DIPLOMADOLGOZAT. Balaton Miklós Gábor

Átírás

1 DIPLOMADOLGOZAT Balaton Miklós Gábor 2009

2

3 Pannon Egyetem Vegyészmérnöki- és Folyamatmérnöki Intézet, Folyamatmérnöki Intézeti Tanszék Vegyészmérnöki szak DIPLOMADOLGOZAT Szakaszos gyártócella szimulációja Balaton Miklós Gábor Témavezető: dr. Nagy Lajos, egyetemi docens 2009

4 Szakirány bármelyik Tanszék Folyamatmérnöki Intézeti Tanszék Diplomamunka pontos címe: Szakaszos gyártócella szimulációja Témavezető(k): dr. Nagy Lajos Az elvégzendő feladat A kidolgozás helyszíne(i): PE, Folyamatmérnöki Intézeti Tanszék A vegyipar számos területén (gyógyszeripar, finomkémia, élelmiszeripar, stb.) egyre nagyobb jelentősége van az automatizált szakaszos gyártórendszereknek. A hatékony technológiafejlesztés és modellbázisú irányítás elengedhetetlen eszköze a rendszer működését jól visszatükröző matematikai modell. A gyógyszeripar és az élelmiszeripar területén a validálás, minőségbiztosítás egyre fontosabb. A beüzemelés során egyébként is elvégzendő minősítési vizsgálatok ésszerű megtervezésével az elvégzendő mérések eredményei a modellezésben és irányításban is felhasználhatók. A Folyamatmérnöki Intézeti Tanszék laboratóriumában működik egy 50 literes zománcozott reaktorra épülő gyártócella. A berendezés számítógépes folyamatirányító rendszerének felújítása jelenleg folyik. Kialakítás alatt van egy monofluidos hűtő-fűtő rendszer. A diplomamunka során el kell készíteni a rendszer szimulátorát UNISIM programban. Meg kell tervezni egy olyan mérési sorozatot, amely alapján a szimulátor paraméterei meghatározhatók. Kialakítani egy olyan felületet, amelynek segítségével elvégezhető a folyamatirányító rendszer tesztelése. Részfeladatok teljesítésének határideje:

5 Nyilatkozat Alulírott Balaton Miklós Gábor diplomázó hallgató, kijelentem, hogy a diplomadolgozatomat a Pannon Egyetem Folyamatmérnöki Intézeti Tanszéken készítettem vegyészmérnöki diploma Master of Chemical Engineering megszerzés érdekében. Kijelentem, hogy a diplomadolgozatban foglaltak saját munkám eredményei, és csak a megadott forrásokat (szakirodalmakat, eszközöket, stb) használtam fel. Tudomásul veszem, hogy a diplomadolgozatban foglalt eredményeket a Pannon Egyetem, valamint a feladatot kiíró szervezeti egység saját céljaira szabadon felhasználhatja Veszprém, június hallgató aláírása Alulírott dr. Nagy Lajos témavezető kijelentem, hogy a diplomadolgozatot Balaton Miklós Gábor a Pannon Egyetem Folyamatmérnöki Intézeti Tanszéken készítette vegyészmérnöki diploma Master of Chemical Engineering megszerzés érdekében. Kijelentem, hogy a diplomadolgozat védésre bocsátását engedélyezem. Veszprém, május témavezető aláírása

6 Kivonat A Folyamatmérnöki Intézeti Tanszék laboratóriumában működik egy 50 literes zománcozott reaktorra épülő gyártócella, melynek felújítása során új hűtőfűtő rendszert alakítottak ki. A diplomadolgozat célja a gyártócella ezen részét leképező dinamikus szimulátor elkészítése volt. A vegyiparban már bevált szokás meglévő technológiák leképzése szimulációs programokkal, azzal a céllal, hogy operátorok betanítását végezzék, üzemzavarok elhárítását, az üzem indítását, leállítását gyakorolják (OTS Operator Training Simulation), a valós rendszeren nehezen kivitelezhető mérést, üzemeltetési módot próbáljanak ki (biztonságtechnika), illetve a telepítés előtt új szabályozókat, szabályozási struktúrákat teszteljenek. A szimulátor az Aspentech HYSYS programján alapuló Honeywell UniSim Design szimulációs programmal készült. A programcsomag stacioner és dinamikus szimulációt is egyaránt lehetővé tesz. A program segítséget nyújthat tervezési, üzemeltetési és optimalizálási feladatok megoldásában, illetve a vegyipar különböző területein a beruházások gazdaságosságának vizsgálatakor. A szimulátor elkészítésekor a valóság lehető legjobb közelítése volt a cél. A gyakorlati részben bemutatásra kerül a szimulátor létrehozásának folyamata, illetve a szimulátoron végzett vizsgálatok eredményei. Kulcsszavak: szakaszos gyártócella, monofluid, UniSim Design

7 Abstract At the Department of Process Engineering, University of Pannonia (Hungary) a 50 liter stirred batch reactor with a heating-cooling monofluid jacket applying three temperatures was developed. The aim of this diploma work is to create the dynamic simulator of this batch unit. Simulation of chemical processes has been used for a long time with the aim of process optimization, controller design and optimization, safety evaluation, transitions between operating conditions, and startup/shutdown condition testing and designing, testing, and training employees on new processes offline (OTS Operator Training Simulation) before they are implemented. Applying the dynamic simulator of monofluid heating-cooling system new control structures can be tested without using the physical system. The simulator was developed in Honeywell s UniSim Design Suite, which is based on HYSYS simulation software. It supports steady-state and dynamic simulation, design, performance monitoring, optimization and business planning for process industries. During the making of the simulator my aim was the best possible approximation of reality. In the experimental section the creating process of the simulator and simulation results will be demonstrated. Keywords: batch unit, monofluid, UniSim Design

8 Bevezetés Irodalmi áttekintés Szakaszos technológiai rendszerek A szakaszos üzemek összehasonlítása más üzemeltetési módokkal Szakaszos rendszerek A szakaszos rendszereknél alkalmazott köpenykapcsolási megoldások Direkt köpeny fűtés-hűtés recirkuláció nélkül Cirkulációs köpenykapcsolások Monofluidos (egyközeges) hűtő-fűtő rendszer Dinamikus szimulátorok felhasználása OTS rendszerek OTS rendszerek felhasználása Elméleti áttekintés A szakaszos gyártócella bemutatása A monofluidos hűtő-fűtő rendszer és a reaktor működése A legalacsonyabb hőmérsékletet biztosító hűtőgép Az UniSim Design programcsomag ismertetése Az UniSim Design programcsomag és felhasználási lehetőségei Az UniSim Design dinamikus része Az UniSim Design szimulációs programcsomag felhasználói felületének általános ismertetése [15] A szimulátor alapvető adatainak megadására szolgáló felület ( Basis Environment ) A szimulátor létrehozására szolgáló felület ( Simulation Environment ) Fontosabb menüpontok Gyakorlati rész A szimulátor elkészítéséhez felhasznált UniSim Design modellek bemutatása Anyagáram: (Material Stream) Energiaáram: (Energy Stream) Szelep: (Valve) Tartály: (Tank/Separator/3 Phase Separator/Separator with Tube Bundle) Szivattyú: (Pump) Kompresszor (Compressor) Hőcserélő: (Heat Exchanger/Heater/Cooler/LNG Exchanger/Air Cooler) Virtuális keverő és áramosztó (Mixer/ Splitter) Csőszakasz (Pipe) A Spreadsheet modul A szimulátor felépítése A monofluid egység A reaktorkör A teljes rendszer Szimulációs vizsgálatok eredményei A mérések körülményei A paraméterek meghatározásakor tapasztaltak bemutatása A benyúló csőköteges szeparátor modellen alapuló reaktorkialakítás... 60

9 4.4. A második reaktorkialakításon végzett szimuláció A két reaktor kialakítás összehasonlítása Összefoglalás Irodalomjegyzék Mellékeltek Köszönetnyilvánítás... 80

10 Bevezetés A vegyipar egyes területein, ahol a nagy folyamatos technológiákhoz képest sokféle és kis mennyiségű terméket állítanak elő, túlnyomórészt szakaszos technológiákat alkalmaznak, mint például a gyógyszeriparban, finomvegyszer gyártásban, stb.. Ezen technológiák esetében nagyon fontos a receptben előírt hőmérsékletek pontos tartása, és a reaktorban a lehető legegyenletesebb hőmérséklet eloszlás biztosítása. Szakaszos technológiák esetében a reaktorok köpenyen keresztüli hűtése illetve fűtése sokféleképpen megvalósítható. Az iparban még mindig a legelterjedtebb a változó közegű azaz multifluid köpeny hűtés-fűtés (több mint 90 %), amely esetében két vagy három különböző közeg végzi a hűtést illetve a fűtést. Ebben az esetben a szabályozás feladata a megfelelő közeg és annak a mennyiségének beállítása. A multifluid rendszereket is több típusra oszthatjuk, attól függően, hogy a hőközlő közeg közvetlenül (direkt kapcsolás) vagy közvetetten, azaz egy hőcserélőn keresztül (indirekt kapcsolás) adja át a hőjét a reaktor köpenyében lévő közegnek. Ezen különböző megoldásokra eltérő szabályozási struktúra lehet a legmegfelelőbb. A másik megoldás az új monofluidos köpeny hűtés-fűtés, amelynél azonos, de különböző hőmérsékletű közegekkel lehet végezni a reaktor köpenyének hőmérsékletszabályozását. Két különböző hőmérsékletű közeg alkalmazására számos irodalmat lehet találni, ahol a váltást egy osztott hatáskörű (split-range) szabályozóval valósítják meg (ezt a technikát a multifluidos rendszereknél is alkalmazzák), viszont három különböző hőmérsékletű közegre kevés irodalom található, mint ahogy az ehhez tartozó split-range szabályozóról is. A diploma célja, hogy a létrehozzam a Honeywell UniSim Design programcsomag segítségével a Folyamatmérnöki Intézeti Tanszéken található 50 literes szakaszos reaktor és a hozzá tartozó monofluidos köpeny hűtő-fűtő rendszer dinamikus szimulátorát. Így megállapíthatjuk ennek a szimulációs programnak a határait, ami segíti a későbbi felhasználást. A TDK munkám során már megismertem a technológiát, és Simulink program keretein belül elkészítettem a monofluidos köpeny hűtés-fűtés modelljét. A diplomamunkámban a TDK során megkezdett munkát folytattam egy az iparban használt szimulációs program felhasználásával. A dinamikus szimulátort fel lehet használni a későbbiekben különböző szabályozó struktúrák tesztelésére, illetve hallgatói laborok során oktatási célokra is. 1

11 Irodalmi áttekintés 1. Irodalmi áttekintés A fejezet célja, hogy bemutassam a szakaszos technológiákat, és azok felhasználási területeit. Majd kitérek batch technológiák esetén az egyik legfontosabb szabályozott paraméterre, a hőmérsékletre, amely köpenyes reaktorok esetén számos köpenykapcsolással szabályozható. Majd bemutatom a dinamikus szimulátorok felhasználási lehetőségeit is Szakaszos technológiai rendszerek A technológiai rendszerek osztályozása a folyamatjellemzők, mint például a hőmérséklet időbeli alakulása alapján történik. Ha az időbeli változás elenyésző, a technológiai folyamatot állandósultnak, vagyis stacioner állapotúnak tekintjük. A következőekben bemutatásra kerülnek a szakaszos technológiák jellemzői, illetve összehasonlítom más üzemeltetési módokkal. [1] A szakaszos üzemek összehasonlítása más üzemeltetési módokkal Alapvetően három üzemeltetési módot különböztetünk meg, ezek a folyamatos, szakaszos és diszkrét rendszerek. Folyamatos technológia: a feldolgozandó nyersanyag különböző, speciális berendezéseken halad keresztül, a berendezések stacioner állapotban üzemelnek és mindegyik egy meghatározott feladatot lát el, a termék folyamatos áramú. Diszkrét technológia: a termék előállítás tételekben (lot ~ azonos nyersanyag és gyártási eljárás) történik, adott mennyiségű termék mozog a megmunkáló állomások között, minden egyes darab azonosítható és a gyártása követhető (dokumentálható). 2

12 Irodalmi áttekintés Szakaszos (batch) technológia: a nyersanyagok feldolgozása adagokban (batch, sarzs) történik, a feldolgozás meghatározott sorrendben elvégzett műveleteket jelent, folyamatos és diszkrét technológia jellemzőit is hordozza, nagy flexibilitást biztosít. A folyamatos rendszerek esetében a technológia műveletei egységei folyamatosan követik egymást térben és időben. Adott termék előállítására tervezik, a termékáramok folyamatosak, valamint az egész rendszerben, minden műveleti egységben stacioner állapotok uralkodnak. Így általában nem igényel a folyamatos üzem jelentős kezelői beavatkozást. Kezelői beavatkozás vészhelyzetek esetén, vagy a rendszer leállítása és indítása során szükséges. A folyamatos technológiák adott munkapont környezetében üzemelnek. A leállási és indítási szakasz időtartama nem mérhető össze a normál üzemvitel idejével, ami nagyságrendekkel hosszabb is lehet. Diszkrét rendszerek elsősorban a gépgyártásban fordulnak elő. Nagy mennyiségű anyagok mozognak a megmunkáló állomások között, és minden egyes darab azonosítható. Nyomon követhető a gyártás minden apró fázisa és jól dokumentálható. Ilyen tipikus diszkrét rendszerek az autógyárak. Szakaszos üzemekben a technológiai műveletek adott sorrendben követik egymást. A berendezéseket itt nem egy termék előállítására alakítják ki, hanem esetlegesen több termék előállítására is alkalmasnak kell lennie ugyanannak a technológiai egységnek. Így gyakran igen eltérő körülményeket kell biztosítani az adott rendszerben, ez nagy rugalmasságot, flexibilitást követel. A szakaszos technológiákban jelentősen nagyobb az élőmunka igény, mint a folyamatos rendszereknél. Itt a kezelői beavatkozás a technológiai folyamat szerves része. A rendszer nem munkapont környezetében, hanem egy jelleggörbe mentén mozog. Az ipar számos területén találkozhatunk batch technológiával, főként a gyógyszer- és élelmiszeriparban alkalmazzák. Valamint jelentős még a vegyipari alkalmazása is, de itt is leginkább a finomkémiai ágazatban. A pontos iparági felosztást az 1. táblázatban, a különböző szakaszos technológiák megoszlását pedig a 1. ábrán láthatjuk. [1], [2] 3

13 Irodalmi áttekintés Iparág Szakaszos Működési mód Folyamatos Vegyipar 45 % 55 % Élelmiszeripar 65 % 35 % Gyógyszeripar 80 % 20 % Kohászat 35 % 65 % Szilikátipar 35 % 65 % Papíripar 15 % 85 % 1. táblázat: A különböző technológiák megoszlása a vegyipar különböző területein Egyéb Festék, 3% színezék Üveg, 6% szigetelő 6% Acél és koksz 8% Műgyanta 30% Olajfinomítványok 8% Élelmiszer 8% Gyógyszer és növényvédőszer 11% Finomvegyszer 20% 1. ábra: Szakaszos technológiák megoszlása az iparban 4

14 Irodalmi áttekintés Szakaszos rendszerek A szakaszos rendszereket üzemmód alapján három részre oszthatjuk: szakaszos (batch), félszakaszos (semi-batch) és rátáplálásos (fed-batch). Batch rendszerek osztályozása: Többtermékes rendszerek multiproduct, multigrade Több gyártóvonalas rendszerek multistream Többcélú rendszerek multipurpose Szakaszos rendszerekben a gyártási folyamatok egymásra épülnek, meghatározott sorrendben következnek a végrehajtandó lépések. A keletkező végtermékek adagokban, sarzsokban kerül előállításra. Az ilyen típusú technológiákban általában szabványos készülékeket építenek be, így a rendszerek könnyen átalakíthatok, így kielégítve a rugalmasság követelményét. A szabványos készülékek csereszabatosak, vagyis bármikor utánrendelhetők és azok azonnal beépíthetők. Rugalmas technológiai rendszerek: Rögzített struktúra Statikus rugalmasság Különböző nyersanyag Különböző termékminőség Különböző üzemeltetési paraméterek Strukturális rugalmasság: a technológiai berendezések kapcsolata is megváltozik Csővezeték nélküli rugalmas rendszerek (pipeless) A szakaszos technológiák fejlődését és megértését nagyban segítik a szabványok, mint a NAMUR (Normenarbeitsgemeinshaft für Mess- und Regeltechnik in der Chemischen Industrie) vagy az IEC (S ). [3] 5

15 Irodalmi áttekintés A szabványok bevezetésének előnyei: Csökken az új termék bevezetésének és felfutásának ideje A gyártók megfelelő folyamatirányító rendszert tudnak gyártani A felhasználok pontosan meg tudják fogalmazni igényeiket A recetúra szerkesztését irányítástechnikai szakemberek nélkül is el lehet végezni Csökken a batch automatizálás költsége Csökken a mérnöki ráfordítás 1.2. A szakaszos rendszereknél alkalmazott köpenykapcsolási megoldások Az iparban alkalmazott köpenykapcsolási módokat különböző szempontok alapján csoportosíthatjuk [4], [5]: Átfolyós vagy cirkulációs Közvetlen (direkt) vagy közvetett (indirekt) Egy vagy többközeges Direkt köpeny fűtés-hűtés recirkuláció nélkül A 2. ábrán látható átfolyós, kétközeges köpenykapcsolás a legegyszerűbb közvetlen (direkt) hűtésű-fűtésű rendszer, főleg kézi szabályozású reaktoroknál alkalmazzák. A reaktor hőmérsékletének szabályozása közvetlenül a köpenybe vezetett közeg térfogatáramával történik. A működési tartomány: C között van, amit gőzzel illetve víz és etilénglikol keverékével lehet elérni. A rendszer gyors válaszú, ami nem kívánt hatásokat okozhat, így például fűtés esetén a fal mentén mellékreakciók játszódhatnak le a túlmelegedés miatt, illetve váltás során hősokk is felléphet. Hasonló problémák léphetnek fel a hőelvonás során is, hideg területek alakulhatnak ki a hűtőfolyadék bevezetésénél. Az üzemmód váltás során a térfogatáram nagysága is változik, ami a Reynoldsszám és a hőátadás hatékonyságának változását vonja maga után, és kis térfogatáramlásoknál lerakodások is kialakulhatnak. 6

16 Irodalmi áttekintés 2. ábra: Kétközeges, közvetlen, átfolyós köpenykapcsolás Cirkulációs köpenykapcsolások Az átfolyós rendszer hátrányainak elkerülése érdekében alkalmazzák szívesebben a cirkulációs köpeny hűtés-fűtést az iparban, mivel így állandó és nagy térfogatáramot lehet előállítani a köpenyben, a hőátszármaztatási tényező magas, és nem alakulnak ki hideg, illetve meleg helyek. A cirkulációs köpeny üzemmódon belül beszélhetünk direkt, illetve indirekt megoldásokról. Direkt hűtésű és direkt fűtésű cirkulációs köpenykapcsolás Ebben az esetben a köpeny recirkulációs körébe állandó hőmérsékletű hűtő illetve fűtő közeg kerül bevezetésre, amelynek a hőmérsékletét előzőleg hőcserélőkön keresztül állították be. A gyors hőtani válasz az előnyük e rendszereknek a későbbiekben bemutatásra kerülő közvetettekkel (indirekt) szemben, ami annak köszönhető, hogy ezek a rendszerek nem tartalmaznak hőcserélőket, amik lassítanák a hőátadás folyamatát. A 6. ábrán látható kialakítás egy egyközeges, cirkulációs, direkt rendszer, amely esetén ha a hűtőfolyadék víz, a hőmérséklettartomány nyomástól függően C. Ezt a gőz ejektoros cirkulációs köpenyelrendezést Ciba Geigy és Weigand fejlesztett ki. Víz-alkohol elegyével a hőmérséklettartomány alsó határa 7

17 Irodalmi áttekintés kitolható. A rendszer automatizálása bonyolult, a közegváltása során problémák léphetnek fel, főként exoterm reakció kontrolálása során. Működési problémát okozhat, hogy a közegek szennyezhetik egymást, ezek korróziós problémákat is okozhatnak. 3. ábra: Direkt hűtésű és direkt fűtésű köpenykapcsolás cirkulációval Direkt hűtésű és indirekt fűtésű cirkulációs köpenykapcsolás A direkt hűtésű és indirekt fűtésű rendszer működési tartománya C hőmérsékletek közé esik. Egy ilyen elrendezést láthatunk a 4. ábrán, ahol a fűtést általában egy lemezes hőcserélővel oldják meg, a hűtés pedig a hűtőfolyadék közvetlen befecskendezésével valósítható meg. A váltás a két üzemmód között split range kapcsolású szabályozással problémamentes oldható meg. A direkt hűtőfolyadék injektálás miatt, hűtő üzemmódban a rendszer jelentősen gyorsabb válaszú, mint fűtés esetén. 8

18 Irodalmi áttekintés fűtő gőz hűtőfolyadék kondenzátum 4. ábra: Direkt hűtésű és indirekt fűtésű köpenykapcsolás cirkulációval Indirekt hűtésű és indirekt fűtésű cirkulációs köpenykapcsolás Indirekt hűtés-fűtés esetén, a zárt hűtőkörben a hűtést és a fűtést két lemezes hőcserélővel oldható meg. Egy ilyen kapcsolást láthatunk az 5. ábrán is, amelynek előnye, hogy a közvetett hőcsere miatt egy kevésbé drága hűtőközeg is alkalmazható, illetve centralizált, több reaktort kiszolgáló hűtőközeg szolgáltatást lehet kialakítani. A megfelelő hőközlő folyadékkal a hőmérséklettartomány kitolható akár -20 C-tól -220 C-ig. fűtő gőz hűtőfolyadék 5. ábra: Indirekt hűtésű és indirekt fűtésű köpenykapcsolás cirkulációval 9

19 Irodalmi áttekintés Monofluidos (egyközeges) hűtő-fűtő rendszer Egy másik megoldás az új monofluidos köpeny hűtés-fűtés, amelynél azonos, de különböző hőmérsékletű közegekkel lehet végezni a reaktor köpenyének hőmérsékletszabályozását. Ebben az esetben mind a fűtés, mind a hűtés is közvetlen (direkt), és a rendszer egy közeget tartalmaz (ezért monofluid), de különböző hőmérsékleten, amelyeknek az előállítása a reaktor környezetében történik, tehát nem külső hálózatról érkezik a hőenergia. A megfelelő hőközlő folyadék megválasztása esetén a hőmérséklettartomány C lehet. A monofluidos köpeny hűtés-fűtés előnyei közé tartozik, hogy egyenletes hőmérséklet eloszlást lehet biztosítani a köpenyben, így elkerülhetőek a nem kívánt mellékreakciók és a reaktorelfutás, egyenletes a hőmérséklet változása is, azaz nem jelentkeznek hősokk illetve lokális túlmelegedési (hot spot) problémák. A monofluidos rendszer emellett gyors reagálású és kisebb a karbantartási igénye, mivel azonos közegek esetén kevesebb korróziós termék keletkezik, mint például gőz és hűtővíz esetén. [7] Két különböző hőmérsékletű közeg alkalmazására számos irodalmat lehet találni, ahol a váltást egy osztott hatáskörű (split-range) szabályozóval valósítják meg (ezt a technikát a multifluidos rendszereknél is alkalmazzák [6]), viszont három különböző hőmérsékletű közegre kevés irodalom található, mint ahogy az ehhez tartozó split-range szabályozóról is [8], [9]. A 6. ábrán a tanszéki rendszerrel megegyező köpenykapcsolást lehet látni, amely három különböző hőmérsékletű közeget tartalmaz. A háromközeges monofluidos rendszer hátránya, hogy a különböző hőmérsékletű közeg közötti váltást összehangoltan kell működtetni. Ez bonyolultabb, mint a hagyományos split-range szabályozás esetén, ahol csak két szelepet kell összehangolni. Viszont ez a megoldás gazdaságosabb, mint a teljes hőmérséklettartományt átfogó két közeg alkalmazása. Például ha hűteni kell a reaktort, nincs szükség minden esetben a leghidegebb közegre, használható az olcsón előállítható (hálózati vizes hűtésű) közepes hőmérsékletű közeg is (~20 C). 10

20 Irodalmi áttekintés 6. ábra: Monofluidos köpeny hűtő-fűtő rendszer 1.3. Dinamikus szimulátorok felhasználása Ebben a fejezetben a dinamikus szimulátorok iparban történő felhasználásának lehetőségeit mutatatom be, kiemelve azok alkalmazásnak előnyeit. A fejezet második felében kitérek arra is, hogy a tanszéken milyen előnyökkel járhat a szakaszos gyártócella dinamikus szimulátorának felhasználása. [10], [11] 11

21 Irodalmi áttekintés OTS rendszerek A vegyipari technológiákkal szemben napjainkban egyre szigorúbb biztonsági és környezetvédelmi elvárásokat támasztanak. A kihívásoknak megfelelni nem csak a technológiák korszerűsítésével, hanem az üzemeltető személyzet folyamatos képzésével is lehet. A rendeltetésszerű üzemeltetéshez, az irányítótermi operátorok megfelelő felkészültsége szükséges, ugyanis egyszerre csak néhány ember felelős a nagy értékű berendezésekért és bizonyos esetben csak a saját tapasztalataikra számíthatnak. Egy jól tervezett technológiai folyamat esetében a legnagyobb veszélyt a rossz operátori beavatkozás jelenti, ami kritikus esetben stressz hatására könnyen előfordulhat. Idővel a napi rutinfeladatok végzése során a kezelő elvesztheti a vészhelyzetek kezelésének képességét. Napjainkban az operátorok képzésének és minősítésének fontos részét képezik a technológia dinamikus modelljén alapuló tréning szimulátorok (Operator Training Simulator OTS). Ezek az eszközök lehetővé teszik az operátorok képességeinek fejlesztését és minősítését ugyanabban a környezetben, ahol a mindennapi munkájukat végzik. Az operátorok a tréning során rutinfeladatokat oldanak meg és különböző vészhelyzetekkel, meghibásodásokkal találkoznak anélkül, hogy a valós üzemet veszélyeztetnék. Ezáltal nem csak ezek elhárításában szereznek tapasztalatot, hanem mélyebb összefüggéseiben értik meg a folyamatot. Az eszköz ezeken kívül alkalmas még egyéb modell alapú vizsgálatok elvégzésére is. 12

22 Irodalmi áttekintés OTS rendszerek felhasználása Az OTS rendszerek először a repülés területén jelentek meg repülőgép szimulátorok képében. Azóta a pilótáknak évente több alkalommal kell részt venniük tréningen, hogy felkészültek maradjanak a veszélyhelyzetekre. A repülést követően az atomerőművekben létesítettek tréning rendszereket, különösen a jól ismert nukleáris balesetek után (Csernobil, Three Miles Island). Ahogy a neve is mutatja az OTS elsődleges felhasználói az operátorok. A kezdő operátorok betanulásában és rutinszerzésében segít. Ez különösen egy új üzem átadásakor jelenthet könnyebbséget, mert addigra a személyzet már szerezhet tapasztalatot az üzemeltetésben. A rutinos irányítók esetében pedig elmélyítheti a megértést és addig nem tapasztalt helyzetekre készítheti fel őket. A rendszer legfontosabb feladata a tréningezési lehetőség biztosítása a következő célokkal: 1) Az üzemet irányító személyzet gyakorlati tapasztalatokkal való ellátása az adott folyamat különböző állapotaiban: Normál üzemmenet különböző betáplálás mellett, normál üzemindítás és leállítás, meghibásodások és a meghibásodás után a normál üzemmenet visszaállítása, vészleállítás. 2) Az operátorok teljesítményének növelése. A gyakorlás során elsajátított képességekkel csökkenhet az üzemzavaros állapotok száma és ideje, amely a termelékenység növekedésével jár. A tréningen kívül az OTS használható: Új irányítási struktúrák, új szabályozó körök, szabályozási szekvencia, vagy többváltozós irányítási alkalmazások tesztelése, a valós rendszerbe történő telepítés előtt. Új és a megszokottól eltérő üzemeltetési paraméterek kipróbálása és ezen állapotok tesztelése (a mérnökök feladata). Továbbá fontos az üzem modelljének a folyamatos frissítése, anyag-, és hőmérlegének ellenőrzése. Irányítórendszerben, akár APC-ben jelentkező probléma megoldása, alternatíva tesztelése. 13

23 Elméleti áttekintés 2. Elméleti áttekintés Ebben a fejezetben bemutatásra kerül a Folyamatmérnöki Intézeti Tanszék laborjában lévő szakaszos gyártócella, annak működése, illetve a szoftver, amivel a dinamikus szimulátor készült A szakaszos gyártócella bemutatása A tanszéken található szakaszos gyártócella fő részét egy 50 literes zománcozott, keverővel ellátott, köpenyes reaktor képezi. A reaktorhoz tartozó további egységek a következők: Monofluidos köpeny hűtés-fűtés Adagoló tartályok Kondenzátor Párlatszedő tartály A teljes szakaszos gyártócellát a 7. ábrán láthatjuk, viszont a diplomamunka szempontjából csak a köpenyes reaktor és monofluidos hűtő-fűtő rendszer volt fontos, mivel e részeknek készítettem el a dinamikus szimulátorát. Ennek az az oka, hogy a reaktorhoz tartozó többi berendezés irányító rendszere jelenleg felújítás alatt áll, ezért méréseket nem tudtam rajtuk végezni. 14

24 Elméleti áttekintés 7. ábra: A teljes szakaszos gyártócella folyamatábrája 15

25 Elméleti áttekintés A monofluidos hűtő-fűtő rendszer és a reaktor működése A tanszéken működő monofluidos köpeny hűtés-fűtés három 100 literes tartállyal rendelkezik, amelyekben különböző hőmérsékletek állíthatóak be. Egyszerre csak egy tartály folyadékát vezetjük a köpenybe (lehetne többet is, de nem keverjük a különböző hőmérsékleteket), amit gömbcsapokkal lehet megválasztani. A kilépő oldalon a köpenyből távozó folyadékot ugyanabba a tartályba vezetjük vissza, amelyikből éppen folyadék lép be a köpenybe, viszont gazdaságosabbá tehető a rendszer és csökkenthetjük a tartályok hőmérsékleteinek nem kívánt változásait, ha a köpenyből kilépő közeget a hőmérsékletéhez legközelebb eső tartályba vezethetjük vissza. A tartályokat túlfolyók kötik össze, amik megakadályozzák a tartályok esetleges megtelését, illetve kiürülését, ami a szivattyú üres járását okozná. A tartályokban alkalmazott hőközlő közeg két komponensből áll. A feltöltés során 64 V/V% víz és 36 V/V% hűtőfolyadék (etilén glikol és propilén glikol keveréke) arányú közeg lett bemérve a tartályokba. Mindhárom tartály zárt, egy szelep biztosítja a kapcsolatot a légkör felé, igény esetén túlnyomással is lehet őket üzemeltetni. Mindegyik tartály kivezetésén egy szivattyú (GRUNDFOSS CR 1-3) biztosítja a folyadék visszacirkulálását, illetve nyitott állapotú gömbcsapok esetén az áramlást a köpeny felé. Egy fojtószeleppel lehet beállítani a nyitott gömbcsapok esetére, hogy mennyi folyadék jusson a köpenybe, illetve mennyi cirkuláljon vissza a tartályba. Tervezési értékek alapján a szivattyún átáramló mennyiség 1200 l/h, ami nyitott gömbcsap állás esetén a következő osztást jelenti: kb. egyharmad cirkulál vissza a tartályba és kb. kétharmad jut a köpenybe. A visszatérő ágon a hőközlő folyadék mennyiségét szabályozó szeleppel lehet változtatni. A legmelegebb közeg hőmérsékletének beállítása a szivattyú után elhelyezett két db elektromos fűtőpatron (2 4,5 kw) segítségével történik. Az elérhető maximális hőmérséklet 130 C. A közepes hőmérsékletű közeg megfelelő hőmérsékleten tartása egy lemezes hőcserélővel (APU A/S U121R 100D-R) történik, amit a szivattyú után 16

26 Elméleti áttekintés helyeztek el. A hűtés egy vezérelt csappal kapcsolható, amely a hálózati víz áramán található. A tartály működési tartománya kb C. A leghidegebb közeg hőmérsékletének beállítása egy nagyteljesítményű kibe kapcsolható hűtőgéppel történik. A hőátadás egy lemezes hőcserélőn keresztül történik, és az elérhető minimális hőmérséklet -15 C. A tartályok hőmérsékletének mérése a tartály alján elhelyezett Pt 100-as hőmérővel, a hőmérsékletszabályozás on-off szabályozóval történik. A kilépő oldali gömbcsapok után az adott közeg a reaktorköpeny cirkulációs körébe kerül, ahol a közeg áramlását egy szivattyú (GRUNDFOSS CR 3-4) biztosítja. Két helyen történik még hőmérsékletmérés, a köpeny recirkulációs körében a belépő illetve kilépő oldalon, illetve a szivattyúk nyomóoldali nyomása kézi szeleppel állítható és manométerekről olvasható le. A gyártócella fő része egy 50 literes keverővel ellátott zománcozott reaktor, amelyben hőmérsékletet és nyomást lehet mérni. A köpeny hőmérsékletszabályozás a hűtő-fűtő rendszer szelepének és gömbcsapjainak az összehangolt működtetésével oldható meg A legalacsonyabb hőmérsékletet biztosító hűtőgép A legalacsonyabb hőmérsékletű közeget tartalmazó tartály hőmérsékletszabályozása egy nagyteljesítményű hűtőgéppel történik. A hűtőgép részei: Kompresszor: Copeland ZB-56 KQ csavarkompresszor Kondenzátor: LH 104 névleges teljesítmény: 23,86 kw Ventillátorok: 2 db 450mm-es Folyadék hőcserélő: SWEPP B25x18 A tartály folyadékjának hűtése egy lemezes hőcserélőn keresztül történik, amit laboron kívül helyeztek el a hűtőgép házában. 17

27 Elméleti áttekintés A hűtőgép R404A hűtőfolyadékkal van töltve, aminek az összetétele a következő [12]: R125 CHF 2 CF 3 44 m/m% R143A CH 3 CF 3 52 m/m% R134A CH 2 FCF 3 4 m/m% Névleges hűtőteljesítmény: -10 C-on 11,5 kw Névleges hűtőteljesítmény: -15 C-on 9,1 kw 2.2. Az UniSim Design programcsomag ismertetése Ebben a fejezetben a szimulátor elkészítéséhez felhasznált program működését, tulajdonságait és egyéb felhasználási lehetőségeit fogom bemutatni Az UniSim Design programcsomag és felhasználási lehetőségei Az UniSim Design szimulációs program az Aspentech HYSYS programjának továbbfejlesztésével jött létre, és 2005-ben adta ki az első a szériát a Honeywell. A programcsomag stacioner és dinamikus szimulációt is egyaránt lehetővé tesz. A program segítséget nyújthat tervezési, üzemeltetési és optimalizálási feladatok megoldósában, illetve a vegyipar különböző területein a beruházások gazdaságosságának vizsgálatakor. [13] Egy modell, számos felhasználás. Ez azt jelenti, hogy az adott eljárásról elég egy modellt létrehozni, amit a tervezés különböző fázisain fel lehet használni. Tervezési fázis alatt segítséget nyújthat a tervezés elvi kérdéseiben, a tényleges eljárástervezésben, részletes mérnöki tervezésben és végül a működőképességi vizsgálatokban. A technológia felépítése után ugyanazt a modellt fel lehet használni az üzemeltetés hatékonyságának növelésére, az operátorok tréningére, biztonságtechnikai vizsgálatokra és a technológia optimalizálásra. Mindemellett az UniSim Design megfelelő környezetet biztosíthat a vegyipar különböző területein jelentkező modellezési feladatok esetében is Az UniSim Design dinamikus része A vegyipari üzemek ritkán működnek stacioner üzemben, ami a külső és belső zavarásoknak egyaránt köszönhető, mint például a környezeti hatások, hőcserélők elpiszkolódása, katalizátor aktivitáscsökkenés, stb. Ebből kifolyóan a 18

28 Elméleti áttekintés kémiai technológiai objektumok tranziens állapotainak vizsgálatára dinamikus szimulációs eszközökre van szükség, mint amilyen az UniSim Design programcsomag is. Az UniSim Design dinamikus és stacioner felületének összehasonlítása Kémiai eljárások tervezése és optimalizáláskor mind a stacioner, mind a dinamikus viselkedést figyelembe kell venni. A stacioner modellekkel stacioner energia és anyagmérleget lehet számolni, illetve különböző üzemkialakításokat lehet kiértékelni. Így az optimalizálás során a tervezőmérnök a stacioner szimulátor felhasználásával a termelés maximalizálása mellett csökkentheti a beruházási költségeket. Dinamikus szimulációval biztosítható, hogy az üzem könnyen kézben tartható és biztonságos módon gyártsa a kívánt terméket. A dinamikus szimuláció során a készülékek részletes definiálásával a valós üzem berendezéseinek működése is nyomon követhető. Offline dinamikus szimulációval a szabályozókörök is optimalizálhatóak anélkül, hogy veszélyeztetnénk az üzem biztonságos működését és nyereségességét, ezen felül még beépítés előtt tesztelhetőek különböző szabályozási struktúrák a valós rendszertől függetlenül, valamint tanulmányozhatóak a különböző zavarásokra történő dinamikus válaszok. Az UniSim Design dinamikus része ugyanazokkal a tulajdonság csomagokkal rendelkezik, mint a stacioner, így hasonló módon számolja a kémiai rendszerek hőtani, egyensúlyi és reakciós viselkedésit. Viszont a dinamikus modell eltérő mérlegegyenleteket alkalmaz, amelyek a tulajdonságok időbeli változásait írják le. Az anyag-, energia és komponensmérlegek dinamikus esetben a felhalmozódást leíró taggal bővülnek. A mérlegek közelítésére nemlineáris differenciál egyenletek szolgálnak, mivel analitikai megoldásuk nincsen. A dinamikus szimuláció motorja differenciál egyenletek diszkrét időintervallumokban történő numerikus megoldásán alapszik. Minél kisebbek az időintervallumok, annál közelebb kerülünk az analitikus megoldáshoz, viszont ez növeli a számításhoz szükséges időt. 19

29 Elméleti áttekintés Az ipar elvárásai egy dinamikus szimulációs programmal szemben Pontosság: Az UniSim Design dinamikus szimulációs csomagja rigorózus egyensúlyi, reakció, műveleti egység és szabályozó modelleket alkalmaz, amelyek biztosítják a szükséges pontosságot. Könnyű használat: A dinamikus csomag is ugyanazt az intuitív és interaktív grafikus felületet használja, mint a stacioner. Az áramok és a műveleti egységek ugyanolyan könnyen hozzáadhatóak, mint stacioner esetben, és a stacioner szimuláció eredményei akadálymentesen átvihetőek a dinamikus felületre. Sebesség: Az UniSim Design programot úgy tervezték, hogy pontosság ne menjen a sebesség rovására. A megoldó az implicit fix lépésközű Euler módszert használja, és nagyobb sebességet úgy ér el a pontosság csökkenése nélkül, hogy a különböző mérlegeket eltérő gyakorisággal oldja meg. Részletes tervezés: Részletes méretezési adatokat lehet megadni az egyes műveleti egységeknél, amivel bebizonyítható, hogy az adott egység képes a megfelelő termékmennyiséget és minőséget előállítani. Valószerűség: A magas fokú valószerűség a nyomásvezérelt (Pressure flow) megoldónak köszönhető, amely használatával minden egységen átáramlott térfogatáramot az egység környezetében lévő nyomások szabnak meg. Felhasználói igényekhez való alkalmazkodás: Az UniSim Design lehetővé teszi saját OLE modulok beágyazását. A dinamikus megoldó matematikai modelljei, illetve mérlegegyenletei Az UniSim Design koncentrált paraméterű modelleket használ, mivel az osztott paraméterű modellek megoldásához több idő és számítási igény szükséges. A tulajdonságok hely szerinti változását más módon számolja, a térfogattal rendelkező egységeket több kisebb részre osztja, és az egyes hold up-ok modelljeit koncentrált paraméterűként megoldva a teljes egységre megkapjuk az adott tulajdonság hely szerinti változását. Az UniSim Design számításainak alapját a mérlegegyenletek adják. 20

30 Elméleti áttekintés d Tömegmérleg: (egy tökéletesen kevert egység esetén) dt ahol: d V o F F, F i = a betáplálás térfogatárama i = a betáplálás sűrűsége F o = az elvétel térfogatárama o = az elvétel sűrűsége V = az egység térfogata Komponensmérleg: (egy tökéletesen kevert egység esetén) d c jo dt ahol: V i i F c F c R V, i c ji = a j komponens koncentrációja a betápláláskor c jo = a j komponens koncentrációja a elvételkor R j = a j komponens forrása Energiamérleg: (egy tökéletesen kevert egység esetén) u k V dt F i i ji o jo o u k F u k Q Q w F p F p i i i o ahol: u = belső energia k = kinetikus energia = potenciális energia V = a fluidum térfogata w = a befektetett munka p o = a készülék nyomása p i = nyomás a betápláláskor Q = a környezetből érkező hő Q r = a reakcióban keletkező hő o o o o o j r o o i i, 21

31 Elméleti áttekintés Megoldási módszer, integrálási stratégia Analitikusan: ahol: dy dt tn 1 tn Y Y Y f dt, f n 1 Y n Az UniSim Design dinamikus felülete a közönséges differenciál egyenleteket az implicit Euler módszerrel oldja meg, ami a téglány integrálási formulát (8. ábra) használja az Y n+1 közelítésére. Az implicit Euler módszer képes stiff rendszerek kezelésére is. Az integrálási paramétereket, mint például a lépésközt az integrátorban lehet állítani, amivel a számolás stabilitását és sebességét tudjuk befolyásolni. 8..ábra: A téglány integrálási módszer Az UniSim Design a számításokat három különböző gyakorisággal végzi el, a különböző mérlegegyenleteket nem oldja meg minden egyes lépésben, mert ennek nagyon nagy lenne a számítási igénye, ezért kompromisszumot kell kötni a különböző összefüggések számolásának gyakoriságát illetően. Alaphelyzetben ez a gyakoriság a térfogat-, energia- és a komponensmérlegek esetében a lépésköz egy-, két- és tízszeresét jelenti. 22

32 Elméleti áttekintés A hold up modell A dinamikus viselkedés főleg abból fakad, hogy az üzemi berendezések egy része rendelkezik hold up-pal, ami abban jelentkezik, hogy az összetétel-, a hőmérséklet- és a nyomás változásának hatása nem érzékelhető azonnal a kimenten. A modell azt számolja, hogy a bemenet változására hogyan változnak időben a berendezés egyes részeinek hold up-jai és kimenetei. A következő számításokat tartalmazza a hold up modell: Anyag és energia felhalmozódás Termodinamikai egyensúly Hőátadás Kémiai reakció A hold up modell számos feltételezést tartalmaz: Mindegyik fázis tökéletesen kevert Anyag- és hőtranszport csak a hold up betáplálása és a már bent lévő anyag között fordul elő Fázisok közötti anyag- és hőtranszport csak a hold up-ban fordul elő A pressure flow solver működése Két alapvető egyenlet határozza meg a pressure flow hálózat nagy részét, amelyek csak nyomást és térfogatáramot tartalmaznak. Ellenállás egyenletek: a nyomáskülönbség alapján meghatározzák a térfogatáramot a hold up-ok között. Flow k p, ahol: Flow = tömegáram k = vezetési tényező, az ellenállás reciprokával egyenlő p = súrlódási nyomásveszteség 23

33 Elméleti áttekintés Térfogatmérleg egyenletek: meghatározzák az anyagmérleget a nyomás hold up-okban. A hold up-pal rendelkező berendezések fizikai térfogata nem változik, ezért a benne lévő anyag térfogata is minden pillanatban állandó. ahol: V Const. f dv dt 0 flow, h, p, T V = a berendezés térfogata t = idő flow = tömegáram h = hold up p = a berendezés nyomása T = a berendezés hőmérséklete Mindkét egyenletnek szüksége van információra a hold up modellből, illetve szolgáltatnak is számára adatot. Amíg a hold up modell a tömeg és energia felhalmozódását, illetve a hold up összetételét számolja, a pressure flow megoldó egyenletei meghatározzák a hold up nyomását illetve a ki- és belépő térfogatáramokat. [14], 2.3. Az UniSim Design szimulációs programcsomag felhasználói felületének általános ismertetése [15] Az UniSim Design a Honeywell cég Windows XP alatt futó szimulációs szoftvere. Jellemzői közé tartozik, hogy ikon alapú, egérrel vezérelhető, moduláris felépítésű, stacioner és dinamikus modellezést is lehetővé tesz és irányítási struktúrák is leképezhetőek benne A szimulátor alapvető adatainak megadására szolgáló felület ( Basis Environment ) Modell létrehozása előtt az UniSim Design programban, mind dinamikus mind stacioner esetben a Basis Environment -ben be kell állítani a szimulációhoz szüksége alapvető adatokat. 24

34 Elméleti áttekintés Basis Environment részei [16]: Components : Ebben a menüben lehet felvenni a különböző kémiai és hipotetikus komponenseket, amelyeket a szimuláció során alkalmazni kívánunk. Több komponens lista is létrehozható, amelyeket különböző Fluid Package-ekhez lehet hozzárendelni. Fluid Pkgs : Itt lehet létrehozni a különböző fluid package-eket, amelyekhez hozzá kell rendelni egy korábban létrehozott komponens listát, és meg kell határozni a használni kívánt tulajdonság becslő módszert, illetve módosítani lehet annak beállításait. A szimulátor létrehozása során felhasznált modellek esetében különböző fluid packageek adhatóak meg, ezért a basis environment-ben számos fluid package hozható létre. Hypotheticals : Az elméleti komponensek létrehozására szolgál. Az alapvető tulajdonságok (normál forráspont, molekulatömeg, standard folyadéksűrűség, kritikus hőmérséklet, kritikus nyomás, kritikus térfogat, acentrikus tényező) megadásán kívül számos tulajdonságot definiálhatunk. Például hőmérsékletfüggő tulajdonságokat is megadhatunk (folyadéksűrűség, gőznyomás, ideális gáz entalpia, ideális gáz entrópia, ), amelyeket a tulajdonság hőmérsékletfüggését leíró polinom paramétereivel lehet definiálni. Oil Manager : Itt lehet definiálni a szénhidrogéniparra jellemző frakciókat, vágási pontokat, illetve blend-eket lehet létrehozni. Reactions : Ebben a menüben lehet megadni a modellben előforduló reakciókat. Reakciórendszereket is lehet definiálni, az úgynevezett Reaction set -ekben, amelyek hasonlóan működnek, mint a fluid package-ek, tehát például több reaktor esetében minden reaktorban egyszerűen csak ki kell választani a már előre definiált reaction set-et, azaz a reakció adatait nem a modell paraméterezésénél kell megadni. Component Maps : Itt lehet a különböző fluid package-ek között komponenseket átvinni. Főleg hipotetikus olajipari komponenseknél hasznos. User Properties : A felhasználó itt definiálhat egyedi tulajdonságokat. 25

35 Elméleti áttekintés A szimulátor létrehozására szolgáló felület ( Simulation Environment ) Ebben a környezetben lehet létrehozni a különböző modell blokkokból a szimulátort. Grafikus, könnyen kezelhető felülettel rendelkezik. A simulation environment-ben a program fejlécén található ikonok a következőek: PFD visszacsatoló gomb a fő PFD-re Workbook technológiai áramok és műveleti egységek áttekintő felülete Object navigator technológiai áramok és műveleti egységek áttekintő felülete Simulation navigator technológiai áramok és műveleti egységek áttekintő felülete Steady state mode stacioner mód, stacioner modellezéshez Dynamics mode dinamikus mód, dinamikus modellezéshez Dynamics assistant dinamikus specifikációk áttekintő felülete Integrator active szimuláció lefuttatása (stac.), vagy indítása (din.). Integrator holding számolás leállítása. Take one step egy további lépés kiszámítása (csak din.) Real time valós idejű futtatás (csak din.). Kikapcsolva maximális sebességgel futtat. Real time factor ha a real time gomb aktív (csak din.), akkor ezzel megadható a számolás sebessége. Take multiple steps megadott számú lépés kiszámítása (csak din.). Set multiple steps az előző gombhoz tartozó lépésszámot adja meg (csak din.). 26

36 Elméleti áttekintés Integrator auto/manual a számolás módja állítható vele (csak din.). Enter basis environment a Simulation Basis Manager nyitható meg vele. Palette (F4) a programban található modulok. Az UniSim Designban elérhető modulokat a Palette-ről lehet kiválasztani, majd beilleszteni őket a folyamatábrára. A 2. táblázatban láthatóak az elérhető modulok. Anyagáram Kétfázisú szeparátor Palette Háromfázisú szeparátor Energiaáram Tartály Hűtő hőcserélő Fűtő hőcserélő Hőcserélő hálózat Hőcserélő Léghűtő Kemence Szivattyú Expander Kompresszor Gázvezeték Folyadékvezeték Felhasználói modul Szelep Biztonsági szelep Szilárd fázisú műveletek Áramkeverő Áramosztó UOP műveletek Tökéletesen kevert reaktor Elektrolitos műveletek Csőreaktor Áram megszakító Egyéb reaktorok Olajkitermelő műveletek Desztillációs kolonna Abszorber refluxszal Komponens osztó Abszorber Háromfáziú desztilláció Alrendszer Abszorber kiforralóval Folyadék-folyadék extraktor Virtuális áram Egyszerűsített kolonna Shadow Plant műveletek Testreszabható kolonna Adjust Set Reset Spreadsheet Genesim műveletek Selector block Irányítási elemek On/off kapcsoló Átviteli függvény Egyensúly PID szabályozó Logikai műveletek 2. táblázat: Az UniSim Designban elérhető modulok 27

37 Elméleti áttekintés Fontosabb menüpontok Simulation/Integrator: A számítási jellemzők állíthatók be itt. General: a számítás általános beállításai (auto/manual átváltás, lépésköz, real time stb.) Execution: a különböző tulajdonság típusok számítási gyakorisága Options: megadható, hogy mely jelenségek képezzék a modell részét Heat loss: a hőveszteség számításához a környezeti hőmérséklet megadása Tools/Databook: Többek között a modell tetszőleges változóinak ábrázolására és adatgyűjtésre szolgál. Itt lehet megadni a más alkalmazások számára elérhető változókat is (pl. DDE kapcsolat). 28

38 Gyakorlati rész 3. Gyakorlati rész Ebben a fejezetben kerül bemutatásra a diplomamunka során végzett munkám. Először ismertetem az UniSim Design programban felhasznált modelleket, működésüket és a számításukhoz szükséges paramétereket. Majd bemutatom a szimulátor működését illetve részeit. Végül a valós rendszeren és a szimulátoron végzett mérések összehasonlítása kerül bemutatásra A szimulátor elkészítéséhez felhasznált UniSim Design modellek bemutatása Az elemek testre szabása nem egyértelmű feladat, ugyanis többféle specifikációs lehetőség van, mint amennyi szabadsági fokkal a modell rendelkezik. Ugyanazt a rendszerállapotot többféleképpen is elérhetjük. A következőkben a dinamikus szimulátorban felhasznált modulok legfontosabb specifikációs lehetőségeit fogom bemutatni Anyagáram: (Material Stream) Az anyagáramok közül csak a peremen lévő anyagáramok tulajdonságait kell specifikálni (dinamikus esetben), mert a többi már számított értékeket vesz fel. Belépő esetben az összetételt és az állapotváltozó közül kettőt szükséges előírni. A rendszert elhagyó áramnak vagy a nyomását vagy az anyagmennyiségét kell megadni, de érdemes ezen felül még a Product Block -ban definiálni a termék összetételét és hőmérsékletét is, mert így esetleges visszaáramlásoknál a beállított tulajdonságú anyagáram áramlik vissza Energiaáram: (Energy Stream) Általában a szállított energia mennyiségével jellemezzük. 29

39 Gyakorlati rész Szelep: (Valve) A szelep definiálásához belépő és kilépő áramokra van szükség, illetve dinamikus esetben méretezni is kell. A szelep méretére jellemző tényező a C v vagy C g attól függően, hogy folyadék vagy gáz/gőz halad át a szelepen. Megadható a szelep karakterisztikája is (lineáris, gyors nyitású, egyenszázalékos, felhasználó által megadott karakterisztika), valamint a dinamikus beállításoknál részletesen definiálható a pozícionáló működése is Tartály: (Tank/Separator/3 Phase Separator/Separator with Tube Bundle) Ezek a modellek szolgálnak a fázisváltozás számítására, valamint a fázisok szétválasztására. Emellett reakciókat is be lehet vinni a modellekbe, és így lehetőség nyílik tökéletesen kevert reaktorként való alkalmazásra. Ez azért lehet előnyös a tökéletesen kevert reaktormodellel szemben, mert itt nem feltétel a reakciók megadása. Tehát a reakció bevitelét későbbiekben is megtehetjük, miután a rendszer már működik. A tartály alakja (lapos vagy lekerekített szélű, gömb alakú) és elhelyezkedése (vízszintes, függőleges) mellett a méretét is meg kell adni. Ezt vagy egyszerűen a térfogattal vagy az átmérő és hossz együttes értékével lehet definiálni. Az első három típus esetében energiaáramot is lehet csatlakoztatni. A negyedik típus csak dinamikus módban érhető el. Ez a modell egy csőköteges gőzfejlesztőt ír le, de a megfelelő paraméterkombinációval tökéletesen kevert köpenyes reaktorként is viselkedhet. 30

40 Gyakorlati rész Szivattyú: (Pump) A szivattyúmodell dinamikus definiálásához a be- és kilépő anyagáramok és egy energiaáram csatlakoztatása szükséges, valamint a dinamikus paraméterek közül kettőt kell megadni. Ezek a hatásfok, a be- és kilépő áramok nyomáskülönbsége, a szivattyú teljesítménye és a szállítómagasság. Bevihetőek egyedi karakterisztikus görbék (adott fordulatszámhoz) is specifikációként Kompresszor (Compressor) A kompresszor definiálása is hasonló módon történik, mint a szivattyúé. Ennél a modellnél is adhatunk meg karakterisztikus görbéket Hőcserélő: (Heat Exchanger/Heater/Cooler/LNG Exchanger/Air Cooler) Egy technológiai anyagáramot fűthetünk, illetve hűthetünk energiaáramokkal (heater, cooler) vagy egy másik anyagárammal (heat exchanger, LNG Exchanger). A Cooler és a Heater esetében kevés paraméter áll a rendelkezésünkre. A Heat Exchanger modellnél TEMA besorolás szerint a hőcserélő bármilyen lehet. Itt lehetőség nyílik UA érték megadására is. Az LNG Exchanger hőcserélő hálózatok létrehozására szolgál, definiálása hasonló a Heat Exchanger-éhez. 31

41 Gyakorlati rész Az Air Cooler modell léghűtők számítására szolgál. Beállítható a léghűtő blokkok száma, a ventilátorok mennyisége és tulajdonságai. A hőcserélők nyomásviszonyait vagy a nyomásesés értékével vagy a k vezetési értékkel lehet meghatározni csőoldalon és köpenyoldalon egyaránt. A hőátadást az UA érték specifikációjával lehet definiálni Virtuális keverő és áramosztó (Mixer/ Splitter) Anyagáramok egyesítésére és szétosztására szolgálnak. A nem rendelkeznek szabadsági fokkal, ezért nem kell őket definiálnunk Csőszakasz (Pipe) Csőszakaszok modellezésére szolgáló modul. Különböző szegmensekből építhetjük föl a csőszakaszt, számos beépített szegmens típussal rendelkezik. Megadhatóak az adott szegmens méretei, falának érdessége és anyagi minősége. Az adatokból számolja a csőszakasz nyomásesését, szükség esetén a hőveszteséget illetve dinamikus esetben engedélyezhető a hold up számítása is A Spreadsheet modul Ebben a modulban számításokat lehet végezni hasonló felületen, mint az Excel. A szimulátor összes változóját be lehet illeszteni, írni viszont csak a felhasználó által definiáltakat lehet. Számítási műveleteket hajthatunk végre az egyes változókon, illetve használhatunk beépített függvényeket is. Sokszor nyújthat segítséget különböző változók összekapcsolásában. 32