Как испытать то, чего не существует
Создать виртуальную модель, разбить ее на миллионы маленьких кубиков и решить миллионы уравнений, чтобы заглянуть внутрь реактора и понять происходящие там процессы. Этим сегодня занимаются те, кому мы обязаны топливом для наших машин и тысячам других полезных продуктов, которые окружают нас каждый день. О том, что такое вычислительная гидродинамика, «Энергии+» рассказал эксперт «Газпром нефти» по цифровому моделированию Владислав Борисенко.
О цифровых стройках
«Цифра» в нефтепереработке начинается с поиска технологического решения. Специалисты создают компьютерные модели промышленных установок, анализируя динамику потоков нефти и нефтепродуктов, их переходы из одного состояния в другое. Например, моделирование позволяет сделать эффективнее переработку углеводородных газов в востребованный растворитель метилэтилкетон, заранее определив наилучшие параметры работы оборудования и его техническое исполнение.
Для детального изучения течений, тепломассообмена и химических реакций используют инженерное моделирование технологических процессов и CFD-анализ. С помощью этих технологий можно прогнозировать распределение температуры, давления и концентрации реагентов в установках.
CFD (Computational Fluid Dynamics, вычислительная гидродинамика) — это как виртуальная лаборатория на компьютере. Представьте огромный завод, где нефть превращается в бензин, дизельное топливо, керосин и другие продукты. Там постоянно что-то смешивается, нагревается, охлаждается: нефть движется по трубам, газы создают вихри в колоннах, в установках идет химическая реакция. Эти сложные процессы нужно контролировать, чтобы все работало эффективно и безопасно.
Как понять, что происходит внутри труб, колонн и реакторов? Залезть туда с термометром или измерить скорость потока? Сложно, а иногда и невозможно. Тут на помощь приходит CFD.
О том, как работает CFD
Сначала создается точная 3D-модель существующего или проектируемого оборудования — колонны, реактора. Затем модель «заполняется» жидкостью или газом (например, нефтью или паром).
В специальном программном обеспечении прописывают технические условия моделируемого процесса. Упрощенно это выглядит как: «Вот здесь нефть втекает со скоростью 10 метров в секунду, тут температура 200 градусов». Также учитывают другие факторы: направление течения, нагрев, химические реакции.
Компьютер разбивает модель на миллионы маленьких кубиков — это называется сетка. Для каждого кубика он решает уравнения, которые описывают, как движется жидкость или газ, как меняются температура, давление и другие параметры. Словно 3D-модель разобрали на миллионы частей и для каждой части рассчитали, что там происходит.
После расчетов специалист получает картинку того, что происходит внутри. Например, можно увидеть, где нефть движется слишком быстро, где образуются завихрения, где может возникнуть перегрев или где химическая реакция идет неэффективно.
О виртуальных экспериментах
CFD помогает заранее увидеть, где гипотетически что-то может пойти не так — перегреется труба или возникнет слишком высокое давление. Это позволяет избежать поломок оборудования.
Используя CFD, ученые тестируют новые технологии переработки нефти в экологичные виды топлива, инновационные углеродные материалы и продукты, прежде чем их создадут на «железном» оборудовании. Виртуальные эксперименты экономят время и ресурсы. Представьте, что вы проектируете огромную колонну для разделения нефти на фракции. С помощью CFD можно увидеть, как нефть и газы движутся внутри колонны; найти места, где нефть застревает или где энергия тратится впустую; улучшить форму колонны или расположение внутренних элементов, чтобы все работало эффективнее.
CFD — удобный инструмент для того, чтобы заглянуть внутрь процессов, которые невозможно увидеть, и понять, как сделать их лучше. В нефтепереработке и нефтехимии это особенно важно, потому что здесь все связано с огромными объемами, высокой температурой, давлением и сложными химическими реакциями. CFD помогает создавать технологии, которые работают быстрее, дешевле и безопаснее, а это важно для всех — от инженеров до потребителей.
О разработчиках моделей нефтепереработки
В команде нашего центра моделирования и прототипирования работают высококвалифицированные сотрудники, владеющие передовыми инструментами инженерного моделирования, в том числе CFD. Среди них есть и эксперты, разрабатывающие новые методики цифрового анализа и адаптирующие их под специфику процессов нефтепереработки.
«Газпром нефть» поддерживает подготовку таких специалистов. В Томском государственном университете при участии компании запущена магистерская программа, посвященная цифровому моделированию нефтепереработки. Благодаря ей студенты могут освоить передовые технологии, применяемые в промышленности.
Компания регулярно проводит стажировки для студентов профильных направлений, чтобы они обучались на реальных производственных объектах. Ведь цифровые технологии в нефтепереработке — это не просто тренд, а инструмент повышения эффективности.
