НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Механико-технологический факультет
кафедра технологических процессов и аппаратов
УТВЕРЖДАЮ
Декан МТФ
«____»______________2006 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА учебной дисциплины
Математическое моделирование процессов и аппаратов химической технологии
ООП 240801 «Машины и аппараты химических производств», инженерная подготовка
Факультет Механико-технологический
Курс 3, Семестр 6
Лекции 17 час.
Практические работы 17 час.
Лабораторные работы 34 час.
РГЗ 6 семестр
Самостоятельная работа 20 час.
Зачет 6 семестр
Всего 88 час.
Новосибирск 2006
Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 655400 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии»
Регистрационный № 000 тех\дс от 27 марта 2000 г.
Шифр дисциплины в ГОС – ЕН. В.01, дисциплина относится к дисциплинам по выбору студентов, устанавливаемым вузом из цикла общих математических и естественно-научных дисциплин. Шифр дисциплины по учебному плану специальности 240801 – 2103.
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры Технологических процессов и аппаратов, протокол № 2/06 от 01.01.01г.
Программу разработал
доц. каф. ТПА, к. т.н.
[должность, ученая степень, звание, подпись, Ф. И.О. разработчика]
Заведующий кафедрой ТПА
д. т.н., проф.
[должность, ученая степень, звание, подпись, Ф. И.О. зав. кафедрой]
Ответственный за основную
зав. каф. ТПА, д. т.н., проф.
1. Внешние требования
1.1. Курс входит в число дисциплин по выбору студента, устанавливаемых вузом и включенных в учебный план специальности 240801 «Машины и аппараты химических производств» из цикла общих математических и естественно-научных дисциплин направления 655400 «Энерго - и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии». Шифр дисциплины в ГОС – ЕН. В.01.
1.2. Требования к видам профессиональной деятельности выпускника: «научно-исследовательская» (п. 1.4.3 ГОС).
1.3. Задачи профессиональной деятельности: «моделирование и оптимизация производственных установок и технологических схем» (п. 1.4.4 ГОС).
1.4. Квалификационные требования: «участвует в проведении научных исследований или выполнении технических разработок». «Инженер должен знать: методы исследований» (п. 1.4.5 ГОС).
1.5. Требования к профессиональной подготовленности выпускника: «Инженер должен знать математические модели процессов, протекающих в машинах и аппаратах, для оптимизации основных параметров проектируемого технологического оборудования, а также расширения технологических возможностей действующего оборудования». «Инженер должен владеть методами расчета и исследования нового технологического оборудования, методами математического и физического моделирования технологических процессов, протекающих в машинах и аппаратах, методами расчета основных процессов» (п. 7.1 ГОС).
2. Особенности построения дисциплины
Таблица 1
Особенность (принцип) | Пояснение |
Основание для введения | Решение Ученого совета Механико-технологического факультета, протокол 00/00 от 01.01.01 г. |
Адресат | Студенты третьего курса по специальностям 240801 «Машины и аппараты химических производств» |
Основная цель | Обучение методам математического моделирования процессов и аппаратов химической технологии на основе решения различных задач из курса процессов и аппаратов химической технологии |
Ядро | Основу дисциплины составляют компьютерные лабораторные работы с использованием прикладной математической программы Mathcad |
Требования к начальной подготовке, необходимые для успешного усвоения Вашей дисциплины | Знание высшей математики, процессов и аппаратов химической технологии, химической термодинамики, химических реакторов, опыт работы на компьютере, знание прикладной математической программы Mathcad |
Уровень требований по сравнению со Стандартом | Соответствует требованиям Стандарта |
Объем в часах | Изучению дисциплины отводится 88 ч. 20 % времени занимает теоретическая часть и 80 % - практическая часть, в которую входят практические и лабораторные занятия и самостоятельная работа |
Основные понятия | Математическая модель, метод решения, параметрический анализ, оптимизация, процессы классификации и пылеулавливания, равновесие газовых смесей, расчет химических процессов в реакторах различного типа, в том числе неизотермических и с рециркуляцией потока |
Обеспечение последующих дисциплин образовательной программы | Полученные навыки математического моделирования будут использоваться при выполнении заданий, лабораторных и курсовых работ в последующих дисциплинах "Процессы и аппараты химической технологии", "Расчет и конструирование оборудования химических производств", "Химические процессы и реакторы". |
Практическая часть дисциплины | Включает компьютерные лабораторные работы и практические занятия. Каждая лабораторная работа, как правило, посвящена отдельной теме и проводится в виде решения задачи, относящейся к процессам и аппаратам химической технологии. Задачи (задания) подобраны таким образом, чтобы студенты, с одной стороны, получали более глубокие знания по рассматриваемым процессам и аппаратам химической технологии, изучая их модели, а с другой стороны, осваивали различные методы математического моделирования, включая численные, и практиковались в использовании прикладной математической программы Mathcad. На практических занятиях рассматриваются более простые задачи по данной теме, допускающие аналитическое решение |
Учет индивидуальных особенностей обучающихся, реализация права выбора способа учения | При выполнении лабораторных заданий студент может работать в своем темпе, выбирая различные способы решения заданий и их оформления. |
Особая технология организации учебного процесса | Выполнение лабораторных заданий проводится под контролем преподавателя. По непонятным вопросам, возникающим при выполнении задания, студенты консультируются с преподавателем индивидуально |
Области применения полученных знаний и умений | Процессы и аппараты химической технологии |
Описание основных “точек” контроля | Контроль начального уровня подготовки и промежуточный контроль осуществляется при выполнении лабораторных заданий и решении задач на практических занятиях. Итоговым контролем является зачет |
Отличительные особенности дисциплины по сравнению с другими подобными дисциплинами | Авторский подбор заданий компьютерных лабораторных работ, использование прикладной математической программы Mathcad |
Характеристика используемых методических материалов | Сборник заданий по курсу "Математическое моделирование химико-технологических процессов и аппаратов". Ч. 1. Методическое пособие. Составитель . – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. – 36 с. Приводятся задания лабораторных работ, а также основные теоретические положения, необходимые для выполнения заданий, и список использованной литературы. |
Дисциплина и современные информационные технологии | Анализ и оптимизация процессов и аппаратов химической технологии на основе математического моделирования с использованием современных математических программ является одним из элементов современных информационных технологий |
3. Цели учебной дисциплины
Таблица 2
После изучения дисциплины студент будет
иметь представление: | |
1 | О методах расчета и оптимизации процессов и аппаратов химической технологии |
знать: | |
2 | Методы расчета химического равновесия |
3 | Модели химических реакторов и тепломассообменных аппаратов |
4 | Уравнения, описывающие процессы в аппаратах различного типа |
5 | Методы решения уравнений с помощью программы Mathcad |
уметь: | |
6 | Рассчитывать параметры веществ при химическом равновесии |
7 | Рассчитывать характеристики аппаратов по исходным данным |
8 | Рассчитывать оптимальные режимы работы аппаратов |
9 | Рассчитывать химические процессы в реакторах различного типа по заданной кинетике процесса |
10 | Рассчитывать химические процессы с учетом дезактивации катализатора |
11 | Рассчитывать химические процессы с рециркуляцией потока |
12 | Пользоваться программой Mathcad для решения уравнений |
иметь опыт: | |
13 | Расчета и оптимизации процессов и аппаратов химической технологии |
4. Содержание и структура учебной дисциплины
Дисциплина состоит из следующих блоков:
Таблица 3
№ | Блок | Цель |
1 | Расчет тепломассообменных процессов и аппаратов | 1, 3 – 5, 7, 8, 12, 13 |
2 | Расчет химического равновесия | 1, 2, 5, 6, 12, 13 |
3 | Расчет химических процессов в реакторах | 1, 3 – 5, 6, 9 - 13 |
Темы лекционных занятий приведены в таблице 4.
Таблица 4
№ | Темы лекционных занятий | Часы | Цель |
1 | Расчет гидродинамических характеристик центробежно-барботажного аппарата | 2 | 1, 3 – 5, 7, 12, 13 |
2 | Расчет характеристик циклонов при очистке газа от пыли | 2 | 1, 3 – 5, 7, 12, 13 |
3 | Математическое описание процессов разделения | 2 | 1, 3 – 5, 7, 8, 12, 13 |
4 | Методы расчета химического равновесия | 2 | 1, 2, 5, 6, 12 |
5 | Расчет химических процессов в изотермических реакторах | 2 | 1 – 6, 9, 12 – 13 |
6 | Расчет химических процессов в адиабатических реакторах | 2 | 1 – 6, 9, 12 – 13 |
7 | Расчет химических процессов с рециркуляцией потока | 2 | 1 – 6, 9, 11 – 13 |
8 | Моделирование процесса получения нановолокнистого углерода из метана в изотермическом реакторе идеального перемешивания | 3 | 1 – 6, 9, 10, 12 – 13 |
Темы практических занятий совпадают с темами лекционных занятий.
Темы лабораторных занятий приведены в таблице 5.
Таблица 5
№ | Темы лабораторных занятий | Часы | Цель |
1 | Расчет гидродинамических характеристик центробежно-барботажного аппарата | 2 | 1, 3 – 5, 7, 12, 13 |
2 | Расчет характеристик циклона СК-ЦН-34 при очистке газа крекинг-установки ГК-3 от пыли | 2 | 1, 3 – 5, 7, 12, 13 |
3 | Расчет оптимального режима работы циклона при разделении дисперсного материала на два класса | 2 | 1, 3 – 5, 7, 8, 12, 13 |
4 | Анализ равновесной степени превращения метана для метано-водородной и метано-азотной смесей | 2 | 1, 2, 5, 6, 12 |
5 | Расчет процесса окисления SO2 на ванадиевом катализаторе в изотермических реакторах идеального перемешивания и вытеснения | 2 | 1 – 6, 9, 12 – 13 |
6 | Расчет процесса окисления SO2 на ванадиевом катализаторе в адиабатических реакторах идеального перемешивания и вытеснения | 2 | 1 – 6, 9, 12 – 13 |
7 | Расчет химического процесса СН4 + СО2 = 2С + 2H2O с рециркуляцией потока | 2 | 1 – 6, 9, 11 – 13 |
8 | Расчет процесса получения нановолокнистого углерода из метана на катализаторе ИКУ-59-1 в изотермическом реакторе идеального перемешивания | 3 | 1 – 6, 9, 10, 12 – 13 |
Структура учебной дисциплины
5. Учебная деятельность
Учебная деятельность включает в себя лекции, практические занятия, выполнение лабораторных работ, расчетно-графической работы и зачетной контрольной работы.
На лекциях даются теоретические знания, необходимые для выполнения заданий, включая построение математической модели и выбор метода решения.
На практических занятиях рассматриваются более простые задачи по данной теме, допускающие аналитическое решение.
При выполнении лабораторных работ осваиваются методы математического моделирования применительно к конкретных процессам и аппаратам химической технологии с использованием прикладной математической программы Mathcad.
Расчетно-графическая работа представляет собой домашнее задание, выполняемое с целью развития навыков самостоятельной работы.
Темы расчетно-графических работ приведены в таблице 6.
Таблица 6
№ | Тема расчетно-графической работы |
1 | Расчет характеристик циклона ЦН-15 при очистке газов печи обжига от пыли |
2 | Анализ равновесной степени превращения сероводорода для смесей сероводород-водород и сероводород-азот |
3 | Анализ равновесной степени превращения СО для смеси СО-Н2-СО2-Н2О-N2 |
4 | Расчет процесса разложения CH4 на никелевом катализаторе в изотермических реакторах идеального перемешивания и вытеснения |
5 | Расчет процесса разложения CH4 на никелевом катализаторе в адиабатических реакторах идеального перемешивания и вытеснения |
6 | Расчет химического процесса СО + Н2 = С + H2O с рециркуляцией газового потока |
7 | Расчет химического процесса в реакторе с продольным перемешиванием |
8 | Расчет процесса СО + Н2О = СО2 + Н2 в реакторах идеального вытеснения и идеального перемешивания |
9 | Определение константы скорости реакции первого порядка по экспериментальным данным методом наименьших квадратов |
Расчетно-графическая работа оформляется в произвольной форме.
Образец задания расчетно-графической работы.
Для химического процесса – один реагент, одна необратимая реакция первого порядка без изменения объема рассчитать зависимость безразмерной концентрации реагента от безразмерной продольной координаты в изотермическом реакторе с проточным перемешиванием.
В расчетах принять: 
, Pe = 0.1 ; 1 ; 10,
где k – константа скорости реакции, l – длина реактора, u – скорость движения реакционной смеси в реакторе, Pe – число Пекле.
Зачетная контрольная работа представляет собой письменную работу из задач по материалам дисциплины.
6. Правила аттестации студентов по учебной дисциплине
Студент аттестуется по данной дисциплине при успешном выполнении восьми лабораторных заданий, расчетно-графической работы и зачетной контрольной работы.
7. Список литературы
Основная литература:
1. Сборник заданий по курсу "Математическое моделирование химико-технологических процессов и аппаратов". Ч. 1. Методическое пособие. Составитель . – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. – 36 с.
Дополнительная литература:
2. , , К вопросу о сопротивлении центробежно-барботажных аппаратов. Теплофизика и аэромеханика. 1999. Т. 6. № 1. С. 95-104.
3. и др. Справочник по пыле - и золулавливанию. - М.: Энергоатомиздат, 1983. – 312 с.
4. и др. Гравитационная классификация зернистых материалов. - М.: Недра, 1974. – 232 с.
5. Л. Термодинамика высокотемпературных процессов. Справочник. - М.: Металлургия, 1985. – 568 с.
6. S. G. Zavarukhin, G. G. Kuvshinov. The kinetic model of formation of nanofibrous carbon from CH4 – H2 mixture over a high-loaded nickel catalyst with consideration for the catalyst deactivation. Applied Catalysis A, General. 2004. V. 272/1-2. Р. 219-227.
7. Кувшинов в анализ химических реакторов. Учебное пособие. - Новосибирск: НГТУ, 1997. Ч. 1. – 80 с.
8. Шеплев каталитических реакторов. Учебное пособие. - Новосибирск: НГУ, 1987. – 80 с.
9. Катализ в кипящем слое. Под ред. и - Л.: Химия, 1978. – 232 с.
10. Могильных новой технологии переработки углекислого газа. Сборник научных трудов "Экологически перспективные системы и технологии". 1998. Вып. 2. - НГТУ. - С 167-173.
11. , Сафронов химическая технология и основы промышленной экологии. - М.: Химия, 1999. – 472 с.
12. , , Кирьянова моделирование и оптимизация химико-технологических процессов. Практическое руководство. – СПб.: АНО НПО «Профессионал», 2003. – 480 с.
13. . Mathcad 6.0 PLUS. Финансовые, инженерные и научные расчеты в среде Windows 95. Руководство пользователя. - М.: Информационно-издательский дом "Филинъ", 1997. – 712 с.
14. Кирьянов Mathcad 12. СПб: БХВ-Петербург, 2004. – 576 с.
8. Контролирующие материалы
для аттестации студентов по дисциплине
Контролирующим материалом итогового контроля является письменная зачетная контрольная работа.
Образцы задач зачетной контрольной работы.
1. Для обратимой реакции 2 HCl = H2 + Cl2 при атмосферном давлении вывести формулы для расчета парциальных давлений компонент смеси от степени превращения HCl, если исходная смесь содержит только HCl. Зная константу равновесия Kp, записать уравнение для расчета равновесных парциальных давлений компонент смеси и найти равновесную степень превращения HCl.
2. Имеется пыль с равномерным распределением частиц по размерам. Размер частиц пыли х меняется в пределах 0 < х < х0. Запыленный газ подается в циклон с функцией фракционного улавливания пыли g(x) = x/(а+х), где х0 и а – константы. Определить степень очистки газа.
3. В непроточном реакторе идеального перемешивания при постоянных давлении и температуре протекает газофазная реакция первого порядка А®В+С с объемной скоростью реакции r = k×c (моль/с×л), k – константа скорости реакции). Исходная смесь содержит только реагент А в количестве N0 молей. Определить зависимость количества молей каждого компонента от времени.
4. Дана каталитическая реакция А®В со скоростью реакции r = k×c (моль/с м3), где с – концентрация реагента А (моль/м3), k – константа скорости реакции. Известно, что относительная активность катализатора меняется со временем по закону a = exp(-bt), где b - постоянный коэффициент. Реакционная смесь подается в реактор идеального перемешивания с временем контакта t. Найти зависимость степени превращения реагента от времени.
