Введение к работе
Актуальность темы
Разработка новых и модернизация существующих технологических процессов невозможна без использования современной научно-исследовательской экспериментальной базы, включающей широкий спектр оборудования, методов исследования и анализа.
В настоящее время научные исследования проводятся с помощью достаточно сложного оборудования и связаны с необходимостью обработки больших объемов информации. Автоматизация трудоемких задач по сбору, упорядочиванию, преобразованию и архивации входных/выходных потоков информации о процессе, проверке достоверности полученных данных, статистическому анализу и получению эмпирических зависимостей способствует повышению эффективности научных исследований.
Все это в полной мере относится к проведению научных исследований гидродинамики псевдоожиженного слоя (ПС) на экспериментальных стендах.
Псевдоожиженный слой, как объект исследования, обладает свойственными каждому конкретному объекту специфическими характеристиками, которые определяют постановку экспериментов.
При изучении гидродинамики ПС эксперименты необходимо проводить на относительно крупногабаритных пилотных установках (диаметр аппаратов не менее 0,2м). Это обусловлено требованием сохранения условий подобия концентрационных полей и структуры слоя на пилотной установке и промышленном объекте.
Информацию о структуре слоя позволяют получить опыты с «двухмерными» (плоскими) аппаратами, где в процессе исследования формируются данные о распределении пузырей по высоте слоя, скорости их подъема, поверхности контакта фаз и расширении слоя.
Обработка многомерных массивов экспериментальных данных (результаты видеосъемки, измерения локальной порозности слоя, флуктуации давления и т.д.) малоэффективна без использования автоматизированной системы научных исследований (АСНИ).
Целью диссертации является разработка автоматизированной системы научных исследований гидродинамики псевдоожиженного слоя (АСНИ ГПС) с удаленным доступом в режиме реального времени.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
выполнить анализ современных автоматизированных систем научных исследований и соответствующих им программных платформ;
построить автоматизированный лабораторный стенд моделирования гидродинамики ПС;
разработать алгоритмическое и программное обеспечение обработки экспериментальных данных;
разработать программно-аппаратный комплекс для управления оборудованием, автоматизации исследований, авторизации и управления удаленным доступом;
провести исследования гидродинамики псевдоожиженного слоя и изучить возможность использования данных о флуктуации перепада давления в слое для моделирования промышленных процессов ПС;
выполнить моделирование реактора псевдоожиженного слоя;
получить результаты исследования для последующего практического использования в проектировании и управлении химико-технологическими процессами, в которых применяются реакторы с псевдоожиженном слоем катализатора.
Методы и объекты исследования
Объектом исследований является лабораторный стенд для исследования гидродинамики псевдоожиженного слоя в «двухмерной» (плоской) и объемной моделях. Для решения поставленных задач использованы методы физического и математического моделирования, сбора и обработки информации, построение сетевых структур «клиент-сервер», формализация функций персонала и объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна работы:
разработана автоматизированная система научных исследований гидродинамики псевдоожиженного слоя, основанная на Java-приложениях и включающая техническое, алгоритмическое, математическое, программное, информационное и методическое обеспечение;
установлены зависимости между флуктуацией перепада давления в слое катализатора и размером газового пузыря в ПС;
разработана модель реактора псевдоожиженного слоя, позволяющая проводить анализ процесса массообмена между пузырями и плотной частью слоя по измеряемой величине флуктуации перепада давления в аппарате, измерение которого не вызывает трудностей в промышленных условиях;
предложена гибридная структура организации многофункциональной системы для проведения исследования и обучения гидродинамики псевдоожиженного слоя, сочетающая физическую и математическую модели ПС.
Практическая значимость
Разработаны лабораторный стенд, моделирующий реактор ПС и программно-аппаратный комплекс управления оборудованием стенда, позволяющий автоматизировать сбор и обработку данных. Реализована функция удаленного доступа по сети Интернет, что дает возможность использовать систему для научно-прикладных исследований и дистанционного обучения в качестве тренажера.
Достоверность сформулированных научных положений и выводов подтверждена результатами экспериментальных исследований гидродинамики псевдоожиженного слоя, адекватностью математической модели ПС, согласованностью полученных теоретических зависимостей гидродинамики
псевдоожиженного слоя с экспериментальными данными, корректным использованием методов математического моделирования.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции Американского института инженеров-химиков «The 2008 Annual Meeting» (2008г., г. Филадельфия, США), научно-технической конференции ММТТ-22 (2009г., г. Иваново), на научно-технической конференции молодых ученых «Неделя науки - 2011», СПбГТИ(ТУ), 2011г.
Публикации по теме исследования. По теме диссертации опубликовано 3 печатных работы, одна из которых опубликована в рецензируемом журнале ВАК. Имеется свидетельство о регистрации программы для ЭВМ и свидетельство о регистрации электронного ресурса.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложений. Работа изложена на 139 страницах, содержит 50 рисунков, 21 таблицу. Список литературы включает 102 наименования.
