Process simulation

Screenshot einer Prozesssimulationssoftware (Dwsim).

Process simulation wird für das Design, die Entwicklung, die Analyse und die Optimierung technischer Prozesse wie: chemische Pflanzen, Chemische Prozesse, Umweltsysteme, Kraftwerke, komplexe Fertigungsbetriebe, biologische Prozesse und ähnliche technische Funktionen.

Hauptprinzip

Prozessflussdiagramm eines typischen Aminbehandlungsprozesses in Industrieanlagen

Prozesssimulation ist a Modell-basierte Darstellung von chemisch, physisch, biologischund andere technische Prozesse und Einheitsvorgänge in Software. Grundlegende Voraussetzungen für das Modell sind chemische und physikalische Eigenschaften[1] von reinen Komponenten und Gemischen, von Reaktionen und mathematischer Modelle, die in Kombination die Berechnung der Prozesseigenschaften durch die Software ermöglichen.

Prozesssimulationssoftware beschreibt Prozesse in Durchflussdiagramme wo Einheitsvorgänge sind positioniert und durch Produkt- oder EDUCT -Streams verbunden. Die Software löst die Masse und Energieausgleich Um einen stabilen Betriebspunkt für bestimmte Parameter zu finden. Ziel einer Prozesssimulation ist es, optimale Bedingungen für einen Prozess zu finden. Dies ist im Wesentlichen ein Optimierung Problem, das in einem iterativen Prozess gelöst werden muss.

Im obigen Beispiel wird der Futterstrom zur Spalte als chemische und physikalische Eigenschaften definiert. Dies schließt die Zusammensetzung einzelner molekularer Spezies im Strom ein; der Gesamtmassenfluss; Die Ströme Druck und Temperatur. Für Kohlenwasserstoffsysteme werden das Dampf-Liquid-Gleichgewichtsverhältnis (K-Werte) oder Modelle, die zur Definition verwendet werden, vom Benutzer angegeben. Die Eigenschaften der Säule sind definiert wie der Einlassdruck und die Anzahl der theoretischen Platten. Die Pflicht des Rebroiler- und Overhead -Kondensators wird vom Modell berechnet, um eine bestimmte Zusammensetzung oder einen anderen Parameter des unteren und/oder oberen Produkts zu erzielen. Die Simulation berechnet die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Produktströme, jeweils wird eine eindeutige Zahl zugewiesen, die im Massen- und Energiediagramm verwendet wird.

Prozesssimulation verwendet Modelle, die einführen Annäherungen und Annahmen, aber die Beschreibung einer Eigenschaft über einen weiten Bereich von Temperaturen und Drücken ermöglichen, die möglicherweise nicht durch verfügbare reale Daten abgedeckt werden. Modelle erlauben auch Interpolation und Extrapolation - innerhalb bestimmter Grenzen - und ermöglichen Sie die Suche nach Bedingungen außerhalb des Bereichs bekannter Eigenschaften.

Modellieren

Die Entwicklung von Modellen[2] Für eine bessere Darstellung realer Prozesse ist der Kern der Weiterentwicklung der Simulationssoftware. Die Modellentwicklung erfolgt durch die Prinzipien der Chemieingenieurwesen, aber auch durch die Verbesserung der mathematischen Simulationstechniken. Prozesssimulation ist daher ein Feld, in dem Praktiker von Chemie, Physik, Informatik, Mathematik, und Ingenieurwesen zusammenarbeiten.

Vle der Mischung aus Chloroform und Methanol Plus Nrtl fit und Extrapolation zu unterschiedlichem Druck

Es werden Anstrengungen unternommen, um neue und verbesserte Modelle für die Berechnung von Eigenschaften zu entwickeln. Dies beinhaltet beispielsweise die Beschreibung von

  • Thermophysikalische Eigenschaften mögen Dampfdruck, Viskositäten, Kaloriendaten usw. von reinen Komponenten und Gemischen
  • Eigenschaften verschiedener Geräte wie Reaktoren, Destillationssäulen, Pumpen usw.
  • Chemische Reaktionen und Kinetik
  • Umwelt- und Sicherheitsdaten

Es gibt zwei Haupttypen von Modellen:

  1. Einfache Gleichungen und Korrelationen wo Parameter an experimentelle Daten angepasst werden.
  2. Vorhersagemethoden, bei denen Eigenschaften geschätzt werden.

Die Gleichungen und Korrelationen werden normalerweise bevorzugt, weil sie die Eigenschaft (fast) genau beschreiben. Um zuverlässige Parameter zu erhalten[3][4] Oder wenn keine Daten öffentlich verfügbar sind, von Messungen.

Die Verwendung von prädiktiven Methoden ist kostengünstiger als experimentelle Arbeiten und auch als Daten von Datenbanken. Trotz dieses Vorteils werden vorhergesagte Eigenschaften normalerweise nur in frühen Stadien der Prozessentwicklung verwendet, um erste ungefähre Lösungen zu finden und falsche Wege auszuschließen, da diese Schätzmethoden normalerweise höhere Fehler einführen als Korrelationen, die aus realen Daten erhalten wurden.

Prozesssimulation hat die Entwicklung mathematischer Modelle in den Bereichen von Feldern gefördert Numerics und die Lösung komplexer Probleme.[5][6]

Geschichte

Die Geschichte der Prozesssimulation hängt mit der Entwicklung der zusammen Informatik und von Computerhardware und Programmiersprachen. Frühe Implementierungen partieller Aspekte chemischer Prozesse wurden in den 1970er Jahren eingeführt, wenn geeignete Hardware und Software (hier hauptsächlich die Programmiersprachen Forran und C) wurde verfügbar. Die Modellierung chemischer Eigenschaften begann viel früher, insbesondere der Kubikum Gleichung von Zuständen und die Antoine equation waren vorläufige Entwicklungen des 19. Jahrhunderts.

Steady -State- und dynamische Prozesssimulation

Anfänglich wurde die Prozesssimulation verwendet, um zu simulieren Gleichgewichtszustand Prozesse. Steady-State-Modelle führen unabhängig von der Zeit eine Massen- und Energiebilanz eines stationären Prozesses (ein Prozess in einem Gleichgewichtszustand) durch.

Die dynamische Simulation ist eine Erweiterung der stationären Prozesssimulation, bei der Zeitabhängigkeit über abgeleitete Begriffe, d. H. Akkumulation von Masse und Energie, in die Modelle integriert wird. Das Aufkommen der dynamischen Simulation bedeutet, dass die zeitabhängige Beschreibung, Vorhersage und Kontrolle realer Prozesse in Echtzeit möglich geworden ist. Dies beinhaltet die Beschreibung des Startens und des Abschaltens einer Anlage, Änderungen der Bedingungen während einer Reaktion, Holdups, thermischen Veränderungen und vielem mehr.

Dynamische Simulationen erfordern eine erhöhte Berechnungszeit und sind mathematisch komplexer als eine Simulation des stationären Zustands. Es kann als eine mehrfache wiederholte stationäre Simulation (basierend auf einem festen Zeitschritt) mit ständig ändernden Parametern angesehen werden.

Dynamische Simulation kann sowohl online als auch offline verwendet werden. Der Online-Fall ist Modellvorhersagekontrolle, bei dem die Echtzeit-Simulationsergebnisse verwendet werden, um die Änderungen vorherzusagen, die für eine Änderung der Steuereingabe auftreten würden, und die Steuerungsparameter basierend auf den Ergebnissen optimiert werden. Offline -Prozesssimulation kann im Design, Fehlerbehebung und Optimierung der Prozessanlage sowie für die Durchführung von Fallstudien zur Bewertung der Auswirkungen von Prozessänderungen verwendet werden. Dynamische Simulation wird auch für verwendet Bedienerschulung.

Siehe auch

Verweise

  1. ^ Rhodes C. L., „Die Prozesssimulationsrevolution: Thermophysikalische Eigentumsbedürfnisse und -bedenken“, J.Cem.Eng.Data, 41, 947-950, 1996
  2. ^ Gani R., Pistikopoulos E.N., „Eigenschaftsmodellierung und Simulation für Produkt- und Prozessdesign“, Fluid Phase Equilib., 194-197, 43-59, 2002
  3. ^ Marsh K., Satyro M. A., „Integration von Datenbanken und ihre Auswirkungen auf die Prozesssimulation und -gestaltung“, Konferenz, Lake Tahoe, USA, 1994, 1-14, 1994
  4. ^ Wadsley M. W., "Thermochemische und thermophysikalische Eigentumsdatenbanken für die chemische Prozesssimulation des Computerprozesses", Konferenz, Korea, Seoul, 30. August - 2. September 1998, 253-256, 1998
  5. ^ Saeger R.B., Bishnoi P. R., "Ein modifiziertes" Inside-Out "-Algorithmus zur Simulation von mehrstufigen Mehrkomponenten-Trennungsprozessen unter Verwendung der UNIFAC-Gruppenkontributionmethode", Can.j.chem.Eng., 64, 759-767, 1986, 1986, 1986
  6. ^ Mallya J.U., Zitney S. E., Choudhary S., Stadher anhirren M.A.
  7. ^ "ASL: Physikalische Dampfabscheidungssimulation".