Ακρίβεια αποτελεσμάτων σχεδιασμού διεργασιών ΜΑΔ, 2013

Transcript

1 Ακρίβεια αποτελεσμάτων σχεδιασμού διεργασιών ΜΑΔ,

2 ΣΚΟΠΟΣ και ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΘΧΜ Σκοπός της θερμοδυναμικής χημικής μηχανικής είναι η παροχή των κατάλληλων θεωρητικών γνώσεων και των απαραίτητων υπολογιστικών-μεθοδολογικών εργαλείων στις ακόλουθες τρεις ευρείες περιοχές: Μελέτη της Εφικτότητας των Διεργασιών και της Αποδοτικής Χρήσης της Ενέργειας ΕφαρμογήΑ και Β Θερμοδυναμικού νόμου σε διεργασίες χημικής μηχανικής. Προσδιορισμός των Θερμοφυσικών Ιδιοτήτων καθαρών ρευστών και μιγμάτων Μέτρηση-Υπολογισμός-Πρόρρηση. Σχέση σφάλματος- κόστους στο σχεδιασμό διεργασιών απόσταξης. 2 Μελέτη της Χημικής Ισορροπίας και της Ισορροπίας Φάσεων Οι χημικές βιομηχανίες αποτελούνται από χημικούς αντιδραστήρες, συσκευές φυσικών διαχωρισμών (flash, αποστακτικές στήλες), βοηθητικά μηχανήματα (αντλίες, συμπιεστές, εναλλάκτες, κλπ) και άπειρα χιλιόμετρα σωληνώσεων.

3 ΘΕΜΕΛΙΑ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ (ΘΧΜ) Α. ΝΟΜΟΙ Ο. Αν τα σώματα Α και Β είναι σε θερμική ισορροπία με σώμα Γ τότε είναι σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους Εισάγει την έννοια της θερμοκρασίας. 1. Αρχή διατήρησης της ενέργειας Ισοζύγιο ενέργειας. Συνδέει τις Θερμοδυναμικές ιδιότητες H ή U με τις ποσότητες Q και W. 2. Δεν είναι εφικτή διεργασία που έχει ως μόνο αποτέλεσμα τη μεταφορά θερμότητας από σώμα χαμηλής προς σώμα υψηλής θερμοκρασίας Εισάγει την έννοια της απόλυτης θερμοκρασίας και της εντροπίας. Προσδιορίζει την εφικτότητα μιας διεργασίας και της αποδοτική χρήση της θερμότητας. 3. Η εντροπία ενός τέλειου κρυστάλλου στους 0 Κ είναι μηδενική Εισάγει τη βάση για εντροπικούς υπολογισμούς. 3 Β. ΘΕΡΜΟΦΥΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Αποτελούν τα απαραίτητα δεδομένα για την αριθμητική επίλυση προβλημάτων. Φυσικές Μετρήσιμες ( PVT, ΔHv, Cp, Cv ) Θερμοδυναμικές Υπολογιζόμενες από θερμοδυναμικές σχέσεις ως συνάρτηση των φυσικών. ( U, H, S, G. A, μ, f )

4 Ακρίβεια αποτελεσμάτων σχεδιασμού διεργασιών Ακρίβεια προσομοιωτή διεργασίας (αναλυτικά ή προσεγγιστικά μοντέλα). Ακρίβεια θερμοδυναμικού μοντέλου πρόρρησης θερμοφυσικών ιδιοτήτων και ισορροπίας φάσεων καθαρών ουσιών και μιγμάτων. Ακρίβεια δεδομένων προβλήματος (πειραματικές ή υπολογισμένες τιμές ιδιοτήτων συστατικών του συστήματος) 4

5 Απλοποιημένος σχεδιασμός αποστακτικών στηλών 1. Ελάχιστος αριθμός θεωρητικών βαθμίδων (Fenske) 2. Ελάχιστος λόγος αναρροής (Underwood) N mn ln [( X = D α xf = 1 α θ HK LK HK q / X B LK ln ( α ) /( X LH α α ) HK D HK ι HK / X B xd = R θ HK )] mn Αριθμός θεωρητικών βαθμίδων για δεδομένο λόγο αναρροής (Gllland) X Y R R = mn N N Y = mn R + 1 N + 1 = 1 exp( X 1.805X 0.1 ) 4. Βαθμός απόδοσης δίσκων (O Connell) E 0 = b b b b = ln ( α n ) L 2 3 ) 5. βαθμίδα τροφοδοσίας της στήλης (Krkbrde) m log ( ) n = log B D x x F F HK LK x x B D LK HK 2

6 6 Υπολογισμός διαστάσεων αποστακτικών στηλών

7 Σχετική πτητικότητα, α j Είναι η βασική ιδιότητα που προσδιορίζει την ευκολία ενός διαχωρισμού και χρησιμοποιείται στις απλοποιημένες μεθόδους σχεδιασμού a = j K K j K = y x Ανάλογα με τη φύση των συστατικών του μίγματος (ή της ολικής πίεσης του συστήματος) οι τάσεις διαφυγής υπολογίζονται - ανάλογα και με τη φάση - ως: Μη πολικά συστατικά Υψηλές πιέσεις: όπου οι συντελεστές τάσης διαφυγής υπολογίζονται με κυβικές καταστατικές εξισώσεις (π.χ. PR ή SRK). K = y / x = ˆ φ / ˆ φ l v Πολικά συστατικά - Χαμηλές πιέσεις: όπου : ˆv, ˆs φ φ P s με Vral με Antone, Wagner etc K s = γ ˆ φ P l v s ( Pe) = exp ( P P ) RT γ με Van Laar, Wlson, UNIFAC s ( Pe) v / ˆ φ P 7 Ιδανικά Διαλύματα Νόμος Raoult K s s P = P P a j = s P / j

8 Σχέση σφάλματος- κόστους στο σχεδιασμό διεργασιών απόσταξης. 8

9 f ( α) Σχέση σφάλματος- κόστους Ι K s α P j = = στο σχεδιασμό διεργασιών K απόσταξης j s P = f ( Tc, Pc, ω ) N R = = f ( α) P s j 9

10 1 0 Ακρίβεια πρόρρησης τάσης ατμών αλκανίων

11 Διαφορά Σ.Β. ( o C) α j Σχέση σφάλματοςκόστους στο σχεδιασμό διεργασιών απόσταξης

12 12 Ακρίβεια πειραματικών δεδομένων

13 13 Επίδραση δεδομένων στο σχεδιασμό αποστακτικών στηλών

14 14 Αξιολόγηση πειραματικών δεδομένων

15 15 Δομή απλού διυλιστηρίου πετρελαίου

16 16

17 17

18 18 Αποστακτικές στήλες

19 19 Ροή ρευστών σε αποστακτική στήλη με δίσκους