Константин Владимирович Ефанов
Технологический расчет нефтяных процессов и аппаратов методом конечных элементов

Введение

Монография написана по новому подходу к расчету методом конечных элементов (МКЭ) массообменных процессов таких как ректификация, абсорбция, теплообменных процессов, процессов в химических реакторах с учетом протекания химических процессов.

1. Касаткин известной работе [1] отметил, что критериальные зависимости вводятся из-за невозможности решения дифференциальных уравнений гидродинамики. Проблема решения систем уравнений заключалась в отсутствии мощных вычислительных средств, имеющихся в настоящее время.

2. Нобелевский лауреат академик Ландау в работе [2,с.12] указывал о недостаточном физическом обосновании критериальных методик по сравнению с решением дифференциальных уравнений методами вычислительной гидродинамики.

Существующие работы по технологическому расчету аппаратов и процессам переработки нефти и газа [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9] химической технологии содержат критериальные методики расчета таких процессов как теплообмен, ректификация, абсорбция. Отдельно рассматриваются реакторы с химическими процессами [10]. На определенном историческом этапе эти работы были востребованы в связи с отсутствием вычислительной техники. Этим и обосновывается широкое применение критериальных методик. Но в настоящее время методики, приведенные в этих работах являются устаревшими. Так как с применением современной вычислительной техники и программных пакетов получают решение дифференциальных уравнений численным методом без необходимости применения теории подобия и критериальных методик. Решение численным методом дифференциальных уравнений является более обоснованным физически по сравнению с решением критериальных уравнения, содержащих эмпирические данные. Расчет процесса в общем виде заключается в решении системы уравнений гидродинамики, химической кинетики, теплопередачи, массообмена и др. в узлах сетки с получением точного решения. . Кроме того, результат численного расчета представляется в виде цветовой диаграммы со шкалой, то есть предоставляет более наглядные данные, которые в том числе можно сравнить с фотографиями и данными результатов эксперимента. Расчет численными методами позволяет разработать цифровой двойник изделия.

На современном уровне балансы объектов, соответствующих аппаратам, на технологической схеме рассчитываются в специализированных программах, таких как пакет Aspen. В этих программах существуют модули технологического расчета аппаратов по критериальным методикам с получением технологических характеристик оборудования и геометрических размеров. Или используются отдельные программы, в результате которых получают баланс аппарата и его эскиз с размерами. Эскиз передается в чертежную программу или пакет 3D-моделирования для проектирования аппарата. Так обеспечивается сквозное проектирование. Отметим, что в процесс разработки чертежей аппарата, как и других машиностроительных изделий может быть включена передача геометрии для расчета методом конечных элементов и затем возврата полученных результатом в разработку проекта конструкции аппарата. Расчет численным методом можно выполнить для результатов расчета по критериальным методикам и затем передать данные на проектирование конструкции или без выполнения расчета по критераильным методикам с использованием данных балансов технологической схемы.

В технологии нефти и газа, в химической технологии, процессы в аппаратах являются физико-химическими, которые можно разделить на составляющие гидродинамические, тепловые, массообменные и химические. Задача расчета физико-химического процесса является междисциплинарной так как требует совместного решения всех процессов, из которых состоит физико-химический процесс, протекающий в аппарате. Итак, в общем случае составляется система из дифференциальных уравнений, описывающих каждый процесс, и находится численное решение в узлах сетки.