Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

ЕЛЕКТРОННЕ НАВЧАЛЬНЕ ВИДАННЯ

Алгоритмізація і програмуванНя

науково-технічних

та технологічних розрахунків

НАВЧАЛЬНИЙ ПОСІБНИК

для студентів

спеціальності 7.05130101, 8.05130101

“Хімічні технології неорганічних речовин”

хіміко-технологічного факультету

Розглянуто Методичною радою НТУУ «КПІ»

Київ НТУУ “КПІ” 2013

Навчальний посібник з дисциплін «Алгоритмізація і програмування науково-технічних розрахунків» і «Алгоритмізація і програмування технологічних розрахунків» для студентів спеціальності 8.05130101, 7.05130101 «Хімічні технології неорганічних речовин» хіміко-технологічного факультету.

Укладачі : А.Л. Концевой, С.А. Концевой - НТУУ «КПІ», 2013. – 286 с.

Затверджено Методичною радою НТУУ «КПІ»

(Протокол №7 від 21 березня 2013 р.)

Свідоцтво НМУ № Е 12/13-096

ЕЛЕКТРОННЕ НАВЧАЛЬНЕ ВИДАННЯ

Алгоритмізація і програмуванНя

наукоВО-технічних

та технологічних розрахунків

НАВЧАЛЬНИЙ ПОСІБНИК

для студентів спеціальності 7.05130101, 8.05130101

«Хімічні технології неорганічних речовин»

Укладачі: Концевой Андрій Леонідович, канд. техн. наук, доцент;

Концевой Сергій Андрійович, канд. техн. наук, ст. викладач.

Відповідальний редактор А.Л. Концевой, канд. техн. наук, доцент.

Рецензенти: Соловйов С.О., докт. хім. наук, с.н.с.,

Манчук Н.М., канд. техн. наук, доцент.

За редакцією укладачів

Зміст

ВСТУП 4

Розрахунки в середовищі excel 6

Розділ 1. Розрахунок кінетичних параметрів топохімічних реакцій 6

Розділ 2. Статистична обробка результатів експерименту 10

розділ 3. Розрахунок кінетичних параметрів хімічних реакцій 15

Розділ 4. оптимізація об'єктів досліджень за моделями другого порядку 20

розділ 5. Розрахунки математичних моделей "склад - властивість" 26

розділ 6. Розрахунок кінетичних параметрів за дериватографічними даними 31

розділ 7. Розрахунок очищення коксового газу від сірководню 37

розділ 8. Розрахунок виробництва водню мембранним методом 44

розділ 9. Розрахунок паро – повітряної 56

конверсії метану 56

розділ 10. Розрахунок двоступеневої 68

na-катіонітової установки 68

розділ 11. Розрахунок матеріального балансу синтезу метанолу 73

розділ 12. Розрахунок матеріального балансу синтезу аміаку 82

розділ 13. Розрахунок очищення газу від CO2 розчином моноетаноламіну 89

розділ 14. Аналіз статики іонного обміну однозарядних (рівнозарядних) іонів 109

розділ 15. Аналіз статики іонного обміну різнозарядних іонів 114

розділ 16. Розрахунок очищення газу від оксиду карбону (iv) гарячим розчином поташу 118

Розділ 17. Розрахунок регенерації розчину моноетаноламіну 145

Розрахунки в середовищі mathcad 158

розділ 18. Розрахунок рівноваги оборотних реакцій 158

розділ 19. Розрахунок трубчатого реактора конверсії природного газу 161

розділ 20. Розрахунок рівноваги пароповітряної конверсії метану 166

розділ 21. Розрахунок окиснення 171

оксиду сульфуру (iv) 171

розділ 22. Альтернативний розрахунок матеріального балансу синтезу аміаку 179

розділ 23. Альтернативний розрахунок матеріального балансу синтезу метанолу 185

розділ 24. Розрахунок паро-вуглекислотної конверсії природного газу 191

розділ 25. Розрахунок вуглекислотної рівноваги у водних розчинах 199

розділ 26. Аналіз динаміки іонного обміну однозарядних іонів 210

розділ 27. Термодинамічний та матеріальний розрахунки газифікації вугілля 229

розділ 28. Термодинамічний розрахунок газифікації (конверсії) вуглеводнів 239

РОЗДІЛ 29. Розрахунок концентрацiй iонiв 252

у вапнованiй та коагульованiй воді 252

РОЗДІЛ 30. Аналіз динаміки іонного обміну різнозарядних іонів 261

розділ 31. Термодинамічний розрахунок газифікації рідких палив невідомої формули 266

розділ 32. Розрахунок поличних колон синтезу аміаку 273

Методичні рекомендації до виконання розрахункової роботи 279

Присвячується доценту Жидкову Борису Андрійовичу

ВСТУП

Застосування алгоритмічного підходу до розрахунків хіміко-технологічних систем з використанням обчислювальної техніки, зокрема аналогових обчислювальних машин, на хіміко-технологічному факультеті Київського політехнічного інституту пов’язано з іменами доцентів кафедри технології неорганічних речовин та загальної хімічної технології (ТНР та ЗХТ), кандидатами технічних наук Жидковим Б.А. і Бондар А.Г. і їх підручником: Жидков Б.А., Бондарь А.Г. Алгоритмизация расчетов в химической технологии. Киев: Вища школа, 1970. - 272 с. Бурхливий розвиток обчислювальної техніки обумовил відокремлення від кафедри ТНР та ЗХТ (зав. кафедри проф. Плигунов О.С.) кафедри кібернетики хіміко-технологічних процесів, яку очолила проф. Бондар А.Г.

Застосування цифрових обчислювальних машин (малих за кількістю і великих за розмірами, з обмеженим доступом до них) продовжувалось до середини 80-х років 20 століття, коли почалася ера персональних комп’ютерів (ПК) з мовою програмування Basic - послідовні версії GWBasic, Qbasic, QuickBasic, що були використані доц. Концевим А.Л. і н.с. Костенко О.Б. для комп’ютерізації навчального процесу і обробки даних наукових досліджень. За всебічної підтримки завідувача кафедри ТНР та ЗХТ проф. Астреліна І.М. створена комп’ютерна лабораторія, кількість ПК доведена за 22 роки з 2 до 22, при цьому всі ПК підключені до мережі Інтернет. Доц. Концевим А.Л. впроваджено в навчальний процес з 1998 р. розрахунки в середовищі Excel, з 2002 р. програмування в середовищі Visual basic for applications. З 2002 р. впроваджено в навчальний процес застосування засобів комп’ютерної графіки – послідовно пакетів AutoCad (інж. Банюк К.М.) і КОМПАС (ас. Банюк К.М., н.с. Костенко О.Б.). З 2006 р. розпочато програмування розрахунків в середовищі MathCad (ас. Концевой С.А.).

Запропоновані в навчальному посібнику алгоритми і способи їх реалізації базуються на авторських розробках, що пройшли багаторічну апробацію на кафедрі ТНР та ЗХТ, і не мають аналогів у навчальній літературі.

Даний навчальний посібник призначен активувати застосування студентами персональних комп‘ютерів в навчальному процесі. Необхідність адаптації існуючих і розробки нових алгоритмів сприятиме більш якісному засвоєнню студентами фундаментальних і технологічних аспектів фахових дисциплін спеціальності «Хімічні технології неорганічних речовин». Реалізація алгоритмів вимагатиме від студентів поглиблених знань та вмінь програмування в середовищах Excel і MathCad. Поєднання знань студентів з теоретичних засад і технології, короткі відомості з яких надаються в кожній роботі, та програмування спрямовується на адаптацію, доповнення та створення алгоритмів і програм багатоваріантних розрахунків складних хіміко-технологічних об‘єктів та обробки наукових експериментальних даних з наступним їх використанням при виконанні науково-технічних розрахунків за тематикою дипломних, курсових проектів і робіт та магістерської дисертації.

Особливість запропонованих алгоритмів полягає в тому, що в більшості випадків, на відміну від загально прийнятого підходу, не приводяться результати контрольних розрахунків взагалі або окремих параметрів. Це вимагає від студентів зосередженості при створенні програм і аналізу отриманих результатів з точки зору фізико-хімічних основ і показників технологічного режиму процесу або реакції, що розглядаються.

Комп’ютерізація навчального процесу супроводжується постійними змінами операційних систем, технічного і програмного забезпечення, що вимагає безперервного удосконалення існуючих і розробки нових алгоритмів та програм розрахунків. Маємо надію, що студенти і співробітники кафедри приймуть в цій роботі активну і безпосередню участь.

Розрахунки в середовищі excel Розділ 1. Розрахунок кінетичних параметрів топохімічних реакцій

Процеси термічного розкладання (технології одержання каталізаторів, адсорбентів, мінеральних добрив, абразивів, пігментів, напівпровідників, будівельних матеріалів та ін.) об’єднані своєю топохімічною природою – локалізацією початку реакції на деяких елементах поверхні кристалів та часток твердої речовини і подальшим розвитком реакції на границі розділення двох твердих фаз (початкової та кінцевої).

Закономірності та особливості топохімічних реакцій (локалізованих у просторі) викладено у [1,2]. Швидкість таких реакцій (залежність ступеня перетворення х від часу τ) описується рівнянням Колмогорова-Єрофеєва, яке в інтегральній формі має вигляд (k – константа швидкості):

, (1)

в якому показник степеня n виражається сумою ,

де σ - число елементарних стадій (максимум 3) при перетвореннях зародку в ядро, що активно росте, а залежить від числа напрямків, в яких ростуть ядра. Так, а = 1, якщо ядра ростуть в одному напрямку, а = 2 для двох напрямків росту ядер і а = 3 для трьох напрямків.

В залежності від того, чи росте ядро від точкового центру, лінійної вісі чи від площин, вздовж яких реакція поширюються значно ширше, показник степеню n зменшується до 2 (максимальне n = 6). Він може бути рівним 1, якщо активні центри є в достатній кількості на самому початку реакції, а швидкість їх росту в одному напрямку значно нижча за швидкість росту в двох інших напрямках. В такому випадку топокінетичне рівняння стає ідентичним рівнянню першого порядку. Експериментально визначений показник степені в сильній мірі залежить від величини питомої поверхні, або дисперсності вихідної твердої фази.

Після подвійного логарифмування рівняння (1):

(2)

, (3)

де , .

Мета роботи: розрахунок в середовищі Excel кінетичних параметрів рівняння Колмогорова - Єрофєєва.

Вихідні дані.

Залежність ступеня розкладання перманганату калію х (частки, координатна вісь ) від часу  (хв., координатна вісь Х)

№ точки	1	2	3	4	5
х)	0,0014	0,0028	0,0069	0,0125	0,0166
	10N	20N	30N	40N	50N
№ точки	6	7	8	9	10
х	0,022	0,0305	0,0415	0,0526	0,0706
	60N	70N	80N	90N	100N
№ точки	11	12	13	14	15
х	0,0941	0,1357	0,1993	0,3073	0,4527
	110N	120N	130N	140N	150N
№ точки	16	17	18	19	20
х	0,6008	0,7489	0,8569	0,9427	0,9787
	160N	170N	180N	190N	200N

Алгоритм розрахунку:

- побудувати діаграму хза вихідними даними (варіант N дорівнює останній цифрі залікової книжки студента). Нагадаємо, що тут і далі тип діаграми «точечний»;

- побудувати діаграму Y₁за рівнянням (3). Кількість прямих відрізків означає кількість дільниць перебігу реакції з різними механізмами (різнимиk та n);

- розбити на 2 прямих відрізки криву Y₁: курсор підвести до кривої, натиснути праву клавішу миші, вибрати пункт «Исходные данные», вкладка «Ряд», розбити криву на 2 ряди з відповідними границями;

- апроксимувати кожний відрізок: курсор підвести до відрізку, натиснути праву клавішу миші, вибрати пункт «Добавить линию тренда», вкладка «Тип» – вибрати «линейная», вкладка «Параметры» – відмітити «показать уравнение на диаграмме», «поместить на диаграмму величину достоверности аппроксимации (R^2)». В статистиці R² – коефіцієнт детермінації, корінь квадратний з якого R дорівнює коефіцієнту кореляції і чим ближче обидва показника до 1, тим краще описує рівняння експериментальні дані;

- порядок n для кожного відрізку графіку Y₁дорівнює коефіцієнту перед змінною (тангенс кута нахилу прямої);

- розрахувати значення константи k, що дорівнює ехр(вільний коефіцієнт рівняння апроксимації);

- диференціювати рівняння (1) і одержати рівняння швидкості реакції в диференційній формі .

- розрахувати за отриманим рівнянням швидкість процесу, побудувати діаграму залежності . Визначити координати (х та ) точки з максимальною швидкістю реакції (використати функцію «макс»).

- розрахувати для кожної точки ступінь розкладання х за рівнянням (1) при значеннях отриманих значеннях n і k. Розрахувати відносне відхилення (%) експериментальних і розрахункових значень х. Доповнити діаграму хрозрахунковою залежністю ступеня перетворення від часу. Позначити (легенда) отримані 2 ряди: «дослід» і «розрахунок».