Моделей химико-технологических процессов

ВВЕДЕНИЕ

Решение химико-технологических задач методом математического моделирования требует комплексного подхода к разработке и реализации алгоритма на базе активного знания фундаментальных и инженерных дисциплин – математики, численных методов решения, химии, физической химии, процессов и аппаратов химической технологии, основ экономики, общей химической технологии. Настоящее пособие явилось результатом обобщения материалов лекционных и практических занятий по курсу «Моделирование химико-технологических процессов и расчет реакторов» и ряду смежных дисциплин («Применение ЭВМ в химической технологии», «Математические методы в химической технологии» и др.) и предназначено для оказания помощи слушателям ИДПО при УГНТУ и студентам при самостоятельном решении задач химической технологии, как в рамках программы данных курсов, так и при курсовом и дипломном проектировании. Пособие также будет полезно аспирантам при разработке математических моделей исследуемых процессов.

Основными задачами курса являются:

· разработка интеллектуального ядра метода математического моделирования;

· формирование группы основных алгоритмов компьютерного решения задач химической технологии;

· анализ, исследование и оптимизация типовых технологических процессов.

По каждому из основных разделов пособия методы моделирования и расчета иллюстрируются развернутыми примерами, которые позволяют изучить практическую методологию решения большого числа задач химической технологии. В приложении к пособию изложены некоторые прикладные вопросы программирования на наиболее простом и доступном языке «Бейсик» и приведен ряд индивидуальных инженерных задач для самостоятельного решения, которые можно использовать как темы курсовых работ слушателей ИДПО и студентов с учетом их специализации.

Пособие составлено на базе основных типовых учебников по моделированию, оптимизации и расчету основных технологических процессов, аппаратов и систем [1-4], ряда оригинальных материалов, а также учебных пособий: Самойлов Н.А. Основы применения ЭВМ в химической технологии. -Уфа: УНИ, 1988, «Основы расчета сложных химико-технологических схем» / Сост. Самойлов Н.А. -Уфа: УНИ, 1993 и Самойлов Н.А. Примеры и задачи по курсу «Применение ЭВМ в химической технологии. – Уфа: УГНТУ, 2002.

ГЛАВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ

МОДЕЛЕЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Для разработки новых и совершенствования действующих технологических процессов необходимо изучение их работы на моделях, то есть на исследовательских объектах, отличающихся от промышленных масштабами, параметрами и свойствами технологических потоков и обеспечивающих при этом получение информации о процессе, позволяющей обеспечить разработку промышленного объекта. Различают два основных подхода к решению задачи моделирования работы промышленного объекта.

Первый подход – физическое моделирование процесса на лабораторных и пилотных установках, холодных и горячих стендах. При этом лабораторная аппаратура воспроизводит основные элементы конструкции промышленных аппаратов, изучение процесса на исследовательских установках часто носит имитационный характер (например, на холодных стендах обычно изучается поведение наиболее простой системы вода-воздух). Основой переноса результатов лабораторных исследований на промышленные системы является теория подобия. Главным недостатком метода физического моделирования является длительность проведения детального исследования процесса (до нескольких лет), необходимость разработки и изготовления специальной, часто уникальной аппаратуры, большая стоимость оборудования, реагентов и энергозатрат, оплаты обслуживающего персонала. Отсутствие во многих случаях воспроизводимости структуры потоков и технологического режима лабораторных установок при переходе к промышленным аппаратам требует разработки коэффициентов масштабных переходов и дополнительной отработки процесса в масштабах пилотных и опытно-промышленных установок. Это приводит к увеличению сроков внедрения новых разработок технологических процессов и аппаратов в промышленности до 5-10 лет, в результате чего происходит моральное устаревание этих разработок.

Второй подход – математическое моделирование химико-технологических процессов и аппаратов на основе их математического описания в виде серии комплексных компьютерных расчетов. Этот подход позволяет за короткое время (часто несколько недель) получить исчерпывающую информацию как об особенностях работы проектируемой установки, так и о закономерностях изучаемого процесса с возможностью его дальнейшей оптимизации. Основные сложности метода математического моделирования заключаются в разработке самой математической модели, поиска алгоритма ее решения и формировании программы компьютерного расчета.