Моделирование химико-технологических процессов

Министерство образования Российской Федерации

Московская государственная академия тонкой химической технологии им.М.В.Ломоносова

Одинцов К.Ю.

Методическое пособие по использованию программного обеспече-

ния курса "Моделирование химико-технологических

процессов"

Москва 2003

Методическое пособие по использованию программного обеспече-

ния курса "Моделирование химико-технологических

процессов"

Автор К.Ю. Одинцов

Москва , 2000 . ISBN...............32.с.

Рецензент: проф. каф.ХТООС Темкин

О.Н.

Утверждено Библиотечно-издательской комиссией МИТХТ.

Методические указания предназначены студентам всех специальностей, изучающим дисциплину “Моделирование химикотехнологических процессов".

МИТХТ им.М.В.Ломоносова, 2003

ОГЛАВЛЕНИЕ

Работа 1.Оптимизация температурного режима в реакторе идеального вытеснения.....8

Работа 2. Получение кинетических характеристик химической реакции на основе резуль-

Работа 3. Моделирование и исследование протекания сложной химической реакции в аппаратах с различными гидродинамическими режи-

Работа 4. Определение гидродинамического режима реактора на основе дифференциальной функции распределения времени пребы-

6. Программы, используемые при сдаче коллоквиумов.

Программы к коллоквиуму 1………………29 Программы к коллоквиуму 2…………32

Приложение. Некоторые сведения о языке Бейсик.. ..... 35

2

Общие указания

Программное обеспечение практической части курса Математическое моделирование хи- мико-технологических процессов претерпевало многократные изменения, соответствующие изменению используемой компьютерной базы. В настоящее время используются два основных набора программного обеспечения, более старое, ориентированное на использование компьютеров с операционной системой DOS и язык Турбобейсик, и новое, рассчитанное на современные компьютеры, управляемые системой WINDOWS. В этом случае программы написаны на языке VisualBasic. Методические указания, имеющиеся в настоящее время в распоряжении студентов, соответствуют приложениям DOS, поэтому в данном пособии будут описаны только WINDOWS-программы и некоторые изменения в методике проведения лабораторных работ, соответствующие этим программам. Все другие аспекты проведения лабораторного практикума изложены в основных Методических указаниях

[1].

Работа 1. Оптимизация температурного режима в реакторе идеального вытеснения

Для запуска этой программы используется файл LR1.exe, после чего появляется форма, которая содержит описание работы (рис.1.1).

Рис 1.1 Стартовая форма лабораторной работы №1.

В эту форму студент вводит номер своего варианта и нажимает кнопку Начало работы. В результате появляется рабочая форма (рис.1.2), в которой и проводится дальнейшая работа.

3

Рис.1.2. Рабочая форма лабораторной работы №1.

В рамке Начало студент вводит желаемые значения температуры на входе T0 и температуры поверхности теплопередачи (хладоагента) TX .Нажатие клавиши Счет запускает программу. В ходе расчета заполняется таблица в рамке Результаты и рисуется график температурной зависимости. В рамке Результаты выводится температурная зависимость (t - текущее время, T - температура), а также достигнутая степень превращения. На нижнем рисунке отображается план поиска в координатах T0 TX .Переписав результаты из таблицы, студент задает новую пару

температур и повторяет расчет. В рамке Результаты фиксируется число проведенных опытов, и при превышении заданного значения (10 опытов) программа выдает соответствующее предупреждение. Это предупреждение не жесткое, при желании продолжить работу можно, приняв к сведению предупреждение (нажав ОК), проводить следующий расчет, хотя теперь предупреждение будет повторяться в каждом опыте. Программа не допускает введения данных вне заданного диапазона (20 – 110оС), в этом случае надо согласиться с предупреждением и повторить ввод. Если превышение температуры происходит в ходе расчета, выдается соответствующая информация, степень превращения не рассчитывается, но вывод температурной зависимости проводится до конца. Закончив работу, можно нажать клавишу Конец, тогда следующий студент заново запускает программу. Впрочем, в этой ситуации можно вернуться к стартовой форме, щелкнув по ней мышью, и ввести новый вариант.

4

Работа 2. Получение кинетических характеристик химической реакции на основе результатов эксперимента

Эта работа предназначена для получения исходных данных для последующего цикла работ. Для запуска программы используется файл lr2.exe.

В стартовой форме (рис.2.1) задается номер варианта и после нажатия кнопки Ввел(а)

появляется кнопка Получите исходные данные, нажав которую, Вы попадете в форму выдачи задания для введенного варианта (рис.2.2).

Рис.2.1. Стартовая форма работы №2.

Рис.2.2. Форма выдачи задания работы №2.

Переписав исходные данные, Вы можете перейти к численному эксперименту, описанному в Методических указаниях [1], нажав соответствующую зеленую кнопку. Вы переходите в форму «Эксперимент» (рис.2.3), где задаете условия опыта (температуру и время пребывания). Проведя расчет (кнопка Начало расчета), получаете концентрации всех веществ на выходе из реактора. Затем задаете новые значения температуры и времени и повторяете расчет.

Рис. 2.3. Расчетная форма работы 2.

Работа 3. Моделирование и исследование протекания сложной реакции в аппаратах с различными гидродинамическими режимами

3.1. Реактор идеального смешения

Запускаете программу (файл lr3sm.exe). В стартовую форму расчета реактора идеального смешения (рис. 3.1.1)

Рис. 3.1.1. Стартовая форма расчета реактора идеального

смешения.

Вы записываете все заранее подготовленные и рассчитанные исходные значения: матрицу стехиометрических коэффициентов, начальную концентрацию реагента, значения энергий активации и предэкспоненциальных множителей уравнения Аррениуса, а также интервалы изменения температуры и времени пребывания. Нажав кнопку Начало расчета, Вы попадаете в следующую форму (рис. 3.1.2), где последова-

6

тельно задаете условия каждого опыта и получаете результаты. В числовом виде выводятся концентрации всех веществ, степень превращения (P), выход (R) и селективности, а также значения констант скорости каждой стадии реакции. Одновременно выводятся графики зависимостей степени превращения, выхода и селективности от времени и от температуры. В этой работе результаты расчета выводятся также и в файл lr3sm.dat , открыв который Вы сможете просмотреть всю совокупность результатов. В файл результаты выведены в следующей последовательности: время, температура, три константы скорости, четыре концентрации и три характеристики реакции (P, R, S). Этот файл Вы можете скопировать на свою дискету, если у Вас есть возможность и желание обрабатывать полученные результаты на компьютере.

Рис. 3.1.2. Расчетная форма для реактора идеального смешения.

3.2.Реактор идеального вытеснения

Вотличие от всех остальных используемых Вами

расчетных программ, где программы запускались через исполняемые файлы, при расчете реактора идеального

смешения Вы будете работать непосредственно в среде Visual Basic. В этом случае Вы входите в папку lr3vyt и

запускаете файл проекта lr3vyt.vbp. На экране появляется текст модуля, содержащего запись математической модели реактора. Если по каким-то причинам этот мо-

дуль не появился на экране, его надо вызвать через

7

Проводник проекта, который обычно расположен в правой части экрана, а если его там нет, надо нажать сочетание Ctr-R. Модуль modMod содержит две процедуры, в процедуру prcMod Вы записываете выражения для констант скоростей по уравнению Аррениуса, подставляя в это уравнение численные значения параметров, а далее – систему дифференциальных уравнений, пред-

ставляющую модель реактора идеального вытеснения. Массив d() представляет собой левые части системы

дифференциальных уравнений dC() , так что Вы вводи- dt

те только выражения для правых частей. В процедуре prcPRS записываются формулы для расчета характери-

стик реакции (P, R, S), причем начальная концентрация реагента записывается численно. Пример записи приведен ниже.

Sub prcMod(T, c(), d())

k1 = 47000000000# * Exp((-75000) / (8.314 * T)) k2 = 1.3E+16 * Exp((-120993) / (8.314 * T))

k3 = 26000000# * Exp((-59998) / (8.314 * T)) d(1) = -1 * k1 * c(1) - k3 * c(1)

d(2) = k1 * c(1) - k2 * c(2)

d(3) = 2 * k2 * c(2)

d(4) = 2 * k3 * c(1) End Sub

Sub prcPRS(c(), p, r, s)

p = (0.8 - c(1)) / 0.8: r = c(2) / 0.8: s = c(2) / (0.8 -

c(1))

End Sub

После заполнения модуля, надо запустить программу (нажать клавишу F5). Вы попадете в расчетную форму (рис. 3.2.1), в которую записываете начальную концентрацию реагента, температуру и максимальное время интегрирования. Это время нужно для установления масштаба графика, оно может быть равно верхней границе интервала времени, или другому

временному значению до которого Вы хотите получить решение. Далее Вы вводите текущее значение времени

и нажимаете кнопку Счет. Переписываете результаты,

соответствующие этому значению времени и повторяете счет при других значениях времени столько раз, сколько Вам нужно расчетных точек для построения графика (обычно 8 – 10 точек). На графике

изображаются зависимости трех характеристик реакции (P, R, S) от времени. Результаты выводятся также в

файл lr3vyt.dat в следующей последовательности: температура, три константы скорости, время, четыре концентрации, три характеристики.

8

Рис 3.2.1. Расчетная форма для реактора идеального вытеснения.

3.3. Каскад реакторов идеального смешения

Программная реализация расчета каскада реакторов идеального смешения мало чем отличается от расчета одного аппарата идеального смешения, которое было описано выше. Программа запускается исполняемым файлом lr3kask.exe и стартовая форма заполняется так же, как для идеального смешения. В расчетной форме (рис. 3.3.1) кроме температуры и времени пребывания предусмотрен ввод числа ячеек, а

Рис. 4.1. Расчетная форма работы 4.

Работа 5. Оптимизация химического процесса

В работе проводится оптимизация каскада реакторов идеального смешения, поэтому форма ввода исходных данных, вызываемая при запуске программы lr5.exe, содержит уже знакомые компоненты ввода стехиометрической матрицы, начальной концентрации реагента и параметров уравнения Аррениуса. В другую рамку формы вводятся характеристики оптимизации: область поиска и экономические показатели, необходимые при формировании критерия оптимальности. Область поиска выбирается на основании анализа процесса, проведенного в предыдущих работах, логично представить себе, что минимум себестоимости примерно соответствует максимуму выхода целевого продукта, положение которого Вы определяли при моделировании реактора идеального вытеснения.

10

Рис.5.1. Форма ввода исходных данных программы оптимизации.

Нажатие клавиши Начало работы приведет к появлению формы, обеспечивающей проведение поиска. Сначала надо выбрать метод поиска минимума себестоимости целевого продукта. Самым простым для неавтоматической реализации является метод покоординатного спуска. Пользуясь этим методом, Вы меняете один оптимизирующий фактор (например, время) и начинаете менять другой (температуру). Ход поиска отображается в правой рамке, куда выводятся все характеристики процесса, включая целевую функцию U (себестоимость). Если