Министерство образования Российской Федерации

Пермский государственный технический университет

Д.В.Саулин математическое моделирование химико-технологических систем

Конспект лекций

Пермь 2003

УДК

Рецензенты:

Кандидат технических наук, зам. начальника центральной лаборатории ОАО "Галоген" Н.А.Давыдов

Кандидат технических наук, ведущий инженер ЗАО "ЛУКОЙЛ-Пермь" А.Е.Огарков

Саулин Д.В.

С21 Математическое моделирование химико-технологических систем: Конспект лекций/ Перм.гос.техн.ун-т. Пермь, 2003, 91 с.

ISBN

Настоящий конспект лекций является учебным пособием для курса "Математическое моделирование химико-технологических систем", который преподается в Пермском государственном техническом университете (ПГТУ) для студентов старших курсов химико-технологических специальностей.

В соответствии с программой курса в конспекте лекций изложены общие характеристики ХТС, задачи, решаемые при проектировании ХТС, методы синтеза и основные методы расчета ХТС, рассмотрены методы анализа структуры ХТС, основы построения программных продуктов для расчета ХТС, а также рассмотрены основные вопросы оптимизации.

Стиль и объем изложения материала носят технологическую направленность, и предусматривает наличие у студентов знаний по основным технологическим дисциплинам, а также по курсу "Моделирование химико-технологических процессов".

ISBN УДК

 Пермский государственный технический университет, 2003

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 4

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ХТС 5

1.1. Понятие и связь ХТП и ХТС. Элемент ХТС. 5

1.2. Типовые технологические операторы ХТС. 10

1.3. Виды технологических связей между операторами. 11

1.4. Свойства ХТС. 15

2. ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ХТС. 17

3. СИНТЕЗ ХТС 19

4. Основные МЕТОДЫ расчета ХТС. 27

4.1. Интегральные и декомпозиционные методы расчета ХТС. 28

4.2. Анализ структуры ХТС 34

4.2.1. Представление ХТС в виде графов, матриц и таблиц. 35

4.2.2. Определение оптимальной последовательности расчета ХТС. 38

4.3. Детерминированные и статистические модели элементов ХТС. 43

4.4. Основы построения детерминированных математических моделей элементов ХТС 45

4.5. Основы построения статистических моделей элементов ХТС 55

5. ОСНОВНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ ПРОДУКТЫ ДЛЯ РАСЧЕТА ХТС. 71

6. ОПТИМИЗАЦИЯ ХТС 85

6.1. Критерий оптимальности. 87

6.2. Аналитические и численные методы нахождения оптимума. 89

7. СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 90

ВВЕДЕНИЕ

Современное химическое производство представляет собой сложную химико-технологическую систему (ХТС), состоящую из большого количества аппаратов и технологических связей между ними. Следовательно, разработка и эксплуатация производства – ХТС – требует знания как общего подхода к проблеме, так и большого количества вопросов, непосредственно связанных с ХТС.

При разработке новой ХТС или модернизации существующей, основная задача заключается в создании высокоэффективного химического производства, т.е. такого объекта химической промышленности, который позволит получать продукцию заданного качества в требуемом объеме наиболее экономически целесообразным путем. При эксплуатации существующей ХТС необходимо таким образом управлять производством, чтобы при высокой производительности и низких капитальных и текущих затратах обеспечить получение продукта требуемого качества. Кроме того, при эксплуатации ХТС необходимо не только понимать принципы организации и функционирования производства, заложенные в технологическую схему при ее проектировании, но и учитывать колебания на рынке сырья и продукции, изменения параметров сырья, требованиям к конечной продукции, а также непрерывном изменении параметров работы оборудования вследствие непрерывного расходования его ресурсов, возможных аварий, пусков, остановок и т.д.

Это приводит к тому, что начинают предъявляться повышенные требования к качеству инженерной подготовки технологических кадров, которые в будущем будут управлять производством и проводить его реконструкцию. Поэтому, наряду с "Общей химической технологией", "Процессами и аппаратами химической технологии", "Экономикой" и т.д., дисциплина: "Моделирование химико-технологических систем", приобретает все больший вес.

Целью преподавания дисциплины является освоение студентами основных принципов и методов синтеза, анализа, моделирования и оптимизации технологических схем реального производства, т.е. замкнутых и разомкнутых химико-технологических систем (ХТС) с учетом взаимодействия между аппаратами при существующих технологических и аппаратурных ограничениях, требованиях по производительности и качеству продукции и т.п. Данная дисциплина изучается студентами пятого (четвертого) года обучения (в зависимости от программы), т.к. тесно связана со следующими дисциплинами:

• Моделирование химико-технологических процессов;

• Высшая математика;

• Общая химическая технология;

• Процессы и аппараты химических производств;

• Теория технологических процессов;

• Техническая термодинамика и энерготехнология;

• Экономика.