Моделирование процессов
Моделирование процессов используется для проектирования, разработки, анализа и оптимизации технических процессов моделирования таких процессов, как: химические заводы , химические процессы , экологические системы, электростанции , сложные производственные операции, биологические процессы и аналогичные технические функции.
Основной принцип
[ редактировать ]
Моделирование процессов — это основанное на моделях представление химических , физических , биологических и других технических процессов и единичных операций в программном обеспечении. Основными предпосылками модели являются химические и физические свойства. [1] чистых компонентов и смесей, реакций и математических моделей, которые в совокупности позволяют рассчитывать свойства процесса с помощью программного обеспечения.
Программное обеспечение для моделирования процессов описывает процессы в виде блок-схем , где операции агрегатов расположены и связаны потоками продуктов или продуктов. Программное обеспечение рассчитывает баланс массы и энергии , чтобы найти стабильную рабочую точку при заданных параметрах. Целью моделирования процесса является поиск оптимальных условий для процесса. По сути, это задача оптимизации , которую необходимо решать в итеративном процессе.
В приведенном выше примере поток сырья в колонну определяется с точки зрения его химических и физических свойств. Сюда входит состав отдельных молекулярных частиц в потоке; общий массовый расход; давление и температура потоков. Для углеводородных систем коэффициенты равновесия пар-жидкость (K-значения) или модели, используемые для их определения, задаются пользователем. Определяются такие свойства колонны, как давление на входе и количество теоретических тарелок. Производительность ребойлера и верхнего конденсатора рассчитывается по модели для достижения заданного состава или другого параметра кубового и/или верхнего продукта. При моделировании рассчитываются химические и физические свойства потоков продуктов, каждому из которых присваивается уникальный номер, который используется в диаграмме массы и энергии.
При моделировании процессов используются модели, которые вводят приближения и допущения, но позволяют описывать свойства в широком диапазоне температур и давлений, которые могут быть не охвачены имеющимися реальными данными. Модели также допускают интерполяцию и экстраполяцию – в определенных пределах – и позволяют искать условия за пределами диапазона известных свойств.
Моделирование
[ редактировать ]Разработка моделей [2] для лучшего представления реальных процессов является основой дальнейшего развития программного обеспечения для моделирования. Разработка моделей осуществляется на основе принципов химического машиностроения, а также техники управления и совершенствования методов математического моделирования. Таким образом, моделирование процессов — это область, в которой специалисты в области химии , физики , информатики , математики и инженерии работают вместе.
Предпринимаются усилия по разработке новых и улучшенных моделей расчета свойств. Сюда входит, например, описание
- теплофизические свойства, такие как давление пара , вязкость , калорийность и т. д. чистых компонентов и смесей.
- свойства различных аппаратов, таких как реакторы, дистилляционные колонны, насосы и т. д.
- химические реакции и кинетика
- данные, связанные с окружающей средой и безопасностью
Существует два основных типа моделей:
- Простые уравнения и корреляции , в которых параметры соответствуют экспериментальным данным.
- Прогнозные методы, в которых оцениваются свойства.
Уравнения и корреляции обычно предпочтительнее, поскольку они (почти) точно описывают свойство. Для получения достоверных параметров необходимо иметь экспериментальные данные, которые обычно получают из банков фактических данных. [3] [4] или, если данные общедоступны, на основе измерений .
Использование методов прогнозирования более рентабельно, чем экспериментальная работа, а также данные из банков данных. Несмотря на это преимущество, прогнозируемые свойства обычно используются только на ранних стадиях разработки процесса для поиска первых приближенных решений и исключения ложных путей, поскольку эти методы оценки обычно вносят более высокие ошибки, чем корреляции, полученные на основе реальных данных.
Моделирование процессов способствовало развитию математических моделей в области числовых вычислений и решения сложных проблем. [5] [6]
История
[ редактировать ]История моделирования процессов связана с развитием информатики , компьютерного оборудования и языков программирования. Ранние реализации частичных аспектов химических процессов были представлены в 1970-х годах, когда стало доступно подходящее аппаратное и программное обеспечение (в основном языки программирования FORTRAN и C ). Моделирование химических свойств началось гораздо раньше, в частности, кубическое уравнение состояния и уравнение Антуана были предшественниками 19 века.
Моделирование установившегося состояния и динамического процесса
[ редактировать ]Первоначально моделирование процессов использовалось для моделирования установившихся процессов. Стационарные модели выполняют баланс массы и энергии стационарного процесса (процесса в равновесном состоянии), независимого от времени.
Динамическое моделирование является расширением моделирования установившегося процесса, при котором зависимость от времени встроена в модели через производные условия, т.е. накопление массы и энергии. Появление динамического моделирования означает, что стало возможным нестационарное описание, прогнозирование и управление реальными процессами в реальном времени. Сюда входит описание запуска и остановки установки, изменения условий во время реакции, простоев, температурных изменений и т. д.
Динамическое моделирование требует увеличения времени вычислений и математически более сложное, чем моделирование в устойчивом состоянии. Его можно рассматривать как многократно повторяющееся моделирование установившегося состояния (на основе фиксированного шага по времени) с постоянно меняющимися параметрами.
Динамическое моделирование можно использовать как онлайн, так и офлайн. Онлайн-случай представляет собой управление с прогнозированием модели, где результаты моделирования в реальном времени используются для прогнозирования изменений, которые могут произойти при изменении управляющего входа, а параметры управления оптимизируются на основе результатов. Автономное моделирование процесса можно использовать при проектировании, устранении неполадок и оптимизации технологического оборудования, а также при проведении тематических исследований для оценки воздействия модификаций процесса. Динамическое моделирование также используется для обучения операторов .
См. также
[ редактировать ]- Расширенная библиотека моделирования [7]
- Компьютерное моделирование
- Список симуляторов химических процессов
- Программное обеспечение Моделирование процессов
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Родс CL, «Революция моделирования процессов: потребности и проблемы в области теплофизических свойств», J.Chem.Eng.Data, 41, 947-950, 1996.
- ^ Гани Р., Пистикопулос Э.Н., «Моделирование свойств и моделирование для проектирования продуктов и процессов», Fluid Phase Equilib., 194–197, 43–59, 2002 г.
- ^ Марш К., Сатиро М.А., «Интеграция баз данных и их влияние на моделирование и проектирование процессов», Конференция, Лейк-Тахо, США, 1994, 1–14, 1994 г.
- ^ Уодсли М.В., «Базы данных термохимических и теплофизических свойств для компьютерного моделирования химических процессов», Конференция, Корея, Сеул, 30 августа - 2 сентября 1998 г., 253-256, 1998 г.
- ^ Сагер Р.Б., Бишной П.Р., «Модифицированный алгоритм «наизнанку» для моделирования многоступенчатых процессов многокомпонентного разделения с использованием метода группового вклада UNIFAC», Can.J.Chem.Eng., 64, 759-767, 1986
- ^ Малля Ю., Зитни С.Е., Чоудхари С., Стадтерр М.А., «Параллельный фронтальный решатель для крупномасштабного моделирования и оптимизации процессов», AIChE J., 43 (4), 1032-1040, 1997
- ^ «ASL: Моделирование физического осаждения из паровой фазы» .