Υπολογιστικές Μέθοδοι Ανάλυσης και Σχεδιασμού

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Υπολογιστικές Μέθοδοι Ανάλυσης και Σχεδιασμού"

Φυλλίς Γαλάνη
6 χρόνια πριν
Προβολές:

1 EΘNIKO ΜEΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΙΙ: Ανάλυσης, Σχεδιασμού & Ανάπτυξης Διεργασιών & Συστημάτων Υπολογιστικές Μέθοδοι Ανάλυσης και Σχεδιασμού Εργαστηριακές Ασκήσεις Διδάσκων: Α. Κοκόσης Συνεργάτες: Α. Νικολακόπουλος, Θ.Χ. Ξενίδου

2 Εργαστηριακή Άσκηση 5 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΑΠΛΗ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ 2

3 Σκοπός Χρήση προσομοιωτή σε προβλήματα με ανακύκλωση Σύγκριση διαφορετικών μεθόδων επίλυσης Βελτιστοποίηση σχεδιαστικών παραμέτρων Παράδειγμα Παραγωγή αμμωνίας από υδρογόνο και άζωτο Δομή άσκησης Σύνταξη ροοδιαγράμματος με χρήση Άσπεν Επίλυση με διαφορετικές μεθόδους Σύγκριση σύγκλισης Επιλογή και βελτιστοποίηση σχεδιαστικών παραμέτρων Ανάλυση ευαισθησίας 3

4 Ροοδιάγραμμα διεργασίας Ν2 Η2 CO2 100 kmol/hr 300 kmol/hr 1 kmol/hr 9 1 B8 11 B6 B7 10 B5 B3 B1 B4 B N2 H2 NH3 CO2 1.2 kmol/hr 3.7 kmol/hr kmol/hr 1 kmol/hr

5 Δεδομένα διεργασίας (1) Τροφοδοσία Οι αρχικές συνθήκες τροφοδοσίας είναι 80 o F και 300 psia Η τροφοδοσία αποτελείται από άζωτο (100 kmol/hr ), υδρογόνο (300 kmol/hr ) και ένα μικρό ποσό CO2 (1 kmol/hr ) που προέρχεται από τη διεργασία παραγωγής υδρογόνου Η τροφοδοσία συμπιέζεται σε ισεντροπικό συμπιεστή στα 4000 psi Ανάμειξη τροφοδοσίας ανακύκλωσης Η τροφοδοσία αναμειγνύεται με το ρεύμα ανακύκλωσης και θερμαίνεται στη θερμοκρασία του αντιδραστήρα (900 o F, 4000 psi) 5

6 Δεδομένα διεργασίας (2) Αντιδραστήρας Η πίεση διατηρείται υψηλή καθώς έτσι ευνοείται η ισορροπία. Η θερμοκρασία είναι επίσης υψηλή για να έχουμε γρήγορη αντίδραση και μικρό όγκο αντιδραστήρα Η θερμοκρασία του αντιδραστήρα επιλέγεται στους 900 o F και η πτώση πίεσης είναι 30 psi Η τροφοδοσία στον αντιδραστήρα είναι περίπου 3:1 αλλά η ακριβής σύσταση προκύπτει από τα δεδομένα ισορροπίας την αντίδρασης. Για τον υπολογισμό της σύστασης μετά την αντίδραση θα χρειαστείτε ένα αντιδραστήρα RGibbs. Το ρεύμα εξόδου του αντιδραστήρα ψύχεται στους 80 o F 6

7 Δεδομένα διεργασίας (3) Δοχείο ισορροπίας Μετά την ψύξη το ρεύμα εξόδου οδηγείται σε δοχείο ισορροπίας (Flahs2). Η θερμοκρασία του δοχείου είναι 80 o F Εκεί το μεγαλύτερο ποσοστό αμμωνίας υγροποιείται και απομακρύνεται Η αέρια φάση του δοχείου ανακυκλώνεται αφού πρώτα συμπιεστεί Ρεύματα ανακύκλωσης και απομάκρυνσης Η αέρια φάση ανακυκλώνεται εκτός από 0.01% του ρεύματος που απομακρύνεται Πριν τη ανακύκλωση το αέριο συμπιέζεται ισεντροπικά στα 4000 psia Για τον υπολογισμό θερμοδυναμικών ιδιοτήτων και ισορροπίας χρησιμοποιείστε την PSRK 7

8 Προσομοίωση Επιλέξτε ρεύμα αποκοπής (tear stream) το 10 Ξεκινήστε την προσομοίωση από τον πρώτο συμπιεστή (δηλαδή την πρώτη διεργασία) Δοκιμάστε επίλυση με τις μεθόδους Wegstein Βroyden Newton Direct substitution Συγκρίνετε τις δύο μεθόδους μετά από 30 επαναλήψεις Σχολιάστε ποιά μέθοδος είναι η απλούστερη και ποια είναι εκείνη που δίνει καλύτερα αποτελέσματα Κάνετε την ίδια σύγκριση για διαφορετικό ρεύμα αποκοπής και αριθμό επαναλήψεων 8

9 Προσομοίωση διεργασίας ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΟ ASPEN 9

10 Διάγραμμα ροής της Διεργασίας Σύνθεσης Αμμωνίας Α. Συμπιεστές Β7, Β8 (Compr) Β. Αναμίκτης Β5 (Mixer) Γ. Αντιδραστήρας Β1 (RGibbs) Δ. Εναλλάκτες Θερμότητας Β3, Β4 Ε. Διαχωρισμός Συστατικών Β2 (Sep2) ΣΤ. Διαχωρισμός ρευμάτων Β6 (Split) 9 1 B8 11 B6 B7 10 B5 B3 B1 B4 B

11 Επιλογή συστατικών από τη βάση δεδομένων 11

12 Επιλογή μεθόδου υπολογισμού θερμοδυναμικών ιδιοτήτων: PSRK & Εισαγωγή δεδομένων του ρεύματος τροφοδοσίας 12

13 Εισαγωγή δεδομένων για τους Συμπιεστές 13

14 Εισαγωγή δεδομένων για τους Εναλλάκτες Θερμότητας 14

15 Συνθήκες Λειτουργίας του Αντιδραστήρα 15

16 Δεδομένα για τις διεργασίες Ανάμειξης & Διαχωρισμού Ρευμάτων 16

17 Δοχείο Διαχωρισμού 17

18 Επιλογή Tear stream 10 (30 Iterations) 18

19 Αλλαγή μεθόδου Σύγκλισης - Για 30 επαναλήψεις Επιλογή μεθόδου Σύγκλισης:Data Convergence Conv Options Default methods: Επιλογή Broyden, Direct, Newton, Wegstein Broyden OK, Direct δεν συγκλίνει, Newton OK, Wegstein δεν συγκλίνει 19

20 Επιλογή Tear stream 3 (30 Iterations) 20

21 Αλλαγή μεθόδου Σύγκλισης - Για 30 επαναλήψεις Επιλογή μεθόδου Σύγκλισης:Data Convergence Conv Options Default methods: Επιλογή Broyden, Direct, Newton, Wegstein Broyden OK, Direct δεν συγκλίνει, Newton OK, Wegstein δεν συγκλίνει 21

22 Αλλαγή μεθόδου Σύγκλισης - Για περισσότερες επαναλήψεις Direct δεν συγκλίνει για 30 iter και 10-4 tear tolerance, Wegstein δεν συγκλίνει για 30 iter και 10-4 tear tolerance Direct 2000 iter, & 10-6 tear tolerence OK Wegstein 1000 iter, & 10-6 tear tolerence OK 22

23 Προσομοίωση (2) Είναι συχνά χρήσιμο να παρακολουθούμε τους ενδιάμεσους υπολογισμούς της προσομοίωσης Χρησιμοποιείστε το menu Run/Step της Άσπεν (ή το Ctrl-F5) για να παρακολουθήσετε βήμα προς βήμα τους υπολογισμούς της προσομοίωσης Δοκιμάστε να επαναρχικοποιήσετε (Shift + F5) τους ενδιάμεσους υπολογισμούς 23

24 Βελτιστοποίηση σχεδιαστικών παραμέτρων Συχνά θέλουμε να βελτιστοποιήσουμε σχεδιαστικές επιλογές με την χρήση του προσομοιωτή Υποθέστε πως θέλετε να βελτιστοποιήσετε την πίεση του αντιδραστήρα Η πίεση κυμαίνεται από psia Χρησιμοποιείστε το Model Analysis Tool/Optimization/O-1 Δώστε όνομα στην μετατροπή της αμμωνίας Εξηγήστε σε ποια μεταβλητή αντιστοιχεί το όνομα που δώσατε στη μεταβλητή (δηλαδή molar flow/stream/ammonia) Δώστε το εύρος αναζήτησης και υπολογίστε την άριστη τιμή Επιλέξτε εναλλακτικά την ανάλυση ευαισθησίας (Model Analysis/Sensitivity) 24

25 25

26 26

27 27

28 28

29 29

30 Αντικειμενική συνάρτηση max Objective = INCOME - COST INCOME = AMFLOW*1000 COST = B1PRESS**1.3 30

31 Αντικειμενική συνάρτηση 31

32 32

33 33

34 34

35 35

36 Aνάλυση ευαισθησίας (Model Analysis/Sensitivity) 36

37 37

38 38

39 39

40 40

41 41

42 42

43 43

Σχετικά έγγραφα

Υπολογιστικές Μέθοδοι Ανάλυσης και Σχεδιασμού

EΘNIKO ΜEΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΙΙ: Ανάλυσης, Σχεδιασμού & Ανάπτυξης Διεργασιών & Συστημάτων Υπολογιστικές Μέθοδοι Ανάλυσης και Σχεδιασμού Εργαστηριακές Ασκήσεις Διδάσκων: Α.