UniSim Design. Áttekintés. Modellépítés célja egy példa. Dinamikus üzemmodell OTS-hez. Kezelőfelület felugró ablakok

Átírás

1 Áttekintés UniSim Design Metanol szintézis i dinamikus ik modellezése Bevezetés az UNISIM folyamatszimulátor használatába (BMEVEKFA004) Dr. Benkő Tamás, Honeywell Kft, tamas.benko@honeywell.com Dr Meszéna Zsolt, Honeywell Kft, zsolt.meszena@honeywell.com Dr Moldoványi Nóra, Honeywell Kft, nora.moldovanyi@honeywell.com A feladat célja (miért modellezünk?) - egy példa A metanol szintézis bemutatása A folyamat dinamikus modellezése instruktor segítségével Üzemindítás, üzem leállítása Segédletek: MeOH_PFD-Reactor.pdf UniSim_Design_MeOH_Dynamic_tutorial.pdf MeOH.xls Példa-fájlok: MeOH_Phase-1.usc - csak reaktor + recirk. MeOH_6.usc - teljes modell kolonnával USD R410, Build Doku (C:\Program Files\Honeywell\Documentation\): Dynamic Modeling.pdf Operations Guide.pdf Modellépítés célja egy példa Dinamikus üzemmodell OTS-hez OTS: Operator Training Simulator (üzemszimulátor) Üzemszimulátor: szabályozórendszer: mint az üzemben folyamat: modell az üzem helyett Kezdő operátort meg kell tudjuk téveszteni. Modell jósága: Legfontosabb változók: 2-5% pontossággal Többi 5-10% pontossággal Dinamikus üzemmodell OTS-hez Operátori kezelőfelület MeOH OTS-hez Kezelőfelület felugró ablakok 1

2 Kezelőfelület - MeOH desztilláció MeOH üzemmodell Egyszerűsített reakciórendszer Egyszerűsített szabályozókörök Dinamikus Unisim Design modell Metanolszintézis folyamatábra Metanol gyártás Egyszerűsített szintézis modell: CO2 3H 2 CH 3OH H 2O a b r1 k1c CO c 2 H 2 c d r2 k2c CH OHc 3 H 2O a= 1, b= 3, c= 1, d= 1 E i ki Ai exp RT A1= 1.04e22, E1= 1.7e5 kj/kmol A2= 2.6e28, E2= 2.2e5 kj/kmol Units, Thermodynamics Basis Envir SI mértékegységrendszer Komponensek: N2, H2, CO2, H2O, MeOH Modell (Fluid Package): SRK Reakció: Típusa: kinetic Reakció-kinetikai adatok bevitele Fázis: Vapor vagy Overall Base Component: CO2 Simulation Envir. - első lépések Dynamics Mode Dynamic P/F Specs paletta: áram-spec, áram színe mennyiség sárga nyomás zöld mindkettő piros 2

3 Feed Stream nevek: Feed_H2, Feed_CO2 Temperature: 40 C Pressure: 5000 kpa (recirk. bekeverési ponton: 4000 kpa) H2:CO2 n/n = 3:1 Mass flow: = 1000 kg/h Szelepek: Valve Manufacturer: Universal Gas... karakterisztika: Equal Percentage Cv = 8, Cv = 24 visszacsapó szelep (Check Valve) Áramlás-szabályozók: FIC-101, FIC-102 Kc = 0.2, Ti = 0.3, Reverse Action Modell futtatása Minden műveleti egységet tesztelünk: futtatjuk az integrátort: ellenőrizzük a beállt üzemállapotot nagy eltéréseket hangolással állítjuk Integrátor alapértelmezéstől eltérő beállításai Integrátor alapértelmezéstől eltérő beállításai Recycle Mixer (Header) In: Feeds, Recycle Out: Mixed Recycle: Molar flow: 354 kmol/h (flow spec.) Temp: 40 oc összetétel (n/n): CO2: 0.05, H2: 0.95 Feed Heater In: Mixed, Heater duty Out: To Reactor Heater Duty: Product Temp.= 200 C Press. drop (kb 50 kpa): Overall k =

4 Reactor: CSTR Szintézis- kör, recirkuláció nélkül In: To Reactor, Reactor Cooling Out: From Reactor, Dummy Liquid Nyomásesés: kb. 100 kpa (szelep Cv: 30-40) Geom. adatok: átmérő: 2.5 m magasság: 0.75 m csonkméret: 0.05 m, csonkmagasság: ki= 0 m Reakció kiválasztása Dynamics: Dry Start-up Hűtés: Tout = 200 C legyen TIC-103: Kc= 2, Ti= 2, Direct Action CO2 konverzió állandósult állapotban kb. 60 % Product Cooler Változók figyelése Strip Charts Termékáram H2 és CO2 tartalmának recirkulációja = metanol leválasztása a gőzfázisból hűtés 40 C-ra In: From Reactor Out: Condensed Mixture Energy: Prod Cooler Duty Duty =? (Product Temp = 40 oc legyen) Overall k = (Nyomásesés kb. 50 kpa) Szeparátor A Condensed Mixture áram kétfázisú, a két fázist el kell választani: szeparátor. In: Condensed Mixture Out: Vapour, Liquid D: 2 m H: 3 m Szelep: LV-104, Cv = 12, Equal Percentage, P ki = 1100 kpa Szintszabályozó: LIC-104, Kc = 1, Ti = 10, Direct Action Nyomás szabályozás, lefúvatás A recirkulációs körben felhalmozódó nem kondenzálódó gázok lefúvatásához a Vapor áramot meg kell osztani: Tee. In: Vapour Out: Purge (P = 3700 kpa), Recycled g ( ), y Elemek magassága: 4 m (szeparátor teteje + 1 m) Szelep: PV-105, Cv = 1, Equal Percentage Nyomás-szabályozó: PIC-105, Kc= 1, Ti = 2, Direct Action 4

5 Recirkuláció I. MeOH szinézis-kör Recirkuláció (I.) A visszavezetendő áram nyomása alacsonyabb, mint a Feed áramé: komprimálás szükséges. In: Recycled Out: To Recycle (p=4000 kpa) I. változat: fix tömegáram mennyiség-szabályozóval, + nyomáshatároló szelep : NRV-100 Dynamics/Specs/Pressure Flow Relation - kikapcsolva Recirkuláció II. II. változat: centrifugális kompresszor Energy: Compressor Power Jelleggörbék: MeOH.xls Fordulatszám-specifikáció: NIC-100.OP * K100Speed.PV1.Gain [0 100] * 150 NRV-200: Cv = 800, visszacsapó szelep, mindig nyitva Dynamics/Actuator/Valve Min Position = 100 Anti-surge szabályozás: FV-100: Cv = 100 (NRV-100 helyett) FIC-100: kompresszor nyomó ágra és FV-100-ra átkötni Recirkuláció II. Főtermék tisztítása: desztilláció Liquid áram metanol mellett vizet is tartalmaz Tisztasági követelmények: MeOH: min. 97 % n/n víztartalom: max. 1 % m/m A kolonna építését a szeparátorból kilépő áram másolatával végezzük, rögzített áramló mennyiséggel. Desztilláció Oszlop: Absorber (csak tányérok) In: Liquid, Reflux, BoilUp Out: To Overhead Cooler, To Reboiler Tányérszám (N): 10 Betáp. helye: 5. tányér Tányérok (al-folyamatábra): Típus: szita, H = 0.55, D = 1.5 m gátmagasság: 65 mm, -hossz: 0.5 m (*) Alsó tányér: 2 m-en Üres oszlop ellenállása ( Dry Hole Pressure Loss K-Factors ): k = 5000 (*) Nyomás-profil: kpa (kezdőérték) Nyomásesés: (kb.) 10 kpa A nyomás-profilt a gát-paraméterekkel és a k-faktorral hangoljuk (fent (*)-gal megjelölve). Hőmérséklet-profil: oc (kezdőérték) 5

6 Desztilláció - 2 Fejtermék-hűtő (Condenser): Out: To Condenser Hőáram: Condenser Duty k = 420, Elhelyezés : 7.5 m-en TIC-202: Direct, Kc = 0.3, Ti = 0.5, SP = oc Reflux tartály: Out: Methanol, Refl Geometria: fekvő tartály, D = 1, L = 2.6 m Elhelyezés: 6.5 m-en Pára-csonk: tetején Nyomás: 1000 kpa LIC-201: Direct, Kc = 1, Ti = 5 Nyomás-határoló szelep: VLV-100 Desztilláció - 3 Kolonna fenék + Visszaforraló: Out: Water, BoilUp Hőáram: Reboiler Duty Geometria: álló tartály, D = 2, H = 1 m Betáp-csonk: tetején Nyomás: (kb.) 1040 kpa, a tányér-paraméterekkel kell beállítani TIC-204: Reverse, Kc = 1, Ti = 5 LIC-203: Direct, Kc = 1, Ti = 10 A reaktor-kör és kolonna összekapcsolása: A két áramban (kb.) azonos legyen a nyomás és az áramló mennyiség Ha pontos illesztés szükséges, akkor a magasságokat (hidroszatikai nyomást) is figyelni kell Összekapcsoláshoz a szelep kilépő áramát töröljük Állandósult állapot behangolása Recirk. bekeverési ponton P = 4000 kpa Hangolás: Purge nyomással, nyomásesésekkel Nyomásesések: hűtő/fűtő: kb kpa reaktor: kb. 100 kpa Szelepek nyitása % legyen Kolonna nyomásprofil Kezdeti üzemállapot Üres, hideg üzem: Dynamic Initialization : minden objektumot kijelölünk, kivéve azt az áramot, amelyiknek az állapotát át kell másolni a többibe P = kpa T = 25 oc Összetétel: N2 1.0 n/n minden szelep zárva, kivéve PV-105 (Purge): Parameters/Inittialization/Cold Init OP = 100% Induláskor az üzem a PV-105 szelepen, ill. a kondenzátoron keresztül telik fel N2-vel üzemi nyomásra Dynamic Initialisation Modell stabilitás-teszt Az üres üzemállapotot 24 órát futtatjuk (Sim Time) Nem lehet áramlás, illetve jelentős nyomás- vagy hőfok változás. Ellenőrzés a Workbook-ban: 6

7 Üzemindítás Hidrogén benyitás, fűtés/hűtés: FIC-101: Auto, SP = 30 kg/h (ennyit le lehet fújatni reakció nélkül) Product Cooler T(ki) = 40 oc Feed Heater T(ki) = 200 oc Recirkuláció: I. vált.: FIC-100: Auto, SP = 300 kmol/h II. vált.: NIC-100.OP emelése, mígnem FIC-100.PV = 300 kmol/h (FIC-100: Man, mérésként használjuk) Előkészületek a reakcióhoz: Lefúvatás: PIC-105: Auto, SP = 3797 kpa Reaktor hűtés: TIC-103: Auto, SP = 200 oc Szeparátor szint: LIC-104: Auto, SP = 50 % Kolonna fenékszint: LIC-203: Auto, SP = 50 % Üzemindítás - 2 CO2 fokozatos benyitása, H2-t követve: FIC-102: Auto, SP = max 7 x H2, állandósult állapotban: FIC-101: 121 kg/h FIC-102: 879 kg/h Recirkuláció emelése, ha szükséges: Lefuvatás (FI-106): 2-10 kg/h FIC-100 SP ramping (I. változat esetén) Előkészületek desztillációhoz: Kondenzátor: LIC-201: Auto, SP = 50 % Kolonna fenékszint: LIC-203: Auto, SP = 50 % Üzemindítás - 3 Desztilláció: Kolonna fenék lassú, fokozatos fűtése: TIC-204: Man, OP = 0.5, 1, 1.5 % áll. állapotban: Auto/SP=174.4 oc Fejtermék folyamatos hűtése: TIC-202: Auto, SP = oc Fejtermék előírt tisztaságához 15x oc fenékhőfok elég. Fenéktermék ekkor még 25 %n/n MeOH-t tartalmaz. A további fűtés csak nagyobb fenéktermék-tisztasághoz kell. Kérdések A kolonna fenék-összetétele több mint 95%-ban víz. Miért 174 oc-on forr? A betáp ekvimoláris CO2 H2 elegy. Miért dúsul fel H2-ben a recirkuláció? A fejtermék tisztaságára vonatkozó feltételek közül melyik az élesebb feltétel? MeOH: min. 97 % n/n víztartalom: max. 1 % m/m Amikor a hideg üzembe benyitunk 10 kg/h hidrogént, a lefuvatón kb. 140 kg/h gáz távozik. Miért? Üzem leállítása -1: szintéziskör Bedolgozás csökkentése: ½, ¼, 1/8 (hidrogén felesleggel) CO2 leállítása Kompresszor kapacitás csökkentése szükség szerint Hűtés-fűtés leállítása: Reaktor hűtés Reaktor betáp fűtés Termék hűtés Kompresszor leállítása, lefuvató szelep teljes nyitása Szeparátor leürítése: max. 1xxx kg/h Üzem leállítása -2: desztilláció Kolonna fenékszint tartása: fűtést is csökkenteni kell szükség szerint Ha a hűtés/fűtés lecsökkent, oszlop-fej lehűlt Kondenzátor leürítése Hűtés/fűtés kikapcsolása Oszlop fenék leürítése Szelepek zárása, kivéve lefúvató 7

8 Kimaradt szempontok - 1 El nem reagáló komponensek, pl. N2 a betápban Szivattyúk: reflux, víz kitárolása (?) Szelepműködés dinamikája Kapacitással rendelkező elemek hőveszteségei (CSTR, szeparátor, kolonna, -fenék, kondenzátor Szintmérő csonkok: szintmérés nem a teljes térfogat/magasság %-át mutatja üzemindítást, -leállítást ezt figyelembevéve kell végezni (áramló mennyiségek, más hatások figyelése) Kimaradt szempontok - 2 Kondenzátor nyomás-szabályozása Visszaforraló hőcserélővel, termikus áramlás beindítása Szabályozókörök paramétereinek optimális hangolása Reaktor be- és kilépő áram hőintegrációja A szeparátor és az oszlop között nagy a nyomásesés: turbinát lehetne hajtani vele Kompresszor meghajtása turbináról Reaktorbeli keveredési viszonyok pontosabb modellezése: csőreaktor vagy reaktor kaszkád MeOH szintézis CO-val Köszönöm a figyelmet 8