Czym są symulatory procesowe ?

Współczesna inżynieria chemiczna w coraz szerszym zakresie wykorzystuje metody elektronicznej techniki obliczeniowej. Do najszybciej rozwijających się i zarazem najczęściej stosowanych sposobów komputerowego wspomagania inżynierii chemicznej (ang. Computer Aided Chemical Engineering - CAChE) należą pakiety programowe , dla których w polskiej literaturze przedmiotu przyjela sie nazwa symulatory flowsheetingowe . Jest to niezbyt fortunne pod względem językowym spolszczenie oryginalnego angielskiego terminu flowsheeting simulator, pochodnego od flowsheet - schemat technologiczny W tym opracowaniu będziemy używali nazwy symulatory procesowe, w skrócie SP. Są to profesjonalne pakiety programowe służące do matematycznego modelowania (symulacji) całych procesów technologicznych. Jednym z takich symulatorów jest wykorzystywany w tym ćwiczeniu pakiet ChemCAD III amerykańskiej firmy Chemstations Inc., przeznaczony do modelowania złożonych instalacji chemicznych. Profesjonalne programy symulacyjne są własnością producenta i ich użytkowanie jest odpłatne.

Bez względu na stopień złożoności gazdy chemiczny proces technologiczny może być odwzorowany jako zespól prostszych elementów - operacji jednostkowych i chemicznych procesów jednostkowych - związanych i współpracujących ze sobą za pośrednictwem strumieni materiałowych i energetycznych. Graficznym przedstawieniem procesu na tym poziomie uproszczenia jest schemat technologiczny. Aparaty iurządzenia ,w których przebiegają operacje i procesy jednostkowe, przedstawione są w nim za pomocą uproszczonych symboli graficznych, identyfikujących rodzaj przedstawianego obiektu, lecz z pominięciem szczegółów konstrukcji i bez zachowania proporcji do rzeczywistych rozmiarów. Linie strumieni materiałowych ukazują ruch materiałów i kolejność ich przerobu w poszczególnych stadiach danego procesu. Pierwszym krokiem w procedurze symulacyjnej jest zestawienie schematu obrazującego określoną koncepcje technologiczna procesu. W programie symulatora procesowego każdemu rodzajowi aparatu lub urządzenia mającemu własny symbol graficzny jest przypisany odpowiedni model matematyczny. Stad, zestawiajac schemat przy uzyciu graficznych symboli poszczególnych aparatów i urzadzen my jednoczesnie tworzymy matematyczny model calego procesu technologicznego. 

Odpowiednio do możliwego podziału procesów na ciągłe i okresowe, wyróżnia się statyczne modelowanie procesowe stosowane do opisu procesów o przebiegu ustalonym w czasie (procesy ciągłe) oraz modelowanie dynamiczne do opisu procesów o przebiegu nieustalonym w czasie (procesy okresowe). Modelowanie statyczne, koncepcyjnie prostsze, rozwinęło się najwcześniej i do dziś stanowi główna cześć oferty profesjonalnych symulatorów procesowych. Kolejne wersje oferowanych przez producentów pakietów programowych są jednak stale uzupełniane nowymi metodami modelowania dynamicznego (np. ostatnio ChemCAD III.3 podprogramami symulacji systemu reaktorów okresowych).

Podstawa ilościowej oceny zużycia surowców i energii oraz wydajności produktów w danym procesie jest jego bilans materiałowy i energetyczny. Dla tego pierwszym, istotnym celem obliczeń symulacyjnych jest zbilansowanie masy i energii dla całego procesu poprzez wykonanie bilansów dla wszystkich aparatów i urządzeń umieszczonych w jego schemacie. Przy tym zakłada się, że wszystkie przemiany fizyczne i chemiczne w danym procesie przebiegają tylko w aparatach i urządzeniach. Łączące je strumienie materiałowe pozostają w stanie równowagi fizykochemicznej, zachowując stale wartości wszystkich parametrów danego strumienia. 

Ogólne zasady sporządzania bilansów masy i energii są takie same zarówno w przypadku pojedynczego aparatu jak i liczącej setki takich elementów wielkiej instalacji przemysłowej (obszerniejsze omówienie patrz “Podręcznik do ćwiczeń z technologii chemicznej” Rozdz.1). W symulatorach procesowych przez rozwiązanie układu równań bilansowych uzyskuje się poszukiwane lub projektowane wartości parametrów procesowych. Warunkiem koniecznym otrzymania jednoznacznego wyniku jest równość liczby niewiadomych (poszukiwanych) wartości i liczby równań bilansowych. Dla średniej wielkości instalacji chemicznej może to być po kilkaset równań i niewiadomych. Obecna wersja III.3 symulatora ChemCAD pozwala opracowywać schematy instalacji obejmujące do 200 elementów. Wymaga to użycia odpowiednich metod numerycznych, wysokiego poziomu automatyzacji procesu obliczeniowego oraz sprawnych funkcji eksperckich kontrolujących wprowadzanie danych i sam przebieg obliczeń.

Można wyróżnić trzy zasadnicze typy obliczeń wykonywanych przy użyciu symulatora procesowego :
 

• Obliczenia symulacyjne prowadzi się mając pełne dane o aparatach, z których składa się instalacja oraz o zasilających ja z zewnątrz strumieniach (t.j. o surowcach głównych i pomocniczych), a celem obliczeń są parametry strumieni wewnętrznych, łączących poszczególne aparaty i wszystkich strumieni wylotowych (t.j. produktów głównych i ubocznych danego procesu).

• Obliczenia projektujące prowadzi się w celu optymalnego dobrania takich charakterystyk procesu, które można dowolnie zmieniać w toku projektowania (n.p. typ aparatu danego rodzaju lub wielkość aparatu). Zazwyczaj, liczba znanych parametrów strumieni musi być tu większa niż w przypadku obliczeń symulacyjnych.

• Obliczenia identyfikacyjne są zbliżone swoim rodzajem do obliczeń projektujących. Ich celem jest tez obliczenie pewnych nieznanych parametrów (np. współczynnika przenikania ciepła lub aktywności złoża katalizatora), lecz dla aparatu o dokładnie określonej konstrukcji i wielkości .

Oczywiście przy rozwiązywaniu problemów praktyki przemysłowej za pomocą symulatorów procesowych często wykonuje się obliczenia o charakterze mieszanym w stosunku do wyżej podanej klasyfikacji.

Ogólny opis symulatora procesowego ChemCAD3.3
.

Niezależnie od pewnych różnic miedzy pakietami programowymi poszczególnych firm, wszystkie symulatory procesowe oferują użytkownikowi ułatwione wykorzystanie metod inżynierii chemicznej, możliwość posłużenia się schematami graficznymi, obszerne własne bazy danych i biblioteki metod rachunkowych, sprawne programy liczące oraz systemy końcowego opracowania wyników. Zazwyczaj tez do symulatorów dołącza się pewna liczbę przykładowo opracowanych żądań projektowych do celów szkoleniowych.

ChemCAD 3.3 ma dołączone 34 przykłady opracowań procesów z różnych gałęzi przemysłu wraz z odpowiednia książka szkoleniowa. Są one zainstalowane w katalogu TBK33PL i uruchamiane z menu grupy pLik opcja Zadania i Warianty ( szczegóły patrz niżej).

Wykonanie zadania projektowego przy użyciu SP ChemCAD obejmuje dziewięć podstawowych stadiów:

- założenie i nazwanie pliku dla danego zadania projektowego,

- utworzenie schematu procesu technologicznego,

- wybór i określenie składników (substancji) uczestniczących w procesie,

- wybór termodynamicznych metod opisu równowag chemicznych i fazowych oraz obliczania entalpii strumieni materiałowych,

- określenie składów strumieni zasilających (surowców) wprowadzanych do procesu,

- podanie niezbędnych parametrów aparatów i urządzeń umieszczonych w schemacie,

- wykonanie obliczeń symulacyjnych,

- przejrzenie na ekranie wyników obliczeń i ich ewentualna korekta,

- wykonanie końcowego raportu z wykonanego zadania.

Zainstalowany pod DOS-em w katalogu CCDATA3 program ChemCAD wywołuje się poleceniem cc3 [ENTER]

Najpierw na ekranie monitora zostają wyświetlone zastrzeżenia licencyjne właściciela programu - firmy Chemstations Inc. Ponowne polecenie [ENTER] powoduje zainstalowanie interfejsu graficznego i wyświetlenie właściwej planszy roboczej o wyglądzie pokazanym na Rys. 1. 

Najwyższa, górna linia na planszy to linia tytułów zawierająca kolejno: nazwę inumer wersji wykorzystywanego SP, nazwę katalogu w którym jest on zainstalowany,

kodowe oznaczenie aktualnie opracowywanego projektu oraz, jako ostatnie oznaczenie wariantu jeżeli projekt obejmuje kilka opracowań wariantowych. 

Rząd drugi od góry to linia poleceń w której są kolejno podane skrótowe nazwy dwunastu głównych grup czynności oferowanych przez SP ChemCAD 3.3. Dziewięć z tych grup służy bezpośrednio realizacji wyżej wymienionych podstawowych stadiów budowy projektu procesowego. Trzy pozostałe to grupy czynności pomocniczych. Wskazanie wybranej pozycji z listy poleceń - strzałka myszy bądź klawiszem kursora +[ENTER] lub bezpośrednio klawiszem dużej litery w nazwie grupy - powoduje wyświetlenie wykazu czynności (menu) w danej grupie.

Pod linia poleceń rozciąga się robocze pole ekranu, na którym jest konstruowany schemat technologiczny, są wyświetlane plansze do wprowadzania danych oraz następuje prezentacja wyników w postaci tabel i wykresów. Na początku, po zainstalowaniu interfejsu graficznego na ekranie pojawia sie automatycznie schemat procesu opracowywanego w poprzednim projekcie ( na Rys.1 jest to np. schemat zaprojektowany w ramach zadania LABVAB4).

Poniżej części roboczej znajduje się linia objaśnień mieszcząca jednozdaniowa charakterystykę zakresu aktualnie wybranej pozycji z linii poleceń lub szczegółowej opcji z jej menu (na Rys.1 objaśnienie dotyczy wskazanej strzałka myszy pozycji pLik z linii poleceń).

Bardziej szczegółowy opis każdej z dwunastu głównych pozycji z linii pole cen jest wyświetlany na ekranie po wciśnięciu klawisza F1. Wszystkie te opisy są przedrukowane poniżej w oknach pod tytułem “Polska oprawa ChemCADa 3.3”. Najdokładniejsze instrukcje, wyświetlane na ekranie po każdej kolejnej czynności, można uzyskać wybierając opcje Nauczyciel z menu grupy pLik.