС
При декомпозиционном методе расчета основной задачей
является определение последовательности расчета аппаратов.
Если для разомкнутых ХТС задача решается достаточно
просто, то для определения последовательности расчета элементов замкнутой ХТС следует провести структурный анализ схемы.
Во всех случаях формальные подходы к определению последовательности расчета базируются на представлении структуры
ХТС в виде графов и таблиц.
Графически ХТС изображают в виде ориентированного
графа, вершины которого соответствуют аппаратам, а дуги – потокам. Последовательность сцепленных дуг, позволяющая пройти от одной вершины к другой, называется путем. Путь можно
обозначить последовательностью вершин: 1–2–4–3 или 1, 2, 4, 3.
На рис. 2 представлена структура разомкнутой ХТС (а) и ее
граф (б):
б
a
Рис. 2
Информация, содержащаяся в графе, может быть представлена в виде различных матриц, что позволяет перевести графическую информацию (структурные особенности ХТС) в числовую и
разработать формальные математические методы анализа структуры сложных ХТС.
12
Матрица смежности [A] – это
0 1 0 0 0 0 
квадратная матрица, число строк и
0 0 1 0 1 0 
столбцов которой равно числу вершин


графа. Если в исходном графе есть ду0 0 0 0 0 0 
га из i-й вершины в j-ю, то элемент  A  

1
0
0
0
1
0
матрицы смежности aij равен единице,


в противном случае – нулю. Иначе го0 0 0 0 0 1 


воря, в первой строке единицей в соот0
0
1
0
0
0


ветствующем столбце отмечаем наличие потоков от первого аппарата к другим элементам схемы, во
второй строке – от второго аппарата и т. д.
Список смежности [S] – это матрица размерностью m×2, где
m – число дуг в графе между вершинами. В первом столбце указывается номер вершины (аппарата), из которой дуга
1 2 
выходит, во втором – номер вершины, в которую дуга
 2 3
входит. Таким образом, список смежности также со

держит информацию о технологических связях между
2 5
аппаратами, но представляет более компактную по S   4 1


форме запись, чем матрица смежности.
4 5
Рассмотрим формальные методы определения


5
6


вычислительной последовательности расчета схемы
6 3
(ВПРС) на базе матрицы и списка смежности разомкнутой ХТС, изображенной на рис. 2.
Определение ВПРС по матрице смежности базируется на
анализе строк и столбцов: исходя из принципа заполнения матрицы смежности, нулевая строка указывает на выходную вершину или выходной элемент ХТС (от этого аппарата нет потоков к
другим аппаратам, следовательно, он рассчитывается последним); нулевой столбец указывает на входную вершину или аппарат (к этому элементу ХТС нет потоков от других аппаратов,
только потоки сырья, поэтому он является входным и может быть
сразу рассчитан). В примере третья строка – нулевая, поэтому
третий аппарат – выходной, а четвертый – входной, на что указывает четвертый нулевой столбец. Действительно, на входе четвертого аппарата единственным потоком является поток сырья,
параметры которого должны быть известны по условию задачи.
Так как расчет входного аппарата приведет к определению
параметров его выходных потоков, связи этого аппарата с другими
13
элементами схемы будут известны, т. е. после включения в ВПРС
входной вершины можно исключить (вычеркнуть) из дальнейшего
рассмотрения соответствующую строку и столбец матрицы смежности и анализировать далее оставшуюся часть матрицы, находя
новую входную вершину и включая ее в упорядоченную последовательность (УП). Приведем последовательность преобразования
исходной матрицы смежности для определения ВПРС рассматриваемой разомкнутой технологической схемы:
0
0

0

1
0

0
1 0 0 0 0
0 1 0 1 0

0 0 0 0 0

0 0 0 1 0
0 0 0 0 1

0 1 0 0 0
УП: 4
0
0

0

1
0

0
1 0 0 0 0
0 1 0 1 0

0 0 0 0 0

0 0 0 1 0
0 0 0 0 1

0 1 0 0 0
УП: 4,1
0
0

0

1
0

0
1 0 0 0 0
0 1 0 1 0

0 0 0 0 0

0 0 0 1 0
0 0 0 0 1

0 1 0 0 0
УП: 4,1,2
Окончательно получим ВПРС: 4, 1, 2, 5, 6, 3.
Определение ВПРС по списку смежности. Исходя из
принципа заполнения списка смежности, выходной будет вершина, номер которой находится только в правом столбце (вершина
3), входной – номер которой будет встречаться только в левом
столбце выходов (вершина 4). По аналогии с предыдущим методом включение вершины в ВПРС позволяет исключить ее связи
из списка смежности:
1 2 
2 3


2 5


4 1 
4 5


5 6 
6 3
1
2

2

4
4

5
6
2
3

5

1
5

6
3
1
2

2

4
4

5
6
2
3

5

1  и т. д.
5

6
3
УП: 4
УП: 4, 1
УП: 4, 1, 2
Окончательно получим ВПРС: 4, 1, 2, 5, 6, 3.
Пример расчета материальных потоков разомкнутой ХТС
приведен в листинге 2.
14
Листинг 2
15
Замкнутые ХТС имеют обратные потоки, поэтому непосредственно определить последовательность расчета аппаратов
приведенным выше методом невозможно.
Для замкнутых ХТС характерно наличие контуров, т. е. замкнутых путей, начальные вершины которых совпадают с конечными. Контуры, имеющие хотя бы одну общую вершину, называются связанными. Множество связанных контуров образует
комплекс – совокупность вершин, входящих в контуры и рассчитываемых совместно. Вершины комплекса обладают следующими свойствами: каждая из вершин и дуг комплекса входит в один
из контуров графа; если вершина входит в комплекс, то в комплекс входят все контуры, содержащие эту вершину.
При декомпозиционном методе расчета замкнутая ХТС разрывом некоторых потоков превращается в условно разомкнутую,
и для нее определяется порядок расчета элементов. Для решения
этой задачи выполняется структурный анализ ХТС, состоящий из
следующих основных этапов: выделение комплексов и определение последовательности их расчета (предварительной последовательности расчета ХТС), выделение контуров, входящих в
комплекс, определение оптимально-разрывающего множества
дуг, разрыв которых превращает ХТС в разомкнутую, и, наконец,
определение окончательной последовательности расчета ХТС.
В качестве примера выполним структурный анализ замкнутой
ХТС, приведенной на рис. 1, а затем рассчитаем ее потоки методом
простой итерации. Для удобства повторим рисунок и задание:
Исходные данные:
G01 = 10000 кг/ч;
G13 = 0,4G01 ; G23 = 0,5(G42+G12 );
G35 = 0,1(G23 +G13 ); G45 = 0,6(G24+G34+G64);
G65 = 0,3G56 ;
G67 = 0,5G56 ; G57 = 0,7(G45 +G65+G35).
16
Выделение комплексов можно выполнить, например, на основе анализа матрицы или списка смежности ХТС: если удается
определить выходные или входные вершины (аппараты), то они
не входят ни в один из комплексов. В первом случае от выходных
аппаратов нет потоков к другим элементам схемы, поэтому они
не могут входить в контуры, а во втором – ко входным элементам
схемы нет потоков от других аппаратов, следовательно, они также не входят в контуры.
1 2 
1 2 
Проанализируем список смежности
1 3 
1 3 
для рассматриваемой ХТС. Согласно








2
3
2
3
принципу заполнения списка смежности




[S], первый элемент является входным,
 2 4
2 4
 3 4
3 4
так как его номер встречается только в




левом столбце списка смежности, а седь3 5
3 5
мой – выходным. Вычеркнем из списка [S]  4 2; [S']  4 2;




связи первого аппарата (список смежно4
5
4
5




сти [S’]). Из списка [S] следует, что эле5 6 
5 6 




менты 2, 3, 4, 5, 6, номера которых встре5 7 
5 7 
чаются в обоих столбцах [S], входят в
6 4
6 4




комплекс и должны рассчитываться сов6 5 
6 5 
местно. Таким образом, для рассматрива



6 7
6 7


емой ХТС предварительная последовательность расчета элементов 1,{2, 3, 4, 5, 6},7, где в фигурные
скобки заключена совокупность аппаратов, входящих в комплекс.
Выделение контуров. Один из способов выделения всех
контуров заключается в построении прадерева комплекса. Прадеревом комплекса называют такое изображение всех путей, существующих в комплексе, когда в каждую вершину, отличную от
корневой (начальной), входит только одна дуга. В вершину прадерева ни одна дуга не входит. Построение каждого пути продолжают до тех пор, пока на нем не встретятся повторяющиеся
вершины. В этом случае построение соответствующего пути заканчивают, последнюю вершину называют висячей вершиной
прадерева. Каждая висячая вершина принадлежит контуру.
Из анализа прадерева комплекса {2, 3, 4, 5, 6} (рис. 3) следует, что число висячих вершин – 9, число контуров – 9:
17
K1={5-6-5};
K2={2-3-5-6-4-2};
K3={5-6-4-5};
K4={4-5-6-4}; K5={5-6-5};
K6={2-3-4-2};
K7={2-4-2}; K8={4-5-6-4};
K9={5-6-5}.
Разные висячие вершины прадерева могут принадлежать одному
и тому же контуру, поэтому общее
Рис. 3
число висячих вершин прадерева
больше числа контуров. Все одинаковые контуры, например (K1, K5, K9) и (K3, K4, K8), кроме одного, вычеркиваем из списка.
Окончательно список контуров будет выглядеть следующим
образом:
K1={5-6-5};
K2={2-3-5-6-4-2};
K3={5-6-4-5};
K4={2-3-4-2};
K5={2-4-2}.
В приложении 4 приведен оригинальный текст программы,
реализующей алгоритм выделения контуров.
Определение оптимально-разрывающего множества дуг
заключается в выборе минимального числа разрываемых дуг для
превращения ХТС в условно разомкнутую. Требование минимальности вытекает из необходимости обеспечения быстрой сходимости алгоритма и сокращения времени счета будущей программы.
Для решения этой задачи строим матрицу контуров (табл. 2),
элементы которой определяются по правилу: kij = 1, если дуга j
входит в контур i, kij = 0, если дуга j не входит в контур i.
Т а б л и ц а 2 Матрица контуров замкнутой ХТС
Контуры
K1
K2
K3
K4
K5
f
18
P1
5-6
1
1
1
0
0
3
P2
6-5
1
0
0
0
0
1
P3
2-3
0
1
0
1
0
2
P4
3-5
0
1
0
0
0
1
P5
6-4
0
1
1
0
0
2
P6
4-2
0
1
0
1
1
3
P7
4-5
0
0
1
0
0
1
P8
3-4
0
0
0
1
0
1
P9
2-4
0
0
0
0
1
1
Определим контурную степень дуги fj . Она равна числу
контуров, в которые входит дуга.
Наибольшую контурную степень имеют дуги 5-6 и 4-2. Разорвем, например, дугу 5-6, тогда будут разорваны контуры K1, K2,
K3, в которые эта дуга входит. Оставшиеся два контура – K4 и K5 –
могут быть разорваны общей дугой 4-2. Следовательно, разрыв
только двух дуг 5-6 и 4-2 превращает ХТС в условно разомкнутую.
Определение окончательной последовательности расчета
ХТС можно выполнить по списку смежности разомкнутой схемы
(разорванные дуги в него не включаются).
В соответствии со списком смежности, расчет комплекса
должен производиться в последовательности: 2, 3, 6, 4, 5. Окончательная последовательность расчета рассматриваемой замкнутой ХТС имеет вид
1,{ИБ, 2, 3, 6, 4, 5}, 7,
где ИБ – итерационный блок.
В результате итерационного алгоритма должны совпадать
заданные gзад и расчетные gрасч параметры разорванных потоков.
Если разрывался один поток, то задачу подбора его параметров
можно представить как решение алгебраического уравнения
g зад  g расч  0
и использовать, например, функцию root.
Если разрываемых потоков несколько, то можно составить
функционал по принципу наименьших квадратов и искать его
минимум:
n


   gi,зад  gi,расч 2  min
i 1
В Mathcad для этой цели применима функция Minimize, перед вызовом которой (см. листинг 3) следует задать начальные приближения для параметров всех разорванных потоков.
Вычисление функционала Ф оформлено в виде функции
Mathcad, в которой для вычисления расходов используется операция внутреннего присваивания, поэтому после вычисления координат минимума (параметров разорванных потоков) придется
повторить расчет всех расходов.
19
Листинг 3
20
5. Расчет ХТС с помощью моделирующей программы
Для повышения качества расчетов на практике используют
математические модели процессов и аппаратов, учитывающие
многообразие факторов, влияющих на изучаемый объект (гидродинамическую структуру потоков вещества, равновесие и кинетику процессов, явления тепло- и массопереноса и др.). Это
усложняет математическое описание аппаратов и повышает как
трудоемкость разработки программных модулей, так и требования к квалификации разработчиков программных продуктов.
Следовательно, при создании автоматизированных систем технологических расчетов (АСТР) объектов химической технологии и
систем очистки промышленных выбросов необходимо разрабатывать достаточно универсальное программное обеспечение,
предоставляющее возможность рассчитывать как отдельные эле21
менты химико-технологических систем по адекватным математическим моделям, так и ХТС в целом. Под расчетом аппарата
здесь понимается определение параметров выходных потоков
при известных параметрах входных потоков, конструктивных и
технологических параметрах. Под расчетом ХТС понимается
определение параметров всех выходных и промежуточных потоков при заданных входных потоках, конструктивных и технологических параметрах элементов ХТС.
Автоматизированная система технологических расчетов
содержит модули, в которых реализованы алгоритмы расчета аппаратов ХТС по адекватным математическим моделям, а также
программные средства расчета ХТС. В описываемой версии
АСТР комплекс программных средств для расчета ХТС произвольной структуры называется моделирующей программой
(МП). Моделирующая программа обеспечивает возможность расчета ХТС или отдельных ее элементов, не прибегая к составлению программ расчета, а лишь описывая структуру схемы с помощью специального языка. Все операции с программным обеспечением (его дополнение и изменение, генерация автоматизированной системы расчета, адаптация к различным ЭВМ и др.)
осуществляются квалифицированными программистами, а пользователь формулирует задачу расчета и записывает ее на языке
МП, выполняет расчет и анализирует полученные результаты.
Язык моделирующей программы состоит из нескольких
предложений, или директив. Моделирующая программа обрабатывает директивы, записанные во входном потоке данных строками до 80 символов в каждой. Директива может быть продолжена на любом числе строк продолжения. Признаком окончания
директивы является символ “;”.
Символ “*” в первой позиции строки означает, что вся строка
является комментарием и не обрабатывается моделирующей программой. Строки комментариев, помещенные до первой директивы, целесообразно использовать для идентификации расчета или
задания, так как МП распечатывает их в начале выходного набора
результатов счета.
Каждая директива состоит из ключевых слов, данных и знаков разделения (запятые, пробелы и круглые скобки). Все числовые данные записываются в круглых скобках через запятую.
22
Директива TYPE предназначена для описания типовых данных и ставит в соответствие обозначения и числовые данные для
печати результатов. Максимальная длина одного обозначения до
60 символов. Структура директивы:
TYPE <имя типа> <обозначения>;
Имя типа может содержать до восьми символов. Все обозначения заключаются в апострофы. В качестве разделителя используется пробел. Например, исходные данные для программы
DEL12, предназначенной для расчета делителя потока, состоят из
одного числа – доли первого потока от общего расхода вещества.
Тогда описание типа будет иметь вид:
TYPE DEL12 ‘Доля первого потока’;
В учебном варианте АСТР предусмотрены потоки двух основных типов – газовые (GAS) и жидкостные (LIQUID). Каждый
из потоков может иметь до семи компонентов и характеризуется,
таким образом, не более чем десятью параметрами: расход объемный для газовых потоков или массовый для жидкостных (нм3/ч
или кг/ч), температура (С), давление (кПа) и далее до семи значений концентраций компонентов. Поскольку расчет физикохимических свойств потоков в АСТР осуществляется посредством банка данных, введена специальная директива STREAM
для указания номеров компонентов, составляющих поток, по
банку данных. Формат директивы:
STREAM
STREAM
GAS (<список номеров>);
LIQUID (<список номеров>);
Описание основных типов данных для программ и потоков
выполнено при генерации АСТР. Поэтому при составлении задания на расчет директива TYPE, как правило, не применяется.
Директива DATA служит для ввода исходных данных, т.е.
параметров входных потоков. Формат директивы:
DATA <имя потока>(<список параметров>);
TYPE <имя типа>;
Пусть, например, в схеме жидкостным потоком является раствор уксусной кислоты в воде, причем входной поток G1 имеет
концентрацию 30% , расход 1200 кг/ч, температуру 30 С. Тогда
описание потока имеет вид
STREAM LIQUID (156,3);
23
DATA G1(1200,30,100,0.3,0.7) TYPE LIQUID;
Директива UNIT служит для описания аппаратов в схеме и
имеет формат
UNIT <обозначение аппарата в схеме>
TYPE <тип аппарата>
IN (<список входных потоков>)
OUT (<список выходных потоков>)
DATA (<список конструктивных и технологических
параметров для расчета аппарата>);
Идентификатор аппарата в схеме определяется пользователем и
должен быть уникальным для текущего описания схемы. Тип аппарата по существу соответствует имени модуля, по которому
должен выполняться расчет аппарата. Например, при расчете параметров потока после их деления в соотношении 4:6 описание
операции может иметь вид
UNIT A1 TYPE DEL12 IN(G1) OUT(G2,G3) DATA(0.4);
Здесь параметр 0.4 определяет долю первого выходного потока
от общего массового расхода вещества через аппарат.
Организация сходимости параметров разорванных потоков
при расчете ХТС с обратными (перекрестными) потоками осуществляется с помощью директив BEGIN и EQ, помещаемых соответственно до первого и после последнего аппарата, входящих
в комплекс. Директива BEGIN содержит в скобках имена потоков, параметры которых должны совпадать в результате итерационного процесса (заданные и расчетные векторы параметров разрываемого потока):
BEGIN(G1,G2);
Директива EQ указывает, какая абсолютная погрешность допустима для каждого параметра потока, например:
EQ(1,1,0,0.005,0.005);
Здесь требуется совпадение параметров потоков G1 и G2. Если эти потоки имеют тип LIQUID, описанный ранее, то значения
расходов должны совпадать с точностью 1 кг/ч, температуры –
1С, концентрации – 0,005. По третьему параметру сходимость не
проверяется.
Директива EXAMINE не имеет параметров и предназначена
для контроля правильности заполнения рабочих файлов и мат24
риц. Директива ориентирована на пользователей, знающих основные принципы построения МП.
Директива EXEC также не имеет параметров и предназначена
для запуска задания на расчет.
Посредством моделирующей программы можно рассчитывать
технологические схемы, в состав которых входят аппараты, модули расчета которых включены в библиотеки типовых модулей.
Список программных модулей аппаратов постоянно расширяется. Текущее состояние библиотек можно посмотреть через
оболочку моделирующей программы М92.
Для расчета ХТС с помощью моделирующей программы следует обозначить все имеющиеся в схеме аппараты и потоки. Выбор имен произвольный, можно использовать русские буквы.
Длина имени – не более 8 символов. Затем следует определить
порядок расчета аппаратов, а при необходимости провести структурный анализ замкнутой ХТС для определения окончательной
последовательности расчета схемы итерационным методом.
Работа с моделирующей программой удобна через ее оболочку, вызываемую через папку Учебные материалы на Рабочем
столе компьютера. Основные функции системы выбираются через меню:
М92
Основные режимы работы:
Ввод имени обрабатываемого задания
Формирование нового задания
Редактирование текста задания
Просмотр файла задания программой View
Печать текста задания
Выполнение задания
Просмотр результатов программой View
Печать результатов расчета
Инициация СУБД “Propty”
Просмотр имен файлов заданий
Выход в DOS
Если требуется рассчитать новую схему, то рекомендуется
воспользоваться пунктом меню "Формирование нового задания".
При этом запускается специальная программа, которая поможет
сформировать файл описания структуры ХТС (программа не вы25
полняет расчет, а только разрабатывает задание; расчет выполняется через программу-оболочку М92).
При работе с программой формирования задания рекомендуется включить окно-подсказку, выбрав в рабочем меню пункт
"Help ON" и нажав клавишу <Enter>:
Help
Основные режимы работы:
Ввод имени формируемого задания
Формирование комментария
Описание инертной части газового потока
Описание структуры потока
Задание числовых параметров потока
Описание аппарата
Начало блока сходимости
Конец блока сходимости
Директива проверки рабочих матриц
Директива на выполнение расчета
Редактирование ранее введенных директив
Просмотр всех ранее введенных директив
Выход в меню моделирующей программы
Job Maker
Help OFF
Current job
Comment
INERT
STREAM
DATA
UNIT
BEGIN
EQ
EXAMINE
EXEC
Edit
View
— Exit —
Затем следует ввести имя формируемого задания с помощью
соответствующего пункта меню, причем указывается только имя
файла без его типа. Если указано имя уже существующего файла,
то появляется меню с запросом, следует ли обновить файл. При
положительном ответе создается новый файл и можно формировать задание, а в противном случае программа завершается и
управление передается в оболочку М92.
В задании первыми директивами устанавливаются директивы описания структуры жидкостного и/или газового потоков
STREAM, при этом в списке параметров директивы должны быть
указаны номера всех компонентов, которые могут встречаться в
потоках данного типа. Наличие или отсутствие компонента в
конкретном потоке задается в других директивах с помощью соответственно ненулевых или нулевых значений концентраций
компонентов.
Затем директивами DATA задаются числовые параметры
всех входных и разорванных потоков.
Очередность расчета аппаратов задается параметрами директив UNIT описания аппаратов. Если некоторые аппараты рас26
считываются в составе комплекса, то начало комплекса указывается директивой BEGIN, а конец EQ. Между этими директивами
записываются директивы описания аппаратов UNIT в порядке,
определенном при структурном анализе. В директиве BEGIN указываются имена заданного и расчетного разрываемого потоков,
например, G34 и G34r. В директиве EQ параметрами являются
допустимые абсолютные погрешности в расчете параметров
разорванных потоков, записанные в принятой последовательности параметров технологического потока: погрешность в расчете
расхода, температуры, давления, концентрации компонентов.
Нулевое значение допустимой погрешности означает, что сходимость по соответствующему параметру не проверяется. Если в
данном комплексе разрывается несколько технологических потоков, то директивы BEGIN и EQ повторяются соответствующее
число раз.
Заканчивается задание директивой на выполнение расчета
EXEC.
Формируемые программой директивы отображаются в нижнем окне экрана. Если необходимо просмотреть весь сформированный текст задания, можно воспользоваться функцией "Просмотр всех ранее введенных директив".
В рабочем меню предусмотрена функция редактирования
ранее введенных директив. В этом случае сформированный к текущему моменту текст задания загружается в текстовый редактор
ME, где может быть откорректирован. Для выхода из редактора
нажмите клавишу <Esc>, в появившемся меню выберите пункт
"Quit", а затем "Save-files-and-Quit".
Выход из программы формирования задания производится
через пункт рабочего меню "Выход в меню моделирующей программы".
Обработка сформированного задания производится через
основное меню моделирующей программы М92. Сначала необходимо ввести имя обрабатываемого задания через первый пункт
меню и появившееся динамическое меню с перечнем всех существующих заданий.
Расчет ХТС производится через пункт "Выполнение задания". Все учебные модули входят в блок теплообменных аппаратов, поэтому для расчета следует выбирать именно его. Результа27
ты расчета автоматически выводятся на экран для просмотра, они
содержат распечатку текста задания, исходных данных, параметров выходных и промежуточных потоков в виде таблиц. Печать
текста задания или результата расчета производится через соответствующие пункты меню.
Откорректировать текст задания можно через пункт меню
"Редактирование текста задания", который загружает файл задания в редактор ME. Для выхода из редактора нажмите клавишу
<Esc>, в появившемся меню выберите пункт "Quit", а затем
"Save-files-and-Quit".
В качестве примера приведем задание на расчет замкнутой
ХТС (см. рис. 1). Из структурного анализа этой схемы (см. разд.
1.3) следует окончательная последовательность расчета элементов 1,{2,3,6,4,5},7, где аппараты 2..6 составляют комплекс, а для
превращения схемы в условно разомкнутую разрываются потоки
5-6 и 4-2, характеризующиеся массовыми расходами G56 и G42.
Расчет одного аппарата можно произвести с помощью
включенного в состав моделирующей программы модуля SM.
Математическое описание смесителя-делителя потоков (рис. 4),
реализованное в модуле, построено при следующих допущениях:
структура потоков соответствует модели идеального смешения,
режим смешения – установившийся, внутри элемента ХТС отсутствуют источники и стоки вещества, число входных и выходных
потоков n = 3. Расход потоков на выходе определяется коэффициентами деления ki – доля i-го выходного потока от общего расхода вещества через аппарат.
Уравнение материального баланса:
G=G1+G2+G3=G4+G5+G6;
G4=k1G; G5=k2G; G6=k3G;
3
 ki  1.
i 1
Рис. 4
Отметим, что если конкретный аппарат имеет менее трех
входных или выходных потоков, то для модуля SM можно задать
потоки с нулевыми расходами. Неиспользуемые коэффициенты
деления также следует задать нулевыми.
Задание за расчет ХТС (см. рис. 1) может иметь вид
28
* Расчет замкнутой ХТС в моделирующей программе
STREAM LIQUID DATA(3);
* Параметры входных и разорванных потоков
DATA g01 (10000.,30,150,1.0) TYPE LIQUID ;
DATA g42 (3000.,30,150,1.0) TYPE LIQUID ;
DATA g56 (6000.,30,150,1.0) TYPE LIQUID ;
DATA empty (00.,0,0,0.0) TYPE LIQUID ;
* Аппарат 1, не входящий в комплекс
UNIT a1 TYPE SM IN(g01,empty,empty)
OUT(g12,g13,empty)
DATA(0.6,0.4,0.0);
* Начало комплекса: задаются имена потоков,
* параметры которых должны совпадать в результате
* выполнения итерационного алгоритма
BEGIN (g56,g56r);
BEGIN (g42,g42r);
* Аппараты, входящие в комплекс, в последовательности,
* определенной из структурного анализа ХТС:
2,3,6,4,5
UNIT a2 TYPE SM
IN(g12,g42,empty)
OUT(g23,g24,empty)
DATA(0.5,0.5,0.0);
UNIT a3 TYPE SM
IN(g23,g13,empty)
OUT(g34,g35,empty)
DATA(0.9,0.1,0.0);
UNIT a6 TYPE SM
IN(g56,empty,empty)
OUT(g65,g64,g67)
DATA(0.3,0.2,0.5);
UNIT a4 TYPE SM
IN(g34,g24,g64)
OUT(g42r,g45,empty)
DATA(0.4,0.6,0.0);
UNIT a5 TYPE SM
IN(g45,g35,g65)
OUT(g56r,g57,empty)
DATA(0.3,0.7,0.0);
* Граница комплекса. Задается допустимая абсолютная
* погрешность в расчете параметров разорванных потоков:
*
1 кг/ч - для расхода, по остальным параметрам
*
сходимость не проверяется
EQ(1.,0,0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0);
29
EQ(1.,0,0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0);
* Аппарат 7, не входящий в комплекс
UNIT a7 TYPE SM IN(g57,g67,empty)
OUT(g70,empty,empty)
DATA(1.,0.0,0.0);
* Директива на выполнение задания
EXEC;
В выходном файле результатов расчета (c:\study\xtc\lp.lst)
приводится полный текст задания, подробное описание исходных
данных, включая заданные конструктивные параметры аппаратов, а затем в табличном виде параметры всех технологических
потоков. Объем выходного файла обычно значителен, поэтому
здесь не прилагается.
Расчет реальных ХТС можно выполнить на базе моделирующей программы, если при генерации МП в ее состав включены программные модули для расчета аппаратов, входящих в схему. Как отмечалось выше, библиотека программных модулей постоянно пополняется, ее текущее состояние отражено в программе-оболочке моделирующей программы.
Приведем перечень некоторых модулей, рекомендуемых к
использованию для расчета элементов ХТС водоподготовки и
очистки газовых выбросов:
sm – расчет смесителя-делителя потоков (учебная программа);
riv – расчет реактора идеального вытеснения;
hgg – расчет кожухотрубного теплообменника с газообразными теплоносителями;
hgl – расчет кожухотрубного теплообменника "газжидкость";
hll – расчет кожухотрубного теплообменника "жидкостьжидкость";
hgwv – расчет кожухотрубного теплообменника "газ-пар";
hlwv – расчет кожухотрубного теплообменника "жидкостьпар";
del12g – расчет делителя газового потока;
del12l – расчет делителя жидкостного потока;
mix21g – расчет смесителя двух газовых потоков;
30
mix21l – расчет смесителя двух жидкостных потоков;
efiltr – расчет блока электрофильтров для очистки газа;
compr – термодинамический расчет ступени компрессии;
absmea – расчет абсорбера моноэтаноламиновой очистки;
abscarb – расчет абсорбера вакуум-карбонатной очистки;
absnaf – расчет абсорбера нафталиноочистки;
absoil – расчет абсорбера для поглощения бензольных углеводородов поглотительным маслом;
disoil – расчет дистилляционной колонны для отгонки бензольных углеводородов из поглотительного масла;
defleg – расчет дефлегматора паров воды и масла для блока
бензольной очистки;
hco – расчет подогревателя поглотительного масла;
absNH3 – расчет абсорбера аммиака.
Параметры этих программных модулей вводятся в диалоговом режиме при формировании задания на расчет через описанную выше программу формирования задания.
Для расчета конкретной технологической схемы через моделирующую программу следует изобразить схему, ввести обозначения технологических потоков, определить последовательность расчета элементов ХТС, а затем сформировать задание на
расчет через оболочку М92.
Рассмотрим в качестве примера расчет фрагмента ХТС, в
которой для подогрева основного технологического потока – 13
т/ч 10%-го раствора уксусной кислоты с начальной температурой
20С – используется промежуточный теплоноситель – вода, подогреваемая насыщенным водяным паром с температурой 110С
(рис. 5).
2
Пар
Конд
Вода_1р
1
УК_0
3
Вода_1
УК_2
4
УК_3
УК_k
Вода_2
УК_1
Рис. 5
31
Пусть в схеме входной поток раствора уксусной кислоты разделяется в делителе 1 на два потока, большая часть которого
направляется в кожухотрубный подогреватель 3 для подогрева
горячей водой. Вторая часть потока, минуя подогреватель,
направляется в смеситель 4 для объединения с подогретым раствором (подобная схема может использоваться для регулирования выходной температуры раствора). Вода циркулирует в замкнутом цикле через подогреватели 2 и 3, причем в аппарате 2
она подогревается насыщенным водяным паром, конденсирующимся в межтрубном пространстве. Таким образом, для расчета
элементов схемы можно использовать следующие программные
модули: del21l – для расчета делителя жидкостного потока, hll –
для расчета кожухотрубного теплообменного аппарата с теплоносителями “жидкость-жидкость”, hgwv – для расчета подогревателя “газ-пар”, mix12l – для расчета выходного потока из смесителя двух жидкостных потоков.
В задании достаточно описать поток жидкости, состоящей из
двух компонентов – уксусной кислоты и воды, номера которых
по банку данных для расчета физико-химических свойств соответственно 156 и 3.
Обозначения потоков в схеме приведены на рис. 5.
Очевидно, что в рассматриваемой схеме всего один контур,
включающий теплообменные аппараты 2 и 3 и, соответственно,
потоки, соединяющие эти аппараты. Для превращения схемы в
условно разомкнутую достаточно разорвать любой из двух потоков контура. Разорвем, например, поток, обозначенный в схеме
Вода_1. Разорванный поток, выходящий из аппарата 2, обозначим Вода_1р.
Последовательность расчета элементов ХТС легко определяется без проведения структурного анализа: 1,{3,2},4. Здесь аппараты
2 и 3 составляют комплекс, должны рассчитываться совместно итерационным методом, а в результате итераций должны совпадать с
требуемой точностью параметры потоков Вода_1 и Вода_1р. Отметим, что единственным итерируемым параметром этих потоков является температура (второй параметр в структуре параметров потока), так как расход и концентрации не изменяются.
Задание на расчет, сформированное для расчета схемы, приводится ниже. В качестве исходных данных задаются параметры
32
пара, входного потока раствора уксусной кислоты и ориентировочные значения параметров разрываемого потока горячей воды
(принят расход 12 т/ч и температура 80С). В директиве EQ задана допустимая абсолютная погрешность в расчете температуры
разрываемого потока 0,1С.
* Расчет фрагмента ХТС с теплообменными аппаратами
*
STREAM LIQUID DATA(156,3);
* Параметры входных и разорванных потоков
DATA Пар (0.0,110,143) TYPE VAPOUR ;
DATA Вода_1 (12000.,80,100,0.0,1.0) TYPE LIQUID ;
DATA УК_0 (13000.,20,100,0.1,0.9) TYPE LIQUID ;
* Делитель
UNIT a1 TYPE DEL12L
IN(УК_0) OUT(УК_1,УК_2)
DATA(0.15);
* Начало расчета комплекса
BEGIN (Вода_1,Вода_1р);
* Теплообменник типа "жидкость-жидкость"
UNIT a3 TYPE HLL
IN(Вода_1,УК_2) OUT(Вода_2,УК_3)
DATA(121.0,257,0.021,0.025,6,0.63,0.0008,0.000154,46.5);
* Теплообменник типа "жидкость-пар"
UNIT a2 TYPE HLWV
IN(Вода_2,Пар) OUT(Вода_1р,Конд)
DATA(14.5,62,0.021,0.025,3,0.325,0.0008,0.000154,46.5,1);
* Граница комплекса
EQ(0,0.1,0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0);
* Смеситель
UNIT a4 TYPE MIX21L
IN(УК_3,УК_1) OUT(УК_k)
DATA(1);
EXEC;
В выходной файл данных программа М92 выводит текст задания, полную распечатку исходных данных для расчета, включая параметры входных и разорванных потоков, конструктивные
параметры аппаратов, а также таблицы расчетных параметров
всех потоков ХТС. В приведенном протоколе расчета исключена
лишь повторная распечатка текста задания:
33
Расчет фрагмента ХТС с теплообменными аппаратами
Исходные данные:
*********** ПОТОК Пар
ТИП VAPOUR
Объемный pасход, нм3/ч.........................
Tемпеpатуpа, °С ...............................
Давление, КПа .................................
Концентpация компонента, д.е.
Вода
.0000
110.0
143.0
.0000
*********** ПОТОК Вода_1
ТИП LIQUID
Массовый pасход, кг/ч ........................
Tемпеpатуpа, °С ...............................
Давление, КПа .................................
Концентpация компонента, д.е. Уксусная кислота
Концентpация компонента, д.е. Вода
12000
80.00
100.0
.0000
1.000
*********** ПОТОК УК_0
ТИП LIQUID
Массовый pасход, кг/ч ........................
Tемпеpатуpа, °С ...............................
Давление, КПа .................................
Концентpация компонента, д.е. Уксусная кислота
Концентpация компонента, д.е. Вода
13000
20.00
100.0
.1000
.9000
*********АППАРАТ a1
ТИП
DEL12L
Доля первого потока, д.ед. ....................
.1500
*********АППАРАТ a3
ТИП
HLL
Поверхность теплообмена, м2 ................... 121.0
Количество тpуб .............................. 257.0
Внутpенний диаметр труб,м ..................... 0.021
Наружный диаметр труб, м ...................... 0.025
Длина труб, м ................................. 6.000
Диаметр корпуса, м............................. .6300
Термическое сопротивление загрязнений r1 ...... .0008
Термическое сопротивление загрязнений r2 ..... .00015
Теплопроводность материала стенки ............. 46.50
*********АППАРАТ a2
ТИП
HLWV
Поверхность теплообмена, м2 ...................
Количество тpуб ..............................
Внутpенний диаметр труб,м .....................
34
14.50
62.00
0.021
Наружный диаметр труб, м ...................... 0.025
Длина труб, м ................................. 3.000
Диаметр корпуса, м............................. .3250
Термическое сопротивление загрязнений r1 ...... .0008
Термическое сопротивление загрязнений r2 ..... .00015
Теплопроводность материала стенки ............. 46.50
Код аппарата: 1-вертикальный, 2-горизонтальный ..1.000
*********АППАРАТ a4
ТИП
MIX21L
Гидравлический параметр, д.ед. ................
1.000
Результаты расчета:
+-----------------------------------------------------+
¦
Поток: Пар
¦
¦
Температура, °С - 110.0
¦
¦
Давление, кПа
- 143.000
¦
¦-----------------------------------------------------¦
¦
Компонент
¦ Расход, ¦ Расход, ¦ Состав,¦
¦
¦
кг/ч
¦ нм3/ч
¦ % об. ¦
¦-----------------------+----------+---------+--------¦
¦ Вода
¦
.0 ¦
.0 ¦
.0000¦
¦-----------------------+----------+---------+--------¦
¦
Всего....¦
.0 ¦
.0 ¦
.000¦
+-----------------------------------------------------+
+-----------------------------------------------------+
¦
Поток: Вода_1
¦
¦
Температура, °С 86.3
¦
¦
Давление, кПа
- 100.0
¦
¦-----------------------------------------------------¦
¦
Компонент
¦ Расход, ¦ Состав,¦
¦
¦ кг/ч
¦ % мас.¦
¦----------------------------------+---------+--------¦
¦ Уксусная кислота
...........¦
.0 ¦
.0000¦
¦ Вода
...........¦ 12000.0 ¦100.0000¦
¦----------------------------------+---------+--------¦
¦
Всего ..............¦ 12000.0 ¦ 100.000¦
+-----------------------------------------------------+
35
+-----------------------------------------------------+
¦
Поток: УК_0
¦
¦
Температура, °С 20.0
¦
¦
Давление, кПа
- 100.0
¦
¦-----------------------------------------------------¦
¦
Компонент
¦ Расход, ¦ Состав,¦
¦
¦ кг/ч
¦ % мас.¦
¦----------------------------------+---------+--------¦
¦ Уксусная кислота
...........¦ 1300.0 ¦ 10.0000¦
¦ Вода
...........¦ 11700.0 ¦ 90.0000¦
¦----------------------------------+---------+--------¦
¦
Всего ..............¦ 13000.0 ¦ 100.000¦
+-----------------------------------------------------+
+-----------------------------------------------------+
¦
Поток: УК_1
¦
¦
Температура, °С 20.0
¦
¦
Давление, кПа
- 100.0
¦
¦-----------------------------------------------------¦
¦
Компонент
¦ Расход, ¦ Состав,¦
¦
¦ кг/ч
¦ % мас.¦
¦----------------------------------+---------+--------¦
¦ Уксусная кислота
...........¦
195.0 ¦ 10.0000¦
¦ Вода
...........¦ 1755.0 ¦ 90.0000¦
¦----------------------------------+---------+--------¦
¦
Всего ..............¦ 1950.0 ¦ 100.000¦
+-----------------------------------------------------+
+-----------------------------------------------------+
¦
Поток: УК_2
¦
¦
Температура, °С 20.0
¦
¦
Давление, кПа
- 100.0
¦
¦-----------------------------------------------------¦
¦
Компонент
¦ Расход, ¦ Состав,¦
¦
¦ кг/ч
¦ % мас.¦
¦----------------------------------+---------+--------¦
¦ Уксусная кислота
...........¦ 1105.0 ¦ 10.0000¦
¦ Вода
...........¦ 9945.0 ¦ 90.0000¦
¦----------------------------------+---------+--------¦
¦
Всего ..............¦ 11050.0 ¦ 100.000¦
+-----------------------------------------------------+
36
+-----------------------------------------------------+
¦
Поток: Вода_1р
¦
¦
Температура, °С 86.3
¦
¦
Давление, кПа
- 100.0
¦
¦-----------------------------------------------------¦
¦
Компонент
¦ Расход, ¦ Состав,¦
¦
¦ кг/ч
¦ % мас.¦
¦----------------------------------+---------+--------¦
¦ Уксусная кислота
...........¦
.0 ¦
.0000¦
¦ Вода
...........¦ 12000.0 ¦100.0000¦
¦----------------------------------+---------+--------¦
¦
Всего ..............¦ 12000.0 ¦ 100.000¦
+-----------------------------------------------------+
37
Список литературы
1. Методы и средства автоматизированного расчета химикотехнологических систем / Н. В. Кузичкин и др.– Л.: Химия, 1987.– 151 с.
2. Бусыгин, Н. Ю. Автоматизированные системы химических расчетов: решение задач в среде Mathcad [Электронный ресурс]: учебное пособие (58 Мб).– СПб.: СПГУТД, 2009.– 1 электрон. опт. диск (CD ROM);
http://eco.sutd.ru/mathcad
3. Кафаров, В. В. Анализ и синтез химико-технологических систем /
В. В. Кафаров, В. Л. Мешалкин. – М.: Химия, 1991. – 312 с.
4. Кафаров, В. В. Математические основы автоматизированного проектирования химических производств / В. В. Кафаров, В. Л. Мешалкин,
В. Л. Перов. – М.: Химия, 1979. – 320 с.
5. Бусыгин, Н. Ю. Системный анализ химико-технологических процессов. Автоматизированный расчет сложных химико-технологических
систем: учеб. пособие / Н. Ю. Бусыгин, И. В. Багров. – СПб.: СПГУТД,
2002. – 144 с.
6. Багров, И. В. Модели технологических процессов и их реализация
на ПЭВМ: учеб. пособие / И. В. Багров.– СПб.: СПГУТД, 2002. – 240 с.
38
Приложение А
Варианты индивидуальных учебных заданий
для расчета материальных потоков в сложных ХТС
Вариант 1
1
2
3
4
5
6
G01=15000; G24=0,5(G12+G32); G12=0,6G01; G60=0,8(G46+G56);
G45=0,5G24; G43=0,1G24
Вариант 2
1
2
3
4
5
6
7
G01=12000; G70=0.6(G57+G37); G32=0.2G13; G12=0.4(G41+G01);
G36=0.3G13; G25=0,3(G12+G32); G54=0.3(G25+G65)
Вариант 3
2
1
4
5
6
3
G01=15000; G14=0.7(G01+G21); G21=0.5G62; G50=0.35G45;
G53=0.25G45; G60=0.8(G56+G16)
39
Вариант 4
1
2
3
4
5
6
7
G01=70000; G04=30000; G17=0.2(G41+G01); G23=0.65G12;
G36=0.25G23; G64=0.1G36; G67=0.7G36
Вариант 5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
G01=4000; G12=0.3G01; G14=0.4G01; G34=0.4G23
G45=0.5(G14+G64+G34); G64=0.15G56; G65=0.5G56; G97=0.4G89
Вариант 6*
1
2
3
4
5
6
7
G01=7000 кг/ч; G03=3000 кг/ч; G14=0.15(G01+G21); G21=0.05G12
G37=0.01(G03+G23); G70=0.7G67; G60=0.95G65; G67=0.02G56
40
Вариант 7
1
2
3
4
5
6
G01=2000; G23=0.3G12; G34=0.25(G23+G63)
G50=0.3G45; G63=0.2G56; G54=0.2G45; G21=0.1G12
Вариант 8
9
1
2
3
4
8
7
6
5
G01=12000кг/ч; G24=0.05G12; G29=0.1G12; G43=0.2(G34+G24);
G40=0.75(G24+G34); G67=0.85G56; G90=0.99(G29+G89)
Вариант 9*
1
2
3
4
5
6
7
8
9
G01=4000; G12=0.3G01; G14=0.4G01; G34=0.4G23;
G45=0.5(G14+G64+G34); G64=0.15G56; G65=0.5G56; G97=0.4G78
G21=0.1(G12+G42); G37=0.05G23
41
Вариант 10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
G01=7000; G13=0.45(G01+G21);G12=0.1(G01+G21); G21=0.5(G52+G12);
G65=0.3G36; G36=0.2(G13+G23); G97=0.1G89
Вариант 11*
3
1
2
4
5
7
8
9
6
G01=5000; G23=0.25(G12+G42); G30=0.5G23; G35=0.3G23; G54=0.45G35
G56=0.3G35; G97=0.6G89;G79=0.1G57
Вариант 12*
3
1
2
4
5
7
6
G01=4000 кг/ч; G12=0.6G01; G17=0.1G01; G34=0.3G23; G35=0.2G23;
G56=0.3(G35+G45); G45=0.25G34
42
Вариант 13
1
2
3
5
6
4
7
G01=20000кг/ч; G17=0.1(G51+G01); G65=0.5G36; G23=0.3(G42+G12);
G42=0.2(G34+G64); G30=0.3G23; G34=0.4G23; G64=0.2G36
Вариант 14
1
2
3
10
4
5
6
9
8
7
G01=12000; G31=0.3G23; G35=0.1G23;
G62=0.2G56; G100=0.8G910; G98=0.05G89
Вариант 15
1
2
3
11
10
4
5
6
8
7
G01=18000; G42=0.2G34; G53=0.1G45;
G61=0.3G56; G610=0.4G56; G117=0.3G1011; G112=0.2G1011
43
Вариант 16
1
2
3
4
5
6
7
G01=5000; G04=8000; G12=0.3(G01+G41); G13=0.1(G01+G41);
G41=0.3(G14+G04+G54); G36=0.6(G23+G13); G54=0.2G65
G67=0.7G36; G27=0.4(G12+G42+G52)
Вариант 17
7
1
2
3
4
5
6
8
9
G01=20000; G14=0.5(G01+G31); G34=0.8G23; G45=0.6(G14+G34);
G70=0.35G57; G76=0.3G57; G89=0.15(G68+G78); G68=0.7G76
Вариант 18
1
10
2
3
4
5
8
7
6
G01=15000; G32=0.15(G53+G23); G310=0.2(G53+G23);
G50=0.8(G45+G15); G56=0.1(G45+G15); G78=0.4(G107+G67);
G107=0.5(G310+G810); G15=0.05G01; G42=0.1G34
44
Вариант 19*
1
2
3
4
5
6
7
8
9
G01=5000; G31=0.4G13; G13=0.1(G01+G31); G46=0.4(G34+G54);
G54=0.3G85; G98=0.1G69; G60=0.25(G46+G56)
Вариант 20
1
2
3
4
5
6
7
G01=8000 кг/ч; G12=0.4(G41+G01); G25=0.3(G12+G32+G52);
G32=0.2G13; G37=0.3G13; G67=0.8G36; G54=0.5(G65+G25);
G50=0.1(G65+G25)
Вариант 21*
1
2
3
4
5
6
G01=10000кг; G13=0.2(G01+G41); G23=0.3(G32+G12); G30=0.5(G13+G23);
G32=0.2(G13+G23); G41=0.3G54; G56=0.2G25; G64=0.1(G36+G56)
45
Вариант 22
1
2
3
4
5
6
G01=20000; G12=0.3G01; G14=0.5G01; G34=0.3G23; G32=0.1G23;
G64=0.2G56; G45=0.5(G14+G64+G34); G65=0.5G56; G52=0.4(G45+G65)
Вариант 23
3
1
2
4
5
7
8
9
6
G01=2000 кг/ч; G12=0.5G01; G34=0.3G23; G35=0.25G23;
G56=0.3(G35+G45); G45=0.2G34; G97=0.55G89
Вариант 24*
1
2
3
4
5
6
G01=G04=3000; G23=0.2G12; G36=0.5G23
G51=0.1G45; G56=0.15(G45+G75); G70=0.85G57
46
7
Вариант 25
1
2
3
4
5
6
7
G01=7000 кг/ч; G03=3000 кг/ч; G14=0.15(G01+G21); G21=0.05G12
G37=0.01(G03+G23); G70=0.7(G67+G37); G60=0.95G56; G67=0.02G56
______________
*
Варианты повышенной сложности.
47
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
8
Размер файла
1 692 Кб
Теги
2015, ctscalc
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа