МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ К.И.САТПАЕВА

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ К.И.САТПАЕВА
Институт нефти и газа
Кафедра «Химическая технология переработки нефти, газа и полимеров»
«УТВЕРЖДАЮ »
Директор института нефти и газа
______________ Бесимбаев Е.Т.
«____»_____________2013 г.
ПРОГРАММА КУРСА (SYLLAВUS)
По дисциплине «МОДЕЛИРОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ»
для специальности
«050721 – Химическая технология органических веществ»
Форма обучения - дневная
Всего - 3 кредита
Курс - 3
Семестр – 5
Лекций - 15 часов
Практические занятия - 30 часов
Рубежный контроль (кол - во) – 2
СРС - 45 часов
СРСП - 45 часов
(аудиторных – 15 ч. офисных – 30 ч.)
Всего аудиторных часов – 60 часов
Всего внеаудиторных часов – 75 часов
Трудоемкость – 135 часов
Экзамен У, семестр 5
Алматы 2013
Программа курса составлена: Елигбаевой Гульжахан Жакпаровной, доцентом, кандидат химических наук; в соответствии с учебным планом специальности 050721 – Химическая
технология органических веществ, утвержденным «___»___________2013 г.
Рассмотрена на заседании кафедры Химической технологии переработки нефти, газа и полимеров ИНиГ
« 30» июня 2013 г. Протокол № 10
И.о.зав. кафедрой, доцент _______________________
Елигбаева Г.Ж.
Одобрена методическим Советом института нефти и газа
«____» _________ 2013 г.
Протокол №___
Председатель МС
ИНиГ
_____________________
Бесимбаев Е.Т.
Сведения о преподавателях:
Елигбаева Гульжахан Жакпаровна, доцент, кандидат химических наук, окончила Казахский государственный университет, научно-педагогический стаж более 20 лет. В КазНТУ
работает с 1983 года, читает лекции, проводит практические и лабораторные занятия по
«Моделированию технологических процессов», «Принципам химической инженерии»,
«Применению ЭВМ в химической технологии» для обучающихся по специальности «Химическая технология органических веществ». Имеет более 70 научно-методических публикаций, в том числе 18 учебно-методических разработок.
Офис: кафедра «Химическая технология переработки нефти, газа и полимеров»
Адрес: 480013, г. Алматы, пр. Сатпаева 22, ГУК каб.1011
Тел; дисп. 8 (727) 257-71-88, 257-70-61
Факс:
Е-mail:
2
1 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
1.1 Цель преподавания дисциплины
Целью изучения курса «Моделирование технологических процессов» является ознакомление студентов с основными понятиями и основами моделирования технологических процессов, определение взаимосвязи физической сущности явления и его математической модели, а так же возможностями современного компьютерного моделирования. Курс направлен
на формирование высококвалифицированных специалистов, имеющих теоретическую и
практическую подготовку, способных к самостоятельной творческой работе с использованием новейших прогрессивных программных продуктов в области проектирования и моделирования химико-технологических процессов (ChemCad).
1.2 Задачи изучения дисциплины
В результате изучения курса «Моделирование технологических процессов» студент
должен знать:
- основы методологии разработки технологического процесса
- основные способы моделирования
- принципы построения моделей
- основные понятия о структур математического описания технологического процесса
- основы программы моделирования технологических процессов «ChemCad»
1.3 Пререквизиты и постреквизиты курса
Пререквизиты: для изучения курса «Моделирование технологических процессов»
студентам необходим набор навыков и знаний по следующим дисциплинам: математика;
общая химия, физическая химия, физика, информатика, процессы и аппараты химической
технологии, принципы химической инженерии и инженерное оформление технологических
процессов.
Постреквизиты: знания, полученные по дисциплине «Моделирование технологических процессов» необходимы для изучения спец. курсов: «Современное нефтехимическое
производство», «Химическая технология твердых горючих ископаемых», а также при выполнении курсовых и дипломных проектов (работ).
Краткое описание:
Дисциплина «Моделирование технологических процессов» предназначена для общепрофессиональной подготовки специалистов по химической технологии органических веществ. Усвоение данного курса прививает определенные навыки в обнаружении и решении
специфических проблем, присущих химической технологии через понятия модели и моделирования процессов, а также опыт практической работы с моделирующей программой
«ChemCad», применяемой в ведущих мировых компаниях нефте-химической отрасли для
проектирования химико-технологических процессов.
1
СИСТЕМА ОЦЕНКИ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ
При кредитной системе обучения в КазНТУ им. К.И. Сатпаева применяется рейтинговый контроль знаний студентов. Рейтинг дисциплины оценивается по 100 бальной шкале.
Устанавливаются следующие виды контроля знаний студентов (Таблица 1):
- текущий контроль (задачи, текущие контрольные тесты);
- рубежный контроль (тесты или контрольная работа);
- итоговый контроль (экзамен).
3
Таблица 1
Распределение рейтинговых баллов по видам контроля
№
Вид итогового контроля
Экзамен
1
Виды контроля
Баллы
Итоговый контроль
Рубежный контроль
Текущий контроль
100
100
100
Сроки сдачи заданий текущего контроля (обязательное оформление реферата, текущие тесты (Т), а также рубежных контролей (РК)), определяются календарным графиком
учебного процесса дисциплины (Таблица 2).
Таблица 2
Календарный график сдачи всех видов контроля
по дисциплине «Моделирование технологических процессов»
Недели
Виды контроля
1
П
Недельное коли- 1
чество контроля
2 3
П П/
СР
1 2
4 5
П П/
Р
1 2
6
П
7
П/Р
К
2
1
8
П
9 10
П П
1
1
1
11
П/
СР
2
12
П
1
13
П/
К
2
14
П
1
15
П/
РК
2
Виды контроля: СР - самостоятельная работа, П –практические занятия; Р - реферат;
РК - рубежный контроль; К - контрольная работа.
Студент допускается к сдаче итогового контроля (экзамена) при выполнении и своевременной отчетности по всем видам контроля и при наличии суммарного рейтингового
балла 30. Итоговый контроль (экзамен) считается сданным в случае набора студентом 20
баллов. Итоговая оценка по дисциплине определяется по шкале таблицы 3.
Таблица 3
Оценка знаний студентов
Оценка
Отлично
Хорошо
Удовлетворительно
Неудовлетворительно
Буквенный
эквивалент
А
АВ+
В
ВС+
С
СD+
D
F
Рейтинговый балл
в процентах
в баллах
95 –100
4,00
90 - 94
3,67
85 –89
3,33
80 –84
3,00
75 – 79
2,67
70 – 74
2,33
65 – 69
2,00
60 – 64
1,67
55 – 59
1,33
50 – 54
1,00
0 – 49
0
4
3 СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
3.1 Тематический план курса составлен в виде таблицы 4, где указаны наименование темы и количество академических часов по всем видам занятий, предусмотренных для
каждой темы. По выбранным видам занятий составлен график их проведения (Таблица 5).
Таблица 4
Распределение часов по видам занятий (3 кредита)
Наименование темы
Количество академических часов
Лекции Практич.
СРСП
СРС
занятия
1. Введение. Метод моделирования. Основ- 1
2
1/2
3
ные понятия. Методология разработки
технологического процесса. Введение в
программу
моделирования
химикотехнологических процессов
ChemCad.
Обзор этапов 1-5.
2. Материальные и мысленные модели. При1
2
1/2
3
ближенный характер моделей. Введение в
программу
моделирования
химикотехнологических процессов
ChemCad.
Обзор этапов 6-10
3. Способы моделирования. Расчет стабили1
2
1/2
3
затора конденсата. Создание технологической схемы процесса.
4. Теория подобия как аппарат моделирова1
2
1/2
3
ния. Моделирование процесса стабилизации конденсата.
5. Аналогия. Повторный запуск моделирова1
2
1/2
3
ния стабилизации конденсата.
6. Электрогидродинамическая аналогия. Мо1
2
1/2
3
делирование процесса стабилизации конденсата с целью удаления пропана в кубовом остатке
7. Моделирование с помощью вычислитель1
2
1/2
3
ной техники. Расчет колоны периодической ректификации. Создание технологической схемы процесса
8. Блок-схема разработки технологического 1
2
1/2
3
процессаэ Расчет колоны периодической
ректификации. Задание параметров по
операциям
9. Детерминистический и эмпирический под1
2
1/2
3
ходы к объекту. Повышение чистоты
продукта ректификации
10. Переменные процесса. Моделирование
1
2
1/2
3
процесса ректификации с целью сокращения
времени
проведения
процесса
ректификации
11. Структура математического описания.
1
2
1/2
3
Расчет простой технологической схемы
без рециклов.
5
12. Иерархическая структура математической
модели. Структура потоков в неидеальных
аппаратах. Моделирование и анализ полученных данных расчета простой технологической схемы без рециклов
13. Потоки в аппаратуре и их влияние на ход
процесса. Расчет простой технологической
схемы с рециклом.
14. Распределение потоков в аппаратах непрерывного действия. Моделирование
теплообменников
15. Функция распределения жидкости по
времени пребывания в аппарате. Рециркуляция жидкого продукта
Всего часов
1
2
1/2
3
1
2
1/2
3
1
2
1/2
3
1
2
1/2
3
15
30
15/30
45
Таблица 5
3.2 Название лекций и их краткое содержание
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Цель лекции, основные разделы и краткое содержание
Введение.
1
Модель. Метод моделирования. Основные понятия. Методология разработки технологического процесса. Основные стадии
разработки технологического процесса и экономические факторы,
влияющие на технологический процесс. Материальные и мысленные
модели. Приближенный характер моделей. Физические и математические мысленные модели. Математическое описание объекта. Приближенный характер моделей. Модели непрерывных сред и псевдогомогенные модели.
Способы
3
моделирования. Теория подобия как аппарат моделирования. Роль критерии подобия при моделировании на основе метода
подобия. Определение условий подобия по одному, двум критериям. Геометрическое подобие. Практические возможности построения модели при моделировании на основе метода подобия.
Способы
4
моделирования. Использование аналогии при моделировании. Общность и различие в оригинале и модели при использовании
метода аналогии. Аналоги. Принцип изомофности математических
моделей.
Моделирование
5
с помощью вычислительной техники. Моделирование с помощью вычислительной техники. Физическая идентичность
модели и оригинала, подобие их во времени и пространстве при моделирование с помощью вычислительной техники. Условия сохранения основных требований к моделированию при математическом
моделировании. Три этапа построения математической модели.
Принципы
6
построения моделей. Детерминистический и эмпирический подходы к объекту. Два основных подхода к анализу и управлению процессами ХТ. Их достоинства и недостатки. Схема «черного ящика». Переменные процесса. Контролируемые и неконтролируемые переменные.
Структура
7
математического описания. Иерархическая структура математической модели. Общие принципы математического описания
6
Часы
2 ч.
2 ч.
2 ч.
2 ч.
2 ч.
2 ч.
7.
процессов ХТ. Модель последовательного перехода описания процесса с одного уровня на другой. Два предельных случая наличия
параметров в материальной модели. Достоинства и недостатки многопараметрических моделей. Лимитирующие стадии. Стационарные
и нестационарные процессы. Объекты с сосредоточенными и распределенными параметрами. Функция распределения времени пребывания частиц потока в системе.
Потоки
8
в аппаратуре и их влияние на ход процессов. Распределение
потоков в аппаратах непрерывного действия. Структура математической модели процесса ХТ. Влияние структуры потока на ход химических процессов. Поле скоростей. Эпюры скоростей для сечений
аппаратов.
3 ч.
Таблица 6
4 ТЕМА ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ, СОДЕРЖАНИЕ И КОЛИЧЕСТВО ЧАСОВ
№
Содержание практических занятий и их
краткий обзор
Введение в программу моделирования химико-технологических
процессов ChemCad. Обзор этапов 1-5.
Введение в программу моделирования химико-технологических
процессов ChemCad. Обзор этапов 6-10.
Расчет стабилизатора конденсата. Создание технологической схемы
процесса.
Моделирование процесса стабилизации конденсата.
Часы
Повторный запуск моделирования стабилизации конденсата.
Моделирование процесса стабилизации конденсата с целью удаления пропана в кубовом остатке
Расчет колоны периодической ректификации. Создание технологической схемы процесса.
Расчет колоны периодической ректификации. Задание параметров по
операциям.
Повышение чистоты продукта ректификации.
2 ч.
2ч
Моделирование процесса ректификации с целью сокращения времени проведения процесса ректификации.
Расчет простой технологической схемы без рециклов.
2ч
2ч
13
Моделирование и анализ полученных данных расчета простой технологической схемы без рециклов.
Расчет простой технологической схемы с рециклом.
14
Моделирование теплообменников.
2ч
15
Рециркуляция жидкого продукта
2ч
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
7
2 ч.
2 ч.
2 ч.
2 ч.
2 ч.
2 ч.
2ч
2ч
2ч
5 СОДЕРЖАНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
ПОД РУКОВОДСТВОМ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ (СРСП)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
Теории моделирования. Исторические примеры моделей.
Основные функции программы ХЕМКАД
Стабилизация конденсата, цель и назначение процесса.
Модель процесса сжижение паров и газов. Критическая температура конденсации.
Точка росы.
Три этапа математического моделирования.
«Схема черного ящика» как один из методов эмпирического подхода построения модели. Переменные процесса.
Обосновать проведение процесса периодической ректификации смеси содержащей
пропан, бутан, пентан и гексан в пять операций.
Определить три зоны циркуляции в аппаратах вытеснения и смешения.
Принцип проведения анализа реактора индикаторным методом
Рассчитать среднее время пребывания по данным преподавателя.
Основные параметры, входящие в модель ректификационных аппаратов.
Анализ технологического процесса разделения смеси бензола и толуола без рециклов.
Расчет реального аппарата по ячеечной модели.
Причины возникновения пинч-эффекта в технологической линии и способы его
устранения.
Аналогия при описании фильтрации в жидкости в пористой среде.
6
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
СОДЕРЖАНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ (СРС)
Терминология теории моделирования.
Основные принципы физики сплошных сред.
Определение условий подобия по двум критериям.
Теория тепловых машин Карно как пример вывода по аналогии из неверных посылок
Моделирование - один из основных методов кибернетики.
История развития детерминистического и эмпирического подхода построения моделей.
Начальные условия дифференциальных уравнений при математическом описании
процессов, получаемые на детерминированной основе.
Понятие движение «частицы жидкости».
Техническое выполнение индикаторного метода.
Время пребывания частицы в аппарате как случайная величина и оценка ее вероятности.
Закономерности изменения количества индикатора в аппарате и выносимого из аппарата для идеального смешения.
Оценка вероятности случайной величины
Однопараметрическая диффузионная модель.
Реальные примеры изотермических и адиабатических реакторов.
Многопараметрическая диффузионная модель.
8
Таблица 7
График проведения занятий
№
Дата
Время
Наименование тем
Лекции
1.
1
2.
3
3.
4.
5.
4
5
6
6.
7
7.
8
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Введение. Метод моделирования. Основные понятия. Методология
разработки технологического процесса.
Способы моделирования. Теория подобия как аппарат моделирования.
Способы моделирования. Аналогия.
Моделирование с помощью вычислительной техники.
Принципы построения моделей. Детерминистический и эмпирический подходы к объекту. Переменные процесса.
Структура математического описания. Иерархическая структура
математической модели.
Потоки в аппаратуре и их влияние на ход процессов. Распределение
потоков в аппаратах непрерывного действия.
Практические занятия
Введение в программу моделирования химико-технологических
процессов ChemCad. Обзор этапов 1-5.
Введение в программу моделирования химико-технологических
процессов ChemCad. Обзор этапов 6-10.
Расчет стабилизатора конденсата. Создание технологической схемы процесса.
Моделирование процесса стабилизации конденсата.
Повторный запуск моделирования стабилизации конденсата.
Моделирование процесса стабилизации конденсата с целью удаления пропана в кубовом остатке.
Расчет колоны периодической ректификации. Создание технологической схемы процесса.
Расчет колоны периодической ректификации. Задание параметров
по операциям.
Повышение чистоты продукта ректификации.
Моделирование процесса ректификации с целью сокращения времени проведения процесса ректификации.
Расчет простой технологической схемы без рециклов.
Моделирование и анализ полученных данных расчета простой технологической схемы без рециклов.
Расчет простой технологической схемы с рециклом.
Моделирование теплообменников.
Рециркуляция жидкого продукта.
9
7 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ»
Материалы для обязательного чтения:
1. Закгейм А.Ю. Введение в моделирование химико-технологических процессов. М.:Химия, 1973. -223 с.
2. Руководство по обучению работе с программой CHEMCAD. Версия 5.4. Chemstations
Inc. Houston, 2003. Ч. 1. -170 с., - Ч..2 – 180 с.
3. Методическое указание к выполнению практических работ по дисциплине «Моделирование технологических процессов». Книга А. Chemstations Inc. Houston, 2003. -33 с.
4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. -М.:Химия,
1971.-784 с.
5. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии.
–М, - 847 с.
Материалы для дополнительного чтения:
6. Кафаров В. В. Методы кибернетики в химии и химической технологи. М., 1985.-225
7. Кафаров В. В., Мешалкин В. П. Анализ и синтез химико-технологических систем. М.,
1991.-254 с.
8. Вильямс Т. Дж. Проектирование химико-технологических процессов методами системотехники. М.-Л., 1967.-352 с.
9. Кафаров В. В.. Дорохов И. Н. Системный анализ процессов химической технологии. М.,
1979.-328 с.
10. Бенедек П., Ласло А. Научные основы химической технологии. Л., 1977. -253 с.
10
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………...
1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИСЦИПЛИНЫ…………………………………………………….
1.1 Цель преподавания дисциплины ……………………………………………………..
1.2 Задачи дисциплины……………………………………………………………………
1.3 Пререквизиты и постреквизиты курса ………………………………………………
2. СИСТЕМА ОЦЕНКИ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ………………………………………
3. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ…………………………………………………….
3.1 Тематический план курса…………………………………………………………. …
3.2 Название лекций и их краткое содержание………………………………………….
4. Тема практических занятий, содержание и количество часов………………………
5. Содержание самостоятельной работы студентов под руководством
преподавателя (СРСП)…………………………………………………………………..
6.Содержание самостоятельной работы
студентов (СРС)…………………………………………………………………………..
7.Учебно-методические материалы по дисциплине
«Моделирование технологических процессов»………………..……………………….
11
3
3
3
3
3
3
5
5
6
7
8
8
9
8
1
10