Стратегия выбора термодинамического пакета для точной симуляции процессов

Вы когда-нибудь открывали Aspen Plus, Aspen HYSYS или DWSim и, дойдя до раздела выбора пакета свойств, задавались вопросом: что выбрать — Пенга-Робинсона, NRTL, UNIQUAC или электролитный NRTL? Если вы когда-либо выбирали пакет свойств только потому, что его использовал ваш преподаватель, научный руководитель или какая-то статья, вы не одиноки. Но многие не осознают важный факт: выбор неправильного пакета свойств может сделать всю симуляцию бессмысленной, даже если Aspen Plus сообщает о сходимости. В этом видео я покажу простую схему, которая поможет выбрать правильный пакет свойств почти для любой инженерно-химической задачи. Оставайтесь до конца, ведь я также поделюсь тремя ошибками, которые совершает почти каждый новичок в Aspen Plus. И одна из них удивительно часто встречается даже в опубликованных исследованиях.

Итак, начнём с выбора правильного метода. Исходная точка — какие компоненты участвуют в вашей системе? Мы должны выбрать модель, которая наилучшим образом описывает реальное термодинамическое поведение, включая фазовое равновесие, энтальпию и плотность. Здесь задействовано пять основных классификаций.

Первая классификация: если в системе присутствуют только вода и пар, и нет других соединений, используйте STEAM-NBS или новейший метод IAPWS-95. Эти модели применяются для котлов, турбин и циклов Ренкина.

Вторая классификация — электролиты. Если присутствуют электролиты, включая кислоты, основания, соли и ионные частицы, выбирайте пакет свойств ELEC-NRTL. К таким системам относятся HCl, NaOH, H2SO4, абсорбция CO2 с МЭА и другие.

Третья классификация: система в основном состоит из углеводородов, а компоненты неполярны. В этом случае, независимо от давления, подходят кубические уравнения состояния — Пенга-Робинсона (рекомендуется), Соаве-Редлиха-Квонга (SRK) или их модификация PRSV. При высоком давлении (например, 20–30 бар) они особенно эффективны.

Четвёртая классификация: жидкие смеси со значительной полярностью или сильной неидеальностью. Если ответ «да», проверьте наличие сильной водородной связи. Если она есть, используйте NRTL; если нет — UNIQUAC или Wilson. Примеры для NRTL: вода-этанол, ацетон-вода, уксусная кислота-вода, азеотропы. Для UNIQUAC или Wilson — органические соединения, эфиры, кетоны, ароматические углеводороды.

Пятая классификация: полимерные системы или системы с высокой молекулярной массой. В этом случае используйте полимерные модели, такие как PC-SAFT или полимерный NRTL.

Это основные пять классификаций, хотя возможны и другие сценарии или их пересечения. Не существует одного универсального или наилучшего метода для всех систем. Вы должны сопоставить модель с химией системы, давлением, температурой и фазовым поведением. И это очень важный момент: всегда проверяйте свои данные или подтверждайте симуляцию данными с реальных установок. Если результаты подтверждены, значит, вы движетесь в правильном направлении.

Теперь перейдём к рекомендуемым методам для конкретных систем. Для природного газа, СУГ, нефтепереработки и общих углеводородов рекомендуется Пенга-Робинсона. Для процессов переработки газа под высоким давлением, криогеники, систем с CO2, H2, N2 — также Пенга-Робинсона. Для газовых заводов, кислых газов, H2S, CO2 — Пенга-Робинсона. Для полярных, сильно неидеальных жидких смесей — NRTL. Для жидкостной экстракции и органических смесей — UNIQUAC или Wilson. Для электролитических систем — электролитный NRTL. Для системы пар-вода — паровые таблицы NBS или IAPWS-95. Для разделения воздуха, включая криогенное, — Пенга-Робинсона или SRK. Для холодильных установок — Пенга-Робинсона. Для аминовой очистки газа — пакет Acid Gas, для обезвоживания гликолем — пакет Glycol, для полимерных процессов — PC-SAFT или полимерный NRTL, а для обычных идеальных разбавленных растворов — идеальный пакет свойств.

Итак, методы расчёта свойств в Aspen Plus делятся на пять основных типов. Первый — уравнения состояния, включающие Пенга-Робинсона, Соаве-Редлиха-Квонга, PRSV, PRBM и другие. Это кубические уравнения состояния, которые хорошо подходят для парожидкостного равновесия (VLE). Их используют для углеводородных систем, высокого давления, газовых заводов и криогенных систем. Второй тип — модели коэффициентов активности: NRTL, UNIQUAC, Wilson, UNIFAC, а также ASOG. Они применяются для моделирования сильно неидеальных жидких смесей, обычно в сочетании с паровой фазой. Когда система содержит сильно неидеальные жидкости, азеотропы, экстракцию, полимерный NRTL или задачи жидкостно-жидкостного равновесия (LLE), — это случай для данных моделей. Примеры: вода-этанол, ацетон-вода, уксусная кислота-вода, экстракция растворителем. Третий тип — электролитические модели, такие как электролитный NRTL и Pitzer. Они предназначены для ионного равновесия и активности. Их используют для кислотно-основных систем, солей и воды, электролитических растворов, CO2-МЭА. Примеры включают HCl, NaOH, H2SO4, очистку МЭА, щелочные системы. Четвёртый тип — специальные модели, например Steam и NBS. Это точные термодинамические свойства только для воды и пара. Они применяются при работе с котлами, турбинами, энергетическими циклами, циклами Ренкина. Пятый тип — полимерные модели: PC-SAFT и полимерный NRTL, разработанные для полимерных растворов и систем с высокой молекулярной массой. Переработка полимеров, полимерные растворы, экструзия — вот примеры использования; сюда входят полиэтилен, полипропилен, ПВХ, ПС. И наконец, шестой тип — идеальные модели, использующие закон Рауля для идеального газа. Они полезны для простых разбавленных систем, предварительных исследований при низком давлении, включая воздух, азот, кислород, гелий и т. д.

Теперь обсудим твёрдые системы, так как мы работаем не только с жидкими или газообразными средами. По сути, это не пакеты свойств, а модели для нестандартных твёрдых веществ. Они включают две основные модели: HCOALGEN и DCOALIGT. HCOALGEN прогнозирует энтальпию, теплоёмкость, теплоту реакции и используется для угля, биомассы, ТКО (твёрдых бытовых отходов), продуктов карбонизации и кокса. DCOALIGT определяет или прогнозирует плотность и также применяется для продуктов карбонизации, угля, биомассы, ТКО и кокса. Эти модели используются для задач газификации, пиролиза и горения и обычно комбинируются с уравнением состояния, включающим PRBM для газовой фазы.

Теперь о распространённых ошибках, которых следует избегать при изучении или решении задач. Во-первых, не используйте модель идеального газа для сильно неидеальных или полярных систем, когда лучше подходит уравнение состояния с NRTL, или наоборот. Во-вторых, не игнорируйте электролиты и не используйте NRTL вместо электролитного NRTL. В-третьих, если в системе присутствуют твёрдые частицы, нельзя забывать добавлять модели NC для твёрдой биомассы или угля. NC означает неконвенциональные компоненты. В-четвёртых, всегда проверяйте ограничения модели: диапазон температур, давления, компонентов, а также валидируйте результаты по заводским данным или измерениям. Всегда думайте о химии, условиях и требуемой точности.

Давайте рассмотрим мнемонические приёмы, чтобы запомнить, когда использовать какую модель. PR — для давления, Пенг-Робинсон для давления. Для систем с высоким давлением углеводородов и газов — NRTL для неидеальных. P — для давления, N — для неидеальных, поэтому NRTL подходит для сильно неидеальных жидких смесей. Elec — для электролитов, Elec и RTL для ионных систем. S — для паровых систем, включая Steam и BS IAPWS. H coal — для тепла, поэтому HCOALGEN, и D coal — для плотности DCOALIGT. Надеюсь, с помощью этих вводных слов вы сможете понять, какие факторы являются доминирующими: давление, неидеальность, электролиты, пар, тепло или данные по плотности в системе.

А теперь примеры применения пакетов свойств. Для заводов СПГ используется Пенг-Робинсон; для дистилляции этанол-вода — NRTL; для аминовой очистки газа — электролитный NRTL; для разделения воздуха — Пенг-Робинсон; для газификации ТКО — PR, HCOALGEN и DCOALIGT; для полимеров — полимерный NRTL или PC-SAFT; для котельных электростанций — Steam NBS или IAPWS-95.

Подводя итог: поймите свою систему, выберите правильную модель, проверьте результат и только затем доверяйте своей симуляции. Если вы будете следовать каждому пункту по порядку, то сможете создать надёжную симуляцию. Это изменение в подходе сделает вас гораздо более квалифицированным инженером-симулятором. Если эта нарисованная от руки карта помогла вам лучше понять Aspen Plus, не забудьте поставить лайк и поделиться видео с одногруппниками — они, скорее всего, тоже гадают, какой пакет свойств выбрать. Подписывайтесь на канал Chemical Engineering and Aspen, где мы упрощаем химическую инженерию и моделирование в Aspen, от основ для новичков до сложных производственных кейсов. В следующем видео мы обсудим, как проверить, действительно ли выбранный вами пакет свойств подходит для вашей модели, а не просто предполагать, что он верный. А пока — прощаемся. Следите за обновлениями, впереди много интересного на нашем канале.

Источник

Источник

Теги

• #Термодинамика
• #AspenHYSYS
• #AspenPlus
• #Tutorial
• #DWSIM

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=cGfH2Y_jc_U

#Термодинамика #AspenHYSYS #AspenPlus #Tutorial #DWSIM