Vad ska göras i denna delen? Allmän genomgång om flowsheeting och Aspen Självstudier: – ”Getting started”-manualer – ”Färdiga lösningar”-exempel Övningar under flowsheeting-delen: – J5 (Fysikaliska egenskaper) – BU 2a (Jämviktsberäkningar)* – Destillationsövning – BU 2b (Industriellt processchema)* – Simulering av reaktor och destillation – Extra uppgifter för den som vill *Inlämning av rapport

Flowsheeting Vad är ”Flowsheeting”?  Användande av datorer för att modellera olika kemitekniska processer  Använder fysikaliska modeller och data för:  Steady-state material- och värmebalanser  Jämviktssamband  Hastighetssamband (vid reaktion och masstransport))  Ger som resultat  Flödesdata, sammansättningar och egenskaper av procesströmmar  Hur ska man köra en process? (Optimering, integration etc)  Kostnadsuppskattningar för en kemiteknisk process  Kapital- och driftskostnader

Olika program Aspen Plus – Vätska, gas, fast fas – Databank > 1500 komponenter (inkl. elektrolyter) Chemcad – Något mindre program – Flitigt använt i svensk industri Hysys – Hög grad av interaktivitet – Beräkning sker direkt vid förändring av parameter (om så önskas) Excel oerhört vanligt för mass- och energibalanser MatLab, Simulink, Dymola etc?

Varför inte använda MatLab eller liknande program? Skriva egna program? Frihet Exakt kunskap om hur programmet utför beräkningarna Tidsaspekten? Framtidssäkert? Flowsheeting Modultänkande Återanvändning Flexibilitet Grafiskt gränssnitt Många användare runt om i världen medför beprövat koncept Fysikaliska data!

Processimulering/Processdesign Användningsområdena varierar: – Design av ny anläggning med storleks- och kostnadsuppskattning av utrustning – Utvärdering av befintlig anläggning – Förändringar/optimering av befintlig anläggning – Flaskhalsar i produktionen – Lab-Bänkskala-Demo: Planering av försök och utvärdering

Modellens detaljnivå Projektdesignmodell (ny/ombyggnad av process) – Generera MB och EB för design av utrustning – Oftast för fastställda flöden för att nå en viss produktkapacitet – Rigorösa modeller för enhetsoperationer (destillation etc.), om möjligt Modellering av befintlig del i produktionen – Mindre processdel (enskild eller få enhetsoperationer) – Rigorösa modeller för nyckeloperationer som ska studeras – Enklare för ”nybörjare” att skapa och underhålla (behöver inte vara simuleringsexpert för att köra) On-line optimeringsmodell – Syfte att optimera process – Medför stor modell (hela processen ska simuleras) – Enheter med stor ekonomisk inverkan simuleras med rigorösa modeller, andra med förenklade)

Aspen University Package

Aspen Plus För steady-state simulering och processdesign Grafiskt gränssnitt Drag-and-drop Modulbaserat

Aspen Properties För tabellering och plottning av olika data VLE, termiska data, transport-egenskaper… Anpassa egna data till fysikaliska modeller

Aspen Process Economic Analyzer APEA för kostnads- uppskattning och dimen- sionering av utrustning Importerar data från A+ Från reaktorer till enskilda skruvar och målarfärg Bygger på kostnadsupp- skattningar

Aspen Energy Analyzer AEA för energianalyser Importerar data från A+ Pinch-analys Värmeväxlarnätverk…

Principuppbyggnad av flowsheetingprogram Styrprogram Indata Enhetsoperationer Reaktor Destill VVX Mixer Etc Användar moduler Entalpi Densitet Ångtryck VLE Etc Utdata Fysikaliska och termo- dynamiska data Användarrutiner

Beräkningsstrategier Sekventiell, modulbaserad strategi – Varje modul beräknas separat – Beräkningsordningen bestäms av programmet eller användaren Samtidig lösning av ekvationssystem – Alla ekvationer som gäller för anläggningen ställs upp och löses samtidigt – Mest för dynamiska simuleringar Samtidig, modulbaserad strategi – Ekvationerna för en modul löses samtidigt – De olika modulerna löses sekventiellt – Den vanligaste metoden idag

Tillvägagångssätt vid simulering Problemformulering – Utgå från tänkt processchema – Förenklingar? Val av modeller – Vad är vi intresserade av? MB & EB, apparatspecifika ekvationer Rigorös modellering eller enklare modeller? Beräkning – Rakt igenom eller recirkulering? Tolkning och utvärdering av resultat

Enkelt problem Vad är sammansättningen i produktströmmen? Nödvändigt att lösa MB och EB för varje operation – ”Sequential Modular”- metod (SM)

Recirkulerande strömmar Hur hanteras dessa? BeräknatGissat Hur fungerar recirkulering av strömmar? Vad är sammansättningen i systemet? Måste ge startvärden (gissningar) för att kunna lösa problemet Konvergensmetoder löser med önskad noggrannhet (  )

Vad behöver man normalt ge som indata? Komponenter – Alla komponenter måste anges Modell för fysikaliska databeräkningar – Idealt, polärt, elektrolyt, fast ämne etc.? Flödesschemat – Lämpliga enheter som tillräckligt väl beskriver processen – Hur långt kan man förenkla? Specificera inströmmar och de ”burkar” som ska simuleras – Normalt anges data för inströmmar P, T, sammansättning, flöden… – Egenskaper för den enskilda enhetsoperationen P, T, k-värde, antal bottnar, etc. – Aspen är normalt bra på att gissa startvärden Ibland kan man behöva ge värden för interna strömmar

Typer av ämnen i Aspen Conventional compounds – Väldefinierade ämnen Molvikt, ångtryck, densiteter etc. Vätskor, gaser CI-solids (Conventional Inert) – Väldefinierade, fasta ämnen Känd molvikt, deltar ej i VLE, kan delta i andra jämvikter Socker, metaller etc. NC-Comps (Non-conventional compounds) – Ej definierad molvikt, sammansatta av olika delar Trä, kol etc. Räkna på mass-basis (sätt molvikt 1kg/kmol)

Tolkning av resultat Orimliga värden? Konvergensvillkor uppfyllda? Stämmer materialbalanserna? Ligger resultaten inom gränserna för gjorda approximationer? Vanliga felkällor: – Fysikaliska data osäkra (spec. fasjämvikter) – Approximationer i modellen (ej tillräckligt beskrivande) – Instabila numeriska metoder (avrundningsfel) – För ”snällt” konvergensvillkor – Fel i programmet (vanligare vid egna program)!

Aspen Plus Kort genomgång För att köra Aspen Plus: – Välj Aspen plus V 8.6

Setup Välj vettiga enheter! Kontrollera vad som skrivs ut (Report Options) – Bra att ha med ”Mass” för flöden och liknande

Components Specificera vilka ämnen som finns med Kan få hjälp med ”Find”-knappen ”Component ID”: – Godtyckligt namn ”Component name” eller ”Formula” – Ethanol – C2H6O-2

Properties Måste välja hur fysikaliska data ska beräknas Finns hjälp för att välja metoder Läs hjälptext!

Flowsheet (Blocks) Koppla genom ”drag and drop” Lämpliga portar markeras med text Anges om de måste kopplas (Required) eller är valfria (Optional)

Design-Specifications Definiera lämpliga variabler Specificera mål Ange lämpliga parametrar som ska varieras Vilken tolerans kan man acceptera?

Sensitivity Används för att se hur känslig en process är för förändringar OBS! Kan ge långa simuleringstider!

Optimization Möjlighet att optimera en process eller enhetsoperation Ange önskad objektfunktion – Skrivs i Fortran – Variera lämplig parameter, t.ex. återflödet Exempel: Optimera en destillationskolonn med avseende på ett antal variabler Antal steg (N) Installationskostnad (I$) Förväntad livslängd (L) Årligt underhåll (M$) Årlig återkokarenergi (R) Årlig kondensorenergi (C) Uppvärmningskostnad (H$) Kylkostnad (CK$) Arbetskraft (O$)  =N*I$+M$*L+R*H$*L+CK*C$*L+O$*L

Exempel Feed1: T=50C, P=1bar; Massflow=5000 kg/h, Massconc= 10% EtOH (Resten H2O) Feed2: T=70C, P=1 bar; Massflow= 4000 kg/h, Massconc= 7% EtOH Antal steg 20; Reflux ratio= 2 Wilson för fys.data

Lämpliga självstudier Getting started Aspen Plus – Kap. 1 Aspen Plus basics (30 min) – Kap. 7 Analyzing properties (20 min) (Före BU2 a) – Kap. 2 Building and running a process simulation model (50 min) – Kap. 4 Meeting process design specifications (20 min) – Performing a sensitivity analysis (20 min) – Kap. 6 Estimating physical properties for a non- databank component (30 min) – Kap. 5 Creating a process flow diagram (20 min)