ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΤΗΛΩΝ ΑΠΟΣΤΑΞΗΣ ΚΑΙ ΕΝΑΛΛΑΚΤΩΝ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ CHEMCAD

Transcript

1 ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΤΗΛΩΝ ΑΠΟΣΤΑΞΗΣ ΚΑΙ ΕΝΑΛΛΑΚΤΩΝ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ CHEMCAD Φοιτητής: Κόνδης Νικόλαος Επιβλέπουσα καθηγήτρια: ρ. Αθηνά Στέγγου-Σαγιά ΑΘΗΝΑ

2 Πίνακας περιεχοµένων ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Α/Α Όνοµα ενότητας-κεφαλαίου Σελ. 1 Θεωρία απόσταξης 1.1 Αποστακτικές στήλες Κατηγορίες αποστακτικών στηλών Στήλες ασυνεχούς λειτουργίας (Batch distillation columns) Στήλες συνεχούς λειτουργίας (Continuous distillation columns) Εσωτερικό περιεχόµενο στηλών απόσταξης Στήλες µε δίσκους Στήλες µε πληρωτικά υλικά 9 2 Εισαγωγικά στοιχεία για το πρόγραµµα Chemcad 2.1 Εγκατάσταση του προγράµµατος Αδειοδότηση του προγράµµατος Επιλογές αδειοδότησης Αναβάθµιση της άδειας χρήσης Αναζήτηση βοήθειας για το Chemcad Ενσωµατωµένο σύστηµα βοηθείας του προγράµµατος Εργαλείο βοηθείας «Chemcad coach» Αρχεία επίδειξης διαδικασιών (Procedure demos) 23 3 To περιβάλλον εργασίας του προγράµµατος 3.1 Χρησιµοποίηση του ποντικιού στο πρόγραµµα Χρησιµοποίηση του πληκτρολογίου στο πρόγραµµα Μπάρα τίτλου του προγράµµατος (Title bar) Βασικό µενού του προγράµµατος Μπάρα εργαλείων (Toolbar) Παράθυρο επιφάνειας εργασίας (Workspace) Παράθυρο εµφάνισης µηνυµάτων Παράθυρο του Chemcad Explorer Παράθυρο της παλέτας σχεδιασµού (Palette) Μπάρα κατάστασης (Status bar) Επεξεργασία του περιβάλλοντος εργασίας του Chemcad Εµφάνιση ή εξαφάνιση στοιχείων του περιβάλλοντος εργασίας 35 I

3 Πίνακας περιεχοµένων Μετακίνηση και αλλαγή µεγέθους των αντικειµένων του περιβάλλοντος Επιλεκτική εµφάνιση παραθύρων 37 4 Αρχεία προσοµοίωσης 4.1 Συνιστώσες του χρήστη στο πρόγραµµα (user components) Αρχεία παραδείγµατος Άνοιγµα µιας υπάρχουσας προσοµοίωσης ηµιουργία µιας νέας προσοµοίωσης Αποθήκευσης της προσοµοίωσης 39 Αποθήκευση διαφορετικών περιπτώσεων για την ίδια 4.6 προσοµοίωση Άλλες λειτουργίες διαχείρισης 41 ουλεύοντας µε αρχεία προσοµοίωσης προηγούµενων 4.8 εκδόσεων του Chemcad 41 5 ιαδικασία δηµιουργίας και χρησιµοποίηση προσοµοιώσεων 5.1 Έναρξη µιας καινούργιας προσοµοίωσης Επιλογή των µονάδων µέτρησης της προσοµοίωσης ηµιουργία του σχεδιαγράµµατος ροής Εισαγωγή λειτουργικού αντικειµένου (UnitOp) στο σχεδιάγραµµα ροής ιαχείριση λειτουργικού αντικειµένου στο σχεδιάγραµµα ροής Σχεδιασµός ροών και σύνδεσή τους µε τις λειτουργικές µονάδες Επανασχεδιασµός ροών σε µετέπειτα στάδια της προσοµοίωσης Σχεδιασµός γεωµετρικών σχηµάτων (απλών και σύνθετων) Εισαγωγή κειµένου στο σχεδιάγραµµα ροής Επιλογή των χηµικών συνιστωσών της προσοµοίωσης Αναζήτηση µιας συνιστώσας Επιλογή της συνιστώσας για την προσοµοίωση ιαχείριση των αντικειµένων της λίστας συνιστωσών Καθορισµός των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών της προσοµοίωσης Χρησιµοποιώντας το σύστηµα «Thermodynamics wizard» Χειροκίνητος καθορισµός των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών της προσοµοίωσης α Επιλογές της τιµής Κ (K-value) β Επιλογές της ενθαλπίας γ Επιλογές ιδιοτήτων µεταφοράς Προσδιορισµός των χαρακτηριστικών των ροών της προσοµοίωσης Εισαγωγή των χαρακτηριστικών των λειτουργικών µονάδων Εκτέλεση της προσοµοίωσης 65 II

4 Πίνακας περιεχοµένων 5.9 Επιθεώρηση των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης 66 6 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές 6.1 Αναφορές κειµένου Ρυθµίσεις αναφοράς Αναφορές ροών Αναφορές λειτουργικών µονάδων Αναφορές σχεδιαγράµµατος ροής Αναφορές δυναµικής προσοµοίωσης Ενοποιηµένη-ολοκληρωµένη αναφορά (Consolidated report) Αναφορές γραφικών παραστάσεων ιαγράµµατα θερµοδυναµικών αποτελεσµάτων ιαγράµµατα σχεδιαγράµµατος ροής ιαγράµµατα λειτουργικών µονάδων ιαγράµµατα δυναµικής προσοµοίωσης ιαγράµµατα δεδοµένων από αρχεία που δηµιούργησε ο χρήστης Εκτύπωση των αναφορών ιαγράµµατα της διαδικασίας ροής (Process flow diagrams) H λειτουργία των επιπέδων (layers) για επιλεκτική επισκόπηση και εκτύπωση του σχεδιαγράµµατος ροής α ηµιουργία νέου επιπέδου β Προσθήκη αντικειµένων σε ένα επίπεδο γ Εµφανίζοντας και εξαφανίζοντας επίπεδα δ ιαγραφή αντικειµένων από ένα επίπεδο ε ιαγραφή επιπέδου Εκτύπωση διαγράµµατος διαδικασίας ροής (Process flow diagram) 89 7 Μοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας 7.1 Κριτήρια για την µοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας Εισαγωγή στην διαστατοποίηση εξοπλισµού Μοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας και διαστατοποίηση συνηθισµένων λειτουργικών µονάδων Σωληνώσεις α Χαµηλή ακρίβεια β Υψηλή ακρίβεια γ ιαστατοποίηση Αντλίες, συµπιεστές και στρόβιλοι/συσκευές διαστολής (Expanders) α Χαµηλή ακρίβεια β Υψηλή ακρίβεια οχεία (Vessels) και δεξαµενές (Tanks) α Χαµηλή ακρίβεια 94 III

5 Πίνακας περιεχοµένων β Υψηλή ακρίβεια γ ιαστατοποίηση Βαλβίδες α Χαµηλή ακρίβεια β Υψηλή ακρίβεια γ ιαστατοποίηση Στήλες απόσταξης α Χαµηλή ακρίβεια β Υψηλή ακρίβεια γ ιαστατοποίηση Εναλλάκτες θερµότητας α Χαµηλή ακρίβεια β Υψηλή ακρίβεια γ ιαστατοποίηση Συσκευές ανακούφισης (Relief devices) α Χαµηλή ακρίβεια β Υψηλή ακρίβεια υναµικές προσοµοιώσεις 8.1 Ξεκινώντας µια δυναµική προσοµοίωση Επιλογές δυναµικής προσοµοίωσης Ενεργοποίηση της δυναµικής κατάστασης (dynamic state, dynamics) Ορισµός του χρονικού διαστήµατος εκτέλεσης της προσοµοίωσης Επιλογή ροών και λειτουργικών µονάδων Εκτέλεση της δυναµικής προσοµοίωσης Εκτέλεση από το αρχικό στάδιο (Run from initial state) Εκτέλεση από το τρέχον στάδιο (Run from current state) Πραγµατοποίηση ενός χρονικού βήµατος κάθε φορά κατά την εκτέλεση (Run one step at a time) Άλλες επιλογές για την δυναµική προσοµοίωση Επαναφορά στο αρχικό στάδιο (Reset from initial state) Αποθήκευση µιας κατάστασης ως το αρχικό στάδιο της προσοµοίωσης (Save as initail state) Αποτελέσµατα από δυναµικές προσοµοιώσεις Επισκόπηση των χαρακτηριστικών του σχεδιαγράµµατος ροής Σχεδίαση γραφικών παραστάσεων των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης Αναφορές κειµένου Παραµετροποίηση του προγράµµατος 9.1 Φόρµα χαρακτηριστικών για το σχεδιάγραµµα ροής (Flowsheet templates) 124 IV

6 Πίνακας περιεχοµένων ηµιουργία της φόρµας χαρακτηριστικών Επιλογές διαχείρισης της φόρµας Εισαγωγή µιας νέας χηµικής συνιστώσας στο πρόγραµµα ηµιουργία της συνιστώσας Επαναληπτική διαδικασία εισαγωγής δεδοµένων σε µια συνιστώσα (Regressing data into the component) Πεδίο ψευδοσυνιστωσών ηµιουργία νέου συµβόλου ηµιουργία νέας λειτουργικής µονάδας Εφαρµογές της γλώσσας προγραµµατισµού Visual Basic (Visual Basic Applications, VBA) Χρησιµοποιώντας µια αντίδραση που έχει οριστεί από εφαρµογή VBA Xρήση κανόνα ανάµειξης που έχει οριστεί από την εφαρµογή VBA Χρησιµοποιώντας µια λειτουργική µονάδα που έχει οριστεί από την εφαρµογή VBA Συνεργασία του Chemcad µε άλλα προγράµµατα 10.1 Εφαρµογή «Excel Data Mapping» ηµιουργία ενός χάρτη δεδοµένων του Excel (Excel data map) Εντολές εκτέλεσης του χάρτη δεδοµένων ηµιουργία λειτουργικής µονάδας του Excel Φύλλα προδιαγραφών (Specification sheets) Χρησιµοποίηση του Chemcad σαν διακοµιστή OPC (OPC server) Ενεργοποίηση του προγράµµατος ως διακοµιστή Ανάγνωση και εγγραφή τιµών στην προσοµοίωση Άλλες χρήσιµες εντολές που υποστηρίζει ο διακοµιστής Περιβάλλον COM Περιβάλλον COM ανάµεσα στα προγράµµατα Excel και Chemcad 148 ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 11 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm του προγράµµατος 11.1 Περιγραφή της εγκατάστασης Σχεδιασµός της προσοµοίωσης Εναρξη καινούργιας προσοµοίωσης και επιλογή των µονάδων µέτρησης ηµιουργία του σχεδιαγράµµατος ροής Επιλογή των χηµικών συνιστωσών της προσοµοίωσης Καθορισµός των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών της προσοµοίωσης Προσδιορισµός των χαρακτηριστικών των τροφοδοτικών ροών 156 V

7 Πίνακας περιεχοµένων Εισαγωγή των χαρακτηριστικών των λειτουργικών µονάδων α Πρώτος εναλλάκτης θερµότητας β εύτερος εναλλάκτης θερµότητας γ ιαχωριστής υγρού-ατµού δ Βαλβίδα ε Σταθεροποιητής συµπυκνωµάτων Υπολογισµός του εναλλάκτη Καθορισµός της ροής εισόδου του εναλλάκτη Σχεδιασµός και τελειοποίηση της καµπύλης θερµότητας Εισαγωγή γενικών προσδιαγραφών για τον εναλλάκτη Ορισµός δεδοµένων για τους σωλήνες Καθορισµός στοιχείων για το κέλυφος Εισαγωγή δεδοµένων για τις συσκευές παρεµπόδισης-ελέγχου ροής του ρευστού Καθορισµός προδιαγραφών για τα ακροφύσια Ορισµός στοιχείων σχετικά µε τις ανοχές Αναφορά των υλικών που χρησιµοποιήθηκαν στην κατασκευή του εναλλάκτη Εισαγωγή δεδοµένων για διάφορες άλλες γενικές παραµέτρους Εκτέλεση του υπολογισµού Επισκόπηση των αποτελεσµάτων, δηµιουργία αναφορών και σχεδιασµός γραφικών παραστάσεων Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου 12.1 Εισαγωγικά στοιχεία Περιγραφή του προβλήµατος Αναλυτικά δεδοµένα του προβλήµατος Σύσταση της τροφοδοτικής ροής Χαρακτηριστικά της τροφοδοτικής ροής Φούρνος (Fire heater, FH-1001) Στήλη απόσταξης (Distillation column, T-1001) Ατµός που εισέρχεται στο κάτω µέρος της στήλης Συµπυκνωτής (Condenser) Εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Νάφθας Ανακυκλοφορία (Pumparound) Εναλλάκτης θερµότητας (Heat exchanger) εδοµένα που αφορούν συγκεκριµένες βαθµίδες της στήλης Φούρνος (Fire heater, FH-1002) Στήλη απόσταξης (Distillation column, T-1002) Ατµός που εισέρχεται στο κάτω µέρος της στήλης Συµπυκνωτής (Condenser) Πρώτος εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Κηροζίνης εύτερος εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Ντίζελ Ανακυκλοφορία (Pumparound) Εναλλάκτης θερµότητας (Heat exchanger) εδοµένα που αφορούν συγκεκριµένες βαθµίδες της στήλης 186 VI

8 Πίνακας περιεχοµένων 12.4 Εναρξη µιας καινούργιας προσοµοίωσης Επιλογή των µονάδων µέτρησης της προσοµοίωσης ηµιουργία του σχεδιαγράµµατος ροής Επιλογή των χηµικών συνιστωσών της προσοµοίωσης Καθορισµός των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών της προσοµοίωσης Προσδιορισµός των χαρακτηριστικών των ροών της προσοµοίωσης Εισαγωγή των χαρακτηριστικών των λειτουργικών µονάδων Φούρνος (Fire heater, FH-1001) Στήλη απόσταξης (Distillation column, T-1001) Συµπυκνωτής (Condenser) Εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Νάφθας Ανακυκλοφορία (Pumparound) Εναλλάκτης θερµότητας (Heat exchanger) εδοµένα που αφορούν συγκεκριµένες βαθµίδες της στήλης Φούρνος (Fire heater, FH-1002) Στήλη απόσταξης (Distillation column, T-1002) Συµπυκνωτής (Condenser) Πρώτος εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Κηροζίνης εύτερος εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Ντίζελ Ανακυκλοφορία (Pumparound) Εναλλάκτης θερµότητας (Heat exchanger) εδοµένα που αφορούν συγκεκριµένες βαθµίδες της στήλης Εκτέλεση της προσοµοίωσης Επιθεώρηση των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου 13.1 Εισαγωγικά στοιχεία Περιγραφή του προβλήµατος Αναλυτικά δεδοµένα του προβλήµατος Σύσταση της τροφοδοτικής ροής Χαρακτηριστικά της τροφοδοτικής ροής Φούρνος (Fire heater, F-1101) Στήλη απόσταξης (Distillation column, C-1101) Ατµός που εισέρχεται στο κάτω µέρος της στήλης Συµπυκνωτής (Condenser) Πρώτος εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Jet oil εύτερος εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Kerosene Τρίτος εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Gas oil Τέταρτος εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Diesel oil Πρώτη ανακυκλοφορία (Pumparound) Πρώτη ανακυκλοφορία (Pumparound) Αερόψυκτος εναλλάκτης (Air cooler, E-1115) Υδρόψυκτος εναλλάκτης (Heat Exchanger, E-1114) 221 VII

9 Πίνακας περιεχοµένων οχείο συλλογής (Vessel, V-1103) Έναρξη µιας καινούργιας προσοµοίωσης Επιλογή των µονάδων µέτρησης της προσοµοίωσης ηµιουργία του σχεδιαγράµµατος ροής Επιλογή των χηµικών συνιστωσών της προσοµοίωσης Καθορισµός των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών της προσοµοίωσης Προσδιορισµός των χαρακτηριστικών των ροών της προσοµοίωσης Εισαγωγή των χαρακτηριστικών των λειτουργικών µονάδων Φούρνος (Fire heater, F-1101) Στήλη απόσταξης (Distillation column, C-1101) Συµπυκνωτής (Condenser) Πρώτος εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Jet oil εύτερος εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Kerosene Τρίτος εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Gas oil Τέταρτος εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Diesel oil Πρώτη ανακυκλοφορία (Pumparound) εύτερη ανακυκλοφορία (Pumparound) Αερόψυκτος εναλλάκτης (Air cooler, E-1115) Υδρόψυκτος εναλλάκτης (Heat Exchanger, E-1114) οχείο συλλογής (Vessel, V-1103) Εκτέλεση της προσοµοίωσης Επιθεώρηση των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης Σύγκριση των αποτελεσµάτων µε τις πραγµατικές τιµές της εγκατάστασης Παραρτήµατα 14.1 Παράρτηµα Α Αποτελέσµατα συνιστώσας CC-Therm Παράρτηµα Β Aποτελέσµατα υπολογισµών για την εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου Παράρτηµα Γ Αποτελέσµατα υπολογισµών της ατµοσφαιρικής απόσταξης πετρελαίου της εταιρίας Motor Oil 290 Χρήσιµη ορολογία 351 Βιβλιογραφία 355 VIII

10 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Στην παρούσα ενότητα θα ήθελα να ευχαριστήσω θερµά την καθηγήτρια του τµήµατος Μηχανολόγων Μηχανικών Ε.Μ.Π, ρ. Αθηνά Στέγγου-Σαγιά. Η βαθειά γνώση του θέµατος, η εµπειρία και οι πολύτιµες συµβουλές της υπήρξαν ανεκτίµητη βοήθεια σε όλη τη διάρκεια συγγραφής της παρούσας πτυχιακής εργασίας. Επίσης, οφείλω ένα µεγάλο ευχαριστώ στον κ. Παύλο Πολυµερόπουλο και την κ. Μαρία Σταυρίδη, εργαζόµενους της εταιρίας Motor Oil Hellas, για όλες τις χρήσιµες πληροφορίες που µου έδωσαν σχετικά µε την εγκατάσταση απόσταξης της εταιρίας τους και την άριστη διάθεση συνεργασίας που επέδειξαν. Αυτή η εργασία αφιερώνεται µε αγάπη στην οικογένειά µου και τη φίλη µου Ανδροµάχη, για τη συµπαράσταση και κατανόηση που µου έδειξαν, βοηθώντας µε να πραγµατοποιήσω όλους τους στόχους µου.

11 Θεωρία απόσταξης ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. Θεωρία απόσταξης [1, 2, 5, 6, 8, 9, 10, 17, 18] Ένα από τα πιο σηµαντικά προβλήµατα που καλείται να επιλύσει η χηµική βιοµηχανία είναι η επιλογή µιας αξιόπιστης και οικονοµικά συµφέρουσας λύσης για το διαχωρισµό ενός µίγµατος πολλών συστατικών στις επιµέρους συνιστώσες του. ιαχωριστές µε πολύ ευρεία εφαρµογή είναι οι στήλες απόσταξης, µε βασικό τους πλεονέκτηµα την απλότητα λειτουργίας και την ικανότητα να διαχωρίζουν ποικίλα είδη µιγµάτων στα συστατικά τους. Η απόσταξη είναι µια ευρέως χρησιµοποιούµενη διαδικασία για το διαχωρισµό µιγµάτων υγρής ή αέριας µορφής που αποτελούνται από δύο ή περισσότερες συνιστώσες, µε την πρόσθεση ή την αφαίρεση θερµότητας. Βασίζεται στο γεγονός ότι κάθε συνιστώσα του µίγµατος έχει διαφορετικό σηµείο βρασµού. Εποµένως, κατά το βρασµό, ο ατµός του µίγµατος θα είναι πλουσιότερος στα συστατικά που έχουν χαµηλότερο σηµείο βρασµού. Αν στη συνέχεια ψύξουµε και συµπυκνώσουµε τον ατµό αυτό δηµιουργούµε συµπύκνωµα που θα περιέχει τα πιο πτητικά συστατικά, ενώ το υπόλοιπο µίγµα θα περιέχει συστατικά µικρότερης πτητικότητας. Έχουµε επιτύχει δηλαδή την παραγωγή υγρού προϊόντος µε µεγαλύτερη περιεκτικότητα σε συγκεκριµένα συστατικά. Επαναλαµβάνοντας τη διαδικασία στο παραγόµενο προϊόν µπορούµε να βελτιώσουµε την καθαρότητα του τελικού προϊόντος σε κάποια συνιστώσα. Τα διάφορα είδη απόσταξης περιλαµβάνουν µεταξύ άλλων : i. την απλή απόσταξη (Simple distillation), που χρησιµοποιείται κυρίως για το διαχωρισµό υγρών, η θερµοκρασία βρασµού των οποίων διαφέρει τουλάχιστον κατά 25 C ή το διαχωρισµό υγρών από µη πτητικά στερεά. Κατά την απλή απόσταξη, οι παραγόµενοι ατµοί του µίγµατος οδηγούνται αµέσως στο εσωτερικό ενός συµπυκνωτή όπου ψύχονται και συµπυκνώνονται. ii. την κλασµατική απόσταξη (Fractional distillation), στην οποία διαχωρίζουµε το µίγµα στις συνιστώσες του και συλλέγουµε τα πτητικά προϊόντα κατά την παραγωγής τους. iii. την απόσταξη κενού (Vacuum distillation), κατά την οποία µειώνουµε την πίεση του µίγµατος προς απόσταξη κάτω από την πίεση ατµών του (και συνήθως κάτω από την ατµοσφαιρική πίεση), προκαλώντας την ατµοποίηση των λιγότερο πτητικών συνιστωσών του µίγµατος. Η απόσταξη κενού µπορεί να πραγµατοποιηθεί µε ή χωρίς πρόσδοση θερµότητας. iv. την αζεοτροπική απόσταξη (Azeotropic distillation), όπου προσθέτουµε ένα επιπλέον συστατικό στο µίγµα για τη δηµιουργία ετερογενούς αζεοτροπικού µίγµατος µε χαµηλότερο σηµείο βρασµού. v. την εκχυλιστική απόσταξη (Extractive distillation), που ορίζεται ως η µέθοδος κατά τη οποία προσθέτουµε ένα µη πτητικό διαλύτη στο µίγµα για τη µεταβολή της σχετικής πτητικότητας των συνιστωσών του. vi. την απόσταξη ατµού (Steam distillation), που χρησιµοποιείται όταν οι συνιστώσες του µίγµατος είναι ευαίσθητες σε θερµοκρασιακές µεταβολές και αποσυντίθεται σε υψηλή θερµοκρασία. Η παρουσία του 1

12 Θεωρία απόσταξης vii. viii. ix. ατµού βοηθά στη µείωση της θερµοκρασίας βρασµού των συνιστωσών αυτών κάτω από τη θερµοκρασία αποσύνθεσης (disintegration), κάνοντας την απόσταξη δυνατή. την απόσταξη µικρής διαδροµής (Short path distillation), που βρίσκει εφαρµογή για την απόσταξη συνιστωσών που είναι ασταθής σε υψηλές θερµοκρασίες. Κατά τη διαδικασία αυτή, οι ατµοί του µίγµατος προς απόσταξη µετακινούνται σε πολύ µικρές αποστάσεις, συνήθως µερικά εκατοστά, πριν τη ψύξη τους σε χαµηλότερες θερµοκρασίες. Το γεγονός αυτό αποτελεί το µεγαλύτερο πλεονέκτηµα της µεθόδου καθώς το µίγµα βρίσκεται σε κατάσταση αστάθειας µόνο για λίγες χρονικές στιγµές. Ένα κλασσικό παράδειγµα είναι η µετακίνηση από τον ένα δοκιµαστικό σωλήνα εργαστηρίου στον άλλο χωρίς τη χρήση συµπυκνωτή στην ενδιάµεση περιοχή. την καταστροφική απόσταξη (Destructive distillation), όπου το µίγµα θερµαίνεται τόσο ώστε να αποσυντεθεί στα παράγωγά του και στη συνέχεια να µπορέσουµε να τα συλλέξουµε. την απόσταξη αντίδρασης (Reactive distillation). Σε αυτό το είδος συνυπάρχουν η διαδικασία της απόσταξης και µια χηµική αντίδραση. Η χηµική αντίδραση λαµβάνει χώρα συνήθως στην υγρή φάση του µίγµατος ή στην επιφάνεια ενός στερεού καταλύτη που βρίσκεται σε επαφή µε την υγρή φάση. Χρησιµοποιείται κυρίως για το διαχωρισµό αζεοτροπικών µιγµάτων ή µιγµάτων συνιστωσών µε κοντινά σηµεία βρασµού. Οι παραπάνω µέθοδοι απόσταξης χρησιµοποιούνται σε πάρα πολλές εµπορικές διεργασίες όπως στην παραγωγή υποπροϊόντων του πετρελαίου (βενζίνη, κηροζίνη, παραφίνη, ναφθαλίνη κλπ), αλκοόλ, αποσταγµένου νερού, την αφαλάτωση του θαλασσινού νερού και την παραγωγή εκατοντάδων προϊόντων της χηµικής βιοµηχανίας. 1.1 Αποστακτικές στήλες Η βιοµηχανική απόσταξη πραγµατοποιείται στις περισσότερες περιπτώσεις µε τη βοήθεια µεγάλων, κάθετων στηλών που ονοµάζονται αποστακτικοί πύργοι (distillation towers) ή αποστακτικές στήλες (distillation columns). Η διάµετρός και το ύψος τους ποικίλουν ανάλογα µε την εφαρµογή και κυµαίνονται από 65 εκατοστά µέχρι 6 µέτρα (ή και περισσότερο) για τη διάµετρο και από 6 µέχρι 60 µέτρα (ή και περισσότερο) για το ύψος. Οι στήλες αυτές µπορεί να διαθέτουν εξόδους σε συγκεκριµένα διαστήµατα κατά το ύψος τους για τη συλλογή των προϊόντων (κλασµατική απόσταξη). Στην περίπτωση αυτή, τα προϊόντα µε το χαµηλότερο σηµείο βρασµού συλλέγονται από εξόδους στην κορυφή της στήλης ενώ αντίθετα, τα προϊόντα µε το υψηλότερο σηµείο βρασµού συλλέγονται από εξόδους στο πυθµένα. Οι αποστακτικές στήλες αποτελούνται από διάφορα επιµέρους εξαρτήµατα που χρησιµοποιούνται είτε για τη µεταφορά µάζας είτε τη µεταφορά θερµικής ενέργειας. Τα εξαρτήµατα αυτά είναι τα εξής: Το κέλυφος (Shell), στο εσωτερικό του οποίου λαµβάνει χώρα ο διαχωρισµός των συστατικών του µίγµατος. 2

13 Θεωρία απόσταξης Το περιεχόµενο του κελύφους που βοηθάει στο διαχωρισµό των συστατικών και µπορεί να είναι είτε δίσκοι (Τrays) είτε πληρωτικό υλικό (Ρacking material). Το συµπυκνωτή (Condenser) για τη ψύξη και συµπύκνωση του ατµού που εξέρχεται από την κορυφή της αποστακτικής στήλης. Τη δεξαµενή αναρροής (Reflux tank) για την αποθήκευση του συµπυκνωµένου ατµού που εξέρχεται από την κορυφή της στήλης. Μέρος του συµπυκνώµατος αυτού επιστρέφει πίσω στην αποστακτική στήλη (αναρροή). Τον αναβραστήρα (Reboiler) που προσδίδει την απαραίτητη ενέργεια για την ατµοποίηση µέρους του συµπυκνώµατος του πυθµένα της στήλης. Τον προθερµαντήρα τροφοδοσίας (Feed preheater) για την πρόσδοση ποσού θερµότητας στην τροφοδοτική ροή. Η παρουσία και η χρήση του προθερµαντήρα τροφοδοσίας είναι απαραίτητες κατά τη λειτουργία της στήλης όταν απαιτούνται συγκεκριµένες συνθήκες εισόδου του µίγµατος. 1.2 Κατηγορίες αποστακτικών στηλών Υπάρχουν διάφορα είδη στηλών απόσταξης, κάθε µια σχεδιασµένη για την πραγµατοποίηση διαχωρισµών ειδικού τύπου. Ανάλογα µε το τρόπο λειτουργίας τους χωρίζονται σε δύο µεγάλες κατηγορίες, τις στήλες συνεχούς λειτουργίας (Continuous distillation columns) και τις στήλες ασυνεχούς λειτουργίας (Batch distillation columns) Στήλες ασυνεχούς λειτουργίας (Batch distillation columns) Η απόσταξη ασυνεχούς λειτουργίας (Batch distillation) εφαρµόζεται τόσο σε διµερή µίγµατα (Binary mixtures) όσο και σε µίγµατα πολλών συνιστωσών (Multi-component mixtures). Χρησιµοποιείται κυρίως σε εργαστήρια και στη βιοµηχανική απόσταξη µικρών ποσοτήτων µιγµάτων. Η µέθοδος αυτή παρουσιάζει ορισµένα πλεονεκτήµατα έναντι των εναλλακτικών µεθόδων όπως το µικρότερο κόστος και τη µεγαλύτερη ευελιξία. Τα µειονεκτήµατά της είναι η δυσκολία ακριβούς ελέγχου των προϊόντων της απόσταξης και η σχετικά µικρή αποστακτική ικανότητα. Μια στήλη απόσταξης ασυνεχούς λειτουργίας δουλεύει κατά περιοδικό τρόπο. Τροφοδοτείται από µια ποσότητα µίγµατος την οποία επεξεργάζεται και πραγµατοποιεί την απόσταξη. Μόνο όταν ολοκληρωθεί η προηγούµενη διαδικασία µπορεί να ανατροφοδοτηθεί η στήλη µε καινούργιο µίγµα και να πραγµατοποιήσει καινούργια απόσταξη. H απλούστερη και συχνότερα χρησιµοποιούµενη υλοποίηση είναι ο ενισχυτής ασυνεχούς λειτουργίας (Batch rectifier). Αποτελείται από ένα τροφοδοτικό δοχείο (ή αναβραστήρα), τη στήλη ενίσχυσης, ένα συµπυκνωτή, δοχεία συλλογής του αποστάγµατος και κάποια συσκευή για το διαχωρισµό ενός µέρους του συµπυκνωµένου υγρού για τη διεργασία της αναρροής. Το τροφοδοτικό δοχείο γεµίζει µε το υγρό µίγµα και θερµαίνεται, µε αποτέλεσµα ο παραγόµενος ατµός να ρέει προς τα πάνω στη στήλη ενίσχυσης. Στην κορυφή της στήλης πραγµατοποιείται η συµπύκνωση του ατµού και στη συνέχεια, ένα µέρος του συµπυκνώµατος εισέρχεται εκ νέου στη στήλη 3

14 Θεωρία απόσταξης (αναρροή) και το υπόλοιπο συγκεντρώνεται στα δοχεία συλλογής αποστάγµατος. Κατά τη λειτουργία του ενισχυτή µπορούµε να έχουµε σταθερή τιµή αναρροής και µεταβαλλόµενη σύσταση του αποστάγµατος. Η περίπτωση αυτή είναι απλή και εύκολη στην πραγµατοποίησή της ενώ αποτελεί και τη φθηνότερη λύση σε µικρότερες εγκαταστάσεις. Μια άλλη περίπτωση είναι να έχουµε σταθερή γραµµοµοριακή παροχή ατµού από τη στήλη και µεταβαλλόµενη τιµή της αναρροής. Με το τρόπο αυτό µπορούµε να παράγουµε απόσταγµα σταθερής σύστασης και να επιτύχουµε τη ζητούµενη καθαρότητα. Βέβαια, για να πραγµατοποιηθεί αυτό χρειαζόµαστε περισσότερο πολύπλοκο σύστηµα ελέγχου µε αποτέλεσµα να αυξάνεται και το κόστος της εγκατάστασης. Μια άλλη υλοποίηση είναι ο εκροφητής ασυνεχούς λειτουργίας (batch stripper). Αποτελείται από ένα τροφοδοτικό δοχείο (ή αναβραστήρα), τη στήλη εξάντλησης, ένα συµπυκνωτή, δοχεία συλλογής του προϊόντος και κάποια συσκευή για το διαχωρισµό ενός µέρους του συµπυκνωµένου υγρού για τη διεργασία της αναρροής. Σε αντίθεση µε τον ενισχυτή, το τροφοδοτικό δοχείο του εκροφητή βρίσκεται πάνω από τη στήλη εκρόφησης. Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας οι συνιστώσες του µίγµατος µε υψηλό σηµείο βρασµού συγκεντρώνονται στα δοχεία συλλογής ενώ οι συνιστώσες µε χαµηλό σηµείο βρασµού παραµένουν στο τροφοδοτικό δοχείο. Τέλος, µια τρίτη υλοποίηση συνδυάζει τις δυο παραπάνω περιπτώσεις και ονοµάζεται στήλη ενδιάµεσου δοχείου (middle vessel column). Η στήλη αυτή περιέχει ένα τµήµα εξάντλησης και ένα τµήµα ενίσχυσης, όµοια µε τα παραπάνω, µόνο που το τροφοδοτικό δοχείο είναι τώρα κοινό και για τα δύο τµήµατα και βρίσκεται στο κέντρο της στήλης Στήλες συνεχούς λειτουργίας (Continuous distillation columns) Σε αντίθεση µε τις στήλες ασυνεχούς λειτουργίας, οι στήλες συνεχούς λειτουργίας επεξεργάζονται µια συνεχή ροή τροφοδοτικού µίγµατος. Η λειτουργία τους είναι σχεδιασµένη να µην σταµατά για κανένα λόγο εκτός για κάποια πιθανή συντήρηση ή στην εµφάνιση µηχανικού προβλήµατος. Το σύστηµα διατηρείται συνεχώς σε µια σταθερή κατάσταση µε αποτέλεσµα, οι σχετικές µε τη διεργασία ποσότητες (παροχή τροφοδοσίας, θερµοκρασία, πίεση, σύσταση, ρυθµός αναρροής κλπ), να µην µεταβάλλονται µε την πάροδο του χρόνου. Το σηµαντικότατο αποτέλεσµα του γεγονότος αυτού είναι ότι η ποιότητα και η παροχή του τελικού προϊόντος παραµένουν σταθερά. Για τη διατήρηση της σταθερής κατάστασης χρησιµοποιούνται µοντέρνα συστήµατα ελέγχου, ικανά να διορθώσουν οποιαδήποτε µεταβολή από το σηµείο ισορροπίας. Το µίγµα που πρόκειται να υποστεί επεξεργασία στην αποστακτική στήλη ονοµάζεται τροφοδοτική ροή (Feed stream). Η τροφοδοτική ροή παραλαµβάνει θερµότητα από το προθερµαντήρα τροφοδοσίας (Feed preheater), αν χρησιµοποιείται τέτοιος, και στη συνέχεια εισάγεται στην αποστακτική στήλη, συνήθως σε ύψος κοντά στο κέντρο αυτής. Το κοµµάτι της στήλης από το σηµείο εισόδου της τροφοδοσίας µέχρι την κορυφή της ονοµάζεται τµήµα εµπλουτισµού ή τµήµα ενισχύσεως (Rectifying section) ενώ 4

15 Θεωρία απόσταξης το υπόλοιπο κοµµάτι, από το σηµείο εισόδου µέχρι το πυθµένα της στήλης, καλείται τµήµα απογύµνωσης-εξάντλησης (Stripping section). Κατά τη λειτουργία της στήλης έχουµε δυο διαφορετικά ρεύµατα ρευστού που κινούνται προς αντίθετες κατευθύνσεις. Ο ατµός κινείται προς την κορυφή της στήλης και το υγρό κινείται προς το πυθµένα. Στο τµήµα ενίσχυσης ο ανερχόµενος ατµός γίνεται συνεχώς πλουσιότερος στις πτητικές συνιστώσες του µίγµατος λόγω της αλληλεπίδρασης µε το κατερχόµενο υγρό ενώ, στο τµήµα εξάντλησης, το κατερχόµενο υγρό αποδίδει όσο το δυνατόν περισσότερη ποσότητα πτητικών συνιστωσών στον ανερχόµενο ατµό. Εποµένως, έχουµε παραγωγή ατµού πλούσιου σε πτητικές συνιστώσες του µίγµατος στο τµήµα ενίσχυσης και υγρού φτωχού σε πτητικές συνιστώσες στο τµήµα εξάντλησης της στήλης. Μέρος του συµπυκνώµατος που φτάνει στο πυθµένα εισάγεται στον αναβραστήρα (Reboiler), ατµοποιείται και εισέρχεται εκ νέου στη στήλη, σε ύψος λίγο πάνω από το πυθµένα. Το υπόλοιπο συµπύκνωµα που δεν εισάγεται στον αναβραστήρα ονοµάζεται προϊόν πυθµένα (Bottom product). Ο ατµός που εξέρχεται από την κορυφή της στήλης εισάγεται στο συµπυκνωτή (Condenser), όπου ψύχεται και µετατρέπεται σε υγρό συµπύκνωµα. Το υγρό αυτό αποθηκεύεται στη δεξαµενή αναρροής (Reflux tank) και ένα µέρος αυτού επιστρέφει στο πάνω µέρος της στήλης (διαδικασία της «αναρροής») ενώ το υπόλοιπο υγρό εγκαταλείπει το σύστηµα και είναι γνωστό ως προϊόν κορυφής (Top product) ή απόσταγµα (Distillate). Ένα παράδειγµα εφαρµογής στήλης συνεχούς λειτουργίας φαίνεται στην παρακάτω εικόνα: Σχήµα 1.1: Στήλη απόσταξης µε δίσκους και υγρό τροφοδοτικό µίγµα [1]. 5

16 Θεωρία απόσταξης Οι στήλες συνεχούς λειτουργίας παρουσιάζουν πολλές διαφοροποιήσεις σε αρκετούς παράγοντες: o Μπορούν να επεξεργάζονται τροφοδοτικό µίγµα δύο συστατικών (Binary columns) ή περισσότερων (Multi-component columns). o Να παράγουν ροή δύο προϊόντων (Binary product columns) ή περισσότερων (Multi-product columns). o Να περιέχουν στο εσωτερικό τους δίσκους (Tray columns) ή πληρωτικό υλικό (Packed columns). o Να παρουσιάζουν διαφορές ως προς τη θέση εξόδου της προστιθέµενης ουσίας. Χρησιµοποιούµε προστιθέµενη ουσία για να µεταβάλουµε τη σχετική πτητικότητα του µίγµατος ή να δηµιουργήσουµε αζεοτροπικό µίγµα µε τα κύρια χαρακτηριστικά της στήλης. Αν η προστιθέµενη ουσία λαµβάνεται από το κάτω µέρος της στήλης µαζί µε το προϊόν έχουµε στήλες εκχυλιστικής απόσταξης (Extractive distillation columns) ενώ, όταν η προστιθέµενη ουσία λαµβάνεται από το πάνω µέρος της στήλης µαζί µε το προϊόν έχουµε στήλες αζεοτροπικής απόσταξης (Azeotropic distillation columns). 1.3 Eσωτερικό περιεχόµενο στηλών απόσταξης Όπως αναφέραµε και παραπάνω, στο εσωτερικό των στηλών απόσταξης µπορεί να υπάρχουν δίσκοι (trays) ή πληρωτικό υλικό (packed material) Στήλες µε δίσκους Οι δίσκοι αυξάνουν το χρόνο και καλυτερεύουν την επαφή ανάµεσα στο υγρό και το ατµώδες ρευστό επιτυγχάνοντας καλύτερο διαχωρισµό. Κάθε δίσκος του πύργου θεωρείται ως µια βαθµίδα. Τα ρεύµατα που εισέρχονται στη βαθµίδα δεν πρέπει να βρίσκονται σε ισορροπία ώστε να µπορεί να συµβαίνει συναλλαγή µάζας, διότι ακριβώς η απόκλιση από τις συνθήκες ισορροπίας παρέχει την κινούσα δύναµη για τη µεταφορά. Εάν η ανάµειξη σε µια βαθµίδα είναι τόσο αποτελεσµατική ώστε τα απερχόµενα ρεύµατα να βρίσκονται σε ισορροπία τότε καλούµε τη βαθµίδα θεωρητική ή ιδανική. Αν ο βαθµός απόδοσης του χρησιµοποιούµενου δίσκου πλησίαζε το 100%, ο αριθµός των χρησιµοποιούµενων δίσκων θα ήταν ίσος µε τον αριθµό των θεωρητικών βαθµίδων. Στη πράξη βέβαια, λόγω του µικρού χρόνου επαφής και της ανεπαρκούς επιφάνειας συναλλαγής µάζας, κάθε δίσκος παρουσιάζει µικρότερο βαθµό απόδοσης. Η διάταξη των δίσκων πρέπει να επιτρέπει τη ροή των αναγκαίων ποσοτήτων του υγρού και αερίου ρεύµατος χωρίς µεγάλη πτώση πίεσης, που δυσχεραίνει τη λειτουργία της στήλης απόσταξης. Επίσης, µεγάλη σηµασία έχει και η έννοια της πληµµύρισης. Λόγω µεγάλων ταχυτήτων του αερίου και του υγρού ρεύµατος, οι αγωγοί καθόδου του υγρού υπερχειλίζουν και έτσι δεν είναι δυνατή η προς τα κάτω ροή του υγρού ρεύµατος. Στην περίπτωση αυτή έχουµε απότοµη αύξηση της πτώσης πίεσης και εποµένως αδύνατη λειτουργία της στήλης. είκτης της πληµµύρισης είναι η πτώση πίεσης ανά δίσκο ενώ σηµαντικό ρόλο παίζει και η απόσταση των δίσκων µεταξύ τους. Οι πιο συνηθισµένοι τύποι δίσκων είναι οι εξής: a) ιάτρητοι δίσκοι (Sieve trays, perforated trays): Αποτελούν την απλούστερη µορφή δίσκων. Το ανερχόµενο αέριο ρεύµα διέρχεται διαµέσου των οπών του δίσκου και αναµιγνύεται µε το κατερχόµενο υγρό που ρέει 6

17 Θεωρία απόσταξης εγκάρσια του δίσκου µέσω των αγωγών καθόδου. Βασικό τους πλεονέκτηµα είναι η απλότητα της κατασκευής, το µικρό κόστος, η αποτελεσµατικότητα και ο εύκολος καθαρισµός τους. Το κύριο µειονέκτηµά τους είναι ότι λειτουργούν κανονικά σε σχετικά µικρή περιοχή ταχυτήτων αερίου και υγρού ρεύµατος. Όταν υπάρχει µικρή ταχύτητα του αέριου µίγµατος το υγρό ρεύµα ρέει διαµέσου των οπών του δίσκου, µειώνοντας έτσι δραστικά το βαθµό απόδοσής του. Από την άλλη, λειτουργία σε υψηλές ταχύτητες οδηγεί σε φαινόµενα πληµµύρισης της στήλης. Σχήµα 1.2: ιάτρητοι δίσκοι [Jaeger products Inc., 21]. Σχήµα 1.3: Πειραµατική εφαρµογή διάτρητων δίσκων [Paul Philips, 25]. b) ίσκοι µε κάψες (Bubble cap trays): Αυτός ο τύπος δίσκων περιέχει έναν ορισµένο αριθµό ανεστραµµένων καψών µε σχισµές από τις οποίες περνάει το ανερχόµενο αέριο ρεύµα και αναµιγνύεται µε το υγρό ρεύµα, που ρέει εγκάρσια στο δίσκο. Κύριο πλεονέκτηµά τους είναι ότι επιτρέπουν µεγάλες ταχύτητες αερίου ρεύµατος (σχετικά µε τους άλλους τύπους δίσκων) ενώ, ως µειονέκτηµα αναφέρεται το υψηλό τους κόστος, η µεγάλη πτώση πίεσης και η µεγάλη παράσυρση του υγρού ρεύµατος. 7

18 Θεωρία απόσταξης Σχήµα 1.4: ίσκοι µε κάψες [Sulzer Chem-Tech., 23]. Σχήµα 1.5: Ανεστραµµένες κάψες [Zehua Chemical Engineering Co., 24]. c) ίσκοι µε βαλβίδες (Valve trays): Στην περίπτωση αυτή ο δίσκος περιέχει έναν ορισµένο αριθµό βαλβίδων τοποθετηµένων κάθετα στη ροή του αερίου ρεύµατος. Σε µικρές ταχύτητες του αερίου ρεύµατος η βαλβίδα ανοίγει ελαφρά επιτρέποντας την είσοδο του αερίου, εµποδίζοντας ταυτόχρονα τη διαρροή του υγρού ρεύµατος. Αν έχουµε µεγάλες ταχύτητες του αερίου τότε οι βαλβίδες ανοίγουν πλήρως. Σε περίπτωση που διακοπεί η ροή του αερίου το πλήρες κλείσιµο της βαλβίδας οδηγεί στη δηµιουργία ενός στρώµατος υγρού στην επιφάνεια του δίσκου. Οι δίσκοι µε βαλβίδες παρουσιάζουν γενικά χαµηλό κόστος και υψηλές ταχύτητες αερίου ρεύµατος. Σχήµα 1.6: Λεπτοµέρεια δίσκου βαλβίδων [Paul Phillips, 25]. 8

19 Θεωρία απόσταξης Σχήµα 1.7: ίσκοι βαλβίδων [ACS-Montz, 20]. Συγκρίνοντας τα τρία παραπάνω είδη εφαρµογών δίσκων µπορούµε να δηµιουργήσουµε το παρακάτω πίνακα [1]. ιάτρητοι δίσκοι ίσκοι µε βαλβίδες ίσκοι µε κάψες Σχετικό κόστος Πτώση πίεσης Μικρή Μέτρια Υψηλή Απόδοση µεταφοράς Μικρή Υψηλή Υψηλή µάζας Χωρητικότητα ατµού Υψηλή Υψηλή Μικρή Λόγος της µέγιστης χωρητικότητας ατµού προς την ελάχιστη Στις περισσότερες εµπορικές εφαρµογές χρησιµοποιούνται διάτρητοι δίσκοι λόγω του µικρότερου κόστους εκτός αν χρειαζόµαστε µεγαλύτερη ευελιξία, οπότε επιλέγουµε δίσκους µε βαλβίδες. Οι δίσκοι µε κάψες χρησιµοποιούνται σπανίως σε σύγχρονες εγκαταστάσεις αλλά ίσως προτιµηθούν όταν χρειάζεται να διατηρήσουµε την ποσότητα του υγρού ρευστού στο δίσκο αρκετή ώρα ώστε να λάβει χώρα κάποια χηµική αντίδραση ή όταν θέλουµε να αποφύγουµε το φαινόµενο της πληµµύρισης Στήλες µε πληρωτικά υλικά [1, 3, 4, 7, 8] Οι στήλες µε πληρωτικό υλικό ενδείκνυνται για µικρότερες εγκαταστάσεις και διεργασίες µε µικρή πτώση πίεσης. Εντός της στήλης, σε ειδικά στηρίγµατα, φέρεται µια µάζα αδρανών στερεών τεµαχίων που ονοµάζεται πληρωτικό υλικό. Συνήθως, το υγρό ρεύµα εισάγεται κοντά στη κορυφή της στήλης µε τη βοήθεια ενός κατανεµητή (liquid distributor), που εξασφαλίζει την οµοιόµορφη κατανοµή του υγρού στη µάζα των πληρωτικών υλικών, ενώ το αέριο ρεύµα εισέρχεται κοντά στο πυθµένα. 9

20 Θεωρία απόσταξης Σε µερικές περιπτώσεις, όταν το πάχος των πληρωτικών υλικών είναι αρκετά µεγάλο, παρατηρείται το φαινόµενο το υγρό ρεύµα να ρέει κυρίως κοντά στα τοιχώµατα της στήλης ενώ το αέριο ρεύµα να ανέρχεται κυρίως από το κέντρο της στήλης. Σηµαντικό επακόλουθο είναι να µειώνεται δραµατικά η επαφή των δύο ρευµάτων και η απόδοση της συνολικής διεργασίας διαχωρισµού. Η λύση του παραπάνω προβλήµατος είναι η εγκατάσταση περισσότερων κατανεµητών υγρού σε διαφορετικά ύψη της στήλης. Βασική επιδίωξη των πληρωτικών υλικών είναι να προσφέρουν όσο το δυνατόν µεγαλύτερη ειδική επιφάνεια για την αλληλεπίδραση των δύο ρευµάτων. Επιπλέον, πρέπει να αντέχουν στη διάβρωση και τις µεγάλες πιέσεις της στήλης και να µην προκαλούν µεγάλη πτώση πίεσης στα δύο ρεύµατα, καθώς αυτό θα σήµαινε µεγαλύτερα ποσά ενέργειας για τη µεταφορά του ατµού στο πάνω µέρος της στήλης. Καθώς αυξάνει το µέγεθος του πληρωτικού υλικού µειώνεται η πτώση πίεσης αλλά και η απόδοση της µεταφοράς µάζας. Εποµένως, το βέλτιστο µέγεθος θα πρέπει να αποτελεί έναν συµβιβασµό ανάµεσα στους δύο παραπάνω παράγοντες της χαµηλής πτώσης πίεσης και του υψηλού ρυθµού µεταφοράς µάζας. Ανάλογα µε το είδος του υλικού που χρησιµοποιείται, τα πληρωτικά υλικά µπορεί να είναι µεταλλικά, κεραµικά ή πλαστικά. Τα µεταλλικά υλικά παρουσιάζουν εξαιρετική αντοχή και καλή συµπεριφορά µε υγρά ρεύµατα. Τα κεραµικά έχουν εξαιρετική συµπεριφορά στα υγρά ρεύµατα αλλά χαµηλότερη αντοχή και χρησιµοποιούνται κυρίως για να αντιµετωπιστούν φαινόµενα διάβρωσης σε υψηλές θερµοκρασίες. Η χρήση πλαστικών υλικών, από την άλλη, προσφέρει αποδεκτή αντοχή και χαµηλό κόστος αλλά η συµπεριφορά τους στα υγρά ρεύµατα είναι προβληµατική, ειδικά όταν έχουµε χαµηλές παροχές. Σχήµα 1.8: ιάφορα είδη πληρωτικού υλικού [1]. 10

21 Θεωρία απόσταξης Τα πληρωτικά υλικά µπορούν να πάρουν οποιοδήποτε σχήµα θεωρείται ότι βοηθάει στη διεργασία αλλά πιο συνηθισµένη µορφή είναι αυτή του δακτυλίου. Σε παλαιότερες εγκαταστάσεις συναντάµε κυρίως κεραµικούς δακτυλίους Raschig ή σάγµατα Berl. Οι νεότερες εγκαταστάσεις χρησιµοποιούν µεταλλικούς και πλαστικούς δακτυλίους Pall, µεταλλικούς δακτυλίους Bialecki και κεραµικά σάγµατα Intalox. Αυτά τα υλικά παρουσιάζουν µεγαλύτερη επιφάνεια για τη µεταφορά µάζας, µεγαλύτερη χωρητικότητα ατµού και µικρότερη πτώση πίεσης. Τα πληρωτικά υλικά νεότερης γενιάς περιλαµβάνουν υλικά που έχουν τη µορφή πλέγµατος, µε τα ρεύµατα υγρού και ατµού να ρέουν διαµέσου τους (through-flow packings). Στην κατηγορία αυτή ανήκουν, µεταξύ άλλων, τα µεταλλικά Intalox IMTP, οι µεταλλικοί, πλαστικοί και κεραµικοί µικροδακτύλιοι Cascade, τα µεταλλικά Levapak και Leximax και οι µεταλλικοί, κεραµικοί και πλαστικοί δακτύλιοι Hiflow. Αυτός ο τύπος πληρωτικών υλικών παρουσιάζει ακόµα µικρότερη πτώση πίεσης και µεγαλύτερους ρυθµούς µεταφοράς µάζας και γι αυτό ονοµάζονται και πληρωτικά υλικά µεγάλης απόδοσης. Σχήµα 1.9: Πληρωτικό υλικό µεγαλύτερης απόδοσης [Koch-Glitsch, 22]. Εκτός από τις παραπάνω κατηγορίες υπάρχει και η δυνατότητα χρήσης δοµηµένων πληρωτικών υλικών (structured packings). Αυτά αποτελούνται από διάφορες στρώσεις υλικών που συγκρατούνται µεταξύ τους, δηµιουργώντας ένα ενιαίο δοµικό σύνολο. Παραδείγµατα εφαρµογών είναι τα µεταλλικά και πλαστικά Mellapak 250Y, τα µεταλλικά Flexipac, τα µεταλλικά και πλαστικά Gempack 4A και άλλα. Παρά το γεγονός ότι το κόστος ανά µονάδα όγκου είναι αισθητά µεγαλύτερο από τις δύο παραπάνω κατηγορίες, προσφέρουν ελάχιστη πτώση πίεσης ανά θεωρητική βαθµίδα, µέγιστη απόδοση και µεγάλη χωρητικότητα ατµού. 11

22 Θεωρία απόσταξης Σχήµα 1.10: οµηµένο πληρωτικό υλικό Intalox [Koch-Glitsch, 22]. Ένα παράδειγµα εφαρµογής των πληρωτικών υλικών αυτού του τύπου φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Σχήµα 1.11: Στήλη απόσταξης µε δοµηµένο πληρωτικό υλικό [1]. 12

23 Θεωρία απόσταξης Κάνοντας µια σύγκριση µεταξύ των τριών ειδών εφαρµογών πληρωτικών υλικών µπορούµε να δηµιουργήσουµε το παρακάτω πίνακα [1]: Απλοί δακτύλιοι και σάγµατα Πληρωτικά υλικά «through flow» οµηµένα πληρωτικά υλικά Σχετικό κόστος Χαµηλό Μέτριο Υψηλό Πτώση πίεσης Μέτρια Χαµηλή Πολύ χαµηλή Απόδοση µεταφοράς µάζας Μέτρια Υψηλή Πολύ υψηλή Χωρητικότητα ατµού Σχετικά υψηλή Υψηλή Υψηλή Λόγος της µέγιστης χωρητικότητας ατµού προς την ελάχιστη

24 Εισαγωγικά στοιχεία για το πρόγραµµα Chemcad 2. Εισαγωγικά στοιχεία για το πρόγραµµα Chemcad Το πρόγραµµα Chemcad είναι ένα ισχυρό και αποτελεσµατικό υπολογιστικό εργαλείο για την προσοµοίωση χηµικών διεργασιών. Χρησιµοποιείται για το σχεδιασµό, τη λειτουργία και τη συντήρηση των χηµικών διεργασιών διαφόρων βιοµηχανιών, µε ιδιαίτερη εφαρµογή στη χηµική βιοµηχανία. Μπορεί να χρησιµοποιηθεί για τη µοντελοποίηση συνεχών (continuous), ασυνεχών (batch) και ηµι-συνεχών (semi-batch) διεργασιών και την προσοµοίωση στατικών (steady-state) και δυναµικών (dynamic) συστηµάτων. Η υπολογιστική εφαρµογή του Chemcad αποτελείται από διάφορα εργαλεία που βοηθούν, το κάθε ένα, στην επίλυση διαφορετικών ειδικών αναγκών. Πιο συγκεκριµένα, έχουµε τις παρακάτω εφαρµογές: CC-STEADY STATE: Αποτελεί την κύρια εφαρµογή του προγράµµατος Chemcad και χρησιµεύει στο σχεδιασµό νέων διεργασιών, την αξιολόγηση υπαρχόντων και βελτιστοποίηση διεργασιών σε στατική κατάσταση. CC-DYNAMICS: Η εφαρµογή αυτή βοηθάει στο σχεδιασµό και την αξιολόγηση διεργασιών χρησιµοποιώντας δυναµική προσοµοίωση. Για παράδειγµα µπορεί να προσοµοιώσει απλά συστήµατα µε έναν αποταµιευτή µέχρι πολύπλοκα συστήµατα ελέγχου στηλών απόσταξης. CC-BATCH: Χρήσιµη στη σχεδίαση, την αξιολόγηση και βελτιστοποίηση στηλών ασυνεχούς απόσταξης. CC-THERM: Με το CC-THERM µπορούµε να σχεδιάσουµε έναν εναλλάκτη θερµότητας, να εξετάσουµε µε λεπτοµέρεια έναν εναλλάκτη θερµότητας του εµπορίου και να πραγµατοποιήσουµε υπολογισµούς σε υποθετικά σενάρια λειτουργίας. CC-SAFETY NET: H εν λόγω εφαρµογή χρησιµοποιείται στο σχεδιασµό και την αξιολόγηση δικτύων σωληνώσεων και συσκευών ασφαλείας, σε στατικά και δυναµικά συστήµατα. Επιπλέον µπορεί να πραγµατοποιήσει υπολογισµούς ροής και πίεσης σε ροή απλής ή πολλαπλής φάσης. CC-FLASH: Αποτελεί κοµµάτι της εφαρµογής CC-STEADY STATE που χρησιµεύει στη γρήγορη παραγωγή αποτελεσµάτων σχετικά µε την ισορροπία φάσεων και φυσικών ιδιοτήτων όπως και την πρόβλεψη ιδιοτήτων και την επαναληπτική διαδικασία. 2.1 Εγκατάσταση του προγράµµατος Πριν την εγκατάσταση του Chemcad στο προσωπικό υπολογιστή του χρήστη είναι χρήσιµο να ελέγξει αν το σύστηµά του ανταποκρίνεται στις ελάχιστες απαιτήσεις του προγράµµατος. Αυτές παρουσιάζονται συνοπτικά στο παρακάτω πίνακα: Ταχύτητα επεξεργαστή Λειτουργικό σύστηµα 500 Mhz ή υψηλότερος Windows 2000, XP ή Vista 14

25 Εισαγωγικά στοιχεία για το πρόγραµµα Chemcad Μνήµη RAM Κάρτα γραφικών Ανάλυση οθόνης Χώρος στο σκληρό δίσκο Επιπλέον απαιτήσεις προγραµµάτων 256 MB Με µνήµη 128 MB ή υψηλότερη 1024 x 768 ή υψηλότερη 500 MB (750 MB κατά τη διάρκεια της εγκατάστασης) Μερικές εφαρµογές απαιτούν το πρόγραµµα Microsoft Office Κατά την εισαγωγή του cd-rom του προγράµµατος και την αυτόµατη αναπαραγωγή του από το λειτουργικό σύστηµα των Windows εµφανίζεται στην οθόνη µας η παρακάτω αρχική εικόνα: Σχήµα 2.1: Αρχική οθόνη εγκατάστασης του προγράµµατος. Αν η εικόνα αυτή δεν εµφανιστεί αυτόµατα θα χρειαστεί να ξεκινήσουµε την εγκατάσταση χειροκίνητα ακολουθώντας τα εξής βήµατα: Κάνουµε διπλό αριστερό κλικ στο εικονίδιο «Ο υπολογιστής µου», Κάνουµε διπλό αριστερό κλικ στο εικονίδιο της µονάδας αναπαραγωγής cd του υπολογιστή µας, Τέλος, κάνουµε διπλό αριστερό κλικ στο αρχείο µε το όνοµα «setup.exe». Από τις επιλογές που εµφανίζονται στην παρακάτω εικόνα µας ενδιαφέρει αρχικά για την εγκατάσταση η επιλογή «Install Chemcad». Οι άλλες επιλογές είναι περιληπτικά οι εξής: o «Contact us»: Εµφανίζει τις διευθύνσεις επικοινωνίας µε την εταιρία Chemstations, υπεύθυνη για τη δηµιουργία του προγράµµατος. 15

26 Εισαγωγικά στοιχεία για το πρόγραµµα Chemcad o «Browse cd contents»: Προκαλεί την εµφάνιση νέου παραθύρου στην οθόνη µας που µας δείχνει τα περιεχόµενα του cd του προγράµµατος. o «View our web site»: Οδηγεί στο άνοιγµα της κεντρικής σελίδας στο διαδίκτυο της εταιρίας Chemstations. o «Install accessories»: Mε την επιλογή αυτή µπορούµε να εγκαταστήσουµε κάποια επιπλέον χρήσιµα στοιχεία σχετικά µε την άδεια λειτουργίας του προγράµµατος. o «Exit»: Χρήσιµο για το κλείσιµο την αρχικής αυτής οθόνης χωρίς να πραγµατοποιήσουµε καµία από τις παραπάνω πράξεις. Στη συνέχεια ακολουθούµε τις αναλυτικές οδηγίες που εµφανίζονται στην οθόνη µας και πραγµατοποιούµε βήµα-βήµα την εγκατάσταση. Επιπλέον, στην οθόνη επιλογής του φακέλου εγκατάστασης του προγράµµατος (Destination Folder), το πρόγραµµα έχει από µόνο του (default) επιλέξει την παρακάτω διεύθυνση στο σκληρό µας δίσκο: C:\Program Files\Chemstations\CHEMCAD. Αν υπάρχει λόγος αλλαγής της πιο πάνω διεύθυνσης τότε αυτό µπορεί να πραγµατοποιηθεί µε την επιλογή «Change». Τέλος, στην οθόνη επιλογής του τύπου της εγκατάστασης (Setup Type) που θέλουµε να πραγµατοποιήσουµε παρατηρούµε δύο επιλογές. Η επιλογή «Complete» για την πλήρη εγκατάσταση όλων των συνιστωσών του προγράµµατος στον υπολογιστή µας και η επιλογή «Custom» που µας επιτρέπει να αποφασίσουµε µόνοι µας ποιες συνιστώσες θέλουµε να εγκαταστήσουµε. Αφού πραγµατοποιηθεί µε επιτυχία η εγκατάσταση του Chemcad είµαστε έτοιµοι για το επόµενο αναγκαίο στάδιο, αυτό της αδειοδότησης του προγράµµατος. 2.2 Αδειοδότηση του προγράµµατος Πριν ξεκινήσουµε µε τη διαδικασία αδειοδότησης του Chemcad θα πρέπει να επιλέξουµε κάποιο από τα διαφορετικά είδη αδείας χρήσης που προσφέρονται από το πρόγραµµα. Αρκετά από τα είδη αδείας απαιτούν τη χρησιµοποίηση µιας ηλεκτρονικής συσκευής (dongle), που έχει ως στόχο την επιπλέον προστασία από την παράνοµη χρήση και διακίνηση του προγράµµατος χωρίς την άδεια της εταιρίας. Η συσκευή αυτή πρέπει να συνδέεται µε τον υπολογιστή µέσω µιας παράλληλης θύρας (parallel port) ή θύρας USB (USB port) κάθε φορά που θα θέλουµε να δουλέψουµε µε το Chemcad. Οι συσκευές αυτές (dongle),ανάλογα µε την κάθε περίπτωση, χωρίζονται σε τέσσερεις κατηγορίες: I. Συσκευή απλού χρήστη (παράλληλης σύνδεσης ή σύνδεσης USB) (SuperPro single-user dongle) II. Συσκευή δικτύου (παράλληλης σύνδεσης ή σύνδεσης USB) (SuperPro Net dongle) III. Συσκευή υπεύθυνου τεχνικού του δικτύου (παράλληλης σύνδεσης) (Sentinel Scribe single-user dongle) 16

27 Εισαγωγικά στοιχεία για το πρόγραµµα Chemcad IV. Συσκευή διαχειριστή δικτύου (παράλληλης σύνδεσης) (NetSentinel network dongle) Σε περίπτωση εργασίας σε δίκτυο υπολογιστών (για παράδειγµα σε εσωτερικό δίκτυο µιας εταιρίας) τότε, ανάλογα το είδος της αδείας που θα έχουµε, µπορεί να µην χρειάζεται να συνδέσουµε µια συσκευή αναγνώρισης σε κάθε υπολογιστή του εν λόγω δικτύου αλλά µόνο στο κύριο υπολογιστή που χειρίζεται το δίκτυο (network server). Σε κάποιες περιπτώσεις δεν χρειάζεται να χρησιµοποιήσουµε κάποια από τις παραπάνω συσκευές αλλά η αδειοδότηση επιτυγχάνεται είτε µε την εγκατάσταση κατάλληλου λογισµικού διαχείρισης αδείας (License Manager software) για χρήση σε δίκτυο υπολογιστών, είτε µε τη µέθοδο της αδειοδότησης συστήµατος (System Authorization method) κατά την οποία επιτρέπεται η χρήση του προγράµµατος σε έναν µόνο υπολογιστή για περιορισµένο χρόνο Επιλογές Αδειοδότησης Αν έχουµε στην κατοχή µας κάποια από τις παραπάνω αναφερόµενες ηλεκτρονικές συσκευές (dongle) θα πρέπει να τη συνδέσουµε στον υπολογιστή πριν αρχίσουµε να χρησιµοποιούµε το πρόγραµµα. Την πρώτη φορά που θα τρέξουµε το Chemcad, όταν ολοκληρωθεί η διαδικασία φορτώµατος του προγράµµατος, θα εµφανιστεί στη οθόνη µας η παρακάτω εικόνα του µενού επιλογών αδειοδότησης. Σχήµα 2.2: Οθόνη «License Settings» µε όλες τις επιλογές για την αδειοδότηση του προγράµµατος. Στο παραπάνω µπορούµε να επιλέξουµε ποια από τις µεθόδους άδειας χρήσης θέλουµε να χρησιµοποιήσουµε κάνοντας κλικ στο αντίστοιχο τετραγωνάκι στα αριστερά της επιλογής. 17

28 Εισαγωγικά στοιχεία για το πρόγραµµα Chemcad Στα δεξιά του µενού αυτού φαίνονται κάποιες επιλογές για τους χρήστες δικτύου (αν το πρόγραµµα λειτουργεί σε δίκτυο) µε τις οποίες µπορούν να ζητήσουν άδεια για τις επιµέρους συνιστώσες του προγράµµατος. Για την κάθε συνιστώσα µπορούµε, κινώντας τη αντίστοιχη µπάρα, να επιλέξουµε να ζητάµε άδεια κάθε φορά που ανοίγουµε το πρόγραµµα («Always»), κάθε φορά που προσπαθούµε να χρησιµοποιήσουµε τη συγκεκριµένη συνιστώσα («As needed») ή να µην ζητήσουµε ποτέ άδεια για αυτή τη συνιστώσα («Never»). Τέλος, η επιλογή «Always show this screen at startup» µας επιτρέπει να ελέγξουµε αν θέλουµε ή όχι να βλέπουµε την παραπάνω οθόνη σε κάθε εκκίνηση του προγράµµατος. Η οθόνη αυτή µπορεί να εµφανιστεί όποια στιγµή επιθυµούµε κατά τη διάρκεια της εργασία µας σε κάποια προσοµοίωση επιλέγοντας διαδοχικά Tools-Options-License Settings από τη βασική µπάρα επιλογών του Chemcad ή αν δεν έχουµε κάποια τρέχουσα προσοµοίωση επιλέγοντας διαδοχικά License-License Settings. Όταν πραγµατοποιήσουµε τις απαραίτητες επιλογές και κάνουµε κλικ στο πλήκτρο «ΟΚ» εµφανίζεται η παρακάτω οθόνη «Licenses in Use» που µας δείχνει επιγραµµατικά όλα τα προϊόντα για τα οποία έχουµε ενεργή άδεια, το είδος, το σειριακό αριθµό και τις ιδιότητες της άδειας αυτής. Σχήµα 2.3: Παράθυρο στοιχείων για όλες τις ενεργές άδειες που έχουµε στη κατοχή µας. Επιλέγοντας το «ΟΚ» κλείνουµε το παράθυρο και είµαστε έτοιµοι να ξεκινήσουµε να δουλεύουµε µε το Chemcad Αναβάθµιση της άδειας χρήσης Η ηλεκτρονική συσκευή προστασίας από την παράνοµη χρήση του προγράµµατος (dongle) είναι προγραµµατισµένη να λειτουργεί µόνο για το συγκεκριµένο χρονικό διάστηµα της άδειας χρήσης του Chemcad. Όταν ο 18

29 Εισαγωγικά στοιχεία για το πρόγραµµα Chemcad χρόνος αυτός παρέλθει τότε θα πρέπει να αναβαθµίσουµε τη συσκευή για να συνεχίσουµε να χρησιµοποιούµε το πρόγραµµα. Το γεγονός αυτό µειώνει την πιθανότητα κλοπής και κατάχρησης της συσκευής από τρίτα πρόσωπα. Η αναβάθµιση της συσκευής γίνεται µε τη βοήθεια ενός αρχείου διαµόρφωσης (configuration file) το οποίο µας αποστέλλεται από την εταιρία Chemstations µέσω του ηλεκτρονικού ταχυδροµείου. To όνοµα του αρχείου αυτού θα περιέχει ένα τετραψήφιο ή πενταψήφιο αριθµό. Πρέπει ο αριθµός αυτός να είναι ίδιος µε τον αριθµό που υπάρχει επάνω στη συσκευή µας αλλιώς δεν µπορούµε να προχωρήσουµε στην αναβάθµιση της συσκευής. Για την πραγµατοποίηση της αναβάθµισης θα πρέπει να ακολουθήσουµε τα παρακάτω βήµατα: Ξεκινάµε το πρόγραµµα Chemcad. Η εικόνα του µενού επιλογών αδειοδότησης εµφανίζεται αυτόµατα ή αν έχουµε αλλάξει τη ρύθµιση εµφάνισής της επιλέγουµε διαδοχικά Tools-Options-License Settings από τη µπάρα επιλογών του Chemcad αν δουλεύουµε µε κάποια προσοµοίωση ή αν δεν έχουµε κάποια τρέχουσα προσοµοίωση επιλέγοντας διαδοχικά License-License Settings. Στην οθόνη αυτή επιλέγουµε κάποια από τις παρακάτω ταµπέλες (tab) ανάλογα µε το είδος της συσκευής που χρησιµοποιούµε: Sentinel Scribe, NetSentinel, SuperPro ή SuperPro Net. Σχήµα 2.4: Οθόνη «License Settings» µε όλες τις επιλογές για την αδειοδότηση του προγράµµατος. Στη ταµπέλα που επιλέξαµε βρίσκουµε το κουµπί επαναπρογραµµατισµού της συσκευής και το επιλέγουµε. Για παράδειγµα, αν έχουµε επιλέξει τη ταµπέλα Sentinel Scribe θα πρέπει 19

30 Εισαγωγικά στοιχεία για το πρόγραµµα Chemcad να κάνουµε κλικ στην επιλογή «Re-program Sentinel Scribe» όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Όµοια κουµπιά υπάρχουν σε κάθε µια από τις τέσσερεις διαφορετικές ταµπέλες (Sentinel Scribe, NetSentinel, SuperPro, SuperPro Net). Σχήµα 2.5: Επιλογές τις ταµπέλας «Sentinel Scribe». Στο επόµενο παράθυρο διαλόγου που εµφανίζεται επιλέγουµε τη τοποθεσία που βρίσκεται το αρχείο διαµόρφωσης και κάνουµε κλικ στο πλήκτρο «ΟΚ». To Chemcad αναλαµβάνει να επαναπρογραµµατίσει τη συσκευή και σε περίπτωση επιτυχίας εµφανίζει το ανάλογο µήνυµα σε παράθυρο διαλόγου. Επιλέγουµε το «ΟΚ» για να κλείσουµε το παράθυρο. Αν εµφανιστεί η οθόνη «Licenses in Use» επιλέγουµε «ΟΚ» για το κλείσιµο. Η αναβάθµιση της ηλεκτρονικής συσκευής (dongle) έχει πραγµατοποιηθεί. 2.3 Αναζήτηση βοήθειας για το Chemcad Το πρόγραµµα Chemcad παρέχει στο χρήστη µια πληθώρα µεθόδων βοήθειας για την απάντηση των περισσότερων ερωτηµάτων που µπορεί να εµφανιστούν κατά τη χρήση του. Οι µέθοδοι αυτοί αναλύονται παρακάτω: Ενσωµατωµένο σύστηµα βοηθείας του προγράµµατος Το πρόγραµµα Chemcad έχει ενσωµατωµένο σύστηµα βοήθειας το οποίο αναλύει κάθε παράµετρο του προγράµµατος µε λεπτοµέρεια. Κατά τη διάρκεια της εργασίας µας στο περιβάλλον του προγράµµατος πιέζοντας το πλήκτρο F1 εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο βοήθειας. Το παράθυρο αυτό χωρίζεται σε δύο περιοχές, την αριστερή και τη δεξιά. Στη ν αριστερή περιοχή επιλέγοντας τη καρτέλα «Περιεχόµενα» εµφανίζεται το 20

31 Εισαγωγικά στοιχεία για το πρόγραµµα Chemcad µενού των περιεχοµένων του συστήµατος βοήθειας. Επιλέγοντας κάποιο από τα θέµατα αυτά στην αριστερή περιοχή εµφανίζουµε το πλήρες κείµενο βοηθείας στη δεξιά περιοχή της οθόνης. Η καρτέλα «Αναζήτηση» µας επιτρέπει να πληκτρολογήσουµε λέξεις-κλειδιά στην κατάλληλη περιοχή και το πρόγραµµα θα µας εµφανίσει τα θέµατα βοήθειας που έχουν σχέση µε τις λέξεις αυτές. Σχήµα 2.6: Παράθυρο του ενσωµατωµένου συστήµατος βοήθειας. Τέλος, στην καρτέλα «Αγαπηµένα» µπορούµε να τοποθετήσουµε κάποια από τα θέµατα βοήθειας, που εµείς κρίνουµε σηµαντικά, για τη γρήγορη εύρεσή τους σε πιθανή µελλοντική ανάγκη. Εκτός της χρήσης της συντόµευσης του πλήκτρου F1, µπορούµε να εµφανίσουµε το παράθυρο βοήθειας του Chemcad επιλέγοντας διαδοχικά Help-Help Topics από τη βασική µπάρα επιλογών του προγράµµατος αλλά, όπως θα εξηγήσουµε παρακάτω, είναι προτιµότερο να χρησιµοποιούµε το πλήκτρο συντόµευσης F1. Σε κάθε περίπτωση, το παράθυρο βοήθειας ανοίγει ξεχωριστά από το υπόλοιπο πρόγραµµα και δεν εµποδίζει τη λειτουργία του µε κανένα τρόπο. Η τελευταία έκδοση του συστήµατος βοηθείας (µε τις όποιες αλλαγές και προσθήκες) υπάρχει στην επίσηµη σελίδα της εταιρίας Chemstations στο διαδίκτυο ( Σηµείωση: Το ενσωµατωµένο σύστηµα βοηθείας που υπάρχει στην έκδοση Chemcad που χρησιµοποιούµε στην παρούσα εργασία αποτελείται ουσιαστικά από δύο µέρη. Το κοµµάτι του συστήµατος της προηγούµενης έκδοσης Chemcad 5.6 που είναι το πιο αναλυτικό και καλύπτει το µεγαλύτερο 21

32 Εισαγωγικά στοιχεία για το πρόγραµµα Chemcad ποσοστό των θεµάτων βοηθείας και το κοµµάτι της έκδοσης Chemcad 6 που αναλύει κάποια επιπλέον θέµατα που δεν υπήρχαν σε παλαιότερες εκδόσεις του προγράµµατος. Προτείνεται σαφώς η χρήση της συντόµευσης F1 για την εµφάνιση του παραθύρου βοηθείας (και όχι η εµφάνιση από τη βασική µπάρα επιλογών) καθώς µε το τρόπο αυτό εµφανίζεται αυτόµατα από το πρόγραµµα το κατάλληλο κοµµάτι του συστήµατος βοηθείας (δηλαδή είτε το κοµµάτι της έκδοσης 5.6 είτε της έκδοσης 6) που θα είναι σχετικό µε το θέµα που αναζητήσαµε βοήθεια. Αντίθετα, αν χρησιµοποιήσουµε τη βασική µπάρα επιλογών του προγράµµατος µπορούµε να εµφανίσουµε µόνο το ενσωµατωµένο σύστηµα βοήθειας της έκδοσης Εργαλείο βοηθείας «Chemcad Coach» Εκτός από το αναλυτικό σύστηµα βοηθείας που περιγράψαµε παραπάνω, το πρόγραµµα Chemcad περιέχει και έναν πιο περιεκτικό οδηγό που καλύπτει τις πιο κοινές λειτουργίες, όπως για παράδειγµα το σχεδιασµό µιας γραφικής παράστασης µε τα αποτελέσµατα µιας προσοµοίωσης. Το εργαλείο αυτό ονοµάζεται Chemcad Coach και µπορεί να ενεργοποιηθεί επιλέγοντας διαδοχικά Help-Chemcad Coach από τη βασική µπάρα επιλογών του Chemcad. Σχήµα 2.7: Παράθυρο του εργαλείου βοηθείας «Chemcad coach». Η λειτουργία του παραθύρου του Chemcad Coach είναι όµοια µε αυτή του αναλυτικού συστήµατος βοηθείας που περιγράψαµε παραπάνω. 22

33 Εισαγωγικά στοιχεία για το πρόγραµµα Chemcad Αρχεία επίδειξης διαδικασιών (Procedure demos) Τα αρχεία επίδειξης διαδικασιών δείχνουν αναλυτικά, µε τη βοήθεια βίντεο και ήχου, τη διαδικασία που πρέπει να ακολουθήσει ο χρήστης για την πραγµατοποίηση µιας ευρείας γκάµας θεµάτων που θα συναντήσει κατά τη διάρκεια της εργασίας του µε το πρόγραµµα. Μερικά παραδείγµατα θεµάτων είναι τα διαδοχικά στάδια για τη δηµιουργία µιας προσοµοίωσης, η αξιολόγηση και διαστασιολόγηση µιας βαλβίδας ελέγχου ή η δηµιουργία ενός αρχείου Excel µε τα αποτελέσµατα κάποιας διεργασίας. Τα αρχεία επίδειξης διαδικασιών εγκαθίστανται µαζί µε το Chemcad και για να επιλέξουµε κάποιο από αυτά πρέπει να ανοίξουµε το φάκελο demos που βρίσκεται µέσα στο φάκελο εγκατάστασης του βασικού προγράµµατος (από µόνο του το σύστηµα έχει επιλέξει ως διεύθυνση στο σκληρό δίσκο τη C:\Program Files\Chemstations\demos). Ο χρήστης µπορεί να βρεί καινούργια αρχεία επίδειξης ανά τακτά χρονικά διαστήµατα στην επίσηµη σελίδα της εταιρίας Chemstations ( 23

34 Το περιβάλλον εργασίας του προγράµµατος 3. Το περιβάλλον εργασίας του Chemcad Πριν προχωρήσουµε στην ανάλυση του περιβάλλοντος εργασίας του προγράµµατος θα αναφέρουµε κάποια στοιχεία σχετικά µε τη χρήση δυο σηµαντικών συσκευών εισόδου του υπολογιστή στο Chemcad, το πληκτρολόγιο (keyboard) και το ποντίκι (mouse). 3.1 Χρησιµοποίηση του ποντικιού στο πρόγραµµα Το πρόγραµµα Chemcad, όπως τα περισσότερα προγράµµατα που χρησιµοποιούν γραφικό περιβάλλον παραθύρων (windows) απαιτεί τη χρήση µιας συσκευής υπόδειξης (pointing device) που θα χρησιµοποιεί ένα βασικό και ένα δευτερεύον πλήκτρο (primary,secondary button). Το χαρακτηριστικότερο παράδειγµα τέτοιας συσκευής που έχει καθιερωθεί τη σηµερινή εποχή στα περισσότερα υπολογιστικά συστήµατα είναι το ποντίκι (mouse). Οι βασικές ενέργειες που µπορούµε να κάνουµε µε το ποντίκι παρουσιάζονται παρακάτω: Κλικ Βασικού Πλήκτρου: Η ενέργεια κατά την οποία πιέζουµε στιγµιαία και αφήνουµε γρήγορα το βασικό πλήκτρο του ποντικιού. Στα περισσότερα ποντίκια για δεξιόχειρες το βασικό πλήκτρο είναι το αριστερό, οπότε η παραπάνω ενέργεια έχει επικρατήσει να αναφέρεται ως «αριστερό κλικ». Κλικ ευτερεύοντος Πλήκτρου: Η ενέργεια κατά την οποία πιέζουµε στιγµιαία και αφήνουµε γρήγορα το δευτερεύον πλήκτρο του ποντικιού. Στα περισσότερα ποντίκια για δεξιόχειρες το δευτερεύον πλήκτρο είναι το δεξί, οπότε η παραπάνω ενέργεια έχει επικρατήσει να αναφέρεται ως «δεξί κλικ». Σηµείωση: Στην παρούσα εργασία θα ακολουθήσουµε την παραπάνω ονοµατολογία του «αριστερού και δεξιού κλικ», µε τη σύµβαση του ποντικιού για δεξιόχειρες που αναφέραµε. Φυσικά, όλα τα πλήκτρα του ποντικιού µπορούν να αναστραφούν ή να προγραµµατιστούν κατά βούληση µέσω του λειτουργικού συστήµατος των Windows και του λογισµικού του ποντικιού (αν διατίθεται τέτοιο) αλλά ας θεωρήσουµε, για χάρη συνεννόησης, ότι χρησιµοποιούµε ένα ποντίκι για δεξιόχειρες. ιπλό κλικ: Πιέζουµε γρήγορα, δύο φορές το βασικό πλήκτρο του ποντικιού. Σύρσιµο, Κύλιση (Drag): Το να πιέζουµε και να κρατάµε πατηµένο το βασικό πλήκτρο του ποντικιού ενώ ταυτόχρονα µετακινούµε το ποντίκι. Στόχευση, Υπόδειξη (Point): Η µετακίνηση του δείκτη (pointer) του ποντικιού µέχρι να βρεθεί πάνω από το αντικείµενο που µας ενδιαφέρει. Κλικ και κράτηµα του δευτερεύοντος πλήκτρου: Η µετακίνηση του ποντικιού σε µια συγκεκριµένη περιοχή ενδιαφέροντος, πάτηµα και κράτηµα του δευτερεύοντος πλήκτρου. 3.2 Χρησιµοποίηση του πληκτρολογίου στο πρόγραµµα Το πληκτρολόγιο αποτελεί τη βασική συσκευή εισόδου για το πρόγραµµα, µε τη βοήθεια της οποία εισάγουµε τα απαραίτητα δεδοµένα. Εκτός αυτού, 24

35 Το περιβάλλον εργασίας του προγράµµατος µπορούµε να το χρησιµοποιήσουµε για την ενεργοποίηση κάποιων χρήσιµων συντοµεύσεων του προγράµµατος όπως: Πλήκτρο F1: Εµφανίζει το ενσωµατωµένο σύστηµα βοηθείας του προγράµµατος για την αναζήτηση βοήθειας σχετικά µε το τρέχον αντικείµενο εργασίας. Πληροφορίες σχετικά µε το ενσωµατωµένο σύστηµα βοηθείας αναφέρονται στο κεφάλαιο «Εισαγωγικά στοιχεία του Chemcad». Πλήκτρο F5: Εµφανίζει το µενού επιλογής λίστας συνιστωσών (component list selector) για να διαφοροποιήσουµε ή να ελέγξουµε τη λίστα συνιστωσών της µελέτης µας. Πλήκτρο F6: Εµφανίζει το µενού µετατροπής µονάδων (Units Converter). Κάποιες επιπλέον χρήσιµες ενέργειες είναι οι εξής: o Κρατώντας πατηµένο το πλήκτρο «Alt» και πιέζοντας το αρχικό γράµµα κάθε συνιστώσας της βασικής µπάρας επιλογής µπορούµε να ανοίξουµε το αντίστοιχο µενού. Για παράδειγµα, πιέζοντας το γράµµα «F» ανοίγει το µενού διαχείρισης εγγράφων (File) ή πιέζοντας το «Η» ανοίγει το µενού βοηθείας (Help). o Για την ενεργοποίηση κάποιας επιλογής (για παράδειγµα στο µενού εισαγωγής συνιστωσών) µπορούµε να πατήσουµε το πλήκτρο «Enter». o Κατά τη διάρκεια εµφάνισης ενός πλαισίου διαλόγου εισαγωγής δεδοµένων το πλήκτρο «Tab» βοηθά στο να µετακινηθούµε στο επόµενο πεδίο εισαγωγής δεδοµένων. o Tα πλήκτρα «PgUp», «PgDn» µας βοηθούν στην πλοήγηση σε λίστες. o Πιέζοντας ταυτόχρονα τα πλήκτρα «Shift» και «Tab» έχουµε ως αποτέλεσµα το πρόγραµµα να µετακινηθεί σε προηγούµενη εντολή. o Η χρήση του πλήκτρου «Esc» µας βοηθά να κλείσουµε ένα πλαίσιο διαλόγου (dialog box) χωρίς να κάνουµε καµία ενέργεια. o Κρατώντας πατηµένο το πλήκτρο «Ctrl» και πιέζοντας το πλήκτρο «C» αντιγράφουµε το περιεχόµενο της οθόνης τη τρέχουσα στιγµή στο βοηθητικό πίνακα (clipboard) της προσωρινής µνήµης. o Κρατώντας πατηµένο το πλήκτρο «Ctrl» και πιέζοντας το πλήκτρο «P» εκτυπώνουµε το περιεχόµενο της οθόνης ή σχεδιάζουµε το διάγραµµα της αναφοράς, ανάλογα µε την περίσταση. Μετά τα παραπάνω απαραίτητα στοιχεία για τις δύο σηµαντικές συσκευές εισόδου µπορούµε να προχωρήσουµε στην ανάλυση του περιβάλλοντος εργασίας του Chemcad. Η εισαγωγική οθόνη του προγράµµατος φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Η οθόνη αυτή εµφανίζεται κάθε φορά που τρέχουµε το πρόγραµµα και αποτελεί το βασικό περιβάλλον εργασίας του Chemcad. Στο πάνω µέρος της υπάρχει η µπάρα τίτλου του προγράµµατος (Title bar) ενώ ακριβώς από κάτω βρίσκεται το βασικό µενού του προγράµµατος. Kάτω από το βασικό µενού βρίσκεται η µπάρα εργαλείων (Toolbar) µε τα διάφορα εικονίδια λειτουργιών. Παρατηρούµε επίσης ότι υπάρχει µια µεγάλη λευκή περιοχή στο κέντρο της οθόνης και επιµέρους παράθυρα γύρω από τη λευκή περιοχή. Tέλος, στο κάτω µέρος της οθόνης υπάρχει η µπάρα κατάστασης (status bar). Παρακάτω αναλύουµε διεξοδικά κάθε µια από τις προαναφερόµενες περιοχές. 25

36 Το περιβάλλον εργασίας του προγράµµατος 3.3 Μπάρα τίτλου του προγράµµατος (Title bar) Η µπάρα τίτλου περιέχει το λογότυπο του προγράµµατος Chemcad, τον αριθµό της έκδοσης του καθώς και το όνοµα του αρχείου που έχουµε ανοίξει τη συγκεκριµένη στιγµή. Στη δεξιά γωνία εµφανίζονται τα τρία σύµβολα ελέγχου του παραθύρου του προγράµµατος, κοινά σε κάθε εφαρµογή περιβάλλοντος Windows, και αφορούν στην ελαχιστοποίηση του παραθύρου (Minimize), στη µεγιστοποίησή του έτσι ώστε να καλύπτει όλη την οθόνη (εάν είµαστε σε πλάτος παραθύρου µικρότερο από το µέγιστο) ή τη διαµόρφωση του παραθύρου σε µικρότερο πλάτος (εάν είµαστε στο µέγιστο πλάτος παραθύρου) (Maximize, Restore Down αντίστοιχα) και το κλείσιµο του παραθύρου (Close). Σχήµα 3.1: Βασική οθόνη του προγράµµατος Chemcad. 3.4 Βασικό µενού του προγράµµατος Το βασικό µενού του προγράµµατος περιέχει τα παρακάτω µενού επιλογών: Αρχείο (File): Περιέχει επιλογές σχετικές µε τη διαχείριση αρχείων όπως αποθήκευση, εκτύπωση, άνοιγµα κλπ. Επεξεργασία (Edit): Επιτρέπει την επεξεργασία του περιεχοµένου και της εµφάνισης του σχεδιαγράµµατος ροής (flowsheet). Επίσης, περιέχει τις πολύ χρήσιµες εντολές «Undo» (αναίρεση της αµέσως προηγούµενης ενέργειας) και «Redo» (πραγµατοποίηση της προηγούµενης ενέργειας που αναιρέσαµε). Το πρόγραµµα επιτρέπει την αναίρεση των προηγούµενων 99 ενεργειών ξεκινώντας την αρίθµηση από τη στιγµή που θα ανοίξουµε το τρέχον αρχείο εργασίας µας. 26

37 Το περιβάλλον εργασίας του προγράµµατος Προβολή (View): Μας βοηθά στο καθορισµό του τρόπου µε τον οποίο θα βλέπουµε τα βασικά µενού του προγράµµατος και παρέχει κάποιες επιπλέον επιλογές για το σχεδιάγραµµα ροής. ιαµόρφωση (Format): Βοηθά στην επιλογή των µονάδων µέτρησης της εργασίας µας καθώς και στην παραµετροποίηση του σχεδιαγράµµατος ροής. Θερµοφυσικές Ιδιότητες (Thermophysical): Παρέχει εντολές για την επιλογή των συνιστωσών της εργασίας µας, των θερµοδυναµικών της παραµέτρων και τη σύνταξη παραµέτρων δυαδικής αλληλεπίδρασης (Binary Interaction Parameters BIPs). Προδιαγραφές (Specifications): Επιλέγοντας αυτό το µενού µπορούµε να εισάγουµε δεδοµένα για τις ροές και τις λειτουργικές µονάδες και να επεξεργαστούµε ή να χειριστούµε τα παραπάνω δεδοµένα. Εκτέλεση (Run): Μας βοηθά να εκτελέσουµε την προσοµοίωση ή την ανάλυση ευαισθησίας (Sensitivity Study), να επιλέξουµε διάφορες παραµέτρους σύγκλισης (Convergence), βελτιστοποίησης (Optimization), προσαρµογής δεδοµένων (Data Reconciliation) και δυναµικής προσοµοίωσης (Dynamics). Αναφορά (Report): Περιέχει αναλυτικές επιλογές για την αναφορά των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης. Γραφική παράσταση (Plot): Επιτρέπει τη γραφική παράσταση υπολογιστικών δεδοµένων. ιαστασιολόγηση (Sizing): Για τη διαστασιολόγηση και αξιολόγηση των διαφόρων λειτουργικών µονάδων της προσοµοίωσης. Εργαλεία (Tools): Περιέχει εργαλεία για την πραγµατοποίηση διαφόρων διεργασιών στην προσοµοίωση όπως επεξεργασία οικονοµικών στοιχείων (Economics), µελέτη κόστους (Costing) κλπ. Παράθυρο (Window): Βοηθά στη διάταξη και διευθέτηση του παραθύρου της επιφάνειας εργασίας. Βοήθεια (Help): Εµφανίζει το ενσωµατωµένο εργαλείο βοηθείας της τρέχουσας έκδοσης του Chemcad και το Chemcad Coach καθώς και διάφορες χρήσιµες πληροφορίες για το πρόγραµµα. 3.5 Μπάρα εργαλείων (Toolbar) H µπάρα εργαλείων περιέχει διάφορες χρήσιµες συντοµεύσεις διεργασιών που υπάρχουν στο βασικό µενού του προγράµµατος. Παρακάτω αναλύουµε τις συντοµεύσεις αυτές ξεκινώντας από αριστερά προς τα δεξιά για τα εικονίδια της κάθε οµάδας. : Επιτρέπουν τη δηµιουργία ενός νέου αρχείου εργασίας (New), το άνοιγµα ενός υπάρχοντος αρχείου εργασίας (Open), την αποθήκευση της τρέχουσας εργασίας (Save) και την εκτύπωση της τρέχουσας εργασίας (Print). : Πραγµατοποιούν αποκοπή (Cut), αντιγραφή (Copy) και επικόλληση (Paste) ενός επιλεγµένου αντικειµένου του σχεδιαγράµµατος ροής στο βοηθητικό πίνακα (clipboard) της προσωρινής µνήµης. 27

38 Το περιβάλλον εργασίας του προγράµµατος : Αυτή η οµάδα εργαλείων περιέχει λειτουργίες σχετικές µε τη µεγέθυνση και σµίκρυνση του σχεδιαγράµµατος ροής που βρίσκεται στο παράθυρο επιφάνειας εργασίας. Αναλυτικά έχουµε: Επιλογή του ποσοστού εστίασης -µεγέθυνσης ή σµίκρυνσης- (Zoom percentage), µεγέθυνση της επιφάνειας εργασίας µε το συγκεκριµένο ποσοστό εστίασης που ορίσαµε προηγουµένως (Zoom in), σµίκρυνση της επιφάνειας εργασίας µε ορισµένο ποσοστό εστίασης (Zoom out), σµίκρυνση της επιφάνεια εργασίας αυτόµατα έτσι ώστε να φαίνεται ολόκληρο το σχεδιάγραµµα ροής (Zoom to fit), µεγέθυνση -µε ορισµένο ποσοστό εστίασηςσε ένα σηµείο της επιφάνειας εργασίας που επιλέγει ο χρήστης (Zoom in at a point), σµίκρυνση -µε ορισµένο ποσοστό εστίασης- σε ένα σηµείο που επιλέγει ο χρήστης (Zoom out at a point), µεγέθυνση -µε ορισµένο ποσοστό εστίασης- σε µια περιοχή ορθογωνίου που καθορίζει ο χρήστης (Zoom rectangle), άνοιγµα ξεχωριστού παραθύρου εποπτείας (Pan overview window) το οποίο βοηθά στην επίβλεψη ολόκληρου του σχεδιαγράµµατος ροής της επιφάνειας εργασίας. : Μας βοηθούν στην επιλογή των συνιστωσών (Select Components), το καθορισµό των θερµοδυναµικών παραµέτρων (Thermodynamic Settings) και την εποπτεία της λίστας συνιστωσών (Component List) της προσοµοίωσής µας. : Επιτρέπουν τον ορισµό ή και την αλλαγή των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών των ροών ή την πραγµατοποίηση γρήγορων υπολογισµών σχετικά µε τις ροές (Edit feed streams) και την εκτέλεση της προσοµοίωσης ολόκληρου του σχεδιαγράµµατος ροής (Run all). : Με τη βοήθεια των εντολών αυτού του µενού µπορούµε να ορίσουµε τη χρονική διάρκεια και τα χρονικά βήµατα ολοκλήρωσης µιας δυναµικής προσοµοίωσης (Set Run Time), να επαναφέρουµε τις συνθήκες που επικρατούσαν στο σχεδιάγραµµα ροής πριν την έναρξη της δυναµικής προσοµοίωσης (Reset To Initial State), να ξεκινήσουµε µια δυναµική προσοµοίωση από την αρχική κατάσταση το χρονικό σηµείο µηδέν- (Run dynamic simulation),να παραστήσουµε γραφικά τα αποτελέσµατα µιας δυναµικής προσοµοίωσης για µια συγκεκριµένη ροή της επιλογής µας (Plot Dyn Streams) και τέλος, να παραστήσουµε γραφικά τα αποτελέσµατα µιας δυναµικής προσοµοίωσης για µια συγκεκριµένη λειτουργική µονάδα της επιλογής µας (Plot Dyn UnitOps). : Αυτή η οµάδα εργαλείων περιέχει εντολές για την προβολή των αποτελεσµάτων όλων των ροών του σχεδιαγράµµατος ροής για προσοµοίωση µόνιµης κατάστασης (View all stream composition), τη προβολή των χαρακτηριστικών όλων των ροών του σχεδιαγράµµατος ροής 28

39 Το περιβάλλον εργασίας του προγράµµατος για προσοµοίωση µόνιµης κατάστασης (View all stream properties) και την ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση της προβολής πληροφοριών του σχεδιαγράµµατος ροής (Flowsheet quickview). : Εµφανίζει πληροφορίες σχετικά µε την έκδοση του προγράµµατος Chemcad που χρησιµοποιεί ο χρήστης. 3.6 Παράθυρο επιφάνειας εργασίας (Workspace) Η λευκή περιοχή στο κέντρο της οθόνης ονοµάζεται επιφάνεια εργασίας και είναι ο χώρος στον οποίο σχεδιάζουµε και επεξεργαζόµαστε τα σχεδιαγράµµατα ροής (flowsheet), βλέπουµε τα διάφορα διαγράµµατα και τρέχουµε και αναλύουµε τις προσοµοιώσεις διεργασιών. Όταν αρχίζουµε να κατασκευάζουµε από την αρχή ένα σχεδιάγραµµα ροής ή όταν ανοίξουµε µια υπάρχουσα προσοµοίωση τότε το αντίστοιχο σχεδιάγραµµα ροής εµφανίζεται σε αυτή την επιφάνεια. Στη περίπτωση που δεν δουλεύουµε µε κάποια ή δεν έχουµε φορτώσει κάποια εργασία τότε η επιφάνεια αυτή εµφανίζεται λευκή. Στο κάτω µέρος της επιφάνειας παρατηρούµε την ύπαρξη µιας ή περισσοτέρων καρτελών (tabs). Οι καρτέλες αυτές µας επιτρέπουν να κινούµαστε ανάµεσα στη τρέχουσα προσοµοίωσή µας και σε όποια άλλα παράθυρα διαγραµµάτων δεδοµένων ή χάρτες δεδοµένων του Excel (Εxcel Data Maps) που πιθανώς να έχουµε ανοικτά. Κάνοντας αριστερό κλικ στο πλήκτρο «x» στο δεξί άκρο κάποιας καρτέλας µπορούµε να την κλείσουµε. Κλείνοντας όλες τις καρτέλες θα εµφανιστεί ένας κενός γκρίζος χώρος στη θέση του παραθύρου επιφάνειας εργασίας µέχρι την επόµενη φορά που θα ανοίξουµε κάποια προσοµοίωση. Τέλος, µπορούµε να εµφανίσουµε ένα βοηθητικό πλέγµα (Grid) στην επιφάνεια εργασίας που χρησιµεύει ως οδηγός κατά το σχεδιασµό του σχεδιαγράµµατος ροής επιλέγοντας διαδοχικά View-Grid Visible από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στο ίδιο µενού βρίσκεται η εντολή «Snap to Grid» για την ευθυγράµµιση των αντικειµένων του σχεδιαγράµµατος ροής και η «Change Grid Size» που βοηθά στο καθορισµό του οριζοντίου και καθέτου διαστήµατος ανάµεσα στις γραµµές του πλέγµατος. 3.7 Παράθυρο εµφάνισης µηνυµάτων Το παράθυρο εµφάνισης µηνυµάτων βρίσκεται στο κάτω µέρος της βασικής οθόνης του Chemcad, κάτω από την επιφάνεια εργασίας. Στο κάτω µέρος του εν λόγω παραθύρου βρίσκονται τρεις ταµπέλες (tabs), η ταµπέλα «Error and Warnings Tab», η ταµπέλα «Run Trace» και η ταµπέλα «Notes». H ταµπέλα «Error and Warnings» µας δείχνει µια λίστα µε τα µηνύµατα λάθους και προειδοποίησης που έχει εµφανίσει το πρόγραµµα κατά τη διάρκεια εργασίας µας σε κάποια προσοµοίωση. 29

40 Το περιβάλλον εργασίας του προγράµµατος Για παράδειγµα, στη διπλανή εικόνα φαίνονται τα µηνύµατα λάθους που εµφάνισε το πρόγραµµα κατά τη λανθασµένη απόπειρα εκτέλεσης µιας προσοµοίωσης. Σε κανονική λειτουργία, στο πάνω µέρος της λίστας εµφανίζονται τα παλαιότερα µηνύµατα ενώ τα καινούργια τοποθετούνται στο κάτω µέρος. Αν υπάρχουν περισσότερα µηνύµατα από όσα µπορεί να µας δείξει το παράθυρο τότε τα καινούργια µηνύµατα εµφανίζονται στην κορυφή της λίστας ενώ τα παλαιότερα µηνύµατα τοποθετούνται στο κάτω µέρος της λίστας και µπορούµε να τα διαβάσουµε χρησιµοποιώντας την µπάρα πλοήγησης που θα έχει εµφανιστεί στη δεξιά πλευρά του παραθύρου. Η ταµπέλα «Run Trace» περιέχει διαγνωστικά µηνύµατα από κάθε λειτουργική µονάδα (UnitOp) που παρήχθησαν από το πρόγραµµα κάθε φορά που τρέξαµε µια προσοµοίωση. Σε κάθε διαφορετικό τρέξιµο της προσοµοίωσης δηµιουργείται µια καινούργια λίστα µηνυµάτων χωρίς να σώζεται κάπου η παλιά. Τα διαγνωστικά µηνύµατα βοηθούν στον εντοπισµό των πιθανών λαθών όταν µια προσοµοίωση δεν δουλεύει κανονικά. Τέλος, στην ταµπέλα «Notes» µπορούµε να κρατήσουµε σηµειώσεις, µε τη µορφή κειµένου, για τη τρέχουσα προσοµοίωση. Οι σηµειώσεις αυτές σώζονται µαζί µε την προσοµοίωση και µπορούµε να τις χειριστούµε µε τον ίδιο τρόπο όπως οποιοδήποτε άλλο κοµµάτι κειµένου που εισάγουµε στο πρόγραµµα. 3.8 Παράθυρο του Chemcad Explorer Στο αριστερό µέρος της βασικής οθόνης του Chemcad βρίσκεται το παράθυρο του Chemcad Explorer. Η λειτουργία του εξαρτάται από το ποια ταµπέλα (tab) έχουµε επιλέξει στο κάτω µέρος του παραθύρου. Υπάρχουν τρεις επιλογές που µπορούµε να κάνουµε, οι ταµπέλες «Recent Files», «Simulation» και «Visual Basic». H ταµπέλα «Recent Files» µας εµφανίζει µια λίστα µε τα αρχεία προσοµοίωσης που έχουµε ανοίξει πρόσφατα, αρχίζοντας από το πιο πρόσφατο. Η λίστα ενηµερώνεται αυτόµατα κάθε φορά που δηµιουργούµε ένα νέο αρχείο ή όταν ανοίγουµε κάποιο παράδειγµα προσοµοίωσης. Για να ανοίξουµε κάποιο αρχείο από την παραπάνω λίστα αρκεί να κάνουµε διπλό αριστερό κλικ πάνω στο όνοµα του. Η ταµπέλα «Simulation» παρέχει µια σειρά από συντοµεύσεις για τις πιο κοινές εντολές και ιδιότητες σχετικές µε τη διαδικασία της προσοµοίωσης. Η σειρά αυτή περιέχει τα εξής στοιχεία: 30

41 Το περιβάλλον εργασίας του προγράµµατος a. Συνιστώσες (Components): Επιτρέπει τη γρήγορη επιλογή των συνιστωσών, των ηλεκτρολυτών και των στερεών συνιστωσών της προσοµοίωσης καθώς και την πρόσβαση στο µενού επιλογών των καµπύλων απόσταξης. b. Θερµοδυναµική (Thermodynamics): Παρέχει γρήγορη πρόσβαση στις θερµοδυναµικές ιδιότητες (µοντέλα υπολογισµού ενθαλπίας και της τιµής Κ (K-value) ) και τις ιδιότητες µεταφοράς. c. Σχεδιάγραµµα Ροής (Flowsheet): Βοηθά στη γρήγορη επεξεργασία των δεδοµένων των ροών και των λειτουργικών µονάδων. d. Χάρτες εδοµένων (Data Maps): Με την επιλογή αυτή µπορούµε να δηµιουργήσουµε ή να θέσουµε κανόνες εκτέλεσης για έναν χάρτη δεδοµένων. e. Οµάδες (Groups): Μας δίνει τη δυνατότητα να κατηγοριοποιήσουµε εύκολα λειτουργικές µονάδες, ροές και συνιστώσες της προσοµοίωσης. f. Επίπεδα (Layers): Επιτρέπει να ορίσουµε ποια κοµµάτια του σχεδιαγράµµατος ροής θα µπορούν να εµφανιστούν και να εκτυπωθούν και ποια όχι. g. Φόρµες (Templates): Αποθηκεύει και οργανώνει προδιαγραφές για ροές και λειτουργικές µονάδες υπό τη µορφή φόρµας που µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε µελλοντικά σε κάποια καινούργια προσοµοίωση. Tέλος, η ταµπέλα «Visual Basic» είναι χρήσιµη στην περίπτωση που χρησιµοποιούµε τη γλώσσα προγραµµατισµού Visual Basic, καθώς µας παρέχει γρήγορη πρόσβαση στο κώδικα της γλώσσας αυτής. Όλα τα περιεχόµενα στις τρεις παραπάνω ταµπέλες παρουσιάζονται µε µια ιδιαίτερη µορφή, που είναι γνωστή ως «διαµόρφωση δέντρου» (tree format). Κατά τη διαµόρφωση αυτή τα αντικείµενα οργανώνονται σε επίπεδα, ξεκινώντας από το πρώτο ή βασικό επίπεδο, το οποίο και περιέχει όλα τα υπόλοιπα (δεύτερο, τρίτο κλπ ανάλογα µε την περίπτωση). Το πρόγραµµα από µόνο του (by default),για χάρη οικονοµίας χώρου και οργάνωσης, παρουσιάζει µόνο τα αντικείµενα του πρώτου επιπέδου κάθε κατηγορίας, ενώ τα υπόλοιπα επίπεδα µπορούν να εµφανιστούν αν κάνουµε αριστερό κλικ στο σύµβολο «+» που βρίσκεται αριστερά του αντικειµένου πρώτου επιπέδου. Αντίθετα, αν κάνουµε κλικ στο σύµβολο «-» αριστερά του αντικειµένου πρώτου επιπέδου επιστρέφουµε στην αρχική κατάσταση. Παρακάτω φαίνεται µια εικόνα του παραθύρου Chemcad Explorer που δείχνει τα διάφορα µενού που εµφανίζονται αν επιλέξουµε την ταµπέλα «Simulation». 31

42 Το περιβάλλον εργασίας του προγράµµατος Σχήµα 3.2: Μενού του παραθύρου Chemcad Explorer. 3.9 Παράθυρο της παλέτας σχεδιασµού (Palette) Το παράθυρο της παλέτας σχεδιασµού βρίσκεται στο δεξιό µέρος της βασικής οθόνης του Chemcad και περιέχει όλα τα απαραίτητα λειτουργικά στοιχεία για το σχεδιασµό σχεδιαγραµµάτων ροής. Η παλέτα είναι χωρισµένη σε επιµέρους οµάδες για την ευκολότερη αναζήτηση των στοιχείων που περιλαµβάνει. Οι οµάδες αυτές είναι κατά σειρά: Όλα τα λειτουργικά στοιχεία (All UnitOps): Περιέχει όλα τα λειτουργικά στοιχεία που µπορούµε να εισάγουµε σε ένα σχεδιάγραµµα ροής. Σύµβολα της έκδοσης 5 του Chemcad (Chemcad 5 Symbols): Περιλαµβάνει όλα τα λειτουργικά στοιχεία της παλέτας σχεδιασµού της προηγούµενης έκδοσης του Chemcad (Chemcad 5), διατηρώντας και τον αντίστοιχο σχεδιασµό των συµβόλων. 32

43 Το περιβάλλον εργασίας του προγράµµατος Σύµβολα σχεδιασµού (Drawing Symbols): Αποτελείται από στοιχεία σχεδιασµού απλών γεωµετρικών σχηµάτων (γραµµή, έλλειψη κλπ), στοιχεία εισαγωγής κειµένου και του κουτιού εργασίας (Job box). Εναλλάκτες θερµότητας (Heat Exchangers): Αναφέρεται σε όλους τους εναλλάκτες θερµότητας. ιάφορα (Miscellaneous): Περιέχει διάφορα λειτουργικά στοιχεία που δεν µπορούν να κατηγοριοποιηθούν στις άλλες οµάδες όπως λειτουργικές µονάδες Microsoft Excel, Visual Basic και άλλες. Ροή και σωληνώσεις (Piping and flow): Με την οµάδα αυτή µπορούµε να σχεδιάσουµε στοιχεία σχετικά µε σωληνώσεις και ροή συνιστωσών. Αντιδραστήρες (Reactors): Περιλαµβάνει διάφορα είδη αντιδραστήρων. ιαχωριστές (Separators): Αποτελείται από διάφορα είδη διαχωριστών Χειρισµός στερεών συνιστωσών (Solids handling): Περιέχει λειτουργικά στοιχεία στερεών συνιστωσών όπως ξηραντή στερεών (solid dryer), κρυσταλλοποιητές (crystallizer) και άλλα. Σχήµα 3.3: Παράθυρο της παλέτα σχεδιασµού. 33

44 Το περιβάλλον εργασίας του προγράµµατος Στο πάνω µέρος της παλέτας εµφανίζεται το πεδίο αναζήτησης λειτουργικών µονάδων (Search for UnitOps). Πληκτρολογώντας τις λέξεις που θέλουµε να ψάξουµε και πατώντας το πλήκτρο «Go!» εµφανίζεται µια καινούργια οµάδα παλέτας (user-added palette) κάτω από τις ήδη υπάρχουσες, µε τα αποτελέσµατα της αναζήτησης µας. Σε κάθε αναζήτηση που πραγµατοποιούµε εµφανίζεται και µια νέα οµάδα παλετών την οποία µπορούµε να σώσουµε για µελλοντική χρήση (Save), να σώσουµε κάποιο αντίγραφό της µε διαφορετικό όνοµα (Save copy as), να τη µετονοµάσουµε (Rename) ή τέλος να τη διαγράψουµε (Remove). Το µενού των παραπάνω επιλογών εµφανίζεται κάνοντας δεξί κλικ πάνω στην παλέτα που δηµιουργήσαµε. Αν κάνουµε δεξί κλικ σε µια από τις υπάρχουσες οµάδες παλετών βλέπουµε ότι η µόνη επιλογή που εµφανίζεται είναι το να σώσουµε κάποιο αντίγραφό της µε διαφορετικό όνοµα (Save copy as). Μπορούµε να εισάγουµε κάποιο επιπλέον λειτουργικό στοιχείο που να µην έχει σχέση µε τις λέξεις αναζήτησης στην παλέτα µας. Αυτό µπορεί να πραγµατοποιηθεί κάνοντας δεξί κλικ στο αντικείµενο και επιλέγοντας διαδοχικά «Insert Into Palette» και µετά το όνοµα της παλέτας µας. Με ανάλογο τρόπο µπορούµε να φτιάξουµε µια νέα παλέτα που να περιέχει εξ ολοκλήρου αντικείµενα της αρεσκείας µας. Κάνουµε δεξί κλικ στο αντικείµενο, επιλέγουµε διαδοχικά Insert Into Palette-New Palette και στο παράθυρο που εµφανίζεται πληκτρολογούµε το όνοµα της καινούργιας παλέτας. Παρακάτω φαίνεται µια εικόνα στην οποία έχουµε δηµιουργήσει µια καινούργια οµάδα στην παλέτα µε την ονοµασία «Control Valves», που περιέχει βαλβίδες ελέγχου και έναν εναλλάκτη θερµότητας. Σχήµα 3.4: Παράδειγµα δηµιουργίας µια νέας οµάδας στην παλέτα µας. Κάποια από τα λειτουργικά στοιχεία που περιέχονται στις παλέτες µπορεί να έχουν περισσότερες από µια υλοποίηση. Για παράδειγµα, το λειτουργικό στοιχείο «Στήλη Απόσταξης» (αναφέρεται ως «Tower» από το πρόγραµµα) µπορεί να περιέχει ή όχι αναβραστήρα πυθµένα, συµπυκνωτή κορυφής, εναλλάκτες θερµότητας, αντλίες και διάφορα άλλα στοιχεία, τα οποία δηµιουργούν ένα µεγάλο αριθµό διαφορετικών συνδυασµών. Για την οικονοµία χώρου και την απλούστευση της παλέτας, σε αυτές τις περιπτώσεις, το πρόγραµµα χρησιµοποιεί διάφορα δευτερεύοντα µενού, τα οποία περιέχουν όλους τους διαφορετικούς συνδυασµούς του λειτουργικού στοιχείου, και εµφανίζονται µόνο κατά τη βούληση του χρήστη. Για την εµφάνιση των εν λόγω µενού αρκεί να µετακινήσουµε το δείκτη του ποντικιού επάνω στο εικονίδιο της λειτουργικής µονάδας της παλέτας και να κάνουµε αριστερό κλικ στο ορθογώνιο που εµφανίζεται στη κάτω δεξιά γωνία του εικονιδίου. Μπορούµε τώρα να επιλέξουµε τη λειτουργική µονάδα που µας ενδιαφέρει. 34

45 Το περιβάλλον εργασίας του προγράµµατος Σχήµα 3.5: Βοηθητικό µενού του λειτουργικού στοιχείου εναλλάκτη θερµότητας. Όταν επιλέξουµε κάποια από τις εναλλακτικές υλοποιήσεις µιας λειτουργικής µονάδας βλέπουµε ότι το εικονίδιό της αντικαθιστά αυτόµατα το προηγούµενο στη θέση του στην παλέτα σχεδιασµού. Αυτό συµβαίνει για τη διευκόλυνσή µας, διότι το πρόγραµµα «αντιλαµβάνεται» ότι θέλουµε να δουλέψουµε µε αυτή την υλοποίηση και την παρουσιάζει στη βασική παλέτα. Αν θέλουµε να αλλάξουµε το εικονίδιο που εµφανίζεται στη βασική παλέτα σε κάθε τέτοια περίπτωση, απλώς ανοίγουµε το δευτερεύον µενού του λειτουργικού στοιχείου και επιλέγουµε το εικονίδιο που θέλουµε Μπάρα κατάστασης (Status bar) H µπάρα κατάστασης βρίσκεται στο κάτω µέρος του περιβάλλοντος εργασίας του προγράµµατος. Περιέχει διάφορες χρήσιµες πληροφορίες όπως τι ποσοστό εστίασης χρησιµοποιούµε, ποιες επιλογές µοντέλου για τον υπολογισµό της ενθαλπίας και της τιµής Κ έχουµε κάνει, το είδος της προσοµοίωσης που δουλεύουµε (µόνιµη, δυναµική), την ακριβή θέση (σε pixel) του δείκτη του ποντικιού όταν βρίσκεται στην επιφάνεια εργασίας, τι ώρα είναι καθώς και πληροφορίες σχετικά µε το αντικείµενο που έχουµε επιλέξει µε το δείκτη του ποντικιού (όπως µια λειτουργική µονάδα της παλέτας σχεδιασµού ή ένα εικονίδιο της µπάρας εργαλείων) Επεξεργασία του περιβάλλοντος εργασίας του Chemcad Το περιβάλλον εργασίας του Chemcad περιέχει από µόνο του (by default) όλα τα παραπάνω παράθυρα στις θέσεις που αναφέραµε. Παρά το γεγονός ότι η διαρρύθµιση αυτή προσφέρει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες και συντοµεύσεις στο χρήστη υπάρχει η δυνατότητα επεξεργασίας αυτής, έτσι ώστε να δηµιουργηθεί ένα περιβάλλον που να ταιριάζει στις προσωπικές ανάγκες κάθε χρήστη. Για παράδειγµα, µπορεί κάποιος χρήστης να χρειάζεται περισσότερο χώρο στην οθόνη για το παράθυρο επιφάνειας εργασίας ή να προτιµά το παράθυρο της παλέτας σχεδιασµού να είναι µικρότερο και σε διαφορετική θέση Εµφάνιση ή εξαφάνιση στοιχείων του περιβάλλοντος εργασίας Το πρόγραµµα προσφέρει τη δυνατότητα εµφάνισης ή όχι κάθε ενός από τα παράθυρα του περιβάλλοντος εργασίας καθώς και των οµάδων εργαλείων της µπάρας ελέγχου. 35

46 Το περιβάλλον εργασίας του προγράµµατος Για τον έλεγχο εµφάνισης των παραθύρων αρχικά επιλέγουµε «View» από το βασικό µενού του προγράµµατος. Έπειτα, κάνοντας κλικ σε κάποια από τις επιλογές «Explorer»,«Palette» ή «Messages» εµφανίζουµε ή κρύβουµε το αντίστοιχο παράθυρο από το περιβάλλον εργασίας. Τα αντικείµενα που έχουν στα αριστερά τους το σύµβολο επιλογής (tick) εµφανίζονται, ενώ όσα δεν το έχουν παραµένουν κρυµµένα. Με την ίδια διαδικασία µπορούµε να εµφανίσουµε και να κρύψουµε τη µπάρα κατάστασης (status bar). Από το ίδιο µενού «View» γίνεται να ρυθµίσουµε την εµφάνιση των οµάδων στη µπάρα εργαλείων. Επιλέγοντας «Toolbars» εµφανίζεται ένα νέο παράθυρο στο οποίο µπορούµε να επιλέξουµε αναλυτικά ποιες οµάδες εργαλείων θέλουµε να φαίνονται και ποιες όχι. Επιπλέον, χρησιµοποιώντας την επιλογή «New» µπορούµε να δηµιουργήσουµε µια νέα οµάδα εργαλείων, η επιλογή «Reset» βοηθά στην επαναφορά των αρχικών ρυθµίσεων της µπάρας ενώ οι επιλογές «Cool Look» και «Large Buttons» αλλάζουν την εµφάνιση των εργαλείων των οµάδων Μετακίνηση και αλλαγή του µεγέθους των αντικειµένων του περιβάλλοντος εργασίας Μια άλλη δυνατότητα που µας δίνει το πρόγραµµα για την περαιτέρω παραµετροποίηση του περιβάλλοντος εργασίας είναι η αλλαγή του µεγέθους αντικειµένων όπως για παράδειγµα των παραθύρων. Για την πραγµατοποίηση αυτής της ενέργειας πρέπει αρχικά να τοποθετήσουµε το δείκτη του ποντικιού στο κατάλληλο όριο του παραθύρου, δηλαδή αριστερά για το παράθυρο του Chemcad Explorer, δεξιά για το παράθυρο της παλέτας σχεδιασµού (Palette) ή πάνω για το παράθυρο εµφάνισης µηνυµάτων. Όταν ο δείκτης του ποντικιού βρίσκεται στη σωστή θέση θα παρατηρήσουµε την αλλαγή του εικονιδίου του από το κλασικό βέλος σε ένα διπλό βέλος που θα δείχνει προς δυο κατευθύνσεις. Κρατώντας τότε πατηµένο το αριστερό πλήκτρο και µετακινώντας το ποντίκι προς τη κατεύθυνση που θέλουµε να αλλάξει το µέγεθος του παραθύρου βλέπουµε ότι εµφανίζεται µια γκρίζα γραµµή που δείχνει που θα βρίσκεται το νέο όριο του παραθύρου. Όταν επιλέξουµε τη νέα θέση αφήνουµε το αριστερό πλήκτρο του ποντικιού, ολοκληρώνοντας έτσι τη διαδικασία. Πέρα από την αλλαγή του µεγέθους µπορούµε να µετακινήσουµε ένα παράθυρο ή µια οµάδα της µπάρας εργαλείων σε µια κάποια νέα θέση. Αρχικά πρέπει να εντοπίσουµε τη µπάρα τίτλου (title bar) του παραθύρου, όπου αναγράφεται το όνοµα του κάθε παραθύρου. Η µπάρα τίτλου του Chemcad Explorer και της παλέτας σχεδιασµού (Palette) βρίσκεται στο άνω µέρος του παραθύρου ενώ στο παράθυρο εµφάνισης µηνυµάτων η µπάρα αυτή βρίσκεται στο αριστερό όριο του παραθύρου χωρίς να εµφανίζεται το όνοµα του. Στη συνέχεια, κάνοντας αριστερό κλικ στη µπάρα τίτλου, κρατώντας το αριστερό πλήκτρο πατηµένο, µετακινώντας το δείκτη του ποντικιού στη ζητούµενη θέση και αφήνοντας το αριστερό πλήκτρο ολοκληρώνουµε τη διαδικασία. Παρατηρούµε και πάλι, κατά τη διάρκεια της µετακίνησης, την εµφάνιση λεπτών γκρίζων γραµµών στα όρια του παραθύρου που µας δείχνουν κάθε χρονική στιγµή τη νέα θέση του παραθύρου. 36

47 Το περιβάλλον εργασίας του προγράµµατος Η µετακίνηση των οµάδων της µπάρας εργαλείων γίνεται κάνοντας κλικ στις τέσσερεις τελείες (dots) που βρίσκονται στο αριστερό άκρο του εικονιδίου κάθε οµάδας εργαλείων. Κρατάµε πατηµένο το αριστερό πλήκτρο του ποντικιού, µετακινούµε το δείκτη στη νέα θέση και αφήνουµε το αριστερό πλήκτρο για την πραγµατοποίηση της µετακίνησης Επιλεκτική εµφάνιση παραθύρων Ειδικά για τα παράθυρα του Chemcad Explorer και της παλέτας σχεδιασµού (Palette) υπάρχει η δυνατότητα επιλεκτικής εµφάνισης, µετά από κατάλληλη ενέργεια του χρήστη, ενώ όλο το υπόλοιπο διάστηµα να παραµένουν κρυµµένα. Με το τρόπο αυτό µεγαλώνει αρκετά περισσότερο το παράθυρο της επιφάνειας εργασίας κάνοντας πιο άνετη την εποπτεία και το σχεδιασµό σχεδιαγραµµάτων ροής. Στη µπάρα τίτλου (title bar) των δυο παραθύρων υπάρχει το παρακάτω εικονίδιο καρφίτσας (pin). Όταν το εικονίδιο αυτό βρίσκεται σε κατακόρυφη θέση ( ) το αντίστοιχο παράθυρο είναι ορατό κάθε χρονική στιγµή (σαν να έχουµε «καρφιτσώσει» το παράθυρο (pinned) σε µια συγκεκριµένη θέση χωρίς να µπορεί να κινηθεί). Αντίθετα, όταν το εικονίδιο βρίσκεται σε οριζόντια θέση ( ) το παράθυρο εµφανίζεται µόνο κατά τη βούληση του χρήστη (unpinned), µετακινώντας το δείκτη του ποντικιού πάνω το γκρίζο ορθογώνιο µε το όνοµα του παραθύρου (Chemcad Explorer ή Palette, ανάλογα το παράθυρο). Κατά τη διάρκεια εµφάνισης του παραθύρου πραγµατοποιούµε κανονικά όλες τις ζητούµενες ενέργειες και όταν θέλουµε να το κρύψουµε ξανά, απλώς µετακινούµε το δείκτη του ποντικιού έξω από την περιοχή του παραθύρου. Μπορούµε να αλλάξουµε τη κατάσταση του παραθύρου (Pin, Unpinned ) κάνοντας αριστερό κλικ στο εικονίδιο της καρφίτσας. 37

48 Αρχεία προσοµοίωσης 4. Aρχεία προσοµοίωσης Όλες οι εργασίες που πραγµατοποιούµε µε το πρόγραµµα Chemcad αποθηκεύονται στο υπολογιστή µας µε τη µορφή αρχείων προσοµοίωσης (Simulation files). Κάθε τέτοιο αρχείο περιλαµβάνει όλες τις επιµέρους πληροφορίες σχετικά µε την προσοµοίωση, από το ποιες συνιστώσες χρησιµοποιήθηκαν µέχρι την αναλυτική σύσταση της κάθε ροής. Τα αρχεία προσοµοίωσης αποθηκεύονται χρησιµοποιώντας την κατάληξη.cc6, που τα διαφοροποιεί από κάθε άλλο τύπου αρχείου του υπολογιστή, ακόµα και από αρχεία προηγούµενων εκδόσεων του Chemcad. Χαρακτηριστικό των αρχείων αυτών είναι η ευκολία διαχείρισής τους σε σχέση µε τα αρχεία των προηγούµενων εκδόσεων του προγράµµατος. Κάθε αρχείο προσοµοίωσης µπορεί να µεταφερθεί, να αποθηκευτεί ή να σταλεί µέσω ηλεκτρονικού ταχυδροµείου σαν να ήταν ένα κοινό αρχείο µιας απλής εφαρµογής, χωρίς να χρειάζονται τα επιπλέον βήµατα που υπήρχαν σε προηγούµενες εκδόσεις. 4.1 Συνιστώσες του χρήστη (user components) στο Chemcad Μια ακόµα διαφοροποίηση της παρούσας έκδοσης του προγράµµατος είναι ότι οι προσοµοιώσεις περιέχουν όλα τα δεδοµένα που είναι αναγκαία για την εκτέλεσή τους. Όλες οι διαφορετικές συνιστώσες αποθηκεύονται σε µια βάση δεδοµένων έτσι ώστε να µπορέσουν να χρησιµοποιηθούν σε πολλές διαφορετικές προσοµοιώσεις. Οι συνιστώσες που δηµιουργεί ο χρήστης (user components) αποθηκεύονται επίσης στο αρχείο της προσοµοίωσης που τις χρησιµοποιεί έτσι ώστε να χαθούν κατά τη µετακίνηση του αρχείου σε διαφορετικά σηµεία. Κάθε φορά που ανοίγουµε µια προσοµοίωση το πρόγραµµα συγκρίνει τις συνιστώσες που έχουν δηµιουργηθεί από χρήστες (user components) µε τα αντίγραφα των συνιστωσών αυτών που υπάρχουν στη βάση δεδοµένων του προγράµµατος. Σε περίπτωση που τα δυο στοιχεία δεν είναι όµοια τότε ο χρήστης µπορεί να επιλέξει ανάµεσα στο να συνεχίζει να χρησιµοποιεί την αποθηκευµένη συνιστώσα του αρχείου προσοµοίωσης ή να χρησιµοποιήσει τη συνιστώσα της βάσης δεδοµένων. Η παρούσα έκδοση του προγράµµατος µπορεί επιπλέον να χρησιµοποιεί πολλαπλές βάσεις δεδοµένων χρηστών και να τις µοιράζεται µέσω δικτύων µε άλλους χρήστες. 4.2 Αρχεία παραδείγµατος Κατά την πλήρη εγκατάσταση του προγράµµατος έχει δηµιουργηθεί ένας ειδικός φάκελος που περιέχει παραδείγµατα από διάφορες κατηγορίες εφαρµογών όπως βιοκαύσιµα, απόσταξη και απορρόφηση, δυναµική προσοµοίωση, διεργασίες αερίων και άλλα. Ο φάκελος αυτός βρίσκεται στη διεύθυνση: \My Documents\My Simulations\ Examples. Τα παραπάνω παραδείγµατα µπορούν να βοηθήσουν στην πρακτική εξάσκηση και εκπαίδευση στις ιδιότητες του προγράµµατος. Μπορούµε να ανοίξουµε, να επεξεργαστούµε και να σώσουµε ένα αντίγραφο κάποιου αρχείου παραδείγµατος του παραπάνω φακέλου. 38

49 Αρχεία προσοµοίωσης 4.3 Άνοιγµα µιας υπάρχουσας προσοµοίωσης Για να ανοίξουµε µια υπάρχουσα προσοµοίωση επιλέγουµε διαδοχικά File- Open από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στο παράθυρο διαλόγου που εµφανίζεται εντοπίζουµε το φάκελο που βρίσκεται η προσοµοίωση και αφού την επιλέξουµε κάνουµε αριστερό κλικ στο κουµπί «Open». Αν δυσκολευόµαστε να εντοπίσουµε την προσοµοίωση µπορούµε πάντα να χρησιµοποιήσουµε τη λειτουργία αναζήτησης των Windows, ψάχνοντας για αρχεία µε κατάληξη.cc6. Σε περίπτωση εργασίας σε δίκτυο υπολογιστών µε κοινά αρχεία µε άλλους χρήστες µπορεί να προσπαθήσουµε να ανοίξουµε ένα αρχείο προσοµοίωσης το οποίο επεξεργάζεται ήδη κάποιος άλλος χρήστης. Τότε εµφανίζεται ένα παράθυρο διαλόγου και µπορούµε να επιλέξουµε να σώσουµε το εν λόγω αρχείο προσοµοίωσης µε ένα νέο όνοµα στην ίδια ή σε διαφορετική περιοχή του σκληρού δίσκου, να ανοίξουµε ένα αντίγραφο του αρχείου χωρίς να µπορούµε να το επεξεργαστούµε ή να ακυρώσουµε τη διαδικασία ανοίγµατος. 4.4 ηµιουργία µιας νέας προσοµοίωσης Τη πρώτη φορά που θα ανοίξουµε το πρόγραµµα Chemcad θα δούµε το παράθυρο της επιφάνειας εργασίας κενό και τη λέξη [Untitled] στη µπάρα τίτλου του προγράµµατος. Αυτό είναι λογικό διότι δεν έχουµε αρχίσει ακόµα να εργαζόµαστε σε κάποια προσοµοίωση ούτε έχουµε ονοµάσει το αρχείο µας. Μπορούµε να αρχίσουµε να δουλεύουµε αµέσως µε την προσοµοίωσή µας αλλά θα ήταν καλύτερο να ονοµάζαµε και να σώζαµε την εργασία µας άµεσα έτσι ώστε να αποφύγουµε να χάσουµε πολύτιµα στοιχεία σε περίπτωση κάποιου σφάλµατος του υπολογιστή ή του δικτύου (αν εργαζόµαστε, βέβαια, σε δίκτυο). Αν θέλουµε να αρχίσουµε µια νέα προσοµοίωση από την αρχή τότε απλώς επιλέγουµε File-New από το βασικό µενού του προγράµµατος ή «New» από τη µπάρα εργαλείων (toolbar). Σε περίπτωση που δουλεύουµε ήδη σε κάποια εργασία και υπάρχουν αλλαγές που δεν έχουν αποθηκευτεί, το πρόγραµµα θα µας ρωτήσει αν θέλουµε ή όχι να σώσουµε τις αλλαγές αυτές πριν προχωρήσουµε στη δηµιουργία της νέας προσοµοίωσης. 4.5 Αποθήκευση της προσοµοίωσης Για να αποθηκεύσουµε µια προσοµοίωση που δεν έχουµε ονοµάσει ακόµα επιλέγουµε File-Save As από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στο παράθυρο διαλόγου που θα εµφανιστεί πρέπει αρχικά να επιλέξουµε τη τοποθεσία στην οποία θα αποθηκευτεί το αρχείο µας. Αυτό µπορεί να γίνει εντοπίζοντας το φάκελο που µας ενδιαφέρει στο πλαίσιο «Save in» («Αποθήκευση σε»). Στη συνέχεια ονοµάζουµε το αρχείο µας πληκτρολογώντας το όνοµα στο πλαίσιο «File Name» («Όνοµα αρχείου»). Όλα τα αρχεία προσοµοίωσης σώζονται αυτόµατα,όπως προαναφέραµε, µε την κατάληξη.cc6 (ChemCad 6) οπότε αφήνουµε το παρακάτω πεδίο «Save as type» («Αποθήκευση ως») όπως είναι. Κάνοντας κλικ στο κουµπί «Save» («Αποθήκευση») ολοκληρώνουµε τη διαδικασία. Το πρόγραµµα έχει επιλέξει από µόνο του (by default) να σώζει τα αρχεία προσοµοίωσης στο φάκελο My Simulations που δηµιουργήθηκε αυτόµατα µε την εγκατάσταση του προγράµµατος µέσα στο φάκελο My Documents. 39

50 Αρχεία προσοµοίωσης Παρακάτω φαίνεται η εικόνα του παράθυρου διαλόγου αποθήκευσης αρχείου του προγράµµατος. Σχήµα 4.1: Παράθυρο αποθήκευσης αρχείου. Για να αποθηκεύσουµε µια προσοµοίωση που έχουµε ήδη ονοµάσει επιλέγουµε διαδοχικά File-Save από το βασικό µενού του προγράµµατος. Με την επιλογή της εντολής «Save» ουσιαστικά το νέο αρχείο αντιγράφεται πάνω στο παλιό µε το ίδιο όνοµα οπότε θα πρέπει να είµαστε προσεκτικοί για την αποφυγή λάθους. Στην παρούσα έκδοση του προγράµµατος όλες οι αλλαγές που κάνουµε σε ένα αρχείο προσοµοίωσης αποθηκεύονται µόνο κατά τη βούληση του χρήστη, εκτελώντας τις παραπάνω δύο διαδικασίες. Σε παλαιότερες εκδόσεις του Chemcad, εκτός των παραπάνω δυο διαδικασιών, το πρόγραµµα αποθήκευε αυτόµατα ανά τακτά χρονικά διαστήµατα τις αλλαγές στο αρχείο, πράγµα το οποίο µπορούσε να οδηγήσει σε µη αναµενόµενα αποτελέσµατα. Η αλλαγή της παρούσας έκδοσης µας επιτρέπει τον απόλυτο έλεγχο στη µορφή των αρχείων προσοµοίωσης. 4.6 Αποθήκευση διαφορετικών περιπτώσεων για την ίδια προσοµοίωση Σε κάποιες περιπτώσεις χρειάζεται να δηµιουργήσουµε µια οµάδα προσοµοιώσεων που να είναι σχεδόν ίδιες η µια µε την άλλη. Μπορεί, για παράδειγµα, να θέλουµε να µελετήσουµε και να συγκρίνουµε τη συµπεριφορά της προσοµοίωσης σε µικρές αλλαγές διάφορων παραγόντων της. Σε προηγούµενες εκδόσεις του Chemcad οι οµάδες αυτές των προσοµοιώσεων καλούνταν «περιπτώσεις» (cases). Στην παρούσα έκδοση 40

51 Αρχεία προσοµοίωσης του προγράµµατος κάθε προσοµοίωση είναι ένα διαφορετικό και αυτόνοµο αρχείο, παρόλα αυτά µπορούµε να δηµιουργήσουµε ένα αντίγραφο της προσοµοίωσης και να κάνουµε εκεί όσες αλλαγές θέλουµε. Αυτό µπορεί να πραγµατοποιηθεί απλά, σώζοντας την προσοµοίωση µε διαφορετικό όνοµα από το τρέχον, µε την επιλογή «Save as» που αναφέραµε παραπάνω. Με το τρόπο αυτό µπορούµε να δηµιουργήσουµε όσα αντίγραφα της βασικής προσοµοίωσης θέλουµε και να µελετήσουµε όλες τις πιθανές αλλαγές. 4.7 Άλλες λειτουργίες διαχείρισης Κάθε αρχείο προσοµοίωσης της έκδοσης 6 του Chemcad είναι ένα αυτόνοµο αρχείο που µπορούµε να χειριστούµε όπως όλα τα άλλα αρχεία του υπολογιστή, χωρίς κανένα περιορισµό και διαφοροποίηση. Εποµένως µπορούµε, για παράδειγµα, να το µετακινήσουµε κατά βούληση από ένα φάκελο σε άλλο (Cut), να το αντιγράψουµε σε ένα φορητό δίσκο αποθήκευσης (Copy), να δηµιουργήσουµε συντόµευσή του στην επιφάνεια εργασίας (Create shortcut), να το µετονοµάσουµε (Rename), να το διαγράψουµε (Delete) κλπ χρησιµοποιώντας της αντίστοιχες εντολές διαχείρισης αρχείων του περιβάλλοντος των Windows. Για την αποστολή της προσοµοίωσης µέσω του ηλεκτρονικού ταχυδροµείου πρέπει να ακολουθήσουµε τη διαδικασία επισύναψης αρχείου στο ηλεκτρονικό µήνυµα. Ανοίγουµε το πρόγραµµα ηλεκτρονικού ταχυδροµείου της αρεσκείας µας, δηµιουργούµε ένα νέο µήνυµα, χρησιµοποιούµε την αντίστοιχη εντολή του προγράµµατος για την επισύναψη αρχείων, εντοπίζουµε το αρχείο της προσοµοίωσης που θέλουµε να στείλουµε και το επισυνάπτουµε στο µήνυµα. Μερικές φορές τα αρχεία προσοµοίωσης µπορεί να έχουν τόσο µεγάλο µέγεθος ώστε να µην µπορούµε να τα στείλουµε µέσω του ηλεκτρονικού ταχυδροµείου αλλά γενικά, στις περισσότερες περιπτώσεις µια τέτοια ενέργεια είναι δυνατή. 4.8 ουλεύοντας µε αρχεία προσοµοίωσης προηγούµενων εκδόσεων του Chemcad Μπορούµε να χρησιµοποιήσουµε τη τρέχουσα έκδοση του προγράµµατος για να ανοίξουµε αρχεία προσοµοίωσης προηγούµενων εκδόσεων (για παράδειγµα του Chemcad 5). Όταν πραγµατοποιούµε µια τέτοια ενέργεια το Chemcad δηµιουργεί ένα αντίγραφο του αρχείου προσοµοίωσης και καθιστά το αντίγραφο αυτό πλήρως συµβατό µε τη καινούργια έκδοση του προγράµµατος. Το σχεδιάγραµµα ροής και όλα τα δεδοµένα της προσοµοίωσης παραµένουν ακριβώς ίδια, όπως ίδιο παραµένει και το αρχείο προσοµοίωσης της προηγούµενης έκδοσης (αφού το πρόγραµµα χειρίζεται ένα συµβατό αντίγραφό του). Για να καταστήσουµε συµβατό ένα αρχείο προηγούµενης έκδοσης µε τη τρέχουσα πρέπει αρχικά να ανοίξουµε το αρχείο αυτό επιλέγοντας διαδοχικά File-Open από το βασικό µενού του προγράµµατος. Όταν εντοπίσουµε το αρχείο και πατήσουµε «Open» για να το ανοίξουµε θα εµφανιστεί στην οθόνη µας το παρακάτω µήνυµα. 41

52 Αρχεία προσοµοίωσης Σχήµα 4.2: Μήνυµα του προγράµµατος για την ανάγκη αναβάθµισης αρχείου προηγούµενης έκδοσης. Το µήνυµα αυτό µας ενηµερώνει για την ανάγκη αναβάθµισης της συµβατότητας του αρχείου και τη δηµιουργία ενός αντιγράφου της προσοµοίωσης. Πατώντας «Cancel» τερµατίζουµε τη διαδικασία χωρίς να πραγµατοποιήσουµε καµία ενέργεια ενώ αν επιλέξουµε «Save» εµφανίζεται το παράθυρο διαλόγου για την αποθήκευση του αρχείου (Save As). Αφού επιλέξουµε το όνοµα και το προορισµό αποθήκευσης του αρχείου πατώντας «Save» ολοκληρώνουµε τη διαδικασία αναβάθµισης συµβατότητας της προσοµοίωσης. 42

53 ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων 5. ιαδικασία δηµιουργίας και χρησιµοποίηση προσοµοιώσεων Η διαδικασία δηµιουργίας µιας ολοκληρωµένης προσοµοίωσης χρησιµοποιώντας το πρόγραµµα Chemcad µπορεί να χωριστεί στα παρακάτω εννέα βασικά βήµατα: 1. Έναρξη µιας καινούργιας προσοµοίωσης. 2. Επιλογή των µονάδων µέτρησης της προσοµοίωσης. 3. ηµιουργία του σχεδιαγράµµατος ροής, µε τις κατάλληλες ροές και λειτουργικές µονάδες, ανάλογα µε τη φύση της εργασίας. 4. Επιλογή των χηµικών συνιστωσών που θα λάβουν µέρος στην προσοµοίωση. 5. Καθορισµός των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών της προσοµοίωσης. 6. Προσδιορισµός των χαρακτηριστικών των ροών της διεργασίας. 7. Εισαγωγή των χαρακτηριστικών των λειτουργικών µονάδων. 8. Εκτέλεση της προσοµοίωσης. 9. Επιθεώρηση των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης. Στη συνέχεια αναλύουµε, µε όσο το δυνατόν περισσότερη ακρίβεια, τα παραπάνω εννέα βήµατα. 5.1 Έναρξη µιας καινούργιας προσοµοίωσης Ξεκινώντας το Chemcad βρισκόµαστε στην εισαγωγική οθόνη του προγράµµατος, τα στοιχεία της οποίας έχουµε περιγράψει σε προηγούµενο κεφάλαιο («Το περιβάλλον εργασίας του Chemcad»). Παρατηρούµε τη λέξη [Untitled] στη µπάρα τίτλου του προγράµµατος αφού δεν έχουµε αρχίσει ακόµα να εργαζόµαστε σε κάποια προσοµοίωση ούτε έχουµε ονοµάσει το αρχείο µας. Μπορούµε να αρχίσουµε να δουλεύουµε αµέσως µε την προσοµοίωση µας αλλά θα ήταν καλύτερο να ονοµάζαµε και να σώζαµε την εργασία µας άµεσα έτσι ώστε να αποφύγουµε να χάσουµε πολύτιµα στοιχεία σε περίπτωση κάποιου σφάλµατος του υπολογιστή ή του δικτύου (αν εργαζόµαστε, βέβαια, σε δίκτυο). Για να αποθηκεύσουµε την προσοµοίωση επιλέγουµε διαδοχικά File-Save As από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στο παράθυρο διαλόγου που θα εµφανιστεί πρέπει αρχικά να επιλέξουµε τη τοποθεσία στην οποία θα αποθηκευτεί το αρχείο µας. Το πρόγραµµα έχει επιλέξει από µόνο του (by default) να σώζει τα αρχεία προσοµοίωσης στο φάκελο My Simulations που δηµιουργήθηκε αυτόµατα µε την εγκατάσταση του προγράµµατος µέσα στο φάκελο My Documents. Μπορούµε να αποθηκεύσουµε τα αρχεία σε οποιονδήποτε άλλο σηµείο του σκληρού δίσκου εντοπίζοντας το φάκελο που µας ενδιαφέρει στο πλαίσιο «Save in» («Αποθήκευση σε»). Στη συνέχεια ονοµάζουµε το αρχείο µας πληκτρολογώντας το όνοµα στο πλαίσιο «File Name» («Όνοµα αρχείου»). Όλα τα αρχεία προσοµοίωσης σώζονται αυτόµατα,όπως προαναφέραµε, µε την κατάληξη.cc6 (ChemCad 6) οπότε αφήνουµε το παρακάτω πεδίο «Save as type» («Αποθήκευση ως») όπως είναι. Κάνοντας κλικ στο κουµπί «Save» («Αποθήκευση») ολοκληρώνουµε τη διαδικασία. 43

54 ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων 5.2 Επιλογή των µονάδων µέτρησης της προσοµοίωσης Για να επιλέξουµε τις µονάδες µέτρησης για την προσοµοίωση µας θα πρέπει να επιλέξουµε διαδοχικά Format-Engineering Units από το βασικό µενού του προγράµµατος. Η ενέργεια αυτή µας εµφανίζει το παρακάτω παράθυρο: Σχήµα 5.1: Επιλογή µονάδων µέτρησης της προσοµοίωσης. Στη ταµπέλα «Units Selection» µπορούµε να κάνουµε όλες τις απαραίτητες επιλογές των µονάδων κάνοντας αριστερό κλικ στο µενού δίπλα από κάθε µέγεθος και επιλέγοντας την αντίστοιχη µονάδα µέτρησης από τη λίστα που θα εµφανιστεί. Το πρόγραµµα µας δίνει τη δυνατότητα να επιλέξουµε κάποιο από τα τέσσερα γνωστά συστήµατα µονάδων (Αγγλικό [English], Τροποποιηµένο ιεθνές Σύστηµα [Alt S], ιεθνές Σύστηµα [SI], Μετρικό [Metric]) κάνοντας αριστερό κλικ στο αντίστοιχο πλήκτρο. Επιπλέον, υπάρχει η δυνατότητα να σώσουµε τις επιλογές που θα κάνουµε σε ένα προφίλ, για µελλοντική χρήση. Αφού πραγµατοποιήσουµε όλες τις αλλαγές στις µονάδες µέτρησης πληκτρολογούµε το όνοµα που θέλουµε να δώσουµε στο προφίλ στο αντίστοιχο πλαίσιο (αριστερά από το πλήκτρο «Save Profile») και κάνουµε αριστερό κλικ στο «Save Profile». Όταν θελήσουµε µελλοντικά να φορτώσουµε αυτό το προφίλ αρκεί να επιλέξουµε «Load Profile» από την ίδια οθόνη. Στην οθόνη επιλογής που θα εµφανιστεί κάνουµε αριστερό κλικ στο όνοµα του προφίλ που µας ενδιαφέρει και πατάµε το πλήκτρο «OK», ολοκληρώνοντας τη διαδικασία. Η ταµπέλα «Options and references» περιέχει επιλογές σχετικά µε τις µονάδες µέτρησης όλων των ροών της προσοµοίωσης (Stream flow units) όπως και τις αριθµητικές τιµές αναφοράς της θερµοκρασία του ατµού (Vapor reference temperature) και της ατµοσφαιρικές πίεσης (Atmospheric pressure reference). Αν θέλουµε να αλλάξουµε αυτές τις τιµές αναφοράς αρκεί να 44

55 ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων κάνουµε αριστερό κλικ στην επιλογή «Custom» και να πληκτρολογήσουµε τη νέα τιµή στο πλαίσιο που εµφανίζεται. Όταν ολοκληρώσουµε όλες τις ενέργειες στο µενού επιλογής µονάδων µέτρησης πατάµε το πλήκτρο «OΚ» για αποδοχή των αλλαγών ή το «Cancel» για να τις αναιρέσουµε και να επιστρέψουµε στην προσοµοίωση. 5.3 ηµιουργία του σχεδιαγράµµατος ροής (flowsheet) H δηµιουργία του σχεδιαγράµµατος ροής συνίσταται στην επιλογή των κατάλληλων λειτουργικών µονάδων που θα περιγράφουν µε ακρίβεια το πρόβληµα και τη σύνδεσή τους µε τις ροές, δηµιουργώντας έτσι τη βάση του σχεδιαγράµµατος. Όλα τα κατάλληλη εργαλεία σχεδίασης βρίσκονται στο παράθυρο της παλέτας σχεδιασµού (Palette). Αναλυτική περιγραφή του παραθύρου έχει πραγµατοποιηθεί σε προηγούµενο κεφάλαιο («Το περιβάλλον εργασίας του Chemcad») Εισαγωγή λειτουργικού αντικειµένου (UnitOp) στο σχεδιάγραµµα ροής Για να εισάγουµε κάποιο λειτουργικό αντικείµενο στο σχεδιάγραµµα ροής θα πρέπει να ακολουθήσουµε την παρακάτω διαδικασία: Εντοπίζουµε το λειτουργικό αντικείµενο στην παλέτα µας. Μπορούµε να δουλέψουµε µε την οµάδα «All UnitOps» που περιέχει όλα τα αντικείµενα ή µε κάποια από τις πιο εξειδικευµένες οµάδες της παλέτας που περιέχουν κοµµάτια ενός είδους εξοπλισµού (για παράδειγµα η ταµπέλα «Heat exchangers» θα περιέχει εναλλάκτες θερµότητας). Τοποθετώντας το δείκτη του ποντικιού πάνω από το αντικείµενο παρατηρούµε ότι το κουτί γύρω του αλλάζει χρώµα (γίνεται πιο φωτεινό) και εµφανίζεται µια γενική περιγραφή του αντικείµενο. Κάνοντας αριστερό κλικ επιλέγουµε τη λειτουργική µονάδα. Ο δείκτης του ποντικιού µας έχει πάρει τώρα το σχήµα της λειτουργικής µονάδας. Μετακινούµε το δείκτη του ποντικιού στην περιοχή του παραθύρου επιφάνειας εργασίας που θέλουµε και κάνοντας αριστερό κλικ βλέπουµε το εικονίδιο της λειτουργικής µονάδας να εµφανίζεται στην εν λόγω θέση. Για να ολοκληρώσουµε τη διαδικασία και να επαναφέρουµε τον αρχικό δείκτη του ποντικιού πατάµε το πλήκτρο «Εsc» ή κάνουµε δεξί κλικ. Αρκετά από τα λειτουργικά στοιχεία που περιέχονται στις παλέτες µπορεί να έχουν περισσότερες από µια υλοποιήσεις. Παραδείγµατος χάρη, το λειτουργικό στοιχείο «Στήλη Απόσταξης» (αναφέρεται ως «Tower» από το Chemcad) µπορεί να περιέχει ή όχι αναβραστήρα πυθµένα, συµπυκνωτή κορυφής, εναλλάκτες θερµότητας, αντλίες και διάφορα άλλα στοιχεία, τα οποία δηµιουργούν ένα µεγάλο αριθµό διαφορετικών συνδυασµών. Για την οικονοµία χώρου και την απλούστευση της παλέτας, σε αυτές τις περιπτώσεις, το πρόγραµµα χρησιµοποιεί διάφορα δευτερεύοντα µενού, τα οποία περιέχουν όλους τους διαφορετικούς συνδυασµούς του λειτουργικού στοιχείου, και εµφανίζονται µόνο κατά τη βούληση του χρήστη. Για την εµφάνιση των εν λόγω µενού αρκεί να µετακινήσουµε το δείκτη του ποντικιού επάνω στο εικονίδιο της λειτουργικής µονάδας της παλέτας και να 45

56 ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων κάνουµε αριστερό κλικ στο ορθογώνιο που εµφανίζεται στην κάτω δεξιά γωνία του εικονιδίου. Μπορούµε τώρα να επιλέξουµε τη λειτουργική µονάδα που µας ενδιαφέρει. Όταν επιλέξουµε κάποια από τις εναλλακτικές υλοποιήσεις µιας µονάδας βλέπουµε ότι το εικονίδιό της αντικαθιστά αυτόµατα το προηγούµενο στη θέση του στην παλέτα σχεδιασµού. Αυτό συµβαίνει για τη διευκόλυνσή µας, διότι το πρόγραµµα «αντιλαµβάνεται» ότι θέλουµε να δουλέψουµε µε αυτή την υλοποίηση και την παρουσιάζει στη βασική παλέτα. Αν θέλουµε να αλλάξουµε το εικονίδιο που εµφανίζεται στη βασική παλέτα σε κάθε τέτοια περίπτωση, απλώς ανοίγουµε το δευτερεύων µενού του λειτουργικού στοιχείου και επιλέγουµε το εικονίδιο που θέλουµε ιαχείριση λειτουργικού αντικειµένου στο σχεδιάγραµµα ροής Κάθε εικονίδιο του σχεδιαγράµµατος ροής αποτελεί µια ολοκληρωµένη λειτουργική µονάδα, στην οποία µπορούµε να εκτελέσουµε διάφορες εργασίες. Κάνοντας δεξί κλικ επάνω σε κάθε αντικείµενο εµφανίζεται ένα µενού µε όλες τις επιλογές που το αφορά. Οι συνηθισµένες εντολές αφορούν τη διαχείριση του εικονιδίου στην επιφάνεια εργασίας όµως κάποιες λειτουργικές µονάδες µπορεί να υποστηρίζουν πιο εξειδικευµένες εντολές. Για παράδειγµα το τρέξιµό τους και την εξαγωγή αποτελεσµάτων, πληροφορίες για τη σύσταση και τις ιδιότητες των ροών εισόδου και εξόδου, σχεδιασµό γραφικών παραστάσεων µε τα χαρακτηριστικά τους κλπ. Στη συγκεκριµένη περίπτωση µας ενδιαφέρει µόνο η διαχείριση του αντικειµένου στο σχεδιάγραµµα ροής δηλαδή η µετακίνησή του, η αλλαγή του µέγεθός του ή η διαγραφή του. Αρχικά πρέπει να επιλέξουµε το αντικείµενο κάνοντας αριστερό κλικ πάνω του. Παρατηρούµε την εµφάνιση τεσσάρων µικρών µαύρων τετραγώνων, ένα σε κάθε γωνία του αντικειµένου. Τα τετράγωνα αυτά χρησιµεύουν στην αλλαγή του µεγέθους του αντικειµένου. Συγκεκριµένα, κάνοντας αριστερό κλικ σε κάποιο από αυτά τα τετράγωνα, κρατώντας πατηµένο το αριστερό πλήκτρο του ποντικιού και µετακινώντας το ποντίκι προς την κατεύθυνση που θέλουµε αλλάζουµε το µέγεθος του αντικειµένου. Η µετακίνηση της λειτουργικής µονάδας πραγµατοποιείται απλώς επιλέγοντας το αντικείµενο και τραβώντας το (drag) στο σηµείο που θέλουµε. Τέλος, η διαγραφή της µπορεί να γίνει επιλέγοντας το αντικείµενο και πατώντας το πλήκτρο «Delete» του πληκτρολογίου µας ή κάνουµε δεξί κλικ πάνω στο αντικείµενο και επιλέγουµε «Delete» στο µενού που εµφανίζεται. Σε περίπτωση πραγµατοποίησης λανθασµένης ενέργειας µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε τις εντολές «Undo» (αναίρεση της προηγούµενης ενέργειας) και «Redo» (πραγµατοποίηση της προηγούµενης ενέργειας που αναιρέσαµε) µέσω της επιλογής «Edit» του βασικού µενού του προγράµµατος. Το πρόγραµµα επιτρέπει την αναίρεση των προηγούµενων 99 ενεργειών ξεκινώντας την αρίθµηση από τη στιγµή που θα ανοίξουµε το αρχείο εργασίας µας. 46

57 ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων Σχεδιασµός ροών και σύνδεση τους µε τις λειτουργικές µονάδες Το επόµενο βήµα µετά την τοποθέτηση όλων των λειτουργικών µονάδων στο σχεδιάγραµµα ροής είναι η πρόσθεση των ροών. Για να τοποθετήσουµε µια ροή στο διάγραµµα πρέπει να ακολουθήσουµε τα παρακάτω βήµατα: 1) Αρχικά να εντοπίσουµε και επιλέξουµε το εικονίδιο της ροής (stream) από την οµάδα «All UnitOps» της παλέτας σχεδιασµού. 2) Μετακινώντας το δείκτη του ποντικιού στην επιφάνεια εργασίας παρατηρούµε ότι αυτός έχει το σχήµα ενός µικρού σταυρού «+». Ο στόχος µας είναι να σχεδιάσουµε µια γραµµή που να ξεκινάει από την έξοδο µιας λειτουργικής µονάδας και να τελειώνει στην είσοδο µιας άλλης. Ως λειτουργική µονάδα θεωρούνται όλα τα στοιχεία του σχεδιαγράµµατος ροής, από τους εναλλάκτες θερµότητας και τις στήλες απόσταξης µέχρι την τροφοδοτική ροή και τα προϊόντα. Η είσοδος κάθε λειτουργικής µονάδας συµβολίζεται µε µια µπλε τελεία ενώ η έξοδος µε µια κόκκινη. Μπορεί να υπάρχουν περισσότερες από µια εισόδους ή εξόδους σε µια λειτουργική µονάδα, ανάλογα µε το είδος της. 3) Τοποθετώντας το δείκτη του ποντικιού κοντά σε ένα µπλε ή κόκκινο σηµείο αυτός παίρνει το σχήµα ενός βέλους. Εδώ ψάχνουµε το σηµείο εκκίνησης της ροής µας άρα θα µετακινήσουµε το δείκτη πάνω από µια κόκκινη τελεία. Κάνοντας αριστερό κλικ ξεκινάµε τη σχεδίαση της ροής. Η διαδροµή της ροής συµβολίζεται από το πρόγραµµα ως µια κόκκινη γραµµή που ακολουθεί το δείκτη του ποντικιού. 4) Κατευθύνουµε το δείκτη προς τη λειτουργική µονάδα που θέλουµε να τερµατιστεί η ροή µας και όταν έχουµε πλησιάσει αρκετά θα εµφανιστούν τα σηµεία εισόδου και εξόδου (µπλε και κόκκινες τελείες, αντίστοιχα). Όταν φτάσουµε στη µπλε τελεία που θέλουµε κάνουµε αριστερό κλικ και ολοκληρώνουµε τη διαδροµή της ροής µας. Όταν ολοκληρωθεί ο σχεδιασµός της ροής η λειτουργία σχεδίασης παραµένει ενεργή για το σχεδιασµό και άλλων ροών. Για την απενεργοποίηση της λειτουργίας αυτής αρκεί να πιέσουµε το πλήκτρο «Esc» από το πληκτρολόγιο ή να κάνουµε αριστερό κλικ σε µια λευκή περιοχή του σχεδιαγράµµατος ροής. Οι ροές που θα σχεδιάσουµε µπορεί να είναι όσο πολύπλοκες θέλουµε και συνήθως, εκτός από την περίπτωση της ευθείας γραµµής, θα περιλαµβάνουν τουλάχιστον µια αλλαγή κατεύθυνσης. Κατά τη διάρκεια του σχεδιασµού της ροής µας µπορούµε να πραγµατοποιήσουµε αλλαγή κατεύθυνσης κάνοντας αριστερό κλικ στο σηµείο που επιθυµούµε την αλλαγή αυτή. Η αλλαγή κατεύθυνσης µπορεί να γίνει µόνο κατά 90 αριστερά ή δεξιά του σηµείου που κάναµε αριστερό κλικ. Εκτός της παραπάνω διαδικασίας, το Chemcad µας δίνει τη δυνατότητα αυτόµατου σχεδιασµού της ροής. Το µόνο που πρέπει να κάνουµε είναι να επιλέξουµε τα σηµεία εισόδου και εξόδου της ροής και το πρόγραµµα θα αναλάβει να δηµιουργήσει την πιο σύντοµη «λογική» γραµµή ανάµεσα στα δυο αυτά σηµεία. Βέβαια, αρκετές φορές το αποτέλεσµα δεν είναι το 47

58 ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων αναµενόµενο, ειδικά όταν υπάρχουν άλλες λειτουργικές µονάδες στο δρόµο της ροής, οπότε η λειτουργία αυτή δεν συνίσταται Επανασχεδιασµός ροών σε µετέπειτα στάδια της προσοµοίωσης Ακόµα και όταν έχουµε ολοκληρώσει το σχεδιασµό του σχεδιαγράµµατος ροής και έχουµε εισάγει όλες τις αναλυτικές πληροφορίες στις ροές µας, µπορούν να επανασχεδιάσουµε τη διαδροµή κάθε µιας από αυτές χωρίς να χάσουµε τα πολύτιµα στοιχεία. Αυτό γίνεται επιλέγοντας µε αριστερό κλικ τη ροή που θέλουµε, κάνουµε δεξί κλικ και από το µενού που εµφανίζεται επιλέγουµε την εντολή «Reroute stream». Στη συνέχεια, µπορούµε να σχεδιάσουµε εκ νέου την ροή µε το τρόπο που περιγράψαµε παραπάνω, µε την µόνη διαφορά ότι η ροή θα πρέπει να αρχίζει και να τελειώνει στα ίδια σηµεία (µπλε-κόκκινες τελείες) µε την προηγούµενη για να διατηρήσουµε όλα τα προηγούµενα στοιχεία Σχεδιασµός γεωµετρικών σχηµάτων (απλών και σύνθετων) Τα πιο απλά γεωµετρικά σχήµατα που µπορούµε να σχεδιάσουµε είναι η γραµµή (line), το ορθογώνιο (rectangle) και η έλλειψη (ellipse). Μπορούµε να επιλέγουµε κάποιο από τα τρία αυτά σύµβολα από την οµάδα «All UnitOps» της παλέτας σχεδιασµού. Τοποθετώντας το δείκτη στο παράθυρο της επιφάνειας εργασίας βλέπουµε ότι αυτός παίρνει το σχήµα ενός µικρού σταυρού «+». Κάνουµε αριστερό κλικ στο σηµείο της επιφάνειας εργασίας που θα σχεδιάσουµε το σχήµα, κρατάµε πατηµένο το αριστερό πλήκτρο του ποντικιού και µετακινούµε το ποντίκι κατάλληλα ώστε το σχήµα να πάρει το µέγεθος που θέλουµε. Ολοκληρώνουµε τη διαδικασία αφήνοντας το πλήκτρο του ποντικιού. Μέσω της έλλειψης και του ορθογωνίου µπορούµε να σχεδιάσουµε έναν κύκλο ή ένα τετράγωνο, αντίστοιχα. Ακολουθούµε την παραπάνω διαδικασία µόνο που επιπλέον κρατάµε πατηµένο το πλήκτρο «Shift» σε όλη τη διάρκεια του σχεδιασµού. Εκτός από τα παραπάνω απλά σχήµατα µπορούµε να δηµιουργήσουµε και πιο πολύπλοκα όπως ένα τυχαίο πολύγωνο (polygon), το εικονίδιο του οποίου βρίσκεται στην οµάδα «All UnitOps» της παλέτας σχεδιασµού. Ξεκινώντας το σχεδιασµό, επιλέγουµε µε αριστερό κλικ δύο σηµεία της επιφάνειας εργασίας που θα σχηµατίσουν την πρώτη πλευρά του πολυγώνου. Συνεχίζοντας, µετακινούµε το δείκτη του ποντικιού και επιλέγουµε σηµεία δηµιουργώντας διαδοχικές πλευρές και όταν θέλουµε να ολοκληρώσουµε το σχήµα απλώς κάνουµε διπλό αριστερό κλικ στο τελευταίο σηµείο. Το πρόγραµµα ενώνει αυτόµατα το τελευταίο σηµείο µε το πρώτο, δηµιουργώντας το κλειστό πολύγωνο. Κρατώντας πατηµένο το πλήκτρο «Shift» την ώρα που σχεδιάζουµε µπορούµε να δηµιουργήσουµε διάφορα είδη τριγώνων. Ακολουθώντας όµοια διαδικασία µπορούµε να δηµιουργήσουµε µια γραµµή τυχαίου σχήµατος (multi-line). Tο εικονίδιο της βρίσκεται στην οµάδα «All UnitOps» της παλέτας σχεδιασµού. 48

59 ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων Εισαγωγή κειµένου στο σχεδιάγραµµα ροής Η εισαγωγή κειµένου πραγµατοποιείται επιλέγοντας το εργαλείο κειµένου (Text tool) που βρίσκεται στην οµάδα «All UnitOps» της παλέτας σχεδιασµού και έχει ως εικονίδιο το κεφαλαίο γράµµα T. Μετακινώντας το δείκτη το παράθυρο της επιφάνειας εργασίας βλέπουµε ότι αυτός παίρνει το σχήµα µιας κάθετης γραµµής. Αν κάνουµε κλικ σε κάποιο σηµείο της επιφάνειας εργασίας παρατηρούµε την εµφάνιση του δροµέα εισαγωγής κειµένου και µπορούµε να αρχίσουµε την πληκτρολόγηση. Για να απενεργοποιήσουµε τη διαδικασία εισαγωγής του κειµένου κάνουµε δυο φορές αριστερό κλικ σε οποιοδήποτε λευκό χώρο της επιφάνειας εργασίας. Μπορούµε να αλλάξουµε το είδος και το µέγεθος της γραµµατοσειράς του κειµένου επιλέγοντας Format-Font από το βασικό µενού του προγράµµατος. Η επιλογή Format-Color από το ίδιο µενού µας επιτρέπει να αλλάξουµε το χρώµα των γραµµάτων του κειµένου. Τέλος, µπορούµε να µετακινήσουµε το κείµενο σε όποια θέση επιθυµούµε τραβώντας το (drag) στη νέα θέση. 5.4 Επιλογή των χηµικών συνιστωσών της προσοµοίωσης Πριν την εκτέλεση της προσοµοίωσης πρέπει να δηµιουργήσουµε τη λίστα µε τις χηµικές συνιστώσες που συµµετέχουν στη διαδικασία έτσι ώστε το πρόγραµµα να µπορεί να εργαστεί µε τις ιδιότητες της κάθε συνιστώσας. Κάθε χηµικό στοιχείο που θα πάρει µέρος στη διεργασία πρέπει να δηλωθεί στη λίστα των συνιστωσών της προσοµοίωσης. Στη βάση δεδοµένων του Chemcad υπάρχουν περισσότερες από 2200 συνιστώσες, από τις πιο απλές µέχρι τις πιο σύνθετες. Για να εµφανίσουµε το παράθυρο επιλογής των συνιστωσών αυτών επιλέγουµε διαδοχικά Thermophysical-Select Components από το βασικό µενού του προγράµµατος και βλέπουµε την παρακάτω εικόνα στην οθόνη µας: Σχήµα 5.2: Παράθυρο επιλογής χηµικών συνιστωσών. Η λίστα «Available Components» µας δείχνει όλες τις χηµικές συνιστώσες που περιέχει η βάση δεδοµένων του προγράµµατος ενώ η λίστα «Selected Components» τις συνιστώσες που έχουµε εισάγει στην προσοµοίωση. 49

60 ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων Αναζήτηση µιας συνιστώσας Λόγω του µεγάλου πλήθους των συνιστωσών της βάσης δεδοµένων δεν είναι εύκολο να ψάχνουµε κάθε φορά χειροκίνητα µέσα στη λίστα για να βρούµε τη συνιστώσα που µας ενδιαφέρει. Για το λόγο αυτό το πρόγραµµα προσφέρει τη λειτουργία της γρήγορης αναζήτησης. Για να αναζητήσουµε µια συνιστώσα απλώς γράφουµε το όνοµά της στο πλαίσιο αναζήτησης κάτω αριστερά στην οθόνη. Καθώς πληκτρολογούµε, το πρόγραµµα µας εµφανίζει αυτόµατα τις συνιστώσες που ταιριάζουν στους χαρακτήρες που έχουµε πληκτρολογήσει µέχρι εκείνη τη στιγµή. Το πλαίσιο αναζήτησης µπορεί να δεχθεί κείµενο και αριθµούς. Από µόνο του (by default) το πρόγραµµα ψάχνει ανάµεσα σε όλα τα ονόµατα των χηµικών στοιχείων (chemical names), τους χηµικούς τύπους τους (chemical formulas), τους αριθµούς ταξινόµησης της βάσης δεδοµένων (Chemcad database IDs) και τους αριθµούς CAS (CAS numbers). Μπορούµε να αλλάξουµε το τρόπο µε τον οποίο ψάχνει το πρόγραµµα κάνοντας αριστερό κλικ στην επιλογή «Options», εµφανίζοντας το πλαίσιο διαλόγου «Search options». Με τη βοήθειά του µπορούµε να επιλέξουµε ποια από τις επιλογές θέλουµε να χρησιµοποιήσουµε στην αναζήτηση. Συνιστάται η επιλογή των «Name» και «Formula», να ψάχνει δηλαδή το πρόγραµµα µόνο για το όνοµα του χηµικού στοιχείου ή το χηµικό του τύπο Επιλογή της συνιστώσας για την προσοµοίωση Αφού εντοπίσουµε τη συνιστώσα που θέλουµε, κάνουµε δυο φορές αριστερό κλικ πάνω της ή την επιλέγουµε και κάνουµε αριστερό κλικ στο κουµπί του δεξιού βέλους (>) που βρίσκεται ανάµεσα στις δύο στήλες. Η συνιστώσα βρίσκεται τώρα στην κορυφή της λίστας «Selected Components» και έχει επιλεγεί επιτυχώς για την προσοµοίωσή µας. Μπορούµε να επιλέξουµε χειροκίνητα παραπάνω από µια συνιστώσες της λίστας «Available Components» κρατώντας πατηµένα το πλήκτρο «Shift» (για την επιλογή όλων το συνιστωσών που βρίσκονται ανάµεσα σε δύο συνιστώσες) ή το πλήκτρο «Ctrl» (για να επιλέξουµε διαφορετικές συνιστώσες κατά βούληση) του πληκτρολογίου µας, ανάλογα µε την περίπτωση. Τέλος, υπάρχει η δυνατότητα να εισάγουµε τη λίστα συνιστωσών που είχαµε χρησιµοποιήσει σε κάποια προηγούµενη προσοµοίωση. Αυτό γίνεται κάνοντας αριστερό κλικ στο πλήκτρο «Copy From Another Simulation». Στο παράθυρο διαλόγου που ανοίγει εντοπίζουµε το φάκελο που βρίσκεται η προσοµοίωση που θέλουµε να χρησιµοποιήσουµε και αφού την επιλέξουµε κάνουµε αριστερό κλικ στο «Open», ολοκληρώνοντας τη διαδικασία ιαχείριση των αντικειµένων της λίστας συνιστωσών Σε περίπτωση πιθανού λάθους γίνεται να διαγράψουµε κάποιο στοιχείο από τη λίστα των συνιστωσών της προσοµοίωσης επιλέγοντας το και κάνοντας αριστερό κλικ στο κουµπί «Delete» που βρίσκεται ακριβώς κάτω από τη λίστα «Selected Components». Αν θέλουµε να διαγράψουµε ολόκληρη τη λίστα και να ξεκινήσουµε από την αρχή απλώς πατάµε το κουµπί «Clear». 50

61 ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων Μπορούµε επίσης να αλλάξουµε τη διάταξη των αντικειµένων της λίστας χρησιµοποιώντας τα κουµπιά Top, Bottom, Up και Down, που βρίσκονται αριστερά από τη λίστα «Selected Components». Η λειτουργία αυτή χρησιµεύει περισσότερο για καλύτερη εποπτεία της λίστας των συνιστωσών όταν αυτή έχει µεγάλο µέγεθος. Το κουµπί Top τοποθετεί την επιλεγµένη συνιστώσα στην κορυφή της λίστας ενώ το Bottom στο κάτω µέρος της. Τέλος, το κουµπί Up µετακινεί τη συνιστώσα στην αµέσως υψηλότερη θέση της λίστας ενώ το Down στην αµέσως χαµηλότερη. 5.5 Καθορισµός των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών της προσοµοίωσης Ο σωστός καθορισµός των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών είναι από τα πιο σηµαντικά στάδια για µια επιτυχή προσοµοίωση καθώς κάποιο λάθος σε αυτό το βήµα θα οδηγήσει σε µη ρεαλιστικά αποτελέσµατα. Αν η τεχνολογία της χηµικής µηχανικής ήταν σε πιο ανεπτυγµένο στάδιο θα ήταν δυνατόν να έχουµε µια εξίσωση που να περιγράφει τη φάση ισορροπίας όλων των συνιστωσών και των µιγµάτων σε όλες τις καταστάσεις. Τη σηµερινή εποχή αυτό που έχουµε είναι µονάχα ξεχωριστά µοντέλα, ειδικά για κάποιες συνιστώσες και µίγµατα. Εποµένως, η δουλειά του µηχανικού είναι να επιλέξει κάθε φορά µε επιτυχία το κατάλληλο µοντέλο υπολογισµού των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών του προβλήµατος. Το πρόγραµµα µας δίνει τη δυνατότητα να χρησιµοποιήσουµε ένα αυτοµατοποιηµένο σύστηµα για την επιλογή των κατάλληλων µοντέλων υπολογισµού των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών, που καλείται Thermodynamics Wizard ή να πραγµατοποιήσουµε όλες τις απαραίτητες επιλογές µόνοι µας Χρησιµοποιώντας το σύστηµα Thermodynamics Wizard Η χρήση αυτού του συστήµατος είναι δυνατή µετά το καθορισµό της λίστας συνιστωσών που λαµβάνουν µέρος στην προσοµοίωση. Από το βασικό µενού του προγράµµατος επιλέγουµε διαδοχικά Thermophysical-Thermodynamics Wizard και εµφανίζουµε την οθόνη του Thermodynamics Wizard που φαίνεται παρακάτω. Στο πάνω µέρος του παραθύρου βρίσκεται το κοµµάτι «Select components to ignore», όπου µπορούµε να επιλέξουµε ποιες από τις συνιστώσες της λίστας µας θέλουµε να αγνοήσει το πρόγραµµα όταν θα µας προτείνει τα διάφορα µοντέλα υπολογισµού των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών. Για παράδειγµα, αν θέλουµε να αγνοήσουµε τη συνιστώσα του µεθανίου (Methane) τότε πρέπει να την επιλέξουµε από τη λίστα που θα εµφανιστεί κάνοντας αριστερό κλικ στο κάθετος βέλος, δεξιά από κάποιο από τα έξι πλαίσια επιλογής που υπάρχουν. Στο κάτω µέρος του παραθύρου µπορούµε να καθορίσουµε διάφορες παραµέτρους τη διαδικασίας όπως τα ακριβή εύρη θερµοκρασίας και πίεσης. Επίσης υπάρχει και η επιλογή «BIP data threshold» αφορά τις παραµέτρους δυαδικής αλληλεπίδρασης (Binary Interaction Parameters). Πιο συγκεκριµένα, 51

62 ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων στο πεδίο αυτό πρέπει να θέσουµε το ελάχιστο ποσοστό των πιθανών παραµέτρων δυαδικής αλληλεπίδρασης που πρέπει να υπάρχουν σε κάποιο µοντέλο συντελεστή ενεργότητας (activity coefficient) έτσι ώστε να βοηθήσουµε το πρόγραµµα στην επιλογή του κατάλληλου µοντέλου. Αν δεν υπάρχουν παράµετροι δυαδικής αλληλεπίδρασης όλα τα µοντέλα του συντελεστή ενεργότητας απλοποιούνται στο νόµο του Raoul. Σχήµα 5.3: Παράθυρο επιλογών του εργαλείου «Thermodynamics wizard». Πιέζοντας το πλήκτρο «OK» το πρόγραµµα θα µας ενηµερώσει για το ποιο µοντέλο επέλεξε τελικά για τον υπολογισµό της τιµής Κ (σχετική µε την ισορροπία των φάσεων της διεργασίας) και της ενθαλπίας, χρησιµοποιώντας σχετικό παράθυρο. Στη συνέχεια, εµφανίζεται το παράθυρο «Thermodynamic Settings» από όπου µπορούµε να αλλάξουµε όλες τις θερµοδυναµικές επιλογές αν πιστεύουµε ότι το αποτέλεσµα της αυτοµατοποιηµένης διαδικασίας ήταν λανθασµένο. Αναλυτική περιγραφή του χειροκίνητου καθορισµού των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών της προσοµοίωσης υπάρχει στην αµέσως επόµενη παράγραφο. Είναι σηµαντικό να κατανοήσουµε µε ποιόν τρόπο επιλέγει ένα µοντέλο το αυτοµατοποιηµένο σύστηµα Thermodynamics Wizard έτσι ώστε να µπορούµε να ξεχωρίσουµε τις περιπτώσεις που θα πραγµατοποιήσει λάθος επιλογή όταν το χρησιµοποιήσουµε! 1) Αρχικά, γίνεται η επιλογή του γενικού µοντέλου που θα ταίριαζε στη δεδοµένη λίστα συνιστωσών. Αν όλες οι συνιστώσες είναι υδρογονάνθρακες 52

63 ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων τότε το σύστηµα είναι πιθανότερο να επιλέξει κάποια καταστατική εξίσωση (equation of state). Στην παρουσία νερού, θα επιλεγεί µια µέθοδος συντελεστή ενεργότητας (activity coefficient method). Αν υπάρχουν ταυτόχρονα νερό και υδρογονάνθρακες το σύστηµα θα επιλέξει το µοντέλο UNIFAC. Το µοντέλο UNIFAC περιγράφει µια µη ιδανική κατάσταση δύο υγρών φάσεων στην οποία η θερµοκρασία κυµαίνεται από 275 έως 475 Κ και η πίεση από O έως 4 atm Τέλος, στην περίπτωση ύπαρξης νερού και ισχυρών ηλεκτρολυτών θα επιλεγεί κάποιο µοντέλο ηλεκτρολυτών. 2) Στη συνέχεια, ανάλογα µε τις τιµές των ορίων της πίεσης και της θερµοκρασίας που έδωσε ο χρήστης, το σύστηµα επιλέγει το είδος της εξίσωσης που θα είναι καταλληλότερη στα όρια αυτών των τιµών. Αν η πίεση είναι υψηλή τότε είναι πιθανότερο να επιλεγεί καταστατική εξίσωση (equation state). Στην περίπτωση που έχουµε ατµοσφαιρική πίεση και η θερµοκρασία είναι µικρότερη από το σηµείο βρασµού όλων των συνιστωσών τότε η επιλογή θα γίνει ανάµεσα σε ένα µοντέλο ενεργότητας υγρού (liquid activity model) και της πίεσης των ιδανικών αερίων (ideal vapor pressure). 3) Τέλος, αν η µέθοδος που επιλέγει είναι µέθοδος συντελεστή ενεργότητας, τότε το πρόγραµµα θα κοιτάξει στη βάση δεδοµένων των παραµέτρων δυαδικής αλληλεπίδρασης για να εντοπίσει το µοντέλο που έχει τις περισσότερες οµάδες δεδοµένων (data sets) για τη συγκεκριµένη περίπτωση και θα υπολογίσει την κλασµατική πληρότητα (fractional completeness) του µητρώου των παραµέτρων δυαδικής αλληλεπίδρασης αυτού του µοντέλου. Αν το µέγεθος αυτό έχει µεγαλύτερη τιµή από την τιµή που εισήγαγε ο χρήστης στο πλαίσιο «BIP data threshold» τότε το σύστηµα επιλέγει το εν λόγω µοντέλο. Σε αντίθετη περίπτωση επιλέγεται το µοντέλο UNIFAC. Σηµείωση: Το σύστηµα Thermodynamics Wizard έχει ως στόχο, αποκλειστικά και µόνο, να προτείνει κάποια πιθανά µοντέλα υπολογισµού θερµοδυναµικών ιδιοτήτων κάνοντας χρήση κάποιων γενικών κανόνων επιλογής, που µερικές φορές µπορεί να είναι και λάθος. εν µπορεί και δεν πρέπει να θεωρηθεί ως αντικαταστάτης της ανθρώπινης κρίσης ενός µηχανικού. Η σωστή χρήση του θα ήταν να το χρησιµοποιούµε για µια αρχική εκτίµηση της κατάστασης και στη συνέχεια να πραγµατοποιήσουµε τις όποιες επιλογές µόνοι µας, παίρνοντας φυσικά και την αντίστοιχη ευθύνη της επιλογής Χειροκίνητος καθορισµός των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών της προσοµοίωσης Για να καθορίσουµε όλα τα απαραίτητα στοιχεία θερµοδυναµικής της προσοµοίωσής µας χωρίς τη βοήθεια του Chemcad επιλέγουµε διαδοχικά Thermophysical-Thermodynamic Settings από το βασικό µενού του προγράµµατος ή κάνουµε αριστερό κλικ στο αντίστοιχο κουµπί της µπάρας εργαλείων ( ). Οποιαδήποτε από τις δύο ενέργειες αυτές θα µας εµφανίσει το παρακάτω παράθυρο επιλογών: 53

64 ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων Σχήµα 5.4: Επιλογές σχετικά µε το µοντέλο υπολογισµού της τιµής Κ α Επιλογές της τιµής Κ (K-value) Η πρώτη από τις ταµπέλες του παραθύρου ονοµάζεται «K value Models» και περιλαµβάνει όλες τις επιλογές που µπορούµε να κάνουµε για την τιµή K. Αναλυτικά, έχουµε τα παρακάτω: Global K Value Option Επιτρέπει την επιλογή του γενικού µοντέλου υπολογισµού της τιµής Κ για όλη την προσοµοίωση. Η τιµή Κ είναι η έκφραση που συνδέει την αέρια και την υγρή φάση στην ισορροπία ατµού και υγρού του µίγµατος (vapor liquid equilibrium, VLE). Μπορούµε να επιλέξουµε τοπικά µοντέλα υπολογισµού της τιµής Κ σε κάθε λειτουργική µονάδα, αναιρώντας τη γενική επιλογή. Ethane/Ethylene, Propane/Propylene Η επιλογή αυτή ενεργοποιείται µόνο όταν έχουµε τα µοντέλα SPK ή Peng- Robinson για την επιλογή της τιµής Κ και συστήµατα αιθανίου/αιθυλενίου και προπανίου/προπυλενίου. Μπορούµε να επιλέξουµε τη χρησιµοποίηση ειδικών παραµέτρων δυαδικής αλληλεπίδρασης (special SPK/PR Bips) που θα δώσουν πιο ακριβή αποτελέσµατα κοντά στα κρίσιµα σηµεία, σε σχέση µε τις κανονικές παραµέτρους δυαδικής αλληλεπίδρασης (regular SPK/PR Bips). Vapor phase association Μερικές συνιστώσες, όπως τα καρβοξυλικά οξέα, παρουσιάζουν φαινόµενα διαµερισµού ή και πολυµερισµού στην ατµώδη φάση. Κάνοντας αριστερό κλικ στην επιλογή «Vapor phase association» λαµβάνουµε υπόψη µας τα παραπάνω φαινόµενα. Vapor fugacity/poynting Correction Η µέθοδος αυτή είναι χρήσιµη όταν χρησιµοποιούµε µεθόδους υγρού συντελεστή ενεργότητας (liquid activity coefficient) και για πίεση πάνω από 3 atm. Επιλέγοντας το «Correction» η πτητικότητα/τάση διαφυγής (fugacity) του 54

65 ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων ατµού θα υπολογιστεί µε την καταστατική εξίσωση SPK, παρέχοντας ακριβέστερα αποτελέσµατα. SRK/PR Alpha function Στα µοντέλα υπολογισµού SPK και Peng-Robinson µπορούµε να επιλέξουµε είτε την κοινή συνάρτηση άλφα (alpha function) ή την νεότερη συνάρτηση άλφα Boston-Mathias (χρήσιµη για θερµοκρασίες µεγαλύτερες της κρίσιµης). Global Phase Option Χρησιµεύει στο να αλλάξουµε το τρόπο µε τον οποίο το πρόγραµµα αντιλαµβάνεται τις φάσεις της διεργασίας. Η επιλογή «Vapor/ Liquid/ Solid» θα ελέγξει το ενδεχόµενο ύπαρξης ατµώδους, υγρής και στερεής φάσης στη διεργασία ενώ η «Vapor/ Liquid/ Liquid/ Solid» θα ελέγξει επιπλέον την δηµιουργία µιας δεύτερης υγρής φάσης, Water/Hydrocarbon Solubility Ανάλογα µε τα µοντέλα υπολογισµού που έχουµε επιλέξει, µπορούµε να θεωρήσουµε το νερό αναµείξιµο (miscible) ή όχι (immiscible). Σε όλα τα µοντέλα εκτός από αυτά του υγρού συντελεστή ενεργότητας (liquid activity coefficient), το νερό µπορεί να θεωρηθεί ως µη αναµείξιµο. Στην περίπτωση αυτή, η τιµή Κ του νερού υπολογίζεται λαµβάνοντας υπόψη τη διαλυτότητα (solubility) του νερού στους υδρογονάνθρακες. Αντίθετα, αν θεωρήσουµε το νερό αναµείξιµο τότε χρησιµοποιείται η τιµή Κ του γενικού µοντέλου (global K value) που ορίσαµε σε προηγούµενη επιλογή. Wilson model salt Επιτρέπει να λάβουµε υπόψη µας την παρουσία διαλυµένων αλάτων στην ισορροπία υγρού-ατµού των διαλυτικών ουσιών. Η επιλογή αυτή δουλεύει µόνο µε την εξίσωση Wilson. No. of BIP sets To πρόγραµµα µας επιτρέπει να δηµιουργήσουµε µέχρι και δέκα διαφορετικές οµάδες παραµέτρων δυαδικής αλληλεπίδρασης (Binary Interaction Parameters, BIPs) για κάθε µέθοδο συντελεστή ενεργότητας. Με το τρόπο αυτό µπορούµε να επιλέξουµε διαφορετικές οµάδες παραµέτρων σε διαφορετικά σηµεία του σχεδιαγράµµατος ροής, για παράδειγµα στο συµπυκνωτή και σε όλη την υπόλοιπη στήλη απόσταξης. Default BIP set Καθορίζει την οµάδα παραµέτρων δυαδικής αλληλεπίδρασης που θα χρησιµοποιεί το πρόγραµµα για γενική χρήση. Η αριθµητική τιµή αναφοράς αυτής της οµάδας είναι το 1 ενώ, όλες οι άλλες τοπικές οµάδες έχουν µεγαλύτερους αριθµούς ξεκινώντας από το 2 κοκ. Clear all local K models/bips Με την επιλογή αυτή το πρόγραµµα διαγράφει όλες τις τοπικές ρυθµίσεις της τιµής Κ και των δυαδικών παραµέτρων αλληλεπίδρασης και χρησιµοποιεί σε όλο το σχεδιάγραµµα ροής τα γενικό µοντέλα τους, όπως τα ορίσαµε σε προηγούµενες επιλογές. Clear all tray BIPs Βοηθά στη διαγραφή όλων των δυαδικών παραµέτρων αλληλεπίδρασης των δίσκων (tray) της στήλης απόσταξης. Set local K models/bips Η επιλογή αυτή µας βοηθά να επιλέξουµε µια ή περισσότερες λειτουργικές µονάδες από το σχεδιάγραµµα ροής και εν συνεχεία να καθορίσουµε το µοντέλο της τιµής Κ ή την οµάδα παραµέτρων ΒIPs που χρησιµοποιηθεί σε αυτή τη λειτουργική µονάδα. Η διαδικασία αυτή πραγµατοποιείται όταν θα 55

66 ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων κλείσουµε το παράθυρο «Thermodynamic Settings» µε τη βοήθεια διαδοχικών παραθύρων διαλόγου που φαίνονται παρακάτω. Στο παράθυρο «Select UnitOps» που εµφανίζεται πρώτο πληκτρολογούµε την τιµή της λειτουργικής µονάδας που θέλουµε να επεξεργαστούµε ή απλώς την επιλέγουµε από το σχεδιάγραµµα ροής. Σχήµα 5.5: Επιλογή της αριθµητικής τιµής αναφοράς της µονάδας. Επειτα, εµφανίζεται το παράθυρο «Local K Model and BIP Options», στο οποίο επιλέγουµε από τα αντίστοιχα µενού τις τοπικές ρυθµίσεις που θέλουµε να κάνουµε. Στην περίπτωσή µας, διαλέγουµε το κατάλληλο µοντέλο από τη λίστα δίπλα στην επιλογή «Local K Value Option» και πληκτρολογούµε την αριθµητική τιµή αναφοράς οµάδων BIPs στο πλαίσιο εισαγωγής κειµένου, δεξιά από την επιλογή «Local BIP set». Σχήµα 5.6: Τοπική τιµή Κ και επιλογές ΒΙΡ. Set tray BIPs Με την επιλογή αυτή µπορούµε να επιλέξουµε µια ή περισσότερες στήλες απόσταξης από το σχεδιάγραµµα ροής και εν συνεχεία να καθορίσουµε τους αριθµούς των δίσκων της στήλης και την οµάδα παραµέτρων ΒIPs που θα χρησιµοποιηθούν στους δίσκους αυτούς. Η αναφερθείσα διαδικασία πραγµατοποιείται όταν θα κλείσουµε το παράθυρο «Thermodynamic Settings» µε τη βοήθεια του παραθύρου «Tray BIP Options» που φαίνεται παρακάτω: 56

67 ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων Σχήµα 5.7: Καθορισµός του εύρους των δίσκων που θα χρησιµοποιηθούν οι παράµετροι ΒΙΡ. Στο παράθυρο αυτό πληκτρολογούµε τον αριθµό του αρχικού («From tray #») και του τελικού («To tray #») δίσκου της στήλης απόσταξης που θέλουµε να αποκτήσει διαφορετικές ρυθµίσεις και την αντίστοιχη αριθµητική τιµή αναφοράς της οµάδας BIP («BIP set»). Set Henry components Με τη βοήθειά της µπορούµε να επιλέξουµε σε ποιες συνιστώσες θα χρησιµοποιηθεί το µοντέλο του νόµου των αερίων του Henry (Henry s Gas Law) για τον υπολογισµό της τιµές Κ. Σε όλες τις υπόλοιπες συνιστώσες θα χρησιµοποιηθεί το γενικό µοντέλο υπολογισµού, όπως ορίστηκε σε προηγούµενη επιλογή. Η διαδικασία πραγµατοποιείται όταν θα κλείσουµε το παράθυρο «Thermodynamic Settings» µε τη βοήθεια του παραθύρου «Henry s Components» που φαίνεται παρακάτω: Σχήµα 5.8: Επιλογή συνιστωσών που θα χρησιµοποιήσουν το νόµο Henry. Στο παράθυρο αυτό χρησιµοποιούµε τα κάθετα βέλη για να εµφανίσουµε τη λίστα των συνιστωσών και να επιλέξουµε τις συνιστώσες στις οποίες θέλουµε να χρησιµοποιηθεί το µοντέλο του νόµου των αερίων του Henry β Επιλογές της ενθαλπίας 57

68 ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων Η δεύτερη ταµπέλα του παραθύρου «Thermodynamic Settings» που ονοµάζεται «Enthalpy models» και φαίνεται παρακάτω, περιλαµβάνει όλες τις επιλογές που µπορούµε να κάνουµε για την τιµή της ενθαλπίας. Σχήµα 5.9: Παράθυρο θερµοδυναµικών επιλογών, ταµπέλα ενθαλπίας. Αναλυτικά έχουµε τα παρακάτω στοιχεία: Global Enthalpy Option Επιτρέπει την επιλογή του γενικού µοντέλου υπολογισµού της ενθαλπίας για την προσοµοίωση. Μπορούµε να επιλέξουµε τοπικά µοντέλα υπολογισµού για κάθε λειτουργική µονάδα, αναιρώντας τη γενική επιλογή. Ideal gas heat capacity Καθορίζει το τρόπο µε τον οποίο θα υπολογιστεί η ιθερµοχωρητικότητα ιδανικού αερίου (ideal gas heat capacity) δηλαδή χρησιµοποιώντας είτε µια πολυωνυµική (polynomial) εξίσωση µε υπολογισµένες παραµέτρους είτε µια εξίσωση µε εµπειρικές παραµέτρους. Αν δεν κάνουµε κάποια επιλογή, το πρόγραµµα θα χρησιµοποιήσει την πολυωνυµική εξίσωση. Use heat of solution file Αν επιλεγεί, το πρόγραµµα θα χρησιµοποιήσει τα δεδοµένα που βρίσκονται στο αρχείο θερµότητας του διαλύµατος. Το αρχείο αυτό περιέχει δεδοµένα διόρθωσης της θερµότητας του διαλύµατος για συστάσεις µιγµάτων διαφορετικών συνιστωσών. Use electrolyte enthalpy Τα µοντέλα ηλεκτρολυτών περιέχουν ένα µοντέλο ενθαλπίας ώστε να αντισταθµιστούν τις αλλαγές στη θερµότητα κατά το διαχωρισµό των χηµικών συνιστωσών. Αν τσεκάρουµε την επιλογή αυτή, το πρόγραµµα θα λάβει υπόψη του φαινόµενα αλλαγής ενθαλπίας κατά το διαχωρισµό όταν πραγµατοποιήσει τους ισολογισµούς θερµότητας. Αν δεν γνωρίζουµε τα 58

69 ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων ακριβή δεδοµένα της αντίδρασης διαχωρισµού καλό θα είναι να µην επιλέξουµε αυτή την επιλογή και να χρησιµοποιήσουµε κάποιο διαφορετικό µοντέλο υπολογισµού ενθαλπίας. Heat of mixing by Gamma Η ενθαλπία των υγρών µπορεί να ρυθµιστεί ώστε να ληφθεί υπόψη η θερµότητα που παράγεται κατά την ανάµειξη των συνιστωσών. Clear all local H models Αν τσεκάρουµε την επιλογή αυτή το πρόγραµµα διαγράφει όλα τα τοπικά µοντέλα ενθαλπίας και χρησιµοποιεί σε όλο το σχεδιάγραµµα ροής το γενικό µοντέλο ενθαλπίας που ορίσαµε σε προηγούµενη επιλογή. Specify local H models Με την επιλογή αυτή µπορούµε να επιλέξουµε λειτουργικές µονάδες στις οποίες θέλουµε να εφαρµόσουµε τοπικά µοντέλα υπολογισµού της ενθαλπίας. Η αναφερθείσα διαδικασία πραγµατοποιείται όταν θα κλείσουµε το παράθυρο «Thermodynamic Settings» µε τη βοήθεια διαδοχικών παραθύρων. Στο παράθυρο «Select UnitOps» που εµφανίζεται πρώτο πληκτρολογούµε την τιµή της λειτουργικής µονάδας που θέλουµε να επεξεργαστούµε ή απλώς την επιλέγουµε από το σχεδιάγραµµα ροής. Έπειτα, εµφανίζεται το παράθυρο «Local Enthalpy Option», στο οποίο επιλέγουµε από τη λίστα το κατάλληλο µοντέλο ενθαλπίας. Σχήµα 5.10: Επιλογή τοπικού µοντέλου ενθαλπίας. Steam table Το πεδίο αυτό αφορά τις ροές που περιέχουν ατµό. Μπορούµε να επιλέξουµε «Quick fit» για γρήγορο υπολογισµό των ενθαλπιών της ροής ή «ASME steam» που αναφέρεται σε ροές που περιέχουν νερό και ατµό και χρησιµοποιεί διάφορους πίνακες ατµού για τον υπολογισµό της ενθαλπίας. Compressed water pressure correction for steam table Η επιλογή αυτή αναφέρεται στη διόρθωση που µπορούµε να κάνουµε στην πίεση του συµπιεσµένου νερού σε ροές ατµού γ Επιλογές ιδιοτήτων µεταφοράς Η τρίτη και τελευταία ταµπέλα του παραθύρου «Thermodynamic Settings» ονοµάζεται «Transport properties» και φαίνεται παρακάτω. Περιλαµβάνει όλες τις επιλογές που µπορούµε να κάνουµε για τις ιδιότητες µεταφοράς. 59

70 ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων Σχήµα 5.11: Παράθυρο θερµοδυναµικών επιλογών, ταµπέλα ιδιοτήτων µεταφοράς. Αναλυτικά έχουµε τα παρακάτω στοιχεία: Liquid density model Επιλέγουµε το µοντέλο πυκνότητας του υγρού που θα χρησιµοποιηθεί σε όλη τη διάρκεια της προσοµοίωσης. Παραδείγµατος χάρη, χρησιµεύει όταν έχουµε λειτουργική µονάδα αντλίας, στην εξίσωση συντελεστή ενεργότητας Wilson ή στη µέθοδο υπολογισµού Grayson-Streed για την τιµή Κ. Τα τέσσερα διαφορετικά µοντέλα που µπορούµε να επιλέξουµε είναι τα Library, API Lu s Method, Cavett και Rackett. Η µέθοδος Library είναι επιλεγµένη εξαρχής από το πρόγραµµα και χρησιµοποιεί κάποια από τις εξισώσεις γενικής χρήσεως που υπάρχουν στη βάση δεδοµένων (ή αλλιώς βιβλιοθήκη, library) του προγράµµατος. Αν οι συντελεστές της εξίσωσης Library δεν βρίσκονται στη βάση δεδοµένων του Chemcad τότε χρησιµοποιείται η µέθοδος API. Αν δεν είναι γνωστό το ειδικό βάρος στους 60 F, που είναι απαραίτητο στη µέθοδο API, τότε χρησιµοποιείται η µέθοδος Cavett. Liquid viscosity model Επιτρέπει την επιλογή του µοντέλου συνεκτικότητας υγρού ενός καθαρού συστατικού χρησιµοποιώντας την εξίσωση DIPPR. Αν δεν είναι γνωστές οι σταθερές της εξίσωσης αυτής τότε το πρόγραµµα θα επιλέξει τη µέθοδο Letsou-Steil. Τέλος, στην περίπτωση ψευδοσυνιστωσών το πρόγραµµα χρησιµοποιεί τη µέθοδο ASME. Οι ψευδοσυνιστώσες βοηθούν στη µοντελοποίηση της συµπεριφοράς µιας οµάδας υδρογονανθράκων. Το όνοµά τους ξεκινάει πάντα µε τα γράµµατα NBP (Normal Boiling Point, κανονικό σηµείο βρασµού) ακολουθούµενα από έναν αριθµό και το γράµµα F. Ο αριθµός αυτός είναι η θερµοκρασία του κανονικού σηµείου βρασµού µετρούµενη σε βαθµούς Φαρενάιτ (εξού και το F). Για παράδειγµα, η 60

71 ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων ψευδοσυνιστώσα NBP300F µοντελοποιεί το µίγµα υδρογονανθράκων που έχει κανονικό σηµείο βρασµού 300 F. Liquid viscosity mixing rule Μας βοηθά στην επιλογή του κανόνα ανάµειξης συνεκτικών υγρών. Μπορούµε να επιλέξουµε «Log average by mole fraction» για τη λογαρίθµηση του µέσου όρου του γραµµοµοριακού κλάσµατος των συνιστωσών που αναµειγνύουµε ή «Log average by mass fraction» για τη λογαρίθµηση του µέσου όρου του κλάσµατος µάζας των συνιστωσών προς ανάµειξη. Electrolyte liq. viscosity mixing rule Πραγµατοποιεί επιλογή του κανόνα ανάµειξης συνεκτικών υγρών που περιέχουν ηλεκτρολύτες. Μπορούµε να επιλέξουµε τη λογαρίθµηση του ποσοστού γραµµοµορίων µε τη διόρθωση Clark («Log mole (%) with Clark correction») ή τη λογαρίθµηση του ποσοστού µάζας µε τη διόρθωση Clark («Log mass (%) with Clark correction»). Liquid viscosity pressure correction Αν τσεκάρουµε αυτή την επιλογή τότε το πρόγραµµα θα χρησιµοποιήσει το µοντέλο διόρθωσης πίεσης συνεκτικότητας υγρού. Vapor viscosity model Η βασική µέθοδος που χρησιµοποιεί το πρόγραµµα για τον υπολογισµό της συνεκτικότητας ατµού ενός καθαρού συστατικού είναι η εξίσωση DIPPR. Αν έχουµε αέρια χαµηλής πίεσης προτιµάται το µοντέλο των Chapman-Enskog. Τέλος, αν δεν υπάρχουν διαθέσιµα τα απαραίτητα στοιχεία για την εφαρµογή των παραπάνω µοντέλων, χρησιµοποιείται η µέθοδος Thodos. Dean-Stiel pressure correction Τσεκάροντας αυτή την επιλογή τότε το πρόγραµµα θα ενεργοποιήσει το µοντέλο Dean-Stiel διόρθωσης για τη συνεκτικότητα υγρού σε υψηλές πιέσεις. Liquid surface tension model Επιλέγουµε το µοντέλο τάσης στην επιφάνεια υγρών ανάµεσα από πέντε διαφορετικές επιλογές: Hakim, Hydrocarbon correlation (χρήσιµο όταν το οι συνιστώσες µας είναι υδρογονάνθρακες), Library, Miller, Onsager Samaras [electrolytes] (χρήσιµο όταν υπάρχουν ηλεκτρολύτες ανάµεσα στις συνιστώσες). Το µοντέλο Library δεν θα δείξει το φαινόµενο της ανάµειξης που συµβαίνει σε χαµηλές θερµοκρασίες. Liquid thermal conductivity model Αναφέρεται στο µοντέλο θερµικής αγωγιµότητας (thermal conductivity) για υγρό. Μπορούν να επιλεγούν τέσσερα διαφορετικά µοντέλα: API procedure, Library, Hydrocarbon (κατάλληλο για υδρογονάνθρακες), Riedel-Jamieson (για ηλεκτρολύτες) Vapor thermal conductivity model Αφορά το µοντέλο θερµικής αγωγιµότητας (thermal conductivity) ατµού. Υπάρχουν 2 διαφορετικά µοντέλα: API procedure και Library. Vapor conductivity correlation (> 1 atm) Αυτή η επιλογή αφορά µοντέλα συσχέτισης (correlation) της αγωγιµότητας ατµού. Μπορούµε να επιλέξουµε No Correction (για να µην γίνει καµία διόρθωση της αγωγιµότητας), το µοντέλο API και το µοντέλο Stiel-Thodos (για διόρθωση σε υψηλές πιέσεις). Electrolyte Std Liquid Το πρόγραµµα χρησιµοποιεί συνήθως το ειδικό βάρος (specific gravity) για να υπολογίσει τους κανονικούς όγκους του υγρού (standard liquid volume rate) σε ένα µίγµα. Σε ένα σύστηµα µε ηλεκτρολύτες, η παραπάνω µέθοδος 61

72 ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων χρησιµοποιεί την παραδοχή ότι οι γραµµοµοριακοί όγκοι προστίθενται ενώ κανονικά ένας ισχυρός ηλεκτρολύτης διαλύεται στο νερό και δεν προσθέτει τον όγκο του στο µίγµα. Επιλέγοντας το «Based on actual volume» το Chemcad θα υπολογίσει τον όγκο του υγρού του µίγµατος στις συνθήκες αναφοράς (standard conditions) χρησιµοποιώντας την παραπάνω παραδοχή. H επιλογή «Based on components» θα υπολογίσει το κανονικό όγκο του υγρού για κάθε συνιστώσα, µε τη βοήθεια του ειδικού όγκου. 5.6 Προσδιορισµός των χαρακτηριστικών των ροών της προσοµοίωσης Το επόµενο βήµα στη δηµιουργία της προσοµοίωσης είναι να εισάγουµε τα κατάλληλα χαρακτηριστικά σε όλες τις ροές του προβλήµατος. Αυτό περιλαµβάνει κυρίως τις τροφοδοτικές ροές αλλά και τις ροές προϊόντων, πιθανές ροές ανακύκλωσης κλπ. Μπορούµε να επεξεργαστούµε µια συγκεκριµένη ροή µε πολλούς τρόπους. Κάνοντας διπλό αριστερό κλικ επάνω της στο σχεδιάγραµµα ροής, κάνοντας δεξί κλικ πάνω της στο σχεδιάγραµµα ροής και επιλέγοντας «Edit Stream» από το µενού που εµφανίζεται ή να χρησιµοποιήσουµε το παράθυρο του Chemcad Explorer. Εκεί πρέπει αρχικά να εµφανίσουµε τα υποµενού της επιλογής «Flowsheet» κάνοντας αριστερό κλικ στον εικονίδιο του σταυρού που υπάρχει αριστερά της. Από τις δύο επιλογές «UnitOps» και «Streams» που εµφανίζονται κάνουµε αριστερό κλικ στο σταυρό αριστερά από την επιλογή «Streams». Τέλος, στο µενού όλων των ροών του σχεδιαγράµµατος ροής που εµφανίζεται κάνουµε δεξί κλικ πάνω στη ροή που µας ενδιαφέρει και επιλέγουµε «Edit Stream» από τη λίστα εντολών. Μια άλλη µέθοδος είναι να επιλέξουµε διαδοχικά Specifications-Select Streams από το βασικό µενού του προγράµµατος και στο παράθυρο που εµφανίζεται να πληκτρολογήσουµε τον αριθµό της ροής ή να την επιλέξουµε µε αριστερό κλικ από το σχεδιάγραµµα ροής. Είναι στην κρίση του κάθε χρήστη να επιλέξει ποια µέθοδο θα χρησιµοποιήσει όµως συνίσταται η χειροκίνητη επιλογή από το σχεδιάγραµµα ροής που είναι απλή και εύκολη. Οποιαδήποτε από τις παραπάνω µεθόδους και αν επιλέξουµε θα εµφανιστεί στην οθόνη µας το παράθυρο «Edit Streams», που φαίνεται παρακάτω. Με τη βοήθειά του εισάγουµε τα χαρακτηριστικά της ροής µας. Αρχικά, δίπλα από το πεδίο «Stream No.» βλέπουµε την αριθµητική τιµή αναφοράς που χρησιµοποιεί το πρόγραµµα για την κατηγοριοποίηση όλων των ροών της προσοµοίωσης. Στο παρόν παράδειγµα έχουµε επιλέξει τη δεύτερη ροή. Το πρώτο πεδίο «Stream name» µας επιτρέπει να ονοµάσουµε τη ροή, πληκτρολογώντας τους αντίστοιχους χαρακτήρες στο κενό πλαίσιο δεξιά του. Το όνοµα που θα δώσουµε θα φανεί στο σχεδιάγραµµα ροής εποµένως, για χάριν ευκρίνειας του σχεδιαγράµµατος, καλό θα ήταν να προσπαθήσουµε να διατηρήσουµε το µέγεθος του ονόµατος όσο µικρό γίνεται. 62

73 ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων Σχήµα 5.12: Πλαίσιο διαλόγου για την επεξεργασία της ροής. Στη συνέχεια φαίνονται οι θερµοδυναµικές ιδιότητες της ροής, δηλαδή η θερµοκρασία (temperature), η πίεση (pressure), το κλάσµα ατµού (vapor fraction) και η ενθαλπία (enthalpy). Παρατηρούµε ότι δίπλα στις τέσσερεις αυτές θερµοδυναµικές ιδιότητες βρίσκονται οι µονάδες µέτρησης, όπως τις ορίσαµε σε προηγούµενο βήµα. Από τις τρεις µεταβλητές θερµοκρασία, πίεση και κλάσµα ατµού θα πρέπει να εισάγουµε τις τιµές των δύο. Το πρόγραµµα θα υπολογίσει την τρίτη µεταβλητή και την ενθαλπία, χρησιµοποιώντας τη θερµοδυναµική µέθοδο που επιλέξαµε σε προηγούµενο βήµα και τις τιµές των άλλων δυο µεταβλητών. Παρακάτω υπάρχουν τα πεδία «Total Flow» και «Total Flow Unit» που µας επιτρέπουν να εισάγουµε την τιµή της συνολικής ροής και την µονάδα µέτρησής της, αντίστοιχα. Η χρησιµοποίηση των πεδίων αυτών είναι αναγκαία µόνο όταν η µονάδα µέτρησης της συνιστώσας της ροής είναι αδιάστατη, δηλαδή θα είναι γραµµοµοριακό κλάσµα (mole fraction), κλάσµα µάζας (mass fraction) ή κλάσµα όγκου (volume fraction). Στο κάτω µέρος της οθόνης φαίνονται το πλαίσιο «Comp Unit» µαζί µε τις συνιστώσες που έχουµε επιλέξει για την προσοµοίωσή µας. Για χάριν παραδείγµατος εµείς έχουµε επιλέξει το αιθάνιο (ethane), το υδρογόνο (hydrogen) και το µεθάνιο (methane). Με την βοήθεια της λίστας δίπλα από το «Comp Unit» µπορούµε να επιλέξουµε την µονάδα σύστασης της ροής µας. 63

74 ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων Στη συνέχεια, εισάγουµε την κατάλληλη τιµή δίπλα από κάθε συνιστώσα. Αν έχουµε εκφράσει τη σύσταση της ροής µας σε ποσοστό ή κλάσµα (µάζας, όγκου ή γραµµοµοριακό) µπορούµε να εισάγουµε τιµές που να µην έχουν συνολικό άθροισµα 100% και το πρόγραµµα να αναλάβει να κανονικοποιήσει τα µεγέθη αυτά ώστε να έχουν το κατάλληλο άθροισµα. Τέλος, στην πάνω αριστερά γωνία του παραθύρου ευρίσκεται η επιλογή «Flash», η οποία µας επιτρέπει να πραγµατοποιήσουµε γρήγορους υπολογισµούς για την εύρεση χαρακτηριστικών της ροής όπως για παράδειγµα τιµές σύστασης κάποιας συνιστώσας της ροής. 5.7 Εισαγωγή των χαρακτηριστικών των λειτουργικών µονάδων Το επόµενο βήµα που πρέπει να κάνουµε στην προσοµοίωση είναι να εισάγουµε τα χαρακτηριστικά των λειτουργικών µονάδων (UnitOps) του προβλήµατος. Μπορούµε να επεξεργαστούµε µια λειτουργική µονάδα µε πολλούς τρόπους. Κάνοντας διπλό αριστερό κλικ επάνω της στο σχεδιάγραµµα ροής, κάνοντας δεξί κλικ πάνω της στο σχεδιάγραµµα ροής και επιλέγοντας «Edit UnitOp Data» από το µενού που εµφανίζεται ή να χρησιµοποιήσουµε το παράθυρο του Chemcad Explorer. Εκεί πρέπει αρχικά να εµφανίσουµε τα υποµενού της επιλογής «Flowsheet» κάνοντας αριστερό κλικ στον εικονίδιο του σταυρού που υπάρχει αριστερά της. Από τις δύο επιλογές «UnitOps» και «Streams» που εµφανίζονται κάνουµε αριστερό κλικ στο σταυρό αριστερά από την επιλογή «UnitOps». Τέλος, στο µενού όλων των λειτουργικών µονάδων του σχεδιαγράµµατος ροής που εµφανίζεται κάνουµε δεξί κλικ πάνω στη µονάδα που µας ενδιαφέρει και επιλέγουµε «Edit UnitOp Data» από τη λίστα εντολών. Μια άλλη µέθοδος είναι να επιλέξουµε διαδοχικά Specifications-Edit UnitOps- Select UnitOps από το βασικό µενού του προγράµµατος και στο παράθυρο που εµφανίζεται να πληκτρολογήσουµε τον αριθµό της λειτουργικής µονάδας ή να την επιλέξουµε µε αριστερό κλικ από το σχεδιάγραµµα ροής. Στην συνέχεια, θα εµφανιστεί στην οθόνη το παράθυρο που θα περιέχει όλες της επιλογές που µπορούµε να κάνουµε στη λειτουργική µονάδα. Το Chemcad περιέχει µια πληθώρα λειτουργικών µονάδων και κάθε µια από αυτές έχει το δικό της ξεχωριστό παράθυρο επιλογών, πράγµα το οποίο καθιστά τη γενική ανάλυση σχεδόν αδύνατη. Παρόλα αυτά, υπάρχουν κάποια στοιχεία που είναι κοινά σε κάθε παράθυρο επιλογών. Για παράδειγµα, όλα τα πλαίσια που περιέχουν κείµενο πράσινου χρώµατος απαιτούν την εισαγωγή ή την επιλογή στοιχείων από το χρήστη. Αν ο χρήστης αµελήσει αυτές τις επιλογές ή κάνει κάποιο λάθος σε αυτό το σηµείο τότε σίγουρα τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης δεν θα είναι τα αναµενόµενα. Όλες οι υπόλοιπες επιλογές των παραθύρων είναι προαιρετικές και µπορεί να αφορούν επιλογές εκτίµησης κόστους της λειτουργικής µονάδας, επιπλέον λειτουργικά στοιχεία, εξειδικευµένες παραµέτρους κλπ. Όταν ολοκληρωθεί η διαδικασία εισαγωγής των χαρακτηριστικών της λειτουργικής µονάδας πατώντας το πλήκτρο «OK» του παραθύρου το πρόγραµµα ελέγχει όλα τα δεδοµένα και µας εµφανίζει µηνύµατα σχετικά µε 64

75 ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων πιθανά λάθη ή προειδοποιήσεις. Τα µηνύµατα αυτά εµφανίζονται στο παράθυρο εµφάνισης µηνυµάτων, όπως έχουµε αναλύσει στο κεφάλαιο «Το περιβάλλον εργασίας του Chemcad». 5.8 Εκτέλεση της προσοµοίωσης Μετά τη δηµιουργία του σχεδιαγράµµατος ροής και την εισαγωγή των απαραίτητων πληροφοριών στις ροές και της λειτουργικές µονάδες του σχεδιαγράµµατος, είµαστε σε θέση να εκτελέσουµε την προσοµοίωση. Πριν γίνει αυτό µπορούµε να πραγµατοποιήσουµε ελέγχους σε κάθε λειτουργική µονάδα ξεχωριστά ή σε µια οµάδα λειτουργικών µονάδων για να εντοπίσουµε τυχόν σφάλµατα που θα επηρεάσουν το αποτέλεσµα της προσοµοίωσης. Ο έλεγχος αυτός µπορεί να γίνει επιλέγοντας Run-Run-Run Selected UnitOps. Στο παράθυρο που εµφανίζεται πληκτρολογούµε τον αριθµό της λειτουργικής µονάδας ή την επιλέγουµε µε αριστερό κλικ από το σχεδιάγραµµα ροής. Πατώντας το πλήκτρο «OK» εµφανίζεται το παράθυρο «Chemcad message box» που µας ενηµερώνει για τα σφάλµατα που υπάρχουν στη µονάδα και τις προειδοποιήσεις που την αφορούν. Σχήµα 5.13: Παράδειγµα µηνυµάτων σφάλµατος σε λειτουργική µονάδα στήλης απόσταξης. Θα πρέπει να διορθώσουµε όλα τα λάθη πριν προχωρήσουµε στην εκτέλεση της προσοµοίωσης. Όταν δεν θα υπάρχουν πια λάθη σε καµία λειτουργική µονάδα και ο έλεγχος πραγµατοποιείται επιτυχώς, τρέχουµε την προσοµοίωση επιλέγοντας διαδοχικά Run-Run-Run all από το βασικό µενού του προγράµµατος ή κάνοντας αριστερό κλικ στο εικονίδιο «Run all» ( ) της µπάρας εργαλείων (toolbar). Αν η εκτέλεση πραγµατοποιήθηκε µε επιτυχία εµφανίζεται το ανάλογο µήνυµα «Run finished», στο αριστερό µέρος της µπάρας κατάστασης (status bar). 5.9 Επιθεώρηση των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης 65

76 ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων Μετά την εκτέλεση της προσοµοίωσης µπορούµε επιθεωρήσουµε τα αποτελέσµατα δηµιουργώντας κάθε είδους αναφορά, που θα περιέχει συγκεντρωτικά στοιχεία για όλη την προσοµοίωση ή θα εστιάζει σε κάποια λειτουργική µονάδα ή ροή. Επιπλέον, υπάρχει η δυνατότητα σχεδίασης διαγραµµάτων για κάθε είδους συνιστώσα της προσοµοίωσης όπως και εκτύπωση όλων των αναφορών και των διαγραµµάτων. Επειδή οι δυνατότητες που µας δίνει το πρόγραµµα σε αυτό το τοµέα είναι πάρα πολλές αφιερώνουµε ένα ειδικό κεφάλαιο για την πλήρη ανάλυσή τους. 66

77 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές 6. Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές Μετά την επιτυχή εκτέλεση της προσοµοίωσης θα πρέπει να επιθεωρήσουµε τα αποτελέσµατα και να δηµιουργήσουµε τις ζητούµενες αναφορές για τις λειτουργικές µονάδες, τις ροές ή τη συνολική διαδικασία. Οι αναφορές αυτές µπορεί να είναι στη µορφή κειµένου ή γραφικής παράστασης, να τις επιθεωρήσουµε στην οθόνη ή να τις εκτυπώσουµε. Παρακάτω αναλύουµε όλες αυτές τις δυνατότητες που µας δίνει το πρόγραµµα Chemcad. 6.1 Αναφορές κειµένου Οι αναφορές κειµένου µπορούν να περιλαµβάνουν δεδοµένα ροών, λειτουργικών µονάδων, σχεδιαγράµµατος ροής ή δυναµικής προσοµοίωσης. Επίσης µπορούµε να δηµιουργήσουµε µια ολοκληρωµένη αναφορά, που θα περιλαµβάνει όλα τα επιµέρους δεδοµένα της προσοµοίωσης Ρυθµίσεις αναφοράς Το πρώτο βήµα που θα πρέπει να γίνει είναι να ελέγξουµε τις ρυθµίσεις που καθορίζουν ποια προγράµµατα θα χρησιµοποιηθούν από το Chemcad για την επισκόπηση ή εκτύπωση των αναφορών. Για µεµονωµένες αναφορές υπάρχει η δυνατότητα χρησιµοποίησης των προγραµµάτων Microsoft WordPad ή Microsoft Excel. Από µόνο του (by default) το πρόγραµµα χρησιµοποιεί το Microsoft WordPad αλλά αν εµείς επιθυµούµε το Microsoft Excel τότε επιλέγουµε διαδοχικά Tools- Options-Report Viewer Settings και στο παράθυρο που εµφανίζεται τσεκάρουµε την επιλογή «Use Microsoft Excel instead of WordPad» Για τις ενοποιηµένες/ολοκληρωµένες (consolidated) αναφορές µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε είτε το Microsoft Excel είτε το Microsoft Word. Επιλέγουµε διαδοχικά Report-Consolidated Report και στο παράθυρο «Report Format» που εµφανίζεται τσεκάρουµε ποιο από τα δύο προγράµµατα θέλουµε στο πλαίσιο «Output report to...». Κάνοντας αριστερό κλικ στο «OK» ολοκληρώνουµε τη διαδικασία. Ανεξάρτητα µε το αν χρησιµοποιούµε το πρόγραµµα Microsoft WordPad ή Word, όλες οι αναφορές χρησιµοποιούν τη γραµµατοσειρά «Courier New» µεγέθους 10. Η γραµµατοσειρά αυτή έχει σταθερό πλάτος και επιτρέπει την ευθυγράµµιση των δεκαδικών ψηφίων και των στηλών. Μπορούµε να επιλέξουµε τη γραµµατοσειρά της αρεσκείας µας αλλά, αν θέλουµε να διατηρηθεί η υπάρχουσα ευθυγράµµιση θα πρέπει η καινούργια γραµµατοσειρά να έχει σταθερό πλάτος και φυσιολογικό µέγεθος. Επίσης, οι αναφορές δεν ενηµερώνονται αυτόµατα όταν υπάρξουν νέα δεδοµένα στην προσοµοίωσή µας. Σε αυτή την περίπτωση θα πρέπει απλώς να δηµιουργήσουµε µια καινούργια αναφορά που να περιέχει τα νέα στοιχεία. Ειδικά για αναφορές στο πρόγραµµα Microsoft Word, υπάρχει περίπτωση, ανάλογα µε τις ρυθµίσεις που έχουµε κάνει στο πρόγραµµα, να χρειαστεί να διαµορφώσουµε περαιτέρω το αρχείο της αναφοράς. Αυτό θα συµβεί ακολουθώντας τις οδηγίες που παραθύρου διαλόγου που θα εµφανιστεί 67

78 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές όµως, σε κάθε περίπτωση, για τη σωστή διαµόρφωση της αναφοράς η επιλογή θα πρέπει να είναι το «Rich Text Format (RTF)» Αναφορές ροών Όλα τα διαφορετικά είδη επιλογών που µπορούµε να κάνουµε για τις αναφορές ροών εµφανίζονται επιλέγοντας Report από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στη λίστα που εµφανίζεται έχουµε αναλυτικά τα παρακάτω στοιχεία που αφορούν αυτού του είδους τις αναφορές: 1) Set flow units Οι αναφορές ροών θα χρησιµοποιούν τις ίδιες µονάδες µέτρησης µε αυτές που είχαµε επιλέξει όταν δηµιουργούσαµε την προσοµοίωση. Με τη βοήθεια αυτής της επιλογής όµως, µπορούµε να αλλάξουµε αυτή τη ρύθµιση και να επιλέξουµε όποια µονάδα µέτρησης επιθυµούµε. Οι επιλογές που µπορούµε να κάνουµε φαίνονται στο παρακάτω παράθυρο «View Flow rate Unit». Όταν επιλέξουµε τη µονάδα που θέλουµε κάνουµε αριστερό κλικ στο «ΟΚ» για ολοκλήρωση της διαδικασίας ή στο «Cancel» για να αναιρέσουµε τις αλλαγές και να επιστρέψουµε πίσω στο περιβάλλον εργασίας του προγράµµατος. Σχήµα 6.1: Επιλογή µονάδων µέτρησης για την αναφορά µας. 2) Stream compositions Η επιλογή αυτή µας επιτρέπει να δηµιουργήσουµε αναφορές για τη σύσταση όλων των ροών ή αυτών που θα καθορίσουµε εµείς. Επιλέγοντάς την εµφανίζεται ένα δευτερεύον µενού στα δεξιά µε τις παρακάτω επιλογές: Select Streams: Μας βοηθά να επιλέξουµε τις ροές που θα συµπεριλάβουµε στην αναφορά. Στο παράθυρο «Select Streams» που εµφανίζεται πληκτρολογούµε την αριθµητική τιµή αναφοράς της κάθε 68

79 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές ροής, µια σε κάθε γραµµή, ή απλώς την επιλέγουµε µε αριστερό κλικ στο σχεδιάγραµµα ροής. Add Stream Group: Επιτρέπει την οµαδοποίηση ροών. Για παράδειγµα, αν έχουµε µια προσοµοίωση που περιέχει 10 διαφορετικές ροές και εµείς δουλεύουµε συνεχώς µε τις 5, θα ήταν χρήσιµο να δηµιουργούσαµε µια οµάδα που να τις περιλαµβάνει ώστε να τις διαχειριζόµαστε ευκολότερα. Στο παράθυρο «New Group» που εµφανίζεται πληκτρολογούµε το όνοµα της οµάδας ροών και πατάµε το «ΟΚ». Στο επόµενο παράθυρο «Edit Stream Group» πληκτρολογούµε την αριθµητική τιµή αναφοράς όλων των ροών της οµάδας, µια σε κάθε γραµµή, ή απλώς τις επιλέγουµε µε αριστερό κλικ στο σχεδιάγραµµα ροής. Πατώντας το «ΟΚ» έχουµε ολοκληρώσει την οµαδοποίηση. View/Edit Stream Group: Με την επιλογή αυτή µπορούµε να δούµε ή επεξεργαστούµε κάποια από τις οµάδες ροών που έχουµε δηµιουργήσει. Remove Stream Group: Προκαλεί τη διαγραφή της επιλεγµένης οµάδας ροών. All Streams: Αν επιλέξουµε αυτή την επιλογή τότε η αναφορά µας θα περιλαµβάνει δεδοµένα για τη σύσταση όλων των ροών του σχεδιαγράµµατος ροής. Feed Streams: Χρήσιµη αν θέλουµε η αναφορά µας να περιλαµβάνει δεδοµένα για τη σύσταση µόνο των τροφοδοτικών ροών. Mια τροφοδοτική ροή πρέπει υποχρεωτικά να ξεκινάει από κάποιο εικονίδιο τροφοδοσίας (Feed) στο σχεδιάγραµµα ροής. Product Streams: Αν επιλέξουµε αυτή την επιλογή η αναφορά µας θα περιλαµβάνει δεδοµένα για τη σύσταση µόνο των ροών προϊόντων. Μια ροή χαρακτηρίζεται ως ροή προϊόντος όταν καταλήγει σε κάποιο εικονίδιο προϊόντος (Product) στο σχεδιάγραµµα ροής. Unit Streams: Με αυτή την επιλογή η αναφορά µας θα περιλαµβάνει δεδοµένα για τη σύσταση των ροών εισόδου και εξόδου κάποιας συγκεκριµένης λειτουργικής µονάδας της προσοµοίωσης. Αν δεν έχουµε επιλέξει τη λειτουργική µονάδα από πριν θα εµφανιστεί το παράθυρο «Select UnitOps». Εκεί πληκτρολογούµε την αριθµητική τιµή αναφοράς της µονάδας ή απλώς την επιλέγουµε µε αριστερό κλικ στο σχεδιάγραµµα ροής. 3) Stream properties Select Properties: Πριν να ξεκινήσουµε να δηµιουργούµε αναφορές για τις ροές µας θα πρέπει να καθορίσουµε ποιες ιδιότητες θα περιλαµβάνονται σε αυτές. Αυτά πραγµατοποιείται µε τη βοήθεια της παρούσας επιλογής. Όταν την επιλέξουµε µας εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο «View Property Options», όπου µπορούµε να επιλέξουµε αναλυτικά τις ιδιότητες που θέλουµε να εµφανίζονται, τσεκάροντας την αντίστοιχη επιλογή. 69

80 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές Σχήµα 6.2: Επιλογή των ιδιοτήτων που θα εµφανίζονται στην αναφορά. Select Streams: Μας βοηθά να επιλέξουµε τις ροές που θα συµπεριλάβουµε στην αναφορά. Στο παράθυρο «Select Streams» που εµφανίζεται πληκτρολογούµε την αριθµητική τιµή αναφοράς της κάθε ροής, µια σε κάθε γραµµή, ή απλώς την επιλέγουµε µε αριστερό κλικ στο σχεδιάγραµµα ροής. Add Stream Group: Επιτρέπει την οµαδοποίηση ροών. Για παράδειγµα, αν έχουµε µια προσοµοίωση που περιέχει 10 διαφορετικές ροές και εµείς δουλεύουµε συνεχώς µε τις 5, θα ήταν χρήσιµο να δηµιουργούσαµε µια οµάδα που να τις περιλαµβάνει ώστε να τις διαχειριζόµαστε ευκολότερα. Στο παράθυρο «New Group» που εµφανίζεται πληκτρολογούµε το όνοµα της οµάδας ροών και πατάµε το «ΟΚ». Στο επόµενο παράθυρο «Edit Stream Group» πληκτρολογούµε την αριθµητική τιµή αναφοράς όλων των ροών της οµάδας, µια σε κάθε γραµµή, ή απλώς τις επιλέγουµε µε αριστερό κλικ στο σχεδιάγραµµα ροής. Πατώντας το «ΟΚ» έχουµε ολοκληρώσει την οµαδοποίηση. View/Edit Stream Group: Με την επιλογή αυτή µπορούµε να δούµε ή επεξεργαστούµε κάποια από τις οµάδες ροών που έχουµε δηµιουργήσει. Remove Stream Group: Προκαλεί τη διαγραφή της επιλεγµένης οµάδας ροών. All Streams: Αν επιλέξουµε αυτή την επιλογή τότε η αναφορά µας θα περιλαµβάνει δεδοµένα για τη σύσταση όλων των ροών του σχεδιαγράµµατος ροής. Feed Streams: Χρήσιµη αν θέλουµε η αναφορά µας να περιλαµβάνει δεδοµένα για τη σύσταση µόνο των τροφοδοτικών ροών. Mια 70

81 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές τροφοδοτική ροή πρέπει υποχρεωτικά να ξεκινάει από κάποιο εικονίδιο τροφοδοσίας (Feed) στο σχεδιάγραµµα ροής. Product Streams: Αν επιλέξουµε αυτή την επιλογή η αναφορά µας θα περιλαµβάνει δεδοµένα για τη σύσταση µόνο των ροών προϊόντων. Μια ροή χαρακτηρίζεται ως ροή προϊόντος όταν καταλήγει σε κάποιο εικονίδιο προϊόντος (Product) στο σχεδιάγραµµα ροής. Unit Streams: Με αυτή την επιλογή η αναφορά µας θα περιλαµβάνει δεδοµένα για τη σύσταση των ροών εισόδου και εξόδου κάποιας συγκεκριµένης λειτουργικής µονάδας της προσοµοίωσης. Αν δεν έχουµε επιλέξει τη λειτουργική µονάδα από πριν θα εµφανιστεί το παράθυρο «Select UnitOps». Εκεί πληκτρολογούµε την αριθµητική τιµή αναφοράς της µονάδας ή απλώς την επιλέγουµε µε αριστερό κλικ στο σχεδιάγραµµα ροής. 4) Particle Size Distribution Η επιλογή αυτή µας επιτρέπει να δηµιουργήσουµε αναφορές για την κατανοµή του µεγέθους των σωµατιδίων (particle size distribution) που αποτελούν τη ροή. Στο παράθυρο «Select Streams» που εµφανίζεται πληκτρολογούµε την αριθµητική τιµή αναφοράς της κάθε ροής που θέλουµε να µελετήσουµε, µια σε κάθε γραµµή, ή απλώς την επιλέγουµε µε αριστερό κλικ στο σχεδιάγραµµα ροής. Πατώντας το «ΟΚ» ολοκληρώνουµε τη διαδικασία και εµφανίζουµε την αναφορά. 5) Pseudocomponent Curves Με τη βοήθεια αυτής της επιλογής µπορούµε να δηµιουργήσουµε µια αναφορά για τις καµπύλες των ψευδοσυνιστωσών (pseudocomponent curves) ή αλλιώς καµπύλες απόσταξης (distillation curves). Στο παράθυρο «Select Streams» που εµφανίζεται πληκτρολογούµε την αριθµητική τιµή αναφοράς της ροής που θέλουµε να µελετήσουµε (και να περιέχει υδρογονάνθρακες), µια σε κάθε γραµµή, ή απλώς την επιλέγουµε µε αριστερό κλικ στο σχεδιάγραµµα ροής. Πατώντας το «ΟΚ» ολοκληρώνουµε τη διαδικασία και εµφανίζουµε την αναφορά Αναφορές λειτουργικών µονάδων Μια από τις δυνατότητες του προγράµµατος είναι η δηµιουργία αναφορών για τις λειτουργικές µονάδες του σχεδιαγράµµατος ροής της προσοµοίωσης. Όλα τα διαφορετικά είδη επιλογών που µπορούµε να κάνουµε για τις αναφορές λειτουργικών µονάδων εµφανίζονται επιλέγοντας Report από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στη λίστα που εµφανίζεται έχουµε αναλυτικά τα παρακάτω στοιχεία που αφορούν αυτού του είδους τις αναφορές: 1) UnitOps Η επιλογή αυτή αφορά τις λειτουργικές µονάδες και εµφανίζει ένα δευτερεύον µενού δεξιά της που περιέχει τα παρακάτω στοιχεία: Select UnitOps: Bοηθά στην επιλογή των ροών που θα συµπεριλάβουµε στην αναφορά. Στο παράθυρο «Select UnitOps» που εµφανίζεται πληκτρολογούµε την αριθµητική τιµή αναφοράς της κάθε µονάδας, µια σε κάθε γραµµή, ή απλώς την επιλέγουµε µε αριστερό κλικ στο σχεδιάγραµµα ροής. 71

82 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές Add UnitOp Sequence Group: Επιτρέπει την οµαδοποίηση των λειτουργικών µονάδων, µε παρόµοια λογική όπως στην περίπτωση της οµαδοποίησης ροών. Στο παράθυρο «New Group» που εµφανίζεται πληκτρολογούµε το όνοµα της οµάδας και πατάµε το «ΟΚ». Στο επόµενο παράθυρο «Edit UnitOp Sequence Group» πληκτρολογούµε την αριθµητική τιµή αναφοράς όλων των µονάδων της οµάδας, µια σε κάθε γραµµή, ή απλώς τις επιλέγουµε µε αριστερό κλικ στο σχεδιάγραµµα ροής. Πατώντας το «ΟΚ» έχουµε ολοκληρώσει την οµαδοποίηση. View/Edit Sequence Group: Με την επιλογή αυτή µπορούµε να δούµε ή επεξεργαστούµε κάποια από τις οµάδες λειτουργικών µονάδων που έχουµε δηµιουργήσει. Remove Sequence Group: Προκαλεί τη διαγραφή της επιλεγµένης οµάδας µονάδων. 2) Spec sheet Με την επιλογή αυτή το πρόγραµµα δηµιουργεί ένα αρχείο αναφοράς του Microsoft Excel που περιέχει αναλυτικές πληροφορίες για τη λειτουργική µονάδα της επιλογής µας. Η αναφορά αυτή µπορεί να χρησιµεύσει, παραδείγµατος χάρη, σαν φυλλάδιο πληροφοριών από τον κατασκευαστή της µονάδας. Για να δηµιουργήσουµε ένα αρχείο αναφοράς που να περιέχει πληροφορίες για όλες τις λειτουργικές µονάδες του σχεδιαγράµµατος ροής επιλέγουµε «All Units» από το δευτερεύον µενού που εµφανίζεται δεξιά της επιλογής «Spec Sheet». Αν προτιµάµε το αρχείο να περιέχει δεδοµένα µόνο κάποιων συγκεκριµένων µονάδων θα επιλέξουµε «Select Unit» από το ίδιο µενού. Στο παράθυρο «Select Streams» που εµφανίζεται αµέσως µετά πληκτρολογούµε την αριθµητική τιµή αναφοράς της κάθε µονάδας, µια σε κάθε γραµµή, ή απλώς την επιλέγουµε µε αριστερό κλικ στο σχεδιάγραµµα ροής. Πατώντας το «ΟΚ» ολοκληρώνουµε τη διαδικασία και εµφανίζουµε την αναφορά. 3) Distillation Χρησιµεύει στη δηµιουργία αναφορών σχετικών µε την απόσταξη. Το δευτερεύον µενού που εµφανίζεται στα δεξιά της περιέχει τα παρακάτω στοιχεία: Tower profiles: Η αναφορά περιλαµβάνει αναλυτικά στοιχεία θερµοκρασίας, πίεσης και ροής ρευστού για µια στήλη απόσταξης. Τray compositions: Η αναφορά µας θα περιλαµβάνει στοιχεία για τη ροή του ρεύµατος ατµού, του ρεύµατος υγρού και την τιµή Κ για κάθε συνιστώσα σε κάθε δίσκο της στήλης απόσταξης. Tray Properties: ηµιουργεί µια αναφορά για τις ιδιότητες ροής, που έχουµε καθορίσει σε προηγούµενη επιλογή, για κάθε δίσκο της στήλης απόσταξης. Tower Mass Transfer: Η επιλογή αυτή αφορά µόνο τη στήλη απόσταξης SCDS, που χρησιµοποιεί µοντέλο µεταφοράς µάζας. Η δηµιουργηθείσα αναφορά θα περιέχει τις σταθερές της µεταφοράς µάζας, το ύψος των µονάδων µεταφοράς και το εκτιµώµενο ύψος των θεωρητικών βαθµίδων. 72

83 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές Dynamic Column History: Αν δουλεύουµε µε µια δυναµική προσοµοίωση τότε η επιλογή αυτή µας παρέχει τα δεδοµένα µιας στήλης, που προέκυψαν από ένα τρέξιµό της. Column Diagnosis: Σε µια δυναµική προσοµοίωση µπορεί να έχουµε µια στήλη που να µην συγκλίνει, λόγω λανθασµένων δεδοµένων ή ρυθµίσεων. Η επιλογή αυτή µας παρουσιάζει συµβουλές και προτάσεις του προγράµµατος ώστε να αλλάξουµε τις ρυθµίσεις της στήλης για να συγκλίνει Αναφορές σχεδιαγράµµατος ροής Εκτός από τις αναφορές που παρουσιάσαµε παραπάνω οι οποίες εστιάζουν σε συγκεκριµένες ροές ή λειτουργικές µονάδες, µπορούµε χρησιµοποιήσουµε το πρόγραµµα για τη δηµιουργία αναφορών κειµένου που θα αφορούν ολόκληρη την προσοµοίωση. Όπως και προηγουµένως, όλα τα διαφορετικά είδη επιλογών που µπορούµε να κάνουµε εµφανίζονται επιλέγοντας Report από το βασικό µενού του προγράµµατος. Τα στοιχεία της εµφανιζόµενης λίστας που αφορούν αυτού του είδους τις αναφορές είναι τα εξής: 1) Topology Η επιλογή αυτή δηµιουργεί µια αναφορά µε στοιχεία τοπολογίας της προσοµοίωσης, όπως τη λίστα όλων των λειτουργικών µονάδων και τα σηµεία εισόδου και εξόδου της κάθε ροής. 2) Thermodynamics Χρήσιµη επιλογή αν θέλουµε η αναφορά µας να περιέχει µια λίστα µε όλες τις συνιστώσες της προσοµοίωση καθώς και χρήσιµες πληροφορίες για όλα τα θερµοδυναµικά µοντέλα που επιλέξαµε. Για παράδειγµα, θα υπάρχουν στοιχεία για τις παραµέτρους των εξισώσεων των µοντέλων, οι αριθµητικές τιµές τους κλπ. 3) User Component Data Η αναφορά αυτή παρέχει στοιχεία για όλες τις συνιστώσες της προσοµοίωσης που δηµιούργησε ο χρήστης. 4) Mass and Energy Balances ηµιουργία αναφοράς σχετικά µε τα ισοζύγια µάζας και ενέργειας όπως και για τους υπολογισµούς στις λειτουργικές µονάδες της προσοµοίωσης (µε ποια σειρά υπολογίστηκαν οι µονάδες, τι τρόπος χρησιµοποιήθηκε, στοιχεία σύγκλισης [convergence], επαναληπτικών διαδικασιών [recycle loops] κλπ) Αναφορές δυναµικής προσοµοίωσης Το µενού επιλογών που εµφανίζεται επιλέγοντας την εντολή «Report» από το βασικό µενού του προγράµµατος περιέχει και στοιχεία που αναφέρονται αποκλειστικά σε δυναµικές προσοµοιώσεις. Οι επιλογές αυτές είναι οι εξής: 1) Batch Results ηµιουργεί µια αναφορά µε όλα τα αποτελέσµατα µιας στήλης ασυνεχούς λειτουργίας (batch distillation column) µετά το τέλος κάθε λειτουργικού βήµατος. 2) Dynamics Τσεκάροντας την επιλογή αυτή παρατηρούµε την εµφάνιση ενός δευτερεύοντος µενού επιλογών δεξιά της, που περιέχει τα ακόλουθα στοιχεία: 73

84 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές Dynamic Column History: Παρουσιάζει, µε τη µορφή αναφοράς, τα αποτελέσµατα για µια δυναµική στήλη. Dynamic Stream History: Κατασκευάζει µια αναφορά που περιέχει τη σύσταση, τις συνιστώσες και τις ιδιότητες µιας δυναµικής ροής που έχουµε επιλέξει, σε διάφορα χρονικά διαστήµατα. Η δυναµική ροή µεταβάλλεται στο χρόνο οπότε θα πρέπει να ορίσουµε κάθε πόσο χρονικό διάστηµα (time interval) το πρόγραµµα θα συγκρατεί τα στοιχεία της ροής και θα τα σώζει σε αυτό το αρχείο αναφοράς. Dynamic UnitOp History: ηµιουργεί µια λεπτοµερή αναφορά για µια δυναµική λειτουργική µονάδα, που περιλαµβάνει όλες τις παραµέτρους της µονάδας που έχουµε επιλέξει. Όπως στη δυναµική ροής έτσι και εδώ θα πρέπει να ορίσουµε κάθε πόσο χρονικό διάστηµα (time interval) το πρόγραµµα θα συγκρατεί τα στοιχεία της µονάδας και θα τα σώζει στο αρχείο αναφοράς. Σηµείωση: Λεπτοµερής ανάλυση των δυναµικών προσοµοιώσεων και όλων των επιλογών τους υπάρχει στο αντίστοιχο κεφάλαιο Ενοποιηµένη-ολοκληρωµένη αναφορά (Consolidated Report) Η τελευταία επιλογή αναφοράς κειµένου που µας δίνει το πρόγραµµα είναι η δηµιουργία µιας ενοποιηµένης αναφοράς, που θα περιέχει οποιοδήποτε συνδυασµό από τις προηγούµενες µορφές. Από το βασικό µενού του προγράµµατος επιλέγουµε διαδοχικά Report-Consolidated Report και εµφανίζουµε στην οθόνη µας το παράθυρο «Consolidated Report» που φαίνεται παρακάτω. Στο παράθυρο αυτό µπορούµε να επιλέξουµε τις ροές και τις λειτουργικές µονάδες που θα εισάγουµε στην αναφορά µας, να καθορίσουµε τις επιλογές ροής, σύστασης και απόσταξης, να επιλέξουµε ρυθµίσεις για στατική και δυναµική προσοµοίωσης κλπ. Όλες αυτές οι επιλογές αναλύονται παρακάτω. Σχήµα 6.3: Παράθυρο επιλογών της ενοποιηµένης αναφοράς. 74

85 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές Calculate and give results: Όταν έχουν ολοκληρωθεί όλες οι διαδικασίες επιλογής και αλλαγής όλων των στοιχείων της αναφοράς, επιλέγοντας µε αριστερό κλικ- αυτό το πλήκτρο, δίνουµε εντολή στο πρόγραµµα να υπολογίσει τα ζητούµενα στοιχεία και να δηµιουργήσει την αναφορά. Select Streams: Η επιλογή αυτή µας εµφανίζει το παράθυρο επιλογής ροών («Select Streams») που φαίνεται παρακάτω. Εκεί, µπορούµε να επιλέξουµε να εµφανιστούν όλες οι ροές στην αναφορά («Αll Streams»), να επιλέξουµε χειροκίνητα -µε αριστερό κλικ- από το σχεδιάγραµµα ροής ποιες θέλουµε να εµφανιστούν («Select streams from flowsheet») ή τέλος, να πληκτρολογήσουµε την αριθµητική τιµή αναφοράς κάθε µονάδας της επιλογής µας στα κενά πλαίσια («Enter the stream IDs»). Σχήµα 6.4: Πλαίσιο διαλόγου επιλογής ροών. Select Unit Operations: Η λειτουργία αυτή µας εµφανίζει ένα όµοιο παράθυρο µε το παραπάνω, µε τις πανοµοιότυπες επιλογές, µόνο που αυτή τη φορά αναφερόµαστε στις λειτουργικές µονάδες της αναφοράς. Stream Properties: Με τη βοήθεια αυτής της επιλογής µπορούµε να καθορίσουµε τις ιδιότητες των ροών που θα περιλαµβάνονται στις ροές µας. Το παράθυρο επιλογών «View Property Options» που εµφανίζεται µας επιτρέπει να τσεκάρουµε αναλυτικά την κάθε ιδιότητα που θέλουµε. Stream Flowrate/Compositions: Βοηθά στην επιλογή των ιδιοτήτων ροής και σύστασης που θα εµφανίζονται στην αναφορά. Το αντίστοιχο παράθυρο επιλογών «Flow/Composition Options» φαίνεται παρακάτω. Σχήµα 6.5: Ιδιότητες ροής και σύστασης που θα περιέχονται στην αναφορά. 75

86 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές Distillation Summaries: Εµφανίζει το παράθυρο «Distillation Options» που µας επιτρέπει να καθορίσουµε διάφορα στοιχεία σχετικά µε τη στήλη απόσταξης. Συγκεκριµένα µπορούµε να επιλέξουµε αν στην αναφορά µας θα εµφανίζονται στοιχεία για το προφίλ των δίσκων της στήλης απόσταξης («Τray profile»), τις ιδιότητές τους («Τray properties»), τις διαστάσεις τους («Τray sizing») ή για τις διαστάσεις του πληρωτικού υλικού της στήλης απόσταξης («Packed column sizing») εφόσον υπάρχει τέτοια λειτουργική µονάδα στην προσοµοίωσή µας. Τέλος, η επιλογή «Tray compositions» βοηθά στο να επιλέξουµε αν θέλουµε να φαίνεται η σύσταση των ροών πάνω στους δίσκους και αν ναι, σε τι µονάδες µέτρησης. Heating Curves: Με τη βοήθειά του καθορίζουµε διάφορα στοιχεία σχετικά µε τις καµπύλες θερµότητας (heat curves) της αναφοράς µας. Το παράθυρο επιλογής φαίνεται παρακάτω. H επιλογή «Number of points» χρησιµεύει στο να καθορίσουµε τον αριθµό των σηµείων της καµπύλης ενώ στο πλαίσιο «Cutting Method» επιλέγουµε τη µέθοδο που θα χρησιµοποιήσει το πρόγραµµα για να διαχωρίσει την περιοχή που πραγµατοποιείται ο υπολογισµός της µεταφοράς θερµότητας. Σχήµα 6.6: Στοιχεία για την καµπύλη θερµότητας. Batch/Dynamic Results: Η επιλογή αυτή µας επιτρέπει να καθορίσουµε επιµέρους στοιχεία για δυναµικές προσοµοιώσεις, µε τη βοήθεια του παραθύρου που φαίνεται πιο κάτω. Συγκεκριµένα, µπορούµε να επιλέξουµε να εκτυπώσουµε τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης («Print operation results») ή ολόκληρη το ιστορικό («Print history») για διάφορες δυναµικές λειτουργικές µονάδες. Τσεκάροντας το πλαίσιο «Print final holdups» εκτυπώνουµε την τελευταία συσσώρευση ροών της στήλης ασυνεχούς λειτουργίας. 76

87 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές Σχήµα 6.7: Επιλογές σχετικά µε τις δυναµικές προσοµοιώσεις Miscellaneous: Με αυτή την επιλογή µπορούµε να επιλέξουµε να µην φαίνονται στην αναφορά τα στοιχεία τοπολογίας («Exclude Topology»), σύγκλισης («Exclude Convergence») και θερµοδυναµικής («Exclude Thermodynamics») της προσοµοίωσής µας. End Report: Επιλέγοντας την ολοκληρώνουµε τις αλλαγές στην αναφοράς µας και επανερχόµαστε στο περιβάλλον εργασίας του προγράµµατος. 6.2 Αναφορές γραφικών παραστάσεων Εκτός από τα παραπάνω είδη αναφορών κειµένου το πρόγραµµα µας επιτρέπει να δηµιουργήσουµε µια ευρεία γκάµα γραφικών παραστάσεων, τα οποία µπορούµε να δούµε στην οθόνη µας ή να εκτυπώσουµε ιαγράµµατα θερµοδυναµικών αποτελεσµάτων Τα διαγράµµατα αυτά αφορούν τις θερµοδυναµικές ιδιότητες των συνιστωσών της προσοµοίωσής µας. Επιλέγοντας «Plot» από το βασικό µενού του προγράµµατος µας εµφανίζεται µια λίστα επιλογών, τα στοιχεία της οποίας αναλύουµε παρακάτω: 1. TPXY: Με την επιλογή αυτή εµφανίζεται το παράθυρο «TPXY Options» για τη σχεδίαση της καµπύλης ισορροπίας υγρού-ατµού δύο συνιστωσών. Τις συνιστώσες αυτές επιλέγουµε στο πλαίσιο «Enter components of interest» µε τα πεδία «First, Second component». Το πεδίο «Mode» ορίζει τη µέθοδο σχεδίασης, αν θα έχουµε δηλαδή σταθερή πίεση ή σταθερή θερµοκρασία και ανάλογα την επιλογή µας θα πρέπει να ορίσουµε την τιµή της σταθεράς στο παρακάτω πεδίο. Οι υπόλοιπες επιλογές, πέρα αυτών µε το πράσινο χρώµα, είναι προαιρετικές και αφορούν επιπλέον στοιχεία του διαγράµµατος. Για παράδειγµα, στο πλαίσιο «For a constant amount of a third component» µπορούµε να επιλέξουµε την παρουσίαση και µια τρίτης συνιστώσας στο 77

88 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές σχεδιαζόµενο διάγραµµα. Τέλος, το πλαίσιο «Display Options» µας προσφέρει επιπλέον επιλογές για τη σχεδίαση όπως τη σχεδίαση του διαγράµµατος ΧΥ (Ρlot XY) και ΤΧΥ (Ρlot TXY), του συντελεστή ενεργότητας (Plot activity coefficient) και του συντελεστή πτητικότητας/τάσης διαφυγής (Plot fugacity coefficient), επιλογή των µονάδων του άξονα Χ (X axis units) κλπ. Σχήµα 6.8: Στοιχεία για την καµπύλη ισορροπίας υγρού-ατµού. 2. Binary LLE: Βοηθά να σχεδιάσουµε την καµπύλη ισορροπίας υγρού-υγρού για δύο συνιστώσες της προσοµοίωσης. Στο παράθυρο «Binary LLE» που εµφανίζεται εισάγουµε τις δύο συνιστώσες στα πεδία «First, Second component» και τα όρια της θερµοκρασίας (Low, High Temperature). Επίσης µπορούµε να επιλέξουµε τον αριθµό των σηµείων της καµπύλης µας («Number of points»), τις µονάδες του άξονα Χ («Axis mode») όπως και να εκτιµήσουµε το κλάσµα µάζας της πρώτης συνιστώσας σε χαµηλές θερµοκρασίες («Estimation of mole frac of the first comp at low temperature»). 3. Binodal Plot: Σχεδιάζει ένα διάγραµµα τριών φάσεων που δείχνει τη διανοµή των τριών συνιστωσών που επιλέξαµε σε δύο υγρές φάσεις. Χρησιµοποιείται για να εντοπίσουµε την περιοχή υγρού-υγρού του µίγµατος. Στο παράθυρο «Binodal Curve Construction» εισάγουµε τις τρεις συνιστώσες που θέλουµε (προσέχοντας η πρώτη και η τρίτη να σχηµατίζουν δύο υγρές φάσεις) όπως και τη θερµοκρασία της διεργασίας. Μπορούµε επίσης να καθορίσουµε το βήµα υπολογισµού των καµπυλών ισορροπίας (step length) Το πεδίο «1 st comp in 3 rd comp rich phase» αφορά συστήµατα δυο υγρών φάσεων όπου έχουµε φαινόµενα διαλυτότητας ανάµεσα στις δυο φάσεις. Μπορούµε να καθορίσουµε το ακριβές ποσό της πρώτης συνιστώσας που είναι διαλυτό στην τρίτη συνιστώσα, όταν παρατηρούνται οι δυο φάσεις. Η επιλογή αυτή µπορεί να βοηθήσει στην επιτάχυνση των υπολογισµών ή τον εντοπισµό φαινοµένων µη αναµειξιµότητας. To πεδίο «3rd comp in 1st comp rich phase» είναι όµοιο µε το προηγούµενο µόνο που εδώ καθορίζουµε το 78

89 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές ακριβές ποσό της τρίτης συνιστώσας που είναι διαλυτό στην πρώτη. Τέλος, οι επιλογές «Plot experimental data» και «Flow Units» µας βοηθούν να εµφανίσουµε στη γραφική παράσταση τα πειραµατικά σηµεία υπολογισµού από προηγούµενες αναλύσεις και να καθορίσουµε τη µονάδα µέτρησης της ροής, αντίστοιχα. 4. Binodal/Residue Curves: H επιλογή αυτή σχεδιάζει µια γραφική παράσταση που περιέχει την καµπύλη Binodal που περιγράψαµε παραπάνω και τη καµπύλη σύστασης του υγρού υπολείµµατος (Residue Curve). Στο παράθυρο «Residue curve map and bimodal plot» που εµφανίζεται εισάγουµε τις τρεις συνιστώσες όπως και τη µονάδα µέτρησης των αξόνων. Σχήµα 6.9: Καµπύλες Binodal και σύστασης του υγρού υπολείµµατος (Residue curve). Τα στοιχεία που αφορούν τη καµπύλη Binodal βρίσκονται στο πεδίο «Binodal plot options» και έχουν αναλυθεί σε προηγούµενη επιλογή. Στο πεδίο «Residue curve options» πρέπει οπωσδήποτε να καθορίσουµε την πίεση της διεργασίας και προαιρετικά, τον αριθµό των γραµµών σε κάθε άξονα του διαγράµµατος («No. of lines on each axis») όπως και το βήµα υπολογισµού («Step size»). Αν προσπαθούµε να εντοπίσουµε κάποιο αζεοτροπικό σηµείο ίσως χρειαστεί να αυξήσουµε τον αριθµό των γραµµών του κάθε άξονα, µε αποτέλεσµα βέβαια τη καθυστέρηση σχεδιασµού της γραφικής παράστασης. Τέλος, αν υπάρχουν κάποια σηµεία ιδιαίτερου ενδιαφέροντος που θέλουµε να φαίνονται στη γραφική παράσταση µπορούµε να εισάγουµε τις συντεταγµένες τους στο πεδίο «Points of interest». 5. Residue Curves: Με την επιλογή αυτή σχεδιάζουµε τη καµπύλη σύστασης του υγρού υπολείµµατος (Residue Curve). Στο παράθυρο «Residue curve 79

90 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές map» που εµφανίζεται εισάγουµε υποχρεωτικά τις τρεις συνιστώσες και την πίεση της διεργασίας. Προαιρετικά µπορούµε να καθορίσουµε τη µονάδα µέτρησης των αξόνων («Axis mode»), τον αριθµό των γραµµών σε κάθε άξονα του διαγράµµατος («No. of lines on each axis») όπως και το βήµα υπολογισµού («Step size»). Αν προσπαθούµε να εντοπίσουµε κάποιο αζεοτροπικό σηµείο ίσως χρειαστεί να αυξήσουµε τον αριθµό των γραµµών του κάθε άξονα, µε αποτέλεσµα βέβαια την καθυστέρηση σχεδιασµού της γραφικής παράστασης. Τέλος, αν υπάρχουν κάποια σηµεία ιδιαίτερου ενδιαφέροντος που θέλουµε να φαίνονται στη γραφική παράσταση µπορούµε να εισάγουµε τις συντεταγµένες τους στο πεδίο «Points of interest» ιαγράµµατα σχεδιαγράµµατος ροής Ο τύπος αυτός αφορά το σχεδιάγραµµα ροής της προσοµοίωσής µας. Η επιλογή «Plot» του βασικού µενού του προγράµµατος µας εµφανίζει επιλογές που αφορούν αυτό το τύπο διαγραµµάτων, όπως αυτές που ακολουθούν: a) Stream Properties: Σχεδιάζει την επιλεγµένη ιδιότητα για τη ροή της αρεσκείας µας του σχεδιαγράµµατος ροής. Όλες οι διαφορετικές ιδιότητες φαίνονται στην παρακάτω εικόνα, στο πεδίο «Select a property to plot». Mπορούµε επίσης να καθορίσουµε τα όρια θερµοκρασίας («Temperature range») όπως και τον αριθµό των σηµείων του διαγράµµατος («No. of points»). Σχήµα 6.11: Ιδιότητες ροής. b) Phase Envelopes: Με την επιλογή αυτή δηµιουργούµε ένα διάγραµµα που περιέχει τα στοιχεία µιας φάσης (phase envelope) του σχεδιαγράµµατος ροής, τονίζοντας το κρίσιµο σηµείο του µίγµατος. Υπάρχει η δυνατότητα να εισάγουµε και διαγράµµατα για όλα τα κλάσµατα ατµού εκτός από το 1 (καµπύλη ατµοποίησης, bubble point 80

91 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές curve) και το 0 (καµπύλη σηµείου δρόσου, dewpoint curve). Στο παράθυρο «Select Streams» που εµφανίζεται πληκτρολογούµε την αριθµητική τιµή αναφοράς της κάθε ροής, µια σε κάθε γραµµή, ή απλώς την επιλέγουµε µε αριστερό κλικ στο σχεδιάγραµµα ροής. Το επόµενο παράθυρο «Phase Envelope» µας βοηθά να εισάγουµε το σηµείο ατµοποίησης (bubble point), το σηµείο δρόσου (dew point), τα κλάσµατα ατµού (vapor fractions) και την αρχική πίεση της διεργασίας. c) Composite Curves: Βοηθά στη δηµιουργία σύνθετων καµπυλών θερµότητας για όλο το σχεδιάγραµµα ροής καθώς και προαιρετικές καµπύλες θερµότητας για µεµονωµένες λειτουργικές µονάδες. Στο παράθυρο «Composite Heat Curves» µπορούµε να τσεκάρουµε την επιλογή «Select from graphics» για να επιλέξουµε τις λειτουργικές µονάδες που θέλουµε µε αριστερό κλικ από το σχεδιάγραµµα ροής. Εναλλακτικά, µπορούµε απλώς να γράψουµε τις αριθµητικές τιµές αναφοράς κάθε µονάδας στα πλαίσια του πεδίου «Enter the Unit Op ID s». H επιλογή «Plot individual heat curves» είναι χρήσιµη αν επιθυµούµε τη δηµιουργία των προαιρετικών καµπυλών θερµότητας για τις επιλεγµένες µονάδες. Τέλος, στο πεδίο «Zone cut option» µπορούµε να καθορίσουµε τα κριτήρια οριοθέτησης της περιοχής υπολογισµού της θερµότητας. d) Pseudocomponent Curves: ηµιουργεί ένα διάγραµµα µιας ή περισσότερων καµπυλών απόσταξης για µια ροή. Το παράθυρο «Plot Distillation Curve» µας βοηθά να επιλέξουµε τη µέθοδο δηµιουργίας της καµπύλης απόσταξης ενώ µπορούµε προαιρετικά να εισάγουµε στο πεδίο «Use extapolation for light ends volume %» µια τιµή ποσοστού όγκου (από 0 µέχρι 30%) που θα βοηθήσει, ανάλογα µε την περίπτωση, στο σχηµατισµό καµπύλης µικρότερης διακύµανσης ιαγράµµατα λειτουργικών µονάδων Το πρόγραµµα µας προσφέρει τη δυνατότητα σχεδιασµού διαγραµµάτων που θα περιέχουν δεδοµένα για µια συγκεκριµένη λειτουργική µονάδα της προσοµοίωσης. Όλες οι επιλογές που αναλύουµε πιο κάτω µπορούν να εµφανιστούν επιλέγοντας διαδοχικά Plot-UnitOp Plots από το βασικό µενού του προγράµµατος. i. Tower Profiles: Σχεδιάζει τα προφίλ θερµοκρασίας, σύστασης και ροής για µια στήλη απόσταξης. Στο παράθυρο «Tower Profile» που εµφανίζεται µπορούµε να τσεκάρουµε το σχεδιασµό του θερµοκρασιακού προφίλ («Plot temperature profile»), της ολικής ροής ατµού («Plot total vapor flow») και υγρού («Plot total liquid flow»). Το πεδίο «Plot components» µας βοηθά να εισάγουµε ποιες συνιστώσες θέλουµε να παραστήσουµε γραφικά ενώ µπορούµε ακόµα να επιλέξουµε τη φάση («Phase») και τη µονάδα µέτρησης της ροής των συνιστωσών («Flow rate units»). Στην περίπτωση που έχουµε σχετικές πτητικότητες µπορούµε να επιλέξουµε τη συνιστώσα βάσης στο πεδίο «Component base». Τέλος, το πλαίσιο «Plot Controls» µας προσφέρει επιλογές σχετικά µε τη µορφή του διαγράµµατος και συγκεκριµένα για την κλίµακα («Scale»), τους άξονες («Axes»), τον αριθµό των βαθµίδων της στήλης απόσταξης («Stage No.») και το τύπο του διαγράµµατος («Type»). 81

92 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές ii. Heat Curves: Βοηθά στη δηµιουργία διαγράµµατος που περιέχει τις καµπύλες θερµότητας για τον επιλεγµένο εναλλάκτη θερµότητας. Στο παράθυρο «Plot Heat Curves» που εµφανίζεται µπορούµε να αλλάξουµε τα σηµεία του διαγράµµατος («No. of points»), το κριτήριο οριοθέτησης της περιοχής υπολογισµού της θερµότητας («Zone cut option») και τις µονάδες µέτρησης του διαγράµµατος («Plot Option»). Σχήµα 6.12: Στοιχεία για την καµπύλη θερµότητας της αναφοράς µας. iii. iv. Plug Flow Reactor Profile: ηµιουργεί µια γραφική παράσταση των θερµοκρασιακών προφίλ ή των προφίλ συστάσεως κατά τον άξονα ενός κινητικού αντιδραστηρίου ροής (kinetic plug flow reactor). Pipe Profile: Η επιλογή αυτή σχεδιάζει τις ιδιότητες ενός ρευστού που ρέει στη σωλήνωση µιας λειτουργικής µονάδας. Η σχεδίαση γίνεται κατά τον άξονα της σωλήνωσης και πρέπει η σωλήνωση αυτή να περιέχει πολλαπλά τµήµατα. Όλες οι διαφορετικές ιδιότητες που µπορούµε να επιλέξουµε φαίνονται στο παρακάτω παράθυρο «Pipe Profile». Σχήµα 6.13: Ορισµός των ιδιοτήτων του ρευστού της σωλήνωσης που θα φαίνονται στην αναφορά. 82

93 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές v. Controller Convergence: Αν κάποιος ελεγκτής του σχεδιαγράµµατος ροής µας δεν συγκλίνει, το διάγραµµα της επιλογής αυτής µας επιτρέπει να εντοπίσουµε το λόγο. Συγκεκριµένα, η γραφική παράσταση της επιλογής αυτής µας δείχνει πως µεταβάλλεται η λειτουργία σφάλµατος του ελεγκτή κατά την επαναληπτική διαδικασία σύγκλισης, επιτρέποντάς µας να εντοπίσουµε το ακριβές σηµείο απόκλισης ιαγράµµατα δυναµικής προσοµοίωσης Οι επιλογές σχεδίασης που αφορούν τις δυναµικές προσοµοιώσεις εµφανίζονται επιλέγοντας διαδοχικά Plot-Dynamic Plots από το βασικό µενού του προγράµµατος. Αναλυτική περιγραφή των περιπτώσεων αυτών υπάρχει στο κεφάλαιο των δυναµικών προσοµοιώσεων ιαγράµµατα δεδοµένων από αρχεία που δηµιούργησε ο χρήστης Μια επιπλέον δυνατότητα που υπάρχει είναι να εισάγουµε µε τη βοήθεια κάποιας γλώσσας προγραµµατισµού- δεδοµένα σχεδίασης σε ένα αρχείο κειµένου και στη συνέχεια να χρησιµοποιήσουµε το αρχείο αυτό ώστε να σχεδιάσουµε την αντίστοιχη καµπύλη. Η διαδικασία αυτή ξεκινά επιλέγοντας Plot-User Specified File από το βασικό µενού του προγράµµατος. Το Chemcad µας παρουσιάζει σε ένα παράθυρο τις αναλυτικές οδηγίες σχετικά µε τη µορφή που θα έχει το αρχείο µας. Συγκεκριµένα θα πρέπει να δηµιουργήσουµε ένα αρχείο κειµένου που να έχει κατάληξη.xy και να περιέχει τα ακόλουθα στοιχεία: Γραµµή 1: Τίτλος του διαγράµµατος Γραµµή 2: Τίτλος του άξονα Χ Γραµµή 3: Τίτλος του άξονα Υ Γραµµή 4: Αριθµός των καµπυλών του διαγράµµατος, µε µέγιστη τιµή το 300. Για κάθε καµπύλη θα πρέπει να εισάγουµε τις παρακάτω πληροφορίες: Γραµµή 5: Αριθµός των σηµείων της καµπύλης, Επιλογή για τα σηµεία (πληκτρολογούµε το 0 αν θέλουµε να συνδέονται τα σηµεία και το 1 αν θέλουµε να µην συνδέονται), Τίτλος της καµπύλης Γραµµή 6: Τιµή Χ, Τιµή Υ ( εδοµένα του πρώτου σηµείου της πρώτης καµπύλης) Γραµµή 7: Τιµή Χ, Τιµή Υ ( εδοµένα του δεύτερου σηµείου της πρώτης καµπύλης). Γραµµή Ν: Τιµή Χ, Τιµή Υ ( εδοµένα του τελευταίου σηµείου της τελευταίας καµπύλης). Αν έχουµε δηµιουργήσει το αρχείου κειµένου µε την παραπάνω διαµόρφωση το εντοπίζουµε στο παράθυρο «Open» και κάνοντας αριστερό κλικ στο πλήκτρο «ΟΚ» ολοκληρώνουµε τη διαδικασία. 6.3 Εκτύπωση των αναφορών Κάθε αναφορά κειµένου που δηµιουργούµε εµφανίζεται σε ένα από τα τρία προγράµµατα της Microsoft (WordPad, Word, Excel), ανάλογα την επιλογή 83

94 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές που έχουµε κάνει. Κάθε ένα από αυτά τα προγράµµατα υποστηρίζει την εντολή της εκτύπωσης που εµφανίζεται επιλέγοντας File-Ρrint από το βασικό µενού του κάθε προγράµµατος. Οι γραφικές αναφορές, από την άλλη, µπορούν να εκτυπωθούν απευθείας από το περιβάλλον του Chemcad. Βρισκόµενοι στο παράθυρο της γραφικής παράστασης, µπορούµε να επιλέξουµε File-Print από το βασικό µενού ή απλώς το εικονίδιο «Print» από τη µπάρα εργαλείων (toolbar) ιαγράµµατα της διαδικασίας ροής (Process Flow Diagrams) To πρόγραµµα µας προσφέρει τη δυνατότητα να εκτυπώσουµε διαγράµµατα της διαδικασίας ροής. Τα διαγράµµατα αυτά απεικονίζουν το σχεδιάγραµµα ροής της προσοµοίωσής µας εµπλουτισµένο µε διάφορα πλαίσια πληροφοριών για τις λειτουργικές µονάδες, τις ροές κλπ. Τα πλαίσια πληροφοριών µπορούν να χωριστούν στις παρακάτω τέσσερεις κατηγορίες: 1) Stream Box Το πλαίσιο αυτό περιέχει µια λίστα µε όλες τις ροές που επιθυµούµε, καθώς και στοιχεία για όποιες ιδιότητες των ροών θέλουµε να εµφανίσουµε. Για να το δηµιουργήσουµε επιλέγουµε διαδοχικά Format-Add Stream Box από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στο παράθυρο «Select Streams» που εµφανίζεται πρέπει να επιλέξουµε ποιες ροές θα εµφανιστούν στο πλαίσιο. Πληκτρολογούµε την αριθµητική τιµή αναφοράς της κάθε ροής στα πεδία της επιλογής «Enter the stream IDs» ή τσεκάρουµε την επιλογή «Select streams from flowsheet» αν θέλουµε να τις επιλέξουµε χειροκίνητα, µε αριστερό κλικ, στο σχεδιάγραµµα ροής. Η επιλογή «All streams» βοηθά στην εµφάνιση όλων των ροών στο πλαίσιο. Το επόµενο παράθυρο φαίνεται παρακάτω και περιέχει όλες τις επιλογές που µπορούµε να επιλέξουµε για τις ροές µας. Τσεκάρουµε όποιες από αυτές επιθυµούµε και πατάµε το πλήκτρο «ΟΚ» για να συνεχίσουµε. 84

95 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές Σχήµα 6.14: Ιδιότητες που µπορούν να περιέχουν τα πλαίσια πληροφοριών. Τέλος, στο παράθυρο «Databox Settings» µπορούµε να καθορίσουµε το στυλ και το µέγεθος της γραµµατοσειράς του κειµένου («font style» και «font size» αντίστοιχα) του πλαισίου όπως και το αν θα εµφανίζονται οριζόντιες γραµµές («horizontal lines»)ή διαχωριστικά σε κάθε διαφορετικό πεδίο («section divider»), για την καλύτερη οπτική εµφάνιση του πλαισίου µας. 2) UnitOp Box Με αυτή την επιλογή δηµιουργείται ένα ξεχωριστό πλαίσιο για κάθε επιλεγµένη λειτουργική µονάδα. Η διαδικασία δηµιουργίας του µοιάζει αρκετά µε αυτή του πλαισίου ροών που περιγράψαµε παραπάνω. Ξεκινάµε επιλέγοντας διαδοχικά Format-Add UnitOp Box από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στο παράθυρο «Select Unit Operations» που εµφανίζεται πληκτρολογούµε την αριθµητική τιµή αναφοράς κάθε λειτουργικής µονάδας στα πεδία της επιλογής «Enter the UnitOp IDs» ή τσεκάρουµε την επιλογή «Select UnitOps from flowsheet» αν θέλουµε να τις επιλέξουµε χειροκίνητα, µε αριστερό κλικ, στο σχεδιάγραµµα ροής. Τέλος, τo παράθυρο «Databox Settings» είναι όµοιο µε προηγουµένως, παρέχοντας επιλογές για την καλύτερη οπτική εµφάνιση του πλαισίου µας. 85

96 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές Σχήµα 6.15: Επιλογές οπτικής εµφάνισης για το πλαίσιο. Πρέπει να προσέξουµε το γεγονός ότι, µερικές φορές, αν έχουµε επιλέξει παραπάνω από µια λειτουργικές µονάδες τα πλαίσιά τους µπορεί να εµφανιστούν το ένα πάνω στο άλλο στο σχεδιάγραµµα ροής. Μετακινώντας το πρώτο παράθυρο θα διαπιστώσουµε την ύπαρξη των υπολοίπων, που ήταν κρυµµένα πίσω του. 3) TP Box Βοηθά στη δηµιουργία ξεχωριστών πλαισίων πληροφοριών για κάθε ροή που επιλέγουµε, όπως τη θερµοκρασία, την πίεση ή το ρυθµό ροής του ρευστού της. Για να ξεκινήσουµε τη δηµιουργία επιλέγουµε διαδοχικά Format-Add TP Box από το βασικό µενού του προγράµµατος και εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο επιλογών. Σχήµα 6.16: Επιλογές πλαισίου ροών. Αρχικά, θα πρέπει να καθορίσουµε αν θέλουµε να δηµιουργήσουµε πλαίσια για όλες τις ροές («Generate boxes for all streams») ή να επιλέξουµε χειροκίνητα από το σχεδιάγραµµα ροής ποιες ροές θέλουµε («Select streams from the flowsheet»). Στη συνέχεια, στη στήλη «Display» επιλέγουµε τις ιδιότητες της ροής που θέλουµε να εµφανίζονται σε κάθε πλαίσιο καθώς και τη σειρά εµφάνισης. Η στήλη «Number format» περιέχει επιλογές για το πώς θα εµφανίζονται τα αριθµητικά ψηφία των τιµών των ιδιοτήτων ενώ στη διπλανή στήλη «Digits» πληκτρολογούµε τον αριθµό των ψηφίων που θέλουµε να φαίνονται µετά την υποδιαστολή. Μπορούµε επίσης να αλλάξουµε το στυλ («Font style») και το µέγεθος («Font size») της γραµµατοσειράς κειµένου του πλαισίου όπως και να ορίσουµε αν θέλουµε να εµφανίζονται οι µονάδες 86

97 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές µέτρησης («Display Units») και οι αριθµητικές τιµές αναφοράς των ροών («Stream IDs»). Τέλος, το πεδίο «Preview» περιέχει ένα δυναµικό δείγµα του πως θα εµφανίζονται τα αντικείµενα που επιλέξαµε µέσα στο πλαίσιο. Το δυναµικό αυτό δείγµα µας δείχνει όλες τις αλλαγές που κάνουµε εκτός από την αλλαγή του µεγέθους του κειµένου. 4) Excel Range Box Το πλαίσιο αυτό περιέχει δυναµικά δεδοµένα από έναν ορισµένο αριθµό κελιών ενός επιλεγµένου αρχείου του προγράµµατος Microsoft Excel. Αποτελεί, στην ουσία, έναν δυναµικό σύνδεσµο ανάµεσα στα προγράµµατα Excel και Chemcad. Καθώς επεξεργαζόµαστε και αλλάζουµε τα δεδοµένα του συγκεκριµένου αριθµού κελιών, όλες αυτές οι αλλαγές παρακολουθούνται και αποτυπώνονται σε πραγµατικό χρόνο σε αυτό το πλαίσιο του σχεδιαγράµµατος ροής. Για να το δηµιουργήσουµε επιλέγουµε διαδοχικά Format-Add Excel Range από το βασικό µενού του προγράµµατος. H ενέργεια αυτή εµφανίζει το παράθυρο «Excel data box settings». Στο πεδίο «Excel workbook path» του παραθύρου εντοπίζουµε το αρχείο Excel µε το οποίο θέλουµε να δουλέψουµε ενώ, στο πεδίο «Worksheet name», πληκτρολογούµε το όνοµα του φύλλου εργασίας που µας ενδιαφέρει από το εν λόγω αρχείο. Το πλαίσιο «Cell range to display in Chemcad» βοηθά να ορίζουµε την αρχική και τελική στήλη (column) και γραµµή (row) της οµάδας κελιών που θέλουµε να παρακολουθεί το πλαίσιό µας. Τέλος, το πλαίσιο «Format» προσφέρει διάφορες επιλογές διαµόρφωσης όπως οριζόντιες και κάθετες διαχωριστικές γραµµές («horizontal, vertical separators»), το στυλ («font style») και το µέγεθος της γραµµατοσειράς («font size») και το ελάχιστο πλάτος που θα έχει κάθε στήλη («minimum column width») Η λειτουργία των επιπέδων (layers) για επιλεκτική επισκόπηση και εκτύπωση του σχεδιαγράµµατος ροής Όπως φάνηκε από την ανάλυση των προηγούµενων ενοτήτων, µπορούµε να εισάγουµε πάρα πολλά αντικείµενα στο σχεδιάγραµµα ροής της προσοµοίωσής µας. Λειτουργικές µονάδες, ροές, κείµενο, σχήµατα, πλαίσια πληροφοριών και όποια άλλη υποστηριζόµενη λειτουργία µπορεί να έχουν ως αποτέλεσµα τη δηµιουργία ενός πολύπλοκου και οπτικά φορτωµένου σχεδιαγράµµατος. Για το λόγο αυτό, το πρόγραµµα µας δίνει τη δυνατότητα να χρησιµοποιήσουµε τη λειτουργία των επιπέδων (layers). Κάθε επίπεδο είναι µια οµάδα αντικειµένων του σχεδιαγράµµατος ροής που µπορούµε να εµφανίσουµε ή να εξαφανίσουµε κατά βούληση, µε ένα απλό κλικ του ποντικιού. Για παράδειγµα, σε περίπτωση που µελετάµε µια προσοµοίωση για τον εντοπισµό κάποιου λάθους µπορεί να θέλουµε να εισάγουµε στο σχεδιάγραµµα πρόχειρα σχόλια µε τη µορφή κειµένου, να επιλέξουµε την ελαττωµατική µονάδα µε κάποιο σχήµα ή ακόµα και να σχεδιάσουµε εκ νέου κάποια κοµµάτια του σχεδιαγράµµατος. Όλες αυτές οι ενέργειες είναι, βέβαια, στα πλαίσια της εργασίας διόρθωσης και ίσως να µην θέλαµε να φαίνονται σε επίσηµες αναφορές. Μπορούµε εποµένως να δηµιουργήσουµε το αντίστοιχο 87

98 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές επίπεδο που θα περιέχει όλα αυτά τα αντικείµενα της διόρθωσης και να ελέγξουµε αν και πότε θα φαίνεται στην εκτύπωση ή στην οθόνη του υπολογιστή. Το να έχουµε ένα επίπεδο κρυµµένο δεν επηρεάζει τις ιδιότητες των αντικειµένων ή το τρόπο µε τον οποίο εκτελείται η προσοµοίωση. Απλώς, εξαφανίζει τα αντικείµενα από την οθόνη για να βοηθήσει τοχρήστη στην επισκόπηση του σχεδιαγράµµατος ροής. Κάθε επίπεδο µπορεί να περιέχει οποιονδήποτε αριθµό και είδος αντικειµένων και η δηµιουργία του γίνεται από το χρήστη, χρησιµοποιώντας το παράθυρο του Chemcad Explorer α ηµιουργία ενός νέου επιπέδου Ξεκινώντας µε τη λειτουργία των επιπέδων, η πρώτη µας ενέργεια είναι να δηµιουργήσουµε ένα νέο επίπεδο. Στο παράθυρο του Chemcad Explorer κάνουµε δεξί κλικ πάνω στην επιλογή «Layers» και επιλέγουµε το «New». Στο παράθυρο «New Layer» που εµφανίζεται πληκτρολογούµε το όνοµα που θέλουµε να δώσουµε στο επίπεδο και πατάµε το «ΟΚ». Παρατηρούµε τη δηµιουργία του νέου επιπέδου ακριβώς κάτω από την αρχική επιλογή «Layers» του παραθύρου Chemcad Explorer. Το πρόγραµµα θέτει εξαρχής κάθε νέο επίπεδο που δηµιουργούµε ως ορατό. Αν κάποιο επίπεδο είναι ορατό τότε θα υπάρχει ένα πράσινο βέλος αριστερά του εικονιδίου του, στο παράθυρο του Chemcad Explorer. Αντίθετα, αν το επίπεδο είναι αόρατο τότε το εικονίδιό του θα έχει γκρίζο χρώµα β Προσθήκη αντικειµένων σε ένα επίπεδο Για να προσθέσουµε κάποιο αντικείµενο σε ένα επίπεδο πρέπει αρχικά να το επιλέξουµε, κάνοντας αριστερό κλικ πάνω του στο σχεδιάγραµµα ροής. Υπενθυµίζουµε ότι αν η επιλογή µας είναι επιτυχής, θα εµφανιστούν τέσσερα µικρά µαύρα τετράγωνα στις τέσσερεις γωνίες του αντικειµένου. Εν συνεχεία, κάνουµε δεξί κλικ στο όνοµα του επιπέδου που θέλουµε -στο παράθυρο του Chemcad Explorer- και επιλέγουµε «Add Selected». Για να γλιτώσουµε χρόνο µπορούµε να εισάγουµε περισσότερα από ένα αντικείµενα σε κάποιο επίπεδο. Αυτό επιτυγχάνεται κρατώντας πατηµένο το πλήκτρο «Shift» του πληκτρολογίου ενώ επιλέγουµε κάθε αντικείµενο µε τη σειρά και όταν τελειώσουµε, κάνουµε δεξί κλικ στο όνοµα του επιπέδου που θέλουµε -στο παράθυρο του Chemcad Explorer- και επιλέγουµε «Add Selected». Μια άλλη δυνατότητα είναι να επιλέξουµε τα αντικείµενα που θέλουµε πριν τη δηµιουργία του επιπέδου και όταν πραγµατοποιήσουµε τη δηµιουργία τα αντικείµενα αυτά εισάγονται αυτόµατα στο νέο επίπεδο γ Εµφανίζοντας και εξαφανίζοντας επίπεδα Για να εξαφανίσουµε κάποιο επίπεδο απλώς κάνουµε αριστερό κλικ επάνω στο όνοµά του, στο παράθυρο του Chemcad Explorer. Το επίπεδο βρίσκεται τώρα σε κατάσταση «µη ορατού» και το εικονίδιο θα έχει γκρίζο χρώµα. Για να εµφανίσουµε κάποιο επίπεδο η διαδικασία είναι ακριβώς ίδια, δηλαδή κάνουµε αριστερό κλικ επάνω στο όνοµά του. Το επίπεδο ορίζεται τώρα ως ορατό και το εικονίδιό του θα έχει στα αριστερά του ένα πράσινο βέλος. 88

99 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές Κάθε φορά που ανοίγουµε ένα αρχείο προσοµοίωσης το Chemcad εµφανίζει ή κρύβει τα επίπεδα που έχουµε δηµιουργήσει, ανάλογα µε την κατάσταση που είχαν αυτά την τελευταία φορά που σώσαµε το εν λόγω αρχείο προσοµοίωσης. Σε περίπτωση που ένα αντικείµενο βρίσκεται σε περισσότερα από ένα επίπεδα τότε, ο µόνος τρόπος για να κρύψουµε το αντικείµενο αυτό είναι να θέσουµε όλα τα επίπεδα στα οποία ανήκει σε κατάσταση «µη ορατού» δ ιαγραφή αντικειµένων από ένα επίπεδο Για να διαγράψουµε κάποιο αντικείµενο από ένα επίπεδο πρέπει αρχικά το επίπεδο να βρίσκεται σε κατάσταση «ορατού». Στη συνέχεια, επιλέγουµε το αντικείµενο κάνοντας αριστερό κλικ πάνω του στο σχεδιάγραµµα ροής, κάνουµε δεξί κλικ στο όνοµα του επιπέδου που θέλουµε -στο παράθυρο του Chemcad Explorer- και επιλέγουµε «Remove Selected». Για περισσότερα του ενός αντικείµενα απλώς επαναλαµβάνουµε την παραπάνω διαδικασία ε ιαγραφή επιπέδου Αν για κάποιο λόγο θέλουµε να διαγράψουµε κάποιο επίπεδο τότε απλώς κάνουµε δεξί κλικ επάνω στο όνοµα του -στο παράθυρο Chemcad Explorerκαι επιλέγουµε «Delete». To επίπεδο εξαφανίζεται από τη λίστα ενώ, αν η κατάστασή του πριν τη διαγραφή ήταν «µη ορατό» τότε όλα τα αντικείµενα που το αποτελούσαν εµφανίζονται ξανά στο σχεδιάγραµµα ροής. 6.4 Εκτύπωση ενός διαγράµµατος διαδικασίας ροής (process flow diagram) Μετά την ανάλυση των πλαισίων πληροφοριών και της λειτουργίας των επιπέδων είµαστε σε θέση να εκτυπώσουµε το διάγραµµα διαδικασίας ροής. Θα πρέπει να προσέξουµε ιδιαίτερα το γεγονός ότι η χρησιµοποίηση της εντολής εκτύπωσης από το κεντρικό παράθυρο του Chemcad θα µας εκτυπώσει ακριβώς το κοµµάτι του παραθύρου της επιφάνειας εργασίας (Workspace) που βλέπει ο χρήστης τη στιγµή επιλογής της εντολής. Αυτό σηµαίνει ότι, αν για παράδειγµα έχουµε µεγεθύνει µια συγκεκριµένη περιοχή του σχεδιαγράµµατος ροής τότε η εκτύπωση θα δείχνει αυτή ακριβώς την περιοχή και όχι όλο το σχεδιάγραµµα. Όµοια, αν το παράθυρο της παλέτας σχεδιασµού κρύβει ορισµένες περιοχές του σχεδιαγράµµατός µας, τότε αυτές δεν θα φαίνονται στην εκτύπωση. Αν έχουµε χρησιµοποιήσει την επιλογή των επιπέδων για να κρύψουµε τα πλαίσια διαλόγου κατά τη διάρκεια εργασίας µας τότε αυτά δεν θα εµφανιστούν στην εκτύπωση. Για το λόγο αυτό, πριν ξεκινήσουµε τη διαδικασία της εκτύπωσης πρέπει να αποφασίσουµε τι ακριβώς θα φαίνεται και τι όχι. Οποιαδήποτε στιγµή µπορούµε να ελέγξουµε πως θα είναι το αποτέλεσµα της εκτύπωσης επιλέγοντας File-Print Preview από το βασικό µενού του προγράµµατος. Χρησιµοποιούµε τις επιλογές µεγέθυνσης και σµίκρυνσης για να εµφανίσουµε το ακριβές κοµµάτι του σχεδιαγράµµατος ροής που θέλουµε να εκτυπώσουµε. Αν θέλουµε να εµφανίζεται όλο, πολύ χρήσιµη επιλογή είναι το εικονίδιο «Zoom to fit» της µπάρας εργαλείων του προγράµµατος. Ορίζουµε την 89

100 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων και αναφορές κατάσταση των πλαισίων διαλόγου ανάλογα µε τις ανάγκες µας και ελέγχουµε αν όλα τα αντικείµενα του σχεδιαγράµµατος είναι στη θέση που πρέπει. Τελικά, όταν όλες οι παραπάνω ενέργειες έχουν πραγµατοποιηθεί µε επιτυχία, επιλέγουµε διαδοχικά File-Print από το βασικό µενού του προγράµµατος για να εκτυπώσουµε το διάγραµµα διαδικασίας ροής. 90

101 Μοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας 7. Μοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας Κάθε λειτουργική µονάδα του προγράµµατος Chemcad διαθέτει χαρακτηριστικά και προδιαγραφές διαφορετικού επιπέδου ακρίβειας. Μερικές µονάδες είναι πραγµατικά απλές ενώ άλλες µπορεί να είναι εξαιρετικά πολύπλοκες και ακριβείς. Ανάλογα µε τις απαιτήσεις της διεργασίας µας υπάρχει η δυνατότητα να εργαστούµε µε µοντελοποιήσεις χαµηλής (low fidelity) ή υψηλής ακρίβειας (high fidelity) ή ένα συνδυασµό και των δυο µεθόδων. Στη µοντελοποίηση χαµηλής ακρίβειας καθορίζουµε στο πρόγραµµα τι ακριβώς θέλουµε ή τι έχουµε παρατηρήσει και αυτό πραγµατοποιεί όλους τους υπολογισµούς κάνοντας την υπόθεση ότι µπορούµε να επιτύχουµε αυτό που θέλουµε. Είναι συνηθισµένο φαινόµενο να καθορίσουµε την καθαρότητα ενός συστατικού που εξέρχεται από µια µονάδα διαχωρισµού ή τη θερµοκρασία και την πίεση µιας ροής εξόδου µιας λειτουργικής µονάδας. Για παράδειγµα, ο καθορισµός της θερµοκρασίας εξόδου ενός εναλλάκτη θερµότητας αποτελεί µοντελοποίηση χαµηλής ακρίβειας. Από την άλλη µεριά, η µοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας απαιτεί από το χρήστη να εισάγει αρκετές εκτεταµένες µεταβλητές (extensive variables) όπως για παράδειγµα, γεωµετρικές µεταβλητές µιας λειτουργικής µονάδας. Το πρόγραµµα θα υπολογίσει τα αποτελέσµατα βασιζόµενο σε αυτά τα λεπτοµερή στοιχεία, προσπαθώντας να προσεγγίσει όσο το δυνατόν καλύτερα τις πραγµατικές συνθήκες. 7.1 Κριτήρια για τη µοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας Για να εκµεταλλευτούµε τη δυνατότητα µοντελοποίησης υψηλής ακρίβειας του προγράµµατος θα πρέπει, όπως προαναφέραµε, να µπορούµε να εισάγουµε λεπτοµερή χαρακτηριστικά για τον εξοπλισµό µας. Για το λόγο αυτό, οι περισσότερες λειτουργικές µονάδες απαιτούν την επιλογή µιας µεθόδου λειτουργίας και υπολογισµού που επιτρέπει την εισαγωγή δεδοµένων υψηλής ακρίβειας. Ας θεωρήσουµε το παράδειγµα µιας αντλίας. Αν επιλέξουµε τη λειτουργία «Καθορισµός της πίεσης εξόδου» («Specify outlet pressure») τότε δουλεύουµε µε µοντελοποίηση χαµηλής ακρίβειας. Η προσοµοίωση θα χρησιµοποιήσει την πίεση εξόδου που θα καθορίσουµε εµείς χωρίς να λάβει υπόψη της το µέγεθος της αντλίας, την παροχή ρευστού εισόδου ή την πίεση εισόδου. Αν όµως επιλέξουµε τη λειτουργία «Καθορισµός της καµπύλης απόδοσης» («Specify performance curve») δουλεύουµε µε µοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας. Θα πρέπει να εισάγουµε σηµεία δεδοµένων από την καµπύλη απόδοσης της αντλίας µας, για µια ή περισσότερες ταχύτητες λειτουργίας. Το πρόγραµµα θα υπολογίσει την αλλαγή της πίεσης του ρευστού διαµέσου της αντλίας, βασιζόµενο στα δεδοµένα απόδοσης και την ογκοµετρική παροχή εισόδου του ρευστού, και θα µας δώσει ένα περισσότερο ρεαλιστικό αποτέλεσµα για τις δυνατότητες της αντλίας µας. 91

102 Μοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας 7.2 Εισαγωγή στη διαστασιολόγηση εξοπλισµού Η διαστασιολόγηση εξοπλισµού επιτυγχάνεται χρησιµοποιώντας την επιλογή Sizing από το βασικό µενού του προγράµµατος. To µενού που εµφανίζεται περιέχει διάφορες οµάδες λειτουργικών µονάδων όπως στήλες απόσταξης («Distillation»), εναλλάκτες θερµότητας («Heat Exchangers»), σωληνώσεις («Piping»), βαλβίδες ελέγχου («Control Valve») κλπ, στις οποίες µπορούµε να εφαρµόσουµε τη διαδικασία. Η διαστασιολόγηση πραγµατοποιείται συνήθως µετά την εκτέλεση της προσοµοίωσης, για τον υπολογισµό των ακριβών µεγεθών των αντικειµένων του εξοπλισµού. Μπορεί να λειτουργήσει σαν συµπλήρωµα µιας µοντελοποίησης χαµηλής ακρίβειας και να παράγει αποτελέσµατα που θα χρησιµοποιηθούν ως βάση για µελέτες υψηλής ακρίβειας. 7.3 Μοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας και διαστασιολόγηση συνηθισµένων λειτουργικών µονάδων Στην παράγραφο αυτή αναλύουµε τις λειτουργικές µονάδες που µπορούµε να µοντελοποιήσουµε µε υψηλή ακρίβεια και συγκρίνουµε αυτή την προσέγγιση µε τη µοντελοποίηση χαµηλής ακρίβειας, για κάθε λειτουργική µονάδα Σωληνώσεις Μπορούµε να χρησιµοποιήσουµε και τις δυο µεθόδους ακρίβειας ενώ η διαστασιολόγηση βασίζεται στη σύσταση της επιλεγµένης ροής. 1) Χαµηλή ακρίβεια Στο µοντέλο αυτό τις περισσότερες φορές πρέπει να καθορίσουµε τη διάµετρο και το µήκος της σωλήνωσης. Η πτώση πίεσης που παρουσιάζει ο σωλήνας υπολογίζεται λαµβάνοντας υπόψη τόσο τη διάµετρο και το µήκος της σωλήνωσης όσο και την παροχή ρευστού διαµέσου της. 2) Υψηλή ακρίβεια Στην περίπτωση αυτή οι σωληνώσεις αλληλεπιδρούν µε τους κόµβους (nodes) του δικτύου για να ισορροπήσουν υδραυλικά την πίεση και την παροχή στα διασυνδεδεµένα κοµµάτια εξοπλισµού. Οι κόµβοι πρέπει να τοποθετηθούν και στις δυο πλευρές κάθε σωλήνωσης αν θέλουµε να τους συµπεριλάβουµε στην υδραυλική ισορροπία. Κάθε πιθανός περιορισµός στην πίεση και την παροχή εισάγεται στο κόµβο του δικτύου και όχι στη σωλήνωση. Το µοντέλο υψηλής ακρίβειας µπορεί να δείξει τις αλλαγές στην πίεση που προκύπτουν όταν συνδέουµε δύο σωληνώσεις ενώ, αντίθετα, το µοντέλο χαµηλής ακρίβειας θα όριζε ως πίεση εξόδου από τη συνδεδεµένη σωλήνωση τη µικρότερη από τις δύο πιέσεις και δεν θα λάµβανε υπόψη του τις προαναφερόµενες αλλαγές. 3) ιαστασιολόγηση Η διαδικασία ξεκινά επιλέγοντας Sizing-Piping από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στο παράθυρο «Select Streams» που εµφανίζεται τσεκάρουµε την επιλογή «Select streams from flowsheet» αν θέλουµε να επιλέξουµε µε αριστερό κλικ- τις ροές από το σχεδιάγραµµα ροής ή πληκτρολογούµε την αριθµητική τιµή αναφοράς της κάθε ροής στα πεδίο του πλαισίου «Enter the stream IDs». Αν θέλουµε να συµπεριλάβουµε όλες τις 92

103 Μοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας ροές στη διαστασιολόγηση απλώς τσεκάρουµε την επιλογή «All Streams». Το επόµενο παράθυρο ονοµάζεται «Pipe sizing» και φαίνεται παρακάτω: Σχήµα 7.1: Παράθυρο διαστασιολόγησης σωληνώσεων. Στο πλαίσιο «Sizing Option» µας δίνεται η δυνατότητα επιλογής µεθόδου διαστασιολόγησης, ανάλογα µε το ποια ιδιότητα ροής θέλουµε να εκµεταλλευτούµε. Στη συνέχεια µπορούµε να καθορίσουµε την τραχύτητα του σωλήνα (roughness) και να επιλέξουµε το µοντέλο υπολογισµού των διαστάσεων («Method»). Τέλος, το πεδίο «Piping schedule» αφορά την περίπτωση υπολογισµού της διαµέτρου της σωλήνωσής µας. Το πρόγραµµα υπολογίζει αρχικά την ελάχιστη επιτρεπτή διάµετρο και στη συνέχεια θα επιλέξει τη µικρότερη διαθέσιµη διάµετρο εµπορίου που να είναι µεγαλύτερη από την ελάχιστη επιτρεπτή. Για το λόγο αυτό, πρέπει να καθορίσουµε το πίνακα τιµών διαµέτρων (pipe schedule) που θα χρησιµοποιηθεί στην παραπάνω επιλογή. Όλοι οι διαθέσιµοι πίνακες τιµών διαµέτρων υπάρχουν στο ενσωµατωµένο σύστηµα βοηθείας του Chemcad Αντλίες, συµπιεστές και στρόβιλοι/συσκευές διαστολής (expanders) Σε αυτές τις λειτουργικές µονάδες υπάρχει η δυνατότητα να χρησιµοποιήσουµε και τα δύο µοντέλα ακρίβειας. 1) Χαµηλή ακρίβεια Το πρόγραµµα υπολογίζει την ενέργεια που καταναλώνεται από τη λειτουργική µονάδα και τα θερµικά αποτελέσµατα στο ρευστό, βασιζόµενο στην πίεση εξόδου που θα καθορίσουµε ή στην αύξηση της πίεσης διαµέσου της µονάδας. Μπορούµε να ρυθµίσουµε και άλλες προαιρετικές παραµέτρους, όπως το βαθµό απόδοσης της µονάδας µας, διαφοροποιώντας έτσι το τελικό αποτέλεσµα. 2) Υψηλή ακρίβεια Για να ενεργοποιηθεί αυτό το µοντέλο θα πρέπει να επιλέξουµε από το µενού της µονάδας- τη µέθοδο λειτουργίας που χρησιµοποιεί τις καµπύλες 93

104 Μοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας απόδοσης, όπου η πίεση µεταβάλλεται συναρτήσει της ογκοµετρικής παροχής. Βασιζόµενο στα δεδοµένα ογκοµετρικής παροχής που θα εισάγουµε, το Chemcad θα υπολογίσει την πίεση εξόδου οχεία (Vessels) και δεξαµενές (Tanks) Μπορούµε να εισάγουµε δοχεία και δεξαµενές στις προσοµοιώσεις µας χρησιµοποιώντας υψηλή ακρίβεια ή να πραγµατοποιήσουµε προσεγγίσεις σε αυτές τις µονάδες εξοπλισµού µε χαµηλή ακρίβεια, σε σταθερή κατάσταση (steady state). Η διαστασιολόγηση είναι δυνατή σε συγκεκριµένους τύπους δοχείων. Σηµειώνουµε ότι η λειτουργική µονάδα της δεξαµενής που αναφέρουµε εδώ χρησιµοποιείται συγκεκριµένα µόνο σε στήλες ασυνεχούς λειτουργίας (Batch Column UnitOps). εν αναφέρεται στις δεξαµενές αποθήκευσης που χρησιµοποιούνται για γενικές εφαρµογές. 1) Χαµηλή ακρίβεια Με το µοντέλο αυτό η ροή εισέρχεται στη λειτουργική µονάδα του διαχωριστή και διαχωρίζεται σε υγρό και ατµό. Το πρόγραµµα δεν λαµβάνει υπόψη του τη συσσώρευση υλικού (hold-up) ή τα επίπεδα υγρού (liquid level) µέσα στη µονάδα. Μπορούµε να µελετήσουµε τη µονάδα σε σταθερή κατάσταση αν αλλάξουµε χειροκίνητα την παροχή ή/και τις θερµικές καταστάσεις ώστε να εξισώσουµε την ογκοµετρική παροχή µε τον όγκο της µονάδας. 2) Υψηλή ακρίβεια Η µοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας µπορεί να πραγµατοποιηθεί µόνο σε δυναµικά δοχεία (dynamic vessels) και αντιδραστήρια ασυνεχούς λειτουργίας (batch reactors). Αν καθορίσουµε τη γεωµετρία του δοχείου µας και χρησιµοποιήσουµε τη δυναµική προσοµοίωση του προγράµµατος µπορούµε να µελετήσουµε τι γίνεται στο δοχείο καθώς εισάγουµε ή εξάγουµε υλικό. Σε αντίθεση µε τα απλά δοχεία διαχωρισµού ρευστών (simple flash vessels), τα δυναµικά δοχεία και τα αντιδραστήρια ασυνεχούς λειτουργίας λαµβάνουν υπόψη τους χρονικές αλλαγές στη συσσώρευση υλικού (hold-up), τα επίπεδα υγρού (liquid level) και την πίεση. 3) ιαστασιολόγηση Η διαδικασία ενεργοποιείται επιλέγοντας Sizing-Vessel από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στο δευτερεύων µενού του προγράµµατος καθορίζουµε το τύπο του δοχείου που επιθυµούµε, δοχείο υγρού-ατµού (liquid-vapor vessel) ή δοχείο υγρού-υγρού-ατµού (liquid-liquid-vapor vessel). Στη συνέχεια εµφανίζεται το παράθυρο επιλογής λειτουργικής µονάδας («Select UnitOps») όπου πληκτρολογούµε την αριθµητική τιµή της µονάδας ή απλώς την επιλέγουµε από το σχεδιάγραµµα ροής. Τελευταίο εµφανίζεται το βασικό παράθυρο µε τις επιλογές της διαστασιολόγησης. Στο παράδειγµά µας έχουµε επιλέξει ένα οριζόντιο δοχείο υγρού-ατµού. Αρχικά στο πλαίσιο «Vessel type» επιλέγουµε αν επιθυµούµε οριζόντιο ή κάθετο δοχείο. Ο παράγοντας Κ v («K v factor») χρησιµοποιείται προαιρετικά, για τον ορισµό της µέγιστης ταχύτητας ρευστού που επιτρέπεται στο δοχείο. Το πλαίσιο «Design parameters» περιέχει του παρακάτω παράγοντες σχεδίασης: 94

105 Μοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας Πίεση σχεδίασης (design pressure), που αποτελεί τη βάση για τους υπολογισµούς του πάχους του δοχείου. Αν δεν υπάρξει συγκεκριµένη τιµή από το χρήστη το πρόγραµµα χρησιµοποιεί την πίεση εισόδου του ρευστού. Επιτρεπόµενη πίεση (allowable stress) είναι συνάρτηση του υλικού της κατασκευής και της θερµοκρασίας λειτουργίας του δοχείου. Αν δεν υπάρξει διαφορετική τιµή από το χρήστη χρησιµοποιείται η τιµή psia για ανθρακούχο χάλυβα. Σχήµα 7.2: Παράθυρο διαστασιολόγησης δοχείου. Απόδοση των συνδέσεων της κεφαλής και του κορµού (Head- Shell joint efficiency) που επηρεάζει το πάχος και το βάρος του δοχείου. Οι συνδέσεις θεωρούνται άριστης απόδοσης συντελεστής ίσος µε τη µονάδα- εκτός αν υπάρχει διαφορετική τιµή από το χρήστη. Όριο διάβρωσης (Corrosion allowance). Χρησιµοποιείται στον υπολογισµό του πάχους του δοχείου. Το πρόγραµµα στρογγυλοποιεί την τιµή αυτή στη πλησιέστερη εµπορική τιµή πάχους. Επιτρεπόµενο ποσοστό βάρους (Weight percent allowance). To ποσοστό αυτό προστίθεται στο συνολικό βάρος για να ληφθεί υπόψη η ύπαρξη διαφόρων εξαρτηµάτων του δοχείου. Τύπος κεφαλής (Head type). Επιλέγουµε το τύπο της κεφαλής του δοχείου ανάµεσα από τρεις διαφορετικές επιλογές. Οι υπολογισµοί πάχους διαφέρουν αισθητά σε κάθε τύπο. 95

106 Μοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας Πυκνότητα δοχείου (Vessel density). Αποτελεί συνάρτηση του υλικού της κατασκευής και επηρεάζει το βάρος του δοχείου. Αν δεν υπάρξει είσοδος δεδοµένων θεωρείται ότι χρησιµοποιείται ανθρακούχος χάλυβας, πυκνότητας lb/ft 3. Ευθεία φλάντζα (Straight flange). Είναι η φλάντζα του κορµού του δοχείου που συγκρατεί τη κεφαλή µε το υπόλοιπο σώµα. Στο πεδίο αυτό εισάγουµε το πάχος αυτής της φλάντζας. Two times this thickness is then added to the overall vessel length. Ελάχιστη διάµετρος (Minimum diameter). Καθορίζουµε την ελάχιστη διάµετρο του δοχείου. Τυπική τιµή που χρησιµοποιεί το πρόγραµµα αν δεν υπάρξει είσοδος δεδοµένων είναι τα ft. Τελειώνοντας µε τις παραπάνω επιλογές και πατώντας το πλήκτρο «ΟΚ» µας εµφανίζεται ένα τελευταίο παράθυρο που αφορά το οριζόντιο δοχείο του παραδείγµατός µας. Αντίστοιχα παράθυρα υπάρχουν για κάθε τύπο δοχείου. Σχήµα 7.3: Επιπλέον στοιχεία, ανάλογα µε το σχήµα του δοχείου. Πολλαπλασιαστής K v (K v multiplier). Για τις ίδιες συνθήκες λειτουργίας ο παράγοντας K v που περιγράψαµε προηγουµένως είναι µεγαλύτερος στα οριζόντια δοχεία σε σχέση µε τα κάθετα. Για το λόγο αυτό, το πρόγραµµα χρησιµοποιεί το πολλαπλασιαστή K v για την οµαλοποίηση του συντελεστή. Μεγαλύτερες τιµές πολλαπλασιαστή οδηγούν σε µεγαλύτερη επιτρεπόµενη ταχύτητα ρευστού και τελικά σε µικρότερα δοχεία. Λόγος του µήκους προς τη διάµετρο (length to diameter ratio, L/D ratio). Κατά τη διαστασιολόγηση το Chemcad υπολογίζει πρώτα το µήκος της αναγκαίας ενδιάµεσης περιοχής παρουσίας των δύο ρευστών (cross-sectional area). Στη συνέχεια πολλαπλασιάζει το µέγεθος αυτό µε το λόγο L/D και βρίσκει το µήκος του δοχείου. Γενικά χρησιµοποιείται η τιµή 3 στο λόγο L/D για µεγαλύτερη οικονοµία. Παρόλα αυτά το τελικό µήκος του δοχείου θα πρέπει να είναι αρκετό ώστε να εξασφαλίζεται ικανός χρόνος παραµονής των ρευστών. Ελάχιστος χρόνος διατήρησης σε λεπτά (Minimum retention time in min.). Στο πεδίο αυτό µπορούµε να καθορίσουµε µια τιµή ελάχιστου χρόνου που θα διατηρηθούν τα ρευστά µέσα στο δοχείο της προσοµοίωσής µας. Μετά την ολοκλήρωση των προηγούµενων υπολογισµών µε τη χρήση του λόγου L/D, το Chemcad ελέγχει αν ο χρόνος παραµονής που προέκυψε από τους υπολογισµούς αυτούς είναι µεγαλύτερος από αυτή τη τιµή του ελάχιστου χρόνου. 96

107 Μοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας Λόγος µήκους περιοχής ατµού προς το µήκος της ενδιάµεσης περιοχής (Vapor area/cross-section area). Όταν υπολογιστεί η µέγιστη επιτρεπόµενη ταχύτητα του ρευστού, ακολουθεί ο υπολογισµός του µήκους της αναγκαίας περιοχής του ατµού. Το µήκος αυτό διαιρείται µε το λόγο του µήκους της περιοχής ατµού προς το µήκος της ενδιάµεσης περιοχής και τελικά προκύπτει το µήκος της ενδιάµεσης περιοχής. Η τιµή που χρησιµοποιείται αν δεν υπάρχει είσοδος δεδοµένων από το χρήστη είναι το Βαλβίδες Ανάλογα µε το είδος της βαλβίδας µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε µοντέλα χαµηλής ή υψηλής ακρίβειας. Επίσης υποστηρίζεται η διαδικασία της διαστασιολόγησης. 1) Χαµηλή ακρίβεια Το µοντέλο χαµηλής ακρίβειας χρησιµοποιείται σε µια λειτουργική µονάδας βαλβίδας. Κάνοντας διπλό αριστερό κλικ πάνω στο εικονίδιο της µονάδας στο σχεδιάγραµµα ροής εµφανίζεται το παράθυρο επιλογών της «Valve (VALV)». Μπορούµε να καθορίζουµε µονάχα την πίεση εξόδου ή τη µείωση της πίεσης διαµέσου της βαλβίδας. Τέλος, υπάρχει η δυνατότητα να κλείσουµε εντελώς τη βαλβίδα ώστε να µην διέρχεται ρευστό διαµέσου της. 2) Υψηλή ακρίβεια Αν χρησιµοποιούµε στην προσοµοίωσή µας λειτουργική µονάδα βαλβίδας ελέγχου µπορούµε να δουλέψουµε µε µεγαλύτερη ακρίβεια. Οι επιλογές που υπάρχουν φαίνονται στο παρακάτω παράθυρο που εµφανίζεται κάνοντας διπλό αριστερό κλικ στο εικονίδιο της βαλβίδας ελέγχου του σχεδιαγράµµατος ροής. Σχήµα 7.4: Ιδιότητες της βαλβίδας ελέγχου. 97

108 Μοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας Στην ταµπέλα «Valve specifications» τα υποχρεωτικά στοιχεία που πρέπει να καθορίσουµε είναι αυτά που βρίσκονται µέσα στα πλαίσια «Valve geometry» και «Operating mode». Το «Valve geometry» περιέχει διάφορες επιλογές σχετικά µε τη γεωµετρία της βαλβίδας. Αρχικά επιλέγουµε το τύπο της βαλβίδας µας από το πεδίο «Valve type». Στη συνέχεια, ορίζουµε το συντελεστή ροής της βαλβίδας (Valve flow coefficient, Cv) και το συντελεστή κρισιµότητας ροής (Critical flow factor, Cf). Ο συντελεστής κρισιµότητας χρησιµοποιείται για να καθορίσουµε αν η ταχύτητα ροής διαµέσου της βαλβίδας είναι µεγαλύτερη ή µικρότερη από τη κρίσιµη. Αν η ροή είναι υποκρίσιµη τότε το προφίλ της καθορίζεται από τη θέση της βαλβίδας (εντελώς ανοικτή, εντελώς κλειστή, ενδιάµεση θέση κλπ). Όταν έχουµε κρίσιµη ροή όλοι οι υπολογισµοί προκύπτουν µε βάση τη κρίσιµη παροχή. Η επιλογή «Rangeability» αντιπροσωπεύει το λόγο της µέγιστης προς την ελάχιστη ελεγχόµενη ροή, µε τυπικές τιµές κοντά στο 10. Ο λόγος αυτός είναι πολύ σηµαντικός κυρίως για το τύπο βαλβίδας «Equal percentage» επειδή, στο τύπο αυτό, η σχέση του λόγου µε τη θέση της βαλβίδας είναι µη γραµµική. Στο πλαίσιο «Operating mode» µπορούµε να επιλέξουµε το τύπο λειτουργίας της βαλβίδας. Οι τρεις διαφορετικές επιλογές είναι να θεωρήσουµε:: Σταθερή παροχή και να υπολογίσουµε τη θέση της βαλβίδας («Fix flowrate, adjust valve position») Σταθερή θέση της βαλβίδας και να υπολογίσουµε την παροχή διαµέσου της («Fix valve position, adjust flowrate») Σταθερή παροχή και θέση της βαλβίδας και κάνουµε υπολογισµό της πτώσης πίεσής διαµέσου της βαλβίδας («Fix flow and position, calculate pout»). Αν δεν έχουµε ορίσει κάποιον ελεγκτή για τη βαλβίδα µας τότε θα πρέπει να εισάγουµε τη θέση που βρίσκεται η βαλβίδα (valve position %). Η τιµή αφορά ποσοστό κλεισίµατος και παίρνει τιµές από 0% (πλήρως κλειστή) µέχρι 100% (πλήρως ανοικτή. Προαιρετικά ορίζουµε την ελάχιστη και τη µέγιστη θέση (minimum, maximum position %) που µπορεί να πάρει η βαλβίδα ώστε να αποφευχθούν φαινόµενα βλάβης, αν υπάρχει τέτοια µελέτη. Σε περίπτωση που η βαλβίδα µας ελέγχεται από κάποιον ελεγκτή τότε εισάγουµε την αριθµητική τιµή αναφοράς του στο πεδίο «Controller ID» Από τις προαιρετικές επιλογές υπάρχουν, µεταξύ άλλων, η «Force forward flow only» αν θέλουµε η ροής µας να πηγαίνει µόνο προς την έξοδο της βαλβίδας και όχι να γυρίζει και προς την είσοδο. Στο πεδίο «Static head» µπορούµε να καθορίσουµε την τιµή κάποιας πιθανής αύξησης του ύψους ώστε το πρόγραµµα να το λάβει υπόψη του κατά τους υπολογισµούς της ροής. Βέβαια, κάθε αύξηση του ύψους θα επηρεάσει την πτώση πίεση και την παροχή ρευστού διαµέσου της βαλβίδας. Το πλαίσιο «Calculated results» περιέχει διάφορα αποτελέσµατα των υπολογισµών που έκανε το πρόγραµµα σε προηγούµενες εκτελέσεις τις προσοµοίωσης όπως π.χ. η παροχή ρευστού, η θέση της βαλβίδας κλπ. Τέλος, στην περίπτωση που έχουµε ροή δύο φάσεων υπάρχουν αλλαγές στο τρόπο υπολογισµού της πτώσης πίεσης σε σχέση µε τη ροής της µιας φάσης. Επίσης, αλλαγές υπάρχουν και ανάµεσα σε συµπιεστά και µη συµπιεστά ρευστά ή σε ρευστά που παρουσιάζουν πολύ διαφορετικά κλάσµατα ατµού. 98

109 Μοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας Το πρόγραµµα µας δίνει τη δυνατότητα -µέσω της επιλογής «Phase model»- να χρησιµοποιήσουµε µοντέλο πτώσης πίεσης µιας φάσης, πράγµα που θα απλοποιήσει και θα επιταχύνει αισθητά τους υπολογισµούς µας. Η ταµπέλα «Controller specifications» αφορούν κυρίως τον ελεγκτή της βαλβίδας. Η τιµή «Valve Tv» αφορά τη σταθερά χρόνου της βαλβίδας (Valve Time Constant) και χρησιµοποιείται από το πρόγραµµα στην εξίσωση καθορισµού της θέσης της βαλβίδας. Στο πεδίο «Bias» ορίζουµε το σφάλµα εξόδου του ελεγκτή. Τα στοιχεία που θα εισάγουµε στην εξίσωση της βαλβίδας λαµβάνουν υπόψη τους το σφάλµα αυτό άρα, ουσιαστικά, στο σήµα από τον ελεγκτή προσθέτουµε και το σφάλµα του. Η επιλογή «Valve operation» αφορά δυναµικές προσοµοιώσεις. Μπορούµε να επιλέξουµε την κατάσταση λειτουργίας της βαλβίδας ανάµεσα από τα παρακάτω: Normal: H βαλβίδα δουλεύει κανονικά ακολουθώντας τις ρυθµίσεις που έχουµε εισάγει. Power failure: Προσοµοιώνει την κατάσταση βλάβης του επενεργητή (actuator) της βαλβίδας µε αποτέλεσµα να µην µπορεί να αλλάξει η θέση της βαλβίδας. Manually close/open: Η βαλβίδα είναι εντελώς κλειστή/εντελώς ανοικτή αντίστοιχα, ανεξάρτητα από τις εντολές του ελεγκτή της. Manually set valve position: Η θέση της βαλβίδας καθορίζεται από το χρήστη και δεν αλλάζει ανεξάρτητα από τις εντολές του ελεγκτή της. Τέλος, το πλαίσιο «Optional mass flowrate transfer» χρησιµεύει για να περνά η παροχή της βαλβίδας ελέγχου σε κάποια άλλη λειτουργική µονάδα. Για παράδειγµα, µπορεί να έχουµε µετά τη βαλβίδα ελέγχου έναν διαχωριστή και η βαλβίδα να στέλνει όλη την παροχή ρευστού πίσω στο διαχωριστή για να διατηρείται η ισορροπία µάζας. Εποµένως, στα πεδία «Equip. ID» και «Variable» πληκτρολογούµε την αριθµητική τιµή αναφοράς και την τιµή της παραµέτρου της µεταβλητής αντίστοιχα, της λειτουργικής µονάδας από την οποία περνάει η ροή. 3) ιαστασιολόγηση Για τη διαστασιολόγηση επιλέγουµε Sizing-Control Valve από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στο παράθυρο «Select Streams» επιλέγουµε τη ροή που επιθυµούµε και πατώντας το πλήκτρο «ΟΚ» εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο: Σχήµα 7.6: ιαστασιολόγηση βαλβίδας ελέγχου. Εδώ µπορούµε να ορίσουµε την πίεση του ρεύµατος εξόδου όταν η βαλβίδα είναι πλήρως ανοικτή («Downstream pressure»), το παράγοντα κρισιµότητας 99

110 Μοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας της ροής («Critical flow factor») και το παράγοντα διόρθωσης («Correction factor»), που χρησιµεύει στη ρύθµιση των εξισώσεων διαστασιολόγησης, όταν έχουµε υποκρίσιµη ροή διαµέσου βαλβίδων ελέγχου που βρίσκονται ανάµεσα σε περιοριστές (reducers). Στο πεδίο «Seat» επιλέγουµε αν η βαλβίδα µας είναι απλής ή διπλής θέσης (seat). Τέλος, η επιλογή «Static head» βοηθά να καθορίσουµε την τιµή κάποιας πιθανής αύξησης του ύψους ώστε το πρόγραµµα να το λάβει υπόψη του στους υπολογισµούς της ροής. Κάθε αύξηση του ύψους θα επηρεάσει την πτώση πίεση και ακολούθως την παροχή ρευστού διαµέσου της βαλβίδας Στήλες απόσταξης Οι στήλες απόσταξης που περιέχονται στο πρόγραµµα Chemcad µπορούν να µοντελοποιηθούν χρησιµοποιώντας είτε υψηλή είτε χαµηλή ακρίβεια. Επίσης µπορούµε να πραγµατοποιήσουµε διαστασιολόγηση σε κάθε στήλη που έχει συγκλίνει. 1) Χαµηλή ακρίβεια Σε αυτό το µοντέλο µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε τις λειτουργικές µονάδες «Tower», «Tower plus» και «SCDS». Κάθε µια από αυτές τις µονάδες έχει το δικό της παράθυρο επιλογών, το οποίο τις περισσότερες φορές περιλαµβάνει λεπτοµερέστατα πεδία δεδοµένων, καθιστώντας τη γενική ανάλυση σχεδόν αδύνατη. Παρά το γεγονός αυτό µπορούµε να αναφέρουµε κάποια κοινά στοιχεία. Όλα τα παράθυρα επιλογών εµφανίζονται κάνοντας διπλό αριστερό κλικ στο εικονίδιο της λειτουργικής µονάδας της αρεσκείας µας, στο σχεδιάγραµµα ροής. Σε όλες τις µονάδες θα πρέπει να καθορίσουµε τον αριθµό των βαθµίδων (No. of stages), το τύπο του συµπυκνωτή (condenser) όπως και διάφορα στοιχεία που τον αφορούν (υπόψυκτη θερµοκρασία, πίεση στην κορυφή της στήλης, πτώση πίεσης στο συµπυκνωτή και τη στήλη κλπ). Αυτό µπορεί να γίνει, συνήθως, µε τη βοήθεια της ταµπέλας «General». Λόγω της χαµηλής ακρίβειας του µοντέλου, το πρόγραµµα δεν λαµβάνει υπόψη του στοιχεία µεταφοράς µάζας ή το τι βρίσκεται στο εσωτερικό της στήλης (πληρωτικό υλικό, δίσκοι κλπ). Ο καθορισµός των επιπλέον προδιαγραφών του µενού επιλογών µπορεί να οδηγήσει σε περισσότερο ρεαλιστικά αποτελέσµατα, χωρίς να λαµβάνεται υπόψη η γεωµετρία της στήλης. Παράδειγµα αποτελεί η εισαγωγή του λόγου αναρροής (reflux ratio) ή ο καθορισµός της κατάσταση του αναβραστήρα (reboiler) και του συµπυκνωτή. Τις περισσότερες φορές οι πληροφορίες αυτές εισάγονται στην ταµπέλα «Specifications». Τέλος, θα µας δίνεται η δυνατότητα να καθορίσουµε αναλυτικά στοιχεία για τη σύγκλιση της στήλης («Convergence») όπως και για την εκτίµηση του κόστους του εσωτερικού της στήλης και των περιφερειακών στοιχείων εξοπλισµού («Cost estimation»). 2) Υψηλή ακρίβεια 100

111 Μοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας Για να πραγµατοποιήσουµε µοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας σε σταθερή κατάσταση (steady-state) χρησιµοποιούµε τη λειτουργική µονάδα «SCDS». Με διπλό αριστερό κλικ πάνω στο εικονίδιο της µονάδας στο σχεδιάγραµµα ροής εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο επιλογών. Σχήµα 7.7: Παράθυρο επιλογών της λειτουργικής µονάδας «SCDS». Στην ταµπέλα «General» υπάρχουν τα παρακάτω στοιχεία: a) Condenser type: Επιλέγουµε το τύπο του συµπυκνωτή της στήλης. b) Subcooled delta T: Υπάρχει περίπτωση ο συµπυκνωτής µας να δουλεύει σε θερµοκρασία κάτω από το σηµείο ατµοποίησης του υγρού αποστάγµατος. Στο πεδίο αυτό εισάγουµε την τιµή της θερµοκρασίας αυτής, µε θετικό πρόσηµο. Για παράδειγµα, αν ο συµπυκνωτής µας δουλεύει σε θερµοκρασία 20 F κάτω από το σηµείο ατµοποίησης του υγρού αποστάγµατος τότε επιλέγουµε το τύπο συµπυκνωτή «0» και πληκτρολογούµε το 20 στο πεδίο. c) Top Pressure: Είναι η πίεση στο συµπυκνωτή ή στην κορυφή της στήλης. Αν δεν εισάγουµε δεδοµένα το πρόγραµµα χρησιµοποιεί την πίεση της πρώτης τροφοδοτικής ροής. d) Condenser pressure drop: Στο πεδίο αυτό εισάγουµε µε θετικό πρόσηµο- την πτώση πίεσης του συµπυκνωτή. e) Column pressure drop: Στο πεδίο αυτό εισάγουµε µε θετικό πρόσηµοτην πτώση πίεσης ολόκληρης της στήλης. Αν έχουµε στήλη µε δίσκους, η πίεση κάθε δίσκου θα υπολογιστεί µε γραµµική παρεµβολή ανάµεσα στην πίεση κορυφής και την πίεση πυθµένα, χωρίς να λαµβάνεται υπόψη η πίεση του συµπυκνωτή. 101

112 Μοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας f) Reflux Pump Pressure: Βοηθά στο καθορισµό της πίεσης της αντλίας αναρροής (reflux) και αποστάγµατος (distillate). g) Bottoms Pump Pressure: Ορίζει την πίεση της αντλίας ροής πυθµένα. h) Number of Stages/Segments: Καθορίζουµε τον αριθµό των βαθµίδων της στήλης µας (για στήλη δίσκων) ή τον αριθµό των τµηµάτων (segments) για στήλη πληρωτικού υλικού. Αν χρησιµοποιούµε µοντέλο ισορροπίας υγρού ατµού (Regular VLE), ο αριθµός των βαθµίδων περιλαµβάνει το συµπυκνωτή και τον αναβραστήρα. Η αρίθµηση ξεκινά από την κορυφή, µε το συµπυκνωτή να θεωρείται η πρώτη βαθµίδα και τον αναβραστήρα η τελευταία. Ο ελάχιστος αριθµός βαθµίδων είναι το 2. Στο µοντέλο µεταφοράς µάζας δίσκων (Tray Mass Transfer) ο αριθµός που πληκτρολογούµε αντιπροσωπεύει τον αριθµό των θεωρητικών βαθµίδων της στήλης. Όλα τα άλλα στοιχεία είναι ίδια µε προηγουµένως. Τέλος, σε µοντέλα µεταφοράς µάζας πληρωτικού υλικού (Packed Column Mass Transfer) ο αριθµός που εισάγουµε είναι τα τµήµατα του πληρωτικού υλικού που χρησιµοποιούνται στα υπολογιστικά µοντέλα υπολογισµού. Το πρόγραµµα πραγµατοποιεί υπολογισµούς ισορροπίας και µεταφοράς µάζας σε κάθε τµήµα πληρωτκού υλικού. i) Feed stage locations: Στο πεδίο αυτό καθορίζουµε τα σηµεία εισόδου των τροφοδοτικών ροών. Οι ροές αυτές πρέπει να εισάγονται στη στήλη από την κορυφή προς το πυθµένα και φυσικά, αν έχουµε στήλη δίσκων, κάθε τροφοδοτική ροή αντιστοιχεί σε ένα τροφοδοτικό δίσκο. Για παράδειγµα, έστω ότι έχουµε τη στήλη SCDS και τροφοδοτικές βαθµίδες τις Η στήλη αυτή έχει 3 τροφοδοτικές ροές. Η ροή 9 εισέρχεται στη βαθµίδα 3, η ροή 5 εισέρχεται στη βαθµίδα 10 και η ροή 3 εισέρχεται στη βαθµίδα 24. Αν η στήλη έχει πλαϊνά στοιχεία θέρµανσης ή ψύξης (side heaters/coolers) τότε τα θεωρούµε ως ροές ενθαλπίας (δηλαδή ροές που έχουν ενθαλπία αλλά δεν έχουν παροχή κάποιου συστατικού) και εισέρχονται στη στήλη όπως οι τροφοδοτικές ροές. Υπάρχει η δυνατότητα τροφοδοτικές ροές να εισέρχονται απευθείας στο συµπυκνωτή ή τον αναβραστήρα της βαθµίδας. Τέλος, χρησιµοποιώντας τη λειτουργικά µονάδα «Mixer» πριν από τη στήλη µπορούµε να αναµείξουµε πολλές τροφοδοτικές ροές σε µια και να την εισάγουµε εν συνεχεία σε κάποια τροφοδοτική βαθµίδα. j) Simulation Model: Σε αντίθεση µε το µοντέλο χαµηλής ακρίβειας εδώ λαµβάνεται υπόψη η µεταφορά µάζας εποµένως πρέπει να επιλέξουµε κάποιο από τα µοντέλα προσοµοίωσης της επιλογής «Simulation model». m) Reactive distillation: Σε περίπτωση που η απόσταξή µας είναι απόσταξη αντίδρασης τότε θα πρέπει να τσεκάρουµε αυτή την επιλογή. o) Use local three-phase model: Το γενικό µοντέλο που χρησιµοποιείται από το πρόγραµµα είναι απόσταξη δυο φάσεων (υγρό-ατµός). Βέβαια, µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε µοντέλα τριών φάσεων (υγρό-υγρό-ατµός) αν τσεκάρουµε την παραπάνω επιλογή. Το πρόγραµµα θα χρησιµοποιήσει αυτό το µοντέλο σε όλες τις βαθµίδες της στήλης απόσταξης και, αν υπάρχουν τρεις φάσεις σε κάποια βαθµίδα, θα 102

113 Μοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας εντοπιστούν και θα υπολογιστούν κατάλληλα. Αν κάπου δεν υπάρχουν τρεις φάσεις θα χαθεί πολύτιµος υπολογιστικός χρόνος για τον έλεγχο αλλά τουλάχιστον θα είµαστε στην ασφαλή πλευρά της µελέτης µας αφού σίγουρα δεν θα έχουµε αµελήσει κάποια βαθµίδα. Μπορούµε να καθορίσουµε αναλυτικά την αρχική και την τελική βαθµίδα εντός των οποίων θα εφαρµοστεί η µέθοδος των τριών φάσεων στα πεδία «Three phase stage from», «Three phase stage to». p) Ambient heat transfer: Μπορούµε να χρησιµοποιήσουµε αυτό το πλαίσιο για να εισάγουµε στοιχεία σχετικά µε την ατµοσφαιρική µεταφορά θερµότητας (ambient heat transfer) από και προς το περιβάλλον. Στο πεδίο «Heat transfer area/stage» ορίζουµε την περιοχή της βαθµίδας που είναι διαθέσιµη για µεταφορά θερµότητας. Τέλος, στα πεδία «Heat transfer coefficient (U)» και «Ambient temperature» καθορίζουµε τον ολικό συντελεστή µεταφοράς θερµότητας και την ατµοσφαιρική θερµοκρασίας, αντίστοιχα, που θα χρησιµοποιηθούν στους υπολογισµούς. Στην ταµπέλα «Specifications» µπορούµε να κάνουµε επιλογές σχετικά µε τον τρόπο λειτουργίας του συµπυκνωτή («Condenser mode») και του αναβραστήρα («Select reboiler mode») της στήλης µας. Τέλος, στο πλαίσιο «Optional Tray Specifications» µπορούµε να εισάγουµε στοιχεία για ένα συγκεκριµένο δίσκο της στήλης ώστε να ικανοποιείται µια συνθήκη της αρεσκείας µας. Η ταµπέλα «Convergence» περιέχει στοιχεία παραµέτρων σύγκλισης και εκτίµησης για τη στήλη απόσταξης SCDS. Ειδικότερα, στο πλαίσιο «Estimates» υπάρχουν τα αποτελέσµατα εκτιµήσεων για διάφορα γενικά στοιχεία της στήλης (ρυθµοί απόσταξης και αναρροής, θερµοκρασίες σε διάφορες θέσεις της στήλης), τα προϊόντα της απόσταξης («Side product estimations») και τα υπολογισθέντα αποτελέσµατα για τη στήλη («Calculated results»). Στο πλαίσιο «Convergence» µπορούµε να καθορίσουµε, µεταξύ άλλων, πόσες επαναλήψεις θα πραγµατοποιήσει το πρόγραµµα κατά την εκτίµηση του κόστους («Iretations»), το σφάλµα των υπολογισµών («Tolerance») και έναν εναλλακτικό βαθµό απόδοσης -από 0 έως 1- που θα χρησιµοποιηθεί αν η στήλη δεν συγκλίνει µε τα δεδοµένα στοιχεία («Damping factor»). Το πλαίσιο «Stage efficiency» αφορά το βαθµό απόδοσης των βαθµίδων της στήλης. Επιλέγουµε το προφίλ απόδοσης που θέλουµε από το πεδίο «Tray efficiency profile» ή καθορίζουµε χειροκίνητα την τιµή του συντελεστή απόδοσης Murphree (ανάµεσα στο 0 και το 1) για την αρχική και την τελικά βαθµίδα. Τέλος, το πλαίσιο «Miscellaneous» βοηθά στο καθορισµό του προφίλ της πίεσης («Pressure profile») που θέλουµε να χρησιµοποιήσουµε στη στήλη µας. Η επιλογή «Thermosyphon vapor fraction» αφορά µόνο την περίπτωση που έχουµε θερµοσιφωνικό αναβραστήρα στη στήλη µας. Τότε µπορούµε να καθορίσουµε το κλάσµα ατµού εξόδου από τον αναβραστήρα και το πρόγραµµα θα υπολογίσει την παροχή και την καµπύλη θερµότητας του 103

114 Μοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας αναβραστήρα. Οι υπολογισµοί αυτοί επηρεάζουν µόνο το τρόπο αναφοράς των πληροφοριών του αναβραστήρα και όχι τη διαδικασία της απόσταξης. Τέλος, οι ταµπέλες «Cost estimation 1, 2» βοηθούν να πραγµατοποιήσουµε εκτίµηση του κόστους του εσωτερικού της στήλης µας και των περιφερειακών στοιχείων εξοπλισµού. Καθορίζουµε τα γεωµετρικά στοιχεία των µενού επιλογών και όταν ολοκληρώσουµε τις αλλαγές πατάµε το πλήκτρο «ΟΚ». 3) ιαστασιολόγηση Μετά την εκτέλεση της προσοµοίωσης, επιλέγουµε το εικονίδιο της στήλης που θέλουµε να διαστατοποιήσουµε από το σχεδιάγραµµα ροής και επιλέγουµε διαδοχικά Sizing-Distillation. Στο µενού που εµφανίζεται µπορούµε να επιλέξουµε στήλη µε δίσκους («Trays») ή πληρωτικό υλικό («Packing»). Στα επόµενα παράθυρα επιλογών που εµφανίζονται, ανάλογα µε την κάθε επιλογή που θα πραγµατοποιήσουµε, εισάγουµε γεωµετρικές και υδραυλικές παραµέτρους για τη µέθοδο που επιλέγαµε και καθορίζουµε το τρόπο υπολογισµού. Για παράδειγµα, έστω ότι έχουµε στήλη απόσταξης µε πληρωτικό υλικό. Το πρώτο παράθυρο που εµφανίζεται ονοµάζεται «Packing» και φαίνεται παρακάτω. Στο πεδίο «Number of sections» πληκτρολογούµε τον αριθµό των διαφορετικών τµηµάτων πληρωτικού υλικού που υπάρχουν στο εσωτερικό της στήλης. Κάθε τµήµα µπορεί να έχει διαφορετική διάµετρο και χαρακτηριστικά. Σχήµα 7.8: Επιλογές για στήλη µε πληρωτικό υλικό. Στο πλαίσιο «Correlation» επιλέγουµε το µοντέλο συσχέτισης που θα χρησιµοποιηθεί. Ανάλογα µε την επιλογή διαφοροποιείται το επόµενο παράθυρο επιλογών που θα εµφανιστεί πιέζοντας το πλήκτρο «ΟΚ». Για χάριν παραδείγµατος εµείς επιλέξαµε το «Sherwood-Eckert for random packing», µε το ακόλουθο παράθυρο επιλογών. 104

115 Μοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας Σχήµα 7.9: Παράµετροι του πληρωτικού υλικού. Όπως προαναφέραµε, το Chemcad επιτρέπει το σχεδιασµό της στήλης µε ξεχωριστά τµήµατα πληρωτικού υλικού, κάθε ένα από τα οποία δύναται να έχει διαφορετικά χαρακτηριστικά. Τα τµήµατα αυτά αναγνωρίζονται πληκτρολογώντας το αρχικό και το τελικό τους στάδιο στα πεδία «Starting stage/ending stage», αντίστοιχα. Με τον όρο «στάδιο» εννοούµε τα διαφορετικά βήµατα µιας διαδικασίας διαχωρισµού και όχι κάποια συσκευή εξοπλισµού. Η επιλογή «Mode» µας προσφέρει δύο διαφορετικές επιλογές για τη διαδικασία της διαστασιολόγησης. Για καθορισµό της πτώσης πίεσης διαµέσου του τµήµατος πληρωτικού υλικού ενεργοποιείται το παρακάτω πλαίσιο και εισάγουµε στοιχεία πτώσης πίεσης είτε απευθείας, είτε καθορίζοντας το ύψος του νερού ανά πληρωτικό υλικό οπότε το πρόγραµµα θα πολλαπλασιάσει την τιµή αυτή µε το συνολικό ύψος του τµήµατος και θα βρει τη συνολική πτώση πίεσης. Αν επιλέξουµε το καθορισµό της διαµέτρου της στήλης πληκτρολογούµε την τιµή της στο πεδίο «Tower diameter». Στο πλαίσιο «Enter either total section height or HETP» πρέπει να δώσουµε στοιχεία για το συνολικό ύψος του τµήµατος πληρωτικού υλικού. Μπορούµε να πληκτρολογήσουµε απευθείας την τιµή αυτή (αν τη γνωρίζουµε) ή το ύψος του ισοδύναµου θεωρητικού δίσκου (Height of an equivalent theoretical plate, HETP). To πρόγραµµα θα πολλαπλασιάσει αυτή την τιµή µε τον αριθµό όλων των σταδίων και θα υπολογίσει τελικά το ολικό ύψος του τµήµατος πληρωτικού υλικού. Στο πεδίο «Packing factor» εισάγουµε το συντελεστή του πληρωτικού υλικού. Ο συντελεστής αυτός είναι µια παράµετρος που περιγράφει τα υδραυλικά χαρακτηριστικά του δεδοµένου υλικού πλήρωσης. Αποτελεί το µόνο αριθµό που χρησιµοποιεί το πρόγραµµα για να περιγράψει τη συµπεριφορά ή το µέγεθος του υλικού. Όσο µεγαλώνει το µέγεθος του πληρωτικού υλικού τόσο µικραίνει ο παράγοντας του ενώ, υψηλότεροι παράγοντες οδηγούν σε µεγαλύτερη πτώση πίεσης. Λίστες µε όλους τους διαθέσιµους παράγοντες 105

116 Μοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας πληρωτικού υλικού υπάρχουν στο ενσωµατωµένο σύστηµα βοηθείας του προγράµµατος, αναζητώντας τη λέξη «packing factor». Με τη βοήθεια της επιλογής «Report Load units in» µπορούµε να διαλέξουµε τη µονάδα που θα χρησιµοποιεί το πρόγραµµα στις αναφορές για το φορτίο του πληρωτικού υλικού. Η διαθέσιµες επιλογές είναι µονάδες µάζας ή όγκου. Τέλος, στο πλαίσιο «Optional thickness specs» µπορούµε να ορίσουµε διάφορα στοιχεία σχετικά µε το πάχος της στήλης όπως την πίεση σχεδίασης (Design pressure) που αποτελεί τη βάση για τους υπολογισµούς του πάχους, την απόδοση των συνδέσεων (Joint efficiency), την επιτρεπόµενη πίεση (Allowable stress) που εξαρτάται από το υλικό της κατασκευής και τη θερµοκρασίας λειτουργίας και το όριο διάβρωσης (Corrosion allowance) Εναλλάκτες θερµότητας Στους εναλλάκτες θερµότητας µπορεί να χρησιµοποιηθεί µοντέλο υψηλής ή χαµηλής ακρίβειας. Επίσης, ανάλογα µε το τύπο του εναλλάκτη, υπάρχει η δυνατότητα διαστασιολόγησης. 1) Χαµηλή ακρίβεια Σε αυτή την περίπτωση το µόνο που πρέπει να κάνουµε είναι να καθορίσουµε τη θερµική κατάσταση στην έξοδο του εναλλάκτη. Για περισσότερο ρεαλιστικούς υπολογισµούς µπορούµε, αντί για τη θερµοκρασία εξόδου, να εισάγουµε το θερµικό φορτίο αλλά και πάλι αυτή η µέθοδος δεν χρησιµοποιεί καθόλου γεωµετρικά στοιχεία του εναλλάκτη. 2) Υψηλή ακρίβεια Για µερικές κατηγορίες εναλλακτών, ειδικά τους τύπους µε κέλυφος και σωλήνα (shell and tube) ή διπλού σωλήνα (double-pipe), µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε το αυστηρό µοντέλο του CC-Therm για να υπολογίσουµε την απόδοση του εναλλάκτη. Οι υπολογισµοί βασίζονται στην τιµή του συντελεστή θερµικής µεταφοράς (U) και τη γεωµετρία του εναλλάκτη. Τέλος, µπορούµε να υπολογίσουµε προσεγγιστικά στοιχεία για τις ακαθαρσίες που κατακάθονται στον εναλλάκτη µας (fouling) και µειώνουν την απόδοσή του, αν γνωρίζουµε την ακριβή θερµοκρασία εξόδου. 3) ιαστασιολόγηση Μπορούµε να χρησιµοποιήσουµε τη συνιστώσα CC-Therm του προγράµµατος για αυστηρό υπολογισµό του συντελεστή θερµικής µεταφοράς (U) βασιζόµενοι στη γεωµετρία του εναλλάκτη θερµότητας. Σε λειτουργία αξιολόγησης (rating mode), το CC-Therm ελέγχει αν ο εναλλάκτης που επιλέξαµε µπορεί να επιτύχει τις συνθήκες που καθορίστηκαν µέσω των στοιχείων που εισάγαµε. Σε λειτουργία σχεδίασης (design mode), υπολογίζουµε από την αρχή έναν εναλλάκτη που µπορεί να επιτύχει την απόδοση που θέλουµε στην προσοµοίωσή µας. Σηµείωση: Στην παρούσα εργασία έχουµε αφιερώσει ένα ξεχωριστό κεφάλαιο της θεωρίας για τη διαστασιολόγηση εναλλάκτη τύπου σωλήνων και κελύφους (shell and tube heat exchanger), χρησιµοποιώντας τη συνιστώσα 106

117 Μοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας CC-Therm του προγράµµατος. Εποµένως, µεγαλύτερη ακρίβεια και βήµα προς βήµα ανάλυση µπορεί να βρεθεί σε αυτό το κεφάλαιο Συσκευές ανακούφισης (Relief devices) Στις συσκευές αυτές η διαστασιολόγηση δεν διαφέρει αισθητά από τη µοντελοποίηση χαµηλής ακρίβειας. Η υψηλή ακρίβεια χρησιµοποιείται για τη µοντελοποίηση της δυναµικής συµπεριφοράς ενός δοχείου ανακούφισης. 1) Χαµηλή ακρίβεια Για να µοντελοποιήσουµε της συσκευή ανακούφισης σε σταθερή κατάσταση επιλέγουµε Sizing-Relief Device από το βασικό µενού του προγράµµατος. Εµφανίζεται το παράθυρο επιλογών «DIERS for Relief Device Sizing» που φαίνεται παρακάτω. Στην ταµπέλα «Vessel» περιέχονται στοιχεία για το δοχείο ανακούφισης. Στο πλαίσιο «Vessel composition» πληκτρολογούµε την αριθµητική τιµή αναφοράς της ροής εισόδου. Η επιλογή «Mode» µας επιτρέπει να επιλέξουµε αν θέλουµε να αξιολογήσουµε ή να σχεδιάσουµε δοχεία πίεσης (pressure vessels) ή δεξαµενές αποθήκευσης (storage tanks). Η επιλογή σε αυτή την περίπτωση καθορίζει τα µοντέλα που θα χρησιµοποιηθούν σε όλους τους επόµενους υπολογισµούς. Εξαίρεση αποτελεί η περίπτωση σχεδίασης δοχείων πίεσης όπου για τη διαστασιολόγηση της βαλβίδας του δοχείου το πρόγραµµα θα χρησιµοποιήσει µοντέλα οµογενούς δοχείου (homogenous vessel model).και οµογενούς ισορροπίας (HEM, homogenous equilibrium). Σχήµα 7.10: Παράθυρο επιλογών «DIERS for relief device sizing». 107

118 Μοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας Στo πλαίσιο «Vessel geometry» µπορούµε να εισάγουµε στοιχεία γεωµετρίας του δοχείου όπως το τύπο του δοχείου (οριζόντιο, κάθετο), τη διάµετρό του, το µήκος του κυλίνδρου του, το γενικό τύπο της κεφαλής του, το λόγο του πάχους της κεφαλής προς την ακτίνα του δοχείου (head depth ratio), το τύπο της κεφαλής κορυφής του δοχείου (αν αυτός διαφέρει από το γενικό τύπο που χρησιµοποιείται και στις δυο πλευρές του δοχείου), το λόγο του πάχους της κεφαλής κορυφής προς την ακτίνα του δοχείου και την απόσταση του δοχείου από κάποιο επίπεδο αναφοράς του εδάφους (elevation). Στα πεδία «Device type», «Relief valve type» και «Valve selection» επιλέγουµε αντίστοιχα το τύπο της συσκευής ανακούφισης, το τύπο της βαλβίδας ανακούφισης (αν η συσκευή της προηγούµενης επιλογής είναι ή περιέχει βαλβίδα) και τι µέγεθος ακροφυσίου/στοµίου (nozzle) θα χρησιµοποιηθεί για τη βαλβίδα. Μπορούµε να αφήσουµε το πρόγραµµα να επιλέξει κάποιο µέγεθος µε βάση τα στοιχεία του εµπορίου («Select actual size from API table») ή να χρησιµοποιήσουµε το µέγεθος που υπολογίσαµε («Calculated values»). Η επιλογή «Discharge coeff» µας επιτρέπει να ορίσουµε το παράγοντα τραχύτητας (roughness factor) της συσκευής ανακούφισης. To πλαίσιο «Initial condition» περιέχει στοιχεία για την αρχική κατάσταση του συστήµατος όπως το επίπεδο υγρού («Liquid level») και το κλάσµα όγκου ατµού («Vapor vol frac»). Tέλος, στο πλαίσιο «Pressure data» καθορίζουµε δεδοµένα πίεσης όπως την πίεση ενεργοποίησης του συστήµατος ανακούφισης («Set pressure»), την πίεση στο πίσω µέρος της βαλβίδας («Back pressure») και το ποσοστό υπερπίεσης που χρησιµοποιείται στον υπολογισµό της µέγιστης πίεσης. Στην ταµπέλα «Model Selection» µπορούµε να επιλέξουµε τα µοντέλα υπολογισµού για τους διάφορους υπολογισµούς της συσκευής ανακούφισης. Για παράδειγµα, µπορούµε να καθορίσουµε τη µέθοδο των µοντέλων σχεδιασµού («Design method»), επιλογές για τη λανθάνουσα θερµότητα («Latent heat option»), τα χαρακτηριστικά του ρευστού του δοχείου κατά τη διαδικασία ανακούφισης («Vessel model»), µια παράµετρο συσχέτισης δεδοµένων ανάλογη µε τα χαρακτηριστικά του ρευστού που επιλέξαµε («Co»), το µοντέλο ροής εξόδου («Vent flow model») και τη µέθοδο υπολογισµού της ροής εξόδου («Vent flash mode»). Μπορούµε, επίσης, να επιλέξουµε να αγνοήσουµε την περίπτωση όπου υπάρχει µόνο ατµός στο ρευστό µας («Ignore all vapor case»), να ορίσουµε αν υπάρχουν ικανές εγκαταστάσεις θέρµανσης στο πρόβληµά µας («Adequate fire facilities») και αν το σύστηµα ανακούφισης θα πρέπει να πιστοποιηθεί («Capacity certification»). Ο παράγοντας F χρησιµοποιείται για να ρυθµίσει το φορτίο θέρµανσης ανάλογα µε το περιβάλλον που βρίσκεται το δοχείο ανακούφισης. Όσο αυξάνεται η µόνωση του δοχείου τόσο µικραίνει η τιµή του F. Υπάρχει η δυνατότητα να ορίσουµε και το παράγοντα διόρθωσης της πίεσης του πίσω µέρους της βαλβίδας -για συστήµατα ατµού- («Kb»), το παράγοντα διόρθωσης χωρητικότητας υποπίεσης -για υγρά συστήµατα- («Kp»), το 108

119 Μοντελοποίηση υψηλής ακρίβειας παράγοντα διόρθωσης χωρητικότητας της πίεσης του πίσω µέρους -για υγρά συστήµατα- («Kw») και τον παράγοντα διόρθωσης συνεκτικότητας -για υγρά συστήµατα- («Kv»). Τέλος, υπάρχει η δυνατότητα επιλογής του µοντέλου θέρµανσης («Heat model») και ο καθορισµός του πρόσθετου ρυθµού θερµότητας -αν αυτός υπάρχει- («Additional heat rate»). Στην ταµπέλα «Inlet/Outlet Piping» εισάγουµε στοιχεία σχετικά µε τις σωληνώσεις τις συσκευής ανακούφισης. Στο πλαίσιο «Inlet Pipe» µπορούµε να πληκτρολογήσουµε τη διάµετρο, το ισοδύναµο µήκος (equivalent length), το παράγοντα τριβής (friction factor) και τραχύτητας (roughness) του σωλήνα εισόδου. Στο πλαίσιο «Outlet Pipe» καθορίζουµε ακριβώς τα ίδια στοιχεία µε προηγουµένως για το σωλήνα εξόδου της συσκευής. Επιπλέον, στο πεδίο «% Max P drop outlet» ορίζουµε το µέγιστο ποσοστό της ολικής πτώσης πίεσης που οφείλεται στο σωλήνα εξόδου. Μια τυπική τιµή είναι το 10%. Τέλος, το πλαίσιο «Data transfer to simulation» βοηθά στην αντιγραφή των τιµών του σωλήνα εισόδου/εξόδου και όλης της συσκευής σε άλλες µονάδες του σχεδιαγράµµατος ροής. Στα πεδία «Transfer inlet/outlet to stream ID» πληκτρολογούµε την αριθµητική τιµή αναφοράς της ροής που θέλουµε να λάβει τα στοιχεία της ροής εισόδου/εξόδου της συσκευής, αντίστοιχα, και στο πεδίο «Transfer to Dynamic Vessel» τον αριθµό του δυναµικού δοχείου που θα αντιγραφούν τα στοιχεία της συσκευής ανακούφισης. Η ταµπέλα «Reporting» βοηθά να εισάγουµε στοιχεία που θα χρησιµοποιηθούν στην αναφορά της διαστασιολόγησης όπως το όνοµα της εργασίας, τη σελίδα, η ηµεροµηνία, διάφορες παρατηρήσεις κλπ. Τέλος, στην ταµπέλα «Fluid Properties» µπορούµε να εισάγουµε χειροκίνητα διάφορες ιδιότητες του ρευστού όπως τη συνεκτικότητα (viscosity), τη συµπιεστότητα (compressibility) και τη λανθάνουσα θερµότητα (latent heat). Αν τσεκάρουµε την επιλογή «Use my properties below instead of Chemcad s calculated values» το πρόγραµµα θα χρησιµοποιήσει αυτές τις τιµές και όχι τις υπολογισθείσες από την επαναληπτική διαδικασία. 109

120 υναµικές προσοµοιώσεις 8. υναµικές προσοµοιώσεις Στις προηγούµενες παραγράφους έχουµε αναλύσει διεξοδικά όλες τις δυνατότητες που µας προσφέρει το πρόγραµµα Chemcad για την ανάλυση προβληµάτων µε τη βοήθεια της προσοµοίωσης σταθερής κατάστασης. Όµως, σε αρκετά προβλήµατα, είναι σηµαντικό να µελετάµε και τις αλλαγές που συµβαίνουν στη διάρκεια του χρόνου και επηρεάζουν τις ροές και τις λειτουργικές µονάδες του συστήµατός µας. Η δυνατότητα αυτή µας προσφέρεται µέσω της εφαρµογής CC-Dynamics, µε τη βοήθειά της οποίας ορίζουµε ένα χρονικό διάστηµα στο οποίο θα εκτελεστεί η προσοµοίωσή µας. Κατά τη διάρκεια του διαστήµατος αυτού παρατηρούµε την απόκριση του συστήµατος σε αλλαγές διάφορων συνιστωσών όπως τη θερµοκρασία, τη σύσταση των ροών, τα επίπεδο του υγρού κλπ. Μετά το τέλος της εκτέλεσης, το πρόγραµµα θα παρουσιάσει λεπτοµερή αποτελέσµατα που θα λαµβάνουν υπόψη τους τις αλλαγές αυτές. Εποµένως, χρησιµοποιώντας τη δυναµική προσοµοίωση αντιλαµβανόµαστε πως ενεργεί το σύστηµά µας και µπορούµε να προβλέψουµε την αντίδραση του σε βάθος χρόνου. 8.1 Ξεκινώντας µια δυναµική προσοµοίωση Αρχικά, για να δουλέψουµε µε δυναµικές προσοµοιώσεις θα πρέπει να κατέχουµε µια ενεργή άδεια για την εφαρµογή του CC-Dynamics του προγράµµατος Chemcad. Μπορούµε να δούµε τι είδους ενεργές άδειες έχουµε κάθε στιγµή επιλέγοντας Tools-Options-License Settings (αν εργαζόµαστε σε κάποια προσοµοίωση) ή License-License Settings (αν δεν έχουµε ξεκινήσει ακόµα να δουλεύουµε σε κάποια εργασία) από το βασικό µενού του προγράµµατος. Περισσότερα στοιχεία σχετικά µε την αδειοδότηση του προγράµµατος υπάρχουν στο κεφάλαιο «Εισαγωγικά στοιχεία για το πρόγραµµα Chemcad». Πριν ξεκινήσουµε µε τη δηµιουργία της δυναµικής προσοµοίωσης είναι σηµαντικό να συγκεντρώσουµε όλα τα απαραίτητα στοιχεία για τις λειτουργικές µονάδες και τις ροές, ακριβώς όπως συµβαίνει µε τις σταθερές προσοµοιώσεις. Εκτός αυτού, υπάρχουν µερικά επιπλέον ερωτήµατα που πρέπει να απαντηθούν όπως α) ποιο θα είναι το χρονικό διάστηµα εκτέλεσης της προσοµοίωσης, β) τι χρονικό βήµα θα υπάρχει ανάµεσα στους διαδοχικούς υπολογισµούς, γ) ποια είναι η αλλαγή που θα µελετάµε σε βάθος χρόνου και δ) ποια είναι η αρχική σύσταση και το φορτίο όλων των δυναµικών δοχείων (dynamic vessels) και αντιδραστήρων ασυνεχούς λειτουργίας (batch reactors) του συστήµατος. Τα βασικά βήµατα που ακολουθούµε για τη δηµιουργία µιας δυναµικής προσοµοίωσης είναι τα παρακάτω: 1. Έναρξη µιας καινούργιας προσοµοίωσης. 2. Επιλογή των µονάδων µέτρησης. 3. ηµιουργία του σχεδιαγράµµατος ροής. 4. Επιλογή των χηµικών συνιστωσών που θα λάβουν µέρος στην προσοµοίωση. 5. Καθορισµός των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών της προσοµοίωσης. 110

121 υναµικές προσοµοιώσεις 6. Προσδιορισµός των χαρακτηριστικών των ροών της διεργασίας. 7. Εισαγωγή των χαρακτηριστικών των λειτουργικών µονάδων. 8. Εκτέλεση της προσοµοίωσης σε σταθερή κατάσταση ώστε να λάβουµε τα αποτελέσµατα που θα χρησιµοποιηθούν ως τιµές εκκίνησης (timezero values). 9. Μετατροπή της προσοµοίωσης σε δυναµική. 10. Προσδιορισµός των δυναµικών επιλογών όπως το χρονικό διάστηµα εκτέλεσης και το αρχικό φορτίο των δυναµικών µονάδων. 11. Εκτέλεση της προσοµοίωσης σε δυναµική κατάσταση. 12. Επισκόπηση των αποτελεσµάτων. 13. Επανεκτέλεση της προσοµοίωσης ή παράταση του χρόνου εκτέλεσής της για όσο διάστηµα χρειάζεται. 14. ηµιουργία αναφορών και διαγραµµάτων των αποτελεσµάτων. Το βασικό στοιχείο που πρέπει να προσέξουµε όταν ξεκινήσουµε µε µια δυναµική προσοµοίωση είναι να έχουµε µια ξεκάθαρη εικόνα του τι ψάχνουµε και ποιες ερωτήσεις περιµένουµε να απαντήσουµε µε την προσοµοίωση αυτή. Επίσης, µια γνώριµη µεθοδολογία είναι να χωρίζουµε το πρόβληµα που µελετάµε σε επιµέρους προβλήµατα, η επίλυση των οποίων θα µας οδηγήσει τελικά στη λύση του αρχικού. Για παράδειγµα, έστω ότι προσπαθούµε να βρούµε την επίδραση της θερµότητας στη θερµοκρασία ενός δοχείου σε βάθος χρόνου. Σε πρώτη προσέγγιση, µπορούµε να καθορίσουµε σταθερή θερµότητα στο δοχείο για όλη τη διάρκεια της προσοµοίωσης. Στη συνέχεια, µεταβάλλουµε τη θερµότητα του δοχείου και παρατηρούµε πως διαφέρουν τα αποτελέσµατα αυτής της προσοµοίωσης από την προηγούµενη. Σε επόµενο βήµα, µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε ένα σύστηµα ελέγχου της θερµότητας ώστε η θερµοκρασία του δοχείου να διατηρείται σταθερή. Κάθε µια από αυτές τις προσοµοιώσεις µας φέρνει ένα βήµα πιο κοντά στο αρχικό πρόβληµα. 8.2 Επιλογές δυναµικής προσοµοίωσης Παρακάτω αναλύουµε όλες τα στοιχεία που πρέπει να καθορίσουµε σε µια δυναµική προσοµοίωση Ενεργοποίηση της δυναµικής κατάστασης (dynamic state, dynamics) Για να µετατρέψουµε µια σταθερή προσοµοίωση σε δυναµική πρέπει αρχικά να επιλέξουµε Run-Convergence από το βασικό µενού του προγράµµατος. Η ενέργεια αυτή έχει ως αποτέλεσµα την εµφάνιση του παραθύρου «Convergence Parameters». Εντοπίζουµε το πεδίο «Steady State/Dynamics» και από τη λίστα δεξιά του επιλέγουµε «Dynamics». Πατώντας το πλήκτρο «ΟΚ» ολοκληρώνουµε τη διαδικασία αλλαγής. Η κατάσταση της προσοµοίωσής µας άλλαξε σε δυναµική και µαζί της άλλαξαν και διάφορα άλλα σηµεία στην αρχική οθόνη του προγράµµατος. Στη µπάρα κατάστασης (status bar), στο κάτω µέρος της οθόνης, στη θέση της λέξης «Steady state» παρατηρούµε τώρα τη λέξη «DTime» µαζί µε έναν µετρητή χρόνου. Ο µετρητής αυτός µας δείχνει πόσα λεπτά έχει τρέξει η δυναµική προσοµοίωση και εποµένως, πριν ξεκινήσει η εκτέλεση της προσοµοίωσης έχει µηδενική ένδειξη (0.00 min). 111

122 υναµικές προσοµοιώσεις Στη µπάρα εργαλείων (toolbar) έχουµε τώρα ενεργοποιηθεί τα παρακάτω εικονίδια που αφορούν τη δυναµική προσοµοίωση. Από αριστερά προς τα δεξιά έχουµε: Set Run Time: Βοηθά να ορίσουµε τη χρονική διάρκεια και τα χρονικά βήµατα ολοκλήρωσης µιας δυναµικής προσοµοίωσης, Reset To Initial State: Επαναφέρουµε τις συνθήκες που επικρατούσαν στο σχεδιάγραµµα ροής πριν την έναρξη της δυναµικής προσοµοίωσης, Run dynamic simulation: Ξεκινάµε µια δυναµική προσοµοίωση από την αρχική κατάσταση το χρονικό σηµείο µηδέν- Plot Dyn Streams: Επιτρέπει να παραστήσουµε γραφικά τα αποτελέσµατα µιας δυναµικής προσοµοίωσης για µια συγκεκριµένη ροή της επιλογής µας Plot Dyn UnitOps: Με τη βοήθειά του παραστάνουµε γραφικά τα αποτελέσµατα µιας δυναµικής προσοµοίωσης για µια συγκεκριµένη λειτουργική µονάδα της επιλογής µας Αντίστοιχα, απενεργοποιήθηκε το εικονίδιο «Run All» που αφορούσε την εκτέλεση όλου του σχεδιαγράµµατος ροής της προσοµοίωσης σταθερής κατάστασης ( ). Επιπλέον, επιλέγοντας διαδοχικά Run-Dynamics από το βασικό µενού του προγράµµατος εµφανίζεται το παράθυρο «Dynamics Menu» που φαίνεται παρακάτω. Αποτελεί το βασικό µενού επιλογών για µια δυναµική προσοµοίωση και περιέχει σηµαντικές εντολές, µερικές από τις οποίες αναλύουµε στις επόµενες παραγράφους. Σχήµα 8.1: Βασικό µενού επιλογών της δυναµικής προσοµοίωσης Ορισµός του χρονικού διαστήµατος εκτέλεσης της προσοµοίωσης Το πρώτο πράγµα που πρέπει να αποφασίσουµε είναι αν η εκτέλεση της προσοµοίωσης θα γίνει σε ένα ή περισσότερα χρονικά βήµατα. Με τον όρο «βήµατα» εννοούµε το χρονικό πεδίο εντός του οποίου το πρόγραµµα θα αποθηκεύει δεδοµένα από την προσοµοίωση, ανά οµοιόµορφα χρονικά διαστήµατα. 112

123 υναµικές προσοµοιώσεις Για παράδειγµα, µπορεί να έχουµε µια προσοµοίωση που θα τρέξει για 60 λεπτά και να αποθηκεύει δεδοµένα κάθε λεπτό. Η προσοµοίωση αυτή µπορεί να πραγµατοποιηθεί σε ένα βήµα (60 λεπτών), µετά το τέλος του οποίου θα έχουµε 60 σηµεία δεδοµένων. Από την άλλη, αν θέλουµε να τρέξουµε την προσοµοίωση για 60 λεπτά αποθηκεύοντας δεδοµένα κάθε 1 λεπτό και µετά για ακόµα 20 λεπτά αποθηκεύοντας δεδοµένα κάθε 20 δευτερόλεπτα τότε θα πρέπει να χρησιµοποιήσουµε 2 βήµατα (60 και 20 λεπτών, αντίστοιχα). Μετά το τέλος της παραπάνω εκτέλεσης θα έχουµε συνολικά 120 σηµεία δεδοµένων, 60 από κάθε βήµα. Συµπεραίνουµε λοιπόν ότι ο αριθµός των βηµάτων της προσοµοίωσης είναι ίσος µε τα διαφορετικά διαστήµατα αποθήκευσης που θέλουµε να θέσουµε κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης. Το µέγεθος των χρονικών βηµάτων επιδρά άµεσα στην ακρίβεια των αποτελεσµάτων και την ταχύτητα των υπολογισµών. Επιλογή µικρότερου χρονικού βήµατος παράγει ακριβέστερα αποτελέσµατα αλλά απαιτεί και περισσότερη ώρα για την ολοκλήρωση των πράξεων. Επιπλέον, αν το χρονικό βήµα είναι πολύ µικρό µπορεί να υπάρξουν σηµαντικά σφάλµατα στρογγυλοποίησης αποτελεσµάτων. Όταν αποφασίσουµε τον αριθµό των χρονικών βηµάτων που θα χρησιµοποιήσουµε επιλέγουµε «Set Run Time» από το παραπάνω παράθυρο «Dynamics Menu» ή από το αντίστοιχο εικονίδιο της µπάρας εργαλείων. Στην οθόνη µας εµφανίζεται η παρακάτω εικόνα: Σχήµα 8.2: Στοιχεία για τη χρονική εκτέλεση της προσοµοίωσης, ταµπέλα «General». Στην ταµπέλα «General» ορίζουµε τον αριθµό των χρονικών βηµάτων για την εκτέλεση της προσοµοίωσης στο πεδίο «Number of operation steps». Ο µέγιστος αριθµός βηµάτων που µπορούµε να έχουµε είναι 10. Στο πεδίο «Current time» φαίνεται ο συνολικός χρόνος εκτέλεσης της προσοµοίωσης, αν αυτή ολοκληρώθηκε ή ο τρέχων χρόνος πριν τη διακοπή της, αν τη διακόψαµε. Ανάλογα µε το πόσα χρονικά βήµατα θέσαµε στην προηγούµενη επιλογή θα υπάρχουν και αντίστοιχες ταµπέλες «Step..». Στο παράδειγµά µας έχουµε 113

124 υναµικές προσοµοιώσεις ορίσει µόνο ένα βήµα εποµένως υπάρχει µόνο η ταµπέλα «Step 1». Κάθε τέτοια ταµπέλα έχει ακριβώς όµοιες επιλογές εποµένως η παρακάτω ανάλυση ισχύει και για περισσότερα του ενός βήµατα. Σε κάθε περίπτωση θα εµφανίζονται τα παρακάτω στοιχεία. Σχήµα 8.3: Στοιχεία για τη χρονική εκτέλεση της προσοµοίωσης, ταµπέλα «Step 1». Αρχικά καθορίζουµε το κριτήριο τερµατισµού της εκτέλεσης. Οι διαφορετικές επιλογές είναι το «Time» για τερµατισµό όταν θα περάσει το χρονικό διάστηµα που θα ορίσουµε, το «Stream» αν θέλουµε να τελειώσει η εκτέλεση όταν µια συγκεκριµένη συνιστώσα της επιλεγµένης ροής πάρει την τιµή που θα ορίσουµε και «Equipment» για τερµατισµό όταν µια συγκεκριµένη συνιστώσα της επιλεγµένης λειτουργικής µονάδα πάρει την τιµή που θα ορίσουµε. Αν το κριτήριο τερµατισµού που επιλέξαµε παραπάνω είναι ο χρόνος τότε στο πεδίο «Run Time» πληκτρολογούµε την τιµή του συνολικού χρόνου εκτέλεσης που θέλουµε. Στο πεδίο «Calc. Time» φαίνεται ο χρόνος στον οποίο σταµάτησε η εκτέλεση της δυναµικής προσοµοίωσης. Για το συγκεκριµένο κριτήριο τερµατισµού, ο χρόνος αυτό θα είναι ίσος µε την τιµή του πεδίου «Run Time». Τέλος, στο πεδίο «Step size» ορίζουµε το χρονικό βήµα για την αποθήκευση δεδοµένων από την προσοµοίωση. Όλες οι παραπάνω τιµές είναι σε λεπτά. Αν το κριτήριο τερµατισµού είναι η επιλογή «Stream» ή «Equipment» τότε αρχικά στο πεδίο «ID Number» πληκτρολογούµε την αριθµητική τιµή αναφοράς της ροής ή της λειτουργικής µονάδας που µας ενδιαφέρει. Στην συνέχεια, ορίζουµε τη µεταβλητή («Variable») που θα ελέγξει το πρόγραµµα όπως και τις µονάδες µέτρησης της µεταβλητής αυτής («Variable Unit»). Αν δεν επιλεγεί κάποια µονάδα µέτρησης τότε το πρόγραµµα θα χρησιµοποιήσει τις µονάδες µέτρησης που ορίσαµε σε προηγούµενα βήµατα της προσοµοίωσης, πράγµα το οποίο µπορεί να οδηγήσει σε σηµαντικά λάθη, ακόµα και σε αποτυχία σύγκλισης. Στο πεδίο «Component» ορίζουµε τη συνιστώσα της ροής ή της λειτουργικής µονάδας η µεταβλητή της οποίας θα ελεγχθεί από το Chemcad στο κριτήριο τερµατισµού. Τέλος, στα πεδία «Stop Value» και «Tolerance» πληκτρολογούµε τη τιµή τερµατισµού και το επιτρεπόµενο σφάλµα της. Πρέπει να επιλέξουµε τον αριθµητικό τελεστή για 114

125 υναµικές προσοµοιώσεις την πράξη της σύγκρισης της τιµής τερµατισµού µε τη τρέχουσα τιµή της µεταβλητής ελέγχου. Αυτό µπορεί να πραγµατοποιηθεί στο πεδίο «Stop mode». Οι διαφορετικές επιλογές είναι o «Equals (=)»: Ο τελεστής αυτός θα τερµατίσει το τρέχον βήµα εκτέλεσης όταν η τιµή της µεταβλητής ελέγχου γίνει ίση µε την τιµή τερµατισµού, στα πλαίσια του επιτρεπόµενου σφάλµατος. o «Greater than (>)»: Με αυτό το τελεστή τερµατίζεται το τρέχον βήµα εκτέλεσης όταν η τιµή της µεταβλητής ελέγχου είναι µεγαλύτερη από την τιµή τερµατισµού. o «Less than (<)»: Με αυτό το τελεστή τερµατίζεται το τρέχον βήµα εκτέλεσης όταν η τιµή της µεταβλητής ελέγχου είναι µικρότερη από την τιµή τερµατισµού. o «Minimum»: Ο τελεστής αυτός θα τερµατίσει το τρέχον βήµα εκτέλεσης όταν η τιµή της µεταβλητής ελέγχου περάσει από µια ελάχιστη τιµή. o «Maximum»: τελεστής αυτός θα τερµατίσει το τρέχον βήµα εκτέλεσης όταν η τιµή της µεταβλητής ελέγχου περάσει από µια µέγιστη τιµή. Πρέπει να τονίσουµε ότι ο έλεγχος της τιµής των µεταβλητών των δυο παραπάνω περιπτώσεων πραγµατοποιείται µέσα στο συνολικό χρόνο εκτέλεσης που ορίσαµε στο πεδίο «Run Time». Αν δεν έχει ικανοποιηθεί το κριτήριο τερµατισµού στη διάρκεια αυτού του χρόνου τότε η εκτέλεση θα τερµατιστεί κανονικά στο τέλος του συνολικού χρόνου, σαν να είχαµε επιλέξει κριτήριο τερµατισµού χρόνου Επιλογή ροών και λειτουργικών µονάδων Η διαδικασία που πρέπει να ακολουθήσουµε είναι η εξής: Αρχικά, επιλέγουµε Run-Dynamics από το βασικό µενού του προγράµµατος και εµφανίζουµε το παράθυρο «Dynamics Menu». Στη συνέχεια, επιλέγουµε την εντολή «Record Streams». Στο παράθυρο που εµφανίζεται πρέπει να επιλέξουµε τις ροές τα στοιχεία των οποίων θα αποθηκεύει το πρόγραµµα κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης της προσοµοίωσης. Σχήµα 8.4: Επιλογή των ροών προς αποθήκευση κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης. 115

126 υναµικές προσοµοιώσεις Μπορούµε είτε να πληκτρολογήσουµε την αριθµητική τιµή αναφοράς κάθε ροής στα αντίστοιχα πεδία του πλαισίου «Enter the streams ID s» ή να επιλέξουµε τις ροές χειροκίνητα από το σχεδιάγραµµα ροής («Select streams from flowsheet»). Όταν ολοκληρώσουµε την εισαγωγή των στοιχείων πατάµε το πλήκτρο «ΟΚ». Για το καθορισµό των λειτουργικών µονάδων επιλέγουµε την εντολή «Record UnitOps» από το παράθυρο «Dynamics Menu». Το παράθυρο που εµφανίζεται στην οθόνη µας και η διαδικασία επιλογής είναι όµοια µε αυτά της επιλογής ροών. Ολοκληρώνουµε την επιλογή πατώντας το πλήκτρο «ΟΚ». Και στις δύο περιπτώσεις, στα παράθυρα επιλογής ροών/λειτουργικών µονάδων, εµφανίζεται η εντολή «RunTimePlot» δίπλα από κάθε πεδίο εισαγωγής της αριθµητικής τιµής αναφοράς ροής/λειτουργικής µονάδας. Η εντολή αυτή µας επιτρέπει να δηµιουργήσουµε διαγράµµατα πραγµατικού χρόνου µε τις συνιστώσες και τις µεταβλητές που θα επιλέξουµε, που θα εµφανίζονται κατά τη διάρκεια εκτέλεσης της προσοµοίωσης. Όλες οι επιλογές που µπορούµε να κάνουµε για τα διαγράµµατα ροών φαίνονται στο παρακάτω παράθυρο. Σχήµα 8.5: Επιλογές για τα διαγράµµατα ροών. Στην ταµπέλα «General» υπάρχουν η αριθµητική τιµή αναφοράς της ροής µας («Stream number»), η συχνότητα εµφάνισης του διαγράµµατος («Plot frequency»), η µονάδα µέτρησης του χρόνου που θα χρησιµοποιηθεί στο 116

127 υναµικές προσοµοιώσεις διάγραµµα («Time unit») και η µονάδα σύστασης των συνιστωσών της ροής µας («Composition»). Στο πλαίσιο «Components to be printed» επιλέγουµε τις συνιστώσες που θέλουµε να συµπεριλάβουµε στη γραφική παράσταση. Τέλος, στην ταµπέλα «Plot stream properties» µπορούµε να καθορίσουµε αναλυτικά ποιες ιδιότητες της ροής θα εµφανιστούν στο διάγραµµα, τσεκάροντας το αντίστοιχο κουτάκι. Αντίστοιχα, οι επιλογές που µπορούµε να κάνουµε για τις λειτουργικές µονάδες φαίνονται παρακάτω. Σχήµα 8.6: Επιλογές για τα διαγράµµατα λειτουργικών µονάδων. Βλέπουµε την αριθµητική τιµή αναφοράς της µονάδας µας («Equipment ID»), τη συχνότητα εµφάνισης («Plot frequency»), τη µονάδα µέτρησης του χρόνου («Time unit»), το τίτλο («Plot title») και το όνοµα του άξονα Υ («Y-axis title») του διαγράµµατος. Τέλος, στο πλαίσιο «Variable» επιλέγουµε τις µεταβλητές που θα εµφανιστούν στη γραφική παράσταση. Αν και η δυνατότητα εµφάνισης διαγραµµάτων πραγµατικού χρόνου βοηθά στην κατανόηση των µηχανισµών της προσοµοίωσης είναι σηµαντικό να µην γίνει κατάχρηση της επιλογής αυτής διότι θα υπάρξουν σηµαντικές καθυστερήσεις στους υπολογισµούς της δυναµικής προσοµοίωσης. 8.3 Εκτέλεση της δυναµικής προσοµοίωσης Το πρόγραµµα µας δίνει τρεις διαφορετικές δυνατότητες για την εκτέλεση της δυναµικής προσοµοίωσης. Μπορούµε να την τρέξουµε από το αρχικό στάδιο (Run from initial state), από το τρέχον στάδιο (Run from current state) ή να πραγµατοποιούµε µόνο ένα χρονικό βήµα κάθε φορά κατά την εκτέλεση (Run one step at a time). Οποια από τις τρεις δυνατότητες και αν επιλέξουµε µπορούµε, κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης, να πατήσουµε το πλήκτρο «ESC» του πληκτρολογίου µας Αν συµβεί αυτό, η εκτέλεση θα σταµατήσει µετά από το τρέχον υπολογισµό και θα εµφανιστεί το ανάλογο µήνυµα διακοπής στην οθόνη µας («Program interrupted»). Πατώντας το «ΟΚ» στο παράθυρο του µηνύµατος 117

128 υναµικές προσοµοιώσεις µπορούµε να επιθεωρήσουµε τα αποτελέσµατα της εκτέλεσης ή να επιλέξουµε κάποια άλλη επιλογή ώστε να συνεχίσουµε το τρέξιµο Εκτέλεση από το αρχικό στάδιο (Run from initial state) Η επιλογή αυτή επαναφέρει το σχεδιάγραµµα ροής στην αρχική του κατάσταση και ξεκινά τη δυναµική προσοµοίωση από την αρχή. Όλα τα αποτελέσµατα από τα προηγούµενα τρεξίµατα της προσοµοίωσης που δεν έχουν αποθηκευτεί από το χρήστη διαγράφονται. Η διαδικασία ξεκινάει επιλέγοντας «Run Dynamic Simulation» από τη µπάρα εργαλείων ή «Run from Initial State» από το παράθυρο «Dynamics Menu». Υπενθυµίζουµε ότι τo παράθυρο αυτό εµφανίζεται επιλέγοντας Run-Dynamics από το βασικό µενού του προγράµµατος Εκτέλεση από το τρέχον στάδιο (Run from current state) Όταν χρησιµοποιήσουµε αυτή την επιλογή η εκτέλεση θα ξεκινήσει από το τρέχον στάδιο, µε τις υπάρχουσες συνθήκες της προσοµοίωσης. Οι συνθήκες αυτές µπορεί να είναι το αρχικό στάδιο της προσοµοίωσης, το τέλος µιας προηγούµενης εκτέλεσης ή το ενδιάµεσο στάδιο µιας εκτέλεσης που διακόπηκε. Η επιλογή αυτή µπορεί να χρησιµοποιηθεί µόνο όταν υπάρχουν κάποιοι υπολογισµοί που µπορούν να γίνουν. Αυτό σηµαίνει ότι, εκτός αν έχουµε διακόψει µε κάποιο τρόπο την εκτέλεση, θα πρέπει να καθορίσουµε ένα ή περισσότερα χρονικά βήµατα εκτέλεσης όπως αναλύσαµε σε προηγούµενη παράγραφο. Ενεργοποιούµε την εντολή αυτή επιλέγοντας «Run from Current State» από το παράθυρο «Dynamics Menu». Τo παράθυρο αυτό εµφανίζεται επιλέγοντας διαδοχικά Run-Dynamics από το βασικό µενού του προγράµµατος Πραγµατοποίηση ενός χρονικού βήµατος κάθε φορά κατά την εκτέλεση (Run one step at a time) Αν θέλουµε να έχουµε µια αναλυτικότατη ιδέα για τη δυναµική µας προσοµοίωση καθώς αυτή εκτελείται, µπορούµε να πραγµατοποιούµε ένα χρονικό βήµα κάθε φορά κατά την εκτέλεσή της. Με το τρόπο αυτό, η εκτέλεση θα σταµατάει µετά από κάθε βήµα δίνοντας µας τη δυνατότητα να πραγµατοποιήσουµε όποιες ενέργειες θέλουµε (για παράδειγµα, επισκόπηση των αποτελεσµάτων που προέκυψαν, δηµιουργία γραφικών παραστάσεων και αναφορών, διόρθωση πιθανών σφαλµάτων κλπ). Για να συνεχίσουµε την εκτέλεση χρησιµοποιούµε το εικονίδιο «Run Dynamic Simulation» από τη µπάρα εργαλείων ή την εντολή «Run from Current State» από το παράθυρο «Dynamics Menu». Όπως προαναφέραµε, τo παράθυρο αυτό εµφανίζεται επιλέγοντας Run-Dynamics από το βασικό µενού του προγράµµατος. Για να ενεργοποιήσουµε αυτή την επιλογή θα πρέπει αρχικά να επιλέξουµε Run-Convergence από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στο παράθυρο «Convergence Parameters» που θα εµφανιστεί τσεκάρουµε την επιλογή «Run one time step for dynamic simulation», που βρίσκεται κάτω δεξιά στην οθόνη. 8.4 Άλλες επιλογές για τη δυναµική προσοµοίωση Εκτός από τα προαναφερόµενα στοιχεία υπάρχουν επιπλέον και οι επιλογές «Reset to initial state» και «Save as initial state». 118

129 υναµικές προσοµοιώσεις Επαναφορά στο αρχικό στάδιο (Reset to initial state) Σε µια δυναµική προσοµοίωση µπορούµε αν χρειαστεί να αλλάξουµε τα χαρακτηριστικά των ροών και των λειτουργικών µονάδων πολλές φορές µέχρι να φτάσουµε στο κατάλληλο αποτέλεσµα. Ο πιο ορθολογικός τρόπος για να το πράξουµε αυτό είναι όταν ο χρόνος εκτέλεσης της δυναµικής προσοµοίωσης έχει µηδενιστεί. Το πρόγραµµα, αν δεν έχουµε αλλάξει τη ρύθµισή του, δεν µας αφήνει να κάνουµε αλλαγές σε λειτουργικές µονάδες ή ροές κατά τη διάρκεια ή στο τέλος της εκτέλεσης, παρουσιάζοντας µάλιστα και το σχετικό µήνυµα σε κάθε παράθυρο επιλογών δίπλα από το πλήκτρο αποδοχής «ΟΚ». Για να µπορέσουµε να επαναφέρουµε την προσοµοίωση στο αρχικό της στάδιο (ή αλλιώς στο σηµείο εκκίνησης, σηµείο µηδέν) και να πραγµατοποιήσουµε όποιες αλλαγές θέλουµε, χρησιµοποιούµε το εικονίδιο «Reset to initial state» από τη µπάρα εργαλείων ή την εντολή «Reset to initial state» από το παράθυρο «Dynamics menu» (η εµφάνισή του πραγµατοποιείτε µε τη βοήθεια των εντολών Run-Dynamics από το βασικό µενού του προγράµµατος). Υπάρχει, βέβαια, και η δυνατότητα πραγµατοποίησης αλλαγών κατά τη διάρκεια οποιουδήποτε σταδίου της εκτέλεσης της προσοµοίωσης. Για να συµβεί αυτό, πρέπει να επιλέξουµε Run-Convergence από το βασικό µενού του προγράµµατος και να τσεκάρουµε την επιλογή «Allow dynamic editing anytime» που βρίσκεται κάτω δεξιά στο παράθυρο «Convergence Parameters». Φυσικά, η επιλογή αυτή πρέπει να χρησιµοποιείται µε µεγάλη προσοχή διότι µπορεί να οδηγήσει σε µη αναµενόµενα αποτελέσµατα υπολογισµών Αποθήκευση µιας κατάστασης ως το αρχικό στάδιο της προσοµοίωσης (Save as initial state) H εντολή αυτή αποθηκεύει τις τρέχουσες συνθήκες της δυναµικής προσοµοίωσής µας και τις ορίζει ως το νέο αρχικό στάδιο της προσοµοίωσης. Όλες οι παράµετροι και τα δεδοµένα του προηγούµενου αρχικού σταδίου διαγράφονται και δεν µπορούµε να τα επαναφέρουµε µε κανένα τρόπο αν δεν έχουν αποθηκευτεί προηγουµένως. Η διαδικασία µπορεί να πραγµατοποιηθεί επιλέγοντας Run-Dynamics από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στο παράθυρο «Dynamics Menu» που εµφανίζεται κάνουµε αριστερό κλικ στην εντολή «Save as Initial State». Το πρόγραµµα θα εµφανίσει ένα προειδοποιητικό µήνυµα σχετικά µε το χάσιµο όλων των δεδοµένων του προηγούµενου αρχικού σταδίου. Με αυτό το στοιχείο υπόψη µας ολοκληρώνουµε τη διαδικασία πατώντας το πλήκτρο «Yes». Για παράδειγµα, έστω ότι τρέχουµε τη δυναµική µας προσοµοίωση και παρατηρούµε ότι η πίεση σε ένα δοχείο αυξάνεται στα πρώτα 2 λεπτά από 1.5 σε 6 bar. Κρίνουµε ότι η αλλαγή αυτή αντιπροσωπεύει ιδανικότερα την πίεση του δοχείου µας και εποµένως θέλουµε να ορίσουµε ως αρχική του πίεση τα 6 bar. Αποθηκεύουµε, λοιπόν, την τρέχουσα κατάσταση ως αρχικό στάδιο της προσοµοίωσης και την επόµενη φορά που θα ξεκινήσουµε από την αρχή την εκτέλεση το δοχείο θα έχει πίεση 6 bar. 119

130 υναµικές προσοµοιώσεις 8.5 Αποτελέσµατα από δυναµικές προσοµοιώσεις Το αποτελέσµατα των δυναµικών προσοµοιώσεων διαφέρουν σηµαντικά από αυτά των σταθερών. Μια σταθερή προσοµοίωση παράγει αναλυτικά δεδοµένα για µια συγκεκριµένη χρονική στιγµή ενός σταθερού συστήµατος ενώ, οι δυναµικές προσοµοιώσεις, παρουσιάζουν την αλλαγή των δεδοµένων ενός δυναµικού συστήµατος κατά τη διάρκεια του χρόνου. Με τη βοήθειά τους µπορούµε να συγκρίνουµε διαφορετικές χρονικές στιγµές του ίδιου δυναµικού συστήµατος ή διαφορετικά συστήµατα µεταξύ τους. Για το λόγο αυτό το πρόγραµµα µας δίνει τη δυνατότητα να δηµιουργήσουµε µια ποικιλία αναφορών κειµένου ή γραφικών παραστάσεων ή να µελετήσουµε τα χαρακτηριστικά οποιουδήποτε σηµείου του σχεδιαγράµµατος ροής, κατά τη διάρκεια ή µετά το τέλος της εκτέλεσης της προσοµοίωσης Επισκόπηση των χαρακτηριστικών του σχεδιαγράµµατος ροής Μετά το τέλος της εκτέλεσης της δυναµικής προσοµοίωσης µπορούµε να µελετήσουµε τα δεδοµένα οποιουδήποτε αντικειµένου του σχεδιαγράµµατος ροής ώστε να δούµε τα αποτελέσµατα των υπολογισµών της εκτέλεσης. Αυτό µπορεί να γίνει κάνοντας διπλό αριστερό κλικ σε οποιαδήποτε εικονίδιο λειτουργικής µονάδας ή ροής του σχεδιαγράµµατός µας. Μπορούµε, επίσης, να µελετήσουµε δεδοµένα κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης χρησιµοποιώντας την επιλογή «Run one time step for dynamic simulation» που αναλύσαµε σε προηγούµενη παράγραφο ή πατώντας το πλήκτρο «ESC» στο πληκτρολόγιο για να διακόψουµε την εκτέλεση. Όταν η εκτέλεση έχει σταµατήσει, απλώς κάνουµε διπλό αριστερό κλικ στο εικονίδιο της λειτουργικής µονάδας ή ροής του σχεδιαγράµµατός που θέλουµε να µελετήσουµε Σχεδίαση γραφικών παραστάσεων των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης Για να εµφανίσουµε τις επιλογές σχεδίασης των διαγραµµάτων µιας δυναµικής προσοµοίωσης επιλέγουµε διαδοχικά Plot-Dynamic Plots από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στο δευτερεύον µενού που εµφανίζεται υπάρχουν οι παρακάτω επιλογές: Batch Rector/DVSL History: Αυτή η γραφική παράσταση παρουσιάζει επιλεγµένες τιµές για έναν αντιδραστήρα ασυνεχούς λειτουργίας (batch reactor) ή ένα δυναµικό δοχείο (dynamic vessel), περιλαµβάνοντας επιπλέον στοιχεία για τη σύσταση του δοχείου κατά τη διάρκεια του χρονικού διαστήµατος εκτέλεσης της προσοµοίωσης. Το παράθυρο επιλογών του αντιδραστήρα ασυνεχούς λειτουργίας φαίνεται παρακάτω. Μπορούµε να επιλέξουµε τη µονάδα µέτρησης του χρόνου που θα χρησιµοποιηθεί («Τime unit»), τη συχνότητα του διαγράµµατος («Plot frequency») και το τι επιλογή σύστασης θα εµφανίζεται («Composition options»). Στο πλαίσιο «Select components to plot» καθορίζουµε τις συνιστώσες που θα συµπεριληφθούν στη σχεδίαση ενώ στο «Reactor properties» τσεκάρουµε όποιες από τις ιδιότητες του αντιδραστήρα θέλουµε να φαίνονται στο διάγραµµα. 120

131 υναµικές προσοµοιώσεις Σχήµα 8.7: Στοιχεία για το διάγραµµα του αντιδραστήρα. Τέλος, το πλαίσιο «Jacket/Coil properties» µας βοηθά να ορίζουµε ποιες από τις ιδιότητες του πηνίου (coil) και του χιτωνίου (jacket) θα φαίνονται στη γραφική µας παράσταση. Το παράθυρο επιλογών για το δυναµικό δοχείο είναι παρόµοιο µε αυτό του αντιδραστήρα. Οι µόνες διαφορετικές επιλογές που υπάρχουν είναι το πεδίο «Phase» όπου επιλέγουµε τη φάση λειτουργίας που θα σχεδιαστεί (ολόκληρη, µόνο την υγρή, µόνο την ατµώδη κλπ) και το πλαίσιο «Vessel Options» που µας βοηθά στην επιλογή των ιδιοτήτων του δοχείου που θα εµφανιστούν στη γραφική παράσταση. Σχήµα 8.9: Επιλογές για το διάγραµµα δυναµικού δοχείου. Batch Column History: Η επιλογή αυτή εµφανίζει το διάγραµµα του ιστορικού µιας στήλης ασυνεχούς λειτουργίας. Μπορούµε να καθορίσουµε 121

132 υναµικές προσοµοιώσεις ποιες συνιστώσες θα εµφανιστούν στο διάγραµµα αυτό όπως και τι ιδιότητες σύστασης θα χρησιµοποιηθούν στην περιγραφή των διάφορων στοιχείων της στήλης (ροή αποστάγµατος, περιεχόµενα πυθµένα κλπ). Dynamic Column History: Αυτή η γραφική παράσταση παρουσιάζει τα αποτελέσµατα για µια δυναµική στήλη περιλαµβάνοντας επίσης στοιχεία σύστασης των δίσκων, του αποστάγµατος και του πυθµένα της στήλης. Το παράθυρο επιλογών της σχεδίασης φαίνεται παρακάτω. Σχήµα 8.10: Επιλογές σχεδίασης για τη δυναµική στήλη. Μπορούµε να ορίσουµε τη µεταβλητή και το αντικείµενο της στήλης που θα απεικονιστεί γραφικά («Variable/Object to be plotted»), τη µονάδα µέτρησης του χρόνου («Time unit») και τη συχνότητα της γραφικής παράστασης («Plot frequency»). To πλαίσιο «Stage information» µας βοηθά να εισάγουµε πληροφορίες σχετικά µε βαθµίδες της στήλης και συγκεκριµένα τον αριθµό της βαθµίδας που µας ενδιαφέρει («Stage number») και τη φάση του ρευστού που θα απεικονιστεί («Phase to be plotted»). Με τη βοήθεια των πεδίων «Ymin» και «Ymax» του πλαισίου «Y axis min/max values» καθορίζουµε τη µέγιστη και την ελάχιστη τιµή του άξονα Υ του διαγράµµατος. Τέλος, στο πλαίσιο «Components to be plotted» ορίζουµε τις συνιστώσες του προβλήµατος που θέλουµε να εµφανιστούν στο διάγραµµά µας. Dynamic Stream History: Κατασκευάζει ένα διάγραµµα που δείχνει τις ιδιότητες που θέλουµε από µια επιλεγµένη ροή. Κατά τη διάρκεια της προσοµοίωσης θα πρέπει να έχουµε αποθηκεύσει τα δεδοµένα της ροής για να µπορεί να σχεδιάσει το πρόγραµµα την παράσταση αυτή. Η ενέργεια της επιλογής αυτής µπορεί να πραγµατοποιηθεί και µε την εντολή «Plot Dyn Streams» της µπάρας εργαλείων (toolbar) του προγράµµατος. Dynamic UnitOp History: ηµιουργεί µια γραφική παράσταση µε τις επιλεγµένες παραµέτρους της λειτουργικής µονάδας της αρεσκείας µας. Όπως και µε τις ροές της προσοµοίωσης έτσι και εδώ θα πρέπει να έχουµε αποθηκεύσει τα δεδοµένα της µονάδας µας κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης. Αντί να χρησιµοποιήσουµε αυτό το τρόπο, µπορούµε να πραγµατοποιήσουµε την ίδια ενέργεια και µε την εντολή «Plot Dyn UnitOps» της µπάρας εργαλείων του προγράµµατος. 122

133 υναµικές προσοµοιώσεις Stream Recorder History: Η επιλογή αυτή δηµιουργεί το σχεδιάγραµµα του ιστορικού του της λειτουργικής µονάδας εγγραφής ροών (stream recorder). H µονάδα αυτή χρησιµοποιείται γενικά για να αποθηκεύει τις πληροφορίες µιας ροής σαν συνάρτηση του αριθµού των επαναλήψεων της διαδικασίας υπολογισµού. Στις δυναµικές προσοµοιώσεις η κύρια χρήση της είναι η αποθήκευση πληροφοριών συναρτήσει του χρόνου εκτέλεσης και ο διαγνωστικός έλεγχος σε προβλήµατα επαναληπτικής σύγκλισης Αναφορές κειµένου Εκτός από το σχεδιασµό γραφικών παραστάσεων το πρόγραµµα µας δίνει τη δυνατότητα να παράγουµε αναφορές κειµένου µε τα αποτελέσµατα της δυναµικής προσοµοίωσης. Για να εµφανίσουµε όλες τις διαθέσιµες επιλογές αυτής της κατηγορίας επιλέγουµε διαδοχικά Report-Dynamics από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στο δευτερεύον µενού που εµφανίζεται µπορούµε να επιλέξουµε τα ακόλουθα στοιχεία: Dynamic Column History: Παρουσιάζει τα αποτελέσµατα για µια δυναµική στήλη. Dynamic Stream History: Κατασκευάζει µια αναφορά που περιέχει τη σύσταση, τις συνιστώσες και τις ιδιότητες µιας δυναµικής ροής που έχουµε επιλέξει, σε διάφορα χρονικά διαστήµατα. Η δυναµική ροή µεταβάλλεται στο χρόνο εποµένως, θα πρέπει να ορίσουµε κάθε πόσο χρονικό διάστηµα (time interval) το πρόγραµµα θα συγκρατεί τα στοιχεία της ροής και θα τα σώζει σε αυτό το αρχείο αναφοράς. Dynamic UnitOp History: ηµιουργεί µια λεπτοµερή αναφορά για µια δυναµική λειτουργική µονάδα, που περιλαµβάνει όλες της παραµέτρους της µονάδας που έχουµε επιλέξει. Όπως στη δυναµική ροής έτσι και εδώ θα πρέπει να ορίσουµε κάθε πόσο χρονικό διάστηµα (time interval) το πρόγραµµα θα συγκρατεί τα στοιχεία της µονάδας και θα τα σώζει στο αρχείο αναφοράς. 123

134 Παραµετροποίηση του προγράµµατος 9. Παραµετροποίηση του προγράµµατος Κάθε χρήστης που εργάζεται µε το πρόγραµµα έχει τη δική του µέθοδο εργασίας και επίλυσης ενός προβλήµατος. Το Chemcad µας επιτρέπει να εισάγουµε τα δικά µας στοιχεία στο πρόγραµµα που θα αφορούν είτε εξειδικευµένα αντικείµενα και λειτουργίες είτε πράγµατα που χρησιµοποιούµε συχνά και θέλουµε να τα έχουµε στη διάθεσή µας εύκολα και γρήγορα. Παραδείγµατος χάρη, µπορούµε να δηµιουργήσουµε νέες χηµικές συνιστώσες και να τις εισάγουµε στη βάση δεδοµένων του προγράµµατος, σύµβολα λειτουργικών µονάδων για την παλέτα σχεδιασµού, οµάδες χαρακτηριστικών για το σχεδιάγραµµα ροής, καινούργιες λειτουργικές µονάδες, παράθυρα επιλογών για τις ιδιότητες των νέων λειτουργικών µονάδων ακόµα και νέους θερµοφυσικούς κανόνες για άµεση εφαρµογή στην προσοµοίωσή µας. 9.1 Φόρµες χαρακτηριστικών για το σχεδιάγραµµα ροής (Flowsheet templates) Αρκετές φορές κατά τη διάρκεια εργασίας µας στο σχεδιάγραµµα ροής µιας προσοµοίωσης χρειάζεται να δηµιουργήσουµε κάποια ροή ή λειτουργική µονάδα που θα ξαναχρησιµοποιήσουµε σίγουρα σε κάποια µελλοντική στιγµή. Μια έξυπνη κίνηση, που θα µας έσωζε χρόνο και κόπο, θα ήταν να αποθηκεύσουµε αυτά τα χαρακτηριστικά της ροής ή της µονάδας σε µια φόρµα (template) έτσι ώστε να µπορούµε να τα χειριστούµε εύκολα κατά βούληση στο µέλλον ηµιουργία της φόρµας χαρακτηριστικών Η διαδικασία είναι παρόµοια, είτε αναφερόµαστε σε µια ροή είτε σε µια λειτουργική µονάδα. Έστω ότι στο παράδειγµά µας δουλεύουµε µε µια ροή. Αρχικά, κάνουµε αριστερό κλικ πάνω της στο σχεδιάγραµµα ροής και εισάγουµε όλα τα χαρακτηριστικά της στο παράθυρο επιλογών που εµφανίζεται. Στη συνέχεια, πρέπει να εντοπίσουµε τη ροή στο παράθυρο του Chemcad Explorer, στην ταµπέλα «Simulation». Υπενθυµίζουµε ότι το παράθυρο αυτό χρησιµοποιεί για τα περιεχόµενά του «διαµόρφωση δέντρου» (tree format). Κατά τη διαµόρφωση αυτή, τα αντικείµενα οργανώνονται σε επίπεδα, ξεκινώντας από το πρώτο ή βασικό επίπεδο, το οποίο και περιέχει όλα τα υπόλοιπα (δεύτερο, τρίτο κλπ ανάλογα µε την περίπτωση). Το πρόγραµµα από µόνο του (by default),για χάρη οικονοµίας χώρου και οργάνωσης, παρουσιάζει µόνο τα αντικείµενα του πρώτου επιπέδου κάθε κατηγορίας, ενώ τα υπόλοιπα επίπεδα µπορούν να εµφανιστούν αν κάνουµε αριστερό κλικ στο σύµβολο «+» που βρίσκεται αριστερά του αντικειµένου πρώτου επιπέδου. Αντίθετα, αν κάνουµε κλικ στο σύµβολο «-» αριστερά του αντικειµένου πρώτου επιπέδου επιστρέφουµε στην αρχική κατάσταση. Εποµένως, µε βάση τα παραπάνω, εµφανίζουµε όλα τα επίπεδα της επιλογής «Flowsheet» και της «Streams». Κάνοντας διπλό αριστερό κλικ πάνω στο όνοµα της ροής που µας ενδιαφέρει εµφανίζεται η επιλογή «Save» και µε διπλό αριστερό κλικ πάνω της έχουµε το παράθυρο επιλογών «Enter template name». Στο πεδίο αυτό πληκτρολογούµε το όνοµα που θέλουµε να δώσουµε στη φόρµα µας και πατώντας το πλήκτρο «ΟΚ» το όνοµα αυτό εµφανίζεται κάτω από το επίπεδο της ροής µας, στο παράθυρο του Chemcad Explorer. 124

135 Παραµετροποίηση του προγράµµατος Αν είχαµε λειτουργική µονάδα το µόνο πράγµα που θα άλλαζε στην παραπάνω διαδικασία θα ήταν ότι θα εργαζόµασταν µε την επιλογή «UnitOps» αντί για τη «Streams» Επιλογές διαχείρισης της φόρµας Συνεχίζοντας µε το παράδειγµα της φόρµας χαρακτηριστικών µιας ροής, υπάρχουν πολλές ενέργειες διαχείρισης που µπορούµε να κάνουµε όπως εφαρµογή της φόρµας, επισκόπηση των χαρακτηριστικών της, διαγραφή ή µετονοµασία της. Για να δούµε τα χαρακτηριστικά της φόρµας χρησιµοποιούµε την ταµπέλα «Simulation» του παραθύρου Chemcad Explorer και την επιλογή «Templates». Εµφανίζουµε όλα τα επίπεδα αυτής και της επιλογής «Streams» και απλώς κάνουµε αριστερό κλικ πάνω στο όνοµα της φόρµας που θέλουµε. Εµφανίζεται το αντίστοιχο παράθυρο επιλογών, ανάλογα µε τη λειτουργική µονάδα, που µας επιτρέπει να δούµε τι ακριβώς χαρακτηριστικά έχουµε αποθηκεύσει. Αν θέλουµε να εφαρµόσουµε τη φόρµα σε κάποια ροή θα πρέπει αρχικά να εµφανίσουµε όλα τα επίπεδα της ροής αυτής στην ταµπέλα «Simulation», στο παράθυρο Chemcad Explorer µε το τρόπο που περιγράψαµε παραπάνω. Όταν το κάνουµε αυτό θα δούµε ότι κάτω από το όνοµα της ροής υπάρχουν η επιλογή «Save» και τα ονόµατα των φορµών που έχουµε δηµιουργήσει. Κάνοντας διπλό αριστερό κλικ στη φόρµα που θέλουµε και πατώντας «ΟΚ» στο παράθυρο επιβεβαίωσης που εµφανίζεται ολοκληρώνουµε τη διαδικασία. Μπορούµε εύκολα να µετονοµάσουµε ή να διαγράψουµε τη φόρµα µας και να δηµιουργήσουµε ένα αντίγραφό της µε νέο όνοµα. Αρχικά εντοπίζουµε τη φόρµα κάτω από την επιλογή «Templates» στην ταµπέλα «Simulation» του παραθύρου Chemcad Explorer. Κάνοντας δεξί κλικ πάνω της εµφανίζεται ένα υποµενού µε τις επιλογές της δηµιουργίας αντιγράφου µε νέο όνοµα («Save copy as»), της µετονοµασίας («Rename») ή της διαγραφής («Delete»). Ανάλογα µε την ενέργεια που θέλουµε να κάνουµε επιλέγουµε την αντίστοιχη εντολή. Σηµειώνεται ότι, όταν διαγράψουµε µια φόρµα, το αντικείµενο που χρησιµοποιήσαµε για να τη δηµιουργήσουµε δεν επηρεάζεται µε κανένα τρόπο. 9.2 Εισαγωγή µια νέας χηµικής συνιστώσας στο πρόγραµµα Παρά το γεγονός ότι η βάση δεδοµένων του Chemcad περιέχει χιλιάδες χηµικές συνιστώσες, υπάρχει η δυνατότητα να εισάγουµε τα δικά µας στοιχεία στο πρόγραµµα. Μπορούµε να δηµιουργήσουµε µια νέα χηµική συνιστώσα, να εισάγουµε τα φυσικά χαρακτηριστικά της από µια εξωτερική πηγή ή να καθορίσουµε ένα πεδίο ψευδοσυνιστωσών ηµιουργία της συνιστώσας Για τη δηµιουργία της συνιστώσας θα πρέπει να χρησιµοποιήσουµε µια από τις παρακάτω πέντε µεθόδους: ηµιουργία ψευδοσυνιστώσας υδρογονάνθρακα: Με τη µέθοδο αυτή το πρόγραµµα αντιµετωπίζει τη συνιστώσα σαν να γνωρίζει το τρόπο συµπεριφοράς και αντίδρασής της. Χρησιµοποιείται κυρίως σε 125

136 Παραµετροποίηση του προγράµµατος απλά µίγµατα υδρογονανθράκων µονής αλυσίδας. Οι ιδιότητες της συνιστώσας καθορίζονται µε βάση το µέσο µοριακό βάρος, τον ειδικό όγκο και το κανονικό σηµείο βρασµού, χρησιµοποιώντας µεθόδους API. Χρησιµοποίηση της µεθόδου Joback/Lyderson: Στην περίπτωση αυτή θα πρέπει να καθορίσουµε τα βασικά χαρακτηριστικά της συνιστώσας και να επιλέξουµε τις µοριακές οµάδες (ή αλλιώς οµάδες Joback, το πρόγραµµα τις ονοµάζει «Group Assignment») από µια λίστα, ώστε να ορίσουµε ποιες από αυτές βρίσκονται στη συνιστώσα µας. Η µέθοδος είναι ακριβέστερη όσο πιο απλός είναι ο υδρογονάνθρακας. Χρησιµοποίηση της µεθόδου Unifac: Η µέθοδος αυτή είναι όµοια µε τη Joback/Lyderson, µε τη µόνη διαφορά ότι η λίστα των µοριακών οµάδων που χρησιµοποιείται ειδικεύεται κυρίως σε οργανικές συνιστώσες. ηµιουργία ενός στερεού καύσης (combustion solid): Η εν λόγω µέθοδος βοηθά στην προσοµοίωση στερεών συνιστωσών µε γνωστή στοιχειακή ανάλυση και θερµογόνο δύναµη. Ένα πολύ γνωστό παράδειγµα αποτελεί το κάρβουνο. Η µέθοδος προσεγγίζει τις ιδιότητες που είναι σηµαντικές για την καύση (για παράδειγµα, τη θερµότητα σχηµατισµού, µε βάση τη θερµογόνο δύναµη) έτσι ώστε ο χρήστης να µπορεί να χρησιµοποιήσει την αντίδραση του Gibbs για να προσοµοιώσει τη διαδικασία της καύσης. ηµιουργία µιας συνιστώσας ηλεκτρολύτη: Με τη βοήθεια αυτής της µεθόδου δηµιουργούµε µια συνιστώσα που µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε µια προσοµοίωση ηλεκτρολυτών. Η διαδικασία δηµιουργίας ξεκινά επιλέγοντας διαδοχικά Thermophysical- Component Database-Create New Component από το βασικό µενού του προγράµµατος. Η ενέργεια αυτή µας εµφανίζει το παρακάτω παράθυρο επιλογών. Σχήµα 9.1: Παράθυρο δηµιουργίας νέας χηµικής συνιστώσας. 126

137 Παραµετροποίηση του προγράµµατος Αρχικά, πληκτρολογούµε το όνοµα που θα χρησιµοποιηθεί για τη συνιστώσα στο πεδίο «Component Name». Είναι σηµαντικό να επιλέξουµε ένα µοναδικό όνοµα γιατί αλλιώς µπορεί να έχουµε πρόβληµα µε τις ήδη υπάρχουσες συνιστώσες στη βάση δεδοµένων του προγράµµατος. Εν συνεχεία, µπορούµε να ορίσουµε το µοριακό βάρος («Molecular Weight») και το κανονικό σηµείο βρασµού («Normal Boiling Point»). Στη µέθοδο ψευδοσυνιστώσας υδρογονάνθρακα πρέπει υποχρεωτικά να ορίσουµε και το σηµείο βρασµού καθότι όλες οι βασικές ιδιότητες της συνιστώσας προκύπτουν µε βάση αυτό. Ο καθορισµός του µοριακού βάρους είναι προαιρετικός αλλά οδηγεί σε ακριβέστερα αποτελέσµατα. Για τις µεθόδους των µοριακών οµάδων το µοριακό βάρος θα υπολογιστεί από τις οµάδες που θα επιλέξουµε, ενώ ο καθορισµός του σηµείου βρασµού είναι προαιρετικός και αυξάνει την ακρίβεια των προβλέψεων των ιδιοτήτων. Επιπλέον, στο πεδίο «Enter specific gravity or API gravity» πληκτρολογούµε είτε την τιµή του ειδικού βάρους στη συγκεκριµένη θερµοκρασία αναφοράς που ορίζεται («Specific gravity at») είτε το βάρος της µεθόδου API («API gravity»). Αν και η εισαγωγή στοιχείων είναι προαιρετική, βοηθά στην παραγωγή ακριβέστερων αποτελεσµάτων για τις πολυωνυµικές παραµέτρους θερµοχωρητικότητας ιδανικού αερίου. Τέλος, στο πλαίσιο «Correlation» επιλέγουµε το µοντέλο που θα χρησιµοποιηθεί για τη δηµιουργία της συνιστώσας. Ανάλογα µε το µοντέλο θα εµφανιστούν διαφορετικά παράθυρα επιλογών, εποµένως έχουµε τα εξής: Για το µοντέλο της ψευδοσυνιστώσας υδρογονάνθρακα έχουµε το παράθυρο «Hydrocarbon Correlation». Στο πλαίσιο «Molecular Weight Method» καθορίζουµε τη µέθοδο που θα χρησιµοποιηθεί για τον υπολογισµό του µοριακού βάρους και στο πλαίσιο «Critical Properties Method» αυτή για τις κρίσιµες ιδιότητες της συνιστώσας. Για τις δύο µεθόδους των µοριακών οµάδωνjoback/lyderson και UNIFAC εµφανίζονται παρόµοια παράθυρα επιλογών. Αυτά περιλαµβάνουν αναλυτικά όλες τις µοριακές οµάδες της εκάστοτε µεθόδου και αυτό που πρέπει να κάνουµε είναι απλώς να επιλέξουµε αυτές που θέλουµε. Το παράθυρο της µεθόδου στερεού καύσης είναι πιο σύνθετο και φαίνεται παρακάτω. Στο πεδίο «Element Analysis Basis» ορίζουµε αν η στοιχειακή ανάλυση είναι σε ποσοστά βάρους ή στοιχειοµετρικές σταθερές. Συνήθως, τα δεδοµένα στερεών αναφέρονται σε ποσοστά βάρους. Στο πλαίσιο που βρίσκεται ακριβώς από κάτω επιλέγουµε αναλυτικά κάθε άτοµο που υπάρχει στο στερεό («Atom») και εισάγουµε στη σύσταση του είτε σε ποσοστό βάρους είτε στοιχειοµετρικά («Weight % or Stoichiometrics»), ανάλογα τι επιλέξαµε προηγουµένως. H επιλογή «Heating value Basis» µας βοηθά να καθορίσουµε αν η θερµογόνος δύναµη της συνιστώσας είναι ανώτερη («Net heating value») ή κατώτερη («Gross heating value»). H ανώτερη θερµογόνος δύναµη είναι το ποσό θερµότητας που παράγεται όταν το στερεό καίγεται στα τελικά προϊόντα της καύσης και το νερό που παράγεται είναι στη φάση του ατµού. Από την άλλη, κατώτερη θερµογόνος δύναµη είναι το ποσό θερµότητας που παράγεται όταν το στερεό καίγεται στα τελικά προϊόντα της καύσης και το νερό που παράγεται παραµένει στη φάση του υγρού. 127

138 Παραµετροποίηση του προγράµµατος Σχήµα 9.2: Παράθυρο της µεθόδου στερεού καύσης. Στο πεδίο «Heating Value» πληκτρολογούµε την τιµή της θερµογόνου δύναµης της συνιστώσας µας. Το Chemcad θα χρησιµοποιήσει την τιµή αυτή για να υπολογίσει τη θερµότητα σχηµατισµού της νέας συνιστώσας. Η θερµότητα αυτή θα επιτρέψει στο στερεό καύσης να καίει σε ένα καυστήρα παράγοντας τη θερµογόνο δύναµη που ορίσαµε. Τέλος, η επιλογή «Solid Heat capacity» βοηθά να ορίσουµε τη θερµοχωρητικότητα του στερεού που θα χρησιµοποιηθεί στη νέα συνιστώσα. Τέλος, στο παράθυρο της µεθόδου συνιστώσας ηλεκτρολύτη υπάρχουν οι παρακάτω επιλογές. Στα πλαίσια «Electrolyte state» και «Electrolyte type» επιλέγουµε αντίστοιχα τη κατάσταση (στερεό, αέριο κλπ) και το τύπο (µοριακός, απλό ανιόν, απλό κατιόν κλπ) του ηλεκτρολύτη. Τέλος, στα παρακάτω πεδία µπορούµε να ορίσουµε διαδοχικά το µοριακό βάρος του στοιχείου («Molecular weight»), το ηλεκτροστατικό φορτίο του µίγµατος («Electrostatic charge»), την κανονική θερµότητα («Std heat of formation») και την κανονική ελεύθερη ενέργεια του Gibbs («Std Gibbs of formation») του σχηµατισµού και τη κανονική εντροπία («Std entropy») και την κανονική θερµοχωρητικότητα («Std heat capacity») της συνιστώσας. Όλες οι παραπάνω τιµές είναι σε θερµοκρασία 25 C. Αφού ολοκληρώσουµε όλες τις επιλογές µας στο παράθυρο της µεθόδου νέας συνιστώσας που επιλέξαµε το πρόγραµµα µας εµφανίζει το παράθυρο «Select Destination Database» για να καθορίσουµε την τοποθεσία αποθήκευσης της συνιστώσας µας. Απλώς κάνουµε αριστερό κλικ στην τοποθεσία που θέλουµε και πατάµε το πλήκτρο «ΟΚ». Αν είναι η πρώτη φορά που δηµιουργούµε µια συνιστώσα τότε χρειάζεται να φτιάξουµε µια νέα βάση δεδοµένων συνιστωσών επιλέγοντας το «New» από το ίδιο παράθυρο. Στο παράθυρο «Manage Component Databases» που 128

139 Παραµετροποίηση του προγράµµατος εµφανίζεται επιλέγοντας το «Create» και ορίζοντας το προορισµό της νέας βάσης δεδοµένων ολοκληρώνουµε τη δηµιουργία της. Το τελευταίο παράθυρο που εµφανίζεται είναι το «View/Edit Component Data» που φαίνεται παρακάτω. Με τη βοήθειά του µπορούµε να καθορίσουµε µια πληθώρα χαρακτηριστικών που έχουν σχέση µε τη συνιστώσα µας. Σχήµα 9.3: Βασικό παράθυρο διαλόγου για την επεξεργασία δεδοµένων των χηµικών συνιστωσών. Σηµειώνουµε ότι το παράθυρο αυτό µπορεί να εµφανιστεί όποια άλλη στιγµή θέλουµε κατά τη διάρκεια εργασίας µας στο Chemcad επιλέγοντας Thermophysical-Component Database-View/Edit Component από το βασικό µενού του προγράµµατος. Εναλλακτικά, επιλέγουµε το εικονίδιο «Component List» της µπάρας εργαλείων και κάνουµε διπλό αριστερό κλικ στη συνιστώσα που θέλουµε. Αναλυτικά έχουµε τα εξής στοιχεία: Select another component: Με τη βοήθεια αυτής της εντολής µπορούµε να επιλέξουµε µια άλλη συνιστώσα για επεξεργασία. Synonyms: Εµφανίζει τον αριθµό CAS (CAS number), το κύριο όνοµα («Standard name») και όλα τα συνώνυµα της συνιστώσας («Synonym»). Formulas: Παρουσιάζει ένα παράθυρο µε όλους τους χηµικούς τύπους που αφορούν τη συνιστώσα («Formula»). Κατά τη δηµιουργία του ονόµατός τους δεν µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε παρενθέσεις ή οποιοδήποτε άλλο σύµβολο. Minimum required data: Μας επιτρέπει να καθορίσουµε τα ελάχιστα ζητούµενα στοιχεία που πρέπει να γνωρίζει το πρόγραµµα ώστε να χειρίζεται τη συνιστώσα µας µε ακρίβεια. Μεταξύ άλλων, µπορούµε να ορίσουµε το µοριακό της βάρος («Molecular weight»), την κρίσιµη θερµοκρασία και πίεση 129

140 Παραµετροποίηση του προγράµµατος («Critical T/P»), τον ειδικό όγκο στους 60 F («SG at 60 F») και τους παράγοντες της πολυωνυµικής εξίσωσης για τη θερµοχωρητικότητα ιδανικού αερίου («Coefficient»). Basic Data: Αντίστοιχη επιλογή µε την προηγούµενη µόνο που εδώ υπάρχουν περισσότερες επιλογές που µπορούµε να ορίσουµε όπως το σηµείο τήξης («Melting point»), το κανονικό σηµείο βρασµού σε πίεση 1 atm («Normal boiling point»), το παράγοντα διαλυτότητας («Solubility factor») για τα µοντέλα ισορροπίας υγρού-ατµού Regular και Flory-Huggins κλπ. Density Data: Αναφέρεται στην πυκνότητα της συνιστώσας µας. Καθορίζουµε την αριθµητική τιµή αναφοράς της εξίσωσης («Equation No.») και τους συντελεστές τις («Coefficients:») που θα χρησιµοποιηθούν στον υπολογισµό της πυκνότητας υγρού (liquid density) και στερεού (solid density), σαν συνάρτηση της θερµοκρασίας. Επιπλέον, µπορούµε να ορίσουµε τα όρια της θερµοκρασίας εντός των οποίων θα χρησιµοποιηθεί η παραπάνω εξίσωση, µε τη βοήθεια των πεδίων «Low/High T». Τιµές της πυκνότητας έξω από το ορισθέν πεδίο ίσως να µην παρουσιάζουν την αναµενόµενη ακρίβεια. Vapor Pressure and Hov Data: Με την επιλογή αυτή µπορούµε αρχικά να ορίσουµε την πίεση ατµοποίησης («Vapor pressure») της συνιστώσας για ισορροπία υγρού-ατµού. Πληκτρολογούµε την αριθµητική τιµή αναφοράς της εξίσωσης («Equation No.») και τους συντελεστές τις («Coefficients:») που θα χρησιµοποιηθούν στους υπολογισµούς, σαν συνάρτηση της θερµοκρασίας. Επιπλέον, µπορούµε να επιλέξουµε τα όρια της θερµοκρασίας εντός των οποίων θα χρησιµοποιηθεί η παραπάνω εξίσωση, µε τη βοήθεια των πεδίων «Low/High T». Τιµές της πίεσης ατµοποίησης έξω από το ορισθέν πεδίο ίσως να µην παρουσιάζουν την αναµενόµενη ακρίβεια. Σηµειώνεται ότι δεν χρησιµοποιούν όλα τα µοντέλα ισορροπίας υγρού-ατµού της τιµής Κ της εξίσωση της πίεσης ατµοποίησης. Τέλος, µε ακριβώς όµοιο τρόπο όπως παραπάνω, σηµειώνουµε τα στοιχεία που αφορούν τη θερµότητα ατµοποίησης («Heat of Vaporization»). Η θερµότητα ατµοποίησης ορίζεται ως η διαφορά ενθαλπιών ενός mole κορεσµένου ατµού και κορεσµένου υγρού, σε οποιαδήποτε θερµοκρασία και ανάλογη πίεση ατµοποίησης. Heat Capacity Data: Εισάγουµε τα στοιχεία της θερµοχωρητικότητας ιδανικού αερίου («Ideal gas heat capacity»), υγρού («Liquid heat capacity») και στερεού («Solid heat capacity»). H λογική της εξίσωσης και των παραµέτρων υπολογισµού είναι ακριβώς ίδια όπως στις προηγούµενες περιπτώσεις. Viscosity Data: Αυτή η επιλογή αναφέρεται στα χαρακτηριστικά της συνεκτικότητας υγρού («Liquid viscosity») και αερίου («Vapor viscosity»). H λογική της εξίσωσης και των παραµέτρων υπολογισµού είναι ακριβώς ίδια όπως στις προηγούµενες περιπτώσεις. Therm. Cond. And Surf. Tens: Εµφανίζει τα στοιχεία της θερµικής αγωγιµότητας υγρού («Liquid thermal conductivity») και ατµού («Vapor thermal conductivity») καθώς και της επιφανειακής τάσης («Surface tension»). Για την εισαγωγή των απαραίτητων τιµών ακολουθούµε όµοια λογική µε προηγουµένως. Unifac Group Data: Με την επιλογή αυτή καθορίζουµε τις µοριακές οµάδες που υπάρχουν στη συνιστώσα µας. Other Data: Βοηθά στον εισαγωγή δεδοµένων που θα χρησιµοποιηθούν για τον υπολογισµό των ιδιοτήτων µεταφοράς της συνιστώσας όταν δεν είναι γνωστές οι παράµετροι των εξισώσεων που χρησιµοποιεί το πρόγραµµα σε 130

141 Παραµετροποίηση του προγράµµατος όλες τις παραπάνω περιπτώσεις. Εποµένως, µας προσφέρει µια γενικότερη µέθοδο υπολογισµού που µπορεί να είναι και ο µόνος τρόπος αντιµετώπισης του προβλήµατος εφόσον δεν έχουµε κάποια απαραίτητα ειδικά στοιχεία. Electrolyte Data: Μας εµφανίζει ένα παράθυρο επιλογών όµοιο µε αυτό της µεθόδου συνιστώσας ηλεκτρολύτη που αναλύσαµε σε προηγούµενη παράγραφο. Στα πλαίσια «Electrolyte state» και «Electrolyte type» επιλέγουµε αντίστοιχα την κατάσταση (στερεό, αέριο κλπ) και τον τύπο (µοριακός, απλό ανιόν, απλό κατιόν κλπ) του ηλεκτρολύτη. Τέλος, στα παρακάτω πεδία µπορούµε να ορίσουµε διαδοχικά το µοριακό βάρος του στοιχείου («Molecular weight»), το ηλεκτροστατικό φορτίο του µίγµατος («Electrostatic charge»), την κανονική θερµότητα («Std heat of formation») και την κανονική ελεύθερη ενέργεια του Gibbs («Std Gibbs of formation») του σχηµατισµού και την κανονική εντροπία («Std entropy») και την κανονική θερµοχωρητικότητα («Std heat capacity») της συνιστώσας. Όλες οι παραπάνω τιµές είναι σε θερµοκρασία 25 C. Classes: Με τη βοήθειά της µπορούµε να ορίσουµε το όνοµα της συνιστώσας µας («Standard name») και τη γενική χηµική οµάδα στην οποία ανήκει (υδρογονάνθρακας, αλκοόλη, κετόνη κλπ). Η επιλογή µας σε αυτή επηρεάζει τα αποτελέσµατα του µοντέλου υπολογισµού της τιµής Κ που θα επιλέξει το πρόγραµµα, µέσω του συστήµατος Thermodynamics Wizard. certain conditions. Print Component Data: Η επιλογή αυτή µας εµφανίζει µια αναλυτική αναφορά που περιέχει όλα τα δεδοµένα της συνιστώσας. Μπορούµε να διαχειριστούµε αυτή την αναφορά ανάλογα µε τις ανάγκες µας, για παράδειγµα να την εκτυπώσουµε. Plot Component Data: Εµφανίζεται το παράθυρο «Plot Property Options» που µας επιτρέπει να καθορίσουµε ποιες ιδιότητες της συνιστώσας µας θέλουµε να αποτυπώσουµε σε γραφικές παραστάσεις. Υπάρχουν επιλογές που αφορούν για την πυκνότητα («Densities»), την πίεση ατµών («Vapor pressures»), τη θερµοχωρητικότητα («Heat capacities»), τη θερµότητα ατµοποίησης («Heat of vaporization»), τη συνεκτικότητα («Viscosities»), τη θερµική αγωγιµότητα («Thermal conductivities») και τέλος την επιφανειακή τάση («Surface tension»). Κάθε ιδιότητα θα εµφανιστεί σε διαφορετική γραφική παράσταση, σε ξεχωριστό παράθυρο Επαναληπτική διαδικασία εισαγωγής δεδοµένων σε µια συνιστώσα (Regressing Data into the Component) Η διαδικασία αυτή ακολουθεί πάντοτε µετά τη δηµιουργία της συνιστώσας. Περιγράφει την προσαρµογή σηµείων πειραµατικών δεδοµένων στη γραφική παράσταση µιας πολυωνυµικής εξίσωσης έτσι ώστε το ατοµικό σφάλµα κάθε σηµείου να ελαχιστοποιείται. Αφορά µόνο ιδιότητες που εξαρτώνται από τη θερµοκρασία όπως η θερµοχωρητικότητα, η πυκνότητα και η πίεση ατµών. Το Chemcad χρησιµοποιεί πολυωνυµικές εξισώσεις, διαφορετικές ανάλογα µε την περίπτωση, για να υπολογίζει τις ιδιότητες µιας συνιστώσας σε οποιαδήποτε θερµοκρασία. 131

142 Παραµετροποίηση του προγράµµατος Σχήµα 9.4: Ιδιότητες για την επαναληπτική διαδικασία εισαγωγής δεδοµένων σε µια συνιστώσα. Ξεκινάµε την επαναληπτική διαδικασία επιλέγοντας Thermophysical- Component Database-Component Property Regression. H ενέργεια αυτή µας εµφανίζει το παράθυρο «Regress Component Properties» που φαίνεται στα αριστερά. Σε αυτό πρέπει αρχικά να επιλέξουµε τι είδους διαδικασία θέλουµε να εφαρµόσουµε και για ποιόν παράγοντα. Παρά το γεγονός ότι κάθε διαδικασία εµφανίζει διαφορετικό παράθυρο επιλογών, όλες έχουν αρκετά κοινά στοιχεία. Καταρχήν, θα πρέπει να καθορίσουµε το µέγιστο αριθµό επαναλήψεων που επιτρέπεται να εκτελέσει το πρόγραµµα («Max. iterations»). Πολύ µεγάλη τιµή σε αυτό το πεδίο µπορεί να προκαλέσει καθυστέρηση των υπολογισµών. Επίσης, ορίζουµε το σχετικό και το απόλυτο σφάλµα για τα διαδοχικά βήµατα της επαναληπτικής διαδικασίας στα πεδία «Relative/Absolute error», αντίστοιχα. Σε κάποιο σηµείο του παραθύρου θα υπάρχει ένα γκρίζο πλαίσιο που περιλαµβάνει την εξίσωση που θα χρησιµοποιήσει το πρόγραµµα, διαφορετική βέβαια για κάθε ιδιότητα. Μπορούµε να ορίσουµε την αρχική τιµή «Initial value», το ανώτερο και το κατώτερο επιτρεπτό όριο («Upper/Lower bound») σε όλες τις παραµέτρους της προαναφερθείσας εξίσωσης. Για παράδειγµα, αν η εξίσωση περιέχει τέσσερεις διαφορετικές παραµέτρους A, B, C, D και τη θερµοκρασία T, το πρόγραµµα µας επιτρέπει να καθορίσουµε τα παραπάνω στοιχεία για κάθε µια από τις παραµέτρους αυτές. Τέλος, µπορεί να υπάρχουν και κάποια πεδία εισαγωγής επιπλέον πληροφοριών, που θα έχουν πράσινη γραµµατοσειρά. Παραδείγµατος χάρη, η διαδικασία «Heat of Vaporization» απαιτεί τον καθορισµό της κρίσιµης θερµοκρασίας της συνιστώσας («Critical T»). 132

143 Παραµετροποίηση του προγράµµατος Πατώντας το πλήκτρο «ΟΚ» το πρόγραµµα µας εµφανίζει ένα νέο παράθυρο για την εισαγωγή των πειραµατικών σηµείων µας. Κάθε σηµείο θα έχει δύο συντεταγµένες, τη θερµοκρασία και την ιδιότητα της διαδικασίας που επιλέξαµε. Για παράδειγµα, στη διαδικασία «Liquid density» η δεύτερη συντεταγµένη θα είναι η πυκνότητα. Επίσης, µε τη βοήθεια του πεδίου «Weight factor» µπορούµε να ορίσουµε συντελεστή βαρύτητας για σηµεία που έχουν µεγαλύτερη σηµασία από κάποια άλλα. Πατώντας το πλήκτρο «ΟΚ» εµφανίζονται τα αποτελέσµατα της επαναληπτικής διαδικασίας µε τη µορφή αναφοράς ενώ θα υπάρχει και σαφές µήνυµα σχετικά µε την επιτυχία ή την αποτυχία σύγκλισης. Όταν κλείσουµε το παράθυρο της αναφοράς το πρόγραµµα µας µεταφέρει στη οθόνη της γραφικής παράστασης της πολυωνυµικής εξίσωσης µαζί µε τα πειραµατικά σηµεία. Επιπλέον εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο επιλογών µε το οποίο επιλέγουµε αν θέλουµε να εισάγουµε τη νέα συνιστώσα στη βάση δεδοµένων της τρέχουσας προσοµοίωσης ή όχι. Σχήµα 9.5: Εισαγωγή ή όχι της συνιστώσας µας στη βάση δεδοµένων. Μπορούµε να επαναλάβουµε όλη την προηγούµενη διαδικασία και για άλλες ιδιότητες της συνιστώσας µας. Όταν ολοκληρώσουµε όλες τις ζητούµενες ενέργειες πατώντας «Exit» στο παράθυρο «Regress Component Properties» επιστρέφουµε στο βασικό περιβάλλον του προγράµµατος Πεδίο ψευδοσυνιστωσών Η χρησιµοποίηση της καµπύλης ψευδοσυνιστωσών (pseudocomponent curve) βοηθά να χωρίσουµε µια ροή υδρογονανθράκων σε κλάσµατα ή ψευδοσυνιστώσες. Η ψευδοσυνιστώσα αντιπροσωπεύει µια οµάδα συνιστωσών που βράζουν σε µια στενή περιοχή θερµοκρασιών και χρησιµοποιούνται από το πρόγραµµα κυρίως για τη µοντελοποίηση υδρογονανθράκων. Πριν ξεκινήσουµε τη διαδικασία πρέπει να έχουµε καθορίσει επιτυχώς τη λίστα συνιστωσών που λαµβάνουν µέρος στην προσοµοίωσή µας. Στη συνέχεια, επιλέγουµε Thermophysical-Pseudocomponent Curves από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στο παράθυρο «Dist Curve Characterizion» που εµφανίζεται πληκτρολογούµε τις αριθµητικές τιµές αναφορών των ροών που µας ενδιαφέρουν και πατάµε το «ΟΚ». Στη συνέχεια εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο. 133

144 Παραµετροποίηση του προγράµµατος Σχήµα 9.6: Παράθυρο συσχέτισης υδρογονανθράκων. Με τη βοήθειά του επιλέγουµε τις συσχετίσεις (correlations) που θα χρησιµοποιηθούν από το πρόγραµµα σχετικά µε τη µέθοδο υπολογισµού του µοριακού βάρους («Molecular weight method»), των κρίσιµων ιδιοτήτων («Critical properties method») και της µεθόδου «ASTM D86-TBP Interconversion». Το µοριακό βάρος κάθε κλάσµατος εκτιµάται µε βάση το σηµείο βρασµού, τον ειδικό όγκο και την πυκνότητα του κλάσµατος ενώ οι κρίσιµες ιδιότητες προκύπτουν από τα δεδοµένα της καµπύλης απόσταξης.h τελευταία µέθοδος αφορά µόνο τα δεδοµένα ASTM D86 και ASTM D2887. Στη συνέχεια εµφανίζεται το παράθυρο «Curve temperature cut ranges». Καθορίζουµε την αρχική και την τελική θερµοκρασία για κάθε διαφορετικό πεδίο όπως επίσης και τον αριθµό των σηµείων που θέλουµε να ορίσουµε ως ψευδοσυνιστώσες σε κάθε πεδίο. Το επόµενο παράθυρο ονοµάζεται «Bulk properties». Στο πεδίο του «Distillation Curve» µπορούµε να επιλέξουµε το είδος του ακατέργαστου πετρελαίου που θέλουµε να αποστάξουµε από τη λίστα που εµφανίζεται ή να εισάγουµε µόνοι µας την καµπύλη απόσταξης µε την επιλογή «User specified». Στην τελευταία περίπτωση, ενεργοποιείται το πλαίσιο «Distillation Curve Type» και µπορούµε να διαλέξουµε µια από τις επτά επιλογές ανάλυσης της καµπύλης απόσταξης. Επίσης, υπάρχει η δυνατότητα επιλογής της µονάδας µέτρησης της ολικής ροής του αργού πετρελαίου («Select Total Flow Units»),ο ορισµός της ακριβής τιµής της ολικής παροχής του («Total Flow Rate») όπως και της παροχής του νερού που παρασύρεται από το πετρέλαιο («Water Flow Rate»). Μας δίνεται, επίσης, η δυνατότητα να διαλέξουµε τη µονάδα µέτρησης για τα δεδοµένα της εξόδου της ροής «Light Ends Flow Unit». Με το πεδίο «Distillation Curve» µπορούµε να ορίσουµε τη µονάδα µέτρησης για τα δεδοµένα εισόδου της καµπύλης απόσταξης. Οι διαθέσιµες επιλογές µας είναι ποσοστό όγκου ή βάρους Αν θέλουµε το πρόγραµµα να αναµείξει δύο καµπύλες απόσταξης σε µια οµάδα συνιστωσών, µπορούµε να τσεκάρουµε την επιλογή «Blend distillation curves». Σε αυτή την περίπτωση θα χρησιµοποιηθούν λιγότερες 134

145 Παραµετροποίηση του προγράµµατος ψευδοσυνιστώσες. Αντίθετα, µε την επιλογή «Do not blend distillation curves» κάθε καµπύλη απόσταξης θα περιέχει περισσότερες οµάδες σηµείων και θα είναι ακριβέστερη. Τέλος, στο πεδίο «Bulk Gravity» εισάγουµε την τιµή του µέσου ειδικού όγκου για τη καµπύλη απόσταξης και διαλέγουµε το τύπο του («Gravity Type»). Το επόµενο παράθυρο «TBP Curve» χρησιµοποιείται για να εισάγουµε τουλάχιστον πέντε σηµεία από τη καµπύλη απόσταξης του προβλήµατός µας, µε συντεταγµένες ποσοστό όγκου και θερµοκρασία βρασµού για κάθε ένα από αυτά. Εν συνεχεία εµφανίζεται το «API Gravity curve». Η εισαγωγή στοιχείων εδώ είναι προαιρετική και αφορά τη καµπύλη βαρύτητας του προβλήµατός µας. Και πάλι πρέπει να δώσουµε τα δεδοµένα πέντε τουλάχιστο σηµείων, µε συντεταγµένες ποσοστό όγκου και ειδικού όγκου. Το τελικό παράθυρο πριν την ολοκλήρωση της διαδικασίας φαίνεται παρακάτω: Σχήµα 9.7: Παράθυρο επεξεργασίας των καµπυλών απόσταξης. Μπορούµε να ελέγξουµε όλα τα δεδοµένα που εισαγάγαµε στα προηγούµενα βήµατα και να κάνουµε τις τελευταίες αλλαγές που χρειάζονται. Πατώντας «Save and exit» εµφανίζεται µια αναφορά, µε τη µορφή κειµένου, όλων των ιδιοτήτων των ψευδοσυνιστωσών την οποία µπορούµε να διαχειριστούµε κατά βούληση (εκτύπωση, αποθήκευση, επισκόπηση κλπ). Όλες οι συνιστώσες που δηµιουργήσαµε θα υπάρχουν στη ροή που επεξεργαστήκαµε στα προηγούµενα βήµατα και τα ονόµατά τους θα ξεκινούν µε τα γράµµατα NBP (Normal Boiling Point). 9.3 ηµιουργία νέου συµβόλου Το Chemcad µας δίνει τη δυνατότητα να φτιάξουµε ένα νέο σύµβολο και να το χρησιµοποιήσουµε σε µια από τις υπάρχουσες λειτουργικές µονάδες ή σε κάποια από τις µονάδες που έχουµε δηµιουργήσει εµείς. Η διαδικασία αυτή χρησιµοποιεί το εργαλείο Chemcad Symbol Editor. Για να ξεκινήσουµε τη διαδικασία επιλέγουµε Edit-Edit UnitOp Symbols από το βασικό µενού του προγράµµατος. Εναλλακτικά, µέσα από το περιβάλλον των Microsoft Windows, επιλέγουµε διαδοχικά Start-All Programs- Chemstations-Utilities-Symbol Editor. Όποια από τις παραπάνω ενέργειες και αν επιλέξουµε θα εµφανιστεί στην οθόνη µας η παρακάτω εικόνα: 135

146 Παραµετροποίηση του προγράµµατος Σχήµα 9.8: Βασική οθόνη του εργαλείου «Chemcad symbol editor». Παρατηρούµε την ύπαρξη του χώρου σχεδιασµού µε το βοηθητικό πλέγµα σε όλη την έκταση της οθόνης και µια παλέτα εργαλείων στο δεξιό άκρο, που µπορεί να µετακινηθεί σε όποιο σηµείο της οθόνης θέλουµε. Αυτό συµβαίνει κάνοντας αριστερό κλικ στο µπλε ορθογώνιο στο πάνω µέρος του εικονιδίου της και κρατώντας πατηµένο το αριστερό πλήκτρο του ποντικιού τη µετακινήσουµε κατά βούληση. Για τη δηµιουργία του συµβόλου µπορούµε να ξεκινήσουµε από το µηδέν έχοντας µια κενή επιφάνεια σχεδίασης και σταδιακά να την εµπλουτίσουµε ή να επεξεργαστούµε κάποιο από τα υπάρχοντα σύµβολα του προγράµµατος. Η δεύτερη µέθοδος είναι ευκολότερη αφού θα έχουµε ήδη τα βασικά σχήµατα ως οδηγό για τη διαδικασία και αυτή θα περιγράψουµε παρακάτω. Σηµειώνουµε ωστόσο, ότι οι δυο µέθοδοι δεν διαφέρουν στην ουσία του σχεδιασµού απλώς ξεκινούν από διαφορετικά στάδια, εποµένως τα παρακάτω ισχύουν και στην περίπτωση της εκκίνησης από µηδενικό στάδιο σχεδίασης. Αρχικά, επιλέγοντας File-Open από το βασικό µενού του Symbol Editor διαλέγουµε το σύµβολο µε το οποίο θέλουµε να δουλέψουµε. Μια καλή ιδέα είναι να το αποθηκεύσουµε αµέσως πριν προβούµε σε αλλαγές (File-Save as..), µε διαφορετικό όνοµα έτσι ώστε να µην υπάρξει πρόβληµα µε το αρχικό σύµβολο. Αν θέλουµε να διαγράψουµε ή να διαφοροποιήσουµε κάποια σηµείο του συµβόλου επιλέγουµε Structure-Ungroup από το βασικό µενού του προγράµµατος. Η ενέργεια αυτή διαχωρίζει το σύµβολο στις ξεχωριστές συνιστώσες που το αποτελούν, τις οποίες µπορούµε να χειριστούµε κατά βούληση. Με τη βοήθεια της παλέτας σχεδιασµού µπορούµε καταρχήν να εισάγουµε τα δικά µας γραφικά στοιχεία στο σύµβολο, όπως ορθογώνια («Rectangle») ή πολύγωνα («Polygon»). Επίσης, γίνεται να πληκτρολογήσουµε κείµενο σε 136

147 Παραµετροποίηση του προγράµµατος όποιο σηµείο επιλέξουµε κάνοντας αριστερό κλικ στο εικονίδιο «Text» της παλέτας και στη συνέχεια στο σηµείο που θέλουµε. Τέλος, µε τα σύµβολα «Inlet», «Outlet» καθορίζουµε, αντίστοιχα, τα σηµεία εισόδου και εξόδου της ροής στο σύµβολό µας. Όταν έχουµε ολοκληρώσει όλες τις απαραίτητες ενέργειες σχεδιασµού θα πρέπει να οµαδοποιήσουµε όλα τα στοιχεία του συµβόλου µας ώστε το πρόγραµµα να τα χειρίζεται σαν ένα ενιαίο αντικείµενο. Αυτό µπορεί να γίνει επιλέγοντας αρχικά Edit-Select All και εν συνεχεία Structure-Group από το βασικό µενού του προγράµµατος. Τελειώνοντας, σώζουµε το σύµβολό µας µε τη βοήθεια του εικονιδίου «Save» της µπάρας εργαλείων. Μετά τη δηµιουργία και την αποθήκευση του συµβόλου θα πρέπει να ορίσουµε ποια λειτουργική µονάδα αντιπροσωπεύει και να το τοποθετήσουµε στην αντίστοιχη οµάδα της παλέτας σχεδιασµού του βασικού προγράµµατος Chemcad. Ξεκινάµε επιλέγοντας διαδοχικά File-Edit UnitOp Type από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στην οθόνη µας εµφανίζεται το παράθυρο «Select Unit Operation Type» που περιέχει τη λίστα όλων των λειτουργικών µονάδων του προγράµµατος. Πραγµατοποιούµε την επιλογή της αρεσκείας µας και πατάµε το πλήκτρο «OK», ολοκληρώνοντας τη διαδικασία. Για την εισαγωγή του συµβόλου στην παλέτα σχεδιασµού επιλέγουµε διαδοχικά File-Add to Chemcad palette από το βασικό µενού του Symbol Editor. Το σύµβολο θα τοποθετηθεί αυτόµατα από το πρόγραµµα στην οµάδα της παλέτας, ανάλογα µε τη λειτουργική µονάδα που αντιπροσωπεύει. Για παράδειγµα, αν έχουµε κάποιο νέο σύµβολο για ένα δυναµικό δοχείο (dynamic vessel) τότε αυτό θα τοποθετηθεί στην οµάδα «Separators» της παλέτας. Μπορούµε να χρησιµοποιήσουµε το σύµβολο από την επόµενη φορά που θα ξεκινήσουµε το πρόγραµµα Chemcad. 9.4 ηµιουργία νέας λειτουργικής µονάδας Κατά τη διάρκεια της εργασίας µας µε το πρόγραµµα Chemcad είναι πιθανό να χρειαστούµε κάποια λειτουργική µονάδα που να µην υπάρχει στη βάση δεδοµένων του. Ακόµα και σε αυτή την περίπτωση, υπάρχει η δυνατότητα να δηµιουργήσουµε από την αρχή µια µονάδα που να καλύπτει τις ανάγκες µας. Ένα παράδειγµα είναι µια κυψέλη καυσίµου ή µια µεµβράνη διαχωρισµού. Ο στόχος είναι να έχουµε µια µονάδα που να µπορούµε να εισάγουµε τις δικές µας εξισώσεις για τον υπολογισµό της µεταφοράς θερµότητας και µάζας. Η νέα µονάδα µπορεί να δηµιουργηθεί µε έναν από τους παρακάτω τέσσερεις τρόπους, Η επιλογή κάποιας από αυτές τις µεθόδους είναι ένα σηµαντικό πρώτο βήµα για τη δηµιουργία της µονάδας γιατί θα ορίσει τα βασικά της στοιχεία και τις δυνατότητές της. Excel UnitOp: Με την επιλογή αυτή χρησιµοποιούµε έναν συνδυασµού από τα περιβάλλοντα «COM, Component Object Model» και «Data Map». Εργάζεται µε το περιβάλλον της γλώσσας Visual Basic για την ανάπτυξη της µονάδας αλλά στους υπολογισµούς εργάζεται µε το πρόγραµµα Microsoft Excel, πράγµα που µπορεί να καθυστερήσει τις πράξεις. Calculator: ηµιουργείται µε τη βοήθεια προγράµµατος της γλώσσας προγραµµατισµού C. Οι µονάδες αυτές είναι εύκολες στη χρήση και το 137

148 Παραµετροποίηση του προγράµµατος σχεδιασµό αλλά έχουν περιορισµένες δυνατότητες συγκρινόµενες µε τις υπόλοιπες µεθόδους User-added module: ηµιουργείται µε τη χρήση του «Visual studio» ή οποιουδήποτε άλλου µεταφραστή (compiler) της γλώσσας προγραµµατισµού C++. Παρουσιάζει ισχυρά πλεονεκτήµατα καθώς χρησιµοποιεί µια γλώσσα προγραµµατισµού µε πολλές δυνατότητες. Βέβαια, ένα σηµαντικό µειονέκτηµα είναι η αυξηµένη δυσκολία χρήσης, ειδικά όταν κάποιος δεν είναι εξοικειωµένος µε τη γλώσσα C++. Visual Basic Application UnitOp: Χρησιµοποιεί τον «VBA Εditor», που αποτελεί κοµµάτι του κυρίου προγράµµατος Chemcad. Οι δυνατότητες που προσφέρει είναι ισάξιες µε αυτές της µεθόδου «Useradded module» και επιπλέον είναι ευκολότερη στη χρήση. Στην παρούσα άσκηση θα αναφερθούµε στις λειτουργικές µονάδες VBA που συνδυάζουν τα πλεονεκτήµατα των προηγούµενων κατηγοριών και είναι περισσότερο εύχρηστες για τους απλούς χρήστες. 9.5 Εφαρµογές της γλώσσας προγραµµατισµού Visual Basic (Visual Basic Applications, VBA) Το περιβάλλον του Chemcad µας επιτρέπει να δηµιουργήσουµε διάφορες εφαρµογές της γλώσσας Visual Basic χρησιµοποιώντας την ταµπέλα «Visual Basic» του παραθύρου «Chemcad Explorer». Μπορούµε είτε να εισάγουµε έτοιµο κώδικα της γλώσσας στο περιβάλλον του προγράµµατος είτε να χρησιµοποιήσουµε το πρόγραµµα για να ξεκινήσουµε την επεξεργασία µιας εφαρµογής VBA. Τα αντικείµενα προς παραµετροποίηση έχουν τη µορφή αντιδράσεων, ιδιοτήτων και λειτουργικών µονάδων. Για να ορίσουµε µια νέα αντίδραση, έναν νέο νόµο ανάµειξης ή µια λειτουργική µονάδα χρησιµοποιώντας εφαρµογές Visual Basic ξεκινάµε κάνοντας αριστερό κλικ στην ταµπέλα «Visual Basic» του παραθύρου «Chemcad Explorer» και εµφανίζουµε, µε το γνωστό τρόπο, όλα τα περιεχόµενα των επιλογών «Reactions», «Properties» ή «UnitOps», ανάλογα µε το τι θέλουµε να κάνουµε. Στη συνέχεια κάνουµε διπλό αριστερό κλικ πάνω στην επιλογή που µας ενδιαφέρει και εµφανίζουµε το πρόγραµµα σύνταξης VBA. Μπορούµε να αντιγράψουµε την υπορουτίνα του προγράµµατος που µας ενδιαφέρει και να την επικολλήσουµε στο κύριο παράθυρο του κώδικα. Αφού την επεξεργαστούµε κατά βούληση ώστε να προκύψει το ζητούµενο αποτέλεσµα επιστρέφουµε στο περιβάλλον του Chemcad µε τη βοήθεια των πλήκτρων «Αlt-F11» του πληκτρολογίου. Όταν αποθηκεύσουµε τη τρέχουσα προσοµοίωσή µας και εµφανίσουµε ξανά όλα τα περιεχόµενα της ανάλογης επιλογής του Chemcad Explorer που µας ενδιαφέρει, θα δούµε το νέο αντικείµενο να βρίσκεται σε αυτή τη λίστα Χρησιµοποιώντας µια αντίδραση που έχει οριστεί από εφαρµογή VBA Κάθε νέα αντίδραση που εισάγουµε στο πρόγραµµα Chemcad µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε µια λειτουργική µονάδα αντιδραστήρα ασυνεχούς λειτουργίας (Batch reactor) ή έναν κινητικό αντιδραστήρα (Kinetic reactor). 138

149 Παραµετροποίηση του προγράµµατος Αρχικά, πρέπει να τοποθετήσουµε το εικονίδιο της λειτουργικής µονάδας του αντιδραστήρα µας στο σχεδιάγραµµα ροής και να σχεδιάσουµε τις ροές εισόδου και εξόδου που τον αφορούν. Εν συνεχεία, κάνουµε διπλό αριστερό κλικ στο εικονίδιό του και κάνουµε τις παρακάτω απαραίτητες επιλογές, ανάλογα µε την περίπτωση: Αν ο αντιδραστήρας που χρησιµοποιούµε είναι ασυνεχούς λειτουργίας (Batch reactor) ορίζουµε το αρχικό φορτίο του στο παράθυρο «Edit Batch Charge/Add». Πατώντας το πλήκτρο «ΟΚ» εµφανίζεται το παράθυρο «Batch reactor general information». Στην ταµπέλα «General» εντοπίζουµε το πεδίο «Kinetic rate expression» και διαλέγουµε την επιλογή «Define each reaction». Αν η εγκατάστασή µας έχει κινητικό αντιδραστήρα (Kinetic reactor) τότε, στην ταµπέλα «General Specifications» του παραθύρου που εµφανίζεται εντοπίζουµε το πεδίο «Kinetic rate expression» και διαλέγουµε την επιλογή «Define each reaction». Για κάθε αντίδραση που ορίσαµε θα πρέπει να εισάγουµε τα απαραίτητα δεδοµένα στο παράθυρο «Kinetic Data». To παράθυρο αυτό θα εµφανιστεί στην οθόνη µας όταν ολοκληρώσουµε την εισαγωγή των απαραίτητων δεδοµένων και πατήσουµε το πλήκτρο «ΟΚ» στο προηγούµενο παράθυρο. Ξεκινώντας µε τη διαδικασία, θα πρέπει να διαλέξουµε την επιλογή «User- VBA» στο πεδίο «Kinetic Rate Expression». Η ενέργεια αυτή εµφανίζει µια λίστα επιλογών στα δεξιά του πεδίου, µε τη βοήθεια του οποίου διαλέγουµε την αντίδραση που µας ενδιαφέρει. Αφού ορίσουµε τις απαραίτητες επιλογές για κάθε συνιστώσα που συµµετέχει στην τρέχουσα αντίδραση, όπως για παράδειγµα τη στοιχειοµετρική σταθερά («Stoichiometric coefficient»), το παράγοντα απορρόφησης («Absorption factor») κλπ, πατάµε το «ΟΚ» και επαναλαµβάνουµε τη διαδικασία µέχρι την τελευταία αντίδραση Χρήση κανόνα ανάµειξης που έχει οριστεί από εφαρµογή VBA Για να εισάγουµε κάποιο νέο κανόνα ανάµειξης στην προσοµοίωσή µας πρέπει αρχικά να διαλέξουµε διαδοχικά Thermophysical-Thermodynamic Settings από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στο παράθυρο που εµφανίζεται, διαλέγουµε την επιλογή που θέλουµε να ισχύει στον υπολογισµό της τιµής Κ («Global K value option») και της ενθαλπίας («Global enthalpy option») για το κανόνα ανάµειξης. Πατώντας το πλήκτρο «ΟΚ» του παραθύρου οι αλλαγές που ορίσαµε θα ισχύσουν στον κανόνα µας Χρησιµοποιώντας µια λειτουργική µονάδα που έχει οριστεί από εφαρµογή VBA Η χρησιµοποίηση της λειτουργικής µονάδας που έχουµε δηµιουργήσει µπορεί να επιτευχθεί τοποθετώντας το εικονίδιο «Visual Basic UnitOp» της παλέτας σχεδιασµού στο σχεδιάγραµµα ροής. Σχεδιάζουµε τις ροές από και προς το εικονίδιο και κάνουµε διπλό κλικ επάνω του για να εµφανίσουµε το παράθυρο εισαγωγής των δεδοµένων του. Στη λίστα του πεδίου «Function» διαλέγουµε κάποια από τις διαθέσιµες λειτουργικές µονάδες VBA και πατάµε το πλήκτρο «ΟΚ». 139

150 Συνεργασία του Chemcad µε άλλα προγράµµατα 10. Συνεργασία του Chemcad µε άλλα προγράµµατα Έχοντας ως στόχο την όσο το δυνατόν µεγαλύτερη ευελιξία λειτουργίας και συµβατότητα, το πρόγραµµα Chemcad επιτρέπει τη συνεργασία µε άλλα εµπορικά προγράµµατα για την πραγµατοποίηση µια πληθώρας εργασιών. Για παράδειγµα, κατά τη διάρκεια της εργασίας µας χρειάζεται, αρκετές φορές, να εισάγουµε έναν µεγάλο αριθµό δεδοµένων σχετικά µε µια διαδικασία. Τα δεδοµένα αυτά θα µπορούσαµε να τα διαβάσουµε απευθείας από κάποιο άλλο πρόγραµµα, γλιτώνοντας χρόνο και ελαχιστοποιώντας την πραγµατοποίηση λάθους κατά τη διάρκεια της εισαγωγής των δεδοµένων. Εκτός του παραπάνω απλού παραδείγµατος, η διασύνδεση του Chemcad µε άλλα προγράµµατα µπορεί να οδηγήσει ακόµα και στην κατασκευή δυναµικών συστηµάτων προσοµοιώσεων που θα απαιτούν ελάχιστη ανθρώπινη παρέµβαση. Αναλυτικότερα, τα περιβάλλοντα δεδοµένων που µπορεί να χρησιµοποιήσει το πρόγραµµα παρουσιάζονται παρακάτω: I. Excel Data Map interface: Με τη βοήθειά του µπορούµε να µεταφέρουµε οποιαδήποτε τιµή της προσοµοίωσης του Chemcad σε κάποιο κελί (cell) ενός αρχείου του προγράµµατος Microsoft Excel και αντίστροφα. II. Visual Basic Application: Χρησιµοποιείται για τη δηµιουργία νέων αντιδράσεων, κανόνων ανάµειξης και λειτουργικών µονάδων. III. OPC interface: Επιτρέπει σε κάθε εφαρµογή OPC (OLE for Process Control) να αποκτήσει πρόσβαση σε δεδοµένα µιας προσοµοίωσης του Chemcad. IV. COM interfaces: ίνει τη δυνατότητα σε οποιοδήποτε πρόγραµµα µπορεί να χρησιµοποιήσει περιβάλλον COM (Component Object Model interface) να αποκτήσει πρόσβαση και να ελέγξει κάποια προσοµοίωση του προγράµµατος Εφαρµογή «Excel Data Mapping» Η εν λόγω εφαρµογή µας επιτρέπει να διασυνδέσουµε το πρόγραµµα Microsoft Excel µε το Chemcad ώστε να πραγµατοποιήσουµε ανταλλαγή δεδοµένων, απλά και γρήγορα. Πριν να ξεκινήσουµε να δουλεύουµε µε αυτή την εφαρµογή θα πρέπει να έχουµε δηµιουργήσει έναν ή περισσότερους «χάρτες δεδοµένων» (data maps) και να έχουµε ορίσει τους κανόνες εκτέλεσης για κάθε έναν από αυτούς ηµιουργία ενός χάρτη δεδοµένων του Excel (Excel Data Map) Το εργαλείου που χρησιµοποιείται για τη δηµιουργία και την επεξεργασία των χαρτών δεδοµένων είναι το «Excel Data Map Editor». To εργαλείο αυτό µοιάζει µε ένα κανονικό φύλλο εργασίας του προγράµµατος Excel και εµφανίζεται µέσα στο παράθυρο της επιφάνειας εργασίας (Workspace) του Chemcad. Με κάθε χάρτη δεδοµένων µπορούµε να συνδέσουµε µέχρι και 500 παραµέτρους ενός φύλλου εργασίας του Excel, ενώ κάθε προσοµοίωση µπορεί να περιέχει µέχρι και δέκα χάρτες δεδοµένων. Η διαδικασία δηµιουργίας ξεκινά εµφανίζοντας όλα τα επίπεδα της επιλογής «Data Maps» που βρίσκεται στην ταµπέλα «Simulation» του παραθύρου 140

151 Συνεργασία του Chemcad µε άλλα προγράµµατα Chemcad Explorer. Υπενθυµίζουµε ότι αυτό γίνεται κάνοντας αριστερό κλικ στο εικονίδιο του σταυρού («+») που βρίσκεται στα αριστερά της επιλογής. ιαλέγοντας µε το ποντίκι το «New Data map» παρατηρούµε την εµφάνιση ενός φύλλου εργασίας (που φαίνεται στην παρακάτω εικόνα) στο παράθυρο της επιφάνειας εργασίας. Κάνουµε αριστερό κλικ στο κουµπί «Browse» του φύλλου αυτού και αφού εντοπίσουµε στο παράθυρο «Specify Excel Workbook» που εµφανίζεται το αρχείο Excel που θέλουµε να χρησιµοποιήσουµε, πατάµε το πλήκτρο «Οpen». Στη συνέχεια, θα πρέπει να πληκτρολογήσουµε το όνοµα του φύλλου εργασίας του αρχείου Excel το οποίο θέλουµε να συνδέσουµε µε την προσοµοίωσή µας. Σχήµα 10.1: Φύλλο εργασίας του παραθύρου επιφάνειας εργασίας. Αν κάνουµε διπλό αριστερό κλικ στο κελί κάτω από τη λέξη «Map Rule» θα δούµε ότι εµφανίζεται µια λίστα µε διάφορες επιλογές. Η εντολή «To worksheet only» µας επιτρέπει να στείλουµε δεδοµένα στην προσοµοίωσή µας (κυρίως δεδοµένα ροών και λειτουργικών µονάδων) στο επιλεγµένο φύλλο εργασίας του Excel. Με τη βοήθεια της εντολής «Το CC only» µπορούµε να στείλουµε δεδοµένα από οποιοδήποτε κελί του φύλλου εργασίας στην επιλεγµένη παράµετρο της ροής ή της λειτουργικής µονάδας του σχεδιαγράµµατος ροής. Τέλος, η εντολή «For data reconciliation» χρησιµεύει στο χειρισµό των δεδοµένων χρησιµοποιώντας την εφαρµογή διευθέτησης δεδοµένων (Data Reconciliation) του προγράµµατος. Κάνοντας διπλό αριστερό κλικ στο κελί κάτω από τη λέξη «CC Obj Type» εµφανίζεται µια άλλη λίστα επιλογών. Η εντολή «Stream» µας δίνει τη δυνατότητα να συνδέσουµε ένα κελί του Excel ή µια οµάδα κελιών µε µια ροή του σχεδιαγράµµατος ροής. Αντίστοιχα, η εντολή «UnitOp» µας επιτρέπει να συνδέσουµε ένα κελί του Excel ή µια οµάδα κελιών µε µια λειτουργική µονάδα 141

152 Συνεργασία του Chemcad µε άλλα προγράµµατα του σχεδιαγράµµατος ροής. Τέλος, µε τη βοήθεια του «Misc.» µπορούµε να αλλάξουµε τις δυναµικές επιλογές του σχεδιαγράµµατος ροής. Συνεχίζοντας τη διαδικασία της δηµιουργίας του χάρτη δεδοµένων, πληκτρολογούµε την αριθµητική τιµή αναφοράς της ροής ή της λειτουργικής µονάδας που θέλουµε να συνδέσουµε στο κελί κάτω από την επιλογή «CC Obj ID». Επίσης, κάνοντας διπλό αριστερό κλικ στο κελί κάτω από την επιλογή «Par ID» διαλέγουµε από τη λίστα που εµφανίζεται την παράµετρο της ροής ή της λειτουργικής µονάδας που µας ενδιαφέρει. Αν η παράµετρος που διαλέξαµε συσχετίζεται µε µια συγκεκριµένη συνιστώσα τότε θα πρέπει να καθορίσουµε και τη συνιστώσα αυτή. Αυτό γίνεται κάνοντας διπλό αριστερό κλικ στο κελί κάτω από την επιλογή «Components» και διαλέγοντας τη συνιστώσα από τη λίστα που εµφανίζεται. Τα κελιά κάτω από την επιλογή «WrkSht Cell/Range» χρησιµεύουν για την πληκτρολόγηση της διεύθυνσης του κελιού ή της οµάδας κελιών που θέλουµε να συνδέσουµε. Η διεύθυνση κελιού πρέπει να περιέχει απαραίτητα το γράµµα της στήλης και τον αριθµό της γραµµής (π.χ. E16). Η οµάδα κελιών, από την άλλη, προκύπτει από την αρχική και την τελική διεύθυνση της οµάδας συνδεδεµένα µε το σύµβολο «:». Για παράδειγµα, µπορεί να έχουµε την οµάδα C4:E20. Τέλος, η στήλη «Weight» χρησιµεύει στην περίπτωση της διευθέτησης δεδοµένων για να ορίσουµε το συντελεστή βαρύτητας κάθε κελιού, αν υπάρχει διαφοροποίηση στη σηµασία κάποιων κελιών. Η παραπάνω διαδικασία επαναλαµβάνεται µέχρις ότου καθορίσουµε όλα τα κελιά ή τις οµάδες κελιών που θέλουµε να συνδέσουµε στην προσοµοίωσή µας. Η αποθήκευση του χάρτη δεδοµένων γίνεται επιλέγοντας File-Save As.. από το βασικό µενού του προγράµµατος. Επιλέγουµε ένα όνοµα για την αποθήκευση και πατάµε το πλήκτρο «ΟΚ». Ο χάρτης δεδοµένων µας εµφανίζεται τώρα κάτω από την επιλογή «Data Maps» στο παράθυρο του Chemcad Explorer, στην ταµπέλα «Simulation». Αν θέλουµε να κλείσουµε το χάρτη δεδοµένων απλώς κάνουµε αριστερό κλικ στο εικονίδιο «x» στο πάνω δεξιό άκρο της ταµπέλας του, στο παράθυρο επιφάνειας εργασίας ή επιλέγουµε File-Close από το µενού του προγράµµατος Εντολές εκτέλεσης του χάρτη δεδοµένων Επόµενο βήµα µετά την δηµιουργία του χάρτη δεδοµένων είναι να καθορίσουµε της εντολές εκτέλεσης ώστε να το χρησιµοποιήσουµε σωστά. Μπορούµε να ρυθµίσουµε τις εντολές εκτέλεσης µέχρι και δέκα διαφορετικών χαρτών δεδοµένων ανά προσοµοίωση. Ξεκινάµε εµφανίζοντας όλα τα επίπεδα της επιλογής «Data Maps» που βρίσκεται στην ταµπέλα «Simulation» του παραθύρου Chemcad Explorer. Υπενθυµίζουµε ότι αυτό γίνεται κάνοντας αριστερό κλικ στο εικονίδιο του σταυρού («+») που βρίσκεται στα αριστερά της επιλογής. Κάνοντας αριστερό κλικ στην επιλογή «Execution Rules» εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο «Data Map Execution Rules» στην οθόνη µας. 142

153 Συνεργασία του Chemcad µε άλλα προγράµµατα Κάνοντας αριστερό κλικ στο ορθογώνιο που βρίσκεται δεξιά από το πεδίο «Select Data Maps» εµφανίζεται το παράθυρο επιλογής του χάρτη δεδοµένων. Σχήµα 10.2: Κανόνες εκτέλεσης των χαρτών δεδοµένων. Αφού πραγµατοποιήσουµε την επιλογή µας πατάµε το πλήκτρο «ΟΚ» και επαναλαµβάνουµε τη διαδικασία για όλους τους άλλους χάρτες τις εντολές των οποίων θέλουµε να ρυθµίσουµε. Η στήλη «Before Simulation» περιέχει µια λίστα µε τις ενέργειες που µπορεί να κάνει ο χάρτης πριν ξεκινήσει η προσοµοίωση. Αν διαλέξουµε το «Do nothing» δεν θα πραγµατοποιηθεί καµία ενέργεια. Η εντολή αυτή βοηθά στην απενεργοποίηση του χάρτη για κάποιο χρονικό διάστηµα. Η εντολή «To Workbook» στέλνει τα επιλεγµένα δεδοµένα στο πρόγραµµα Excel πριν την εκτέλεση της προσοµοίωσης και χρησιµεύει όταν θέλουµε να χρησιµοποιήσουµε στοιχεία από τις ροές ή τις µονάδες της προσοµοίωσης. Τέλος, η χρήση της εντολής «To Chemcad» στέλνει τα επιλεγµένα δεδοµένα από το φύλλο εργασίας του Excel στο Chemcad πριν την έναρξη της προσοµοίωσης. Η στήλη «After Simulation» προσφέρει µια λίστα τις ενέργειες που µπορούν να γίνουν µετά το τέλος της προσοµοίωσης. Η εντολή «Do nothing» είναι όµοια µε προηγουµένως και δεν πραγµατοποιεί καµία ενέργεια παρά µόνο βοηθά στην απενεργοποίηση του χάρτη για κάποιο χρονικό διάστηµα. Τέλος, η εντολή «To Workbook» στέλνει τα επιλεγµένα δεδοµένα στο πρόγραµµα Excel µετά την εκτέλεση της προσοµοίωσης. Όταν έχουν ολοκληρωθεί οι απαραίτητες ενέργειες στο παράθυρο «Data map execution rules» πατάµε το πλήκτρο «ΟΚ» και είµαστε σε θέση να τρέξουµε την προσοµοίωση. Οι απαραίτητες ενέργειες στο διασυνδεδεµένο αρχείο 143

154 Συνεργασία του Chemcad µε άλλα προγράµµατα Excel, όπως τις ορίσαµε µε τις προηγούµενες επιλογές, θα έχουν πραγµατοποιηθεί ηµιουργία λειτουργικής µονάδας του Excel Κατά τη διάρκεια της εργασίας µας µε το πρόγραµµα Chemcad θα υπάρξουν φορές όπου θα χρειαζόµαστε να χρησιµοποιήσουµε σχετικά απλές λειτουργικές µονάδες, όπως για παράδειγµα διαχωριστές ή µονάδες ανάµειξης. Στην περίπτωση αυτή µπορούµε να δηµιουργήσουµε ένα φύλλο εργασίας του Excel που θα πάρει τη θέση της απλής λειτουργικής µονάδας. H διαδικασία ξεκινάει µε τη δηµιουργία ενός νέου παραθύρου διαλόγου για τη λειτουργική µας µονάδα. Το Chemcad έχει ένα ξεχωριστό εργαλείο για τη διαδικασία αυτή που καλείται «Dialog Editor» και µπορεί να εµφανιστεί διαλέγοντας Start-All Programs-Chemstations-Utilities-Dialog Editor από το περιβάλλον των Microsoft Windows. Η κατασκευή του παραθύρου διαλόγου είναι σχετικά απλή εργασία και δεν απαιτεί ιδιαίτερες γνώσεις προγραµµατισµού από το χρήστη. Μόλις ολοκληρωθεί το παράθυρο διαλόγου, θα πρέπει να δηµιουργήσουµε το αρχείο Microsoft Excel που θα περιέχει τα δεδοµένα της λειτουργικής µας µονάδας. Εν συνεχεία, ανοίγουµε την προσοµοίωσή µας και τοποθετούµε στο σχεδιάγραµµα ροής της τη λειτουργική µονάδα «Excel UnitOp», που βρίσκεται στην οµάδα «All UnitOps» της παλέτας σχεδιασµού. Σχεδιάζουµε τις ροές εισόδου και εξόδου από και προς τη µονάδα και κάνουµε διπλό κλικ πάνω στο εικονίδιό της, εµφανίζοντας το παράθυρο «Excel WorkBook Unit». Σχήµα 10.3: Παράθυρο επιλογών της λειτουργικής µονάδας Excel. Στην ταµπέλα «File paths» κάνουµε αριστερό κλικ στο πλήκτρο «Browse» δεξιά του πεδίου «Parameter specification dialog file» και εντοπίζουµε το παραθύρου διαλόγου που δηµιουργήσαµε σε προηγούµενο βήµα. Με τον ίδιο 144

155 Συνεργασία του Chemcad µε άλλα προγράµµατα τρόπο, κάνουµε αριστερό κλικ στο πλήκτρο «Browse» δεξιά του πεδίου «Excel WorkBook path» και εντοπίζουµε το αρχείο Excel µε τα στοιχεία της µονάδας µας. Η επόµενη ενέργεια που πρέπει να κάνουµε είναι να καθορίσουµε τη σύνδεση του αρχείου Excel µε την προσοµοίωσή µας. Αυτό µπορεί να πραγµατοποιηθεί µε δύο τρόπους. Μπορούµε να επιλέξουµε την ταµπέλα «Data maps» και στο παράθυρο που εµφανίζεται να ορίσουµε τους κανόνες εκτέλεσης του χάρτη δεδοµένων (Data map), όπως ακριβώς κάναµε σε προηγούµενο βήµα. Εναλλακτικά, χρησιµοποιούµε την ταµπέλα «Excel macros» και πληκτρολογούµε τα ονόµατα των µακροεντολών (macros) του προγράµµατος Excel, που έχουµε δηµιουργήσει κάποια προηγούµενη στιγµή. Οι µακροεντολες αυτές χρησιµοποιούν το περιβάλλον COM (COM interface) και εκτελούνται µε βάση τη σειρά που θα τις πληκτρολογήσουµε στο παράθυρο της ταµπέλας «Excel macros». Στο σηµείο αυτό είµαστε έτοιµοι να χρησιµοποιήσουµε τη λειτουργική µονάδα που δηµιουργήσαµε. Πατώντας το πλήκτρο «ΟΚ» κλείνουµε το παράθυρο επιλογών και επιστρέφουµε στο αρχικό περιβάλλον του Chemcad Φύλλα προδιαγραφών (Specification sheets) Μια άλλη χρήσιµη εφαρµογή που προκύπτει από τη συνεργασία του Chemcad µε το πρόγραµµα Microsoft Excel είναι η δηµιουργία φύλλων προδιαγραφών, που µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την ανάλυση των χαρακτηριστικών διάφορων εξαρτηµάτων. Κατά τη διάρκεια της εγκατάστασης του Chemcad, δηµιουργήθηκε ο φάκελος «Templates» στην τοποθεσία που βρίσκεται και ο κύριος φάκελος του προγράµµατος. Η τοποθεσία που χρησιµοποιείται αυτόµατα από τον υπολογιστή, αν δεν αλλάξει κάτι ο χρήστης, είναι η εξής: C:\Program Files\Chemstations\Chemcad\Templates Στο εσωτερικό του φακέλου αυτού υπάρχουν κάποια έτοιµα αρχεία Microsoft Excel, ανάλογα µε τη λειτουργική µονάδα που χρησιµοποιούµε, που µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε ως οδηγό για την αναφορά µας, να τα επεξεργαστούµε και να δηµιουργήσουµε το φύλλο προδιαγραφών. Επίσης, υπάρχει και το αρχείο specsheet.xls που χρησιµοποιείται σε ειδικές περιπτώσεις, όταν η λειτουργική µονάδα που χειριζόµαστε δεν έχει αντίστοιχο αρχείο Excel µέσα στο φάκελο. Σηµειώνεται ότι τα εν λόγω αρχεία έχουν τη ρύθµιση «Read-only» έτσι ώστε να προστατευθούν από λάθη επεξεργασίας. Έτσι, καλό θα ήταν να δηµιουργήσουµε πρώτα ένα αντίγραφο του αρχείου που µας ενδιαφέρει και να δουλέψουµε µε αυτό, αντί µε το κύριο αρχείο-οδηγό. Όποιο από τα δύο αρχεία και να επιλέξουµε, η ρύθµιση «Read-only» πρέπει να αλλάξει. Ο ευκολότερος τρόπος για να γίνει αυτό είναι κάνοντας δεξί κλικ πάνω στο αρχείο και διαλέγοντας το «Properties» από το µενού που εµφανίζεται. Στο πεδίο «Characteristics» κάνουµε αριστερό κλικ πάνω στην επιλογή «Readonly», ολοκληρώνοντας τη διαδικασία. 145

156 Συνεργασία του Chemcad µε άλλα προγράµµατα 10.4 Χρησιµοποίηση του Chemcad σαν διακοµιστή OPC (OPC server) Η αναγκαιότητα ανταλλαγής δεδοµένων ανάµεσα σε διαφορετικά προγράµµατα και διαφορετικές συσκευές έχει οδηγήσει στη δηµιουργία µεθόδων και πρωτοκόλλων διασύνδεσης. Μια από τις ευρέως χρησιµοποιούµενες µεθόδους είναι η µέθοδος OPC (OLE for Process Control). Το πρόγραµµα Chemcad µπορεί να λειτουργήσει ως διακοµιστής OPC και να καθοδηγήσει την ανταλλαγή πληροφοριών και δεδοµένων ανάµεσα στην προσοµοίωσή µας και οποιοδήποτε άλλη εφαρµογή OPC. Όλα τα συστήµατα OPC χαρακτηρίζονται είτε ως διακοµιστές OPC (OPC servers), δηλαδή συσκευές που προσφέρουν τα δεδοµένα, είτε ως χρήστες OPC (OPC clients), µπορούν να συνδεθούν σε κάποιον διακοµιστή και να διαβάσουν ή να γράψουν δεδοµένα. Για την αναγνώριση και την οργάνωση όλων των εντολών και των δεδοµένων, οι διακοµιστές OPC χρησιµοποιούν ταµπέλες ονοµάτων (namespaces). Κάθε ταµπέλα ονοµάτων διαχωρίζεται σε επιµέρους οµάδες, κάθε µια από τις οποίες περιέχει διάφορα αντικείµενα. Στο πρόγραµµα Chemcad, οι οµάδες στις ταµπέλες ονοµάτων του διακοµιστή OPC οργανώνονται χρησιµοποιώντας την παρακάτω σήµανση: i. CHEMCAD.SimulationServer: Αυτό είναι το όνοµα του διακοµιστή OPC και σε αυτόν θα συνδεθούν όλοι οι πιθανοί χρήστες OPC. Τις περισσότερες φορές, το τέλος του ονόµατος του διακοµιστή υπάρχει ένας αριθµός που καθορίζει την έκδοση του. ii. CHEMCAD group: H εν λόγω οµάδα περιέχει πληροφορίες που δεν έχουν σχέση µε τις ροές και τις λειτουργικές µονάδες της προσοµοίωσης, καθώς και όλες τις εντολές που χρησιµοποιούνται για την εκτέλεση του προγράµµατος. iii. Streams group: Η οµάδα αυτή περιέχει όλες τις ροές του σχεδιαγράµµατος ροής της προσοµοίωσής µας. Κάθε ροή βρίσκεται στη δικιά της ανεξάρτητη υπό-οµάδα, για καλύτερη επισκόπηση. iv. UnitOperations group: Εδώ βρίσκονται όλες οι λειτουργικές µονάδες του σχεδιαγράµµατος ροής της προσοµοίωσής µας. Κάθε µονάδα έχει τη δική της ανεξάρτητη υπό-οµάδα, για καλύτερη επισκόπηση Ενεργοποίηση του προγράµµατος ως διακοµιστή OPC H διαδικασία που πρέπει να ακολουθήσουµε για να ενεργοποιήσουµε το πρόγραµµα σαν διακοµιστή OPC είναι να επιλέξουµε διαδοχικά Tools- Options-Misc. Settings από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στο παράθυρο που εµφανίζεται τσεκάρουµε την επιλογή «Enable OPC server» και κάνουµε αριστερό κλικ στο πλήκτρο «ΟΚ». Η διαδικασία ολοκληρώθηκε και στον υπολογιστή µας έχει δηµιουργηθεί ο διακοµιστής µε το όνοµα CHEMCAD.SimulationServer.1. Αν θέλουµε τερµατίσουµε την εργασία του διακοµιστή και να τον αποµακρύνουµε από τη λίστα των διακοµιστών OPC του συστήµατός µας, θα πρέπει να επιλέξουµε Start-Run από το περιβάλλον εργασίας των Microsoft Windows. Στο παράθυρο που ανοίγει πληκτρολογούµε την εντολή: C:\Program Files\Chemstations\CHEMCAD\Program\CC6.exe -unregister. 146

157 Συνεργασία του Chemcad µε άλλα προγράµµατα Σε περίπτωση που έχουµε εγκαταστήσει το πρόγραµµα σε διαφορετικά φάκελο του συστήµατος η παραπάνω εντολή διαφοροποιείται και γίνεται: (τοποθεσία κύριου φακέλου του προγράµµατος)\ CC6.exe unregister. Κάθε φορά που θα ανοίγουµε µια προσοµοίωση όλα τα χαρακτηριστικά των ροών και των λειτουργικών µονάδων εµφανίζονται και στο περιβάλλον του διακοµιστή, µε αντίστοιχες ταµπέλες. Όλοι οι κανόνες και οι περιπτώσεις που έχουµε αναφέρει µέχρι τώρα για τη χρήση της προσοµοίωσης ισχύουν και στη συγκεκριµένη περίπτωση του διακοµιστή Ανάγνωση και εγγραφή τιµών στην προσοµοίωση Με τη βοήθεια της µεθόδου OPC µπορούµε να διαβάσουµε ή να γράψουµε τιµές στην προσοµοίωσή µας, είτε αυτή είναι στατική (steady-state) είτε δυναµική (dynamic). Μετά το τέλος κάθε εκτέλεσης της προσοµοίωσης, ή κάθε χρονικού βήµατος στην περίπτωση της δυναµικής προσοµοίωσης, όλες οι τιµές των δεδοµένων ανανεώνονται αυτόµατα και βρίσκονται στη διάθεση των χρηστών προς ανάγνωση. Επιπλέον, υπάρχει η δυνατότητα εγγραφής τιµών σε οποιαδήποτε χρονική στιγµή. Αν η δυναµική µας προσοµοίωση βρίσκεται ανάµεσα σε χρονικά βήµατα την ώρα που θέλουµε να γράψουµε νέες τιµές, τότε αυτές θα αποθηκευτούν στην προσωρινή µνήµη του συστήµατος και όταν η προσοµοίωση συγκλίνει, θα ολοκληρωθεί η διαδικασία εγγραφής Άλλες χρήσιµες εντολές που υποστηρίζει ο διακοµιστής OPC Εκτός από την εγγραφή και την ανάγνωση τιµών υπάρχει η δυνατότητα να στείλουµε εντολές στο πρόγραµµα ώστε να πραγµατοποιηθούν συγκεκριµένες ενέργειες. Παραδείγµατος χάρη, η έναρξη και ο τερµατισµός της εκτέλεσης της προσοµοίωσης είναι µια εντολή που υποστηρίζεται από το πρόγραµµα. Όλες οι εντολές χρησιµοποιούν τη λειτουργία των «σηµαιών ελέγχου» (flags) ώστε να ενηµερώσουν το χρήστη για την επιτυχία ή αποτυχία εκτέλεσής τους. Οι σηµαίες αυτές βρίσκονται στην οµάδα του προγράµµατος, στο διακοµιστή OPC, και για να τις χρησιµοποιήσουµε πληκτρολογούµε τον αριθµό «1» σε κάποια από αυτές. Αν η εκτέλεση της εντολής είναι επιτυχής τότε το πρόγραµµα θα επιστρέψει πίσω τη σηµαία µε την τιµή «0» ενώ, αν η σηµαία έχει αρνητικό αριθµό σηµαίνει ότι έχει προκύψει κάποιο λάθος κατά την εκτέλεσή της. Αναλυτικά, η λίστα των εντολών έχει ως εξής: o Refresh server: Η εντολή αυτή ενηµερώνει το πρόγραµµα να ανανεώσει όλα τα δεδοµένα που στέλνει στο διακοµιστή OPC. Χρησιµεύει στην περίπτωση που υπάρχει εξωτερική παρέµβαση χρηστών στην εγγραφή δεδοµένων ή όταν έχει πραγµατοποιηθεί νέα προσοµοίωση. o Run steady state: Με τη βοήθειά της το πρόγραµµα ξεκινά την εκτέλεση µια προσοµοίωσης στατικής κατάστασης (steady-state). Μετά το τέλος της προσοµοίωσης, σε περίπτωση σύγκλισης, η σηµαία ελέγχου θα έχει την τιµή µηδέν. Σε αντίθετη περίπτωση, θα υπάρχει αρνητικός αριθµός και εποµένως θα χρειαστεί να ανοίξουµε το 147

158 Συνεργασία του Chemcad µε άλλα προγράµµατα περιβάλλον του Chemcad απευθείας για να εντοπίσουµε και να διορθώσουµε τα λάθη της προσοµοίωσης. o Run dynamic: Ξεκινά την εκτέλεση µιας δυναµικής προσοµοίωσης. Η σηµαία λειτουργεί µε τον ίδιο τρόπο όπως στην προσοµοίωση στατικής κατάστασης. o Run dynamic one step: Εκτελεί µόνο ένα χρονικό βήµα από τη δυναµική µας προσοµοίωση. o Set initial state: Ορίζει την τρέχουσα κατάσταση της προσοµοίωσης ως «αρχική κατάσταση». o Restore to initial state: Επαναφέρει τη δυναµική προσοµοίωση στην αρχική της κατάσταση, ή αλλιώς στο «σηµείο µηδέν» όπως την ορίσαµε µε προηγούµενη εντολή. o Stop simulation: Τερµατίζει την εκτέλεση της δυναµικής προσοµοίωσης Περιβάλλον COM Το περιβάλλον COM (Component Object Model) είναι µια πλατφόρµα που επιτρέπει σε προγράµµατα να ανταλλάξουν δεδοµένα και ρουτίνες υπολογισµών. Προγράµµατα που υποστηρίζουν την πλατφόρµα µπορούν, µε τη βοήθειά της, να ελέγξουν µια προσοµοίωσή του Chemcad. Αν και η λειτουργία αυτή είναι εξαιρετικά σηµαντική για τη δηµιουργία αυτοµατοποιηµένων συστηµάτων προσοµοίωσης, η χρησιµοποίησή του είναι γενικά δύσκολη και απαιτεί αρκετή εµπειρία προγραµµατισµού. Βέβαια, οι δυνατότητες που προσφέρονται είναι πολύ µεγάλες και ξεκινούν από απλά περιβάλλοντα ελέγχου ενός προγράµµατος µέχρι πολυσύνθετα συστήµατα µε τη χρήση διαφορετικών προγραµµάτων. Στην παρούσα άσκηση θα αναφερθούµε σε ένα απλό περιβάλλον COM ανάµεσα στο πρόγραµµα Microsoft Excel και το Chemcad. Ήδη έχουµε αναφερθεί σε προηγούµενη παράγραφο για το πώς µπορούµε να ανταλλάσουµε δεδοµένα ανάµεσα στα δυο προγράµµατα χρησιµοποιώντας την εφαρµογή «Excel data map». Αν επιζητούµε περισσότερο περίπλοκες ενέργειες, όπως την εκτέλεση της προσοµοίωσης από το πρόγραµµα Excel, θα πρέπει να χρησιµοποιήσουµε περιβάλλον COM Περιβάλλον COM ανάµεσα στα προγράµµατα Excel και Chemcad Με την παρούσα εφαρµογή, θα χρησιµοποιήσουµε το πρόγραµµα Excel για να ανοίξουµε το πρόγραµµα Chemcad, να µεταφέρουµε δεδοµένα από το Chemcad σε ένα φύλλο εργασία του Excel, να αλλάξουµε µια τιµή στην προσοµοίωση, να εκτελέσουµε την προσοµοίωση και τέλος, να τοποθετήσουµε τις καινούργιες τιµές µετά την εκτέλεση πίσω στο Excel. Κατά την εγκατάσταση του προγράµµατος Chemcad δηµιουργήθηκε ένα αρχείο Excel µε το όνοµα VBClient.xls στο κύριο φάκελο του προγράµµατος. Αν ο χρήστης δεν έκανε κάποια αλλαγή στην εγκατάσταση, η τοποθεσία του φακέλου θα είναι η C:\Program Files\Chemstations\CHEMCAD. Το αρχείο αυτό έχει στόχο να βοηθήσει τους χρήστες που δεν είναι εξοικειωµένοι µε τον προγραµµατισµό να καταφέρουν να ολοκληρώσουν τη δηµιουργία του 148

159 Συνεργασία του Chemcad µε άλλα προγράµµατα περιβάλλοντος COM. Ακόµα και αν κάποιος χρήστης θέλει να προγραµµατίσει µόνος του από την αρχή όλες τις εντολές, µπορεί να χρησιµοποιήσει το αρχείο ως χρήσιµο οδηγό. Ξεκινάµε την εφαρµογή µας εντοπίζοντας και ανοίγοντας το αρχείο Excel VBClient.xls. Μέσα στο αρχείο αυτό υπάρχουν τρία φύλλα εργασίας. Το πρώτο φύλλο ονοµάζεται «Streams», περιέχει όλα τα δεδοµένα των ροών της προσοµοίωσης και µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να γράψουµε και να διαβάσουµε δεδοµένα που αφορούν τις µεταβλητές της προσοµοίωσης µας. Το δεύτερο φύλλο είναι το «UnitOps» και σε αυτό υπάρχουν όλα τα στοιχεία που αφορούν τις λειτουργικές µονάδες της προσοµοίωσης. Όµοια µε προηγουµένως, το φύλλο αυτό χρησιµοποιείται και για εγγραφή και για ανάγνωση δεδοµένων. Τέλος, το τρίτο φύλλο ονοµάζεται «Command» και αποτελείται από πλήκτρα που αντιπροσωπεύουν εντολές για τον έλεγχο της προσοµοίωσής µας. Επιλέγουµε το φύλλο «Command» και από τις διαθέσιµες εντολές επιλέγουµε την «Load Chemcad» για να ξεκινήσουµε την εκτέλεση του προγράµµατος Chemcad. Εν συνεχεία, διαλέγουµε την εντολή «Load simulation» και στο παράθυρο που εµφανίζεται εντοπίζουµε το αρχείο προσοµοίωσης που θέλουµε να ανοίξουµε και πατάµε το πλήκτρο «ΟΚ». Σχήµα 10.4: Παράθυρο του αρχείου VBClient.xls, φύλλο «Commands» Η προσοµοίωσή µας έχει ανοίξει και είµαστε έτοιµοι να κάνουµε τις αλλαγές που θέλουµε σε αυτήν. ιαλέγουµε είτε το φύλλο εργασίας «Streams» είτε το «UnitOps», ανάλογα µε το τι θέλουµε να κάνουµε, και αλλάζουµε τα δεδοµένα κατά βούληση. 149

160 Συνεργασία του Chemcad µε άλλα προγράµµατα Πατώντας το πλήκτρο «Send data» του φύλλου εργασίας «Commands» στέλνουµε τις αλλαγές που κάναµε προηγουµένως στην προσοµοίωσή του Chemcad. Αν η προσοµοίωσή µας είναι σταθερής κατάστασης, χρησιµοποιούµε το πλήκτρο «Run all» για να ξεκινήσουµε την εκτέλεσή της. Σε περίπτωση που δουλεύουµε µε δυναµική προσοµοίωση, χρησιµοποιούµε τα πλήκτρα «Run all steps» αν θέλουµε να εκτελέσουµε όλα τα χρονικά βήµατα της, «Run step» για την εκτέλεση ενός µόνο βήµατος και «Restore to initial state» για να την επιστρέψουµε στο αρχικό της στάδιο. Μετά το τέλος της εκτέλεσης και την επιτυχία αυτής, τα δεδοµένα των φύλλων «Streams» και «UnitOps» έχουν αλλάξει ακολουθώντας τα στοιχεία που ορίσαµε εµείς προηγουµένως. Η διαδικασία ελέγχου έχει ολοκληρωθεί. Σηµειώνουµε ότι µπορούµε να δούµε αναλυτικά τον κώδικα που χρησιµοποιεί κάθε εντολή του φύλλου εργασίας «Commands» κάνοντας δεξί κλικ πάνω στο αντίστοιχο πλήκτρο και επιλέγοντας το «Assign macro». Στο παράθυρο που εµφανίζεται διαλέγουµε την εντολή που θέλουµε να µελετήσουµε και πατάµε το πλήκτρο «Edit». Εµφανίζεται το παράθυρο «Microsoft Visual Basic» που περιέχει τον κώδικα της εντολής αυτής. Όλες οι διαφορετικές εντολές που υποστηρίζονται από το περιβάλλον COM του Chemcad βρίσκονται στην επίσηµη ιστοσελίδα της εταιρίας Chemstations, κατασκευάστρια εταιρία του προγράµµατος Chemcad. 150

161 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 11. Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm του προγράµµατος Με τη συγκεκριµένη εφαρµογή έχουµε ως στόχο να υπολογίσουµε έναν εναλλάκτη θερµότητας µιας εγκατάστασης σταθεροποιητή συµπυκνωµάτων (Condensate Stabilizer) που αναλύεται παρακάτω Περιγραφή της εγκατάστασης Η εν λόγω εγκατάσταση αποτελείται από δυο εναλλάκτες θερµότητας, έναν διαχωριστή υγρού-ατµού (flash tank), µια βαλβίδα και το σταθεροποιητή συµπυκνωµάτων δηλαδή, στο παράδειγµά µας, µια στήλη απόσταξης. Η τροφοδοτική ροή µας εισέρχεται στο σύστηµα µε θερµοκρασία 75 F και πίεση 200 psia, αποτελείται δε από τα παρακάτω συστατικά: Άζωτο (Ν 2 )= 100,19 (lb mole)/hr Μεθάνιο (CH 4 )= 4505,48 (lb mole)/hr Αιθάνιο (C 2 H 6 )= 514 (lb mole)/hr Προπάνιο (C 3 H 8 )= 214 (lb mole)/hr Ι-Βουτάνιο (C 4 H 10 )= 19,2 (lb mole)/hr Ν-Βουτάνιο (C 4 H 10 )= 18,18 (lb mole)/hr Ι-Πεντάνιο (C 5 H 12 )= 26,4 (lb mole)/hr Ν-Πεντάνιο (C 5 H 12 )= 14 (lb mole)/hr Ν-Εξάνιο (C 6 H 14 )= 14 (lb mole)/hr Επιπλέον, για τις λειτουργικές µονάδες της εγκατάστασης έχουµε τα παρακάτω δεδοµένα: Εναλλάκτης θερµότητας 1: Πτώση πίεσης στη ροή 1=5 psi, πτώση πίεσης στη ροή 4=5 psi, κλάσµα ατµού στη ροή 2=1. Εναλλάκτης θερµότητας 2: Πτώση πίεσης στη ροή 1=5 psi, θερµοκρασία εξόδου του ρευστού από τον εναλλάκτη=-5 F. Βαλβίδα: Πίεση εξόδου= 125 psi. Σταθεροποιητής συµπυκνωµάτων: Αποτελείται από 12 βαθµίδες, η τροφοδοσία γίνεται στην πρώτη βαθµίδα, ρευστό που φεύγει από τη βάση της στήλης (bottom draw)= 30 (lb mole)/hr Σχεδιασµός της προσοµοίωσης Τα βήµατα που θα ακολουθήσουµε για τη δηµιουργία µιας προσοµοίωσης έχουν αναλυθεί διεξοδικά στην παράγραφο «ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείρισης προσοµοιώσεων». Παρόλα αυτά, θα κάνουµε παρακάτω µια σύντοµη αναφορά σε αυτά τα βήµατα ειδικά εστιασµένη στις απαιτήσεις του συγκεκριµένου προβλήµατος, Έναρξη καινούργιας προσοµοίωσης και επιλογή των µονάδων µέτρησης 151

162 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm Ξεκινάµε δηµιουργώντας µια καινούργια προσοµοίωση µε τη βοήθεια των επιλογών του βασικού µενού του προγράµµατος (File-Open). Αφού την ονοµάσουµε (File-Save as), συνεχίζουµε µε την επιλογή των µονάδων µέτρησης που θα χρησιµοποιηθούν στο πρόβληµά µας (Format-Engineering Units). Στην εφαρµογή αυτή θα χρησιµοποιηθούν αγγλικές µονάδες µέτρησης εποµένως θα πρέπει να διαλέξουµε το αγγλικό σύστηµα µονάδων («English») ηµιουργία του σχεδιαγράµµατος ροής Επόµενη ενέργεια είναι η δηµιουργία του σχεδιαγράµµατος ροής του προβλήµατος, που θα περιλαµβάνει τις κατάλληλες ροές και λειτουργικές µονάδες. Αρχικά, εντοπίζουµε στην οµάδα «All UnitOps» της παλέτας σχεδιασµού το εικονίδιο της τροφοδοτικής ροής («Feed #1») και τοποθετούµε το εικονίδιό της σε κάποιο σηµείο του παραθύρου σχεδιασµού που προτιµάµε. Η τροφοδοτική ροή αποτελεί πάντοτε την αρχή του σχεδιαγράµµατος ροής κάθε σχετικού προβλήµατος. Εν συνεχεία, η οµάδα «Heat Exchangers» της παλέτας σχεδιασµού περιέχει όλους τους διαφορετικούς τύπους εναλλακτών θερµότητας που θα χρειαστούµε. Για να επιλέξουµε τους σωστούς εναλλάκτες της εγκατάστασης θα πρέπει πρώτα να εµφανίσουµε το δευτερεύον µενού του εικονιδίου «Heat Exchanger #1», κάνοντας αριστερό κλικ στο ορθογώνιο που εµφανίζεται στην κάτω αριστερά του γωνία. Στη συνέχεια, διαλέγουµε το εικονίδιο που φαίνεται δίπλα για τον πρώτο εναλλάκτη της εγκατάστασης, που είναι 2 εισόδων και 2 εξόδων. Τοποθετούµε τον εναλλάκτη µας στο σχεδιάγραµµα ροής δεξιά από την τροφοδοτική ροή. Προσπαθούµε η απόσταση ανάµεσα στα λειτουργικά στοιχεία του σχεδιαγράµµατος να είναι αρκετή ώστε να µην δηµιουργήσουµε ένα µπλεγµένο και δυσδιάκριτο οπτικό αποτέλεσµα. Ο δεύτερος εναλλάκτης µας είναι µόνο µιας εισόδου και εξόδου και το εικονίδιό του φαίνεται στα αριστερά. Ο εναλλάκτης αυτός θα πρέπει να τοποθετηθεί δεξιά του προηγούµενου. Επόµενη λειτουργική µονάδα στην εγκατάστασή µας είναι ο διαχωριστής υγρού-ατµού. Το εικονίδιο που τον αντιπροσωπεύει βρίσκεται στην οµάδα «All UnitOps», ονοµάζεται «Flash #1» και φαίνεται στο διπλανό σχήµα. Η θέση του εικονιδίου είναι δεξιά του δεύτερου εναλλάκτη της εγκατάστασης. Η λειτουργική µονάδα της βαλβίδας βρίσκεται στην οµάδα «All UnitOps» και ονοµάζεται «Valve #1». Το εικονίδιό της θα πρέπει να τοποθετηθεί σε κάποιο σηµείο του σχεδιαγράµµατος ροής δεξιά από το διαχωριστή. Σχετικά µε την αποστακτική στήλη, θα πρέπει να εντοπίσουµε το εικονίδιο «Tower #1» της οµάδας «All UnitOps» στην παλέτα σχεδιασµού. Η στήλη της εγκατάστασής µας πρέπει να έχει δυνατότητα αναθέρµανσης µέσω µονάδας αναβραστήρα πυθµένα (Reboiler) αλλά να µην διαθέτει συµπυκνωτή (Condenser). Για το λόγο αυτό, εµφανίζουµε το 152

163 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm δευτερεύον µενού του εικονιδίου «Tower #1» κάνοντας αριστερό κλικ στο ορθογώνιο που εµφανίζεται στην κάτω αριστερά του γωνία και διαλέγουµε το εικονίδιο που φαίνεται στα αριστερά. Η αποστακτική στήλη θα πρέπει να τοποθετηθεί σε δεξιά της βαλβίδας της εγκατάστασης. Τέλος, για να τοποθετήσουµε τα προϊόντα της απόσταξης χρησιµοποιούµε το εικονίδιο «Product #1» της οµάδας «All UnitOps» της παλέτας σχεδιασµού. Η εγκατάστασή µας παράγει τρία τελικά προϊόντα και η θέση τους στο σχεδιάγραµµα ροής είναι δεξιά της στήλης απόσταξης και κοντά στην κορυφή (προϊόν κορυφής), στον πυθµένα (προϊόν πυθµένα) και κάτω από τον πυθµένα αντίστοιχα (παραγόµενο αέριο). Επόµενο βήµα θα πρέπει να είναι η σύνδεση όλων των λειτουργικών µονάδων µε όλες τις απαραίτητες ροές. Ξεκινάµε από την τροφοδοτική ροή και σχεδιάζουµε την πρώτη ροή (1) στην αριστερή είσοδο του πρώτου εναλλάκτη της εγκατάστασης. Η επόµενη ροή (2) συνδέει τη δεξιά έξοδο του πρώτου εναλλάκτη µε την είσοδο του δεύτερου. Από την έξοδο του δεύτερου εναλλάκτη η ροή (3) εισέρχεται στην είσοδο του διαχωριστή υγρού-ατµού. Από την έξοδο στην κορυφή του διαχωριστή ξεκινάει η ροή (4) και καταλήγει στην πάνω είσοδο του πρώτου εναλλάκτη. Από την κάτω έξοδο του πρώτου εναλλάκτη η ροή (5) συνδέεται µε το εικονίδιο προϊόντος του παραγόµενου αερίου. Από την χαµηλότερη έξοδο του διαχωριστή σχεδιάζουµε τη ροή (6) προς την είσοδο της βαλβίδας. Από την βαλβίδα η ροή (7) εισέρχεται κοντά στην κορυφή της αποστακτικής στήλης. Η ροή (8) εξέρχεται από την κορυφή της στήλης και συνδέεται µε το εικονίδιο του προϊόντος κορυφής. Τέλος, η ροή (9) εξέρχεται από τον πυθµένα της στήλης και συνδέεται µε το εικονίδιο του προϊόντος πυθµένα. Μετά την ολοκλήρωση των παραπάνω ενεργειών το σχεδιάγραµµα ροής µας θα πρέπει να µοιάζει µε το παρακάτω: Σχήµα 1.1: Σχεδιάγραµµα ροής της εγκατάστασής µας 153

164 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm Στο σηµείο αυτό πρέπει να διευκρινίσουµε ότι οι θέσεις των λειτουργικών µονάδων που αναφέραµε παραπάνω είναι ενδεικτικές και µπορεί να αλλάξουν κατά τη βούληση του κάθε χρήστη. Στο συγκεκριµένο πρόβληµα, αυτό που δεν µπορεί να αλλάξει, είναι η αλληλουχία σύνδεσης ανάµεσα στα στοιχεία του σχεδιαγράµµατος ροής µε τις κατάλληλες ροές γιατί τότε θα έχουµε ένα εντελώς διαφορετικό πρόβληµα προς επίλυση Επιλογή των χηµικών συνιστωσών της προσοµοίωσης Για να εµφανίσουµε το παράθυρο επιλογής των συνιστωσών αυτών επιλέγουµε διαδοχικά Thermophysical-Select Components από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στο παράθυρο αυτό εντοπίζουµε τις συνιστώσες άζωτο (nitrogen), µεθάνιο (methane), αιθάνιο (ethane), προπάνιο (propane), ι- βουτάνιο (i-butane), ν-βουτάνιο (n-butane), ι-πεντάνιο (i-pentane), ν-πεντάνιο (n-pentane) και ν-εξάνιο (n-hexane) και τις εισάγουµε στη λίστα συνιστωσών του προβλήµατος µε την εντολή «Add». Μετά το τέλος της δηµιουργίας της λίστας συνιστωσών το παράθυρο «Component Selection» θα είναι ως εξής: Σχήµα 1.2: Παράθυρο επιλογής των χηµικών συνιστωσών της προσοµοίωσης Καθορισµός των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών της προσοµοίωσης Το Chemcad µας προσφέρει τη δυνατότητα να χρησιµοποιήσουµε ένα αυτοµατοποιηµένο σύστηµα για την επιλογή των κατάλληλων µοντέλων υπολογισµού των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών, που καλείται «Thermodynamics Wizard» ή να πραγµατοποιήσουµε όλες τις απαραίτητες επιλογές µόνοι µας. Η χρήση του αυτοµατοποιηµένου συστήµατος είναι δυνατή µετά τον καθορισµό της λίστας συνιστωσών που λαµβάνουν µέρος στην προσοµοίωση, όταν το πρόγραµµα µας εµφανίζει αυτόµατα το παράθυρο «Thermodynamics Wizard». 154

165 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm Στο πάνω µέρος του παραθύρου βρίσκεται το κοµµάτι «Select components to ignore», όπου µπορούµε να επιλέξουµε ποιες από τις συνιστώσες της λίστας µας θέλουµε να αγνοήσει το πρόγραµµα όταν θα µας προτείνει τα διάφορα µοντέλα υπολογισµού των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών. Για παράδειγµα, αν θέλουµε να αγνοήσουµε τη συνιστώσα του µεθανίου (Methane) τότε πρέπει να την επιλέξουµε από τη λίστα που θα εµφανιστεί κάνοντας αριστερό κλικ στο κάθετος βέλος, δεξιά από κάποιο από τα έξι πλαίσια επιλογής που υπάρχουν. Στο κάτω µέρος του παραθύρου µπορούµε να καθορίσουµε διάφορες παραµέτρους της διαδικασίας όπως τα ακριβή εύρη θερµοκρασίας και πίεσης. Επίσης υπάρχει και η επιλογή «BIP data threshold» που αφορά τις παραµέτρους δυαδικής αλληλεπίδρασης (Binary Interaction Parameters). Πιο συγκεκριµένα, στο πεδίο αυτό πρέπει να θέσουµε το ελάχιστο ποσοστό των πιθανών παραµέτρων δυαδικής αλληλεπίδρασης που πρέπει να υπάρχουν σε κάποιο µοντέλο συντελεστή ενεργότητας (activity coefficient) έτσι ώστε να βοηθήσουµε το πρόγραµµα στην επιλογή του κατάλληλου µοντέλου. Αν δεν υπάρχουν παράµετροι δυαδικής αλληλεπίδρασης όλα τα µοντέλα του συντελεστή ενεργότητας απλοποιούνται στο νόµο του Raoul. Πιέζοντας το πλήκτρο «OK» του παραθύρου το πρόγραµµα θα µας ενηµερώσει ποιο µοντέλο επέλεξε τελικά για τον υπολογισµό της τιµής Κ (σχετική µε την ισορροπία των φάσεων της διεργασίας) και της ενθαλπίας, χρησιµοποιώντας σχετικό παράθυρο. Στη συνέχεια, εµφανίζεται το παράθυρο «Thermodynamic Settings» από όπου µπορούµε να αλλάξουµε χειροκίνητα όλες τις θερµοδυναµικές επιλογές αν πιστεύουµε ότι το αποτέλεσµα της αυτοµατοποιηµένης διαδικασίας ήταν λανθασµένο. Το παράθυρο αυτό περιέχει τις ταµπέλες «Kvalue models», «Enthalpy models» και «Transport properties». Σηµειώνουµε ότι το παράθυρο αυτό µπορεί να εµφανιστεί οποιαδήποτε στιγµή το επιθυµούµε (π.χ. για να διορθώσουµε κάποια επιλογή) επιλέγοντας διαδοχικά Thermophysical-Thermodynamic Settings από το βασικό µενού του προγράµµατος ή κάνοντας αριστερό κλικ στο αντίστοιχο κουµπί της µπάρας εργαλείων ( ). Στο συγκεκριµένο παράδειγµα θεωρούµε δεδοµένη τη χρησιµοποίηση του µοντέλου «Peng-Robinson» για τον υπολογισµό της τιµής Κ. Εποµένως, στην ταµπέλα «Kvalue models» εντοπίζουµε το πεδίο «Global K Value Option» και από τη λίστα επιλογών διαλέγουµε το µοντέλο Peng-Robinson. εν χρειάζεται να κάνουµε κάποια άλλη αλλαγή στις υπόλοιπες επιλογές αυτής της οθόνης. Κάνοντας αριστερό κλικ στην ταµπέλα «Enthalpy models» παρατηρούµε ότι το πρόγραµµα έχει επιλέξει αυτόµατα για τον υπολογισµό της ενθαλπίας το ίδιο µοντέλο µε αυτό για τον υπολογισµό της τιµής Κ. Στην περίπτωση που εξετάζουµε η επιλογή αυτή µας καλύπτει εποµένως κάνοντας αριστερό κλικ στο πλήκτρο «ΟΚ» που βρίσκεται κάτω δεξιά στο παράθυρο διαλόγου ολοκληρώνουµε την εισαγωγή των θερµοδυναµικών δεδοµένων. Είναι σηµαντικό να κατανοήσουµε µε ποιόν τρόπο επιλέγει ένα µοντέλο το αυτοµατοποιηµένο σύστηµα Thermodynamics Wizard έτσι ώστε να µπορούµε να ξεχωρίσουµε τις περιπτώσεις που θα πραγµατοποιήσει λάθος επιλογή όταν το χρησιµοποιήσουµε! 155

166 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm 1) Αρχικά, γίνεται η επιλογή του γενικού µοντέλου που θα ταίριαζε στη δεδοµένη λίστα συνιστωσών. Αν όλες οι συνιστώσες είναι υδρογονάνθρακες τότε το σύστηµα είναι πιθανότερο να επιλέξει κάποια εξίσωση κατάστασης (equation of state). Στην παρουσία νερού, θα επιλεγεί µια µέθοδος συντελεστή ενεργότητας (activity coefficient method). Αν υπάρχουν ταυτόχρονα νερό και υδρογονάνθρακες το σύστηµα θα επιλέξει το µοντέλο UNIFAC. Το µοντέλο UNIFAC περιγράφει µια µη ιδανική κατάσταση δύο υγρών φάσεων στην οποία η θερµοκρασία κυµαίνεται από 275 έως 475 Κ και η πίεση από O έως 4 atm Τέλος, στην περίπτωση ύπαρξης νερού και ισχυρών ηλεκτρολυτών θα επιλεγεί κάποιο µοντέλο ηλεκτρολυτών. 2) Στην συνέχεια, ανάλογα µε τις τιµές των ορίων της πίεσης και της θερµοκρασίας που έδωσε ο χρήστης, το σύστηµα επιλέγει το είδος της εξίσωσης που θα είναι καταλληλότερη στα όρια αυτών των τιµών. Αν η πίεση είναι υψηλή τότε είναι πιθανότερο να επιλεγεί εξίσωση κατάστασης (equation state). Στην περίπτωση που έχουµε ατµοσφαιρική πίεση και η θερµοκρασία είναι µικρότερη από το σηµείο βρασµού όλων των συνιστωσών τότε η επιλογή θα γίνει ανάµεσα σε ένα µοντέλο ενεργότητας υγρού (liquid activity model) και της ιδεατής πίεσης των αερίων (ideal vapor pressure). 3) Τέλος, αν η µέθοδος που επιλέγει είναι µέθοδος συντελεστή ενεργότητας, τότε το πρόγραµµα θα κοιτάξει στη βάση δεδοµένων των παραµέτρων δυαδικής αλληλεπίδρασης για να εντοπίσει το µοντέλο που έχει τις περισσότερες οµάδες δεδοµένων (data sets) για τη συγκεκριµένη περίπτωση και θα υπολογίσει την κλασµατική πληρότητα (fractional completeness) του µητρώου των παραµέτρων δυαδικής αλληλεπίδρασης αυτού του µοντέλου. Αν το µέγεθος αυτό έχει µεγαλύτερη τιµή από την τιµή που εισήγαγε ο χρήστης στο πλαίσιο «BIP data threshold» τότε το σύστηµα επιλέγει το εν λόγω µοντέλο. Σε αντίθετη περίπτωση επιλέγεται το µοντέλο UNIFAC. Όπως έχουµε προαναφέρει, το σύστηµα Thermodynamics Wizard έχει ως στόχο να προτείνει κάποια πιθανά µοντέλα υπολογισµού θερµοδυναµικών ιδιοτήτων κάνοντας χρήση κάποιων γενικών κανόνων επιλογής, που µερικές φορές µπορεί να είναι και λάθος. εν γίνεται να θεωρηθεί ως αντικαταστάτης της ανθρώπινης κρίσης ενός µηχανικού. Η σωστή χρήση του θα ήταν να το χρησιµοποιούµε για µια αρχική εκτίµηση της κατάστασης και στη συνέχεια να πραγµατοποιήσουµε τις όποιες επιλογές µόνοι µας, παίρνοντας φυσικά και την αντίστοιχη ευθύνη της επιλογής Προσδιορισµός των χαρακτηριστικών των τροφοδοτικών ροών Το επόµενο βήµα στη δηµιουργία της προσοµοίωσης είναι να εισάγουµε τα κατάλληλα χαρακτηριστικά στην τροφοδοτική ροή του προβλήµατος. Ο πιο γρήγορος τρόπος για να το κάνουµε αυτό είναι κάνοντας διπλό αριστερό κλικ πάνω της στο σχεδιάγραµµα ροής. Με τον τρόπο αυτό θα εµφανιστεί στην οθόνη µας το παράθυρο «Edit Streams» που θα µας βοηθήσει στην εισαγωγή των χαρακτηριστικών. Αρχικά, δίπλα από το πεδίο «Stream No.» βλέπουµε την αριθµητική τιµή αναφοράς που χρησιµοποιεί το πρόγραµµα για την κατηγοριοποίηση όλων των ροών της προσοµοίωσης. 156

167 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm Το πρώτο πεδίο «Stream name» µας επιτρέπει να ονοµάσουµε τη ροή, πληκτρολογώντας τους αντίστοιχους χαρακτήρες στο κενό πλαίσιο δεξιά του. Το όνοµα που θα δώσουµε θα φανεί στο σχεδιάγραµµα ροής εποµένως, για χάριν ευκρίνειας του σχεδιαγράµµατος, καλό θα ήταν να προσπαθήσουµε να διατηρήσουµε το µέγεθος του ονόµατος όσο µικρό γίνεται. Στη συνέχεια φαίνονται οι θερµοδυναµικές ιδιότητες της ροής, δηλαδή η θερµοκρασία (temperature), η πίεση (pressure), το κλάσµα ατµού (vapor fraction) και η ενθαλπία (enthalpy). Παρατηρούµε ότι δίπλα στις τέσσερεις αυτές θερµοδυναµικές ιδιότητες βρίσκονται οι µονάδες µέτρησης, όπως τις ορίσαµε σε προηγούµενο βήµα. Από τις τρεις µεταβλητές θερµοκρασία, πίεση και κλάσµα ατµού θα πρέπει να εισάγουµε τις τιµές των δύο. Το πρόγραµµα θα υπολογίσει την τρίτη µεταβλητή και την ενθαλπία, χρησιµοποιώντας τη θερµοδυναµική µέθοδο που επιλέξαµε σε προηγούµενο βήµα και τις τιµές των άλλων δυο µεταβλητών. Παρακάτω υπάρχουν τα πεδία «Total Flow» και «Total Flow Unit» που µας επιτρέπουν να εισάγουµε την τιµή της συνολικής ροής και την µονάδα µέτρησής της, αντίστοιχα. Η χρησιµοποίηση των πεδίων αυτών είναι αναγκαία µόνο όταν η µονάδα µέτρησης της συνιστώσας της ροής είναι αδιάστατη, δηλαδή θα είναι γραµµοµοριακό κλάσµα (mole fraction), κλάσµα µάζας (mass fraction) ή κλάσµα όγκου (volume fraction). Στο κάτω µέρος της οθόνης φαίνονται το πλαίσιο «Comp Unit» µαζί µε τις συνιστώσες που έχουµε επιλέξει για την προσοµοίωσή µας. Με τη βοήθεια της λίστας δίπλα από το «Comp Unit» µπορούµε να επιλέξουµε την µονάδα σύστασης της ροής µας. Στη συνέχεια, εισάγουµε την κατάλληλη τιµή δίπλα από κάθε συνιστώσα. Αν έχουµε εκφράσει τη σύσταση της ροής µας σε ποσοστό ή κλάσµα (µάζας, όγκου ή γραµµοµοριακό) µπορούµε να εισάγουµε τιµές που να µην έχουν συνολικό άθροισµα 100% και το πρόγραµµα να αναλάβει να κανονικοποιήσει τα µεγέθη αυτά ώστε να έχουν το κατάλληλο άθροισµα. Τέλος, στην πάνω αριστερά γωνία του παραθύρου ευρίσκεται η επιλογή «Flash», η οποία µας επιτρέπει να πραγµατοποιήσουµε γρήγορους υπολογισµούς για την εύρεση χαρακτηριστικών της ροής όπως για παράδειγµα τιµές σύστασης κάποιας συνιστώσας της ροής. Έχοντας κατανοήσει την σηµασία όλων των διαφορετικών πεδίων του παραθύρου είµαστε τώρα σε θέση να εισάγουµε τα χαρακτηριστικά της τροφοδοσίας, στο αντίστοιχο πεδίο που ανήκουν. Υπενθυµίζουµε ότι η τροφοδοτική ροή εισέρχεται στο σύστηµα µε θερµοκρασία 75 F και πίεση 200 psia, αποτελείται δε από τα παρακάτω συστατικά: Άζωτο (Ν 2 )= 100,19 (lb mole)/hr Μεθάνιο (CH 4 )= 4505,48 (lb mole)/hr Αιθάνιο (C 2 H 6 )= 514 (lb mole)/hr Προπάνιο (C 3 H 8 )= 214 (lb mole)/hr Ι-Βουτάνιο (C 4 H 10 )= 19,2 (lb mole)/hr Ν-Βουτάνιο (C 4 H 10 )= 18,18 (lb mole)/hr Ι-Πεντάνιο (C 5 H 12 )= 26,4 (lb mole)/hr 157

168 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm Ν-Πεντάνιο (C 5 H 12 )= 14 (lb mole)/hr Ν-Εξάνιο (C 6 H 14 )= 14 (lb mole)/hr Εποµένως, µετά την ολοκλήρωση της εισαγωγής το παράθυρο «Edit Streams» θα µοιάζει µε το παρακάτω: Σχήµα 1.3: Παράθυρο επεξεργασίας της ροής τροφοδοσίας Εισαγωγή των χαρακτηριστικών των λειτουργικών µονάδων Συνεχίζοντας την προσοµοίωσή µας, καθορίζουµε τα χαρακτηριστικά των λειτουργικών µονάδων του προβλήµατος. Ο πιο γρήγορος τρόπος για να γίνει αυτό είναι κάνοντας διπλό αριστερό κλικ πάνω στην µονάδα που µας ενδιαφέρει στο σχεδιάγραµµα ροής. Με τον τρόπο αυτό θα εµφανιστεί στην οθόνη µας το παράθυρο επιλογών της µονάδας που θα µας βοηθήσει στην εισαγωγή των στοιχείων. Πρώτος εναλλάκτης θερµότητας Ο εναλλάκτης αυτός παρουσιάζει πτώση πίεσης στη ροή 1=5 psi, πτώση πίεσης στη ροή 4=5 psi και κλάσµα ατµού στη ροή 2=1. Για να εισάγουµε τα στοιχεία αυτά κάνουµε καταρχήν διπλό κλικ πάνω στο εικονίδιο του εναλλάκτη στο σχεδιάγραµµα ροής. Στην οθόνη µας εµφανίζεται το παράθυρο «Heat Exchanger (HTXR)», που περιέχει τις ταµπέλες «Specifications» για την εισαγωγή των προδιαγραφών του εναλλάκτη, «Misc. Settings» για διάφορα χαρακτηριστικά εσωτερικής διαµόρφωσης και λειτουργίας του και «Cost Estimations», που βοηθά µελέτη κόστους του εναλλάκτη. 158

169 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm Με βάση τα στοιχεία του συγκεκριµένου παραδείγµατος ενδιαφερόµαστε µόνο για την ταµπέλα «Specifications». Εντοπίζουµε τα πεδία «Stream 1» και «Stream 4» στο πλαίσιο «Pressure drops» και πληκτρολογούµε την τιµή 5 και στα δύο. Τέλος, για το κλάσµα ατµού πρέπει να εισάγουµε την τιµή 1 στο πεδίο «Vapor fraction stream 2». Μετά την ολοκλήρωση της εισαγωγής των στοιχείων το παράθυρο του πρώτου εναλλάκτη θα πρέπει να µοιάζει µε το παρακάτω: Σχήµα 1.4: Στοιχεία του πρώτου εναλλάκτη θερµότητας της εγκατάστασης. εύτερος εναλλάκτης θερµότητας Στην περίπτωση αυτή έχουµε πτώση πίεσης στη ροή 1=5 psi και θερµοκρασία εξόδου του ρευστού από τον εναλλάκτη=-5 F. Για την εισαγωγή των στοιχείων κάνουµε διπλό κλικ πάνω στο εικονίδιο του εναλλάκτη στο σχεδιάγραµµα ροής. Στην οθόνη µας εµφανίζεται το παράθυρο «Simple Heat Exchanger (HTXR)», που περιέχει τις ταµπέλες «Specifications» για την εισαγωγή των προδιαγραφών του, «Utility Rating» αν θέλουµε να εφαρµόσουµε λειτουργία αξιολόγησης του εναλλάκτη και «Cost Estimations», για την µελέτη κόστους του εναλλάκτη. Και σε αυτό τον εναλλάκτη µας ενδιαφέρει µόνο η ταµπέλα «Specifications». Εντοπίζουµε το πεδίο «Pressure drop» και πληκτρολογούµε την τιµή 5. Τέλος, για το θερµοκρασία εξόδου πρέπει να εισάγουµε την τιµή -5 στο πεδίο «Temperature of stream 3». Μετά την ολοκλήρωση της εισαγωγής των στοιχείων το παράθυρο του δεύτερου εναλλάκτη θα πρέπει να µοιάζει µε το παρακάτω: 159

170 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm Σχήµα 1.5: Στοιχεία του δεύτερου εναλλάκτη θερµότητας της εγκατάστασης ιαχωριστής υγρού-ατµού Η εγκατάστασή µας χρησιµοποιεί αυτό το εξάρτηµα µόνο για το διαχωρισµό των ρευµάτων υγρού και ατµού εποµένως, δεν χρειάζεται σε αυτή την περίπτωση να κάνουµε κάποια εισαγωγή επιπλέον στοιχείων. Βαλβίδα Η πίεση εξόδου της βαλβίδας µας είναι 125 psi. Κάνοντας διπλό αριστερό κλικ πάνω στο εικονίδιό της στο σχεδιάγραµµα ροής εµφανίζεται το παράθυρο «Valve (VALV)». Το µόνο που πρέπει να κάνουµε εδώ είναι να πληκτρολογήσουµε την τιµή 125 στο πεδίο «Outlet pressure». Σχήµα 1.6: Στοιχεία της βαλβίδας. 160

171 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm Σταθεροποιητής συµπυκνωµάτων Τα δεδοµένα του σταθεροποιητή της εγκατάστασης µας είναι ότι αποτελείται από 12 βαθµίδες, η τροφοδοσία του γίνεται στην πρώτη βαθµίδα και η παροχή του ρευστού που φεύγει από την βάση της στήλης (bottom draw) είναι 30 (lb mole)/hr. Αν κάνουµε διπλό αριστερό κλικ πάνω στο εικονίδιο της στήλης στο σχεδιάγραµµα ροής εµφανίζεται το παράθυρο «TOWR Distillation Column». To παράθυρο αυτό αποτελείται από την ταµπέλα «General» για τα γενικά στοιχεία της στήλης, «Specifications» για τα δεδοµένα µεταφοράς µάζας και θερµότητας του συµπυκνωτή και του αναβραστήρα, «Convergence» που αφορά δεδοµένα για τη σύγκλιση και «Cost Estimation 1, 2» για την εισαγωγή στοιχείων που θα βοηθήσουν στη µελέτη κόστους της µονάδας. Στο παράδειγµά µας χρησιµοποιούµε αρχικά την ταµπέλα «General». Πληκτρολογούµε την τιµή 12 στο πεδίο «No. of stages», για τον αριθµό των βαθµίδων, και την τιµή 1 στο πεδίο «Feed tray for stream 7», για την τροφοδοτική βαθµίδα. Μετά την ολοκλήρωση της εισαγωγής δεδοµένων στην πρώτη ταµπέλα το παράθυρο επιλογών θα πρέπει να µοιάζει µε το παρακάτω: Σχήµα 1.7: Παράθυρο σταθεροποιητή συµπυκνωµάτων, ταµπέλα «General». Στην ταµπέλα «Specifications» θα πρέπει να καθορίσουµε τα δεδοµένα µονάχα του αναβραστήρα, αφού η στήλη µας δεν έχει συµπυκνωτή. Με βάση τα στοιχεία του προβλήµατος µας ενδιαφέρει να καθορίσουµε τη γραµµοµοριακή παροχή του πυθµένα στις 30 (lb mole)/hr. Εποµένως, κάνοντας αριστερό κλικ στο πεδίο «Select Reboiler Mode» εντοπίζουµε στη λίστα που εµφανίζεται την επιλογή «Bottom mole flowrate». Τέλος, στο πεδίο 161

172 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm «Specification» που εµφανίζεται δεξιά της επιλογής πληκτρολογούµε την τιµή 30. Μετά την ολοκλήρωση της εισαγωγής δεδοµένων στη δεύτερη ταµπέλα το παράθυρο επιλογών θα πρέπει να µοιάζει µε το παρακάτω: Σχήµα 1.8: Παράθυρο σταθεροποιητή συµπυκνωµάτων, ταµπέλα «Specifications». Στο σηµείο αυτό έχουµε ολοκληρώσει µε τη δηµιουργία της προσοµοίωσής µας. Μπορούµε να την τρέξουµε χρησιµοποιώντας το εικονίδιο «Run all» της µπάρας εργαλείων και το πρόγραµµα θα µας ενηµερώσει αν η εκτέλεση ήταν επιτυχηµένη εµφανίζοντας το µήνυµα σύγκλισης «Recycle calculation has converged» Υπολογισµός του εναλλάκτη Για τη διεργασία αυτή θα ασχοληθούµε µε τον πρώτο εναλλάκτη της παραπάνω εγκατάστασης, που όπως αναφέραµε έχει δύο εισόδους και δύο εξόδους. Και τα δύο ρεύµατα του εναλλάκτη είναι ρεύµατα αερίου και βρίσκονται σε αντιρροή, δηλαδή το αέριο που ρέει εσωτερικά των σωλήνων κινείται σε αντίθετη κατεύθυνση σχετικά µε το αέριο που ρέει εξωτερικά αυτών και εσωτερικά του κελύφους. Με βάση την αρίθµηση του σχεδιαγράµµατος ροής, η ροή 1 εισέρχεται στους σωλήνες και εξέρχεται ψυχόµενη από αυτούς ως ροή 2 ενώ η ροή 4 εισέρχεται στο κέλυφος και εξέρχεται θερµαινόµενη ως ροή 5. Ένας εναλλάκτης µε παρόµοια χαρακτηριστικά µε αυτόν που εξετάζουµε φαίνεται στην παρακάτω εικόνα: 162

173 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm Σχήµα 1.9: Εναλλάκτης κλάσης ΤΕΜΑ Β-Ε-Μ. Εκτός αυτού, ο εναλλάκτης µας παρουσιάζει τα παρακάτω στοιχεία γεωµετρίας και διαστάσεων: i. Κλάση TEMA (Tubular Exchanger Manufacturer's Association)= R. ii. Τύπος TEMA (Tubular Exchanger Manufacturer's Association)= ΒΕΜ. iii. Συντελεστές ακαθαρσιών= 0,001 σε κάθε πλευρά του εναλλάκτη. iv. Εσωτερική διάµετρος του κελύφους= 27. v. Πλήθος σωλήνων= 646. vi. Εξωτερική διάµετρος του σωλήνα= 0,75. vii. Πάχος του τοιχώµατος του σωλήνα= 0,065. viii. Μήκος του σωλήνα= 20. ix. Μορφή του σωλήνα= περιστροφικό τριγωνικό, µε γωνία 60. x. Βήµα σωλήνων (απόσταξη µεταξύ δυο διαδοχικών κέντρων)= 0,9375. xi. Ανακλαστήρες (Baffles)= 10, µε ίσες αποστάσεις το ένα από το άλλο. xii. Τύπος ανακλαστήρων= απλός τµηµατικός (single segmental). xiii. Baffle cut= 35% (διάµετρος). xiv. Ο εναλλάκτης διαθέτει πλάκα πρόσκρουσης (impingement plate). xv. ιάσταση ακροφυσίου του κελύφους= 12. xvi. ιάσταση ακροφυσίου του σωλήνα= 12. xvii. ιάκενο από τον ανακλαστήρα µέχρι την εσωτερική διάµετρο του κελύφους (Baffle to shell ID clearance) = 0,3125 (διάµετρος). xviii. ιάκενο από την εσωτερική διάµετρο του κελύφους µέχρι το εξωτερικό άκρο του σωλήνα (Shell ID to OTL clearance) = 0,35433 (διάµετρος). xix. ιάκενο από τον σωλήνα µέχρι την οπή του ανακλαστήρα (Tube to baffle hole clearance) = 0,035 (διάµετρος). xx. Κενό διάστηµα στο πάνω µέρος της δέσµης των σωλήνων (Space at top of bundle)= 2,8. 163

174 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm xxi. xxii. Το υλικό των σωλήνων του εναλλάκτη είναι ανθρακούχος χάλυβας ενώ όλα τα άλλα υλικά είναι από A-285-C. Υπάρχουν 5 γραµµές ανά sealing strip. Τα βήµατα που θα ακολουθήσουµε για τον υπολογισµό του εναλλάκτη µας είναι τα εξής: a) Καθορισµός της ροής εισόδου του εναλλάκτη. b) Σχεδιασµός και τελειοποίηση της καµπύλης θερµότητας. c) Εισαγωγή γενικών προδιαγραφών για τον εναλλάκτη. d) Ορισµός δεδοµένων για τους σωλήνες. e) Καθορισµός στοιχείων για το κέλυφος. f) Εισαγωγή δεδοµένων για τους ανακλαστήρες. g) Καθορισµός προδιαγραφών για τα ακροφύσια. h) Ορισµός στοιχείων σχετικά µε τα διάκενα. i) Αναφορά των υλικών που χρησιµοποιήθηκαν στην κατασκευή του εναλλάκτη. j) Εισαγωγή δεδοµένων για διάφορες άλλες γενικές παραµέτρους. k) Εκτέλεση του υπολογισµού. l) Επισκόπηση των αποτελεσµάτων και σχεδιασµός των απαραίτητων γραφικών παραστάσεων Καθορισµός της ροής εισόδου του εναλλάκτη Όταν έχει ολοκληρωθεί η προσοµοίωση της εγκατάστασής µας στη σταθερή κατάσταση (steady state) µπορούµε να ξεκινήσουµε τον υπολογισµό του εναλλάκτη µας. Το πρώτο πράγµα που πρέπει να κάνουµε είναι να επιλέξουµε τον πρώτο εναλλάκτη της εγκατάστασης, µε αριστερό κλικ πάνω στο εικονίδιό του στο σχεδιάγραµµα ροής. Εν συνεχεία, επιλέγουµε διαδοχικά Sizing-Heat Exchangers-Shell & Tube από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στην οθόνη µας εµφανίζεται ένα µήνυµα αναφοράς που µας προτρέπει να επιλέξουµε τη ροή που εισέρχεται στη µεριά του εναλλάκτη που περιέχει τους σωλήνες συναλλαγής θερµότητας. Πατώντας το «ΟΚ» εµφανίζεται το παράθυρο «Select Streams» στο οποίο µπορούµε είτε να πληκτρολογήσουµε την αριθµητική τιµή αναφοράς της εν λόγω ροής στη περίπτωσή µας την τιµή 1- ή να την επιλέξουµε µε αριστερό κλικ από το σχεδιάγραµµα ροής. Οποια από τις δυο επιλογές και να διαλέξουµε το Chemcad µας παρουσιάζει, σε ξεχωριστό παράθυρο, µια αναφορά που περιέχει αναλυτικά στοιχεία και για τις τέσσερεις διαφορετικές ροές που εισέρχονται και εξέρχονται από και προς τον εναλλάκτη. Στο παράδειγµα που µας ενδιαφέρει, η αναφορά γίνεται για τις ροές 1,2,4 και Σχεδιασµός και τελειοποίηση της καµπύλης θερµότητας Όταν κλείσουµε το παράθυρο της αναφοράς ροών που εµφανίστηκε στο παραπάνω βήµα το πρόγραµµα µας εµφανίζει το παράθυρο «Heat Curve Parameters». 164

175 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm Σχήµα 1.10: Παράµετροι της καµπύλης θερµότητας. Για να κατανοήσουµε την επιλογή του πεδίου «Cutting method» πρέπει πρώτα να αναλύσουµε πως αντιµετωπίζει το Chemcad τους υπολογισµούς για την καµπύλη θερµότητας. Το πρόγραµµα, θέλοντας να λάβει υπόψη του τις αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες που συµβαίνουν κατά µήκος του εναλλάκτη θερµότητας, χωρίζει την ανάλυση σε επιµέρους θερµοδυναµικές ζώνες. Οι περιοχές αυτές µπορεί να αφορούν ίσες διαφορές θερµοκρασίας ή ίσες προσαυξήσεις ενθαλπίας ανάλογα µε την επιλογή που θα κάνουµε. Οι δυο διαφορετικές επιλογές του πεδίου «Cutting method» είναι λοιπόν η «Equal enthalpy», αν θέλουµε περιοχές µε ίσες προσαυξήσεις ενθαλπίας και η «Bubble-dew point», αν θέλουµε να δηµιουργηθούν περιοχές µε ίσες προσαυξήσεις ενθαλπίας ανάµεσα στα σηµεία ατµοποίησης και δρόσου. Η τελευταία επιλογή θα δηµιουργήσει επιπλέον διαφορετικές ζώνες για υπέρθερµο ή υπόψυκτο ρευστό, αν υπάρχει τέτοια περίπτωση. Στο πεδίο «Number of cutting points» µπορούµε να πληκτρολογήσουµε τον αριθµό των περιοχών που θα δηµιουργήσει το πρόγραµµα κατά τον υπολογισµό. Όσο αυξάνεται ο αριθµός των περιοχών τόσο µεγαλώνει η ακρίβεια αλλά και ο χρόνος υπολογισµού. Μια τυπική τιµή είναι τα έντεκα σηµεία, εποµένως δέκα διαφορετικές περιοχές. Οι δυο επόµενες επιλογές έχουν να κάνουν µε τη θεώρηση του τοιχώµατος των σωλήνων και του κελύφους. Υπάρχει η δυνατότητα να θεωρήσουµε ότι το εισερχόµενο ρευστό είναι τόσο θερµό ώστε δεν συµπυκνώνεται αµέσως όταν ακουµπήσει τα τοιχώµατα του σωλήνα ή του κελύφους αλλά θα πρέπει να κρυώσει πρώτα και στη συνέχεια να πραγµατοποιηθεί η διαδικασία της συµπύκνωσης. Αν θέλουµε να ισχύσει αυτή η µεθοδολογία πρέπει να τσεκάρουµε τις επιλογές «Force tubeside dry wall» και «Force shellside dry wall», ανάλογα µε το αν θέλουµε το τοίχωµα (tube) του σωλήνα ή του κελύφους (shell). Σε περίπτωση που δεν τσεκάρουµε κάποια από αυτές τις επιλογές το πρόγραµµα θα θεωρήσει ότι το εισερχόµενο ρευστό έχει θερµοκρασία κοντά στο σηµείο δρόσου και εποµένως, η συµπύκνωση πραγµατοποιείται αµέσως µόλις το ρευστό ακουµπήσει τις σωληνώσεις. Εξάλλου, ακόµα και αν η θερµοκρασία του ρευστού είναι µεγαλύτερη από το σηµείο δρόσου µπορεί το τοίχωµα των σωλήνων να είναι τόσο κρύο ώστε να είναι δυνατή η συµπύκνωση. 165

176 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm Τέλος, οι επιλογές «Countercurrent» και «Cocurrent» βοηθούν στο να καθορίσουµε αν τα δυο ρεύµατα ρευστού βρίσκονται σε αντιρροή ή οµορροή αντίστοιχα. Στην εφαρµογή µας δεν χρειάζεται να κάνουµε καµιά αλλαγή σε αυτές τις επιλογές. Πατώντας το πλήκτρο «ΟΚ» το πρόγραµµα µας εµφανίζει την παρακάτω καµπύλη θερµότητας. Σχήµα 1.11: Καµπύλη θερµότητας του πρώτου εναλλάκτη της εγκατάστασης. Με την επιλογή «Wizard» εµφανίζεται ένα µενού επιλογών µε τη βοήθεια του οποίου µπορούµε να επεξεργαστούµε πλήρως τη γραφική παράσταση, αλλάζοντας από το µέγεθος των γραµµάτων των αξόνων µέχρι το χρώµα του φόντου Εισαγωγή γενικών προδιαγραφών για τον εναλλάκτη Πατώντας το πλήκτρο «ΟΚ» στη γραφική µας παράσταση εµφανίζεται το επόµενο παράθυρο διαλόγου που ονοµάζεται «General Specifications» και µας βοηθά να καθορίσουµε τις γενικές προδιαγραφές του εναλλάκτη µας. Η πρώτη ταµπέλα του παραθύρου είναι η «General Information». Στο πεδίο «Calculation mode» διαλέγουµε λειτουργία σχεδιασµού (design) ή υπολογισµού-αξιολόγησης (rating) του εναλλάκτη µας. To επόµενο πεδίο «TEMA class/standard» µας επιτρέπει να ορίσουµε την τάξη TEMA του εναλλάκτη, που αφορά κυρίως τις µηχανικές του λεπτοµέρειες. H λέξη ΤΕΜΑ είναι συντοµογραφία της Ένωσης Κατασκευαστών Σωληνοειδών Εναλλακτών (Tubular Exchanger Manufacturer's Association) που ασχολείται µε τη µελέτη και τυποποίηση σωληνοειδών εναλλακτών θερµότητας. Παρά το γεγονός ότι τα στάνταρ 166

177 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm τυποποίησης της ένωσης αυτής δεν αποτελούν γενικευµένο και απαράβατο κανόνα, ένας µεγάλος αριθµός εταιριών σε παγκόσµια κλίµακα τα ακολουθεί. Επιστρέφοντας στην ανάλυσή µας, η τάξη ΤΕΜΑ επηρεάζει τους κανόνες υπολογισµού του φύλλου σωλήνωσης/καθρέπτη σωλήνων (tube sheet), που συγκρατεί τους σωλήνες του εναλλάκτη. Το CC-Therm πρέπει να υπολογίσει το ακριβές πάχος του φύλου αυτού έτσι ώστε να καθοριστεί µε ακρίβεια ενεργός περιοχή µεταφοράς θερµότητας, δεδοµένου ότι το κοµµάτι του σωλήνα που θα καλύπτεται από το φύλλο/καθρέπτη σωλήνωσης δεν θα συµµετέχει στη µεταφορά θερµότητας. Επιπλέον, η τάξη αυτή καθορίζει τα εµπορικά µεγέθη που θα χρησιµοποιηθούν στις διάφορες συνιστώσες του εναλλάκτη. Για παράδειγµα, αν το κέλυφος ακολουθεί τις προδιαγραφές ΤΕΜΑ θα έχει διαφορετική εσωτερική διάµετρο από ένα κέλυφος των γερµανικών προδιαγραφών DIN. Στη συνέχεια υπάρχει η επιλογή «Orientation» σχετικά µε το αν ο εναλλάκτης µας εδράζεται οριζόντια ή κατακόρυφα. Χρησιµοποιούµε την επιλογή «Horizontal». Οι επόµενες τρεις επιλογές «TEMA front end head-rear end hear-shell type» έχουν να κάνουν µε τα βασικά χαρακτηριστικά του εναλλάκτη (µπροστινή κεφαλή, πίσω κεφαλή και τύπος κελύφους). Στα πλαίσια «Tube side» και «Shell side» περιλαµβάνονται διάφορες επιλογές για τη σωλήνωση και το κέλυφος του εναλλάκτη, αντίστοιχα. Στο πεδίο «Stream name» µπορούµε να εισάγουµε το όνοµα της ροής έτσι ώστε να χρησιµοποιηθεί στις αναφορές κειµένου. Με την επιλογή «Process type» διαλέγουµε το είδος της διαδικασίας που λαµβάνει χώρα, ώστε το πρόγραµµα να διαλέξει το είδος του µηχανισµού µεταφοράς θερµότητας για τον υπολογισµό των συντελεστών της ροής. Ο παράγοντας ακαθαρσιών µπορεί να καθοριστεί στο πεδίο «Fouling factor» και ορίζει κάθε πότε θα πρέπει να καθαριστούν οι σωληνώσεις. Τέλος, αν θέλουµε να εισάγουµε χειροκίνητα το συντελεστή µεταφοράς θερµότητας φιλµ ρευστού του κελύφους µπορούµε να το κάνουµε µε τη βοήθεια της επιλογής «Optional h coeff.». Το πρόγραµµα θα χρησιµοποιήσει αυτή την τιµή στον υπολογισµό του ολικού συντελεστή µεταφοράς θερµότητας. Στην περίπτωση που έχουµε ανάλυση διαφορετικών περιοχών η παραπάνω τιµή θα χρησιµοποιηθεί για τον τοπικό συνολικό συντελεστή µεταφοράς κάθε διαφορετικής περιοχής. Μπορούµε να δούµε όλες τις διαφορετικές προδιαγραφές της ένωσης κατασκευαστών αναζητώντας τη λέξη «TEMA» στο ενσωµατωµένο σύστηµα βοηθείας του προγράµµατος και επιλέγοντας εν συνεχεία το «TEMA Designations». 167

178 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm Σχήµα 1.12: Προδιαγραφές της ένωσης κατασκευαστών εναλλακτών. H ταµπέλα «Modeling Methods» µας βοηθά να επιλέξουµε τις µεθόδους που θα χρησιµοποιηθούν σε υπολογισµούς διαφόρων στοιχείων του εναλλάκτη. Συγκεκριµένα, στο πλαίσιο «Tube side methods» υπάρχει η επιλογή της εξίσωσης του συντελεστή µετάδοσης λανθάνουσας θερµότητας στην περιοχή του σωλήνα για στρωτή («Laminar flow») και τυρβώδη ροή («Turbulent flow»). Το πεδίο «Single/Two phase frictional pressure drop» µας βοηθά να επιλέξουµε τη µέθοδο για τον υπολογισµό της πτώσης πίεσης σε µια ή δυο φάσεις, ανάλογα µε την περίπτωση. Τέλος, η επιλογή «Void fraction model» χρησιµοποιείται στη µέθοδο πτώσης πίεσης δυο φάσεων και υπολογίζει το κενό κλάσµα (void fraction) που είναι απαραίτητο στο µοντέλο αυτό. Στο επόµενο πλαίσιο «Shell side methods» διαλέγουµε τη µέθοδο για τον υπολογισµό της πτώσης πίεσης σε µια φάση. Επίσης, µε τις δύο επόµενες επιλογές ορίζουµε το µοντέλο που θα χρησιµοποιηθεί για την ύπαρξη ή όχι οριζόντιας διαχωριστικής συµπύκνωσης του ατµού («Vapor shear condensation»). Τσεκάροντας την επιλογή «SBG Multicomponent correlation» το πρόγραµµα θα εφαρµόσει τη διαδικασία Silver-Bell-Ghaly για τον υπολογισµό µηισόθερµης συµπύκνωσης. 168

179 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm Αν η διάµετρος του κελύφους είναι πολύ µικρότερη από αυτή του ανακλαστήρα, τότε µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε µοντέλο παράλληλης ροής στους υπολογισµούς του κελύφους, επιλέγοντας το «Parallel flow model if shell diameter < baffle spacing». Στο πεδίο «Subcooling flow pattern» µπορούµε να ρυθµίσουµε τη µέθοδο υπόψυκτης ροής που θα χρησιµοποιηθεί από το πρόγραµµα, αν υπάρχει τέτοια περίπτωση στο πρόβληµά µας. Η µέθοδος «Liquid filled» κάνει την παραδοχή ότι από τη στιγµή που το ρευστό θα φτάσει το σηµείο δρόσου οι σωληνώσεις γεµίζουν πλήρως µε υγρό. Εποµένως η ταχύτητα και οι συντελεστές µεταφοράς του ρευστού θα είναι πολύ µικρές σε υπόψυκτες περιοχές. Η άλλη µέθοδος είναι η «Liquid stratified», µε την παραδοχή ότι µπορεί να υπάρχουν τοπικές υπόψυκτες περιοχές στο ρευστό ακόµα και πριν η συνολική του µάζα φτάσει στο σηµείο δρόσου. Με τον τρόπο αυτό, η ροή σχηµατίζει διαστρωµατώσεις ακόµα και σε υπόψυκτες περιοχές. Η φύση της διαστρωµάτωσης εξαρτάται κυρίως από το αν ο εναλλάκτης µας είναι οριζόντιος ή κάθετος. Με τη βοήθεια του πεδίου «Vertical condensation» ορίζουµε τι µέθοδο θα ακολουθηθεί στην περίπτωση που υπάρξει κάθετη συµπύκνωση του ρευστού, ενώ µε το «Falling film evaporation» διαλέγουµε το µοντέλο για την εξάτµιση φιλµ ρευστού που θα ρέει προς τα κάτω στον εναλλάκτη. Τέλος, στο πλαίσιο «Orientation» ορίζουµε αν ο εναλλάκτης µας είναι οριζόντιος ή κάθετος Για το παράδειγµά µας, ξεκινάµε από την ταµπέλα «General information». Θα πρέπει να επιλέξουµε «Rating» στο πεδίο «Calculation mode», «TEMA R» στην επιλογή «TEMA class/standard», «Β-Bonnet» στο πεδίο «TEMA front end head», «E-One Pass» στο «TEMA shell type» και «M-Fixed Tubesheet (B head)» στο «TEMA rear end hear». Τέλος, διαλέγουµε το «Sensible flow» στα πεδία «Process type» της σωλήνωσης και του κελύφους και πληκτρολογούµε την τιµή στο «Fouling factor». εν χρειάζεται να κάνουµε κάποια αλλαγή στις ήδη υπάρχουσες ρυθµίσεις της ταµπέλας «Modeling methods» οπότε πιέζουµε το πλήκτρο «ΟΚ» για να συνεχίσουµε στο επόµενο βήµα Ορισµός δεδοµένων για τους σωλήνες Το πρόγραµµα µας εµφανίζει στο επόµενο βήµα το παράθυρο «Tube Specifications» που περιέχει ένα πλήθος επιλογών και φαίνεται παρακάτω. Ανάµεσα στις άλλες επιλογές ξεχωρίζουµε αρχικά το πλήθος των σωλήνων του εναλλάκτη («Number of tubes»). Η εισαγωγή στοιχείων σε αυτό το πεδίο αφορά µόνο τη λειτουργία του υπολογισµού-αξιολόγησης. Ο αριθµός των σωλήνων συνδυάζεται µε το διάκενο µεταξύ της εσωτερικής διαµέτρου του κελύφους και της εξωτερικής διαµέτρου των σωληνώσεων έτσι ώστε, το τελικό αποτέλεσµα να µπορεί να χωρά στο ζητούµενο κέλυφος του εναλλάκτη. Περισσότερα στοιχεία για την επιλογή των ανοχών υπάρχουν σε επόµενο βήµα της παρούσας ανάλυσης. 169

180 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm Σχήµα 1.13: Προδιαγραφές σωλήνων του εναλλάκτη. ιάφορες άλλες επιλογές αφορούν την εξωτερική διάµετρο των σωλήνων («Tube outer diameter»), το µήκος τους («Tube length»), το πάχος του τοιχώµατός τους («Τube wall thickness»), το συντελεστή τραχύτητας της εσωτερικής τους επιφάνειας («Roughness factor»), τον τύπο της σωλήνωσης («Tube pattern») και το βήµα τους («Tube pitch»). Τέλος, µε την επιλογή «Turbulator» µπορούµε να ορίσουµε αν θα χρησιµοποιηθεί συσκευή αύξησης της τύρβης (turbulence) για τη διάταξή µας. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα την αύξηση των συντελεστών µετάδοσης θερµότητας και της πτώσης πίεσης. Σηµειώνεται ότι σε αριθµός Reynolds µεγαλύτερους από η χρήση της συσκευής δεν θα έχει κάποιο αποτέλεσµα γιατί ο ροή είναι ήδη αρκετά τυρβώδης. Η µόνη εισαγωγή δεδοµένων που πρέπει να γίνει σε αυτή την περίπτωση είναι να θέσουµε ως πλήθος των σωλήνων («Number of tubes») την τιµή Καθορισµός στοιχείων για το κέλυφος Συνεχίζοντας µε τη διαδικασία, θα πρέπει να καθορίσουµε τις προδιαγραφές του κελύφους του εναλλάκτη. Αυτό γίνεται µε το παράθυρο «Shell specifications» που εµφανίζεται αυτόµατα από το πρόγραµµα µόλις πατήσουµε το πλήκτρο «ΟΚ» στο προηγούµενο βήµα. Με τη βοήθεια του εν λόγω παραθύρου µπορούµε να ορίσουµε τη διάµετρο του κελύφους («Shell diameter»). Η επιλογή αυτή χρησιµεύει κυρίως σε λειτουργία υπολογισµού-αξιολόγησης και όχι κατά το σχεδιασµό του εναλλάκτη. Αν τσεκάρουµε το παρακάτω πεδίο «Use standard pipe as shell» τότε το πρόγραµµα θα θεωρήσει ότι η τιµή που εισαγάγαµε στο «Shell diameter» αφορά την ονοµαστική τιµή διαµέτρου, ενώ σε αντίθετη περίπτωση η τιµή 170

181 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm αυτή θα χρησιµοποιηθεί κανονικά ως η εσωτερική διάµετρος του κελύφους. Τα παραπάνω ισχύουν µόνο σε λειτουργία υπολογισµού αφού αν βρισκόµαστε σε λειτουργία σχεδιασµού το πρόγραµµα χρησιµοποιεί προεπιλεγµένες τιµές ανάλογα µε το µέγεθος του εναλλάκτη. Παραδείγµατος χάρη, αν το υλικό του κελύφους είναι ανθρακούχος χάλυβας τότε η διάµετρος θα τεθεί ίση µε 24 ενώ, αν έχουµε ανοξείδωτο χάλυβα τότε θα χρησιµοποιηθεί διάµετρος 12. Αν η διάταξη της εγκατάστασής µας είναι περισσότερο περίπλοκη και περιέχει περισσότερους εναλλάκτες υπάρχει η δυνατότητα να καθορίσουµε το πλήθος που βρίσκεται σε παράλληλη σύνδεση («Number of shells in parallel») ή σε σύνδεση σειράς («Number of shells in series»). Με τη βοήθεια του «Calculate tube count» το πρόγραµµα υπολογίζει πρόχειρα και µας παρουσιάζει τον αριθµό των σωλήνων που θα χωρέσουν µέσα στη διάµετρο του κελύφους που έχουµε εισάγει. Το εργαλείο αυτό προσφέρει µονάχα µια πρώτη γρήγορη εκτίµηση που µας βοηθά στην περαιτέρω διαδικασία. Τέλος, στο πεδίο «Untubed area/otl area of tube sheet» µπορούµε να καθορίσουµε την περιοχή του εναλλάκτη µας που δεν περιέχει σωληνώσεις. Με βάση τα δεδοµένα του προβλήµατος που επιλύουµε, το µόνο που πρέπει να κάνουµε σε αυτό το παράθυρο είναι να εισάγουµε την τιµή 2,25 στο πεδίο «Shell diameter». Σηµειώνουµε ότι οι 27 που αναφέρονται στην εκφώνηση ισοδυναµούν µε 2,25 ft Εισαγωγή δεδοµένων για τους ανακλαστήρες Επόµενο βήµα στη λίστα των απαραίτητων ενεργειών είναι να ορίσουµε τα σωστά στοιχεία για τους ανακλαστήρες που θα περιέχει ο εναλλάκτης µας. Με τη βοήθεια του παραθύρου «Baffle Specifications» καθορίζουµε, µεταξύ άλλων, τον τύπο του ανακλαστήρα («Baffle type»), την απόσταση ανάµεσα στην πρώτη σειρά σωλήνων και τον πρώτο ανακλαστήρα («Inlet spacing»), την απόσταση ανάµεσα στους µεσαίους ανακλάστήρες («Center spacing»), την απόσταση του τελικού ανακλαστήρα και της τελευταίας σειράς σωλήνων («Outlet spacing»), το πλήθος των ανακλαστήρων («Number of baffles»), το πάχος τους («Baffle thickness») και τέλος, διάφορα στοιχεία σχετικά µε την πλάκα πρόσκρουσης («Impingement plate»). Στην τελευταία περίπτωση, σε λειτουργία σχεδιασµού µπορούµε να αφήσουµε το πρόγραµµα να αποφασίσει («Let program decide») αν χρειάζεται ή όχι να χρησιµοποιηθεί πλάκα πρόσκρουσης, ανάλογα µε τους κανόνες ΤΕΜΑ. Αν βρισκόµαστε σε λειτουργία υπολογισµού-αξιολόγησης διαλέγουµε την παρουσία ή όχι της πλάκας, ανάλογα µε τον εξοπλισµό µας. Τέλος, στην περίπτωση που η τοποθέτηση της πλάκας είναι ιδιαίτερα δύσκολη λόγω περιορισµένου χώρου στο εσωτερικό του εναλλάκτη, µπορούµε να διαλέξουµε την υλοποίηση της ζώνης ατµού (vapor belt). Αυτή βοηθά στη µείωση της ορµής εισόδου του ατµού υψηλής ταχύτητας όταν αυτός διέρχεται στο ακροφύσιο εισόδου. 171

182 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm Οι επιλογές που πρέπει να ορίσουµε σε αυτή την περίπτωση είναι αρχικά η διάµετρος της ζώνης («Belt diameter»). Η τιµή που θα εισάγουµε εδώ επιβάλλεται να είναι µεγαλύτερη από τη διάµετρο του κελύφους αλλιώς το πρόγραµµα θα χρησιµοποιήσει το άθροισµα της διαµέτρου του κελύφους και το µισό της διαµέτρου του ακροφυσίου εισόδου. Συνεχίζοντας, πρέπει να καθορίσουµε τη διάµετρο της τρύπας εισόδου του κελύφους από την οποία εισέρχεται ο ατµός («Port hole diameter»). Αν έχουµε περισσότερες από µια εισόδους ή η είσοδος δεν έχει κυκλικό σχήµα, θα πρέπει να οριστεί µια ισοδύναµη διάµετρος αλλιώς θα χρησιµοποιηθεί διάµετρος ίση µε αυτή του ακροφυσίου. Τέλος, το πλάτος της ζώνης («Belt width») θα πρέπει να είναι µεγαλύτερο από τη διάµετρο του ακροφυσίου, αλλιώς θα χρησιµοποιηθεί η διπλάσια τιµή της διαµέτρου του ακροφυσίου για τους υπολογισµούς της πτώσης πίεσης της ζώνης. Οι ενέργειες που πρέπει να κάνουµε εδώ είναι να εισάγουµε την τιµή 10 στο πεδίο «Number of baffles» σβήνοντας παράλληλα όποιες άλλες τιµές υπάρχουν στα πεδία «Inlet spacing», «Center spacing» και «Outlet spacing». Επίσης, διαλέγουµε την επιλογή «Diameter» από το πεδίο «Basis of cut» και πληκτρολογούµε την τιµή 35 στο πεδίο «Baffle cut percent». Μετά το πέρας της εισαγωγής δεδοµένων το παράθυρό µας θα πρέπει να µοιάζει µε το παρακάτω: Σχήµα 1.14: Στοιχεία για τους ανακλαστήρες Καθορισµός προδιαγραφών για τα ακροφύσια 172

183 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm Το επόµενο παράθυρο που εµφανίζεται στην οθόνη µας αφορά τα ακροφύσια του εναλλάκτη και είναι το «Nozzle Specifications» που φαίνεται παρακάτω. Σχήµα 1.15: Επιλογές ακροφυσίων του εναλλάκτη. Μπορούµε να εισάγουµε την εσωτερική («Inlet diameter») και εξωτερική διάµετρο («Outlet diameter») για τα ακροφύσια των σωλήνων και του κελύφους, στα αντίστοιχα πλαίσια. Τσεκάροντας την επιλογή «Longneck» το πρόγραµµα θα θεωρήσει ότι τα ακροφύσια έχουν µεγαλύτερο «λαιµό» σε σχέση µε το συνηθισµένο σχήµα. Με τη βοήθεια του πεδίου «Orientation» ορίζουµε την κατεύθυνση των ακροφυσίων του κελύφους. Οι επιλογές είναι να είναι προς την ίδια κατεύθυνση ή σε αντίθετη. Τέλος, στο πλαίσιο «Tubeside flow enters» διαλέγουµε αν το ρευστό των σωλήνων εισέρχεται από το ακροφύσιο κορυφής («Top nozzle») ή το ακροφύσιο πυθµένα («Bottom nozzle»). Για το συγκεκριµένο πρόβληµα θα πρέπει να θέσουµε την τιµή 1 στα τέσσερα πεδία εσωτερικής και εξωτερικής διαµέτρου των ακροφυσίων του κελύφους και του σωλήνα Ορισµός στοιχείων σχετικά µε τα διάφορα διάκενα Η εισαγωγή δεδοµένων που αφορούν τα διάκενα σε διάφορα σηµεία του εναλλάκτη γίνεται µε τη βοήθεια του παραθύρου «Clearance Specifications». Στο πλαίσιο «Diametrical clearances» υπάρχει η δυνατότητα ορισµού το διάκενο της εσωτερικής διαµέτρου του κελύφους από τoν ανακλαστήρα («Baffle to shell»). Η τιµή αυτή εννοείται σε βάση διαµέτρου εποµένως, για 173

184 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm παράδειγµα, αν η κανονική απόσταση είναι 0,3 στο πεδίο θα πρέπει να πληκτρολογήσουµε την τιµή 0,6. Με το πεδίο «Shell to outer tube limit» ορίζουµε το διάκενο της εσωτερικής διαµέτρου του κελύφους από το εξωτερικό όριο του σωλήνα. Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη και το πλήθος των σωλήνων που έχουµε ορίσει στο πεδίο «Number of tubes» στο παράθυρο «Tube specifications» έτσι ώστε να υπάρχει λογική ανάµεσα στις δύο τιµές. Αν έχουµε λειτουργία υπολογισµούαξιολόγησης του εναλλάκτη το πρόγραµµα θα δεχθεί οποιαδήποτε τιµή πλήθους σωλήνων και αν ορίσουµε, εποµένως θα πρέπει να είµαστε προσεκτικοί στην εισαγωγή της τιµής του διακένου σε αυτό το πεδίο. Τέλος, η επιλογή «Tube to baffle hole» αφορά το διάκενο της εξωτερικής διαµέτρου του σωλήνα από την οπή του ανακλαστήρα. Και εδώ η τιµή που εισάγουµε θεωρείται σε βάση διαµέτρου εποµένως θα πρέπει να τη διπλασιάσουµε. Το πεδίο «In line pass partition» αναφέρεται στην απόσταση ανάµεσα στις σωληνώσεις και το σηµείο διαχωρισµού της ροής. Το µέγεθος του διαχωριστικού επηρεάζει σε µεγάλο βαθµό το ποσό του ατµού ή του υγρού ρεύµατος που παρακάµπτει τη διαµόρφωση σε σχήµα S του κελύφους του εναλλάκτη και ακολουθεί µια πιο γραµµική πορεία κατά µήκος αυτού. Η επιλογή «Space at the top of the bundle» αντιπροσωπεύει την περιοχή από την εξωτερική διάµετρο της πάνω σειράς σωλήνων µέχρι µια οριζόντια γραµµή, που αποτελεί το σηµείο τοµής του κελύφους και της οριζόντιας γραµµής του ακροφυσίου κορυφής του κελύφους. Η περιοχή αυτή είναι συνήθως µεγάλης σηµασίας όταν υπάρχει πλάκα πρόσκρουσης στον εναλλάκτη. Ιδιαίτερη προσοχή χρειάζεται αν εισάγουµε µια µικρή τιµή σε αυτό το πεδίο, καθώς µπορεί να προκληθεί µεγάλη πτώση πίεσης στα ακροφύσια εισόδου του κελύφους και να επηρεαστούν τα χαρακτηριστικά σύγκλισης του προγράµµατος. Τέλος, αν βρισκόµαστε σε λειτουργία σχεδιασµού και επιβάλλεται η παρουσία πλάκας πρόσκρουσης, το πρόγραµµα θα υπολογίσει αυτόµατα αυτή την περιοχή ώστε το µέγεθός της να συµβαδίζει µε τα κριτήρια της ΤΕΜΑ και να είναι όσο το δυνατόν µικρότερο, ώστε να χωράει στο εσωτερικό του εναλλάκτη ο αριθµός των σωλήνων που θέλουµε. Παρόµοια λογική επικρατεί και στην επιλογή «Space at the bottom of the bundle». Η περιοχή σε αυτή την περίπτωση ορίζεται από την εξωτερική διάµετρο της κάτω σειράς σωλήνων µέχρι µια οριζόντια γραµµή, που αποτελεί το σηµείο τοµής του κελύφους και της οριζόντιας γραµµής του ακροφυσίου πυθµένα του κελύφους. Τέλος, το πεδίο «Pass clearance lane» ορίζει το διάκενο της διόδου περάσµατος στο εσωτερικό του εναλλάκτη. Υπολογίζεται µε βάση τις διαστάσεις που προτείνει η ΤΕΜΑ για τη διαχωριστική πλάκα, λαµβάνοντας υπόψη και το αν οι σωλήνες είναι συγκολληµένοι πάνω στο φύλλο/καθρέπτη σωλήνωσης (tubesheet) ή έχουν τοποθετηθεί σε αυτό µε διαδικασία θερµικής συστολής-διαστολής. 174

185 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm Στην παρούσα εφαρµογή θα πρέπει να εισάγουµε τα δεδοµένα διακένων της εκφώνησης στα αντίστοιχα πεδία του παραθύρου. Υπενθυµίζουµε ότι αυτά είναι τα εξής: 1. Baffle to shell ID (Internal diameter) clearance= 0, Shell ID to OTL (Outer tube limit) clearance= 0, Tube to baffle hole clearance= 0, Space at top of bundle= 2,8. Επειδή οι τιµές αυτές είναι σε ίντσες, θα πρέπει να τις µετατρέψουµε σε πόδια χρησιµοποιώντας το ενσωµατωµένο σύστηµα µετατροπής µονάδων του Chemcad, ακολουθώντας την παρακάτω διαδικασία. Αρχικά, κάνουµε αριστερό κλικ πάνω στο πεδίο πληκτρολόγησης της επιλογής που µας ενδιαφέρει και πατάµε το πλήκτρο «F6» του πληκτρολογίου µας. Στο παράθυρο που µας εµφανίζεται πληκτρολογούµε την τιµή του διακένου στην αντίστοιχη µονάδα που µας δίνεται στην εκφώνηση και πατάµε το πλήκτρο «Enter» του πληκτρολογίου µας. Παρατηρούµε ότι όλες οι τιµές των υπόλοιπων διαφορετικών µονάδων µέτρησης έχουν αλλάξει. Κάνοντας κλικ στο πλήκτρο «ΟΚ» του παραθύρου το πρόγραµµα διαλέγει αυτόµατα την τιµή στην κατάλληλη µονάδα µέτρησης και την τοποθετεί στο ανάλογο πεδίο. Για παράδειγµα, πατώντας F6 στο πεδίο «Baffle to shell» εµφανίζεται το διπλανό παράθυρο. Η εκφώνηση µας δίνει την τιµή σε ίντσες εποµένως θα την πληκτρολογήσουµε στο πεδίο «in». Όταν πατήσουµε το «Enter» και εν συνεχεία το πλήκτρο «ΟΚ», το Chemcad θα διαλέξει την τιµή 0, σε πόδια και θα την τοποθετήσει πίσω στο πεδίο. Επαναλαµβάνοντας τα παραπάνω για όλες τις τιµές θα πρέπει να έχουµε το παρακάτω παράθυρο στην οθόνη µας: Σχήµα 1.16: εδοµένα σχετικά µε τα διάκενα. 175

186 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm Αναφορά των υλικών που χρησιµοποιήθηκαν στην κατασκευή του εναλλάκτη Συνεχίζοντας τον υπολογισµό, επιβάλλεται να ορίσουµε τα υλικά από τα οποία είναι φτιαγµένος ο εναλλάκτης µας. Αυτό πραγµατοποιείται µε τη βοήθεια του παραθύρου «Material specifications». ίπλα από κάθε πεδίο κάθε συνιστώσας του εναλλάκτη βρίσκεται µια λίστα µε διαφορετικά υλικά. Η ποικιλία των διαφορετικών επιλογών είναι αρκετά µεγάλη και υπάρχει η δυνατότητα να εισάγουµε ακόµα και το δικό µας υλικό. Για τις ανάγκες του παραδείγµατός µας δεν χρειάζεται να κάνουµε καµία αλλαγή και χρησιµοποιούµε ανθρακούχο χάλυβα για τους σωλήνες και Α-285- C για όλες τις άλλες συνιστώσες Εισαγωγή δεδοµένων για διάφορες άλλες γενικές παραµέτρους Πατώντας το πλήκτρο «ΟΚ» στο προηγούµενο βήµα βρισκόµαστε τώρα στο παράθυρο «Miscellaneous Specifications». Εδώ υπάρχουν επιλογές που δεν είχαν θέση σε κάποια από τις προηγούµενες κατηγορίες. Το πρώτο πεδίο ονοµάζεται «Rows per sealing strip». Ο εναλλάκτης µας περιέχει µια µεγάλη µεταλλική ταινία-λουρίδα που βρίσκεται τοποθετηµένη στο χώρο ανάµεσα στο εξωτερικό όριο των σωλήνων και την εσωτερική διάµετρο του κελύφους. Στόχος αυτής της ταινίας (sealing strip) είναι να εµποδίζει την παράκαµψη της ροής ρευστού προς το εσωτερικό του κελύφους. Στο εν λόγω πεδίο θα πρέπει να εισάγουµε τον αριθµό των σειρών που θα τοποθετήσουµε τη µεταλλική ταινία. Για παράδειγµα, µπορεί να θέλουµε η ταινία να τοποθετηθεί κάθε 5 σειρές του εναλλάκτη. Το επόµενο πεδίο «Entrainment ratio» µας επιτρέπει να θέσουµε το ποσοστό παράσυρσης υγρού από το ατµώδες ρεύµα. Η επιλογή αυτή αφορά κυρίως περιπτώσεις ατµοποίησης από ελεύθερη επιφάνεια (pool evaporation) και µια τυπική τιµή είναι κοντά στο 2%. Μια άλλη δυνατότητα που µας δίνεται είναι να εισάγουµε το ολικό θερµικό φορτίο, που προκύπτει από τον υπολογισµό και την εξίσωση των θερµικών φορτίων του κελύφους και των σωλήνων. Αυτό µπορεί να γίνει πληκτρολογώντας την τιµή της αρεσκείας µας στο πεδίο «Heat duty». Η επιλογή «Tube axial stress» αφορά το αξονικό φορτίο των σωληνώσεων του εναλλάκτη µας. Σε περιπτώσεις που υπάρχουν σοβαρά προβλήµατα δονήσεων κατά τη διάρκεια λειτουργίας του εναλλάκτη επιπλέον αξονικό φορτίο στις σωληνώσεις µας µπορεί να επιδεινώσει το πρόβληµα, αφού µπορεί να µειώσει τη φυσική ιδιοσυχνότητα του συστήµατος. Ειδικά αν έχουµε την περίπτωση θλιπτικού φορτίου πρέπει να µελετήσουµε ενδελεχώς τα τελικά αποτελέσµατα των δονήσεων. Για να εισάγουµε θλιπτικό φορτίο στο πεδίο αυτό θα πρέπει να τοποθετήσουµε και το αρνητικό πρόσηµο πριν από την τιµή αλλιώς το πρόγραµµα θα θεωρήσει το φορτίο εφελκυστικό. Οι επόµενες επιλογές αφορούν µόνο την περίπτωση εναλλάκτη µε σωλήνωση σχήµατος «U». 176

187 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm Στο πεδίο «U-bend efficiency» εισάγουµε το ποσοστό µεταφοράς θερµότητας που είναι ικανή να επιτύχει η σωλήνωσή µας. Για παράδειγµα, αν εισάγουµε τον αριθµό 100 τότε το πρόγραµµα θα θεωρήσει ότι όλη η επιφάνεια της σωλήνωσης θα συµπεριληφθεί στους υπολογισµούς µεταφοράς θερµότητας. Η πιο συνηθισµένη περίπτωση είναι να χρησιµοποιείται ένα ποσοστό κοντά στο 2%. Η επιλογή «U-bend outermost radius» µας επιτρέπει να ορίσουµε τη µεγαλύτερη ακτίνα που µπορεί να έχει η σωλήνωσή µας. Αν δεν υπάρχει κάποια τιµή σε αυτό το πεδίο το πρόγραµµα θα υπολογίσει αυτή την ακτίνα. Με το πεδίο «U-bend center to nearest baffle» µπορούµε να εισάγουµε την απόσταση από την εσωτερική ακτίνα της σωλήνωσης µέχρι το κοντινότερο ανακλαστήρα. Τέλος, η επιλογή «U-bend orientation» µας βοηθά να ορίσουµε τον προσανατολισµό της σωλήνωσης και των υποστηριγµάτων της. Ο προσανατολισµός αυτός έχει σηµαντική επίδραση στους υπολογισµούς της φυσικής ιδιοσυχνότητας του συστήµατος σωλήνωσης. Η µόνη εισαγωγή δεδοµένων που χρειάζεται να κάνουµε σε αυτό το παράθυρο είναι να θέσουµε την τιµή 5 στο πεδίο «Rows per sealing strip» Εκτέλεση του υπολογισµού Έχοντας ολοκληρώσει όλες τις απαραίτητες εισαγωγές δεδοµένων σε όλα τα προηγούµενα βήµατα της διαδικασίας, είµαστε πλέον έτοιµοι να εκτελέσουµε τον υπολογισµό του εναλλάκτη µας. Αυτό µπορεί να πραγµατοποιηθεί µε τη βοήθεια του παραθύρου «Shell and tube exchanger» που φαίνεται παρακάτω. 177

188 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm Σχήµα 1.17: Βασικό µενού επιλογών του εναλλάκτη θερµότητας. Παρατηρούµε ότι το µενού αυτό µας δίνει τη δυνατότητα να ελέγξουµε εκ νέου όλες τις προηγούµενες εισαγωγές δεδοµένων, διαλέγοντας την αντίστοιχη επιλογή. Συγκεκριµένα, αν θέλουµε να δούµε τι ακριβώς επιλογές έχουν γίνει στο παράθυρο διαλόγου της καµπύλης θερµότητας επιλέγουµε το «Heat curve generation». Για να επεξεργαστούµε τα σηµεία της καµπύλης θερµότητας κάνουµε αριστερό κλικ στην επιλογή «Edit heat curve». Με την εντολή «General specifications» επανερχόµαστε στο παράθυρο εισαγωγής γενικών προδιαγραφών για τον εναλλάκτη µας. Τέλος, όλα τα στοιχεία γεωµετρίας όπως σωληνώσεις, ακροφύσια, στηρίγµατα σωλήνων, διάκενα κλπ εµφανίζονται διαλέγοντας το «Exchanger geometry». Η επιλογή που µας ενδιαφέρει εδώ είναι η «Calculate». ιαλέγοντάς την, το πρόγραµµα πραγµατοποιεί όλους τους απαραίτητους υπολογισµούς πολύ γρήγορα και µας εµφανίζει εκ νέου το παράθυρο «Shell and tube exchanger» Επισκόπηση των αποτελεσµάτων, δηµιουργία αναφορών και σχεδιασµός γραφικών παραστάσεων Αφού έχουν ολοκληρωθεί όλες οι πράξεις είµαστε σε θέση να δούµε τα αποτελέσµατα και να δηµιουργήσουµε αναφορές κειµένου και γραφικές παραστάσεις για τις συνιστώσες που θα επιλέξουµε. 178

189 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm Ξεκινάµε µε την εντολή «View results» έτσι ώστε να µελετήσουµε τα αποτελέσµατα των υπολογισµών του προγράµµατος. Εµφανίζεται το µενού «View results» που µας βοηθά στη διαχείριση της επισκόπησης. Σχήµα 1.18: Μενού επισκόπησης των αποτελεσµάτων των υπολογισµών. Αναλυτικά, µπορούµε να δούµε µια περίληψη των αποτελεσµάτων («Summary results»), δεδοµένα του κέλυφος («Shell side date»), δεδοµένα που αφορούν τις σωληνώσεις («Tube side data»), στοιχεία για τα στηρίγµατα σωλήνων («Baffle data»), όλα τα διάκενα του εναλλάκτη («Clearances»), γενικά δεδοµένα («Overall data»), συνοπτικά αποτελέσµατα των υπολογισµών ταξινοµηµένα στη µορφή πινάκων («Tabulated data»), την καµπύλη θερµότητας του εναλλάκτη («Heat curve»), δεδοµένα για την ανάλυση διαφορετικών περιοχών («Zone by zone data»), στοιχεία σχετικά µε την ανάλυση δόνησης του συστήµατος («Vibration»), αναφορά βελτιστοποίησης («Optimization»), όλα τα χαρακτηριστικά των ροών του εναλλάκτη µας («Stream data»), προδιαγραφές του αναβραστήρα («Reboiler data»), φύλλο αναφοράς που περιέχει όλες τις προδιαγραφές ΤΕΜΑ που έχουµε διαλέξει για το πρόβληµά µας («TEMA sheet») και τέλος, ένα µενού στο οποίο µπορούµε να τσεκάρουµε ποιες επιλογές αναφοράς θέλουµε να εκτυπώσουµε («Input data report»). Όλες οι παραπάνω αναφορές εµφανίζονται σε ξεχωριστό παράθυρο που µπορούµε να χειριστούµε ξεχωριστά από το υπόλοιπο πρόγραµµα. Όταν ολοκληρώσουµε τις ενέργειες που θέλουµε να κάνουµε κλείνουµε το παράθυρο αυτό και επιστρέφουµε πίσω στο περιβάλλον του προγράµµατος. 179

190 Εφαρµογή της συνιστώσας CC-Therm Για να δηµιουργήσουµε γραφικές παραστάσεις αρκεί να χρησιµοποιήσουµε την επιλογή «Plot» του παραθύρου «Shell and tube exchanger». Μας εµφανίζεται ένα δευτερεύον µενού, µε την ονοµασία «Plot», που περιέχει εντολές για το σχεδιασµό της καµπύλης θερµότητας («Heat curve»), γραφική παράσταση της ροής θερµότητας («Heat flux»), καµπύλη του λογαρίθµου της µέσης διαφοράς θερµοκρασίας του εναλλάκτη («LMTD, Log Mean Temperature Difference»), παράσταση του θερµοκρασιακού προφίλ του συστήµατος («Temperature»), καµπύλη του συντελεστή µεταφοράς θερµότητας («Heat Xfer coefficient») και τέλος, γραφική παράσταση του προφίλ της περιοχής µεταφοράς θερµότητας («Heat Xfer area»). Όπως και µε τα αποτελέσµατα των αναφορών, όλες οι γραφικές παραστάσεις εµφανίζονται σε ξεχωριστό παράθυρο που µπορούµε να χειριστούµε ξεχωριστά από το υπόλοιπο πρόγραµµα. Όταν ολοκληρώσουµε τις ενέργειες που θέλουµε να κάνουµε κλείνουµε το παράθυρο αυτό και επιστρέφουµε πίσω στο περιβάλλον του προγράµµατος. Τέλος, για την εκτύπωση πινακοποιηµένων αναφορών ξεκινάµε επιλέγοντας «Select reports» και αµέσως το πρόγραµµα µας εµφανίζει το παράθυρο «Report selection». Στην οµώνυµη ταµπέλα του µπορούµε να διαλέξουµε το πρόγραµµα που θα χρησιµοποιηθεί για την παρουσίαση των αναφορών (Microsoft WordPad ή Microsoft Excel). Επίσης, στο πλαίσιο «Select items for report» τσεκάρουµε όποια από τα στοιχεία θέλουµε να συµπεριληφθούν στην αναφορά µας. Τέλος, η ταµπέλα «Label» χρησιµεύει στο να δώσουµε γενικές πληροφορίες για διαδικαστικά θέµατα όπως π.χ. το όνοµα του αποδέκτη της αναφοράς, τη διεύθυνσή του, την ηµεροµηνία σύνταξης της αναφοράς, επιπλέον σχόλια σχετικά µε την αναφορά κτλπ. Όταν ολοκληρώσουµε τις ενέργειες στο παράθυρο «Report selection» πατάµε το πλήκτρο «ΟΚ» και επιστρέφουµε πίσω στο µενού «Shell and tube exchanger». Αν διαλέξουµε τώρα την εντολή «Generate reports» δηµιουργούµε τις αναφορές που επιλέξαµε στο προηγούµενο βήµα και µπορούµε να τις χειριστούµε ανάλογα µε τις ανάγκες µας. Για να τερµατίσουµε τη διαδικασία αρκεί να διαλέξουµε «Exit» από το µενού «Shell and tube exchanger». Το πρόγραµµα θα µας ρωτήσει αν θέλουµε να σώσουµε τις αλλαγές που κάναµε στον εναλλάκτη µας και στη συνέχεια θα επιστρέψουµε πίσω στην αρχική οθόνη του περιβάλλοντος Chemcad. Τα αποτελέσµατα των υπολογισµών της συνιστώσας CC-Therm για την παρούσα εφαρµογή βρίσκονται στο Παράρτηµα Α, στο τέλος της εργασίας. 180

191 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου 12. Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου 12.1 Εισαγωγικά στοιχεία Με το παρόν παράδειγµα θα προσπαθήσουµε να παρουσιάσουµε τα πιο σηµαντικά στοιχεία του προγράµµατος Chemcad προσοµοιώνοντας µια τυπική, απλή εγκατάσταση απόσταξης αργού πετρελαίου Περιγραφή του προβλήµατος Η τροφοδοτική ροή του αργού πετρελαίου οδηγείται στο εσωτερικό του φούρνου (Fire heater, FH-1001) όπου και θερµαίνεται µέχρι τη θερµοκρασία των 400 F. Στη συνέχεια, η ροή εισέρχεται στο κάτω µέρος της στήλης απόσταξης (Distillation column, T-1001). Η στήλη αυτή αποτελείται από 12 βαθµίδες, ένα συµπυκνωτή (Condenser), έναν εκροφητή για την παραγωγή νάφθας (Side stripper), έναν εναλλάκτη θερµότητας (Heat exchanger) και τέλος, µια ανακυκλοφορία (Pumparound). Το υπόλειµµα (residue) από τον πυθµένα της στήλης οδηγείται εν συνεχεία σε δεύτερο φούρνο (Fire heater, FH-1002) όπου και θερµαίνεται µέχρι τη θερµοκρασία των 600 F. Τελικά, η ροή εισέρχεται στο κάτω µέρος της δεύτερης αποστακτικής στήλης (Distillation column, T-1002). H στήλη αυτή αποτελείται από 15 βαθµίδες, ένα συµπυκνωτή (Condenser), δύο εκροφητές (Side stripper) (ένα για την παραγωγή κηροζίνης και ένα για την παραγωγή ντίζελ), έναν εναλλάκτη θερµότητας (Heat exchanger) και τέλος, µια ανακυκλοφορία (Pumparound) Αναλυτικά δεδοµένα του προβλήµατος Στις επόµενες παραγράφους αναφέρουµε αναλυτικά όλα τα απαραίτητα στοιχεία που προκύπτουν από τη µελέτη της εγκατάστασης και χρειάζονται για την επίλυση του προβλήµατος Σύσταση της τροφοδοτικής ροής Το αργό πετρέλαιο είναι ένα από τα πιο πολυσύνθετα µίγµατα που απαντώνται στη φύση, λόγω της προέλευσής του. Περιέχει εκατοµµύρια ενώσεις, η σύστασή του δεν είναι σταθερή µε το χρόνο, αλλά µεταβάλλεται µε τα χρόνια κατά τα οποία αντλείται από µια συγκεκριµένη πετρελαιοπηγή, περιλαµβάνει δε σχεδόν κάθε γνωστή οµάδα οργανικών ενώσεων, µαζί µε νερό κι ανόργανα άλατα. Για το λόγο αυτό δεν είναι δυνατός ο προσδιορισµός συγκεκριµένης χηµικής σύστασης για ένα πετρέλαιο. Για το λόγο αυτό, η σύσταση του αργού πετρελαίου και των προϊόντων του εκφράζεται µε τις λεγόµενες καµπύλες αποστάξεως. Οι τελευταίες αποτελούν γραφική παράσταση της θερµοκρασίας ασυνεχούς απόσταξης (batch distillation) σε συνάρτηση µε το ποσοστό του µίγµατος που έχει αποστάξει, υπό αυστηρά καθορισµένες συνθήκες πίεσης, αριθµού δίσκων και αναρροής. Μια από τις πιο σηµαντικές πρότυπες αποστάξεις πετρελαίου/παραγώγων του είναι η καµπύλη αληθών σηµείων βρασµού (True Boiling Point, TBP). 181

192 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου Ακόµα κι αν διατίθετο µια ακριβής ανάλυση αργού πετρελαίου θα ήταν αδύνατο να κάνουµε υπολογισµούς ισορροπίας ατµών-υγρού µε τις χιλιάδες ή εκατοµµύρια ενώσεις που το αποτελούν. Για το σκοπό αυτό, η χηµική του σύσταση προσεγγίζεται µε τη µέθοδο των ψευδοσυστατικών (pseudocomponents). Η τελευταία συνίσταται στη διαίρεση της καµπύλης αληθών σηµείων βρασµού (True Boiling Point, TBP) στον επιθυµητό αριθµό τµηµάτων. Το κάθε τµήµα της καµπύλης θεωρείται ως ένα διακριτό συστατικό, του οποίου οι ιδιότητες είναι αυτές που αντιστοιχούν στο µέσο του (midpoint). Είναι προφανές ότι για διαστήµατα ίσου πλάτους, όσο µεγαλύτερος είναι ο αριθµός τους, τόσο µικρότερο το πλάτος τους. Συνεπώς όσο αυξάνει ο αριθµός των ψευδοσυστατικών στα οποία αναλύουµε ένα πετρελαϊκό κλάσµα, τόσο µεγαλύτερη ακρίβεια έχουµε, γιατί οι ιδιότητες σε κάθε σηµείο του εκάστοτε ψευδοσυστατικού προσεγγίζουν πιο ικανοποιητικά αυτές του µέσου σηµείου του (midpoint). Το πρόγραµµα Chemcad χρησιµοποιεί την προαναφερθείσα µέθοδο των ψευδοσυστατικών για να προσεγγίσει τη χηµική σύσταση όλων των ειδών πετρελαίου. Κάθε ψευδοσυνιστώσα χρησιµοποιεί στο όνοµά της τα γράµµατα NBP (Normal Boiling Point) ακολουθούµενα από έναν αριθµό, που αντιπροσωπεύει τη θερµοκρασία κανονικού σηµείου βρασµού σε βαθµούς Κελσίου ( C) ή Φαρενάιτ ( F). Εποµένως, για παράδειγµα, η ψευδοσυνιστώσα NBP60C µοντελοποιεί το µίγµα υδρογονανθράκων που έχει κανονικό σηµείο βρασµού στους 60 C. Μπορούµε να δηµιουργήσουµε κάθε ψευδοσυνιστώσα από το µηδέν, να επιλέξουµε έναν από τους έτοιµους τύπους του αργού πετρελαίου που διαθέτει το πρόγραµµα ή να εισάγουµε όλα τα απαραίτητα στοιχεία του πετρελαίου χειροκίνητα. Η διαδικασία δηµιουργίας µια νέας ψευδοσυνιστώσας έχει καλυφθεί στο κεφάλαιο 9 «Παραµετροποίηση του προγράµµατος». Η γρηγορότερη µέθοδος, εφόσον γνωρίζουµε τον τύπο του πετρελαίου, είναι να χρησιµοποιήσουµε τα έτοιµα στοιχεία του προγράµµατος αποδεχόµενοι το γεγονός ότι µπορεί να υπάρχουν αποκλίσεις ανάµεσα στην επιθυµητή και την τελική ακρίβεια των υπολογισµών. Εάν υπάρχουν αναλυτικά στοιχεία για τον τύπο του πετρελαίου που χρησιµοποιείται στην προσοµοίωση τότε θα µπορούσαµε να τα εισάγουµε µόνοι µας έχοντας τον πλήρη έλεγχο της κατάστασης αλλά και την ευθύνη πιθανού λάθους. Στη συγκεκριµένη εφαρµογή εισάγουµε όλα τα απαραίτητα στοιχεία χειροκίνητα. Στο σηµείο αυτό απλώς αναφέρουµε επιγραµµατικά, µε τη βοήθεια του παρακάτω πίνακα, την ακριβή σύσταση της ροής. H αναλυτική διαδικασία δηµιουργίας θα φανεί σε επόµενο βήµα. Συστατικό Παροχή (lb-mole/h) Propane 7,55983 I-Butane 10,60206 N-Butane 25,30712 Water 0 NBP45F 36,

193 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου NBP75F 44,27329 NBP105F 36,22097 NBP135F 89,91103 NBP162F 101,7146 NBP187F 117,2451 NBP212F 111,1236 NBP237F 107,3846 NBP262F 97,01978 NBP287F 85,03535 NBP312F 74,6378 NBP337F 68,8102 NBP362F 62,6203 NBP387F 55,84258 NBP412F 52,82149 NBP437F 50,00331 NBP462F 46,97423 NBP487F 44,59634 NBP512F 42,68979 NBP537F 40,89712 NBP575F 82,18159 NBP625F 59,71659 NBP675F 38,62819 NBP725F 32,8218 NBP800F 49,93644 NBP900F 36,29985 NBP1000F 27,95864 NBP1100F 20,99382 NBP1200F 33,82122 Χαρακτηριστικά της τροφοδοτικής ροής 1. Θερµοκρασία πριν την είσοδο στο φούρνο 150 F 2. Πίεση πριν την είσοδο στο φούρνο 58 psia 3. Συνολική παροχή BPSD 4. Μέσο βάρος ΑΡΙ του αργού πετρελαίου 35 Θεωρείται γνωστή η ανάλυση κατά όγκου των ελαφριών κλασµάτων του 5. πετρελαίου όπως και οι καµπύλες ΤΒΡ και βάρους ΑΡΙ. Φούρνος (Fire Heater, FΗ-1001) 1. Θερµοκρασία εξόδου από το φούρνο 400 F Στήλη απόσταξης (Distillation Column, T-1001) 1. Αριθµός βαθµίδων

194 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου 2. Πίεση στο πάνω µέρος της στήλης 53 psia 3. Πτώση πίεσης σε όλη τη στήλη 2 psi 4. Αριθµός τροφοδοτικής βαθµίδας Αριθµός εκροφητών (Strippers) 1 6. Αριθµός ανακυκλοφοριών (Pumparounds) 1 7. Αριθµός εναλλακτών θερµότητας (Heat exchangers) 1 Ατµός που εισέρχεται στο κάτω µέρος της στήλης lbmole/h 1. Παροχή του ατµού 2. Θερµοκρασία του ατµού 335 F 3. Πίεση του ατµού 115 psia Συµπυκνωτής (Condenser) 1. Πίεση του συµπυκνωτή 48 psia 2. Θερµοκρασία λειτουργίας (υπόψυκτη) 100 F Εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Νάφθας 1. Αριθµός βαθµίδων 2 2. Αναρρόφηση από τη βαθµίδα 8 3. Επιστροφή στη βαθµίδα 7 4. Ογκοµετρική παροχή στο κάτω µέρος του εκροφητή 5420 BPSD 5. Παροχή ατµού στον εκροφητή 50 lb-mole/h 6. Θερµοκρασία του ατµού 335 F 7. Πίεση του ατµού 115 psia Ανακυκλοφορία (Pumparound) 1. Αναρρόφηση από τη βαθµίδα 8 2. Επιστροφή στη βαθµίδα 6 3. To ρευστό που αναρροφάται είναι υγρό 4. Ογκοµετρική παροχή υγρού 5200 BPSD 5. Θερµικό φορτίο ψύξης της ανακυκλοφορίας -5 Mbtu/h Εναλλάκτης θερµότητας (Heat exchanger) 1. Αριθµός βαθµίδας του εναλλάκτη 11 εδοµένα που αφορούν συγκεκριµένες βαθµίδες της στήλης Βαθµίδα Ογκοµετρική παροχή υγρού 400 BPSD Βαθµίδα Ογκοµετρική παροχή υγρού BPSD Φούρνος (Fire Heater, FΗ-1002) 184

195 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου 1. Θερµοκρασία εξόδου από το φούρνο 400 F Στήλη απόσταξης (Distillation Column, T-1002) 1. Αριθµός βαθµίδων Πίεση στο πάνω µέρος της στήλης 23 psia 3. Πτώση πίεσης σε όλη τη στήλη 2 psi 4. Αριθµός τροφοδοτικής βαθµίδας Αριθµός εκροφητών (Strippers) 2 6. Αριθµός ανακυκλοφοριών (Pumparounds) 1 7. Αριθµός εναλλακτών θερµότητας (Heat exchangers) 1 Ατµός που εισέρχεται στο κάτω µέρος της στήλης 1. Παροχή του ατµού 90 lb-mole/h 2. Θερµοκρασία του ατµού 335 F 3. Πίεση του ατµού 115 psia Συµπυκνωτής (Condenser) 1. Πίεση του συµπυκνωτή 20 psia 2. Θερµοκρασία λειτουργίας (υπόψυκτη) 100 F Πρώτος εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Κηροζίνης 1. Αριθµός βαθµίδων 2 2. Αναρρόφηση από τη βαθµίδα 8 3. Επιστροφή στη βαθµίδα 7 4. Ογκοµετρική παροχή στο κάτω µέρος του εκροφητής 3780 BPSD lbmole/h 5. Παροχή ατµού στο εκροφητή 6. Θερµοκρασία του ατµού 335 F 7. Πίεση του ατµού 115 psia εύτερος εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Ντίζελ 1. Αριθµός βαθµίδων 2 2. Αναρρόφηση από τη βαθµίδα Επιστροφή στη βαθµίδα Ογκοµετρική παροχή στο κάτω µέρος του εκροφητή 3765 BPSD 5. Παροχή ατµού στον εκροφητή 40 lb-mole/h 6. Θερµοκρασία του ατµού 335 F 7. Πίεση του ατµού 115 psia Ανακυκλοφορία (Pumparound) 1. Αναρρόφηση από τη βαθµίδα Επιστροφή στη βαθµίδα To ρευστό που αναρροφάται είναι υγρό 185

196 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου 4. Ογκοµετρική παροχή υγρού 4700 BPSD 5. Θερµικό φορτίο ψύξης της ανακυκλοφορίας Mbtu/h Εναλλάκτης θερµότητας (Heat exchanger) 1. Αριθµός βαθµίδας του εναλλάκτη 14 εδοµένα που αφορούν συγκεκριµένες βαθµίδες της στήλης Βαθµίδα Ποσοστό ατµοποιηµένου ρευστού στη βαθµίδα 5% Βαθµίδα Ογκοµετρική παροχή υγρού 7335 BPSD Χρήσιµη σηµείωση: Στο πρόγραµµα Chemcad η αρίθµηση των βαθµίδων της στήλης απόσταξης ξεκινάει από την κορυφή της στήλης προς τον πυθµένα. Επιπλέον, οι βαθµίδες των εκροφητών αριθµούνται εσωτερικά στο πρόγραµµα µετά το τέλος της αρίθµησης των βαθµίδων της κύριας στήλης. Έτσι, στην παρούσα εφαρµογή, η πρώτη στήλη έχει 12 βαθµίδες και 1 εκροφητή µε 2 βαθµίδες, εποµένως αυτός ο εκροφητής θα έχει τις βαθµίδες 13 και 14. Με παρόµοια λογική, η δεύτερη στήλη απόσταξης έχει 16 βαθµίδες και 1 εκροφητή µε 2 βαθµίδες, ο οποίος θα έχει τις βαθµίδες 17 και 18. Η αναφορά όλων των απαραίτητων δεδοµένων για το πρόβληµά µας έχει τώρα ολοκληρωθεί. Στη συνέχεια ακολουθεί η δηµιουργία της προσοµοίωσής µας ακολουθώντας τα παρακάτω βήµατα: Έναρξη µιας καινούργιας προσοµοίωσης. Επιλογή των µονάδων µέτρησης της προσοµοίωσης. ηµιουργία του σχεδιαγράµµατος ροής, µε τις κατάλληλες ροές και λειτουργικές µονάδες, ανάλογα µε τη φύση της εργασίας. Επιλογή των χηµικών συνιστωσών που θα λάβουν µέρος στην προσοµοίωση. Καθορισµός των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών της προσοµοίωσης. Προσδιορισµός των χαρακτηριστικών των ροών της διεργασίας. Εισαγωγή των χαρακτηριστικών των λειτουργικών µονάδων. Εκτέλεση της προσοµοίωσης. Επιθεώρηση των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης Έναρξη µια καινούργια προσοµοίωσης Ξεκινώντας το Chemcad βρισκόµαστε στην εισαγωγική οθόνη του προγράµµατος και παρατηρούµε τη λέξη [Untitled] στη µπάρα τίτλου του προγράµµατος, αφού δεν έχουµε αρχίσει ακόµα να εργαζόµαστε σε κάποια προσοµοίωση ούτε έχουµε ονοµάσει το αρχείο µας. Μπορούµε να αρχίσουµε να δουλεύουµε αµέσως µε την προσοµοίωση µας αλλά θα ήταν καλύτερο να ονοµάζαµε και να σώζαµε την εργασία µας άµεσα έτσι ώστε να αποφύγουµε να χάσουµε πολύτιµα στοιχεία σε περίπτωση κάποιου σφάλµατος του υπολογιστή ή του δικτύου (αν εργαζόµαστε, βέβαια, σε δίκτυο). 186

197 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου Για να αποθηκεύσουµε την προσοµοίωση επιλέγουµε διαδοχικά File-Save As από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στο παράθυρο διαλόγου που θα εµφανιστεί πρέπει αρχικά να επιλέξουµε την τοποθεσία στην οποία θα αποθηκευτεί το αρχείο µας. Το πρόγραµµα έχει επιλέξει από µόνο του (by default) να σώζει τα αρχεία προσοµοίωσης στο φάκελο My Simulations που δηµιουργήθηκε αυτόµατα µε την εγκατάσταση του προγράµµατος µέσα στο φάκελο My Documents. Μπορούµε να αποθηκεύσουµε τα αρχεία σε οποιονδήποτε άλλο σηµείο του σκληρού δίσκου εντοπίζοντας το φάκελο που µας ενδιαφέρει στο πλαίσιο «Save in» («Αποθήκευση σε»). Στη συνέχεια ονοµάζουµε το αρχείο µας πληκτρολογώντας το όνοµα στο πλαίσιο «File Name» («Όνοµα αρχείου»). Στην παρούσα περίπτωση χρησιµοποιούµε το όνοµα «Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου». Όλα τα αρχεία προσοµοίωσης σώζονται αυτόµατα µε την κατάληξη.cc6 (ChemCad 6) οπότε αφήνουµε το παρακάτω πεδίο «Save as type» («Αποθήκευση ως») όπως είναι. Κάνοντας κλικ στο κουµπί «Save» («Αποθήκευση») ολοκληρώνουµε τη διαδικασία Επιλογή των µονάδων µέτρησης της προσοµοίωσης Για να ορίσουµε τις µονάδες µέτρησης για την προσοµοίωση µας θα πρέπει να επιλέξουµε διαδοχικά Format-Engineering Units από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στο παράθυρο «Engineering Units Selection» που µας εµφανίζεται πραγµατοποιούµε όλες τις επιλογές µονάδων που θέλουµε. Στην παρούσα εφαρµογή θα δουλέψουµε µε το Αγγλικό (English) σύστηµα µονάδων, εποµένως το παράθυρο επιλογών θα είναι όπως παρακάτω: Σχήµα 13.1: Παράθυρο επιλογών των µονάδων µέτρησης της προσοµοίωσης ηµιουργία του σχεδιαγράµµατος ροής (flowsheet) 187

198 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου H δηµιουργία του σχεδιαγράµµατος ροής συνίσταται στην επιλογή των κατάλληλων λειτουργικών µονάδων που θα περιγράφουν µε ακρίβεια το πρόβληµα και τη σύνδεσή τους µε τις ροές, δηµιουργώντας έτσι τη βάση του σχεδιαγράµµατος. Όλα τα κατάλληλη εργαλεία σχεδίασης βρίσκονται στο παράθυρο της παλέτας σχεδιασµού (Palette). Οι λειτουργικές µονάδες που χρειαζόµαστε από την παλέτα σχεδιασµού είναι η τροφοδοτική ροή («Feed #1»), ο φούρνος («Fire heater #1»), η στήλη απόσταξης («Tower plus #2») και τέλος, τα προϊόντα της διεργασίας («Product #1»). Η αναλυτική διαδικασία σχεδιασµού υπάρχει στο κεφάλαιο 5 «ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων». Έχοντας υπόψη αυτά τα στοιχεία και ακολουθώντας την παραπάνω διαδικασία προκύπτει το ζητούµενο σχεδιάγραµµα ροής, που φαίνεται στις παρακάτω εικόνες. Έχουµε δηµιουργήσει µια γενική εικόνα της συνολικής εγκατάστασης αλλά και δυο επιµέρους ώστε να φαίνονται καλύτερα µερικά στοιχεία. 188

199 7 Heavy Naphtha 4 T T Kerosene 5 Gasoline 6 Naphtha 9 Diesel FH Crude Oil FH-1002 Pre-flash Bottoms Topped Crude

200 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου 2 T Gasoline 1 FH Naphtha Crude Oil FH-1002 Pre-flash Bottoms 3 4 Σχήµα 13.2: Πρώτο κοµµάτι του σχεδιαγράµµατος ροής της προσοµοίωσης. 4 T Heavy Naphtha 8 Kerosene 9 Diesel 4 Topped Crude 10 Σχήµα 13.3: εύτερο κοµµάτι του σχεδιαγράµµατος ροής της προσοµοίωσης. 189

201 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου 12.7 Επιλογή των χηµικών συνιστωσών της προσοµοίωσης Το βασικό συστατικό που λαµβάνει µέρος στην προσοµοίωσή µας είναι το αργό πετρέλαιο εποµένως, θα χρησιµοποιήσουµε τη µέθοδο των ψευδοσυνιστωσών για να το µοντελοποιήσουµε µε όσο το δυνατόν περισσότερη ακρίβεια. 1) Αρχικά, ξεκινάµε µε την εισαγωγή των ελαφριών κλασµάτων του πετρελαίου. Η ανάλυση ελαφριών κλασµάτων κατά όγκο του αργού πετρελαίου που χρησιµοποιείται στην εγκατάσταση θεωρείται γνωστή και φαίνεται στον παρακάτω πίνακα: Ανάλυση ελαφριών κλασµάτων κατά όγκο Light ends Volume (%) Propane 0.18 i-butane 0.3 n-butane 0.69 Στο βασικό µενού του προγράµµατος επιλέγουµε διαδοχικά Thermophysical- Select components, µε αποτέλεσµα να εµφανιστεί η παρακάτω εικόνα στην οθόνη µας: Σχήµα 13.4: Ελαφριά κλάσµατα του αργού πετρελαίου. Με το γνωστό τρόπο (βλέπε κεφάλαιο 5 «ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων») επιλέγουµε τις παραπάνω συνιστώσες και ολοκληρώνουµε τη διαδικασία κάνοντας αριστερό κλικ στο πλήκτρο «ΟΚ». Σηµειώνουµε εδώ ότι το νερό πρέπει να εισαχθεί ως στοιχείο στην προσοµοίωσή µας, άσχετα µε το αν υπάρχει ή όχι στην αρχική τροφοδοτική 190

202 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου ροή, καθώς θα παραχθεί µέσω των διαδικασιών της απόσταξης στα επόµενα στάδια της προσοµοίωσης και έτσι θα πρέπει να υπάρχει στο σύστηµα. 2) Το επόµενο στάδιο είναι ο καθορισµός των ψευδοσυνιστωσών του πετρελαίου. Ξεκινάµε επιλέγοντας διαδοχικά Thermophysical-Pseudocomponent Curves από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στην οθόνη µας εµφανίζεται το βασικό παράθυρο επιλογών της διαδικασίας, που φαίνεται παρακάτω: Σχήµα 13.5: Βασικό παράθυρο επιλογών για τις ψευδοσυνιστώσες. i) Η επιλογή «Curve stream numbers» µας βοηθά να ορίσουµε ποια είναι η τροφοδοτική ροή που θα επεξεργαστούµε. Πρέπει να πληκτρολογήσουµε τον αριθµό αναφοράς της ροής στο αντίστοιχο κουτάκι, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Στο παράδειγµά µας, η τροφοδοτική ροή έχει τον αριθµό 1. Σχήµα 13.6: Χαρακτηρισµός της ροής προς επεξεργασία. ii) Η επόµενη επιλογή του παράθυρου επιλογών ονοµάζεται «Correlation method» και αφορά την επιλογή των µοντέλων για τον υπολογισµό του 191

203 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου µοριακού βάρους (molecular weight) και των κρίσιµων ιδιοτήτων (critical properties) των υδρογονανθράκων της προσοµοίωσης και µια επιλογή που αφορά µόνο τις µεθόδους ανάλυσης ASTM D86 και ASTM D2887. Οι επιλογές που κάνουµε στην παρούσα προσοµοίωση φαίνονται στην πιο κάτω εικόνα: Σχήµα 13.7: Επιλογή µοντέλων υπολογισµού των υδρογονανθράκων. iii) Συνεχίζοντας τη διαδικασία, θα πρέπει να επιλέξουµε τον αριθµό των ψευδοσυνιστωσών που θα δηµιουργήσει το πρόβληµα µετά τη διαίρεση της καµπύλης TBP του αργού πετρελαίου. Υπεύθυνη για τον τοµέα αυτό είναι η εντολή «Range» του βασικού παραθύρου. Το παράθυρο που εµφανίζεται όταν την επιλέξουµε συµπληρώνεται όπως παρακάτω: Σχήµα 13.8: Αριθµός σηµείων και διαστηµάτων της καµπύλης ΤΒΡ. iv) Το τελευταίο βήµα για την επιτυχηµένη δηµιουργία των ψευδοσυνιστωσών του πετρελαίου είναι η επιλογή «Edit curve data». Με τη βοήθειά της θα 192

204 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου εισάγουµε στο πρόγραµµα τα στοιχεία για την καµπύλη ΤΒΡ και το ειδικό βάρος. Τα δεδοµένα που έχουµε για το αργό πετρέλαιο είναι το µέσο βάρος ΑΡΙ του (35) και τη συνολική του παροχή, που είναι BPSD. Επιπλέον, οι καµπύλες ΤΒΡ και βάρους ΑΡΙ θεωρούνται γνωστές και φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Ανάλυση TBP 1 atm Volume (%) T ( F) Volume (%) API gravity Εποµένως, κάνουµε αριστερό κλικ πάνω στην εντολή «Edit curve data» και µας εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο, το οποίο έχουµε συµπληρώσει µε τα στοιχεία της παρούσας προσοµοίωσης. Σχήµα 13.9: Γενικές ιδιότητες του αργού πετρελαίου. 193

205 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου Συνεχίζουµε την εισαγωγή δεδοµένων µε το παράθυρο «TBP curve, stream 1». Εκεί θα πρέπει να εισάγουµε τα σηµεία της καµπύλης TBP, µε ποσοστά όγκου και την αντίστοιχη θερµοκρασία σε βαθµούς Φαρενάιτ. Με βάση τον προηγούµενο πίνακα («Ανάλυση TBP 1 atm»), συµπληρώνουµε το παράθυρο όπως παρακάτω: Σχήµα 13.10: Σηµεία της καµπύλης ΤΒΡ. Το επόµενο παράθυρο που εµφανίζεται στην οθόνη µας όταν κάνουµε αριστερό κλικ στο πλήκτρο «ΟΚ» ονοµάζεται «ΑΡΙ Gravity curve, stream 1» και χρησιµεύει στην εισαγωγή των σηµεία της καµπύλης βάρους ΑΡΙ, µε ποσοστά όγκου και το αντίστοιχο βάρος. Και πάλι, χρησιµοποιούµε τον προηγούµενο πίνακα («Ανάλυση TBP 1 atm») και συµπληρώνουµε το παράθυρο όπως φαίνεται παρακάτω: Σχήµα 13.11: ηµιουργία της καµπύλης βάρους ΑΡΙ. 194

206 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου Το τελευταίο παράθυρο της διαδικασίας είναι το «Light ends analysis», που αφορά τα ελαφριά κλάσµατα του αργού πετρελαίου. Συµβουλευόµαστε τον προηγούµενο πίνακα («Ανάλυση ελαφριών κλασµάτων κατά όγκο») και συµπληρώνουµε το παράθυρο µε τα παρακάτω στοιχεία: Σχήµα 13.12: εδοµένα των ελαφριών κλασµάτων του πετρελαίου. Η εισαγωγή των απαραίτητων δεδοµένων έχει τελειώσει. Πατώντας το πλήκτρο «ΟΚ» το πρόγραµµα µας εµφανίζει εκ νέου το βασικό παράθυρο «Edit distillation curves». Η διαδικασία δηµιουργίας των ψευδοσυνιστωσών ολοκληρώνεται κάνοντας αριστερό κλικ πάνω στην επιλογή «Save and exit» Καθορισµός των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών της προσοµοίωσης Ο σωστός καθορισµός των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών είναι από τα πιο σηµαντικά στάδια για µια επιτυχή προσοµοίωση καθώς κάποιο λάθος σε αυτό το βήµα θα οδηγήσει σε µη ρεαλιστικά αποτελέσµατα. Για να καθορίσουµε όλα τα απαραίτητα στοιχεία θερµοδυναµικής της προσοµοίωσής µας χωρίς τη βοήθεια του Chemcad επιλέγουµε διαδοχικά Thermophysical-Thermodynamic Settings από το βασικό µενού του προγράµµατος ή κάνουµε αριστερό κλικ στο αντίστοιχο κουµπί της µπάρας εργαλείων ( ). Οποιαδήποτε από τις δύο ενέργειες αυτές θα εµφανίσει στην οθόνη µας το παράθυρο επιλογών «Thermodynamic settings». Ξεκινάµε από την ταµπέλα «K value models» που αφορά επιλογές της τιµής Κ (K-value). Όλες οι αλλαγές που πρέπει να κάνουµε φαίνονται στην παρακάτω εικόνα: 195

207 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου Σχήµα 13.13: Επιλογές που αφορούν την τιµή Κ. Συνεχίζουµε στην ταµπέλα «Enthalpy models» που αφορά την ενθαλπία. Το παράθυρο επιλογών πρέπει να µοιάζει µε το παρακάτω: Σχήµα 13.14: Επιλογές που αφορούν την τιµή της ενθαλπίας. 196

208 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου Τέλος, η τρίτη και τελευταία ταµπέλα «Transport properties» αφορά τις ιδιότητες µεταφοράς της προσοµοίωσής µας. Όλες οι επιλογές που πρέπει να κάνουµε εµφανίζονται στην παρακάτω εικόνα: Σχήµα 13.15: Προδιαγραφές ιδιοτήτων µεταφοράς Προσδιορισµός των χαρακτηριστικών των ροών της προσοµοίωσης Η τροφοδοτική ροή της εγκατάστασής µας είναι η ροή 1. Θα πρέπει να εισάγουµε, εποµένως, τα δεδοµένα θερµοκρασίας και πίεσης που την αφορούν. Κάνουµε διπλό αριστερό κλικ πάνω στο εικονίδιο µε τον αριθµό 1 στο σχεδιάγραµµα ροής και εµφανίζουµε το παράθυρο «Edit feed streams». Εκεί πληκτρολογούµε όλα δεδοµένα της ροής όπως φαίνεται και στην παρακάτω εικόνα (σηµειώνουµε ότι τα στοιχεία εισαγωγής έχουν κόκκινο χρώµα). 197

209 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου Σχήµα 13.16: Εισαγωγή θερµοκρασίας και πίεσης της τροφοδοτικής ροής Εισαγωγή των χαρακτηριστικών των λειτουργικών µονάδων Αφού σχεδιάσαµε επιτυχώς το σχεδιάγραµµα ροής της προσοµοίωσής µας θα πρέπει, στη συνέχεια, να εισάγουµε τις προδιαγραφές όλων των λειτουργικών µονάδων που λαµβάνουν µέρος στο πρόβληµα. Αυτό γίνεται ανοίγοντας το µενού επιλογών κάθε λειτουργικής µονάδας, µε διπλό αριστερό κλικ πάνω στο εικονίδιο της στο σχεδιάγραµµα ροής. Στις επόµενες παραγράφους αναλύουµε κάθε µονάδα ξεχωριστά και τις επιλογές που πρέπει να γίνουν. Φούρνος (Fire Heater, F-1101) Η µοναδική εισαγωγή δεδοµένων που πρέπει να γίνει σε αυτή τη µονάδα είναι για τη θερµοκρασία εξόδου του αργού πετρελαίου από το φούρνο, που είναι 400 F. Εποµένως θα έχουµε την παρακάτω εικόνα: 198

210 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου Σχήµα 13.17: Προδιαγραφές του πρώτου φούρνου της εγκατάστασης. Στήλη απόσταξης (Distillation Column, Τ-1001) Η στήλη απόσταξης αποτελεί µια από τις πιο πολύπλοκες λειτουργικές µονάδες που µπορεί να χειριστεί το πρόγραµµα Chemcad, µε διαδοχικά µενού εισαγωγής δεδοµένων και πληροφοριών. Το αρχικό µενού χειρισµού της στήλης φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Με τη βοήθειά του πραγµατοποιούµε -µε τη σειρά- όλες τις απαραίτητες αλλαγές στις προδιαγραφές της στήλης µας. 199

211 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου Σχήµα 13.18: Βασικό µενού χειρισµού της αποστακτικής στήλης. Κάνοντας αριστερό κλικ στην επιλογή «Tower configuration» εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο επιλογών για τον ορισµό του αριθµού των εκροφητών, των ανακυκλοφοριών, των εναλλακτών και των πλευρικών προϊόντων της στήλης. Εφόσον στη συγκεκριµένη περίπτωση έχουµε 1 ανακυκλοφορία, 1 απογύµνωση και 1 εναλλάκτη θερµότητας το τελικό παράθυρο θα πρέπει να συµπληρωθεί ως εξής: Σχήµα 13.19: Γενικά χαρακτηριστικά της στήλης. 200

212 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου Πρέπει να σηµειώσουµε εδώ ότι το πρόγραµµα θεωρεί ως πλευρικά προϊόντα µόνο αυτά που φεύγουν απευθείας από το κύριο σώµα της στήλης. Οι ροές προϊόντων που φεύγουν από τον πυθµένα κάθε εκροφητή δεν θεωρούνται ότι ανήκουν στο κύριο σώµα της στήλης εποµένως δεν πρέπει να τα λάβουµε υπόψη µας στο σηµείο αυτό. Συνεχίζοντας την εισαγωγή δεδοµένων, κάνουµε αριστερό κλικ πάνω στην επιλογή «Main column», έτσι ώστε να ρυθµίσουµε τις προδιαγραφές της κύριας στήλης (για παράδειγµα, τον αριθµό των βαθµίδων της στήλης, την πτώση πίεσής της κλπ). Το παράθυρο που εµφανίζεται θα πρέπει να συµπληρωθεί όπως παρακάτω: Σχήµα 13.20: Προδιαγραφές της κύριας στήλης. Συµπυκνωτής (Condenser) Τα δεδοµένα για το συµπυκνωτή της στήλης µας εισάγονται µε τη βοήθεια της επιλογής «Condenser» του βασικού µενού «Edit tower plus input» που αναφέραµε παραπάνω. O συµπυκνωτής µας θεωρείται ολικός (total) και είναι υπόψυκτης λειτουργίας. Ως απόσταγµα (distillate) λογίζεται το υγρό συµπύκνωµα εξέρχεται από το συµπυκνωτή ενώ υπάρχει και παραγόµενο νερό (water decant) που αποµακρύνεται από το σύστηµα. Το αντίστοιχο συµπληρωµένο παράθυρο επιλογών φαίνεται στην παρακάτω εικόνα: 201

213 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου Σχήµα 13.21: Εισαγωγή στοιχείων του συµπυκνωτή. Εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Νάφθας Επόµενο βήµα της διαδικασία µας αποτελεί η εισαγωγή των στοιχείων του εκροφητή. Για την πραγµατοποίηση αυτής της ενέργειας κάνουµε αριστερό κλικ στην επιλογή «Side strippers» του βασικού µενού «Edit tower plus input». Πρέπει να συµπληρώσουµε το παράθυρο που εµφανίζεται µε τον παρακάτω τρόπο: 202

214 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου Σχήµα 13.22: Στοιχεία του εκροφητή της πρώτης στήλης. Ανακυκλοφορία (Pumparound) Για να εισάγουµε τις προδιαγραφές της ανακυκλοφορίας της στήλης χρησιµοποιούµε την επιλογή «Pumparounds» του βασικού µενού «Edit tower plus input». Όλες οι επιλογές που θα πρέπει να γίνουν υπάρχουν στην παρακάτω εικόνα: 203

215 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου Σχήµα 13.23: Προδιαγραφές της ανακυκλοφορίας της πρώτης στήλης. Εναλλάκτης θερµότητας (Heat exchanger) Το µόνο στοιχείο που έχουµε για τον εναλλάκτη είναι ότι βρίσκεται στη βαθµίδα 11 της αποστακτικής στήλης. Εποµένως, θα έχουµε το παρακάτω παράθυρο επιλογών: Σχήµα 13.24:. εδοµένα του εναλλάκτη θερµότητας. 204

216 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου Χαρακτηριστικά που αφορούν συγκεκριµένες βαθµίδες της στήλης Βαθµίδα 10 Σχήµα 13.25:.Στοιχεία της βαθµίδας 10. Βαθµίδα 13 Σχήµα 13.25:.Στοιχεία της βαθµίδας

217 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου Στο σηµείο αυτό έχουµε τελειώσει µε την εισαγωγή δεδοµένων για την πρώτη αποστακτική στήλη T Συνεχίζουµε κανονικά µε τα υπόλοιπα στοιχεία της εγκατάστασής µας. Φούρνος (Fire Heater, FΗ-1002) Η µοναδική εισαγωγή δεδοµένων που πρέπει να γίνει σε αυτή τη µονάδα είναι για τη θερµοκρασία εξόδου του αργού πετρελαίου από το φούρνο, που είναι 600 F. Εποµένως θα έχουµε την παρακάτω εικόνα: Σχήµα 13.26:.Προδιαγραφές του δεύτερου φούρνου. Στήλη απόσταξης (Distillation Column, Τ-1002) Η στήλη απόσταξης αποτελεί µια από τις πιο πολύπλοκες λειτουργικές µονάδες που µπορεί να χειριστεί το πρόγραµµα Chemcad, µε διαδοχικά µενού εισαγωγής δεδοµένων και πληροφοριών. 206

218 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου Το αρχικό µενού χειρισµού της στήλης φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Με τη βοήθειά του πραγµατοποιούµε -µε τη σειρά- όλες τις απαραίτητες αλλαγές στις προδιαγραφές της στήλης µας. Σχήµα 13.27: Βασικό µενού χειρισµού της αποστακτικής στήλης. Κάνοντας αριστερό κλικ στην επιλογή «Tower configuration» εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο επιλογών για τον ορισµού του αριθµού των εκροφητών, των ανακυκλοφοριών, των εναλλακτών και των πλευρικών προϊόντων της στήλης. Εφόσον στη συγκεκριµένη περίπτωση έχουµε 1 ανακυκλοφορία, 2 εκροφητές και 1 εναλλάκτη θερµότητας το τελικό παράθυρο θα πρέπει να συµπληρωθεί ως εξής: 207

219 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου Σχήµα 13.28: Γενικά χαρακτηριστικά της στήλης. Πρέπει να σηµειώσουµε εδώ ότι το πρόγραµµα θεωρεί ως πλευρικά προϊόντα µόνο αυτά που φεύγουν απευθείας από το κύριο σώµα της στήλης. Οι ροές προϊόντων που φεύγουν από τον πυθµένα κάθε εκροφητή δεν θεωρούνται ότι ανήκουν στο κύριο σώµα της στήλης εποµένως δεν πρέπει να τα λάβουµε υπόψη µας στο σηµείο αυτό. Επόµενο βήµα στην εισαγωγή δεδοµένων είναι η επιλογή «Main column»., που αφορά της προδιαγραφές της κύριας στήλης. Στο παράθυρο επιλογών που εµφανίζεται θα πρέπει να συµπληρώσουµε τα παρακάτω στοιχεία: Σχήµα 13.29: Βασικά δεδοµένα της στήλης απόσταξης. 208

220 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου Συµπυκνωτής (Condenser) Τα δεδοµένα για το συµπυκνωτή της στήλης µας εισάγονται µε τη βοήθεια της επιλογής «Condenser» του βασικού µενού «Edit tower plus input» που αναφέραµε παραπάνω. O συµπυκνωτής µας θεωρείται ολικός (total) και είναι υπόψυκτης λειτουργίας. Ως απόσταγµα (distillate) λογίζεται το υγρό συµπύκνωµα εξέρχεται από το συµπυκνωτή ενώ υπάρχει και παραγόµενο νερό (water decant) που αποµακρύνεται από το σύστηµα. Το αντίστοιχο συµπληρωµένο παράθυρο επιλογών φαίνεται στην παρακάτω εικόνα: Σχήµα 13.30: Παράθυρο επιλογών του συµπυκνωτή της δεύτερης στήλης. Πρώτος εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Κηροζίνης Επόµενο βήµα της διαδικασία µας αποτελεί η εισαγωγή των στοιχείων των εκροφητών. Για την πραγµατοποίηση αυτής της ενέργειας κάνουµε αριστερό κλικ στην επιλογή «Side strippers» του βασικού µενού «Edit tower plus input». Τα παράθυρα επιλογών των εκροφητών ανοίγουν διαδοχικά το ένα µετά το άλλο µέχρι να ολοκληρωθεί και η τελευταία εισαγωγή και πρέπει να συµπληρωθούν µε τον τρόπο που φαίνεται στις παρακάτω εικόνες: 209

221 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου Σχήµα 13.31: Πρώτος εκροφητής. εύτερος εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Ντίζελ Σχήµα 13.31: εύτερος εκροφητής. 210

222 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου Ανακυκλοφορία (Pumparound) Η επιλογή που αφορά τα δεδοµένα ανακυκλοφοριών της στήλης είναι η «Pumparounds» του βασικού µενού «Edit tower plus input». Στην επόµενη εικόνα φαίνεται πως θα πρέπει να συµπληρωθεί το αντίστοιχο παράθυρο επιλογών. Σχήµα 13.32: Παράθυρο επιλογών της ανακυκλοφορίας. Εναλλάκτης θερµότητας (Heat exchanger) Το µόνο στοιχείο που γνωρίζουµε για τον εναλλάκτη είναι ότι βρίσκεται στη βαθµίδα 14 της αποστακτικής στήλης. Εποµένως, θα έχουµε το παρακάτω παράθυρο επιλογών: 211

223 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου Σχήµα 13.33:. εδοµένα του εναλλάκτη θερµότητας. Χαρακτηριστικά που αφορούν συγκεκριµένες βαθµίδες της στήλης Βαθµίδα 13 Σχήµα 13.34:.Στοιχεία της βαθµίδας

224 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου Βαθµίδα 16 Σχήµα 13.35:.Στοιχεία της βαθµίδας 16. Στο σηµείο αυτό έχουµε τελειώσει µε την εισαγωγή δεδοµένων και για τη δεύτερη αποστακτική στήλη T-1002 και είµαστε έτοιµοι για την εκτέλεση της προσοµοίωσης Εκτέλεση της προσοµοίωσης Μια πολύ χρήσιµη δυνατότητα που µας δίνει το πρόγραµµα είναι να αλλάξουµε διάφορες επιλογές σχετικά µε τη σύγκλιση της εκτέλεσης. Το βήµα αυτό είναι ιδιαίτερα σηµαντικό καθώς µας βοηθά να ορίσουµε τις ανοχές λάθους κατά την εκτέλεση, να επιλέξουµε ποια µέθοδο επαναληπτικής σύγκλισης θα χρησιµοποιήσει το πρόγραµµα, να αλλάξουµε το επίπεδο ελέγχου και παρέµβασης κατά τη διάρκεια του τρεξίµατος και άλλα σηµαντικά στοιχεία. Εποµένως, πριν την τελικό τρέξιµο του προγράµµατος καλό θα ήταν να επιλέξουµε διαδοχικά Run-Convergence από το βασικό µενού του προγράµµατος. Το παράθυρο επιλογών που εµφανίζεται στην οθόνη µας φαίνεται παρακάτω: 213

225 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου Σχήµα 13.36: Παράθυρο παραµέτρων για τη σύγκλιση της προσοµοίωσης. Εκτός των άλλων στοιχείων του παραθύρου, δυο χρήσιµες εντολές είναι οι «Display trace window» και «Generate run history». Με την πρώτη το πρόγραµµα εµφανίζει κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης ένα παράθυρο στο οποίο φαίνονται, σε πραγµατικό χρόνο, όλοι οι υπολογισµοί που πραγµατοποιεί το Chemcad, επιτρέποντάς µας να επέµβουµε σταµατώντας την επαναληπτική διαδικασία αν καταλάβουµε ότι το πρόγραµµα θα αποκλίνει. Με τη δεύτερη, το πρόγραµµα θα εµφανίσει µετά το τέλος της εκτέλεσης ένα καινούργιο παράθυρο µε το ιστορικό όλων των διαδοχικών υπολογισµών, πράγµα ιδιαίτερα χρήσιµο για τον εντοπισµό πιθανών λαθών σε περιπτώσεις µη σύγκλισης. Όταν έχουµε ολοκληρώσει όλες τις αλλαγές στις επιλογές της σύγκλισης, η εκτέλεση της προσοµοίωσης πραγµατοποιείται επιλέγοντας διαδοχικά Run- Run-Run all από το βασικό µενού του προγράµµατος ή κάνοντας αριστερό κλικ πάνω στο πλήκτρο «Run all» της µπάρας εργαλείων Επιθεώρηση των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης Όταν ολοκληρωθεί η εκτέλεση της προσοµοίωσης µπορούµε να επιθεωρήσουµε τα αποτελέσµατα χρησιµοποιώντας µια πλειάδα διαφορετικών µεθόδων. Για όλες αυτές τις µεθόδους έχουµε αφιερώσει ένα 214

226 Εφαρµογή απόσταξης αργού πετρελαίου ξεχωριστό κεφάλαιο (κεφάλαιο 6 «Αποτελέσµατα και αναφορές») όπου τις αναλύουµε σε βάθος. Τα αποτελέσµατα της παρούσας εφαρµογής βρίσκονται στο Παράρτηµα Β, στο τέλος της άσκησης. 215

227 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου 13. Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου 13.1 Εισαγωγικά στοιχεία Με την παρούσα εφαρµογή προσοµοιώνουµε µια εγκατάσταση απόσταξης που χρησιµοποιείται σε πραγµατική ελληνική βιοµηχανία για την παραγωγή κλασµάτων του αργού πετρελαίου. Η πλειονότητα των δεδοµένων που χρησιµοποιούνται προέρχονται από την εγκατάσταση απόσταξης των διυλιστηρίων Κορίνθου της εταιρίας Μοτορ Οιλ Ελλάς (Motor Oil Hellas). Η εν λόγω εγκατάσταση λειτουργεί από το 1975 και έχει σχεδιαστεί να κατεργάζεται διάφορους τύπους αργού πετρελαίου, από τα ελαφρύτερα έως τα βαρύτερα (πυκνότητας ΑΡΙ από 40 έως 24.5). Είναι εύλογο ότι µε την πάροδο του χρόνου η εγκατάσταση έχει υποστεί διάφορες αλλαγές και βελτιώσεις. Στην παρούσα προσοµοίωση θα χρησιµοποιήσουµε τα δεδοµένα σχεδιασµού της αρχικής εγκατάστασης, διορθωµένα όπου χρειάζεται µε τις νεότερες τιµές Περιγραφή του προβλήµατος Το αργό πετρέλαιο, τύπου Arabian Light, οδηγείται στο φούρνο θέρµανσης (Fire heater, F-1101) και εξέρχεται σε θερµοκρασία 381 C. Εν συνεχεία, το µίγµα εισέρχεται στο κάτω µέρος της στήλης απόσταξης C Η στήλη αυτή αποτελείται από 44 βαθµίδες (Stages), 1 συµπυκνωτή (Condenser), 4 εκροφητές (Side strippers) και 2 ανακυκλοφορίες (Pumparounds). Οι εκροφητές αυτοί χρησιµεύουν στην παραγωγή των ζητούµενων κλασµάτων του πετρελαίου (Jet Oil, Kerosene, Gas oil και Diesel oil αντίστοιχα). Οι ατµοί κορυφής της στήλης οδηγούνται στον εναλλάκτη Ε-1103 του συστήµατος συµπύκνωσης και µετά, µε τη βοήθεια του δοχείου V-1102, διαχωρίζονται σε ατµούς νάφθας (για περαιτέρω επεξεργασία) και στο συµπύκνωµα που επανεισέρχεται στη στήλη µέσω της διαδικασίας της αναρροής. Οι ατµοί νάφθας οδηγούνται σε δύο εναλλάκτες, έναν αερόψυκτο (Ε-1115) και έναν υδρόψυκτο (Ε-1114) µε στόχο τη µείωση της θερµοκρασίας τους κοντά στους 40 C. Τέλος, µε τη βοήθεια του δοχείου συλλογής V-1103, παράγουµε τρία διαφορετικά ρεύµατα ρευστού, το ατµώδες για περαιτέρω χρήση σε άλλο τµήµα της εγκατάστασης, την υγρή νάφθα για επεξεργασία στον αποβουτανιωτή και το συµπύκνωµα των ατµών νάφθας για συλλογή σε δεξαµενή της εγκατάστασης και περαιτέρω χρήση Αναλυτικά δεδοµένα του προβλήµατος Στις επόµενες παραγράφους αναφέρουµε αναλυτικά όλα τα απαραίτητα στοιχεία που προκύπτουν από τη µελέτη της εγκατάστασης και χρειάζονται για την επίλυση του προβλήµατος. 216

228 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου Σύσταση της τροφοδοτικής ροής Η µονάδα διύλισης που µελετάµε χρησιµοποιεί, µεταξύ άλλων, αργό πετρέλαιο τύπου Arabian Light, που εξορίσεται στη Σαουδική Αραβία. Πριν προχωρήσουµε παρακάτω, είναι σηµαντικό να αναλύσουµε πως χειρίζεται το πρόγραµµα κάθε τύπο πετρελαίου. Το αργό πετρέλαιο είναι ένα από τα πιο πολυσύνθετα µίγµατα που απαντώνται στη φύση, λόγω της προέλευσής του. Περιέχει εκατοµµύρια ενώσεις, η σύστασή του δεν είναι σταθερή µε το χρόνο, αλλά µεταβάλλεται µε τα χρόνια κατά τα οποία αντλείται από µια συγκεκριµένη πετρελαιοπηγή, περιλαµβάνει δε σχεδόν κάθε γνωστή οµάδα οργανικών ενώσεων, µαζί µε νερό κι ανόργανα άλατα. Για το λόγο αυτό δεν είναι δυνατός ο προσδιορισµός συγκεκριµένης χηµικής σύστασης για ένα πετρέλαιο. Για το λόγο αυτό, η σύσταση του αργού πετρελαίου και των προϊόντων του εκφράζεται µε τις λεγόµενες καµπύλες αποστάξεως. Οι τελευταίες αποτελούν γραφική παράσταση της θερµοκρασίας ασυνεχούς απόσταξης (batch distillation) σε συνάρτηση µε το ποσοστό του µίγµατος που έχει αποστάξει, υπό αυστηρά καθορισµένες συνθήκες πίεσης, αριθµού δίσκων και αναρροής. Μια από τις πιο σηµαντικές πρότυπες αποστάξεις πετρελαίου/παραγώγων του είναι η καµπύλη αληθών σηµείων βρασµού (True Boiling Point, TBP). Ακόµα κι αν διατίθετο µια ακριβής ανάλυση αργού πετρελαίου θα ήταν αδύνατο να κάνουµε υπολογισµούς ισορροπίας ατµών-υγρού µε τις χιλιάδες ή εκατοµµύρια ενώσεις που το αποτελούν. Για το σκοπό αυτό, η χηµική του σύσταση προσεγγίζεται µε τη µέθοδο των ψευδοσυστατικών (pseudocomponents). Η τελευταία συνίσταται στη διαίρεση της καµπύλης αληθών σηµείων βρασµού (True Boiling Point, TBP) στον επιθυµητό αριθµό τµηµάτων. Το κάθε τµήµα της καµπύλης θεωρείται ως ένα διακριτό συστατικό, του οποίου οι ιδιότητες είναι αυτές που αντιστοιχούν στο µέσο του (midpoint). Είναι προφανές ότι για διαστήµατα ίσου πλάτους, όσο µεγαλύτερος είναι ο αριθµός τους, τόσο µικρότερο το πλάτος τους. Συνεπώς όσο αυξάνει ο αριθµός των ψευδοσυστατικών στα οποία αναλύουµε ένα πετρελαϊκό κλάσµα, τόσο µεγαλύτερη ακρίβεια έχουµε, γιατί οι ιδιότητες σε κάθε σηµείο του εκάστοτε ψευδοσυστατικού προσεγγίζουν πιο ικανοποιητικά αυτές του µέσου σηµείου του (midpoint). Το πρόγραµµα Chemcad χρησιµοποιεί την προαναφερθείσα µέθοδο των ψευδοσυστατικών για να προσεγγίσει τη χηµική σύσταση όλων των ειδών πετρελαίου. Κάθε ψευδοσυνιστώσα χρησιµοποιεί στο όνοµά της τα γράµµατα NBP (Normal Boiling Point) ακολουθούµενα από έναν αριθµό, που αντιπροσωπεύει τη θερµοκρασία κανονικού σηµείου βρασµού σε βαθµούς Κελσίου ( C) ή Φαρενάιτ ( F). Εποµένως, για παράδειγµα, η ψευδοσυνιστώσα NBP60C µοντελοποιεί το µίγµα υδρογονανθράκων που έχει κανονικό σηµείο βρασµού στους 60 C. Μπορούµε να δηµιουργήσουµε κάθε ψευδοσυνιστώσα από το µηδέν, να επιλέξουµε έναν από τους έτοιµους τύπους του αργού πετρελαίου που διαθέτει το πρόγραµµα ή να εισάγουµε όλα τα απαραίτητα στοιχεία του πετρελαίου χειροκίνητα. 217

229 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου Η διαδικασία δηµιουργίας µια νέας ψευδοσυνιστώσας έχει καλυφθεί στο κεφάλαιο 9 «Παραµετροποίηση του προγράµµατος». Η γρηγορότερη µέθοδος, εφόσον γνωρίζουµε τον τύπο του πετρελαίου, είναι να χρησιµοποιήσουµε τα έτοιµα στοιχεία του προγράµµατος αποδεχόµενοι το γεγονός ότι µπορεί να υπάρχουν αποκλίσεις ανάµεσα στην επιθυµητή και την τελική ακρίβεια των υπολογισµών. Εάν υπάρχουν αναλυτικά στοιχεία για τον τύπο του πετρελαίου που χρησιµοποιείται στην προσοµοίωση τότε θα µπορούσαµε να τα εισάγουµε µόνοι µας έχοντας τον πλήρη έλεγχο της κατάστασης αλλά και την ευθύνη πιθανού λάθους. Στην περίπτωσή µας επιλέγουµε να εισάγουµε όλα τα απαραίτητα στοιχεία χειροκίνητα. Στο σηµείο αυτό απλώς αναφέρουµε επιγραµµατικά, µε τη βοήθεια του παρακάτω πίνακα, την ακριβή σύσταση της ροής. H αναλυτική διαδικασία δηµιουργίας θα φανεί σε επόµενο βήµα. Συστατικό Παροχή Συστατικό Παροχή Συστατικό Παροχή (kg/h) (kg/h) (kg/h) Ethane NBP248C NBP452C Propane NBP250C NBP456C I-Butane NBP252C NBP461C N-Butane NBP255C NBP466C I-Pentane NBP257C NBP470C N-Pentane NBP259C NBP475C Water 0 NBP262C NBP480C NBP38C 0 NBP264C NBP485C NBP43C NBP266C NBP489C NBP48C NBP268C NBP494C NBP54C NBP271C NBP499C NBP59C NBP273C NBP503C NBP64C NBP276C NBP508C NBP69C NBP278C NBP513C NBP74C NBP281C NBP517C NBP79C NBP283C NBP522C NBP85C NBP286C NBP527C NBP90C NBP288C NBP531C NBP95C NBP291C NBP536C NBP100C NBP293C NBP541C NBP105C NBP296C NBP546C NBP110C NBP298C NBP550C NBP116C NBP301C NBP555C NBP121C NBP303C NBP560C NBP126C NBP306C NBP564C NBP131C NBP308C NBP569C NBP136C NBP311C NBP574C NBP141C NBP313C NBP578C NBP146C NBP316C NBP583C NBP152C NBP318C NBP588C NBP157C NBP321C NBP593C NBP162C NBP323C NBP597C NBP166C NBP326C NBP602C NBP168C NBP328C NBP607C

230 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου NBP170C NBP331C NBP611C NBP173C NBP333C NBP616C NBP175C NBP336C NBP621C NBP178C NBP338C NBP625C NBP180C NBP341C NBP630C NBP182C NBP343C NBP635C NBP185C NBP346C NBP639C NBP187C NBP348C NBP644C NBP190C NBP351C NBP649C NBP192C NBP353C NBP654C NBP194C NBP356C NBP658C NBP197C NBP358C NBP663C NBP199C NBP361C NBP668C NBP202C NBP363C NBP672C NBP204C NBP366C NBP677C NBP206C NBP368C NBP682C NBP209C NBP372C NBP686C NBP211C NBP377C NBP691C NBP214C NBP381C NBP696C NBP216C NBP386C NBP701C NBP218C NBP391C NBP705C NBP221C NBP395C NBP710C NBP223C NBP400C NBP715C NBP225C NBP405C NBP719C NBP227C NBP409C NBP724C NBP230C NBP414C NBP729C NBP232C NBP419C NBP733C NBP234C NBP423C NBP738C NBP237C NBP428C NBP743C NBP239C NBP433C NBP747C NBP241C NBP438C NBP752C NBP243C NBP442C NBP757C NBP246C NBP447C Χαρακτηριστικά της τροφοδοτικής ροής 1. Θερµοκρασία πριν την είσοδο στο φούρνο 271 C 2. Πίεση πριν την είσοδο στο φούρνο 20 bar 3. Μέσο ειδικό βάρος του αργού πετρελαίου Arabian Light Συνολική παροχή kg/h Φούρνος (Fire Heater, F-1101) 1. Θερµοκρασία εξόδου από το φούρνο 381 C Στήλη απόσταξης (Distillation Column, C-1101) 1. Αριθµός βαθµίδων Πίεση στο πάνω µέρος της στήλης 2.5 kg/cm² 3. Πτώση πίεσης σε όλη τη στήλη 0.3 kg/cm² 219

231 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου 4. Αριθµός τροφοδοτικής βαθµίδας Αριθµός εκροφητών (strippers) 4 6. Αριθµός ανακυκλοφοριών (pumparounds) 2 Ατµός που εισέρχεται στο κάτω µέρος της στήλης Παροχή του ατµού kmol/h 2. Θερµοκρασία του ατµού 350 C 3. Πίεση του ατµού 12 kg/cm² Συµπυκνωτής (Condenser) 1. Πίεση του συµπυκνωτή 2.5 kg/cm² 2. Παροχή του προϊόντος απόσταξης kg/h O συµπυκνωτής θεωρείται µερικός (partial), ως απόσταγµα (distillate) λογίζεται ο ατµός που εξέρχεται από το συµπυκνωτή ενώ όλο το υπόλοιπο υγρό συµπύκνωµα του επανεισέρχεται στη στήλη ως 3. αναρροή (reflux). Πρώτος εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Jet oil 1. Αριθµός βαθµίδων 6 2. Αναρρόφηση από τη βαθµίδα 6 3. Επιστροφή στη βαθµίδα 5 4. Παροχή στο κάτω µέρος του εκροφητή kg/h 5. Παροχή ατµού στον εκροφητή kmol/h 6. Θερµοκρασία του ατµού 350 C εύτερος εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Kerosene 1. Αριθµός βαθµίδων 6 2. Αναρρόφηση από τη βαθµίδα Επιστροφή στη βαθµίδα Παροχή στο κάτω µέρος του εκροφητή kg/h 5. Παροχή ατµού στον εκροφητή kmol/h 6. Θερµοκρασία του ατµού 350 C Τρίτος εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Gas oil 1. Αριθµός βαθµίδων 6 2. Αναρρόφηση από τη βαθµίδα Επιστροφή στη βαθµίδα Παροχή στο κάτω µέρος του εκροφητή kg/h 5. Παροχή ατµού στον εκροφητή kmol/h 6. Θερµοκρασία του ατµού 350 C Τέταρτος εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Diesel oil 220

232 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου 1. Αριθµός βαθµίδων 6 2. Αναρρόφηση από τη βαθµίδα Επιστροφή στη βαθµίδα Παροχή στο κάτω µέρος του εκροφητή kg/h 5. Παροχή ατµού στον εκροφητή kmol/h 6. Θερµοκρασία του ατµού 350 C Πρώτη ανακυκλοφορία (Pumparound) 1. Αναρρόφηση από τη βαθµίδα 9 2. Επιστροφή στη βαθµίδα 7 3. To ρευστό που αναρροφάται είναι υγρό 4. Παροχή ρευστού µέσω της ανακυκλοφορίας kg/h 5. Θερµοκρασία εξόδου του ρευστού από την ανακυκλοφορία 150 C εύτερη ανακυκλοφορία (Pumparound) 1. Αναρρόφηση από τη βαθµίδα Επιστροφή στη βαθµίδα To ρευστό που αναρροφάται είναι υγρό 4. Παροχή ρευστού µέσω της ανακυκλοφορίας kg/h 5. Θερµοκρασία εξόδου του ρευστού από την ανακυκλοφορία 150 C Αερόψυκτος εναλλάκτης (Air Cooler, E-1115) 1. Θερµοκρασία εξόδου από τον εναλλάκτη 50 C 2. Πτώση πίεσης στον εναλλάκτη 0.25 kg/cm² Yδρόψυκτος εναλλάκτης (Heat exchanger, E- 1114) 1. Θερµοκρασία εξόδου από τον εναλλάκτη 40 C 2. Πτώση πίεσης στον εναλλάκτη 0.25 kg/cm² οχείο συλλογής (Vessel, V-1103) 1. Θερµοκρασία του δοχείου 40 C 2. Πίεση του δοχείου 2 kg/cm² Χρήσιµη σηµείωση: Στο πρόγραµµα Chemcad η αρίθµηση των βαθµίδων της στήλης απόσταξης ξεκινάει από την κορυφή της στήλης προς τον πυθµένα. Επιπλέον, οι βαθµίδες των εκροφητών αριθµούνται εσωτερικά στο πρόγραµµα µετά το τέλος της αρίθµησης των βαθµίδων της κύριας στήλης. Έτσι, στην παρούσα εφαρµογή, η στήλη έχει 44 βαθµίδες και 4 εκροφητές µε 6 βαθµίδες ο κάθε ένας, εποµένως ο πρώτος εκροφητής θα έχει τις βαθµίδες 45-50, ο δεύτερος κλπ. 221

233 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου Η αναφορά όλων των απαραίτητων δεδοµένων για το πρόβληµά µας έχει τώρα ολοκληρωθεί. Στη συνέχεια ακολουθεί η δηµιουργία της προσοµοίωσής µας ακολουθώντας τα παρακάτω βήµατα: Έναρξη µιας καινούργιας προσοµοίωσης. Επιλογή των µονάδων µέτρησης της προσοµοίωσης. ηµιουργία του σχεδιαγράµµατος ροής, µε τις κατάλληλες ροές και λειτουργικές µονάδες, ανάλογα µε τη φύση της εργασίας. Επιλογή των χηµικών συνιστωσών που θα λάβουν µέρος στην προσοµοίωση. Καθορισµός των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών της προσοµοίωσης. Προσδιορισµός των χαρακτηριστικών των ροών της διεργασίας. Εισαγωγή των χαρακτηριστικών των λειτουργικών µονάδων. Εκτέλεση της προσοµοίωσης. Επιθεώρηση των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης Έναρξη µιας καινούργιας προσοµοίωσης Ξεκινώντας το Chemcad βρισκόµαστε στην εισαγωγική οθόνη του προγράµµατος και παρατηρούµε τη λέξη [Untitled] στη µπάρα τίτλου του προγράµµατος, αφού δεν έχουµε αρχίσει ακόµα να εργαζόµαστε σε κάποια προσοµοίωση ούτε έχουµε ονοµάσει το αρχείο µας. Μπορούµε να αρχίσουµε να δουλεύουµε αµέσως µε την προσοµοίωση µας αλλά θα ήταν καλύτερο να ονοµάζαµε και να σώζαµε την εργασία µας άµεσα έτσι ώστε να αποφύγουµε να χάσουµε πολύτιµα στοιχεία σε περίπτωση κάποιου σφάλµατος του υπολογιστή ή του δικτύου (αν εργαζόµαστε, βέβαια, σε δίκτυο). Για να αποθηκεύσουµε την προσοµοίωση επιλέγουµε διαδοχικά File-Save As από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στο παράθυρο διαλόγου που θα εµφανιστεί πρέπει αρχικά να επιλέξουµε την τοποθεσία στην οποία θα αποθηκευτεί το αρχείο µας. Το πρόγραµµα έχει επιλέξει από µόνο του (by default) να σώζει τα αρχεία προσοµοίωσης στο φάκελο My Simulations που δηµιουργήθηκε αυτόµατα µε την εγκατάσταση του προγράµµατος µέσα στο φάκελο My Documents. Μπορούµε να αποθηκεύσουµε τα αρχεία σε οποιοδήποτε άλλο σηµείο του σκληρού δίσκου εντοπίζοντας το φάκελο που µας ενδιαφέρει στο πλαίσιο «Save in» («Αποθήκευση σε»). Στη συνέχεια ονοµάζουµε το αρχείο µας πληκτρολογώντας το όνοµα στο πλαίσιο «File Name» («Όνοµα αρχείου»). Στην παρούσα περίπτωση χρησιµοποιούµε το όνοµα «Motor Oil-Arabian Light». Όλα τα αρχεία προσοµοίωσης σώζονται αυτόµατα µε την κατάληξη.cc6 (ChemCad 6) οπότε αφήνουµε το παρακάτω πεδίο «Save as type» («Αποθήκευση ως») όπως είναι. Κάνοντας κλικ στο κουµπί «Save» («Αποθήκευση») ολοκληρώνουµε τη διαδικασία Επιλογή των µονάδων µέτρησης της προσοµοίωσης Για να ορίσουµε τις µονάδες µέτρησης για την προσοµοίωσή µας θα πρέπει να επιλέξουµε διαδοχικά Format-Engineering Units από το βασικό µενού του 222

234 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου προγράµµατος. Στο παράθυρο «Engineering Units Selection» που µας εµφανίζεται πραγµατοποιούµε όλες τις επιλογές µονάδων που θέλουµε. Στην παρούσα προσοµοίωση δεν θα διαλέξουµε κάποιο από τα τέσσερα γνωστά συστήµατα µονάδων (Αγγλικό [English], Τροποποιηµένο ιεθνές Σύστηµα [Alt S], ιεθνές Σύστηµα [SI], Μετρικό [Metric]) αλλά για τη διευκόλυνσή µας θα δηµιουργήσουµε ένα καινούργιο προφίλ µε το όνοµα «Alternative», που θα περιέχει έναν συνδυασµό µονάδων από τα διάφορα συστήµατα. Εποµένως, κάνουµε όλες τις αλλαγές που επιθυµούµε στις µονάδες, πληκτρολογούµε στο αντίστοιχο πεδίο το όνοµα «Alternative» και πατάµε το πλήκτρο «Save profile». Μετά το πέρας της διαδικασίας το παράθυρο µας θα πρέπει να έχει την παρακάτω µορφή: Σχήµα 12.1: Παράθυρο επιλογής των µονάδων µέτρησης της προσοµοίωσης. Πατώντας το πλήκτρο «ΟΚ» ολοκληρώνουµε τη διαδικασία και επιστρέφουµε πίσω στο περιβάλλον της προσοµοίωσης ηµιουργία του σχεδιαγράµµατος ροής (flowsheet) H δηµιουργία του σχεδιαγράµµατος ροής συνίσταται στην επιλογή των κατάλληλων λειτουργικών µονάδων που θα περιγράφουν µε ακρίβεια το πρόβληµα και τη σύνδεσή τους µε τις ροές, δηµιουργώντας έτσι τη βάση του σχεδιαγράµµατος. Όλα τα κατάλληλη εργαλεία σχεδίασης βρίσκονται στο παράθυρο της παλέτας σχεδιασµού (Palette). Οι λειτουργικές µονάδες που χρειαζόµαστε από την παλέτα σχεδιασµού είναι η τροφοδοτική ροή («Feed #1»), ο φούρνος («Fire heater #1»), η στήλη απόσταξης («Tower plus #2»), o αερόψυκτος 223

235 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου εναλλάκτης («Heat exchanger #1»), ο υδρόψυκτος εναλλάκτης («Heat exchanger #1»), το δοχείο διαχωρισµού («Flash #1») και τέλος, τα προϊόντα της διεργασίας («Product #1»). Πρέπει να σηµειώσουµε εδώ ότι, για να επιτύχουµε καλύτερη οπτική απεικόνιση της λειτουργικής µονάδας της στήλης απόσταξης δηµιουργήσαµε ένα νέο εικονίδιο, µε τη βοήθεια του εργαλείου «Chemcad Symbol Editor». Με τον τρόπο αυτό φαίνονται οι 2 ανακυκλοφορίες, οι 4 εκροφητές και η διαφοροποίηση στο συµπυκνωτή κορυφής της στήλης. Η διαφορά σε σχέση µε τη χρησιµοποίηση κάποιου από τα έτοιµα εικονίδια του προγράµµατος για τη στήλη απόσταξης είναι περισσότερο οπτική και δεν επηρεάζει τις ιδιότητες και επιλογές της στήλης. Με παρόµοια λογική µπορούµε να επιλέξουµε κάποιο παρόµοιο σύµβολο για τους δυο εναλλάκτες και το δοχείο διαχωρισµού από τα αντίστοιχα υποµενού της παλέτας σχεδιασµού, αρκεί φυσικά η επιλογή µας να έχει τις σωστές ιδιότητες (π.χ. µια είσοδο και µια έξοδο για τους εναλλάκτες, µια είσοδο και τρεις εξόδους για το δοχείο κλπ). Η αναλυτική διαδικασία σχεδιασµού υπάρχει στο κεφάλαιο 5 «ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων». Έχοντας υπόψη αυτά τα στοιχεία και ακολουθώντας την παραπάνω διαδικασία προκύπτει το ζητούµενο σχεδιάγραµµα ροής, που φαίνεται στις παρακάτω εικόνες. Έχουµε δηµιουργήσει µια γενική εικόνα της συνολικής εγκατάστασης αλλά και δυο επιµέρους ώστε να φαίνονται καλύτερα µερικά στοιχεία. 224

236 3 4 5 Air Cooler H. Exchanger Flash 11 Top vapor 2 Dist. Column 3 Naphtha vapor Naphtha to debutaniser 13 Water decant 4 Jet oil 5 Kerosene 1 Fire heater 1 Crude oil 6 Gas oil 2 7 Diesel 8 Residue

237 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου 3 Air Cooler 3 Naphtha vapor 2 Dist. Column 4 Jet oil 5 Kerosene 1 Fire heater 1 Crude oil 6 Gas oil 2 7 Diesel 8 Residue Σχήµα 12.2: Πρώτο κοµµάτι του σχεδιαγράµµατος ροής της προσοµοίωσής µας. 4 H. Exchanger 5 Flash 11 Top vapor Naphtha to debutaniser 13 Water decant Σχήµα 12.3: εύτερο κοµµάτι του σχεδιαγράµµατος ροής της προσοµοίωσής µας. 225

238 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου 13.7 Επιλογή των χηµικών συνιστωσών της προσοµοίωσης Το βασικό συστατικό που λαµβάνει µέρος στην προσοµοίωσή µας είναι το αργό πετρέλαιο τύπου Arabian Light εποµένως, θα χρησιµοποιήσουµε τη µέθοδο των ψευδοσυνιστωσών για να το µοντελοποιήσουµε µε όσο το δυνατόν περισσότερη ακρίβεια. 1) Αρχικά, ξεκινάµε µε την εισαγωγή των ελαφριών κλασµάτων του πετρελαίου. Από βιβλιογραφικές πηγές, µέσω ανάλυσης TBP, προκύπτουν τα παρακάτω στοιχεία: Ανάλυση ελαφριών κλασµάτων κατά όγκο και κατά µάζα Light ends Volume (%) Weight (%) Ethane Propane i-butane n-butane i-pentane n-pentane Στο βασικό µενού του προγράµµατος επιλέγουµε διαδοχικά Thermophysical- Select components, µε αποτέλεσµα να εµφανιστεί η παρακάτω εικόνα στην οθόνη µας: Σχήµα 12.3: Εισαγωγή των ελαφριών κλασµάτων στην προσοµοίωση. Με το γνωστό τρόπο (βλέπε κεφάλαιο 5 «ιαδικασία δηµιουργίας και διαχείριση προσοµοιώσεων») επιλέγουµε τις παραπάνω συνιστώσες και ολοκληρώνουµε τη διαδικασία κάνοντας αριστερό κλικ στο πλήκτρο «ΟΚ». 226

239 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου Σηµειώνουµε εδώ ότι το νερό πρέπει να εισαχθεί ως στοιχείο στην προσοµοίωσή µας, άσχετα µε το αν υπάρχει ή όχι στην αρχική τροφοδοτική ροή, καθώς θα παραχθεί µέσω των διαδικασιών της απόσταξης στα επόµενα στάδια της προσοµοίωσης και έτσι θα πρέπει να υπάρχει στο σύστηµα. 2) Το επόµενο στάδιο είναι ο καθορισµός των ψευδοσυνιστωσών του πετρελαίου. Ξεκινάµε επιλέγοντας διαδοχικά Thermophysical-Pseudocomponent Curves από το βασικό µενού του προγράµµατος. Στην οθόνη µας εµφανίζεται το βασικό παράθυρο επιλογών της διαδικασίας, που φαίνεται παρακάτω: Σχήµα 12.4: Βασικό παράθυρο επιλογών για τις ψευδοσυνιστώσες. i) Η επιλογή «Curve stream numbers» µας βοηθά να ορίσουµε ποια είναι η τροφοδοτική ροή που θα επεξεργαστούµε. Πρέπει να πληκτρολογήσουµε τον αριθµό αναφοράς της ροής στο αντίστοιχο κουτάκι, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Στο παράδειγµά µας, η τροφοδοτική ροή έχει τον αριθµό 1. Σχήµα 12.5: Χαρακτηρισµός της ροής προς επεξεργασία. 227

240 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου ii) Η επόµενη επιλογή του παράθυρου επιλογών ονοµάζεται «Correlation method» και αφορά την επιλογή των µοντέλων για τον υπολογισµό του µοριακού βάρους (molecular weight) και των κρίσιµων ιδιοτήτων (critical properties) των υδρογονανθράκων της προσοµοίωσης καθώς και µια επιλογή που αφορά µόνο τις µεθόδους ανάλυσης ASTM D86 και ASTM D2887. Οι επιλογές που κάνουµε στην παρούσα προσοµοίωση φαίνονται στην πιο κάτω εικόνα: Σχήµα 12.6: Επιλογές σχετικά µε τα µοντέλα υπολογισµού των υδρογονανθράκων iii) Συνεχίζοντας τη διαδικασία, θα πρέπει να επιλέξουµε τον αριθµό των ψευδοσυνιστωσών που θα δηµιουργήσει το πρόβληµα µετά τη διαίρεση της καµπύλης TBP του αργού πετρελαίου. Υπεύθυνη για τον τοµέα αυτό είναι η εντολή «Range» του βασικού παραθύρου. Έχοντας υπόψη µας ότι ο µέγιστος αριθµός χηµικών συνιστωσών που επιτρέπει σε µια προσοµοίωση το πρόγραµµα είναι 200 και ότι έχουµε ήδη εισάγει 7 συνιστώσες ελαφριών κλασµάτων, µπορούµε να δηµιουργήσουµε το ανώτερο 193 ψευδοσυνιστώσες. Από βιβλιογραφικές πηγές προκύπτουν τα παρακάτω στοιχεία για τον τύπο αργού πετρελαίου Arabian Light, που θα µας βοηθήσουν στην εισαγωγή των σωστών διαστηµάτων της καµπύλης ΤΒΡ. Σηµειώνουµε ότι τα στοιχεία αυτά είναι προϊόν ανάλυσης TBP 1 atm. Ανάλυση TBP 1 atm, Arabian Light Vol (%) T ( C) T ( F) Vol (%) Sp. Gravity API

241 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου Εποµένως, µε βάση τα προηγούµενα στοιχεία, συµπληρώνουµε το παράθυρο της επιλογής «Range» ως εξής: Σχήµα 12.7: Επιλογή αριθµού σηµείων και διαστηµάτων της καµπύλης TBP. iv) Το τελευταίο βήµα για την επιτυχηµένη δηµιουργία των ψευδοσυνιστωσών του πετρελαίου είναι η επιλογή «Edit curve data». Με τη βοήθειά της θα εισάγουµε στο πρόγραµµα τα στοιχεία για την καµπύλη ΤΒΡ και το ειδικό βάρος. Τα δεδοµένα που έχουµε για το αργό πετρέλαιο Arabian Light είναι οι αναλύσεις ελαφριών κλασµάτων και TBP (1 atm) όπως παρουσιάστηκαν στους προηγούµενους πίνακες ενώ, επιπλέον, γνωρίζουµε ότι το µέσο ειδικό βάρος του είναι και η συνολική του παροχή είναι kg/h. Εποµένως, µε αριστερό κλικ πάνω στην εντολή «Edit curve data» και µας εµφανίζεται το παρακάτω παράθυρο, το οποίο έχουµε συµπληρώσει µε τα στοιχεία της παρούσας προσοµοίωσης. 229

242 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου Σχήµα 12.8: Γενικές ιδιότητες του αργού πετρελαίου της προσοµοίωσης. Κάνοντας αριστερό κλικ στο πλήκτρο «ΟΚ» συνεχίζουµε την εισαγωγή δεδοµένων µε το παράθυρο «TBP curve, stream 1». Εκεί θα πρέπει να πληκτρολογήσουµε τα σηµεία της καµπύλης TBP, µε ποσοστά όγκου και την αντίστοιχη θερµοκρασία σε βαθµούς Κελσίου. Με βάση τον προηγούµενο πίνακα («Ανάλυση TBP 1 atm, Arabian Light»), συµπληρώνουµε το παράθυρο όπως παρακάτω: Σχήµα 12.9: εδοµένα της καµπύλης TBP. 230

243 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου Το επόµενο παράθυρο που εµφανίζεται στην οθόνη µας όταν κάνουµε αριστερό κλικ στο πλήκτρο «ΟΚ» είναι το «Sp. Gravity curve, stream 1». Εδώ θα πρέπει να εισάγουµε τα σηµεία της καµπύλης ειδικού βάρους, µε ποσοστά όγκου και το αντίστοιχο ειδικό βάρος. Και πάλι, χρησιµοποιούµε τον προηγούµενο πίνακα («Ανάλυση TBP 1 atm, Arabian Light») και συµπληρώνουµε το παράθυρο όπως παρακάτω: Σχήµα 12.10: εδοµένα της καµπύλης ειδικού βάρους. Το τελευταίο παράθυρο της διαδικασίας είναι το «Light ends analysis», που αφορά τα ελαφριά κλάσµατα του αργού πετρελαίου. Συµβουλευόµαστε τον προηγούµενο πίνακα («Ανάλυση ελαφριών κλασµάτων κατά όγκο και κατά µάζα») και συµπληρώνουµε το παράθυρο όπως φαίνεται στην επόµενη εικόνα: 231

244 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου Σχήµα 12.11: Στοιχεία για τα ελαφριά κλάσµατα του πετρελαίου. Η εισαγωγή των απαραίτητων δεδοµένων έχει τελειώσει. Πατώντας το πλήκτρο «ΟΚ» το πρόγραµµα µας εµφανίζει εκ νέου το βασικό παράθυρο «Edit distillation curves». Για να ολοκληρώσουµε επιτυχώς τη διαδικασία δηµιουργίας των ψευδοσυνιστωσών κάνουµε αριστερό κλικ πάνω στην επιλογή «Save and exit» Καθορισµός των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών της προσοµοίωσης Ο σωστός καθορισµός των θερµοδυναµικών χαρακτηριστικών είναι από τα πιο σηµαντικά στάδια για µια επιτυχή προσοµοίωση καθώς κάποιο λάθος σε αυτό το βήµα θα οδηγήσει σε µη ρεαλιστικά αποτελέσµατα. Για να καθορίσουµε όλα τα απαραίτητα στοιχεία θερµοδυναµικής της προσοµοίωσής µας χωρίς τη βοήθεια του Chemcad επιλέγουµε διαδοχικά Thermophysical-Thermodynamic Settings από το βασικό µενού του προγράµµατος ή κάνουµε αριστερό κλικ στο αντίστοιχο κουµπί της µπάρας εργαλείων ( ). Οποιαδήποτε από τις δύο ενέργειες αυτές θα εµφανίσει στην οθόνη µας το παράθυρο επιλογών «Thermodynamic settings». Ξεκινώντας από τις επιλογές της τιµής Κ (K-value), διαλέγουµε την ταµπέλα «K value models» και πραγµατοποιούµε τις αλλαγές που φαίνονται στην παρακάτω εικόνα: 232

245 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου Σχήµα 12.4: Παράθυρο επιλογών για την τιµή Κ. Συνεχίζουµε στην ταµπέλα «Enthalpy models» που αφορά την ενθαλπία. Το παράθυρο επιλογών πρέπει να µοιάζει µε το παρακάτω: Σχήµα 12.5: Παράθυρο επιλογών για την τιµή της ενθαλπίας. 233

246 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου Η τρίτη και τελευταία ταµπέλα «Transport properties» αφορά τις ιδιότητες µεταφοράς της προσοµοίωσής µας. Όλες οι επιλογές που πρέπει να κάνουµε φαίνονται στην παρακάτω εικόνα: Σχήµα 12.6: Παράθυρο επιλογών των ιδιοτήτων µεταφοράς Προσδιορισµός των χαρακτηριστικών των ροών της προσοµοίωσης Η τροφοδοτική ροή της εγκατάστασής µας είναι η ροή 1. Θα πρέπει να εισάγουµε, εποµένως, τα δεδοµένα θερµοκρασίας και πίεσης που την αφορούν. Κάνουµε διπλό αριστερό κλικ πάνω στο εικονίδιο µε τον αριθµό 1 στο σχεδιάγραµµα ροής και εµφανίζουµε το παράθυρο «Edit feed streams». Εκεί πληκτρολογούµε όλα τα δεδοµένα της ροής όπως φαίνεται και στην παρακάτω εικόνα (σηµειώνουµε ότι τα στοιχεία εισαγωγής έχουν κόκκινο χρώµα). 234

247 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου Σχήµα 12.7: Χαρακτηριστικά της τροφοδοτικής ροής Εισαγωγή των χαρακτηριστικών των λειτουργικών µονάδων Έχοντας σχεδιάσει επιτυχώς το σχεδιάγραµµα ροής της προσοµοίωσής µας θα πρέπει, στη συνέχεια, να εισάγουµε τις προδιαγραφές όλων των λειτουργικών µονάδων που λαµβάνουν µέρος στο πρόβληµα. Αυτό γίνεται ανοίγοντας το µενού επιλογών κάθε λειτουργικής µονάδας, µε διπλό αριστερό κλικ πάνω στο εικονίδιό της στο σχεδιάγραµµα ροής. Στις επόµενες παραγράφους αναλύουµε κάθε µονάδα και τις επιλογές που πρέπει να γίνουν. Φούρνος (Fire Heater, F-1101) Η µοναδική εισαγωγή δεδοµένων που πρέπει να γίνει σε αυτή τη µονάδα είναι για τη θερµοκρασία εξόδου του αργού πετρελαίου από το φούρνο, που είναι 381 C. Εποµένως θα έχουµε τα εξής: 235

248 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου Σχήµα 12.7: Προδιαγραφές του φούρνου της προσοµοίωσης. Στήλη απόσταξης (Distillation Column, C-1101) Η στήλη απόσταξης αποτελεί µια από τις πιο πολύπλοκες λειτουργικές µονάδες που µπορεί να χειριστεί το πρόγραµµα Chemcad, µε διαδοχικά µενού εισαγωγής δεδοµένων και πληροφοριών. Το αρχικό µενού χειρισµού της στήλης φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Με τη βοήθειά του πραγµατοποιούµε -µε τη σειρά- όλες τις απαραίτητες αλλαγές στις προδιαγραφές της στήλης µας. 236

249 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου Σχήµα 12.8: Βασικό µενού χειρισµού της αποστακτικής στήλης. Ξεκινάµε µε την επιλογή «Tower configuration» που εµφανίζει το παρακάτω παράθυρο επιλογών για τον ορισµό του αριθµού των εκροφητών, των ανακυκλοφοριών, των εναλλακτών και των πλευρικών προϊόντων της στήλης. Αφού έχουµε 2 ανακυκλοφορίες και 4 εκροφητές, εισάγουµε τα στοιχεία όπως παρακάτω: Σχήµα 12.9: Παράθυρο γενικών χαρακτηριστικών της στήλης. 237

250 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου Πρέπει να σηµειώσουµε εδώ ότι το πρόγραµµα θεωρεί ως πλευρικά προϊόντα µόνο αυτά που φεύγουν απευθείας από το κύριο σώµα της στήλης. Οι ροές προϊόντων που φεύγουν από τον πυθµένα κάθε εκροφητή δεν θεωρούνται ότι ανήκουν στο κύριο σώµα της στήλης, εποµένως δεν πρέπει να τα λάβουµε υπόψη µας στο σηµείο αυτό. Συνεχίζοντας την εισαγωγή δεδοµένων, κάνουµε αριστερό κλικ πάνω στην επιλογή «Main column», έτσι ώστε να ρυθµίσουµε τις προδιαγραφές της κύριας στήλης (για παράδειγµα, τον αριθµό των βαθµίδων της στήλης, την πτώση πίεσής της κλπ). Το παράθυρο που εµφανίζεται θα πρέπει να συµπληρωθεί όπως παρακάτω: Σχήµα 12.10: Προδιαγραφές της κύριας στήλης. 238

251 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου Συµπυκνωτής (Condenser) Τα δεδοµένα για το συµπυκνωτή της στήλης εισάγονται µε τη βοήθεια της επιλογής «Condenser» του βασικού µενού «Edit tower plus input» που αναφέραµε παραπάνω. O συµπυκνωτής µας θεωρείται µερικός (partial), ως απόσταγµα (distillate) λογίζεται ο ατµός που εξέρχεται από το συµπυκνωτή ενώ όλο το υπόλοιπο υγρό συµπύκνωµά του επανεισέρχεται στη στήλη ως αναρροή (reflux). Το αντίστοιχο συµπληρωµένο παράθυρο επιλογών φαίνεται στην παρακάτω εικόνα: Σχήµα 12.11: Παράθυρο επιλογών του συµπυκνωτή. 239

252 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου Πρώτος εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Jet oil Επόµενο βήµα της διαδικασίας µας αποτελεί η εισαγωγή των στοιχείων των εκροφητών. Για την πραγµατοποίηση αυτής της ενέργειας κάνουµε αριστερό κλικ στην επιλογή «Side strippers» του βασικού µενού «Edit tower plus input». Τα παράθυρα επιλογών των εκροφητών ανοίγουν διαδοχικά το ένα µετά το άλλο µέχρι να ολοκληρωθεί και η τελευταία εισαγωγή. Σχήµα 12.12: Πρώτος εκροφητής. 240

253 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου εύτερος εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Kerosene Σχήµα εύτερος εκροφητής. Τρίτος εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Gas oil Σχήµα Τρίτος εκροφητής. 241

254 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου Τέταρτος εκροφητής (Stripper)-Παραγωγή Diesel oil Σχήµα Τέταρτος εκροφητής. 242

255 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου Πρώτη ανακυκλοφορία (Pumparound) Για να εισάγουµε τις προδιαγραφές των ανακυκλοφοριών της στήλης χρησιµοποιούµε την επιλογή «Pumparounds» του βασικού µενού «Edit tower plus input». Όπως και προηγουµένως, τα παράθυρα επιλογών των ανακυκλοφοριών ανοίγουν διαδοχικά το ένα µετά το άλλο µέχρι να ολοκληρωθεί και η τελευταία εισαγωγή. Σχήµα Πρώτη ανακυκλοφορία. 243

256 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου εύτερη ανακυκλοφορία (Pumparound) Σχήµα εύτερη ανακυκλοφορία. 244

257 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου Αερόψυκτος εναλλάκτης (Air Cooler, E-1115) Στην περίπτωση του αερόψυκτου εναλλάκτη θα πρέπει να ορίσουµε τη θερµοκρασία εξόδου των ατµών νάφθας από τον εναλλάκτη, που είναι 50 C και την πτώση πίεσης που παρουσιάζει, που είναι περίπου 0.25 kg/cm². Εποµένως, θα έχουµε το παρακάτω συµπληρωµένο παράθυρο επιλογών: Σχήµα 12.23: Παράθυρο επιλογών αερόψυκτου εναλλάκτη. 245

258 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου Yδρόψυκτος εναλλάκτης (Heat exchanger, E-1114) Όπως και προηγουµένως, χρειάζεται να ορίσουµε τη θερµοκρασία εξόδου των ατµών νάφθας από τον εναλλάκτη, που είναι 40 C και την πτώση πίεσης που παρουσιάζει, που είναι περίπου 0.25 kg/cm². Το συµπληρωµένο παράθυρο επιλογών φαίνεται στην πιο κάτω εικόνα: Σχήµα 12.24: Παράθυρο επιλογών υδρόψυκτου εναλλάκτη. 246

259 Ατµοσφαιρική απόσταξη αργού πετρελαίου οχείο συλλογής (Vessel, V-1103) Για το δοχείο συλλογής θα διαλέξουµε την επιλογή «Use inlet T and P; Calculate V/F and Heat» στο πεδίο «Flash mode». Με αυτό τον τρόπο το πρόγραµµα χρησιµοποιεί την πίεση και τη θερµοκρασία που έχει υπολογίσει προηγουµένως για το ρεύµα εισόδου στο δοχείο και παράγει ως αποτέλεσµα το κλάσµα ατµού (vapor fraction) και τη θερµότητα που αναπτύσσεται στο δοχείο. Το συµπληρωµένο παράθυρο επιλογών φαίνεται στην πιο κάτω εικόνα: Σχήµα 12.25: Προδιαγραφές δοχείου συλλογής Στο σηµείο αυτό έχουµε ολοκληρώσει την εισαγωγή των προδιαγραφών για όλες τις λειτουργικές µονάδες της εγκατάστασής µας και είµαστε έτοιµοι για την εκτέλεση της προσοµοίωσης Εκτέλεση της προσοµοίωσης Μια πολύ χρήσιµη δυνατότητα που µας δίνει το πρόγραµµα είναι να αλλάξουµε διάφορες επιλογές σχετικά µε τη σύγκλιση της εκτέλεσης. Το βήµα αυτό είναι ιδιαίτερα σηµαντικό καθώς µας βοηθά να ορίσουµε τις ανοχές λάθους κατά την εκτέλεση, να επιλέξουµε ποια µέθοδο επαναληπτικής σύγκλισης θα χρησιµοποιήσει το πρόγραµµα, να αλλάξουµε το επίπεδο ελέγχου και παρέµβασης κατά τη διάρκεια του τρεξίµατος και άλλα σηµαντικά στοιχεία. Εποµένως, πριν την τελικό τρέξιµο του προγράµµατος καλό θα ήταν να επιλέξουµε διαδοχικά Run-Convergence από το βασικό µενού του προγράµµατος. Το παράθυρο επιλογών που εµφανίζεται στην οθόνη µας φαίνεται παρακάτω: 247