Моделирование технологических и природных систем

Моделирование технологических и природных систем

1. Набор термодинамических данных по чистым компонентам (база данных) и средства, позволяющие выбирать определенные компоненты для описания качественного состава рабочих смесей

2. Средства представления свойств природных углеводородных смесей, главным образом – нефтей и газоконденсатов, в виде, приемлемом для описания качественного состава рабочих смесей, по данным лабораторного анализа

3. Различные методы расчета термодинамических свойств, таких как коэффициента фазового равновесия, энтальпии, энтропии, плотности, растворимости газов и твердых веществ в жидкостях и фугитивности паров.

4. Набор моделей для расчета отдельных элементов технологических схем - процессов

5. Средства для формирования технологических схем из отдельных элементов

6. Средства для расчета технологических схем, состоящих из большого числа элементов, определенным образом соединенных между собой

Термодинамические данные по чистым компонентам

1. Критические параметры и фактор ацентричности;

2. Молекулярная масса;

3. Плотность в точке кипения или при стандартных условиях;

4. Температура кипения при атмосферном давлении;

5. Константы для расчета идеально-газовой теплоемкости или идеально-газовой энтальпии, энергии Гиббса, теплот образования и сгорания, вязкости, поверхностного натяжения, и т.п.

Методы расчета термодинамических свойств

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

2. Уравнения состояния, такие как метод расчета Соава-Редлиха-Квонга для коэффициента фазового равновесия, энтальпий, энтропий и плотностей

3. Методы коэффициентов активности жидкости, такие как метод NRTL (Non-Random Two-Liquid - Неслучайное двужидкостное) для расчета коэффициента фазового равновесия

4. Методы фугитивности паров, такие как метод Хайдена-О’Коннела для димеризующихся веществ

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

Средства моделирования процессов

1. Сепарация газа и жидкости (2-х несмешивающихся жидкостей);

2. Однократное испарение и конденсация;

3. Дросселирование;

4. Адиабатическое сжатие и расширение в компрессорах и детандерах;

5. Теплообмен двух потоков;

6. Нагрев или охлаждение потока;

7. Ветвление и смешение потоков;

8. Процессы в дистилляционных колоннах с возможностью подачи и отбора боковых материальных и тепловых потоков:

а) абсорберы;б) конденсационные (укрепляющие) колонны;в) отпарные (исчерпывающие) колонны;г) дистилляционные колонны;

1. Теплообмен в многопоточных теплообменниках

2. Химические процессы в реакторах (в т.ч. стехиометрический, с минимизацией энергии Гиббса, равновесный, полного вытеснения и смешения)

3. Процессы в экстракторах жидкость-жидкость

4. Процессы с твердой фазой (кристаллизаторы, центрифуги, фильтры, сушилки и .т.д.)

Построение технологических схем из отдельных элементов

Системы моделирования

• Hysys и Hysim. Продукты канадской компании Hyprotech Ltd. Hysim

• Aspen Plus и Speed UP. Продукты американской компании Aspen Technologies Inc.

http://www.aspentech.ru

• Pro II и ProVision. Программные продукты разработаны американской фирмой Simulation Sciences, Inc.

• http://www.simsci-esscor.com

• CHEMCAD III. Разработан фирмой ChemStations, Inc.

http://www.chemstations.com

• PROSIM. Продукт компании Bryan Research & Engineering, Inc

http://www.bre.com

• DESIGN II. пакет компании WinSim Inc.www.winsim.com

КОМФОРТ. С программой можно ознакомиться во ВНИИГАЗе

• GIBBS. разработан фирмой “Топэнергобизнес”

•Термодинамика – наука о превращениях различных видов энергии из одного в другой. Химическая термодинамика изучает превращения различных видов энергии происходящих при протекании химических реакций.

•Системой называется отдельное тело или группа тел, находящихся во взаимодействии и обособленных от окружающей среды реальной или воображаемой оболочкой (границей).

•Фаза – часть гетерогенной системы, ограниченная поверхностью раздела и характеризующаяся одинаковыми во всех точках физическими и химическими свойствами.

•Термодинамическое состояние системы – это набор значений независимых переменных (параметров системы), которые определяют ее свойства.

•Термодинамическим процессом называется всякое изменение в системе, связанное с изменением хотя бы одного из термодинамических параметров

•Круговым процессом или циклом называется процесс, при котором термодинамическая система, выйдя из некоторого начального состояния и претерпев ряд изменений, возвращается в то же самое состояние; в этом процессе изменение любого параметра равно нулю.

•Равновесное состояние – состояние термодинамической системы, характеризующееся (при постоянных внешних условиях) неизменностью параметров во времени и отсутствием в системе потоков.

Изобарный (p=const)Изотермический (T=const)Адиабатический (Q=const)Изохорный (V=const)Изобарно-изотермический (p,T=const)

Первый закон термодинамикиВ любой изолированной системе запас энергии остается постоянным.

Разные формы энергии переходят друг в друга в строго эквивалентных количествах.

Вечный двигатель первого рода невозможен, т.е. невозможно построить машину, которая давала бы работу, не затрачивая на это соответствующего количества энергии.

Q dU W где dU – полный дифференциал внутренней энергии системы;Q – бесконечно малое приращение теплоты; W – бесконечно малое приращение работы.

Функцией состояния называется такая переменная характеристика, системы, которая не зависит от пути протекания процесса, а зависит только от начального и конечного состояния системы.

Закон Гесса

Тепловым эффектом химической реакции называется количество теплоты, которое выделяется или поглощается при необратимом протекании реакции, когда единственной работой является только работа расширения.

Тепловой эффект химической реакции не зависит от пути протекания процесса, а зависит от начального и конечного состояния системы

ТермохимияТермохимией называется раздел химической термодинамики, занимающийся оценкой тепловых эффектов различных физико-химических процессов: химических реакций, фазовых переходов, процессов кристаллизации, растворения и др.

Для химической реакции, протекающей с участием газообразных веществ, работа расширения равна при постоянном давлении

W=pV=RT

Где прод исх - изменение числа молей

газообразных веществ в результате протекания химической реакции. Поэтому тепловой эффект процесса протекающего при постоянном давлении (Qр = H), и тепловой эффект

процесса, протекающего при постоянном объеме (Qv = U),

связанны соотношением H U RT

5( ) 2 ( ) 3( ) ( )2 111,4т г ж гPCl H O POCl HCl кДж

Первое следствие из закона Гесса

( ) ( )r i f i i f i

i прод i исх

H H H

r H

( )i f i

i прод

H ( )

i f ii исх

H

Где - тепловой эффект химической реакции;

и - суммы теплот образования продуктов реакции и исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов ( )

Пример

Необходимо рассчитать тепловой эффект химической реакции

2 ( ) 2 ( ) ( ) 2( )2 6т т т г rCu O Cu S Cu SO H

2 2 26 2

296.9 6 0 2( 173.18) ( 79.5) 128.86 128860

128860 1 8.314 298 126382 126,382

r f SO f Cu f Cu O f Cu S

r

r r

H H H H H

H кДж Дж

U H RT Дж кДж

Второе следствие из закона Гесса

Тепловой эффект химической реакции равен разности между суммой теплот сгорания продуктов реакций и суммой сгорания исходных веществ

( ) ( )r i c i i c i

i прод i исх

H H H

Теплотой сгорания (сH) химического соединения называют тепловой эффект реакции окисления данного соединения кислородом до высших окислов при постоянном давлении.

Пример

Необходимо рассчитать тепловой эффект химической реакции

2 5 ( ) 3 ( ) 3 2 5( ) 2 ( )ж ж ж ж rC H OH CH COOH CH COOC H H O H

2 5 ( ) 3 ( ) 3 2 5( ) 2 ( )

1366.9 ( 873.8) (2254.2) 0 13.5ж ж ж жr c C H OH c CH COOH c CH COOC H c H OH H H H H

кДж

Теплоемкость

Теплоемкость – физическая величина, характеризующая количество теплоты, подведенное (отведенное) к термодинамической системе, необходимое для изменения его температуры.

Теплоемкость зависит от температуры. Опытные значения теплоемкости при различных температурах обычно проявляются в виде следующих интерполяционных уравнений:

- для неорганических веществ 2'Cp a bT c T

- для органических веществ

2 3Cp a bT cT dT

где a, b, c, c’, d – эмпирические коэффициенты которые приводятся в справочниках

Процессы которые совершаются в системе без вмешательства со стороны окружающей среды, называется самопроизвольными, естественными или положительными.

Процессы, которые без «вмешательства извне» сами собой совершаться не могут, называются несамопроизвольными, неестественными или отрицательными.

Обратимыми процессами называются такие процессы, после которых можно вернуть систему, и окружающую среду в прежнее состояние.

Все термодинамические функции для обратимого процесса принимают экстремальные значения.

Второе начало термодинамики

Основные формулировки второго начала термодинамики

•Никакая совокупность процессов не может сводиться к передаче теплоты от холодного тела к горячему, тогда как передача теплоты от горячего тела к холодному может быть единственным результатом процессов (Клаузиус).

•Никакая совокупность процессов не может сводиться только к превращению теплоты в работу, тогда как превращение работы в теплоту может быть единственным результатом процессов (Томсон)

•Невозможно создать двигатель второго рода (Оствальд). Под вечным двигателем второго рода подразумевается такая машина, которая производила бы работу только за счет поглощения теплоты из окружающей среды.

Энтропия

Энтропия – это функция состояния системы, ее изменение не зависит от пути протекания процесса.

Второе начало термодинамики утверждает, что в изолированной системе самопроизвольно могут протекать только такие процессы, которые ведут к увеличению неупорядоченности системы, т.е. к росту ее энтропии.

Энтропия пропорциональна термодинамической вероятности состояния системы.

При протекании обратимых процессов в изолированной системе энтропия остается постоянной.

Теплота и работа любого необратимого процесса всегда меньше теплоты и работы обратимого процесса между теми же начальными и конечными состояниями процесса.

'TdS dU pdV W

В обратимом процессе полезная работа имеет наибольшее значение и называется максимально полезной работой – W’max . При постоянных параметрах – давлении и температуре, - в случае обратимого процесса объединенное уравнение превращается в равенство.

Энергия Гиббса

max' ( )W d U TS pV

G U TS pV

G H T S

G<0 – процесс необратимый самопроизвольныйG=0 – состояние равновесия в системеG>0 – процесс необратимый, несамопроизвольный

Спасибо за внимание!