Вибір технічних розмірностей

При створенні технологічної схеми необхідно вибрати технічні розмірності. У програмі представлені чотири набори одиниць виміру: англійський, метричний, СІ й альтернативний СІ. Ці набори називаються профілями одиниць виміру.

Для вибору технічних размірностей використовується команда Format/Engineering Units (Формат/Одиниці виміру). На екран виводиться вікно Engineering Unit Selection (Вибір одиниць виміру).

Вибір поточних розмірностей виконується за допомогою відповідних кнопок, розташованих у нижній частині вікна: English (Англійська), SI (СІ), Metric (Метрична) і Alt SI (альтернативна СІ). Існує можливість змінювати розмірності в межах набору одиниць виміру, а також створити власний набір одиниць виміру й зберегти його для подальшого використання.

Із застосуванням поля Atmospheric pressure reference і Vapor reference temperature можна задати значення тиску й температури.

Вибір компонентів

Відповідно до етапів моделювання наступним кроком є завдання списку хімічних компонентів процесу. Вибір компонентів проводиться з бази даних програми. Для цього використовується команда Thermophysical/Select Components (Термофізика/Вибір компонентів) на панелі інструментів або меню Components поля CHEMCAD Explorer. Після виконання команди на екран виводиться вікно Select Components. Для вибору потрібного компоненту необхідно або набрати його номер у поле Search (Пошук) і нажати клавішу [ENTER], або двічі натиснути на ліву клавішу миші на назві компоненту. Обраний компонент виводиться в області Selected Components. Всі фізико-хімічні, фізичні й хімічні властивості речовин за замовчуванням будуть надані програмою з відповідних бібліотек.

Вибір термодинамічних моделей

Щоб одержати точні результати розрахунків, необхідно вибрати метод розрахунку, що найбільш підходить для даної хімічної системи. Вибір термодинамічних моделей зводиться переважно до вибору придатних методів розрахунку констант фазової рівноваги, ентальпії, ентропії, густини, в'язкості, теплопровідності й поверхневого натягу Всіх складових потоку потоку. CHEMCAD 6 містить приблизно 50 методів розрахунку констант фазової рівноваги і близько 12 способів розрахунку ентальпії. Наприклад, за замовчуванням розрахунок термодинамічних величин ведеться по методу NRTL — методу, запропонованому Nationally Recognized Testing Laboratory (Національно-визнаною дослідною лабораторією ООН). Він використовує класичні термодинамічні методи розрахунку, які викладаються в курсах фізичної хімії та ТО ТНР.

Побудова технологічної схеми

Побудова технологічної схеми зводиться до розміщення зображень технологічного устаткування (далі апаратів або піктограм апаратів) на екрані з наступним з’єднанням їх лініями технологічних потоків. Іноді на етапі побудови схеми виникає необхідність у створенні нових і модифікації існуючих апаратів. Розглянемо послідовність виконання цих кроків.

Основною областю для побудови технологічної схеми є Palette (палітра). Кожен квадрат палітри містить символ, що вказує його функції і піктограми апаратів. Крім основної палітри для ряду піктограм виводиться Sub Palletes (підпалітра) з додатковими варіантами піктограм апаратів. Виклик підпалитри виконується натисканням лівої клавіші миші на нижньому правому куті квадрату піктограми.

В програмі представлено 4 типи реакторних модулів:

1. Стехіометричний реактор.

Використовується для проведення розрахунків, що описуються однією реакцією. Користувачу необхідно ввести вихідні компоненти, стехіометричні коефіцієнти, задати цільовий компонент і ступінь перетворення. Реакторний модуль розраховує склад вихідної суміші і теплове навантаження чи зміну температури в процесі перетворення вихідних компонентів в цільовий продукт.

2. Рівноважний реактор.

Даний модуль призначений для моделювання кількох реакцій, що протікають в одному реакторі. Користувач вказує ступінь перетворення чи константу рівноваги для кожної реакції. Модуль розраховує матеріальний та тепловий баланс реактору.

Користувач повинен вказати ступінь перетворення чи коефіцієнт рівноваги в усіх випадках крім конверсії СО водяною парою (СО+Н₂О=СО₂+Н₂) та конверсії СН₄ (СО+3Н₂=СН₄+Н₂О)

3. Реактор Гіббса

Розраховує склад рівноважної суміші при визначеному тиску та температурі на виході із реактора. Всі хімічні компоненти суміші повинні брати участь в реакції, якщо тільки вони не позначені як інертні. Рівновага визначається шляхом мінімізації енергії Гіббса реакції. Термодинамічні дані для розрахунків забезпечуються бібліотекою системи CHEMCAD.

4. Кінетичний реактор

В реальних умовах, зазвичай, рівноважний стан не досягається. І реальний ступінь перетворення вихідних реагентів залежить від швидкості протікання реакції. Кінетична модель використовується для визначення ступеню перетворення реагентів для реактору певного розміру. Константа швидкості реакції, енергія активації та інші данні повинні бути наведені користувачем.

Приклад 3.1

За допомогою системи CHEMCAD розглянути варіанти розрахунків процесу одержання аміаку в наступних реакторах:

• стехіометричний реактор;

• реактор Гіббса;

• кінетичний реактор.

Властивості вихідного потоку та умови протікання реакції наведені в таблиці 4.

Таблиця 4 Властивості вихідного потоку та умови протікання реакції синтезу аміаку

Температура	750 К	Умови процесу	Адіабатичні
Тиск	30,0 МПа	Перепад тиску	0,1 МПа
Склад вихідної суміші	20 % мол N2 80 % мол Н2	Ступінь перетворення N2	50 %
Витрата суміші	1000 моль/год	Енергія активації	50 кДж/моль

Результати розрахунків представлені в таблицях 5 – 7.

Таблиця 5. Матеріальний баланс одержання аміаку розрахований в умовах стехіометричного реакторного модуля.

Прихід маси			Витрата маси
Статті приходу	кг	%	Статті витрат	кг	%
Азот	5602,80	77,6	Азот	2801,40	38,8
Водень	1612,64	22,4	Водень	1007,90	14,0
			Аміак	3406,20	47,2
Сума	7215,44	100	Сума	7215,44	100

Таблиця 6 Матеріальний баланс одержання аміаку розрахований в реакторному модулі Гіббса

Прихід маси			Витрата маси
Статті приходу	кг	%	Статті витрат	кг	%
Азот	5602,80	77,6	Азот	4851,849	67,25
Водень	1612,64	22,4	Водень	1450,532	20,10
			Аміак	913,072	12,65
Сума	7215,44	100	Сума	7215,452	100

Таблиця 7 Матеріальний баланс розрахований в кінетичному реакторному модулі

Прихід маси			Витрата маси
Статті приходу	кг	%	Статті витрат	кг	%
Азот	5602,80	77,6	Азот	4212,22	58,38
Водень	1612,64	22,4	Водень	1312,46	18,19
			Аміак	1690,79	23,43
Сума	7215,44	100	Сума	7215,452	100

3 ОБ'ЄМ І ЗМІСТ КУРСОВОЇ РОБОТИ

Результати виконання курсової роботи оформляються у вигляді пояснювальної записки.

Пояснювальна записка оформляється в наступній послідовності:

• титульний аркуш;

• зміст із вказівкою номерів сторінок розділів і підрозділів;

• завдання на виконання курсової роботи;

• вступ;

• опис об'єкту моделювання;

• математична модель об'єкта;

• опис чисельного методу, що застосовується для вирішення рівнянь математичного опису ХТП;

• алгоритм або програма, що складена студентом для вирішення рівнянь математичного опису;

• рішення моделі;

• висновки;

• список літератури, що була викорисана .

Орієнтовний об'єм пояснювальної записки курсової роботи становить 20-30 сторінок.

1. Вступ

Стисло описується технологія процесу, що підлягає математичному моделюванню.

Коротко викладаються сучасний стан і актуальність проведення моделювання хіміко-технологічних процесів і систем. Вказується перелік завдань, які необхідно вирішити методом моделювання, формулюються основні завдання курсової роботи й визначаються шляхи їхнього вирішення.

3.2 Опис об’єкта моделювання

Приводиться схема конструкції об'єкта моделювання й описується принцип його роботи. У цьому підрозділі необхідно вказати області, у яких можливе використання розглянутого об'єкта, а також провести порівняння його з об’єктами апаратами, у яких протікають подібні процеси, але які є відмінними від нього (наприклад, за принципом дії, за умовами використання тощо).

3.3 Математична модель об’єкта

Починається зі складання математичного опису досліджуваного об'єкта, що складається або на основі системного підходу або експериментально-статистичними методами. При системному підході проводиться декомпозиція об'єкта, що моделюється, на складові елементарні процеси з наступним складанням математичного опису кожного елементарного процесу. Рівняння опису всіх процесів, що протікають у системі, поєднуються на основі принципу відповідності й утворять систему рівнянь математичного опису всього об’єкту. У загальному виді математичний опис об’єкту включає:

• рівняння балансу маси й енергії, що записані з урахуванням гідродинамічної обстановки в об’єкті, який моделюється;

• рівняння елементарних процесів для локальних елементів потоку, до яких відносять рівняння опису процесів масо- і теплообміну, а також хімічних реакцій;

• емпіричних, напівемпіричних співвідношень між параметрами процесу;

• обмежень на параметри процесу, які можуть бути обумовлені технологічними, технічними або економічними причинами.

Після цього записується математична модель - система рівнянь математичного опису, включаючи додаткові умови, що встановлюють границі її застосовності, і відомі дані, необхідні для її рішення (початкові й граничні умови, значення різних коефіцієнтів, констант і т.п.).

3.4 Рішення моделі

Приводиться опис чисельного методу, що використовувався для рішення системи математичного опису об'єкту моделювання. Потім здійснюється перетворення вихідної системи рівнянь математичної моделі до виду, зручному для рішення на ЕОМ.

Для рішення системи рівнянь математичної моделі об'єкта моделювання необхідно розробити алгоритм рішення й представити його у вигляді блок-схеми і розробити програму на одній з алгоритмічних мов. У цьому випадку обов'язковим є приведення тексту машинної програми обраною мовою програмування й таблиці ідентифікаторів, які поміщають у додатках пояснювальної записки.

При використанні для рішення системи рівнянь математичної моделі стандартних програмних продуктів у пояснювальну записку включаються робочі аркуші документа, де виконане рішення.

Після того, як складена модель адаптована для рішення на ЕОМ і налагоджена, переходять до етапу оптимізації досліджуваного об'єкта. Рішення даного завдання зводиться до пошуку ефективного режиму проведення процесу й починається з вибору критерію оптимальності - параметра, по якому можлива кількісна оцінка властивості об'єкта, що оптимізується. Завдання оптимізації може бути вирішене шляхом виконання серії розрахунків при різних початкових умовах, або в результаті розробки додаткового алгоритму, що на основі заданого критерію оптимальності дозволяє одержати рішення завдання оптимізації в автоматичному режимі.

Всі результати по моделюванню й оптимізації розглянутого об'єкта оформляються у вигляді таблиць, діаграм, графіків і доповнюються необхідними поясненнями, що докладно описують умови, у яких отримані ці результати.

Коротко викладаються основні результати курсової роботи й робляться висновки про оптимальні умови й режими роботи об'єкта, що досліджували.

Приводиться повний бібліографічний опис кожного джерела, що використовувався при оформленні пояснювальної записки. Відомості про джерела необхідно розташовувати в порядку появи посилань в тексті пояснювальної записки, нумерувати арабськими цифрами й друкувати з абзацного відступу.

4 ОФОРМЛЕННЯ ПОЯСНЮВАЛЬНОЇ ЗАПИСКИ

1. Загальні вимоги.

Пояснювальна записка оформляється на аркушах паперу формату А4 (210x297 мм) і може бути представлена як у вигляді рукописного тексту, придатного для прочитання, так і виді машинописного тексту. Сторінки пояснювальної записки нумеруються арабськими цифрами, починаючи з титульного аркуша, при цьому номер на титульному аркуші не ставиться. Текст пояснювальної записки ділиться на розділи й підрозділи. Заголовки розділів записуються з вирівнюванням по середині сторінки, заголовки підрозділів - з абзацу. Розділи повинні мати порядкову нумерацію, підрозділи - подвійну нумерацію, що починається з номера розділу й закінчується номером підрозділу, розділених крапкою. Кожний розділ пояснювальної записки починається з нової сторінки. Кожна сторінка пояснювальної записки повинна мати поля: ліве - 30 мм, інші по 20 мм.

2. Ілюстрації.

Ілюстрації (креслення, графіки, схеми, комп'ютерні роздруківки, діаграми) варто розташовувати у звіті безпосередньо після тексту, у якому вони згадуються вперше, або на наступній сторінці. Ілюстрації позначаються словом "Рис" і нумеруються арабськими цифрами. Номер малюнка з пояснювальними підписами міститься нижче малюнка.

На всі ілюстрації повинні бути дані посилання в пояснювальній записці.

3. Таблиці.

Таблиці застосовують для кращої наочності й зручності порівняння показників. Назву таблиці варто поміщати над таблицею по центру. Таблиці нумеруються арабськими цифрами.

Таблицю варто розташовувати в пояснювальній записці безпосередньо після тексту, у якому вона згадується вперше, або на наступній сторінці. На всі таблиці повинні бути посилання в пояснювальній записці.

Заголовки граф і рядків таблиці варто писати із прописної букви в однині, а підзаголовки граф - з малої літери, якщо вони становлять одну пропозицію із заголовком, або із прописної букви, якщо вони мають самостійне значення. Наприкінці заголовків і підзаголовків таблиць крапки не ставлять.

Допускається застосовувати розмір шрифту в таблиці менший, чим у тексті. Якщо цифрові або інші дані в якому-небудь рядку таблиці не приводять, то в ній ставлять прочерк.

Таблиці ліворуч, праворуч і знизу, як правило, обмежують лініями. Заголовки й підзаголовки таблиці повинні бути відділені лінією від іншої частини таблиці. Горизонтальні й вертикальні лінії, що розмежовують рядки таблиці, допускається не проводити, якщо їхня відсутність не утрудняє користування таблицею.

4.4 Формули й рівняння.

Рівняння й формули варто виділяти з тексту в окремий рядок. Вище й нижче кожної формули або рівняння повинне бути залишене не менш одного вільного рядка. Якщо рівняння не вміщається в один рядок, то воно повинне бути перенесене після знака рівності (=) або після знаків плюс (+), мінус (-), множення (х), ділення (:), або інших математичних знаків, причому знак на початку наступного рядка повторюють.

Пояснення значень символів і числових коефіцієнтів варто приводити безпосередньо під формулою в тій же послідовності, у якій вони дані у формулі. Формули в пояснювальній записці варто нумерувати арабськими цифрами в круглих дужках у крайнім правому положенні на рядку. Посилання в тексті на порядкові номери формул дають у дужках.

Допускається виконання формул і рівнянь рукописним способом чорним чорнилом.

4.5 Додатки

Додаток оформляють як продовження даного документа на наступних його аркушах. У тексті документа на всі додатки повинні бути дані посилання. Додатки розташовують у порядку посилань на них у тексті документа.

Кожен додаток варто починати з нової сторінки із вказівкою нагорі посередині сторінки слова «Додаток» і його позначення. Додатки позначають заголовними буквами українського алфавіту, починаючи з А.

Додаток повинен мати заголовок, що записують симетрично щодо тексту із прописної букви окремим рядком.

Додатки повинні мати загальну з іншою частиною документа наскрізну нумерацію сторінок.

Для прикладу в додатках до даних методичних вказівок наведено титульний лист курсової роботи та її зміст.

Список літератури

1. Химико-технологические системы. Синтез. Оптимизация. Управление. /Под ред. Мухленова И.П. –Л.: Химия, 1986. – 424с.

2. Слинько М.Г. Моделирование химических реакторов. – Новосибирск: Наука, 1968. – 95с.

3. Математическое моделирование химических реакторов /Под ред. Марчука Г.И. – Новосибирск: Наука, 1984. – 162с.

4. Методы и средства автоматизированного расчета химико-технологических систем. Учеб. пособ. для вузов /Н.В. Кузичкин, С.Н. Саутин, А.Е. Пунин и др. – Л.: Химия, 1987. – 152 с.

5. Царева З.И., Орлова Е.И. Теоретические основы химической технологии. – К.: Вища школа, 1986. – 271с.

6. Иоффе И.И., Решетилов В.А., Добротворский А.М. Гетерогенный катализ: Физико-химические основы. – Л.: Химия, 1985. – 224с.

7. Методы моделирования каталитических процессов на аналоговых и цифровых вычислительных машинах / В.С. Бесков, М.Г. Слинько, В.Б. Скоморохов и др. – М.: Наука, 1972. – 150с.

8. Математические указания к математическому моделированию реакторов для гетерогенно-каталитических процессов для студентов IV курса специальностей 25.02 и 25.13 /Сост. В.К. Стеба, Ш.З. Гареев, З.Н. Гареева. – Днепропетровск: ДХТИ, 1990. – 36с.

9. Эберт К., Эдерер Х. Компьютеры. Применение в химии: Пер. с нем. – М.: Мир, 1988. – 416с.

10. ЭВМ помогает химии: Пер. с англ./ Под ред. Г. Вернена, М. Шанона. – Л.: Химия, 1990. – 383с.

11. Закгейм А.Ю. Введение в моделирование химико-технологических процессов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1982 (серия «Химическая кибернетика») -288с.

12. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии: 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Хиия, 1985 (учебн. для вузов) - 449с.

Додаток 1