Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
«Казанский национальный исследовательский технологический университет»
(ФГБОУ ВО «КНИТУ»)
УТВЕРЖДАЮ
Ректор_______________
«____»__________2016 г.
м. п.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УНИВЕРСАЛЬНОЙ МОДЕЛИРУЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ CHEMCAD
Разработчики программы: | д. т.н., профессор | |
к. т.н., доцент |
Категория слушателей: | преподаватели и научно-педагогические работники вузов, ДПО и внутрифирменного обучения, аспиранты и лица, получающие высшее профессиональное образование. |
Трудоемкость программы: | 72 часа (2 зачетные единицы) |
Режим обучения: | 12 недель по 9 часов в неделю (6 часов аудиторных занятий и 3 часа самостоятельной работы) |
Форма обучения: | с частичным отрывом от работы |
2016 г.
ВВЕДЕНИЕ
1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ, ЕЕ МЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ
1.1. Цель преподавания дисциплины
1.1.1. Объект изучения дисциплины – компьютерные технологии моделирования и оптимизации химико-технологических процессов и систем.
Предмет изучения – универсальная моделирующая программа ChemCad.
1.1.2. Целью преподавания дисциплины «Компьютерное моделирование и оптимизация химико-технологических процессов и систем с использованием универсальной моделирующей программы ChemCad» является формирование общепрофессиональных и специальных компетенций слушателей в области компьютерного моделирования и оптимизации химико-технологических процессов и систем:
· способность к освоению новой техники, новых методов и новых технологий;
· способность корректно ставить задачи системного анализа на всех стадиях жизненного цикла химико-технологических процессов и систем;
· способность формализовать в виде математических задач проектирования, исследования, оптимизации химико-технологических процессов и систем на основе вербальной постановки;
· способность правильно выбирать методы расчета физико-химических и термодинамических свойств веществ и их смесей, математических моделей аппаратов химической технологии при решении задач исследования, проектирования и оптимизации химико-технологических процессов и систем;
· способность осуществлять направленный выбор эффективных методов расчета и оптимизации химико-технологических процессов и систем;
· способность к правильному пониманию и интерпретации причинно-следственных связей стационарных и динамических процессов, протекающих в химико-технологических процессах и системах;
· способность к выявлению на основе методов системного анализа «узких мест» функционирования химико-технологических процессов и систем и выбору направлений их ликвидации;
· способность правильно интерпретировать результаты математического моделирования и оптимизации.
1.1.3. Задачи изучения дисциплины
Для достижения поставленной цели в процессе преподавания дисциплины «Компьютерное моделирование и оптимизация химико-технологических процессов и систем с использованием универсальной моделирующей программы ChemCad» решаются следующие задачи:
· формирование знаний о методах анализа и синтеза химико-технологических процессов и систем;
· обучение технологии работы в современных универсальных моделирующих программах;
· обучение методикам проведения анализа и синтеза технологических процессов и систем средствами универсальных моделирующих программ;
· обучение решению производственных задач, связанных с автоматизированным поиском энерго - и ресурсосберегающих режимов работы действующих и проектированием новых энерго - и ресурсосберегающих химико-технологических процессов и систем.
1.2. Результаты, достигаемые при обучении
В результате изучения дисциплины «Компьютерное моделирование и оптимизация химико-технологических процессов и систем с использованием универсальной моделирующей программы ChemCad»:
1.2.1. Слушатель должен знать:
· о системном подходе и общесистемных свойствах и закономерностях;
· основные определения и понятия о физико-химических и химико-технологических системах;
· о месте и роли задач анализа и синтеза на этапах жизненного цикла химико-технологических систем;
· этапы структурного анализа и методы решения задач структурного анализа;
· методы расчета стационарных режимов химико-технологических систем;
· алгоритмические и эвристические методы синтеза химико-технологических систем;
· методы интенсификации функционирования химико-технологических процессов и систем;
· возможности универсальных моделирующих программ для решения задач анализа и синтеза химико-технологических систем.
1.2.2. Слушатель должен уметь:
· корректно ставить задачи анализа и синтеза химико-технологической системы;
· проводить структурный анализ исследуемой химико-технологической системы;
· строить компьютерную модель исследуемого или проектируемого технологического процесса средствами универсальной моделирующей программы;
· настраивать компоненты универсальной моделирующей программы для решения задач анализа и синтеза химико-технологической системы;
· представлять результаты решения задач анализа и синтеза химико-технологической системы в графическом и текстовом виде.
1.2.3. Слушатель должен владеть:
· основными знаниями и навыками методологии анализа и синтеза исследуемого или проектируемого технологического процесса средствами универсальной моделирующей программы;
· навыками анализа полученных результатов с точки зрения адекватности рассматриваемому технологическому процессу
1.3. Перечень дисциплин, усвоение которых необходимо для изучения данной дисциплины
Для изучения данной дисциплины необходимы знания дисциплин: общая химическаяй технология, процессы и аппараты химической технологии, математическое моделирование и оптимизация химико-технологических процессов и систем, и навыки работы с офисными программами Microsoft.
Знания и умения, полученные в результате изучения этой дисциплины, позволят провести компьютерный анализ, оптимизацию и синтез химико-технологических процессов и систем на всех стадиях их жизненного цикла.
1.4. Перечень дисциплин, которые будут изучаться на базе данной дисциплины в будущем
Дисциплина «Компьютерное моделирование и оптимизация химико-технологических процессов и систем с использованием универсальной моделирующей программы ChemCad» является самостоятельной программой повышения квалификации. Освоение дисциплины открывает возможность более глубокого понимания проблемы математического моделирования и оптимизации химико-технологических процессов и систем. С использованием знаний и умений, полученных в результате изучения дисциплины, выполняется выпускная квалификационная работа, предметом исследования которой является компьютерное моделирование и оптимизация конкретных химико-технологических процессов и систем на всех стадиях их жизненного цикла.
Работа предоставляется на электронном и бумажном носителях. В ней описываются цель работы, постановка задачи, компьютерная модель, собранная в среде ChemCad. Приводятся основные результаты и выводы по работе.
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
2.1. Распределение времени по видам учебной работы
Вид учебной нагрузки | Часы | Форма контроля |
Лекции | 12 | |
Лабораторные работы | 48 | |
Входное и выходное тестирование | 2 | |
Выпускная работа | 10 | Защита |
Всего аудиторных часов | 72 |
2.2. Входной контроль
Анализ уровня знаний общей химической технологии, процессов и аппаратов химической технологии, математического моделирования и оптимизации химико-технологических процессов и систем, навыков работы с офисными программами Microsoft. Актуализация знаний. Определение содержания и графика индивидуальной самостоятельной работы. – 1 час
2.3. Лекционные занятия
Тема 1. Объект и предмет, цели и задачи дисциплины. Понятие химико-технологической системы (ХТС). Системный подход к решению задач анализа, синтеза и управления ХТС. Место универсальных моделирующих программ в решении задач химической технологии. Общие сведения о программе ChemCad. – 2 часа
Тема 2. Моделирование технологического процесса. Задание исходных данных для моделирования. Формирование групп аппаратов в рамках одной ХТС. Расчет одного аппарата, группы аппаратов, всей ХТС. Принципы расчета замкнутых ХТС. Настройка методов расчета замкнутых ХТС. Интерактивный просмотр результатов. Составление отчета. Исследование параметрической чувствительности. – 2 часа
Тема 3. Использование контроллеров. Контроллер прямого присвоения значения независимой переменной технологической схемы. Особенности задания параметров для расчета контроллера прямого присвоения значения независимой переменной технологической схемы. Контроллер подбора значения независимой переменной технологической схемы. Особенности задания параметров для расчета контроллера подбора значения независимой переменной технологической схемы. – 2 часа
Тема 4. Оптимизация стационарных режимов процессов. Формирование задачи оптимизации в УМП ChemCad. Задание критерия оптимальности. Поисковые переменные. Ограничения на зависимые переменные процесса. Настройка метода решения задачи оптимизации. Решение задачи оптимизации. – 2 часа
Тема 5. Моделирование химической реакции в периодическом реакторе (Batch Reactor). Решение прямой задачи кинетики. Понятие прямой задачи кинетики. Данные необходимые для ее решения. Анализ получаемых результатов. Решение обратной задачи кинетики. Понятие обратной задачи кинетики. Данные необходимые для ее решения. Смысл уравнения регрессии. Анализ получаемых результатов. – 2 часа
Одна из нижеследующих тем лекций выбирается слушателем для набора необходимого количества часов, выделяемых на лекции.
Тема 6. Оптимизация стационарных режимов процессов на основе критериев и ограничений, имеющих сложный функциональный вид. Формирование сложного критерия средствами СОМ-объекта УМП ChemCad с использованием в качестве сервера Microsoft Excel. Структура СОМ-Объекта УМП ChemCad. Основные методы СОМ-объекта для извлечения параметров потоков и аппаратов ХТС. Передача результатов вычислений Microsoft Excel в «модуль Excel» УМП ChemCad. Использование значений параметров «модуля Excel» в качестве значений критерия и ограничений при оптимизации стационарных режимов ХТС. – 2 часа
Тема 7. Расчет размеров оборудования. Расчет размеров тарельчатых колонн. Особенности расчета размеров тарельчатых колонн. Конструктивные параметры различных массообменных контактных устройств Постановка проектного и поверочного расчетов тарельчатых колонн в УМП ChemCad. Расчет размеров теплообменного оборудования. Особенности расчета размеров теплообменного оборудования. Конструктивные параметры различных видов теплообменников. Постановка проектного и поверочного расчетов теплообменного оборудования в УМП ChemCad. – 2 часа
Тема 8. Работа с УМП ChemCad в режиме клиент-сервер с использованием в качестве клиента Microsoft Excel. Основные методы СОМ-объекта УМП ChemCad для передачи значений параметров в потоки и аппараты ХТС. Методы СОМ-объекта для запуска клиентом операций расчета материально-теплового баланса и оптимизации ХТС. Методы СОМ-объекта для анализа клиентом ошибок основных методов вызова УМП ChemCad в качестве сервера. – 2 часа
2.4. Лабораторные занятия
Занятие 1. Начало работы с ChemCad. Создание нового файла технологической схемы. Использование справочной системы. Структура рабочего окна. Описание элементов палитры моделей оборудования. Практическое освоение интерфейса УМП ChemCad на примере моделирования ХТС стабилизации газового конденсата (СГК). Построение информационной блок-схемы ХТС средствами ChemCad. Выбор разрываемого потока. – 4 часа
Занятие 2. Построение технологической схемы в среде ChemCad. Построение пользовательского профиля технических размерностей. Выбор компонентов химической системы. Выбор моделей расчета физико-химических и термодинамических свойств химической системы. – 4 часа
Занятие 3. Задание исходных данных для моделирования. Задание параметров потоков питания и разрываемых потоков. Ввод параметров оборудования. Выбор параметров сходимости для расчета схем с рециклами. Запуск программы моделирования. – 4 часа
Занятие 4. Работа с ХТС СГК в режиме моделирования. Просмотр параметров отдельных потоков. Просмотр рассчитанных значений зависимых параметров аппаратов. – 4 часа
Занятие 5. Интерактивный просмотр результатов моделирования ХТС: профилей колонн, параметров потоков и аппаратов, свойства и составы смесей на отдельных тарелках, кривых равновесия в различных системах, тепловых кривых, свойств потоков и др. Просмотр результатов моделирования в текстовом режиме с помощью команд меню Results (Результаты). Функции графического представления результатов моделирования меню Plot (График). Просмотр результатов моделирования ХТС СГК в текстовом и графическом виде. – 4 часа
Занятие 6. Составление отчета с помощью команды Report. Построение диаграммы технологического процесса. Настройка опций команд вывода блоков параметров потоков и аппаратов на диаграмме технологического процесса. Вывод блоков динамического отображения параметров потоков. Настройка частоты вывода информации в блоки динамического отображения. – 4 часа
Занятие 7. Исследование параметрической чувствительности ХТС. Определение зависимых и независимых переменных технологической схемы. Выполнение анализа чувствительности с одной независимой переменной. Выполнение анализа чувствительности с двумя независимыми переменными. Просмотр результатов анализа чувствительности. Анализ параметрической чувствительности ХТС СГК. – 4 часа
Занятие 8. Использование контроллеров прямого присвоения значения независимой переменной и подбора значения независимой переменной для моделирования ХТС СГК. – 4 часа
Нижеследующие задания выполняются слушателем по выбору для набора необходимого количества часов, выделяемых на лабораторные работы.
Занятие 9. Моделирование установки получения водно-гликолевого раствора гидратацией оксида этилена. Настройка параметров математической модели кинетического реактора. Анализ параметрической чувствительности ХТС. – 4 часа.
Занятие 10. Моделирование ректификационной колонны для разделения пропан-пропиленовой фракции. Моделирование режимов работы конденсатора ректификационной колонны. Настройка параметров расчета математической модели ректификационной колонны. Выбор оптимальной тарелки питания средствами анализа чувствительности. – 4 часа
Занятие 11. Оптимизация режимов работы пропан-пропиленовой колонны по сложным критерию и ограничениям. Использование модуля Excel для формирования критерия и ограничений. Написание макроса на VBA с использованием методов COM – объекта ChemCad для обмена данными по технологии клиент сервер ChemCad-Excel. – 4 часа
Занятие 12. Моделирование процесса синтеза аммиака. Оптимизация ХТС синтеза аммиака. Выбор оптимальной топологии ХТС. Поиск оптимального режима работы аппаратов ХТС. – 4 часа
Занятие 13. Моделирование химической реакции в периодическом реакторе (Batch Reactor). Решение прямой и обратной задачи кинетики на примере реакций получения диэтиленгликоля. – 4 часа
Занятие 14. Ввод параметров нового вещества в базу свойств веществ. Просмотр свойств веществ в базе компонентов. – 4 часа
Занятие 15. Расчет размеров оборудования. Клапанные и ситчатые тарелки. Кожухо-трубчатые теплообменники. – 4 часа.
2.5. Выходной контроль
Контроль уровня теоретических знаний и практических навыков решения конкретных задач компьютерного моделирования и оптимизации химико-технологических процессов и систем на всех стадиях их жизненного цикла с использованием универсальной моделирующей программы ChemCad. – 1 час
3. Организация самостоятельной работы слушателей
3.1. Характеристика самостоятельной работы слушателей
Общая продолжительность СРС, предусмотренная рабочей программой направления повышения квалификации по дисциплине «Компьютерное моделирование и оптимизация химико-технологических процессов и систем с использованием универсальной моделирующей программы ChemCad», составляет 36 часов (1 зач. ед.). Она включает работу с учебно-методической литературой для поиска ответов на вопросы для самостоятельной работы и выполнение заданий.
3.1.1. Вопросы для самостоятельной работы
1. Приведите определение системы, элемента системы, подсистемы.
2. Приведите определение ХТС, элемента ХТС.
3. Дайте определения и приведите примеры замкнутых и разомкнутых ХТС.
4. С какой целью создаются замкнутые ХТС?
5. Что характеризует критерий эффективности ХТС?
6. Приведите примеры технологических и экономических критериев эффективности ХТС.
7. Какими общесистемными свойствами обладает ХТС?
8. Дайте определение свойства целостности и членимости системы.
9. Дайте определение свойства связности системы.
10. Дайте определение свойства интегративности (эмерджентности) системы. Приведите примеры свойств интегративности для химико-технологических, биологических, технических, экономических, социальных систем.
11. Дайте определение свойства чувствительности ХТС.
12. Дайте определение свойства управляемости ХТС.
13. Дайте определение свойства надежности ХТС.
14. Дайте определение свойства помехозащищенности ХТС.
15. Дайте определение свойства устойчивости ХТС.
16. Дайте определение свойства гибкости (работоспособности) ХТС.
17. Чем отличается моделируемая схема от технологической схемы? Какие графические формы используются для представления моделируемой схемы?
18. Дайте классификацию и назначение переменных элемента моделируемой ХТС.
19. Дайте классификацию потоков ХТС.
20. Из каких частей состоит математическая модель ХТС?
21. Что представляют собой с физико-химической точки зрения математические модели элементов (аппаратов) ХТС?
22. Что представляют собой с математической точки зрения математические модели элементов (аппаратов) ХТС?
23. Что представляет собой математическая модель структуры ХТС?
24. На какие два класса делятся переменные математической модели ХТС?
25. Чем отличаются независимые переменные от зависимых?
26. Как рассчитывается число независимых переменных?
27. Какие задачи можно решить, если математическая модель ХТС имеет степени свободы?
28. Сформулируйте задачу расчета ХТС.
29. К какой математической задаче сводится расчет замкнутой ХТС?
30. Сформулируйте задачу оптимизации ХТС.
31. Что включает в себя формализованная постановка задачи оптимизации ХТС?
32. К какой математической задаче сводится задача оптимизации ХТС?
33. Сформулируйте задачу оптимального синтеза.
34. К какой математической задаче сводится задача оптимального синтеза ХТС?
35. В чем заключается последовательный модульный подход к расчету ХТС?
36. Для каких целей проводится структурный анализ ХТС?
37. Дайте определение комплекса в структуре ХТС.
38. По каким критериям выбираются условно-разрываемые потоки в комплексе?
39. Предложите в виде блок-схемы пример замкнутой ХТС с несколькими комплексами с указанием параметричности потоков. Проведите структурный анализ предложенной ХТС по критерию минимальной параметричности разрываемых потоков.
40. Приведите алгоритм расчета комплекса.
41. К какой математической задаче сводится расчет комплекса и почему?
42. Дайте общее описание итерационного процесса решения системы нелинейных уравнений.
43. Дайте описание метода простой и модифицированной простой итерации для решения системы нелинейных уравнений.
44. Дайте описание метода Вегстейна для решения системы нелинейных уравнений.
45. Дайте описание метода доминирующего собственного значения для решения системы нелинейных уравнений.
46. Какие критерии используются для окончания расчета комплекса (систем нелинейных уравнений)?
47. Сформулируйте общую задачу минимизации.
48. Приведите классификацию задач минимизации.
49. Чем отличаются между собой задачи безусловной и условной минимизации?
50. Приведите структурную схему методов безусловной оптимизации.
51. Чем отличаются между собой методы безусловной минимизации нулевого, первого и второго порядков?
52. Перечислите известные Вам методы оптимизации нулевого, первого, второго порядков.
53. Перечислите известные Вам методы решения задач условной минимизации.
54. В чем заключается основная сложность решения задачи оптимального синтеза?
55. Приведите формулу для расчета числа вариантов схем разделения зеотропной смеси.
56. Рассчитайте число вариантов и нарисуйте возможные схемы разделения пятикомпонентной смеси.
57. Приведите эвристические правила, используемые при проектировании схем ректификации зеотропных смесей.
58. Приведите эвристические правила, используемые при проектировании процессов теплообмена.
59. Приведите эвристические правила, используемые при проектировании реакторных процессов.
3.1.2. Задания для самостоятельной работы
1. Моделирование колонны для разделения изобутан-бутановой колонны.
(Описание задачи и варианты заданий приведены в [7] на с.194.
4. Информационно-методическое обеспечение дисциплины
4.1. Основная литература
1.Гартман, компьютерного моделирования химико-технологических процессов: Учебное пособие / , . – М.: Из-во ИКЦ «Академкнига», 2006. – 416с.
2.Лисицин, Н. В. ХТС: оптимизация и ресурсосбережения / , , . – СПб.: Менделеев, 2007. – 312с.
3.Островский, в химической технологии / , , . – Казань: Изд-во «Фэн» Академии наук РТ, 2005. – 394с.
4.2. Дополнительная литература
4.Дорохов, анализ процессов химической технологии / , . – М.: Наука, 2005. – 584с.
5.Кафаров, и синтез химико-технологических систем / , . – М.: Химия, 1991. – 432с.
6.Островский, технических систем/ , Н. Н., – М. : КНОРУС, 2012. — 424 с.
4.3. Учебно-методическая литература
7.Зиятдинов, анализ химико-технологических процессов с использованием программы CHEMCAD: Учебно-методическое пособие / , [и др.]. – Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2009. – 212с.
8.Савельев, Н. И. ChemCad. Примеры решения практических задач / . – Чебоксары: , 2009. – 200с.
9.Система повышения квалификации. Расчет тепловых балансов химико-технологических процессов (стационарное состояние)/ Нор-Пар Онлайн А/С
4.4.Программное и техническое обеспечение
Лекционные занятия проводятся в аудитории, оснащенной средствами мультимедийного сопровождения.
Лабораторные занятия проводятся в помещении компьютерного класса с использованием персональных компьютеров с установленной универсальной моделирующей программой ChemCad (www. ).
