Введение к работе
Актуальность работы
Необходимым элементом технологических схем в производствах органических продуктов является блок разделения получающихся при синтезе смесей. В -ехнологии основного органического синтеза и ряда других отраслей химической промышленности наиболее распространенным процессом разделения жидких ;месей является ректификация Поэтому изучению теоретических основ этого іроцесса и выработке навыков предпроектной разработки и проектирования ректификационных установок посвящены соответствующие разделы в учебных программах ряда дисциплин.
К сожалению, в сипу ряда особенностей математической модели процесса ректификации, без применения вычислительной техники возможен расчет основных 'ехнологических параметров только для ректификации бинарных смесей, что весьма іалеко от практических потребностей.
При проектировании технологических схем разделения жидких многокомпонентных азеотропных смесей еще до расчетов технологических іараметров следует определить принципиальные ограничения на получение іродуктов требуемого состава, которые определяются топологической и еометрической структурой дистилляционной диаграммы. Их своевременное збнаружение, сокращает время проектирования. Выявление ограничений, анализ их іависимости от внешних факторов, расчет технологических параметров возможных :хем разделения являются предметом предпроектной разработки, которая Зазируется на математических моделях фазового равновесия и процессов зазделения, и эффективно может быть выполнена только с помощью ЭВМ. Такого >ода исследования должны основываться на глубокой теоретической проработке, юзволяющей исследовать эволюцию разрабатываемого процесса в достаточно иирокой области изменения переменных.
Если совместить указанное требование с требованием практически и жономически приемлемого времени разработки, то можно сделать следующую цепь іьіводов:
-
Необходимо наличие информации о свойствах чистых веществ;
-
Необходимо получение и использование математической модели процесса;
-
Для выполнения исследований необходима их компьютеризация, включг экспериментальные исследования, требуемые для оценивания иг проверки параметров моделей,
-
Для реализации компьютерных технологий научных исследований проектирования химико-технологических систем требуется разработк прикладного программного обеспечения;
-
Необходима специальная подготовка пользователей, владеющк современными компьютерными технологиями.
Научный коллектив кафедры ХТООС МИТХТ им. М. В. Ломоносова начиная 70-х годов разработал ряд программ для предпроектных расчетов. Поскольк выполнение расчетов является многостадийной процедурой, связанной использованием значительного числа переменных, многие из которых вычисляютс по разным алгоритмам, и получаемая информация должна передаваться от стадии стадии, очень скоро стала понятной необходимость перехода от использовани отдельных программ к компьютерной системе, работающей с базами данных, основу алгоритмов которой положен, в отличие от ряда отечественных і зарубежных аналогов, оперативный термодинамико-топологический і термодинамико-геометрический анализ, идеи которого были разработаны в МИТХ" и получили дальнейшее развитие во многих научных коллективах России і зарубежья.
Компьютерная система должна являться не только инструментом для работь профессионалов, но и средством обучения студентов и аспирантов.
В связи с вышесказанным создание компьютерной системы научны; исследований и предпроектнои разработки технологических схем ректификациі многокомпонентных азеотропных смесей, в основу алгоритмов которой положее оперативный термодинамико-топологический и термодинамико-геометрическиі анализ, сопряженной с экспериментальной установкой фазовых равновесий дл! получения экспериментальных равновесных данных (что особенно важно прі создании технологий разделения новых производств), предназначенной дл> применения как в научных, так и в учебных целях, является актуальной.
Цель работы.
Целью данной работы является создание компьютерной системы научны) исследований и предпроектнои разработки технологических схем ректификацні-сложных смесей, сопряженной с экспериментальной установкой фазовы>
івновесий, базой данных свойств чистых веществ и базой данных моделей, и шяющеися инструментом для проведения научных исследований и средством іучения студентов и аспирантов.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие дачи:
анализ информационных потоков отдельных узлов будущей системы и разработка на его основе общей структуры системы;
разработка инструмента для создания пользовательских баз данных о свойствах чистых веществ, взаимодействующих с генеральной базой данных о свойствах, созданной на кафедре ХТООС МИТХТ, и работы с ними;
разработка базы моделей фазового равновесия (параметров бинарного взаимодействия уравнений локальных составов);
усовершенствование существующего и разработка нового программного обеспечения для моделирования фазовых равновесий, анализа динамических систем ректификации и дистилляции, анализа эволюции фазовых портретов динамических систем ректификации и дистилляции, расчета статики процесса ректификации;
разработка .программного интерфейса взаимодействия пользователь -компьютер для всех подсистем, включая экспериментальную установку, максимально облегчающего работу пользователя, снабженного системой подсказок и выявления ошибок, позволяющего визуализировать полученные результаты в виде графиков и диаграмм.
Научная значимость и новизна.
Научная новизна работы определяется используемыми в разработанной -.теме алгоритмами и методиками;
-
алгоритмами оценивания параметров бинарного взаимодействия моделей парожидкостного равновесия с построением совместных доверительных областей;
-
алгоритмами анализа динамических систем равновесной дистилляции и ректификации (определение локальных и нелокальных характеристик фазовых портретов, построение многообразий стационарности);
-
методикой проверки прогностической способности оценок параметров бинарного взаимодействия уравнений локальных составов и групповой модели UNIFAC;
-
алгоритмами исследования полистационарности динамической системы ректификации;
-
алгоритмами для системы управления экспериментальными исследованиями парожидкостного равновесия.
Научной новизной обладает также разработанная интерфейсная система управления информационными потоками в целом, обеспечивающая выполнение определенного сценария работы с информацией, визуализацию результатов в виде графических зависимостей, предоставление помощи пользователю и позволющая более эффективно использовать систему в предметной области.
Практическая значимость.
Разработанная компьютерная система может быть использована при разработке технологических схем ректификации промышленных азеотропных смесей в научно-исследовательских и проектных организациях.
В химико-технологических вузах и на химических факультетах технических университетов разработанная система может использоваться в учебном процессе на кафедрах Технологии основного органического и нефтехимического синтеза, Процессов и аппаратов химической технологии, Физической химии, Автоматизации химико-технологических процессов.
Тиражирование программного, информационного и методического обеспечения не представляет трудности.
Реализация результатов.
На кафедре ХТООС МИТХТ им. М. В. Ломоносова разработанная система используется для выполнения практических индивидуальных заданий по курсу «Компьютерные технологии научных исследований и проектирования ХТП», в лабораторном практикуме для студентов высшей инженерной школы, при выполнении квалификационных работ в бакалавриате, магистратуре и высшей инженерной школе, а также при выполнении аспирантских работ и научных исследований в области технологии разделения сложных смесей.
7 Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на V Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии 98», Ярославль, 1998; XI Международной научной. конференции «Математические методы в технике и технологиях», Владимир, 1998; на XII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Великий Новгород, 1999; V Международной конференции по интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия - 99», Нижнекамск, 1999; VI Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии 99», Москва, 1999.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 5 работ.
Структура и объем работы.
Работа изложена на 188 страницах (без приложений), состоит из введения, 3_ глав, выводов и приложений (на 65 страницах), содержит 124 рисунка, библиографический список включает 105 наименования.
