Ismerkedés az UniSim-mel Gyakorlatot tartja Kunovszki Péter

Valami ilyent szeretnénk előállítani ma

Alapok (Basis manager) Component list készítése (H2, CO2, víz, MeOH) Fluid package készítése – UNIQUAC Reakció definiálása – Kinetikus reakció – Komponensek kiválasztása (összes) – Sztöchiometria (termék +, reaktáns -) – Beállítani, hogy gázfázisú a reakció! – A rate-et állítsuk át kmol / m3h-ra! Adjuk hozzá a fluid package-hez!

A reakció adatai

Simulation environment Folyamatos újraszámolás be/ki Új elemek elhelyezése a jobb oldali menüből. Kétfajta áram: – anyagáram – energiaáram Áramok kapcsolása: Attach mode – Nem csak ezt lehet használni!

Helyezzünk el egy áramot! Bármilyen elemen duplakatt a tulajdonságokat hozza elő. Lesznek kék, piros, és szürke tulajdonságok (most még szürkét nem látunk) – kék: Itt definiáljuk – szürke: Máshonnan számoltatik (Ez fontos!) Érdemes beszédes neveket adni az áramoknak, mert így fogjuk őket megtalálni.

Feed – áram (stream) Temperature: 40 °C Pressure: 4000 kPa Mass flow: 1000 kg/h Összetétel: – CO2:25 mol% – H2:75 mol% Ezzel meg lett határozva.

Recycle – áram (stream) Define from other stream Ettől még nem számoltatik a másik áramból (Ez fontos!) Mix – Keverő (mixer) Inlet: Feed, Recycle (kiválasztod) Outlet: Mixed (beírod) Így is lehet új áramot definiálni (Ez fontos!) Nézd meg, ebben minden szürke (nem lepődünk meg)

Hol tartunk most? Tudjuk, hogy nem számíthatunk 100%-os konverzióra, tehát a reakátnsok megmaradó részét recirkuláltatnunk kell. A friss reaktáns áramot összekevertük a recirkuláltatott reaktánsokkal.

Feed heater – melegítő (heater) Inlet: Mixed Energy: Heater duty Outlet: To reactor oldalt: Parameters: – DeltaP: 50 kPa – A rendszer tudja, hogy ilyenkor csökken a nyomás! Az elem sárga maradt. – Van még szabadsági foka. (Mennyi hőt közlünk, vagy milyen hőmérsékletre emeljük az áramot?)

Mi most 200 °C-ra szeretnénk felemelni a hőmérsékletet. Két megoldás: – To reactor áramon belül állítjuk be a hőmérsékletet. (200 °C) – Feed heater-em belül alul (oldalsó feliratok megváltoznak, jó észrevenni!) Worksheet fül: A To reactor oszlopban beírhatjuk a 200 °C-ot Igazából mindkettő megoldással pontosan ugyanazt csináltuk (mindkét helyen kék marad)

Reactor – reaktor (CSTR) Inlet: To reactor Vapour outlet: Vapor product Liquid outlet: Dummy liq Energy: Reactor cooling Parameters: – DeltaP: 100 kPa – Single phase – Volume: 100 m3

Reakció hozzáadása a reaktorhoz Reactions fül: – Reaction set: Set-1 – Itt könnyen mindenféle problémák léphetnek fel, ha valamit eddig rosszul csináltál, de ne aggódj! – oldalt: Results – akkor jó, ha a konverzió nem 0 (nálam 27,93%) Még egy szabadsági fok maradt, legyen a reakció izoterm – a kilépő áramot állítsuk 200 °C-ra (Jobban jársz, ha a Vapor product-ot és nem a Dummy liq-et állítod be!)

Hol tartunk most? A reakciót olyan hőmérsékleten kívánjuk folytatni, ahol a termékek is gőzfázisban vannak, ezért fel kellett melegítenünk a reaktánsokat. A reaktorban végbe megy a reakció, a teljes reakcióelegy a gőzfázisban van.

Product cooler – hűtő (cooler) Inlet: Vapor product Outlet: Condensed mixture Energy: Prod cooler duty oldalt: Parameters: – DeltaP: 1000 kPa 40 °C-ra hűtjük le (Worksheet vagy a Condensed mixture közvetlen beállítása)

Hol tartunk most? A termékeket úgy tudjuk a leghatékonyabban elválasztani az elreagálatlan reaktánsoktól, hogy lehűtjük az áramot a metanol forráspontja alá. (Nagy a rés a reaktánsok és termékek forrpontja között.)

Separator – gőz-folyadék szeparátor (separator) Inlet: Condensed mixture Vapour outlet: Vapor Liquid outlet: Liq products Splitter – elosztó (tee) Inlet: Vapor Outlets: Recycled; Purge Parameters: Flow ratios: Recycled: 0,9

Hol tartunk most? A lehűtött elegyből a termékeket egyszerű fázisszeparációval könnyedén leválasztottuk. A recirkuláltatott gázáram egy részét mindig le kell fúvatni (purge), hogy a szennyezők ne tudjanak feldúsulni a rendszerben.

Recycle compressor – kompresszor (compressor) Inlet: Recycled Outlet: To recycle Energy: Comp energy A To recycle áramot 4000 kPa nyomásra komprimáljuk (Worksheet, vagy közvetlenül) Technikai infó: az elemeket a könnyebb kezelés érdekében el lehet forgatni, tükrözni – jobb gomb - Transform

Recirkuláció bekötése – (recycle) Nem igazi berendezés, a programnak kell, hogy ciklusokat tudjon számolni. Ha eddig nem mentettél, akkor most mindenképp ments, mert ettől össze tud omlani a dolog! Inlet: To recycle Outlet: Recycle A kezdeti Recycle áram felülíródott, ezért volt mindegy mit adtunk meg neki.

Hol tartunk most? Ahhoz, hogy a recirkuláltatott gázokat visszakeverhessük a betápba, meg kell növelni a nyomást ugyanakkorára. Zártuk a kört, sikeresen bekötöttük a recirkulált gázáramot.

És a termék szétválasztás? Azt majd később fogjuk megoldani, de van még mit csinálnunk! Optimálás! – Ez a későbbi önálló feladat megoldásánál is fontos kérdés lesz! – Most csak a reaktor praméterei szerint vizsgáljuk a konverziót.

Optimálási eszközök Tools/Databook (NEM Workbook, az a legfölső) Insert – változók hozzáadása (na most jön jól, hogy tudod, hogyan nevezted el az egyes berendezéseket, mert azokat kell most megkeresni) – Reactor / Tank volume – Reactor / Rxn Actual % Conversion / Rxn-1 – Vapor product / Temperature (Ha az Add-ot nyomkodod, nem zárul be az ablak)

Case Studies - Kísérlettervezés Alul a Case Studies fül Add – utána álltsd be a független (térfogat és termék hőm.) és a függő (konverzió) változókat View – a faktorszintek beállítása – hőmérséklet: low: 150 high: 200 step: 5 – térfogat: low: 5 high 25 step 5 Start – Várjál! Results – táblázatban (szörnyű), grafikonon

Ezt sikerült elérni Előhozhatjuk Excel-lel vagy STATISTICA-val. Megnyugodhatunk, valami hatás van.

Milyen értékeket találunk jónak? T = 175 °C V = 16 m3

Tekintsük meg, mit kell feldolgozni! Liq Products – Temperature: 40 °C – Pressure: 2850 kPa – Molar flow: 32,91 kmol/h – Composition: Methanol: 49,6 n/n% H2O: 49,8 n/n% CO2; H2 <1n/n% (Ettől még el kell majd bánni velük)

Mi jön most? Az áramunk metanolt és vizet tartalmaz, csak desztillációval választhatjuk őket szét. A desztilláló oszlopba nem célszerű jóval a forrpont alatti folyadékot bevezetni, ezért elő kell melegíteni az áramunkat.

Dist preheater – melegítő (heater) Inlet: Liq products Outlet: To distill Energy: Preheat duty Az áram hőmérséklete legyen 160 °C, nyomása 1000 kPa! (Worksheet, vagy közvetlenül)

A desztilláció tervezése nem egyszerű feladat Hány szabad változónk van? (És így még csak a kimenetekkel foglalkoztunk) Hány egyenlet teremt ezek között kapcsolatot? anyagmérleg: komponensmérleg: Tehát két szabadsági fokunk maradt.

A szabadsági fokok lekötése A termék metanol max. 1 m/m% vizet tartalmazhat A gyártott metanol minimum 96 %-át nyerjük ki a termékben. Ez a két feltétel független egymástól, tehát több megkötéssel nem élhetünk. (Még nem foglalkoztunk a tányérszám- refluxarány kérdéssel)

Dist col – desztilláló oszlop (distillation coloumn) Sok mindent kell beállítani, nem kell megijedni Tányérszám beállítása az oszlop rajz közepén: n = 20 Inlet: To distill; 15_Main TS (azaz a 15.tányérra) Condenser: Partial Condenser energy: Cond duty Ovhd outlets: Uncondensed (felső), Methanol (alsó)

Reboiler energy: Reboiler duty Bottoms outlet: Water Most tudsz Next-et nyomni Condenser pressure: 1000 kPa Reboiler pressure: 1100 kPa Next, Next, Done Meg lehetne adni közvetlenül az üzemelési körülményeket, de most azt szeretnénk, hogy a megadott kikötéseink szerint számoltassanak ki.

Kikötések megadása Oldalt – monitor: Először is az Active-okat kapcsoljuk ki Új kikötést az Add spec gombbal adunk meg – Column component recovery (egy bizonyos komponens mekkora része jöjjön ki a fej vagy fenéktermékben) – Name: MeOH rec (ezekkel egy ideig el fogunk bíbelődni, szóval nem árt, ha jól beazonosítható nevet adsz neki)

– Draw: (Fontos! Itt csak név a metanol, a rendszer még nem tudja, hogy tényleg a metanolra gondoltunk) – Spec value 0,96 (ez felel meg a 96%-nak) – Components: Methanol Figyelem! Tényleg följebb adod meg, hogy mennyit, és csak alatta, hogy miből. Erre figyelj nagyon, mert később szerintem nem egy csapatnak lesz ebből gondja. Egyből Active-ra tette a rendszer

Második kikötés Column component fraction (egy komponens aránya mekkora legyen egy bizonyos helyen) Alapvetően tányérra van állítva, de mi most a termékben néznénk, így alul állítsuk át Stage- ről Stream-re! Name: Water in prod Draw: Basis: Mass fraction

Spec value: 0,01 Components: Water Ezzel ez is Active lett. Ha most megnézzük az ablak jobb alsó sarkát, még mindig maradt 1 szabadsági fokunk. Persze, mert a nem kondenzálódó gázok elvezetése miatt plusz egy kivezetést kötöttünk be. Ezt kell még megoldanunk.

Nem kondenzálódó gázok elvezetése Nézzük meg, mennyi ilyen gáz megy be az oszlopba! To distill áram – Composition (oldalt) Basis gomb – átállítjuk, hogy a móltörtek helyett moláramokat mutasson: Mole flows Összesen kb 0,17 kmol/h nem kondenzálódó gázunk van. Lépjünk vissza a desztilláló oszlopba!

Column draw rate (mennyi az összes elvétel egy áramban) Name: Uncondensed Draw: Flow basis: Molar Spec value: 0,17 Ezzel az értékkel lehet kicsit játszadozni, a cél az, hogy a kondenzátor hőmérséklete ne legyen irreálisan alacsony, és persze a metanol jó része ne jusson az Uncondensed-be.

A desztilláció számolása Eddig az oszlop számítása le volt állítva. Ha az összes szabadsági fokot lekötöttük, akkor nyomjuk meg a Run gombot az ablak alján. Remélhetőleg konvergált. Methanol: – 478 kg/h, 97,9 n/n%-os

Kitárolási hőmérséklet A (mellék)termékeknek kezelhető nyomáson és hőmérsékleten kell elhagyniuk az üzemet. Legyen ez most légköri nyomás (100 kPa) és 25 °C! Ezekkel majd a projektmunka során is törődni kell annak ellenére, hogy nem ez adja a költség jelentős részét.

MeOH cooler – hűtő (cooler) Inlet: Methanol Outlet: To MeOH tank Energy: MeOH cooling Az áram hőmérséklete legyen 25 °C, nyomása 100 kPa! (Worksheet, vagy közvetlenül)

WW cooler – hűtő (cooler) Inlet: Water Outlet: WasteW Energy: WW cooling Az áram hőmérséklete legyen 25 °C, nyomása 100 kPa! (Worksheet, vagy közvetlenül)

Szeparációs alrendszer

Ez pedig a teljes üzemmodell

Elkészültünk! Köszönöm az együttműködéseteket!