Software calcolo e simulazione di processo

Title : Prode software, calcolo proprieta'fluidi, termodinamica, chimica, simulazione processo

Un progettista di impianti si trova frequentemente alle prese con calcoli di dimensionamento o verifica di apparecchiature o componenti impiantistiche.
Questi calcoli possono essere risolti avvalendosi di strumenti quali i simulatori di processo o altri specifici programmi di calcolo; tuttavia non sempre questi sono disponibili oppure, quando lo sono, la procedura richiesta non e' inclusa oppure infine a causa della complessita' l'impiego non risulta conveniente. Spesso infatti l'intera procedura di calcolo puo' essere espressa attraverso una semplice formula che puo' venire convenientemente risolta impiegando strumenti quali i fogli elettronici, vedi ad esempio Microsoft Excel o impiegando semplici sistemi di programmazione ad esempio Microsoft Visual Basic o Borland Delphi.
Molti progettisti impiegano i fogli elettronici prevalentemente per la risoluzione di quei problemi (e sono i piu' frequenti) che si prestano ad essere risolti attraverso l'impiego di semplici formulazioni, esempi sono la perdita di carico attraverso una tubazione percorsa da un fluido, il dimensionamento di una valvola, di uno strumento di misura etc. In questi casi e' spesso sufficiente trascrivere la formula risolutiva dal testo di riferimento direttamente in una delle celle dell'applicazione ed ecco creato, velocemente, un utile risolvitore. I fogli elettronici dispongono tuttavia di altre interessanti funzionalita'. Ad esempio, la struttura a matrice attraverso cui i dati vengono presentati si presta a realizzare potenti strumenti di analisi, diventa possibile studiare lo sviluppo di una reazione chimica in un reattore attribuendo ad ogni cella il valore di un'area nella sezione dell'apparecchiatura, si ottiene in questo modo un modello bidimensionale del sistema. Un'altra potente funzionalita' inclusa in molti fogli elettronici consente di ricercare il valore minimo (minimizzazione) in un sistema composto da piu' formule anche complesse (polinomiali di grado elevato etc.) . Questo consente di implementare facilmente utili strumenti per ottimizzare dei parametri di un progetto (un comune esempio e' il dimensionamento delle tubazioni di un impianto in funzione dei costi di acquisto materiali e di gestione, ma molti altri esempi di questa applicazione possono essere facilmente immaginati). Infine la maggior parte degli applicativi di questa categoria include appositi strumenti per la visualizzazione di vari tipi di grafici e potenti linguaggi di programmazione attraverso cui realizzare procedure per risolvere complessi problemi.
Casi normalmente risolvibili con semplici procedure :

I fogli elettronici ed i linguaggi di programmazione

La maggior parte dei fogli di calcolo include appositi strumenti di programmazione attraverso cui e' possibile implementare complesse procedure risolutive ed estenderne notevolmente le funzionalita'. Microsoft Excel ad esempio include Microsoft Visual Basic, uno degli strumenti di programmazione maggiormente impiegati nell'ambiente operativo Microsoft Windows. Tra i pregi di questo ambiente di sviluppo vi sono l'immediatezza del linguaggio, l'ottima integrazione con il sistema operativo e la disponibilita' di strumenti grafici per la definizione delle interfacce utente. Visual Basic mette a disposizione del programmatore appositi strumenti per consentire lo scambio dei dati e l'integrazione tra le applicazioni , questi strumenti includono il protocollo COM ed il protocollo Windows DLL.
La prima modalita' (COM) e' utilizzata per lo scambio di dati con applicazioni indipendenti, ad esempio un simulatore di processo puo' rendere disponibili i dati con le proprieta' delle varie correnti, le caratteristiche delle apparecchiature etc.
La seconda modalita' consente un'integrazione diretta del codice, le estensioni vengono viste come blocchi di codice binario caricati dinamicamente (da cui il nome Dynamic Link Libraries) al momento dell'esecuzione del programma. L'efficenza di questo processo e' molto alta e direttamente paragonabile a quella dell'esecuzione di un programma compilato. Per inciso questo e' il modo con cui si integrano i tools di estensione (Add-On) trattati nel prossimo paragrafo.

Ampliare le funzionalita' dei propri strumenti di lavoro

Il modo piu' semplice per estendere le funzionalita' di fogli elettronici e ambienti di programmazione e' attraverso l'impiego di appositi tools (definiti anche Add-On) , questi strumenti provvedono una serie di funzionalita' aggiuntive, utili per risolvere specifici problemi. Sul mercato sono disponibili vari prodotti e le aree coperte includono lo studio delle strutture molecolari, la stima delle proprieta' termofisiche, la simulazione di eventi continui e discreti, l'ottimizzazione dei parametri di un processo etc.
Per un progettista di impianti una delle maggiori limitazioni dei fogli elettronici e' l'assenza di funzioni per la stima delle proprieta' termofisiche dei fluidi e calcoli di grandezze quali entalpia, entropia, valori di equilibrio etc. , la presenza di tali funzioni consentirebbe di estendere notevolmente l'utilita' di questi strumenti.
Fortunatamente esistono appositi strumenti per colmare questa lacuna, uno dei piu' diffusi e' il prodotto Prode Properties, di cui vengono di seguito riassunte brevemente le caratteristiche. Con l'aggiunta di questo strumento i fogli elettroni possono essere impiegati per stimare le proprieta' dei fluidi , simulare il funzionamento di apparecchiature e semplici impianti; nella progettazione impiantistica quindi (calcoli processo, dimensionamento apparecchiature, progetto strumentazione) ma anche nei sistemi di controllo , ottimizzazione, misura, certificazione... Come si vede il campo di applicazione e' molto vasto ed il numero delle applicazioni puo' essere virtualmente esteso ad ogni settore dell'ingegneria chimica , meccanica , ambientale ...

Esame delle caratteristiche

Prode Properties risulta direttamente compatibile (e viene facilmente integrato) con i piu' comuni fogli elettronici operanti in ambiente Microsoft Windows quali Microsoft Excel , Lotus 1-2-3 etc. ma anche con strumenti come Microsoft Visual Basic, Microsoft Visual C++, Borland C++ , Borland DELPHI e tanti altri (questi sono i vantaggi dell'impiego del protocollo DLL...). Il programma rende disponibile una ampia libreria di funzioni, le funzioni aggiuntive vengono impiegate allo stesso modo delle funzioni base dei programmi, ad esempio possono essere incluse in una formula posta in una cella di Microsoft Excel :

= StrH(stream)
restituisce il valore dell'entalpia totale di una corrente

Prode Properties include una banca dati con le caratteristiche di circa 1000 composti chimici (a richiesta sono disponibili altre raccolte quali DIPPR o PPDS) ed un generatore di proprieta' (per il calcolo delle proprieta' termodinamiche). Sono presenti i piu' importanti modelli termodinamici :
per il calcolo dei valori equilibrio VLE / LLE e proprieta' quali entalpie ed entropie dei fluidi.

Definire la composizione di una corrente

L'utilizzatore definisce la composizione delle correnti attraverso una apposita finestra di proprieta' (un modulo del programma accessibile attivando la funzione

edS(stream)

Esempio di integrazione tra Prode Properties e Microsoft Excel, la finestra per la definizione correnti viene automaticamente generata da Prode Properties alla selezione di un pulsante di Excel.

La versione base di Prode Properties consente di definire centinaia di differenti correnti (una riserva necessaria per rappresentare impianti di media o grande complessita' e consentire quindi ai progettisti di risolvere i bilanci di materia / energia velocemente da un foglio elettronico quale Microsoft Excel etc.).

Utilizzo delle unita' di misura preferite

Prode Properties permette di definire le proprie unita' di misura preferite per ogni grandezza, questo semplifica notevolmente il lavoro del progettista che puo' introdurre i dati velocemente, senza dover perdere tempo nelle conversioni, i risultati dei calcoli vengono allo stesso modo convertiti nelle unita' di misura preferite

Organizzazione della libreria di funzioni

La versione base di Prode Properties rende disponibili oltre 120 metodi studiati per consentire un semplice accesso alle diverse funzionalita' di calcolo e gestione del sistema.
La lista include : A titolo di esempio vengono riportati alcuni dei metodi inclusi :

t = SPF(stream, pout, ds)

definita una corrente, una pressione in uscita e un apporto o sottrazione di calore esegue un flash di tipo adiabatico (con contenuto entropico predefinito) e restituisce la temperatura stimata in uscita

t = LfTF(stream, p, lf)

definita una corrente, una pressione operativa ed un rapporto liquido/vapore (nel campo 0-1 dove 0 corrisponde al dew-point e 1 al bubble-point) trova la relativa temperatura di equilibrio e la restituisce in uscita.

t = SPH(stream, pout, dh)

definita una corrente, una pressione in uscita e un apporto o sottrazione di calore esegue un flash di tipo adiabatico (con contenuto entalpico predefinito) e restituisce la temperatura stimata in uscita.

MixF(stream1, stream2)

definite due correnti, simula una unita' di miscelazione (flash adiabatico) e restituisce il risultato nello stream1

Divi(stream1, stream2, wdiv)

definite due correnti (di cui stream1 e' la corrente di ingresso) ed una percentuale di divisione (campo 0-1 in percentuale sulla portata di ingresso), simula una unita' divider e restituisce in stream1, stream2, il risultato.

lsep(stream1, stream2)

definite due correnti (di cui stream1 e' la corrente di ingresso) simula una unita' di separazione liquido e restituisce in stream2 la fase liquida.

gsep(stream1, stream2)

definite due correnti (di cui stream1 e' la corrente di ingresso) simula una unita' di separazione gas e restituisce in stream2 la fase gassosa.

Esempi di applicazioni

Vengono di seguito descritti alcuni esempi di applicazioni, nella descrizione degli esempi viene impiegato il linguaggio Visual Basic incluso in Microsoft Excel.

Tracciatura del diagramma di fase di una miscela

Nello studio di molti processi una delle piu' importanti fonti di informazione sul comportamento dei fluidi e' il diagramma di fase. Questo diagramma consente di valutare velocemente la funzionalita' degli stadi di separazione, identificare eventuali condizioni critiche etc. La libreria di metodi Prode Properties dispone di specifiche funzioni per il calcolo dei valori equilibrio VLE/ LLE. La tracciatura di un diagramma di fase (temperature di equilibrio per diversi gradi della frazione liquida in un intervallo di pressioni), risulta quindi un'operazione estremamente semplice :

Dim teq(1 To 10, 1 To 11) As Double, p As Double, dp As Double, Lf As Double
p = pmin ` valore iniziale pressione
dp = (pmax - pmin) / 9 ` incremento pressione
For I = 1 To 10
Lf = 1 ` punto fine condensazione (condizione iniziale)
For II = 1 To 11
teq[I,II) = LfPF(Stream, p, Lf) ` calcola temperatura equilibrio
Lf = Lf - 0.1 ` itera da 1 (bubble) a 0 (dew)
Next II
p = p + dp
Next I

Simulazione termodinamica di uno scambiatore di calore

Uno dei piu' comuni componenti degli impianti chimici e' lo scambiatore di calore, nelle varie forme in cui viene realizzato (a tubi, a piastre etc.) questo tipo di apparecchiatura e' presente nella maggior parte dei processi chimici. Esistono in commercio programmi per il calcolo rigoroso di uno scambiatore, sono programmi costosi e spesso di impiego complesso. E' possibile tuttavia simulare velocemente ed in modo rigoroso il comportamento di uno scambiatore di calore impiegando un foglio elettronico quale Microsoft Excel.
Si consideri uno scambiatore di calore tra due correnti definite come stream1 e stream2 , si assuma di conoscere le condizioni di ingresso e di uscita di una corrente (definite da pressioni e temperature) mentre per la seconda corrente si conoscono le condizioni di ingresso e la perdita di carico attraverso lo scambiatore, si vuole quindi calcolare la temperatura in uscita. E' questo un problema estremamente comune della progettazione ed i metodi inclusi in Prode Properties permettono di risolverlo velocemente ed in modo rigoroso. L'obbiettivo e' rispettare il bilancio di energia tra i due lati dello scambiatore, la quantita' di calore ceduta da un lato deve quindi a meno degli scambi termici con l'ambiente esterno (non considerati in questo esempio), corrispondere alla quantita' di calore assorbita dal lato opposto. Il primo passo e' quindi la stima della differenza di entalpia del lato interamente definito come condizioni, il successivo sara' la stima della temperatura in uscita nel secondo lato attraverso un flash di tipo adiabatico (con apporto o sottrazione di calore). Il relativo codice (sono stati inseriti dei valori fittizi come esempio impiegando le unita' di misura base, ridefinibili dall'utilizzatore) potrebbe essere :

Dim H1in As Double, H1out As Double, p1in As Double, p1out As Double, p2in As Double, p2out As Double
Dim t1in As Double, t1out As Double, t2in As Double, t2out As Double , Dh As Double
t1in = 320 ` temperatura ingresso (lato 1) K
p1in = 150000 ` pressione ingresso (lato 1) Pa
t1out = 340 ` temperatura uscita (lato 1) K
p1out = 100000 ` pressione uscita (lato 1) Pa
t2in = 390 ` temperatura ingresso (lato 2) K
p2in = 300000 ` pressione ingresso (lato 2) Pa
p2out = 250000 ` pressione uscita (lato 2) Pa
Call setOp(1,t1in,p1in) ` definisce condizioni operative (lato 1, ingresso)
H1in = StrH(1) ` calcola entalpia (lato 1, ingresso)
Call setOp(1,t1out,p1out ) ` definisce condizioni operative (lato 1, uscita)
H1out = StrH(1) ` calcola entalpia (lato 1, uscita)
Dh = H1in - H1out ` calcola differenza entalpia nel lato 1
Call setOp(2,t2in,p2in ) ` definisce condizioni operative (lato 2, ingresso)
t2out = HPF(2,p2out,Dh) ` funzione flash per calcolo temperatura uscita lato 2

Utili strumenti per la progettazione

Nella progettazione impiantistica, cosi' come nelle altre branche dell'ingegneria chimica , meccanica , ambientale i fogli elettronici si rivelano particolarmente utili. Impiegando questi strumenti i progettisti possono predisporre una propria raccolta di procedure per risolvere una grande quantita' di problemi, la disponibilita' di uno strumento come Prode Properties consente inoltre di sveltire l'intero processo di calcolo potendo accedere a funzioni aggiuntive per la stima delle proprieta' dei fluidi, calcoli termodinamici, bilanci di massa e di energia etc.