UniSim Design. Metanolgyártó üzem modellezése. Havasi Dávid Stelén Gábor

Hasonló dokumentumok
UniSim Design. Metanolgyártó üzem modellezése. Stelén Gábor

Folyamattan gyakorlat. BME-KKFT Készítette: Stelén Gábor

UniSim Design. - steady state modelling - BME Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék Dr. Mizsey Péter, Dr. Benkő Tamás, Dr.

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

Gőz-folyadék egyensúly

Folyamattan gyakorlat Alapok. 2017/ félév BME-KKFT Készítette: Stelén Gábor

Többjáratú hőcserélő 3

UniSim Design. Dinamikus modellezés. BME-KKFT Farkasné Szőke-Kis Anita Stelén Gábor

BME-KKFT Folyamatok tervezése és irányítása. Dinamikus modellezés alapok Készítette: Stelén Gábor 2017

Folyamattan gyakorlat. 2017/ félév BME-KKFT Készítette: Stelén Gábor

Aceton abszorpciójának számítógépes modellezése

Desztilláció: gyakorló példák

Kiegészítő desztillációs példa. 1. feladatsor. 2. feladatsor

Szénhidrogén elegy rektifikálásának modellezése SZÉNHIDROGÉNIPARI TECHNOLÓGIA ÉS KATALÍZIS GYAKORLAT KUBOVICSNÉ STOCZ KLÁRA ( MOL.

Technológiai hulladékvizek kezelése fiziko-kémiai módszerekkel a körforgásos gazdaság jegyében

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (limitációk) Fókusz Légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Fiziko-kémiai módszerek a finomkémiai ipar hulladékvizeinek kezelésére

Gépészeti Eljárástechnika Tanszék. Szakaszos rektifikálás mérés

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (korlátok) Fókusz: a légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Extraktív heteroazeotróp desztilláció: ökologikus elválasztási eljárás nemideális

8.9. Folyamatos rektifikálás vizsgálata félüzemi méretű rektifikáló oszlopon.

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

Dinamikus modellek felállítása mérnöki alapelvek segítségével

Folyamatok tervezése és irányítása - BME VEFK M /19/02 Oktatók: Dr. Mizsey Péter, Dr. Havasi Dávid, Stelén Gábor, Dr. Tóth András József

Fluidum-kőzet kölcsönhatás: megváltozik a kőzet és a fluidum összetétele és új egyensúlyi ásványparagenezis jön létre Székyné Fux V k álimetaszo

Desztillációs technológiák vizsgálata szénhidrogén elegy példáján

Szénhidrogén elegy rektifikálásának modellezése

Overset mesh módszer alkalmazása ANSYS Fluent-ben

Tóth István gépészmérnök, közgazdász. levegő-víz hőszivattyúk

Az α értékének változtatásakor tanulmányozzuk az y-x görbe alakját. 2 ahol K=10

1. Bevezetés. 2. Kiindulási adatok a szimulációk elvégzéséhez

8.8. Folyamatos egyensúlyi desztilláció

A VEGYIPARI SZIMULÁCIÓS PROGRAMOK MŰKÖDÉSÉHEZ ALKALMAZHATÓ TERMODINAMIKAI MODELLEK

1. előadás. Gáztörvények. Fizika Biofizika I. 2015/2016. Kapcsolódó irodalom:

Kémiai egyensúlyok [CH 3 COOC 2 H 5 ].[H 2 O] [CH3 COOH].[C 2 H 5 OH] K = k1/ k2 = K: egyensúlyi állandó. Tömeghatás törvénye

IX. Alkalmazott Informatikai Konferencia Kaposvári Egyetem február 25.

Munkaközegek. 1. Előadás Fázisok, fázisátmenetek és állapotegyenletek

1 Műszaki hőtan Termodinamika. Ellenőrző kérdések-02 1

Chloroform LP. Acetone. At the beginning: Chloroform+ Acetone+ Toluene in V. At the end: V is empty

Modla G., Láng P., Kopasz Á. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészeti Eljárások Tanszék

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

1. feladat Összesen: 26 pont. 2. feladat Összesen: 20 pont

8.9. Folyamatos rektifikálás vizsgálata félüzemi mérető rektifikáló oszlopon.

Művelettan 3 fejezete

1. feladat Összesen: 8 pont. 2. feladat Összesen: 11 pont. 3. feladat Összesen: 7 pont. 4. feladat Összesen: 14 pont

TÖBBKOMPONENS RENDSZEREK FÁZISEGYENSÚLYAI IV.

Kémiai reakciók sebessége

5. Állapotegyenletek : Az ideális gáz állapotegyenlet és a van der Waals állapotegyenlet

A folyamatmodellezés alapjai

Általános és szervetlen kémia Laborelıkészítı elıadás I.

DIPLOMADOLGOZAT. Balaton Miklós Gábor

Kulcsszavak: heteroazeotróp, szakaszos desztilláció, dinamikus szimuláció

Atomok. szilárd. elsődleges kölcsönhatás. kovalens ionos fémes. gázok, folyadékok, szilárd anyagok. ionos fémek vegyületek ötvözetek

ALLEGRO gázhűtésű gyorsreaktor CATHARE termohidraulikai rendszerkódú számításai

Problémás regressziók

Mivel foglalkozik a hőtan?

Folyamatirányítás. Számítási gyakorlatok. Gyakorlaton megoldandó feladatok. Készítette: Dr. Farkas Tivadar

Bevezetés. 1. ábra: Az osztott terű kolonna elvi sémája. A szétválasztási feladat

Figure 1. Scheme of a double column batch stripper in open mode with thermal integration

Működésbiztonsági veszélyelemzés (Hazard and Operability Studies, HAZOP) MSZ

Eötvös József Főiskola Műszaki Fakultás

SZIVATTYÚK ENERGETIKAI JELLEMZŐI EER, COP, ESEER. Hűtőkör energetikai jellemzői

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

Segédlet az ADCA szabályzó szelepekhez

A problémamegoldás lépései

1. feladat Összesen 25 pont

8.9. Folyamatos rektifikálás vizsgálata félüzemi méretű rektifikáló oszlopon.

A szén-dioxid megkötése ipari gázokból

Mekkora az égés utáni elegy térfogatszázalékos összetétele

Hermetikus tér viselkedése tervezési és tervezésen túli üzemzavarok során a Paksi Atomerőműben

Beüzemelési riport FUJITSU Airstage VRF V-II

LEVEGŐ VÍZ HŐSZIVATTYÚ

Modellezési esettanulmányok. elosztott paraméterű és hibrid példa

Fizika feladatok. 1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből november 28. Hővezetés, hőterjedés sugárzással. Ideális gázok állapotegyenlete

Optimalizálás az olajiparban II.

AUTOMATA REAKTOR. Kémiai Technológia Gyakorlat

Általános Kémia. Dr. Csonka Gábor 1. Gázok. Gázok. 2-1 Gáznyomás. Barométer. 6-2 Egyszerű gáztörvények. Manométer

1. feladat Összesen: 15 pont. 2. feladat Összesen: 10 pont

A kapacitás növelése és energiafelhasználás csökkentése ásványolajat desztilláló oszlopokon

Általános kémia képletgyűjtemény. Atomszerkezet Tömegszám (A) A = Z + N Rendszám (Z) Neutronok száma (N) Mólok száma (n)

Számítógéppel segített folyamatmodellezés p. 1/20

A 27/2012. (VIII. 27.) NGM rendelet (29/2016. (VIII. 26.) NGM rendelet által módosított) szakmai és vizsgakövetelménye alapján.

Segédenergia-nélküli hőm. szab. Danfoss Elektronikus Akadémia.

HRB 3, HRB 4 típusú keverőcsapok

Projektfeladatok 2014, tavaszi félév

Hőszivattyúk - kompresszor technológiák Január 25. Lurdy Ház

Forgattyús mechanizmus modelljének. Adams. elkészítése, kinematikai vizsgálata,

TÖBBKOMPONENS RENDSZEREK FÁZISEGYENSÚLYAI II. Ismerjük fel, hogy többkomponens fázisegyensúlyokban a folyadék fázisnak kitüntetett szerepe van!

GÁZKROMATOGRÁFIA 1952 James és Martin -gáz-folyadék kromatográfia; -Nobel díj a megoszlási kromatográfia kidolgozásáért.

Ülékes szelepek (PN 16) VS 2 1-utú szelep, külső menet

CFX számítások a BME NTI-ben

REAKCIÓKINETIKA ÉS KATALÍZIS

HRB 3, HRB 4 típusú keverőcsapok

2011/2012 tavaszi félév 2. óra. Tananyag:

Minta feladatsor. Az ion neve. Az ion képlete O 4. Szulfátion O 3. Alumíniumion S 2 CHH 3 COO. Króm(III)ion

Kiválasztási segédlet

Szabályozó szelepek (PN 16) VRB 2 2-utú szelep, belső illetve külső menettel VRB 3 3-utú szelep, belső illetve külső menettel

2011/2012 tavaszi félév 3. óra

Levegős hőszivattyúk alkalmazása. Tóth István

Átírás:

UniSim Design Metanolgyártó üzem modellezése Havasi Dávid Stelén Gábor Folyamatok tervezése és irányítása 2016/17/2 BME Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék 1

Alapadatok Célkitűzések: Megismerkedni a folyamatszimulátorok alapjaival, majd konkrétan a UniSim Design folyamatszimulátorral metanolgyártó üzem steady state modellezésén keresztül Dinamikus modellezés alapjainak elsajátítása Tervezési feladat megoldása Feladatok: Tervezési feladat (30%) leadási határidő: május 2. Szóbeli beszámoló (20%) Tantárgy honlapja: http://kkft.bme.hu/oktatas/fti 2

Oktatási hét Kezdő nap Előadás Lab1 Lab2 Lab3 Lab4 H 10-12 P 10-12 Cs 17-19 H 8-10 Sze 12-14 1. 02.06. 2. 02.13. SS bemutató SS bemutató SS bemutató SS bemutató 3. 02.20. SS bemutató SS bemutató SS bemutató SS bemutató 4. 02.27. 5. 03.06. 6. 03.13. Március 15. 7. 03.20. 8. 03.27. 9. 04.03. Dinamikus bemutató 10. 04.10. Dinamikus bemutató Dinamikus bemutató Dinamikus bemutató Dinamikus bemutató Dinamikus bemutató 11. 04.17. Húsvét Húsvét Dinamikus bemutató Dinamikus bemutató 12. 04.24. ZH Szóbeli besz. Szóbeli besz. Szóbeli besz. Szóbeli besz. 13. 05.01. Munka ünnepe Munka ünnepe 14. 05.08. Tervezés beszámoló Pótlási 05.15. Pót ZH 3

Mire jók a folyamatszimulátorok? Egyedi készülékek és egyszerűbb rendszerek modellezése Üzemi problémák megoldása Új javaslatok vizsgálata mi lenne ha vizsgálatok Milyen hatása van egy adott módosításnak Készülékek működésének vizsgálata (pl. hőcserélők, reaktorok, desztillálóoszlopok) Bonyolultabb rendszerek modellezése Teljes üzemi modellek Hőintegráció Dinamikus modellek OTS (Operator Training Simulator) Ipari folyamatok számítása akár több ezer egyenletből álló egyenletrendszer megoldása szükséges rövid idő alatt; erre való a folyamatszimulátor Nem helyettesítheti a mérnököt! 4

A szimulációk alapjai Steady-state (időben állandó) Anyag- és energiamérlegek Különböző esetek vizsgálata Szűk keresztmetszetek vizsgálata Nem mérhető paraméterek meghatározás Dinamikus (időben változó) Szabályozó rendszerek modellezése Paraméterek időbeli változásának vizsgálata Szimulációs lépések Mértékegységrendszer kiválasztása (angolszász, SI, egyéni) Komponensek kiválasztása TERMODINAMIKAI MODELL KIVÁLASZTÁSA Szimulációs modell felépítése (fokozatosan célszerű haladni) 5

A feladat Metanolgyártó üzem steady-state modellezése Az üzem főbb részei: Hőcserélők Tökéletesen kevert tartályreaktor Fázisszeparátor Rektifikáló kolonna Gázrecirkuláció Kompresszor Kiindulási anyagok: hidrogén, szén-dioxid Termékek: metanol, víz 6

Alapbeállítások: Simulation Basis Manager Mértékegységrendszer: Tools/Preferences/Variables 7

Komponensek kiválasztása Components fül Komponensek: CO 2, H 2, MeOH, H 2 O 8

Termodinamikai modellek Ideális eset ha lenne egy olyan egyenlet, amely leírná az összes komponens és elegy fázisegyensúlyi viszonyait minden körülmények között Valóság részleges modellek, melyek adott komponensekre és elegyekre érvényesek Az optimális modell kiválasztása a vegyészmérnök feladata! Ebben a folyamatszimulátorok segítséget nyújtanak Főbb modelltípusok: állapotegyenletek. aktivitási koefficiens modellek, gőznyomás modellek, elektrolit modellek 9

Termodinamikai modellek Főbb típusok állapotegyenletek Ideális gáz Raoult és Henry törvények Van der Waals reális gázokra Redlich-Kwong (RK) szénhidrogének modellezésére; kritikus nyomás közelében és folyadékok esetén nem használható Soave-Redlich-Kwong (SRK) az RK modell hiányosságait kiküszöböli Benedict-Webb-Rubin (BWR) alkalmas szénhidrogének gőz-és folyadékfázisainak, valamint könnyű szénhidrogének, szén-dioxid és víz keverékének számítására Lee-Kesler-Plocker (LKP) a BWR egyenlet továbbfejlesztése (több anyagra alkalmazható) Chao-Seader (CS) könnyű szénhidrogénekből és hidrogénből álló rendszerek számítására (max 530 K-ig) Grayson-Stread (GS) a CS kibővített változata, hidrogénben gazdag keverékek, valamint nagy nyomású és hőmérsékletű rendszerek számítására (200 bar és 4700 K) Peng-Robinson (PR) a SRK egyenleten alapul, kiküszöböli a SRK instabilitását a kritikus pont közelében Brown K10 (B K10) alacsony nyomású rendszerek esetén alkalmazható 10

Termodinamikai modellek Főbb típusok aktivitási koefficiens modellek Margules empírikus sorfejtés Van Laar a van der Waals állapotegyenletből származtatható; durva közelítés Wilson erősen nem ideális rendszerekre; nem alkalmazható folyadék-folyadék megoszlás számítására Non-random two liquid (NRTL) erősen nem ideális rendszerekre; kiküszöböli a Wilson-modell hiányosságait; alkalmas folyadék-folyadék megoszlás számítására Universal quasi-chemical (UNIQUAC): erősen nem ideális rendszerekre; az NRTL-hez hasonlóan alkalmas folyadék-folyadék megoszlás számítására UNIQUAC Functional-group activity coefficient (UNIFAC) csoportjárulék módszer; durva tájékoztató közelítést nyújt; azeotrópok esetén félrevezető lehet; akkor érdemes alkalmazni, amikor nem áll rendelkezésre mérési adat egy adott elegyről Közös jellemző: a biner elegyekhez illesztett két paraméter jól használható terner és még több komponensű elegyek tulajdonságainak számításához. 11

Termodinamikai modell kiválasztása Fluid Pkgs fül Modell: UNIQUAC 12

Reakció megadása Reactions fül 13

A reakció paraméterei Reakció megadása Kinetikus reakció Stoichiometry Reaktánsok: negatív együttható Termékek: pozitív együttható Részrend: az egyszerűség kedvéért megegyezik a sztöchiometriai együtthatóval Basis Molar concn Vapour phase Basis units: kmol/m3 Rate units: kmol/m3h Parameters: A, E, A, E 3 i i 1 H C O C H O H H O ' 2 2 k 3 2 r k c c k i a b 1 2 k 1 E A e x p RT A 1.0 4 E 2 2 E 1.7 E 0 5 k J / k m o l ' A 2.6 E 2 8 E 2.2 E 0 5 k J / k m o l 14

Reakció hozzárendelése a termodinamikai modellhez 15

A szimulációs környezet 16

Anyagáramok definiálása, keverése Anyagáram: Kék nyíl az eszköztárban Keverő: Jobbra mutató ötszög az eszköztárban Kimenet: Mixed Feed Recycle Temperature: 25 C Temperature: 25 C Pressure: 4000 kpa Molar flow: 200 kmol/h X CO2 =0.25n/n, X H2 =0.75 Pressure: 4000 kpa Mass flow: 1000 kg/h X CO2 =0.1n/n, X H2 =0.9 17

Előmelegítő Külön műveleti egység van hűtésre és fűtésre Név: Feed Heater Bemenet: Mixed Energiaáram: Heater duty Kimenet: To Reactor Nyomásesés: 50 kpa Kimeneti hőmérséklet: 200 C 18

Reaktor Tökéletesen kevert tartályreaktor (CSTR) Név: Reaktor Bemenet: To Reactor Két kimenet gőz és folyadék (Vapour product és Liquid product) Gőzfázisú a reakció, nem lesz folyékony halmazállapotú termék A program működése érdekében kell megadni a folyadéknak kimenetet Gőz kimeneti hőmérséklete: 200 C Szükséges egy energiaáram (Reactor Heating) 19

Reaktor; a termékek hűtése Szükséges egy reakciószett reactions fül Válasszuk ki a korábban létrehozott reakciószettet! Méretezés: Rating fül Legyen 100 m 3 a térfogat Egyéb paraméterek: Design fül/parameters A reakció 1 fázisú; a reaktor nyomásesése 100 kpa A reaktorban el nem reagált H 2 és CO 2 recirkulációjához először le kell választani a metanolt és a vizet a gőzfázisból hűtéssel Hűtő kimeneti hőmérséklete 25 C, nyomásesése 1000 kpa 20

Eddig elért folyamatábra 21

Reaktorméretezés Elsőre túl nagy reaktort terveztünk. Tools/Databook Változók megadásainsert variables: Reactor/Tank Volume Reactor/Rxn-Actual % conversion/rxn-1 Vapour product/temperature Case Studies Add : Designing reactor Independent: Tank Volume, Temperature Dependent: Conversion Szükséges alsó és felső korlátot, valamint lépésközt megadni Térfogat: 1 és 26 m3; lépésköz: 5 m3 Hőmérséklet: 100 és 150 C; lépésköz: 5 C 22

Reaktorméretezés 23

Az esettanulmány eredménye 24

Gázszeparáció A To separator áram kétfázisú, a két fázist el kell választani Be: To separator Ki: Vapour, Liquid A leválasztott gázok recirkulálhatóak A recirkulációs körben felhalmozódó nem kondenzálódó gázok lefuvatásához a vapour áramot meg kell osztani Be: Vapour Ki: Purge, Recycled Split: Recycled:=0.9 25

Recirkulálás A visszavezetendő áram nyomása alacsonyabb, mint a Feed áramé, komprimálás szükséges. Be: Recycled Ki: To Recycle (p=4000 kpa) Energy: Compressor Power Adiabatic Efficiency: 75% A recirkuláció bekötése modellezés közben gyakran okoz instabilitást: Mentés! Recycle: nem valós műveleti egység Be: To Recycle Ki: Recycle 26

A termék tisztítása A Liquid áram metanolt és vizet tartalmaz, desztilláció szükséges Előtte elő kell melegíteni forrpontra (Heater) In: Liquid Out: To Distill (75 C, p=200 kpa) Energy: Preheater Tisztítás: rektifikáló kolonna Tisztasági követelmények: a kolonnába lépő MeOH 96%-a kerüljön bele a termékbe a termék víztartalma max. 1 m/m%. 27

Desztilláló kolonna 28

Desztilláló kolonna Be: To distill Tányérszám: 10 tányér Betáp helye: 5. tányérra Kondenzátor típusa: Parciális Kondenzátor hőáram: Condenser duty Fejtermékek: Gases, Methanol Visszaforraló hőáram: Reboiler duty Fenéktermék: Water Fejnyomás: 150 kpa Fenéknyomás: 200 kpa 29

Desztilláló kolonna 30

Oldalt monitor: Meglévő active-ok kikapcsolása/törlése Add spec Megkötések megadása 31

Első megkötés Metanol visszanyerése Column component recovery (egy bizonyos komponens mekkora része jöjjön ki a fej vagy fenéktermékben) Name: MeOH rec Draw: Methanol@COL1 (Áram neve) Spec value 0,96 (96%-os visszanyerés) Components: Methanol 32

Víz mennyisége a termékben Második megkötés Column component fraction (Komponens aránya az adott áramban) Átállítás Stage-ről Stream-re Name: Water in product Draw: Methanol@COL1 Basis: Mass fraction Spec value: 0,01 Components: Water 33

Harmadik megkötés Nem kondenzálódó gázok elvezetése Nézzük meg, mennyi ilyen gáz megy be az oszlopba! To distill áram Composition (oldalt) Basis gomb Mole flows Maradék hidrogén és szén-dioxid mennyisége: kb. 0,54 kmol/h gáz Desztilláló oszlop Monitoring, Add spec Column draw rate (mennyi az összes elvétel egy áramban) Name: Uncondensed Draw: Gases@COL1 Flow basis: Molar Spec value: 0,54 Run Az érték változtatásával változik a kondenzátor hőmérséklete és a Gases áramba kerülő metanol mennyisége 34

Kitárolási hőmérséklet Termékek és melléktermék tulajdonságainak tárolási körülményekre állítása Methanol cooler Inlet: Methanol Outlet: To MeOH tank Energy: MeOH cooling 25 C, nyomása 100 kpa Waste water cooler Inlet: Water Outlet: WasteW Energy: WW cooling 25 C, nyomása 100 kpa 35

A kész modell 36

Esettanulmányok készítése Vizsgáljuk meg: A fejtermék összetételének és a visszaforraló fűtésigényének változását; A kondenzátorban a hűtés árának változását a refluxarány függvényében. Első lépés: hozzá kell adni a fejtermék összetételét és a visszaforraló fűtésigényét a kolonna specifikációihoz Fejtermék összetétele: Desztilláló oszlop/monitor fül/add specs/column component fraction Stage: Condenser; Mass basis; methanol Visszaforraló fűtésigénye: Monitor fül/add specs/column duty Energiaáram megadása 37

38

Esettanulmányok készítése Tools/Databook Legyen megnyitva az oszlop párbeszédablakának Monitor füle Databook/Variables fül változók áthúzása jobb egérgombbal a desztilláló oszlop párbeszédablakából 39

Esettanulmányok készítése Case Studies fül/add Változók kijelölése A refluxarány független változó, a többi függő View gomb szélsőértékek és lépésköz beállítása MENTÉS Start, majd Results gomb; az eredmények megtekinthetőek táblázatosan és grafikusan is 40

Esettanulmányok készítése Hűtés árának változása Spreadsheet (alulról a 3. sor) Szükséges paraméterek: kondenzátor hűtésigénye, a hűtőközeg ára (0,5 Ft/kJ; tizedespont!!!) Spreadsheet/Spreadsheet fül a cellákat adatokkal feltölteni P=p*Q_reb A kondenzátor energiaárama legyen megnyitva; a hűtésigény jobb egérgombbal áthúzható B1 cella Variable type Unitless 41

Tools/Databook Variables fül/insert gomb Esettanulmányok készítése A Spreadsheet azon cellájának kiválasztása, melybe ki lett számolva a P költség érték OK gomb 42

Esettanulmányok készítése Case Studies/Add Független változó: refluxarány, függő változó: kondenzátor hőigénye Az ismert módon készítsük el az esettanulmányt 43