Оборудование и установки водоподготовительных систем

Введение

Актуальность работы состоит в том, что целью разработки программного продукта является создание методологии оптимизации и масштабирования химико-технологических систем. Данная методология наиболее актуальна на стадии коммерциализации лабораторных научных разработок и их трансфере в промышленное производство.
Это обусловлено тем, что целью оптимизации химико-технологической системы в современных экономических реалиях является, прежде всего, определение прибыли от реализации конечной продукции, величины эксплуатационных (текущих) затрат, эффективности капиталовложений (капитальных затрат в основные фонды - материалы, арматуру, аппараты, оборудования сроком действия более 1 года). 
Цель работы – обзор современных программных продуктов, предназначенных для расчета химико-технологических процессов. Поставленная цель предполагает решение следующих задач:
рассмотреть современные программные продукты для расчета химико-технологических процессов;
проанализировать системы имитационного моделирования для расчета химико-технологических процессов.
Методологической базой данной работы явились изучение научной литературы, анализ и синтез, а также, методы системного подхода.


1. Обзор современных программных продуктов для расчета химико-технологических процессов

Рассмотрим случай типовой химико-технологической системы, в основе которой лежит массообменный процесс - разделение гомогенной бинарной системы на дистиллят и кубовый остаток методом непрерывной ректификации. Минимум затрат на проведение процесса делает возможным получение максимальной прибыли от реализации конечных продуктов (дистиллята и кубового остатка) и максимальной рентабельности технологии [3, с. 35]. Что еще раз подчеркивает необходимость применения программных продуктов для расчета химико-технологических процессов.
Отсутствие соответствующего программного обеспечения, наряду с ограничением стоимости работ и времени, необходимых для выполнения работ, может привести к анализу и оптимизации только части существующей технологии или рассмотрению меньшего количества вариантов технических решений. Кроме того, для более полной проработки режимов работы технологии и управления в масштабах завода в некоторых случаях возникает необходимость моделирования химико-технологических систем в динамических условиях.
Развитие теории компьютерного моделирования химико-технологических систем (ХТС) открывает новые возможности решения задачи построения компьютерных моделей химических производств. К настоящему времени созданы обширные комплексы программ для компьютерного моделирования ХТС, так называемые пакеты моделирующих программ (ПМП), или симуляторы химических производств, представляющие собой программы для инженерных расчетов различных химико-технологических процессов (ХТП).
Они объединяют базы данных химических компонентов и расширенных методов расчета термодинамических свойств с гибкими методами расчета аппаратов. ПМП обладают хорошими вычислительными средствами для выполнения расчётов всех материальных и тепловых балансов, необходимых для моделирования большинства статических и некоторых динамических процессов. Экспертные системы и расширенная обработка входных данных, а также проверка ошибок обеспечивают его высокую эффективность и надежность.
Данные ПМП предназначены для выполнения поверочно-оценочных и проектных расчетов различных аппаратов, а также сложных многостадийных ХТС с большим числом единиц оборудования и рециклических потоков [2, с. 117].
В настоящее время инженерам-технологам доступно большое число программных средств моделирования химико-технологических процессов. На отечественном рынке наиболее доступны разработаннные иностранными фирмами ПМП: CHEMCAD, Aspen, PRO II, а также Hysys. Существуют также много других ПМП (отечественных и зарубежных), которые в настоящее время практически не используются.
В основу всех средств компьютерного моделирования заложены общие принципы расчетов материальных и тепловых балансов химических производств. Любая компьютерная система моделирования включает, в основном, набор следующих основных подсистем, обеспечивающих решение задачи моделирования ХТП [2, с. 118]:
Набор термодинамических данных по чистым компонентам (база данных) и средства, позволяющие выбирать определенные компоненты для описания качественного состава рабочих смесей.
Средства представления свойств природных углеводородных смесей, главным образом - нефтей и газоконденсатов, в виде, приемлемом для описания качественного состава рабочих смесей, по данным лабораторного анализа.
Различные методы расчета термодинамических свойств, таких как коэффициента фазового равновесия, энтальпии, энтропии, плотности, растворимости газов и твердых веществ в жидкостях и фугитивности паров.
Набор моделей для расчета процессов в отдельных единицах оборудования ХТС.
Средства для формирования ХТС из отдельных элементов.
Средства для расчета сложных ХТС, состоящих из множества подсистем (большого числа элементов), определенным образом соединенных между собой.
Так, к примеру, программный продукт Aspen Plus 10.2, выпущенный американской фирмой Aspen Tech Inc., предназначен для моделирования статических и динамических режимов химико-технологических процессов, а также систем

. Для работы с данным программным продуктом пользователь должен уметь пользоваться персональным компьютером и операционной системой Windows 95 или более поздней.
Aspen Plus 10.2 включает в себя большую базу данных по различным неорганическим и органическим химическим веществам в различных агрегатных состояниях и различным смесям веществ. В состав данного программного продукта входят различные программные модули для расчета основных типовых химико-технологических процессов [5, с. 2]. Программный продукт Aspen Plus 10.2 позволяет производить синтез оптимальных систем теплообмена, осуществлять расчет различных типов химических реакторов, смесителей и делителей потоков.
Для того чтобы запустить программный продукт Aspen Plus 10.2, необходимо проделать следующие действия (рис.1):

Рис. 1. Старт программного продукта Aspen Plus 10.2.
Отметим, что современные средства компьютерного моделирования, которые могут быть использованы для разработки, анализа и проектирования новых производств и для анализа работы существующих, весьма многообразны. Они позволяют автоматизировать практически все стадии инженерного труда и свести к минимуму затраты рабочего времени, трудовых ресурсов и денежных средств.
При этом поставленная задача решается оптимально, с учетом накопленного опыта и данных. Совершенно очевидно, что конкурентное развитие техники и технологии невозможно без широкомасштабного использования таких средств моделирования как в проектных и исследовательских организациях, так и на производстве.
2. Системы имитационного моделирования для расчета химико-технологических процессов
Современные химико-технологические процессы столь сложны, что для их изменения приходится использовать не только аналитику, но и результаты имитационного моделирования. В данном случае необходимо работать с моделью физического объекта и именно на модели исследовать его свойства и поведение в любых ситуациях [4]. Для этого существует много программных комплексов.
Программное обеспечение Hysys предназначено для моделирования ХТП для оптимизации проектирования схемотехнических решений технологического процесса. Помимо статического моделирования технологических схем программа позволяет в той же среде производить динамическое моделирование отдельных процессов и всей технологической цепочки, а также разрабатывать и отлаживать схемы регулирования процессов. Есть возможность выполнять расчеты основных конструктивных характеристик оборудования.
В 2002 году компанию Hyprotech Ltd приобрела Aspen Technologies. Hysys вошел состав пакета инженерного модуля AspenONE Engineering пакета AspenONE под наименованием Aspen Hysys.
В основу универсальной системы моделирования HYSYS заложены общие принципы расчетов материально-тепловых балансов технологических схем. Как правило, любое производство состоит из стадий (элементов), на каждой из которых производится определенное воздействие на материальные потоки и превращение энергии [1, с. 91].
Последовательность стадий обычно описывается с помощью технологической схемы, каждый элемент которой соответствует определенному технологическому процессу (или группе совместно протекающих процессов). Соединения между элементами технологической схемы соответствуют материальным и энергетическим потокам, протекающим в системе. В целом моделирование технологической схемы основано на применении общих принципов термодинамики и кинетики к отдельным элементам схемы и к системе в целом.
HYSYS включает набор следующих основных подсистем, обеспечивающих решение задачи моделирования химико-технологических процессов [1, с. 91-92]:
набор термодинамических данных по чистым компонентам (база данных) и средства, позволяющие выбирать определенные компоненты для описания качественного состава рабочих смесей;
средства представления свойств природных углеводородных смесей, главным образом – нефтей и газоконденсатов, в виде, приемлемом для описания качественного состава рабочих смесей, по данным лабораторного анализа;
различные методы расчета термодинамических свойств, та-ких как коэффициента фазового равновесия, энтальпии, энтропии, плотности, растворимости газов и твердых веществ в жидкостях и фугитивности паров;
набор моделей для расчета отдельных элементов технологических схем – процессов;
средства для формирования технологических схем из отдельных элементов;
средства для расчета технологических схем, состоящих из большого числа элементов, определенным образом соединенных между собой