Методы расчета термодинамических свойств

Моделирующие программы включают различные методы расчета термодинамических свойств таких как коэффициенты фазового равновесия, энтальпии, энтропии, плотности, вязкости, теплоемкости, теплопроводности, растворимости газов и твердых веществ в жидкостях и фугитивности паров. В число этих методов входят:

обобщенные корреляции, такие как метод расчета коэффициентов фазового равновесия Чао-Сидера и метод расчета плотности жидкости API,

уравнения состояния для расчета коэффициента фазового равновесия, энтальпий, энтропий и плотностей, такие как методы Peng-Robinson, Soave-Redlich-Kwong, Grayson-Streed, Maxwell-Bonnell, Regular Solution, Benedict-Webb-Rubin-Sterling и их модификации;

методы расчета коэффициентов активности жидкости, такие как метод NRTL (Non-Random Two-Liquid - Неслучайное двужидкостное), UNIFAC, UNIQUAC, Wilson, PSRK, GMAC, van Laar, Margules и их модификации;

методы расчета фугитивности паров, такие как метод Хайдена-О’Коннела для димеризующихся веществ,

специальные методы расчета свойств специфических систем компонентов, таких как спирты, амины, гликоли и системы кислой воды.

Большинство из этих методов подробно описаны в монографии [251]. Наиболее часто для моделирования процессов обработки природного газа и нефти используются уравнения состояния Пенга-Робинсона [253] и Соава-Редлиха-Квонга [254] и их модификации. Вопросы применения этих уравнений состояния при моделировании термодинамических свойств газоконденсатных флюидов подробно описаны в монографии [252]. Эти методы позволяют решить большую часть технологических проблем, возникающих при моделировании задач газопереработки.

Для облегчения выбора подходящей модели расчета термодинамических свойств в моделирующие программы ASPEN PLUS и HYSYS, WINSIM, CHEMCAD, PRO II, PROSIM включены экспертные системы, которые на основе имеющейся у пользователя информации о моделируемом процессе предлагают подходящую модель расчета термодинамических свойств веществ.

В моделирующие программы ASPEN PLUS и HYSYS встроен пакет Aspen Properties расчета фазового равновесия и свойств многофазных сред, включающий обширную базу данных свойств веществ и параметров бинарного взаимодействия. Пакет COMTHERMO имеет дополнительные средства расчета термодинамических свойств веществ, включает банк термодинамических данных из NIST THERMODYNAMICS RESEARCH CENTER (данные по парожидкостному равновесию бинарных смесей – более 14000 наборов, теплоты смешения бинарных и тренарных смесей – более 2500 данных, равновесие для бинарных смесей несмешивающихся жидкостей – более 8000 данных).

УМП CHEMCAD включает 37 моделей расчета констант парожидкостного равновесия, 15 моделей расчета энтальпии, модели транспортных свойств. В программу включены специальные методы для расчета свойств аминов, гликолевой дегидратации, кислых растворов, полимеров, методы Флори-Хаггинса, PPAQ.

Программа моделирования PRO/II предлагает 50 моделей расчета термодинамических свойств, модели расчета энтальпии, транспортных свойств веществ.

В УМП WINSIM включено 14 моделей расчета парожидкостного равновесия по имеющимся параметрам бинарного взаимодействия. Более 20 моделей расчета энтальпии, 8 моделей расчета вязкости, 16 моделей расчета плотности, модели расчета коэффициентов теплопроводности, поверхностного натяжения, расчета свойств аминов.

Моделирующая программа GIBBS располагает методами расчета термодинамического состояния, включая равновесие фаз, при заданных постоянных значениях температуры и давления, доли жидкости и давления, энтальпии и давления, энтропии и давления, температуры и энтальпии, температуры и энтропии. Для получения основных теплофизических характеристик углеводородных смесей используются кубические уравнения состояния: Пенга-Робинсона; Редлиха-Квонга в модификации Соава и Грабоски-Дауберта; Пенга-Робинсона в модификации Стрижека-Веры. Кроме того, используется специальное уравнение COSTALD для расчета плотностей насыщенных и сжатых жидкостей, разработанное Ханкинсоном и Томсоном, с одной стороны, и специальный метод расчета свойств углеводородных фракций, разработанный А.И. Брусиловским, позволяющий повысить точность расчета плотности жидкой углеводородной фазы. Для водонефтяных эмульсий (если жидкая фаза представляет собой поток несмешивающихся водной и углеводородной фазы) вязкость и плотность смеси рассчитывается по специальным правилам смешения.

В УМП PROSIM включены наиболее известные модели расчета термодинамических характеристик, порядка 20.

Набор моделей для расчета отдельных элементов технологических схем

От состава средств моделирования отдельных процессов значительно зависят функциональные возможности всей моделирующей системы. Как правило, все моделирующие системы включают средства для моделирования следующего набора процессов:

сепарация газа и жидкости (2-х несмешивающихся жидкостей);

однократное испарение и конденсация;

дросселирование;

адиабатическое сжатие и расширение в компрессорах и детандерах;

теплообмен двух потоков;

теплообмен в многопоточных теплообменниках;

нагрев или охлаждение потока;

разделение в ректификационных колоннах (с возможностью подачи и отбора боковых материальных и тепловых потоков, абсорберы, стрипперы, включая боковые);

разделение в экстракторах жидкость-жидкость;

химическое превращение в реакторах (в том числе стехиометрический, кинетический, с минимизацией энергии Гиббса, равновесный, полного вытеснения и смешения);

с твердой фазой (кристаллизаторы, центрифуги, фильтры, сушилки, дробилки, грохоты и т.д.);

ветвление и смешение потоков;

динамические режимы (регулирующий клапан, ПИД-регулятор, блок временной задержки, временной переключатель, периодический реактор, периодическая ректификация и др.).

Кроме перечисленных, УМП содержат специальные модули, которые при необходимости могут быть включены в расчетную технологическую схему (калькулятор, регистратор потока, ссылка на поток, контроллер).

Модуль PRO/II POLYMERS, позволяет моделировать промышленные процессы с участием полимеров. Он дает возможность описать любой компонент полимера как набор фракций с некоторым средним молекулярным весом, что позволяет провести точное моделирование смешения и разделения полимеров. В программу PRO/II включены как технологические аппараты модули реакторов фирмы KBC (REFSIM, HTRSIM, FCCSIM). Для строгого моделирования процессов очистки кислых газов аминовыми растворами в PRO/II полностью интегрирован пакет AMSIM фирмы DB ROBINSON, доступ в графический интерфейс которого осуществляется непосредственно из среды моделирования PRO/II. Материальные и энергетические балансы из PRO/II могут быть переданы в модуль COLUMN пакета программ SUPERTARGET для анализа энергетической эффективности процесса разделения.

Средства для формирования технологических схем из отдельных элементов

В настоящее время УМП – это системы с визуальным интерфейсом, которые позволяют формировать схемы непосредственно на экране компьютера, выбирая пиктограммы математических моделей аппаратов из списка существующих и соединяя их потоками в порядке, соответствующем технологической схеме. Имеются средства создания собственных пиктограмм и включения их в стандартную библиотеку.

Моделирующая программа WINSIM, предлагая для формирования информации о процессе графический интерфейс, на этапе формирования задач расчета, анализа чувствительности, оптимизации требует описания задачи на встроенном языке команд, либо языках программирования C, FORTRAN.