Моделирование химико- технологических процессов Моделирование ХТП Структура

Моделирование химико- технологических процессов

Моделирование ХТП Структура дисциплины Лекции Практические занятия Экзамен

Моделирование ХТП Понятие о химико-технологическом процессе Химико-технологический процесс (ХТП) - это процесс получения целевого продукта начиная с этапа подготовки сырья и заканчивая выделением целевого продукта. ХТП складывается из трех стадий: 1) подвод реагентов в зону реакции при помощи абсорбции, адсорбции, конденсации паров, плавлением, растворением и др. (осуществляется, как правило, с использованием физических процессов (механических, гидромеханических, тепловых, массообменных));

Моделирование ХТП Понятие о химико-технологическом процессе 2) химические реакции - основа процесса (в ходе этого происходит глубокое изменение структуры, состава и свойств веществ, участвующих в нем); 3) отвод продуктов из зоны реакции за счет диффузии или перевода вещества из одной фазы в другую. Стадия выделения целевого продукта для большинства химических производств является необходимой.

Моделирование ХТП Проблема масштабного перехода от лабораторного эксперимента к промышленному производству при проектировании последнего решается методом моделирования. Моделирование – метод исследования сложных объектов и систем, основанный на том, что рассматриваемый объект (оригинал) заменяется моделью, с которой проводят ряд экспериментов с целью получения информации об оригинале.

Моделирование ХТП Под моделью понимают такой материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе познания (изучения) замещает объект-оригинал, сохраняя некоторые важные для данного исследования типичные его черты.

Моделирование ХТП Цели и принципы моделирования Основные цели моделирования: ●описание объекта; ●объяснение объекта; ●прогнозирование поведения и свойств объекта.

Моделирование ХТП Моделирование базируется на нескольких основополагающих принципах: • Принцип информационной достаточности – при полном отсутствии информации объекте построение его модели невозможно. Существует некоторый уровень априорной информации об объекте, только при достижении которого может быть построена адекватная модель. При наличии полной информации об объекте построение его модели не имеет смысла.

Моделирование ХТП Моделирование базируется на нескольких основополагающих принципах: • Принцип осуществимости – создаваемая модель должна обеспечивать достижение поставленной цели исследования с вероятностью, существенно отличающейся от нуля.

Моделирование ХТП Моделирование базируется на нескольких основополагающих принципах: • Принцип множественности моделей – создаваемая модель должна отражать в первую очередь те свойства реального объекта (системы), которые интересуют исследователя. Для полного исследования объекта необходимо достаточно большое количество моделей, отражающих исследуемый объект с разных сторон и с разной степенью детализации.

Моделирование ХТП Аксиомы теории моделирования Аксиома 1. Модель не существует сама по себе, а выступает в тандеме с некоторым материальным объектом, который она представляет (замещает) в процессе его изучения или проектирования. Аксиома 2. Для естественных материальных объектов модель вторична, т. е. появляется как следствие изучения и описания этого объекта (например, модель солнечной системы). Для искусственных материальных объектов (создаваемых человеком или техникой) модель первична, так как предшествует появлению самого объекта (например, модель самолета, модель двигателя).

Моделирование ХТП Аксиомы теории моделирования Аксиома 3. Модель всегда проще объекта. Она отражает только некоторые его свойства, а не представляет объект «во всем великолепии» . Для одного объекта строится целый ряд моделей, отражающих его поведение или свойства с разных сторон или с разной степенью детальности. При бесконечном повышении качества модели она приближается к самому объекту.

Моделирование ХТП Аксиомы теории моделирования Аксиома 4. Модель должна быть подобна тому объекту, который она замещает, т. е. модель в определенном смысле является копией, аналогом объекта. Если в исследуемых ситуациях модель ведет себя так же, как и моделируемый объект, или это расхождение невелико и устраивает исследователя, то говорят, что модель адекватна оригиналу. Адекватность – это воспроизведение моделью с необходимой полнотой и точностью всех свойств объекта, существенных для целей данного исследования.

Моделирование ХТП Аксиомы теории моделирования Аксиома 5. Построение модели не самоцель. Она строится для того, чтобы можно было экспериментировать не с самим объектом, а с более удобным для этих целей его представителем, называемым моделью.

Моделирование ХТП Принято различать три вида моделирования: • физическое; • математическое; • имитационное.

Виды моделирования Физическое моделирование – это метод исследования на модели, которая имеет одинаковую с оригиналом физическую природу и воспроизводит весь комплекс свойств изучаемых явлений. В технике физическое моделирование используется при проектировании различных объектов для определения характеристик как объекта в целом, так и отдельных его частей. В основе этого вида моделирования лежит принцип ПОДОБИЯ.

Виды моделирования Главные достоинства физического моделирования: q возможность получения обширного опытного материала, создания предпосылок для построения теоретических гипотез; q наглядность: физическое моделирование обеспечивает регистрацию наблюдений без преобразования, что приводит к уменьшению общей погрешности моделирования; q возможность воспроизведения сложных физических процессов.

Виды моделирования В качестве условий, ограничивающих области применения этого вида моделирования, необходимо отметить следующее: q физическое моделирование основано на масштабировании исследуемого объекта, т. е. при увеличении геометрических размеров объекта исследования необходимо увеличивать и размеры физической модели, что увеличивает как временные, так и финансовые затраты на моделирование; q этот вид моделирования применяется для исследования только детерминированных объектов (процессов), описываемых законами классической механики и протекающих в однофазных системах с фиксированными границами.

Виды моделирования Математическое моделирование Под математическим моделированием понимается процесс установления соответствия данному реальному объекту некоторого математического объекта, называемого математической моделью , и исследование этой модели, позволяющее получать характеристики исследуемого натурного объекта или процесса. Математическая модель представляет собой систему математических соотношений – формул, функций, уравнений, описывающих те или иные стороны изучаемого объекта, явления, процесса.

Виды моделирования Математическое моделирование Уравнение связи между выходными и входными координатами объекта (математическая модель) может, например, иметь вид:

Виды моделирования Классификация математических моделей Математические модели объектов и устройств Непрерывные Дискретные во времени Y=f(t) Y=f(k, t), k=1, 2, n Стохастические Детерминированные Динамические Статические модели модели Линейные Нелинейные модели модели

Виды моделирования К главным достоинствам математического моделирования следует отнести возможность: • использовать вычислительную технику, что приводит к уменьшению как финансовых, так и временных затрат на моделирование; • использовать одинаковые программные средства для решения целого класса задач с одинаковыми математическими моделями; • упростить и ускорить процедуры изучения влияния вариации параметров на поведение объекта. • изучать как детерминированные, так и стохастические объекты и системы.

Виды моделирования В качестве условий, ограничивающих области применения этого вида моделирования, необходимо отметить следующее: • принимаемые при разработке математической модели допущения искажают сущность изучаемого процесса (объекта), снижают точность решения; • математическое моделирование не позволяет визуально наблюдать за ходом изучаемого процесса (объекта); • разработка математических моделей и вычислительные эксперименты требуют высокой квалификации специалистов.

Имитационные модели Имитационное моделирование По Р. Шеннону (Robert E. Shannon – профессор университета в Хантсвилле, штат Алабама, США), «имитационное моделирование – есть процесс конструирования на ЭВМ модели сложной реальной системы, функционирующей во времени, и постановки экспериментов на этой модели с целью либо понять поведение системы, либо оценить различные стратегии, обеспечивающие функционирование данной системы» .

Имитационные модели Выделим в этом определении ряд важнейших обстоятельств, учитывая особенности применения метода для исследования: Во первых , имитационное моделирование предполагает два этапа: конструирование модели на ЭВМ и проведение экспериментов с этой моделью. Каждый из этих этапов предусматривает использование собственных методов. Так, на первом этапе весьма важно грамотно провести информационное обследование, разработку всех видов документации и их реализацию. Второй этап должен предполагать использование методов планирования эксперимента с учетом особенностей машинной имитации.

Имитационные модели Во вторых , в полном соответствии с системными принципами четко выделены две возможные цели имитационного моделирования: • либо понять поведение исследуемой системы (о которой по каким-либо причинам было «мало» информации); • либо оценить возможные стратегии управления системой. В третьих, с помощью имитационного моделирования исследуют сложные системы. Понятие «сложность» является субъективным и по сути выражает отношение исследователя к объекту моделирования.

Имитационные модели Пять признаков «сложности» системы, по которым можно судить о ее принадлежности к такому классу систем: 1. наличие большого количества взаимосвязанных и взаимодействующих элементов; 2. сложность функции (функций), выполняемой системой; 3. возможность разбиения системы на подсистемы (декомпозиции); 4. наличие управления (часто имеющего иерархическую структуру), разветвленной информационной сети и интенсивных потоков информации; 5. наличие взаимодействия с внешней средой и функционирование в условиях воздействия случайных (неопределенных) факторов.

Имитационные модели Наиболее характерные обстоятельства применения имитационных моделей: 1. если идет процесс познания объекта моделирования; 2. если аналитические методы исследования имеются, но составляющие их математические процедуры очень сложны и трудоемки; 3. если необходимо осуществить наблюдение за поведением компонентов системы в течение определенного времени; 4. если необходимо контролировать протекание процессов в системе путем замедления или ускорения явлений в ходе имитации;

Имитационные модели Наиболее характерные обстоятельства применения имитационных моделей: 5. если особое значение имеет последовательность событий в проектируемых системах и модель используется для предсказания так называемых «узких» мест; 6. при подготовке специалистов для приобретения необходимых навыков в эксплуатации новой техники; 7. если имитационное моделирование оказывается единственным способом исследований из-за невозможности проведения реальных экспериментов.

Имитационные модели Основные достоинства и недостатки метода имитационного моделирования. Основные достоинства: • имитационная модель позволяет в принципе описать моделируемый процесс с большей адекватностью, чем другие; • имитационная модель обладает известной гибкостью варьирования структуры, алгоритмов и параметров системы; • применение ЭВМ существенно сокращает продолжительность испытаний по сравнению с натурным экспериментом (если он возможен), а также их стоимость.

Список литературных источников 1. Математическое моделирование химико-технологических про- цессов: Учебное пособие / Ас. М. Гумеров, Н. Н. Валеев Аз. М. Гумеров, В. М. Емельянов; Казан. гос. технол. ун-т. – Казань, 2006. – 216 с. 2. А. А. Самарский, А. П. Михайлов. 1997. Математическое моделирование. Идеи. Методы. Примеры. - М. , Наука. 3. Холоднов В. А. , Хартманн К, Чепикова В. Н. , Андреева В. П. Системный анализ и принятие решений. Компьютерные технологии моделирования химико-технологических систем. СПб. : СПГТИ (ТУ), 2008. -160 с.