Применение ЭВМ в технологических расчетах

1 Цели и задачи дисциплины

Курс “Применение ЭВМ в технологических расчетах” базируется на следующих дисциплинах: «Математика», «Информатика», «Процессы и аппараты химической технологии», «Основы электрохимической технологии».

В курсе рассматривается широкий круг вопросов по синтезу и анализу математических моделей реальных электрохимических процессов и аппаратов. Этот курс тесно связан с другими общеинженерными и специальными дисциплинами, как по содержанию, так и по времени изложения отдельных разделов.

Изучение дисциплины позволит студентам приобрести практические навыки применения ЭВМ в различных формах инженерной деятельности: выполнении технологических расчетов, проектировании и управлении технологическими процессами, а также при проведении научных исследований.

2 Требования к уровню освоения дисциплины

В результате изучения дисциплины студенты должны:

-  уметь построить математическую модель электрохимического процесса;

-  составить алгоритм решения системы уравнений модели и реализовывать вычислительный алгоритм на ЭВМ в среде прикладных программ из математического обеспечения ЭВМ;

-  выполнить математико-статистический анализ экспериментальных данных, построить план и обработать результаты планированного эксперимента;

-  разработать алгоритм оптимизации процесса в условиях неопределенности цели.

3 Объем дисциплины и виды учебной работы

Виды учебной работы с разбивкой объема работы по часам и семестрам приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Виды учебной работы

Виды учебной работы	Всего часов	Семестры
7	8
Общая трудоемкость	102	24	78
Аудиторные занятия	68	17	51
Лекции (Л)	17	17
Лабораторные работы (ЛР)	51		51
Самостоятельная работа (СР)	34	7	27
Курсовая работа (КР)	20		20
Вид итогового контроля			зачет

4 Содержание дисциплины

4.1 Разделы дисциплины и виды занятий

Разделы дисциплины с разбивкой объема в часах по видам учебной работы приведены в таблице 2.

Таблица 2 — Разделы дисциплины

Раздел дисциплины	Лекции	ЛР	СР	КР
1 Использование идеальных моделей для моделирования технологических расчетов	2	6	2
2 Построение нестационарных математических моделей электролизера для рафинирования меди	6	8	4
3 Моделирование материального баланса электролизера, работающего в стационарных условиях	2	4	4
4 Основы расчета материального баланса гальванической ванны	2	23	20	20
5 Использование статистических методов для построения эмпирических моделей технологического процесса	2	4	2
6 Математическое моделирование теплового баланса электролизера	3	6	2

4.2 Содержание разделов дисциплины

4.2.1 Использование идеальных моделей для моделирования технологических расчетов

Характеристика основных моделей, используемых для технологических расчетов электрохимических аппаратов.

Модель идеального смешения. Уравнения материального баланса. Алгоритм моделирования. Уравнения теплового баланса зоны идеального смешения. Источники вещества в потоках. Химические и электрохимические реакции в электрохимических системах. Источники тепла в потоках. Выделение тепла при электролизе.

Модель идеального вытеснения. Уравнения материального и теплового балансов. Источники вещества и тепла в модели идеального вытеснения.

4.2.2 Построение нестационарных математических моделей электролизера для рафинирования меди

Построение математической модели электролизера для рафинирования меди на основе зоны идеального смешения. Постановка задачи математического моделирования процесса рафинирования меди. Исходные данные, начальные условия, допущения.

Составление математической модели анодного и катодного процессов. Модель нестационарного материального баланса, описывающая изменение состава электролита в ванне рафинирования меди во времени. Вывод зависимости плотности электролита от концентрации основных компонентов. Расчет источников вещества на примере электролизера рафинирования меди. Модель расхода анодного металла. Модель динамики накопления шламов, накопления и изменения состава катодного металла. Составление алгоритма моделирования процесса рафинирования меди и его реализация на ЭВМ в ППП Excel. Применение комбинированной модели, состоящей из нескольких зон идeaльного смешения, для расчета материального баланса ванны рафинирования меди.

4.2.3 Моделирование материального баланса электролизера, работающего в стационарных условиях

Использование стационарной модели идеального смешения для моделирования технологических процессов в электролизерах с непрерывной циркуляцией электролита. Уравнения материального баланса. Алгоритм моделирования.

Постановка и решение задачи оптимизации. Критерии оптимальности. Неопределенность в формировании критерия оптимальности.

Расчет модели стационарного материального баланса электролизера для рафинирования меди с помощью специальных процедур в ППП Excel. Решение системы уравнений стационарного материального баланса с помощью ППП Mathcad. Анализ условий работы электролизера для рафинирования меди по результатам расчета стационарного баланса.

4.2.4 Основы расчета материального баланса гальванической ванны

Модель нестационарного материального баланса, описывающая изменение состава электролита в непроточном электролизере во времени с учетом изменения объема электролита. Реализация алгоритма нестационарного материального баланса в ППП Excel.

Нестационарный материальный баланс ванны цинкования деталей. Псевдонепрерывные потоки в гальванической ванне. Расчет источников вещества по всем компонентам. Анализ изменения состава электролита во времени и способы проведения корректировки электролита. Модель расхода анодного металла и расчет времени замены анодов.

Особенности моделирования нестационарного материального баланса ванны улавливания с учетом изменения объема электролита.

4.2.5 Использование статистических методов для построения эмпирических моделей технологического процесса

Основные статистические функции, используемые в ППП Excel. Статистическая обработка экспериментальных данных с помощью ППП Excel.

Построение и анализ эмпирических моделей химико-технологических процессов. Статистическая обработка экспериментальных данных.

Регрессионный анализ. Метод наименьших квадратов в матричной форме. Оценка значимости и адекватности линейной модели. Вычислительные аспекты регрессионного анализа.

4.2.6 Математическое моделирование теплового баланса электролизера

Построение моделей нестационарного и стационарного теплового балансов электрохимических аппаратов с помощью модели идеального смешения.

Стационарный тепловой баланс электролизера для рафинирования меди. Исходные данные для расчета. Определение теплоемкости электролита. Расчет источников тепла в электролизере. Составление системы уравнений для определения температуры стенки (дна) реактора со стороны реакционной смеси и со стороны воздуха. Реализация алгоритма расчета теплового баланса в ППП MathCAD.

5 Лабораторный практикум

Наименования лабораторных работ с указанием разделов дисциплины, к которым они относятся, приведены в таблице 3.

Таблица 3 — Распределение лабораторных работ по разделам дисциплины

Номер раздела дисциплины	Наименование лабораторных работ
4.2.1	Общие указания по работе в Excel. Построение таблиц решений.
4.2.1	Построение графиков
4.2.2	Расчет нестационарной модели материального баланса ванны рафинирования меди
4.2.3	Расчет стационарной модели материального баланса ванны рафинирования меди
4.2.4	Расчет материального баланса гальванической ванны
4.2.5	Статистический анализ экспериментальных данных
4.2.6	Расчет теплового баланса электролизера для рафинирования меди в ППП Mathcad

Тематика курсовых работ

Целью курсовых работ ставится приобретение навыков самостоятельной постановки и решения на ЭВМ различных инженерно-технических задач.

Примерный перечень тем курсовых работ:

1. Расчет материального или теплового балансов следующих аппаратов:

1.1  Электролизер для рафинирования меди

1.2 Электролизер экстракции цинка

1.3 Регенеративная ванна обезмеживания

1.4 Ванна хромирования

1.5 Ванна улавливания

1.7 Ванна электролитического цинкования

1.8. Ванна электролитического меднения

1.10 Ванна электролитического получения медных порошков

1.11 Ванна электрохимического никелирования

1.12 Ванна электрохимического обезжиривания

2. Математическое моделирование электродных процессов:

2.1 Кинетика электродных процессов, обусловленная различным механизмом замедленной стадии

2.2 Электрокристаллизация дендритных осадков металлов

2.3. Электрохимические расчеты по коррозии и защите металлов.

6 Учебно-методическое обеспечение дисциплины

6.1 Рекомендуемая литература

6.1.1 Основная литература

1  Введение в математическое моделирование. Учебн. пособие / Под ред. . М.: Логос, 2005. – 440 с.

2  , Глебов моделирование основных процессов химических производств: Учебн. пособие для вузов. – М.: ВШ, 1991. - 400 с.

3  Зарубин моделирование в технике; Учебн. пособие для вузов / Под ред. , . – М.: Изд. МГТУ им. Баумана, 2001. -496 с.

4  Самарский моделирование. Идеи. Методы. Примеры. – 2-е изд., испр. – М.: Физматлит, 2002. - 320 с.

5  Кошель процессы в электрохимических аппаратах. Моделирование и расчет. Киев-Донецк: Вища школа, 1986. 192 с

6.1.2 Дополнительная литература

1  нализ процессов статистическими методами. М.: Мир. 1973, 956 с.

2  Очков пользователям MathCAD. – М.: Издательство МЭИ, 2001. – 196 с.

3  , , . Технологические расчеты оборудования электрохимических производств. ч. I. Учебно-методическое пособие, г. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2006 г. 81 с.

4  , Останина задач электрохимической технологии средствами электронных таблиц Excel 97, Методические указания к лабораторным работам, г. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2000 г.

6.2 Средства обеспечения освоения дисциплины

В процессе изучения дисциплины используются:

·  методические пособия;

·  учебный материал в электронном виде;

·  программа по курсу для подготовки к сдаче экзамена;

·  программное обеспечение в соответствии с содержанием дисциплины (Windows, Word, MathCAD, Excel).

7 Материально-техническое обеспечение дисциплины

Лабораторные работы должны выполняться в специализированных классах, оснащенных:

·  современными персональными компьютерами по числу студентов и программным обеспечением в соответствии с тематикой изучаемого материала;

·  сетью Internet.

8 Методические рекомендации по организации изучения
дисциплины

Рекомендации для преподавателя включают в себя следующее:

·  глубокое освоение теоретических аспектов тематики курса, ознакомление, переработку литературных источников; составление списка литературы, обязательной для изучения и дополнительной литературы; проведение собственных исследований в этой области;

·  разработку методики изложения курса: структуры и последовательности изложения материала;

·  разработку методики проведения и совершенствование тематики лабораторных работ; использование в лабораторном практикуме реальных данных и получение результатов, имеющих практический смысл для инженерных расчетов;

·  разработка методики самостоятельной работы студентов;

·  постоянную корректировку структуры, содержания курса.

Рекомендации для студента включают в себя следующее:

·  обязательное посещение лекций ведущего преподавателя; лекции – основное методическое руководство при изучении дисциплины, оптимальным образом структурированное и скорректированное с учетом современного состояния предмета; в лекции глубоко и подробно, аргументировано и методологически строго рассматриваются главные проблемы темы; указываются разные подходы к решению исследуемых проблем;

подготовку и активную работу на лабораторных занятиях; подготовка к лабораторным занятиям включает проработку материалов лекций, рекомендованной учебной литературы.