Компьютерное моделирование статических и динамических режимов работы ректификационных установок

Компьютерное моделирование
статических и динамических режимов
работы ректификационных установок

практическое руководство для технологов и проектировщиков

О. В. Перерва, Т. Н. Гартман

2-e издание, электронное

Москва
Лаборатория знаний
2022

УДК [66.011+66.048.3+681.515.8+004.942]035.3
ББК 35.11
П27

Перерва О. В.
П27
Компьютерное моделирование статических и динамических режимов работы ректификационных установок: практическое
руководство
для
технологов
и
проектировщиков / О. В. Перерва, Т. Н. Гартман. — 2-е изд., электрон. —
М. : Лаборатория знаний, 2022. — 208 с. — Систем. требования:
Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст :
электронный.
ISBN 978-5-00101-964-0
На конкретных практических примерах продемонстрированы
принципы и последовательность создания компьютерной модели
технологического процесса ректификационного разделения многокомпонентной смеси средствами пакета моделирующих программ
ChemCAD.
Книга предназначена для изучения методов компьютерного моделирования процессов ректификации одновременно с моделированием систем автоматического управления ректификационными
установками и может быть рекомендована студентам, магистрам
и аспирантам, а также инженерам-химикам-технологам, занимающимся решением задач расчетно-технологического проектирования
и управления технологическими процессами. Изложенный подход
к моделированию применим как при создании новых, так и при
оптимизации существующих производств.
УДК [66.011+66.048.3+681.515.8+004.942]035.3
ББК 35.11

В
соответствии
со
ст. 1299
и
1301
ГК
РФ
при
устранении
ограничений,
установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты
компенсации

ISBN 978-5-00101-964-0
© Лаборатория знаний, 2018

 


Предисловие ........................................................................................................   5

Введение ...............................................................................................................   8

Глава 1. Моделирование и исследование стационарных
(статических) режимов работы ректификационной установки...............  12

Выбор давления ректификационной колонны ..........................................  16 
Определение высоты ректификационной колонны..................................  20 
Определение расположения тарелки питания...........................................  27 
Расчёт параметров ректификационной колонны с учётом 
массопередачи ..............................................................................................  31 
Определение параметров колонны с минимальным содержанием 
н-бутана.........................................................................................................  38 
Определение параметров колонны с максимальным 
содержанием н-бутана .................................................................................  41 
Определение параметров оборудования для работы   
при переменном составе и количестве питания........................................  41 
Сборка статической модели ........................................................................  53 

Глава 2. Моделирование нестационарных (динамических)
режимов работы ректификационной установки с системой
автоматического управления..........................................................................  59

Определение точек контроля и управления работой 
ректификационной колонны .......................................................................  59 
Создание динамической модели системы конденсации...........................  68 
Создание динамической модели флегмовой ёмкости...............................  73 
Сборка оборудования верха колонны в единую  
динамическую модель .................................................................................  87 
Азотное дыхание системы конденсации....................................................  94 
Динамическая модель кипятильника ректификационной 
колонны........................................................................................................ 104 
Сборка полной динамической модели ректификационной 
колонны........................................................................................................ 117 

Глава 3. Моделирование и исследование переходных режимов
работы ректификационной установки с тонкой настройкой
параметров модели и системы управления процессом............................. 136

Резкое изменение состава и количества питания (вариант 1)................. 137 
Изменение технологической схемы по результатам 
динамического моделирования (вариант 2).............................................. 140 
Изменение модели регулятора температурного профиля 
колонны (вариант 3).................................................................................... 154 

Заключение........................................................................................................ 163

Рекомендуемая литература ............................................................................ 166

Приложение А. Применение энергетического критерия
для определения технологических параметров
ректификационной колонны ......................................................................... 173

Приложение Б. Методы настройки классического
ПИД-регулятора с применением пакета ChemCAD................................. 181

Постановка задачи ...................................................................................... 181 
Метод ChemCAD User Guide CC-Dynamics ............................................. 187 
Метод ChemCAD улучшенный.................................................................. 189 
Метод Зиглера–Никольса (по переходной характеристике)................... 191 
Метод CHR (по переходной характеристике) .......................................... 192 
Метод AMIGO (по переходной характеристике)..................................... 193 
Метод Зиглера–Никольса (частотный метод) .......................................... 193 
Ручная подстройка...................................................................................... 195 
Сравнение рассмотренных вариантов....................................................... 196 
Каскадная схема регулирования................................................................ 198 
 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Начиная с середины XX века для выполнения расчётов химических аппаратов стали использоваться компьютеры. По мере развития компьютерной 
техники совершенствовались программы расчётов, стали создаваться специализированные библиотеки программ. Позднее появились пакеты прикладных 
программы, позволяющие моделировать не только отдельные аппараты, но и 
технологические системы. Образовалась возможность анализировать работу 
химико-технологической системы в целом, с учётом рециклических (обратных) 
потоков. Достаточно длительное время технологические расчёты ограничивались стационарными режимами. При этом результатом расчёта являлись параметры оборудования и технологических потоков, соответствующих заданным 
входным параметрам системы, таким как состав и количество входящих потоков, заданные температура и давление химического реактора. Однако в реальности ни один процесс химической технологии не протекает в стационарном 
(установившемся) режиме. Как по заданию технолога, так и по внешним причинам могут меняться входные параметры потоков и параметры работы оборудования. Возникающие при этом переходные процессы чаще всего не соответствуют стационарным состояниям системы при различных известных входных 
параметрах. Фактически, моделирование в статическом режиме позволяет получить лишь набор отдельных равновесных состояний системы, но ничего не 
сообщает технологу о ее динамических свойствах. Более того, многие технологические процессы являются неравновесными или работающими в условиях 
неустановившегося состояния, что в ряде случаев делает невозможным адекватное моделирование статического режима. Для изучения неравновесных систем и состояний требуется применение динамического моделирования. 
Суть динамического моделирования химико-технологической системы 
состоит в том, что результатом расчётов каждого объекта компьютерной модели для заданного момента времени является не установившееся, а текущее 
состояние каждого объекта на данный момент времени. При использовании 
достаточно малого шага во времени получается набор состояний компьютер

ной модели с известной точностью соответствующий состояниям реальной 
системы в каждый момент. 
Основное достоинство динамического моделирования состоит в том, что 
становится доступным изучение нестационарных режимов работы химикотехнологических систем. Это подразумевает и наличие переменных входных 
потоков (как по составу, так и по количеству), и возможность изменения параметров работы оборудования во времени (например, изменение температуры реактора по заданной программе), и возможность применения систем автоматического регулирования процессов. Последнее особенно важно, поскольку, как уже говорилось, большинство химико-технологических процессов не протекают в стационарном режиме и не обладают свойством самовыравнивания. Применение систем регулирования параметров для таких процессов абсолютно необходимо. Но любые системы регулирования по сути 
своей являются динамическими системами (например, система «датчик расхода – контроллер – клапан») и, следовательно, требуют применения динамических методов для своего моделирования. 
Недостатки у компьютерного динамического моделирования есть. Вопервых, при неправильно заданном шаге по времени ошибка расчёта может 
стать слишком большой, чтобы говорить об адекватности результатов расчёта 
реальной моделируемой системе. Причём, при уменьшении шага расчёта погрешность собственно расчёта уменьшается, но увеличивается неустранимая 
погрешность. В результате, как и при численном дифференцировании, при 
шаге по времени, стремящемся к нулю, общая погрешность расчёта может 
неограниченно возрастать. Во-вторых, использование динамического моделирования требует значительной вычислительной мощности компьютера. Особенно существенным данное требование становится при моделировании 
сложных систем, состоящих из десятков активных аппаратов, регуляторов и 
контроллеров. При использовании менее производительного процессора, чем 
Intel Core i7 (2.00 ГГц) или аналогичного по производительности моделирование в динамическом режиме будет осуществляться недостаточно быстро. 
В настоящий момент времени метод динамического моделирования является практически единственным способом изучения нестационарных режимов работы химико-технологических систем. В то же время, для динамического моделирования, в отличие от моделирования стационарных режимов, 
критически мало (по крайней мере – на русском языке) методических рекомендаций по его практическому применению. 
Предлагаемая книга, не касаясь теоретических задач химической технологии и систем автоматического управления, посвящена конкретным вопросам моделирования, изучения и исследования статических и динамических 
режимов ректификационных установок с помощью пакета моделирующих 
программ ChemCAD. Для читателей, желающих подробно ознакомиться с 
теоретическими и практическими аспектами процесса ректификации и методами управления химико-технологическим процессом, в списке литературы 

Предисловие 
7 

приводятся соответствующие источники, в том числе с публикациями авторов на эту тему. 
На примере расчёта ректификационной колонны последовательно рассмотрены следующие вопросы: 
– подготовка статической модели и определение параметров колонны; 
– анализ статической модели, определение контрольных параметров колонны и выбор способа управления работой колонны для обеспечения заданного технологического режима;  
– способы расчёта параметров ПИД-регуляторов (по терминологии 
ChemCAD – «ПИД-контроллеров»); 
– методология построения динамической модели ректификационной колонны; 
– демонстрация возможностей, открывающихся перед технологом при 
изучении компьютерных динамических моделей химико-технологической 
системы. 
В ходе описания процесса построения статической и динамической моделей ряд вопросов, достаточно подробно рассмотренных в справочных материалах к пакету моделирующих программ ChemCAD (User Guide, внутренняя 
справка программы, методические материалы ChemCAD), детально не рассматриваются. Основное внимание авторы уделяют не обучению приёмам работы в программе, а методологии создания компьютерной динамической модели, включающей в себя средства управления технологическим процессом. 
В связи с этим некоторые технические решения для рассматриваемой технологической схемы намеренно выбраны не оптимальные, что позволило авторам 
наглядно продемонстрировать значимость моделирования динамических режимов для выявления технологических ошибок, не определяемых при изучении статических состояний компьютерной модели технологического процесса. 
Также продемонстрированы некоторые типичные ошибки, возникающие 
при моделировании в ПМП ChemCAD, следствия этих ошибок и способы их 
исправления. 
В виде Приложений к данной книге дано описание особенностей применения энергетического критерия при определении высоты ректификационной 
колонны (Приложение А) и приведены методы настройки классического 
ПИД-регулятора применительно к ПМП ChemCAD (Приложение Б). 
 

 

ВВЕДЕНИЕ 

Средство моделирования ChemCAD представляет собой набор пакетов 
программ, каждый из которых включает несколько специализированных 
компонентов. Базовой программой является модуль CC-STEADY STATE. 
Данный модуль обеспечивает выполнение моделирования технологических 
схем и проведение оптимизации процессов в стационарном состоянии. 
Возможности базового модуля расширяет CC-SAFETY NET. Данный 
модуль обеспечивает проектирование и расчёт сетей трубопроводов и предохранительных клапанов. Модуль применяется при моделировании как стационарных, так и динамических систем. 
CC-FLASH обеспечивает расчёт физических свойств и фазовых равновесий. В случае, когда при моделировании химико-технологической системы 
используются вещества, необходимые экспериментальные данные для которых неизвестны, или известны, но отсутствуют в виде функциональных зависимостей в базе данных ChemCAD, применение данного модуля позволяет 
прогнозировать неизвестные значения и выполнить регрессию имеющихся 
теплофизических свойств. 
В базовой программе ChemCAD расчёт теплообменного оборудования 
производится по упрощённым моделям. Для точного расчёта необходимо использовать модуль CC-THERM. Данный программный продукт позволяет 
выполнить точный расчёт теплообменного оборудования с учетом его конструкционных особенностей. CC-THERM применим без каких-либо ограничений при расчёте стационарного состояния технологической схемы. При моделировании динамических режимов необходимо учитывать, что данный модуль не предусматривает моделирования динамических процессов, протекающих к теплообменниках. Состав выходящих из теплообменника потоков в 
динамическом режиме определяется по модели идеального смешения. Данное ограничение является несущественным при изучении большинства химико-технологических систем. Однако для ряда объектов с теплообменниками 
больших габаритов и продолжительным пребыванием в них продуктов возникающей ошибкой недопустимо пренебрегать. 

Введение 
9 

Собственно моделирование динамических режимов обеспечивает модуль 
CC-DYNAMICS. Модуль полностью интегрирован с программой ChemCAD 
и позволяет переключаться между моделированием в динамическом и статическом режимах. Использование модуля позволяет включать в технологическую схему оборудование с переменным объёмом жидкой фазы, с меняющимися составом и давлением, а также моделировать химические реакторы с 
протекающей реакцией, скорость которой динамически меняется при изменении условий её протекания. Кроме того, именно модуль CC-DYNAMICS 
обеспечивает моделирование системы управления технологическим процессом. 
Создание модели, допускающей работу в динамическом режиме, начинается в разработки модели стационарного режима. Фактически всё моделирование проходит в три основных этапа. 
1. Разрабатывается компьютерная модель стационарного режима. Изучается её работа и нагрузки на технологическое оборудование в различных условиях (при различных технологических параметрах и при различных параметрах входных потоков). Рассчитываются конструкционные параметры оборудования. При необходимости осуществляется детализация модели с выделением ключевых единиц оборудования в отдельные объекты моделирования. Например, модуль SCDS, обеспечивающий расчёт ректификационных 
колонн, является комплексным модулем, включающим, кроме собственно 
колонны, кипятильник, дефлегматор и флегмовую ёмкость. Если разрабатываемая схема не позволяет ограничиться встроенными упрощёнными моделями, то они выносятся за пределы модуля SCDS как отдельные объекты моделирования. Завершается данный этап созданием модели, функционирующей в стационарном режиме и позволяющей обеспечить получение продуктов заданного качества при различных параметрах входных потоков, определяемых условиями решаемой задачи. 
2. Для созданной модели, работающей в стационарном режиме, разрабатывается система управления процессом. Определяются контрольные точки. 
Определяются ключевые параметры, позволяющие обеспечивать работу оборудования в нормативном режиме. Готовятся контуры регулирования и фактически заново осуществляется сборка модели технологической схемы. При этом 
параметры оборудования и связи между ними, созданные на первом этапе 
моделирования, используются как базовые, но с необходимыми изменениями, обеспечивающими дальнейшее функционирование оборудования в динамических режимах. На этапе создания динамической модели изучается поведение отдельных частей схемы в различных нестационарных и переходных режимах, и по мере необходимости вносятся изменения в конструкционные параметры оборудования. Завершается данный этап созданием модели, функционирующей в динамическом режиме и позволяющей обеспечить выход оборудования на нормативный режим и получение продуктов заданного качества. 
3. Изучается поведение созданной на предыдущем этапе динамической 
модели в различных нестационарных условиях. Как минимум, рассматрива

ются ситуации, связанные с изменениями параметров входных потоков.  
В ходе изучения поведения модели вносятся необходимые изменения – как в 
схему управления, так и в конструкционные параметры оборудования. Данный этап завершается после того, как будет обеспечено получение продуктов 
заданного качества во всех условиях и переходных режимах, определённых 
условиями технического задания. Развитием третьего этапа моделирования 
является изучение работы созданной технологической схемы в режимах пуска и остановки, определение ограничений (например, определение максимальных и минимальных нагрузок, определение максимально допустимой 
скорости изменения ключевых параметров технологического оборудования 
или допустимой скорости изменения уставок), изучение работы оборудования 
в аварийных ситуациях и разработка системы блокировок и сигнализаций. 
Создание компьютерной модели процесса, допускающей работу в динамических режимах, является комплексной задачей, предусматривающей 
предварительную подготовку технологической схемы процесса, создание и 
исследование статической модели процесса, расчёт параметров основного 
технологического оборудования, подготовку базовой схемы управления химико-технологическим процессом, и только на завершающем этапе – создание компьютерной модели, позволяющей исследовать динамические режимы 
работы объекта моделирования как единого целого. 
Модель процесса, ограниченная только стационарными условиями работы оборудования, чаще всего бывает достаточно упрощённой, тем не менее 
её создание является необходимым этапом моделирования динамических и 
переходных процессов. Статическая модель позволяет: 
– изучить условия работы технологического оборудования в различных 
технологических режимах, определить материальные и тепловые нагрузки в 
этих режимах; 
– учесть рециркулирующие потоки и оценить их влияние на работу технологического оборудования; 
– получить необходимые данные для определения параметров технологического оборудования; 
– определить точки контроля технологических параметров, исследовать 
чувствительность технологических параметров к изменению условий работы 
оборудования и разработать базовую систему управления технологическим 
процессом. 
Компьютерное моделирование динамических режимов возможно только 
после построения статической модели химико-технологического процесса и 
её всестороннего изучения. При этом моделирование динамических режимов 
позволяет решить широкий круг задач, недоступных для решения любым 
другим методом. Основными из них являются: 
– создание системы автоматического управления технологическими процессами; 
– исследование работы системы в нестационарных режимах (переменные 
количество и состав входных потоков, переходные процессы при изменении 
уставок контрольных приборов);