Использование веществ, отсутствующих в базе данных Design-II. Приблизительная оценка свойств веществ по их структуре.

База данных DESIGN-II по веществам включает 879 чистых веществ. Однако если необходимо проводить расчеты с веществами, отсутствующими в базе данных, то существует возможность создания базы данных пользователя. Эта база данных пользователя может содержать до 50 веществ (ID 200-250), которые при использовании в расчетах могут существовать в газовой и жидкой фазах и 10 твердых компонентов (ID 300-310).

Для создания базы данных пользователя необходимо для каждого вещества найти в справочной литературе следующие данные:

– молекулярный вес, температура кипения при Р=1 атм, критическая температура, критическое давление, критический объем, критический параметр сжимаемости, дипольный момент, параметр ассоциации и т.д.;

– температурные зависимости давления насыщенного пара, теплоты парообразования, изобарной теплоемкости, теплопроводности газа и жидкости, вязкости газа и жидкости, поверхностное натяжение.

Далее, с помощью утилиты ChemTran из этих параметров необходимо будет сформировать файл базы данных и подключить его к основной базе данных.

Однако найти все указанные параметры в справочной литературе может потребовать очень большого количества времени. Поэтому в DESIGN-II предусмотрена возможность предварительной оценки всех необходимых для расчетов параметров по структуре вещества. В дальнейшем, данные рассчитанные по структуре могут быть в любой момент заменены справочными данными.

В настоящее время программа может оценить свойства по структуре для веществ, имеющих до 9 групп атомов, соединенных одинарными ("-"), двойными ("=") или тройными ("@")связями.

Например, структура фреона R-123 (С2НCl2F3): может быть промаркирована по атомам:

 

 

Следует обратить внимание на то, что атом водорода не маркируется, т.к. программа сама считает количество атомов водорода по валентности. Таким образом, указанную структуру можно описать по правилам ChemTran следующим образом: C1-F2, C1-F3, C1-F4, C1-C5, C5-CL6, C5-CL7

Ниже приведен пример программы в командах ChemTran, позволяющей рассчитать свойства фреона R-123 по его структуре и вывести их в файл.

AB123 * R-123 PROPERTIES CALC AND VIEW   COMP = 200 NAM 200 = R123 STRU 200 = C1-F2, C1-F3, C1-F4, C1-C5, C5-CL6, C5-CL7   SI UNI OUT   TEM UNI OUT = C     TAB P-T(C) 200 = -50, 500, 50 TAB L-T(C) 200 = -50, 500, 50 TAB CP-T(C) 200 = -50, 500, 50 TAB VIS-T(C, LIQ) 200 = -50, 500, 50 TAB VIS-T(C, VAP) 200 = -50, 500, 50 TAB THE CONT-T(C, LIQ) 200 = -50, 500, 50 TAB THE CONT-T(C, VAP) 200 = -50, 500, 50 TAB V-T(C) 200 = -50, 500, 50 TAB SUR TEN-T(C) 200 = -50, 500, 50   PRINT PROPERTIES END

Обязательный текст для начала задачи Обязательный комментарий после "* "   № компонента базы данных пользователя Название компонента ID 200: "R123" Команда указания структуры компонента     Переключение результатов расчета в систему СИ Переключение температуры при выводе в °С             Вывод в виде таблиц Давление насыщенного пара Теплота испарения Теплоемкость идеального газа Вязкость жидкости Вязкость газа Теплопроводность жидкости   Теплопроводность пара   Удельный объем Поверхностное натяжение   Команда вывода указанных свойств в файл Конец текста программы

Этот пример только выводит результаты расчета в файл, но не формирует файл базы данных пользователя. Рассмотрим пример формирования файла базы данных пользователя и подключения его к базе данных оболочки.

Например, на ректификацию при производстве фреона R-122 подается смесь, содержащая: C₂Cl₄, HF, HCl и фреоны R-121, R-122, R-123. Из указанных компонентов в базу данных DESIGN-II включены: C₂Cl₄ (ID3058), HF (ID1113), HCl (ID1017), R-123 (ID1205), но R-121 и R-122 отсутствуют.

Ниже приведен пример программы в командах ChemTran, позволяющей рассчитать свойства фреонов R-121 и R-122 по их структуре, частично заполнить свойства этих компонентов справочными данными, вывести результат расчета в файл базы данных пользователя.

AB123 * R-121 AND R-122 ADDITION   COMP = 200, 201 NAM 200 = R121 NAM 201 = R122   STRU 200 = C1-CL2, C1-CL3, C1-C4, C4-CL5, C4-CL6, C4-F7 STRU 201 = C1-CL2, C1-CL3, C1-C4, C4-CL5, C4-F6, C4-F7   TB(K) 200=389.75 TB(K) 201=345.0 TC(K) 201=519.15 PC(ATM) 201=36.52 VC(CM3/GMOL) 201=310.46   FILE NEW=ADD2,FRES,DATA   PRINT PROPERTIES END

Обязательный текст для начала задачи Обязательный комментарий после "* "   №№ новых компонентов Название компонента ID 200: "R121" Название компонента ID 201: "R122"   Команда указания структуры компонента ID200 Команда указания структуры компонента ID201   T кипения компонента 200 из справочника T кипения компонента 201 из справочника Критическая температура из справочника Критическое давление из справочника Критический объем из справочника   Указание имени файла базы данных пользователя: ADD2FRES.DAT Активизация указанных выше режимов Конец программы

После выполнения этой программы на диске будет сформирован файл базы данных пользователя ADD2FRES.DAT. Для подключения этого файла к базе данных DESIGN-II необходимо:

– выбрать из базы данных компоненты: C₂Cl₄ (ID3058), HF (ID1113), HCl (ID1017), R-123 (ID1205), Chem-200 (ID200), Chem-201 (ID201);

– указать имя файла базы данных пользователя путем выбора Advanced Thermo… в пункте Specify основного меню и ввода имени базы данных:

После запуска программы свойства компонентов Chem-200 и Chem-201 будут заполнены из файла ADD2FRES.DAT.

 

Создание ХТС с технологическими операторами, не связанными с химическими превращениями и паро-жидкостным равновесием (смеситель, делитель, насос, компрессор, турбина, задвижка, трубопровод)

 

Для того чтобы составленная ХТС могла быть рассчитана программой необходимо заполнить спецификации на все входящие потоки, и необходимую спецификацию на все имеющееся оборудование (спецификация в аппарате открывающаяся кнопкой Basic ).

 

Смеситель (Mixer и Mixer 2):

Предназначен для смешения потоков. Имеет обозначение:

 

 

Если потоки имеют различное давление, то после смешения поток с большим давлением адиабатически расширяется до нижнего давления. Количество входящих потоков не ограничено. Для данного аппарата можно задавать только имя и номер по схеме. Mixer это единственный аппарат в программе Design-II для которого не требуется заполнять спецификацию.

 

 

Делитель (Divider и Divider Multiple):

Делитель может делить один поток на два потока (Divider) и от2 до 6 потоков (Divider Multiple).

 

Divider                      Divider Multiple

При использовании делителя на 2 потока необходимо задать либо расход: «Flow Rate» выходящего потока либо его долю «Flow Fraction»
от 0 до 1.

 

При делении потока на от 2 до 6 потоков необходимо использовать "Divider Multiple" с заданием либо расходов: «Flow Rate» всех выходящих потоков либо их доли «Flow Fraction» от 0 до 1.

 

 

Насос (Pump):

Насос предназначен для моделирования перекачки потоков.

 

Количество входных потоков может быть более 1, но выходной один. В этом случае автоматически реализуется функция смесителя. После смешения, количество паровой фазы на входе и выходе не может быть более 0,9.

Обычно необходимо задать давление на выходе. Однако, можно задать на выходе точку кипения или конденсации, но в таком случае необходимо ввести температуру потока, а давление будет рассчитано автоматически.

Volumetric – для поршневых и плунжерных помп, Isentropic – для центробежных.

Двигатель насоса (Driver): Электрический, Топливный газ или Паровой (газовая или паровая турбина). Для первого и второго задается только мощность двигателя, а для парового – мощность и энтальпия пара на входе и выходе. Если мощности не хватает, то давление на выходе считается исходя из располагаемой мощности.

 

 

Компрессор (Compressor):

 

 

Компрессор сжимает газовую фазу до указанного давления, однако, в соответствии с указанной мощностью двигателя. Законы сжатия: Адиабатический и Политропический (коэф. политропы либо считается программой, либо задается).

Обычно необходимо задать давление на выходе. Однако, можно задать на выходе точку кипения или конденсации, но в таком случае необходимо ввести температуру потока, а давление будет рассчитано автоматически.

На входе, количество паровой фазы должно быть более, чем 0,9. Количество потоков – не ограничено. Количество выходных потоков: 1 или 2. Если выходных потока 2, то один из потоков – газ, а второй – жидкость.

Двигатель компрессора (Driver): Электрический, Топливный газ или Паровой (газовая или паровая турбина). Для первого и второго задается только мощность двигателя, а для парового – мощность и энтальпия пара на входе и выходе. Если мощности не хватает, то давление на выходе считается исходя из располагаемой мощности.

Можно использовать многостадийный компрессор (кол-во стадий не более 10)

В этом случае необходимо задать давления или соотношения давлений на каждой ступени и температуру на входе после межступенчатого охлаждения.

 

 

Турбина (Expander):

 

Используется для получения количества работы, которое может быть совершено газовым, жидким или двухфазным потоком при сбросе давления в адиабатном процессе. Эта работа может использоваться в компрессоре для привода через контроллер (Controller).

 

 

Клапан или вентиль (Valve):

Предназначен для расчета адиабатического сброса давления потока либо до Р конечного (Pressure Out), либо на некоторый перепад давления (Pressure Drop). Существуют 4 вида.

 

Поток может быть однофазным или двухфазным. Количество входящих потоков не ограничено. Если потоки имеют различное давление, то поток с большим давлением адиабатически расширится до нижнего давления (функция смесителя), и только затем происходит сброс давления в модуле.

Выходных потоков может быть от 1 (для всех типов) до 3 (для Valve-1 – Valve-3 типов).

Если выходных потоков 2, то один поток – ГАЗ, а другой – ЖИДКОСТЬ.

Если выходных потоков 3, то один поток – ГАЗ, другой – ВОДА, третий – УГЛЕВОДОРОДЫ

(в этом случае необходимо задавать термодинамическую функцию, которая может считать термодинамическое равновесие в Г-Ж-Ж системе)

Используя процедуры из Keyword Input возможно произвести детальный расчет размеров сосуда (горизонтального или вертикального) для типов Valve-1 – Valve-3.

 

 

Трубопровод (Line):

 

Этот модуль вычисляет перепад давления на линиях трубопроводов или системы трубопроводов. Модуль может иметь один или большее количество входных потоков и один выходной поток. Он может быть соединен с другими модулями оборудования для моделирования полной линии трубопровода. Поток, входящий в модуль может быть газовый, жидкий или двухфазный (учитывается даже возможность образования жидких пробок при течении двухфазного потока). Вычисления могут быть изотермические, адиабатические, или основаны на теплопередаче к окружающей среде, несколько методов вычисления которой могут быть выбраны пользователем. Один модуль может рассчитать сложную линию с подъемами, спусками и горизонтальными участками различной длины. Возможна передача параметров через модуль регулятора в компрессор или насос для компенсации перепада давления.

Basic: Можно выбрать стандартный (американский) трубопровод заданного диаметра (в дюймах «inch») и с конкретным типом стенки: STD – стандартная, XS – усиленная (Extra Strong), XXS – дважды усиленная (Double Extra Strong).

 

Однако можно выбрать внутренний диаметр и толщину стенки трубы самостоятельно:

 

Layout: В этой секции необходимо указать ориентацию трубопровода и его длину:

Линия трубопровода может быть: – «Horizontal» горизонтальная, – «Vertical Upwards» вертикальная с восходящим потоком, – «Vertical Downwards» вертикальная с нисходящим потоком. Длина трубопровода должна исключать длину стыков и присоединений.

 

При выборе режима " Elevation Profile " (В окне Basic):

 

 

Возможен выбор трех режимов: – «No Elevation Change»нет повышений или понижений трубопровода; – «Elevation (absolute)»абсолютное значения подъема или спуска некоторого участка трубопровода от начала (начало – "0"), т.е. глубина его залегания; – «Elevation Change»относительное значение подъема или спуска трубопровода на участках (начало каждого участка – "0"). В третьем случае (относительный подъем) " + " – подъем,
" – " – спуск.

 

 

Кроме профиля подъема или спуска возможно задать режим как изотермического (по умолчанию), так и для неизотермического потока «Heat Transfer» (В окне Basic).

 

 

Можно также определить коэффициент теплопередачи по длине трубы " Specified U " или задать необходимые параметры для расчета коэффициента теплопередачи по длине трубы "Calculated U".

 

Рассмотрим вариант задания коэффициента теплопередачи:
" Specified U "

 

 

 

 

В этом случае необходимо задать температуру окружающей среды по длине магистрали с помощью кнопки «Temperature of Surroundings …», т.е. температура может быть различной по длине трубы, а также коэффициент теплопередачи по длине трубы с помощью кнопки «Heat Transfer Coefficient» в соответствующих единицах.

 

 

При выборе варианта расчета коэффициента теплопередачи: " Calculated U " необходимо задать температуру окружающей среды с помощью кнопки «Temperature of Surroundings …», а также, параметры трубы, теплоизоляции и параметров окружающей среды с помощью кнопки «Pipe, insulation and Surroundings …».

 

 

 

 

Температура окружающей среды задается по длине магистрали. Как в предыдущем случае с помощью кнопки «Temperature of Surroundings …».

При открытии окна задания параметров трубы и теплоизоляции «Pipe, insulation and Surroundings …», необходимо выбрать то, что является окружающей средой: воздух, вода или почва. После выбора воздуха или воды необходимо задать теплопроводность окружающей среды с помощью кнопки «Conductivity of Surroundings …» и скорость ее движения по длине трубы с помощью кнопки «Velocity of Surroundings …». При выборе почвы – необходимо задать теплопроводность окружающей среды и глубину залегания трубы в земле с помощью кнопки «Pipe Depth …».

 

 

Теплопроводность воздуха или воды задается кнопкой «Conductivity of Surroundings …» в следующем окне:

 

 

 

 

Скорость воздуха или воды задается кнопкой «Velocity of Surroundings …» в следующем окне:

 

Если окружающая среда является землей то ее характеристики задаются кнопкой «Pipe Depth …» в следующем окне:

 

В разделе материала трубы «Material of Construction», необходимо выбрать конструкционный материал трубы в строке «Pipe Material» с помощью полосы прокрутки, а также количество слоев теплоизоляции, ее толщину по длине трубы и теплопроводность слоя изоляции с помощью кнопки «Pipe Insulation …». В следующих окнах: