2015.11.05.
Áttekintés
UniSim Design
A feladat célja (miért modellezünk?) - egy példa A metanol szintézis bemutatása A folyamat dinamikus modellezése – instruktor segítségével Üzemindítás, üzem leállítása Segédletek:
Metanol M t l szintézis i té i di dinamikus ik modellezése
Példa-fájlok:
Bevezetés az UNISIM folyamatszimulátor használatába (BMEVEKFA004) – 2015. Dr. Benkő Tamás, Honeywell Kft,
[email protected]
http://mono.eik.bme.hu/~meszena/FIR/MeOH/ MeOH_PFD-Reactor.pdf _ p UniSim_Design_MeOH_Dynamic_tutorial.pdf MeOH.xls MeOH_Phase-1.usc MeOH_6.usc USD R410, Build 17061
- csak reaktor + recirk. - teljes modell kolonnával
Doku (C:\Program Files\Honeywell\Documentation\):
Dynamic Modeling.pdf Operations Guide.pdf
Dr Meszéna Zsolt, Honeywell Kft,
[email protected] Dr Moldoványi Nóra, Honeywell Kft,
[email protected]
Modellépítés célja – egy példa
Dinamikus üzemmodell OTS-hez
Dinamikus üzemmodell OTS-hez OTS: Operator Training Simulator (üzemszimulátor) Üzemszimulátor:
szabályozórendszer: mint az üzemben folyamat: modell az üzem helyett
Kezdő operátort meg kell tudjuk téveszteni. Modell jósága:
Legfontosabb változók: 2-5% pontossággal Többi 5-10% pontossággal
Operátori kezelőfelület MeOH OTS-hez
Kezelőfelület – felugró ablakok
1
2015.11.05.
Kezelőfelület - MeOH desztilláció
MeOH üzemmodell Egyszerűsített reakciórendszer Egyszerűsített szabályozókörök Dinamikus Unisim Design modell
Metanolszintézis folyamatábra
Metanol gyártás
Egyszerűsített szintézis –modell:
CO2 3H 2 CH 3OH H 2O a r1 k1cCO cb 2 H2
c r2 k 2 cCH cd 3OH H 2O
E ki Ai exp i RT
Units, Thermodynamics – Basis Envir
SI mértékegységrendszer Komponensek: N2, H2, CO2, H2O, MeOH Modell (Fluid Package): SRK Reakció:
Típusa: „kinetic kinetic” Reakció-kinetikai adatok bevitele Fázis: „Vapor” vagy „Overall” Base Component: CO2
a= 1, b= 3, c= 1, d= 1 A1= 1.04e22, E1= 1.7e5 kJ/kmol A2= 2.6e28, E2= 2.2e5 kJ/kmol
Simulation Envir. - első lépések
„Dynamics Mode”
„Dynamic P/F Specs” paletta: áram-spec, áram színe mennyiség sárga nyomás zöld mindkettő piros
2
2015.11.05.
Feed
Stream nevek: Feed_H2, Feed_CO2 Temperature: 40°C Pressure: 5000 kPa (recirk. bekeverési ponton: 4000 kPa) H2:CO2 n/n = 3:1 M Mass fl flow: 121 121+879 879 = 1000 kg/h k /h Szelepek:
Modell futtatása
Valve Manufacturer: Universal Gas... karakterisztika: „Equal Percentage” Cv = 8, Cv = 24 visszacsapó szelep (Check Valve)
Minden műveleti egységet tesztelünk:
futtatjuk az integrátort:
ellenőrizzük a beállt üzemállapotot nagy eltéréseket hangolással állítjuk
Áramlás-szabályozók:
FIC-101, FIC-102 Kc = 0.2, Ti = 0.3, Reverse Action
Integrátor alapértelmezéstől eltérő beállításai
Integrátor alapértelmezéstől eltérő beállításai
Recycle Mixer (Header)
Feed Heater
In: Feeds, Recycle Out: Mixed
Recycle:
Molar flow: 354 kmol/h (flow spec.) Temp: 40 oC összetétel (n/n): CO2: 0.05, H2: 0.95
In: Mixed, Heater duty Out: To Reactor Heater Duty: Product Temp.= 200 °C Press. drop (kb 50 kPa): „Overall k” = 100-120
3
2015.11.05.
Reactor: CSTR
In: To Reactor, Reactor Cooling Out: From Reactor, Dummy Liquid Nyomásesés: kb. 100 kPa (szelep Cv: 30-40) Geom. adatok:
átmérő: magasság: csonkméret:
2.5 m 0.75 m 0.05 m, csonkmagasság: ki= 0 m
Reakció kiválasztása Dynamics: „Dry Start-up” Hűtés: Tout = 200°C legyen
TIC-103: Kc= 2, Ti= 2, Direct Action
CO2 konverzió állandósult állapotban kb. 60 %
Product Cooler
In: Out: Out Energy: Duty = „Overall k” =
From Reactor Condensed Co de sed Mixture tu e Prod Cooler Duty ? (Product Temp = 40 oC legyen) 130-150 (Nyomásesés kb. 50 kPa)
Szeparátor
In: Out: D: H H:
Condensed Mixture Vapour, Liquid 2m 3m
Szelep:
Nyomás szabályozás, lefúvatás
A „Condensed Mixture” áram kétfázisú, a két fázist el kell választani: szeparátor.
Változók figyelése – Strip Charts
Termékáram H2 és CO2 tartalmának recirkulációja = metanol leválasztása a gőzfázisból hűtés 40°C-ra
Szintézis-”kör”, recirkuláció nélkül
In: Vapour Out: Purge g ((P = 3700 kPa), ), Recycled y Elemek magassága: 4 m (szeparátor teteje + 1 m)
LV-104, Cv = 12, Equal Percentage, Pki = 1100 kPa
Szelep:
LIC-104, Kc = 1, Ti = 10, Direct Action
Nyomás-szabályozó:
Szintszabályozó:
A recirkulációs körben felhalmozódó nem kondenzálódó gázok lefúvatásához a „Vapor” áramot meg kell osztani: Tee.
PV-105, Cv = 1, Equal Percentage PIC-105, Kc= 1, Ti = 2, Direct Action
4
2015.11.05.
Recirkuláció – I.
A visszavezetendő áram nyomása alacsonyabb, mint a „Feed” áramé: komprimálás szükséges.
In: Out:
Recycled To Recycle (p=4000 kPa)
I. változat:
fix tömegáram mennyiség-szabályozóval, + nyomáshatároló „szelep”: NRV-100
Dynamics/Specs/Pressure Flow Relation - kikapcsolva
Recirkuláció – II.
MeOH szinézis-kör – Recirkuláció (I.)
Recirkuláció – II.
II. változat: centrifugális kompresszor
Energy: Compressor Power Jelleggörbék: MeOH.xls Fordulatszám-specifikáció:
NIC-100.OP NIC 100 OP * K100Speed.PV1.Gain K100Speed PV1 Gain [0 – 100] * 150
NRV-200: Cv = 800, visszacsapó szelep, mindig nyitva
Anti-surge szabályozás:
Dynamics/Actuator/Valve Min Position = 100 FV-100: Cv = 100 (NRV-100 helyett) FIC-100: kompresszor nyomó ágra és FV-100-ra átkötni
Főtermék tisztítása: desztilláció
Desztilláció
„Liquid” áram metanol mellett vizet is tartalmaz Tisztasági követelmények:
MeOH: min. 97 % n/n / víztartalom: max. 1 % m/m
A kolonna építését a szeparátorból kilépő áram másolatával végezzük, rögzített áramló mennyiséggel.
Oszlop: „Absorber” (csak tányérok)
In: Out: Tányérszám (N): Betáp. helye:
Liquid, Reflux, BoilUp To Overhead Cooler, To Reboiler 10 5. tányér
Tányérok (al (al-folyamatábra): folyamatábra):
Típus:
szita, H = 0.55, D = 1.5 m gátmagasság: 65 mm, -hossz: 0.5 m (*) Alsó tányér: 2 m-en Üres oszlop ellenállása („Dry Hole Pressure Loss K-Factors”): k = 5000 (*) Nyomás-profil: 1030 - 1040 kPa (kezdőérték) Nyomásesés: (kb.) 10 kPa A nyomás-profilt a gát-paraméterekkel és a k-faktorral hangoljuk (fent (*)-gal megjelölve). Hőmérséklet-profil: 140-175 oC (kezdőérték)
5
2015.11.05.
Desztilláció - 2
Fejtermék-hűtő (Condenser):
Kolonna fenék + Visszaforraló:
Out: To Condenser Hőáram: Condenser Duty k = 420, Elhelyezés : 7.5 m-en TIC-202: Direct, Kc = 0.3, Ti = 0.5 , SP = 138.6 oC
Reflux tartály:
Desztilláció - 3
Out: Geometria: Elhelyezés: Pára-csonk: Nyomás: LIC-201:
Methanol, Refl fekvő tartály, D = 1, L = 2.6 m 6.5 m-en tetején 1000 kPa Direct, Kc = 1, Ti = 5
Recirk. bekeverési ponton P = 4000 kPa
Reverse, Kc = 1, Ti = 5 Direct, Kc = 1, Ti = 10
A két áramban (kb.) azonos legyen a nyomás és az áramló mennyiség Ha pontos illesztés szükséges, akkor a magasságokat (hidroszatikai nyomást) is figyelni kell Összekapcsoláshoz a szelep kilépő áramát töröljük
Kezdeti üzemállapot
Hangolás: „Purge” nyomással, nyomásesésekkel
Üres, hideg üzem:
Nyomásesések:
Water, BoilUp Reboiler Duty álló tartály, D = 2, H = 1 m tetején (kb.) 1040 kPa, a tányér-paraméterekkel kell
A reaktor-kör és kolonna összekapcsolása:
„Nyomás-határoló” szelep: VLV-100
Állandósult állapot behangolása
Out: Hőáram: Geometria: Betáp-csonk: Nyomás: beállítani TIC-204: LIC-203:
hűtő/fűtő: kb. 50-50 kPa reaktor: kb. 100 kPa
Szelepek nyitása 30-60 % legyen Kolonna nyomásprofil
„Dynamic Initialization”: minden objektumot kijelölünk, kivéve azt az áramot, amelyiknek az állapotát át kell másolni a többibe P = 101.325 kPa T = 25 oC Ö Összetétel: tét l N2 1 1.0 0 n/n / minden szelep zárva, kivéve PV-105 (Purge): Parameters/Inittialization/Cold Init OP = 100% Induláskor az üzem a PV-105 szelepen, ill. a kondenzátoron keresztül telik fel N2-vel üzemi nyomásra
Dynamic Initialisation
Modell stabilitás-teszt
Az üres üzemállapotot 24 órát futtatjuk (Sim Time) Nem lehet áramlás, illetve jelentős nyomás- vagy hőfok változás. Ellenőrzés a Workbook-ban:
6
2015.11.05.
Üzemindítás
FIC-101:
Product Cooler Feed Heater
Recirkuláció:
Üzemindítás - 2
Hidrogén benyitás, fűtés/hűtés:
I. vált.: II. vált.:
Auto, SP = 30 kg/h (ennyit le lehet fújatni reakció nélkül) T(ki) = 40 oC T(ki) = 200 oC
Desztilláció:
Kolonna fenék lassú, fokozatos fűtése: TIC-204: Man, OP = 0.5, 1, 1.5 … % áll. állapotban: Auto/SP=174.4 oC
Fejtermék j folyamatos y hűtése: TIC-202: Auto, SP = 138.6 oC
Fejtermék előírt tisztaságához 15x oC fenékhőfok elég. Fenéktermék ekkor még 25 %n/n MeOH-t tartalmaz. A további fűtés csak nagyobb fenéktermék-tisztasághoz kell.
Üzem leállítása -1: szintéziskör
Bedolgozás csökkentése:
½, ¼, 1/8 (hidrogén felesleggel) CO2 leállítása
Kompresszor kapacitás csökkentése szükség szerint Hűtés-fűtés leállítása:
Reaktor hűtés Reaktor betáp fűtés Termék hűtés
Kompresszor leállítása, lefuvató szelep teljes nyitása Szeparátor leürítése: max. 1xxx kg/h
FIC-102: Auto, SP = max 7 x H2, állandósult állapotban: FIC-101: 121 kg/h FIC-102: 879 kg/h
Recirkuláció emelése emelése, ha szükséges:
Lefuvatás (FI-106): 2 - 10 kg/h FIC-100 „SP ramping” (I. változat esetén)
Előkészületek desztillációhoz:
Lefúvatás: PIC-105: Auto, SP = 3797 kPa Reaktor hűtés: TIC-103: Auto, SP = 200 oC Szeparátor szint: LIC-104: Auto, SP = 50 % Kolonna fenékszint: LIC-203: Auto, SP = 50 %
Üzemindítás - 3
CO2 fokozatos benyitása, H2-t követve:
FIC-100: Auto, SP = 300 kmol/h NIC-100.OP emelése, mígnem FIC-100.PV = 300 kmol/h (FIC-100: Man, mérésként használjuk)
Előkészületek a reakcióhoz:
Kondenzátor: Kolonna fenékszint:
LIC-201: Auto, SP = 50 % LIC-203: Auto, SP = 50 %
Kérdések
A kolonna fenék-összetétele több mint 95%-ban víz. Miért 174 oC-on forr? A betáp ekvimoláris CO2 – H2 elegy. Miért dúsul fel H2-ben a recirkuláció? A fejtermék j tisztaságára g vonatkozó feltételek közül melyik az élesebb feltétel? MeOH: min. 97 % n/n víztartalom: max. 1 % m/m Amikor a hideg üzembe benyitunk 10 kg/h hidrogént, a lefuvatón kb. 140 kg/h gáz távozik. Miért?
Üzem leállítása -2: desztilláció
Kolonna fenékszint tartása:
Ha a hűtés/fűtés lecsökkent, oszlop-fej lehűlt
fűtést is csökkenteni kell szükség szerint Kondenzátor leürítése Hűtés/fűtés kikapcsolása
Oszlop fenék leürítése Szelepek zárása, kivéve lefúvató
7
2015.11.05.
Kimaradt szempontok - 1
El nem reagáló komponensek, pl. N2 a betápban Szivattyúk: reflux, víz kitárolása (?) Szelepműködés dinamikája Kapacitással rendelkező elemek hőveszteségei (CSTR, szeparátor, kolonna, -fenék, fenék, kondenzátor Szintmérő csonkok:
szintmérés nem a teljes térfogat/magasság %-át mutatja üzemindítást, -leállítást ezt figyelembevéve kell végezni (áramló mennyiségek, más hatások figyelése)
Kimaradt szempontok - 2
Kondenzátor nyomás-szabályozása Visszaforraló hőcserélővel, termikus áramlás beindítása Szabályozókörök paramétereinek optimális hangolása Reaktor bebe és kilépő áram hőintegrációja A szeparátor és az oszlop között nagy a nyomásesés: turbinát lehetne hajtani vele Kompresszor meghajtása turbináról Reaktorbeli keveredési viszonyok pontosabb modellezése: csőreaktor vagy reaktor kaszkád MeOH szintézis CO-val
Köszönöm a figyelmet
8
