1 wstep

MODELOWANIE PROCESÓWMODELOWANIE PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH

Robert Aranowski

tel.: 347 23 34e-mail: aran@chem.pg.gda.plhtt // t h l i d l/d d kt k /http://www.technologia.gda.pl/dydaktyka/

Katedra Technologii ChemicznejKatedra Technologii ChemicznejWydział Chemiczny

Politechnika Gdańska

Program zajęćProgram zajęć

Wstęp, Pojęcia modelu empirycznego, analogowego, fizycznego, matematycznego; Przedstawienie rzeczywistych problemówmatematycznego; Przedstawienie rzeczywistych problemów projektowania, modelowania, optymalizacji i powiększania skali procesów.Szacowanie błędów pomiarowych i obliczanie błędów wielkościSzacowanie błędów pomiarowych i obliczanie błędów wielkości złożonych, Całkowite plany czynnikowe i plany ułamkowe w modelowaniu empirycznym i fizycznym. Wykorzystanie metod

h d i i ł istatystycznych do sterowania procesami przemysłowymi.Opis matematyczny chemicznych procesów technologicznych, typy modeli matematycznych, równania bilansowe aparatów modelowych, ode ate atyc yc , ó a a b a so e apa ató ode o yc ,równania bilansów masowych i energetycznych.

Katedra Technologii ChemicznejPolitechnika Gdańska

Program zajęć – cdProgram zajęć cd.

Symulacja procesów. Modele symulacyjne: modele czarnej skrzynki, modele deterministyczne, oprogramowanie do symulacji imodele deterministyczne, oprogramowanie do symulacji i projektowania procesów. Zasady symulacji procesów: obiekty o parametrach skupionych i rozłożonych w stanie ustalonym i nieustalonymnieustalonym.Aproksymacja i predykcja właściwości substancji: gęstości lepkości, parametrów krytycznych, objętości właściwej, objętości właściwej

ó l ś i ó i i ó i f ( ó igazów, lotności gazów i cieczy, równowagi fazowe (równanie Margulesa’a van Laara i Wilsona). Równowaga chemiczna, obliczaniestężeń w stanie równowagi. Bazy danych fizykochemicznych, własności czystych substancji, własności mieszanin, równowag fazowych.

Katedra Technologii ChemicznejPolitechnika Gdańska

Program zajęć – cdProgram zajęć cd.

Wykorzystanie zasad analizy wymiarowej i teorii podobieństwa do powiększania skali procesów technologicznych: podstawy analizy wymiarowej, teoria podobieństwa hydrodynamicznego, cieplnego i wymiany masy. p y y g , p g y y yPraktyczne zastosowanie opisu matematycznego procesów wymiany masy na przykładzie hydrokrakingu katalitycznego frakcji olejowych.Wykorzystanie Flowsheetingu (diagramów strumieniowych) do modelowaniay y g ( g y )procesów chemicznych za pomocą programu ChemCAD. Podstawy działaniaprogramu ChemCAD. Tworzenie projektów technologicznych procesówchemicznych. Modele matematyczne właściwości fizyko-chemicznychstosowane w ChemCAD Symulacja przepływów masowych pełna symulacja istosowane w ChemCAD. Symulacja przepływów masowych, pełna symulacja ioptymalizacja procesów w stanie ustalonym. Symulowanie procesówchemicznych za pomocą programu ChemCAD. Tworzenie raportówsymulacyjnych i interpretacja wyników.symulacyjnych i interpretacja wyników.Kolokwium zaliczające

Katedra Technologii ChemicznejPolitechnika Gdańska

LiteraturaLiteratura

1. Tarnowski Wojciech, Symulacja komputerowa procesów ciągłych, Koszalin, Wyższa Szkoła Inżynierska w Koszalinie 1996Wyższa Szkoła Inżynierska w Koszalinie 1996.

2. Mąkowski Mirosław, Zastosowanie i wykorzystanie symulacji komputerowej w procesie oczyszczania ścieków osadem czynnym, Zielona Góra, Wyższa S k ł ż i k 992Szkoła Inżynierska, 1992.

3. Perkowski Piotr, Technika symulacji cyfrowej, Warszawa, Wydaw. Nauk.-Tech, 1980.

4. Leigh J. R., Modelling and simulation, London, Peter Peregrinus, 1983.

5. Zeigler Bernard P., Teoria modelowania i symulacji, Warszawa, Państ. Wydaw Naukowe 1984Wydaw. Naukowe, 1984.

Katedra Technologii ChemicznejPolitechnika Gdańska

Literatura – cdLiteratura cd.

6. Pakowski Zdzisław, Symulacja procesów inżynierii chemicznej: teoria i zadania rozwiązane programem Mathcad, Łódz, Wydaw. Politech. Łódzkiej, 2001.

7. Gierulski Wacław, Modelowanie i symulacja komputerowa :laboratorium : praca zbiorowa, Kielce, Politechnika. Świętokrzyska, 1996.

8. Fishman George S., Symulacja komputerowa :pojęcia i metody, Warszawa, g , y j p p ję y, ,Państ. Wydaw. Ekonomiczne, 1981.

9. Heermann Dieter W., Podstawy symulacji komputerowych w fizyce, Warszawa, Wydaw. Nauk.-Tech, 1997.Wydaw. Nauk. Tech, 1997.

10. Jach Karol, Komputerowe modelowanie dynamicznych oddziaływań ciał metodą punktów swobodnych, praca zbiorowa, Warszawa, Wydaw. Naukowe PWN 2001PWN, 2001.

11. Winkowski Józef, Programowanie symulacji procesów, Warszawa, Wydaw. Nauk.-Tech., 1974.

Katedra Technologii ChemicznejPolitechnika Gdańska

DefinicjeDefinicje

?Modelowanie ?

Katedra Technologii ChemicznejPolitechnika Gdańska

Definicje – cdDefinicje cd.

Modelowanie – 1) doświadczalna lub matematyczna metoda badania złożonych układów, zjawisk i procesów (np. technologiczne, y j p ( p gfizyczne, ekonomiczne) na podstawie konstruowania modeli.2) jest to zadanie polegające na opisie działania danego aparatu lub systemu (instalacji) za pomocą odpowiedniego p y ( j ) p ą p gmodelu matematycznego; pozwala to na zbadanie, jak zachowywać się będzie dany obiekt w trakcie pracy, rozruchu i zatrzymania bądź awarii.

1) – Encyklopedia PWN 20011) – Pakowski Zdzisław, Symulacja procesów inżynierii chemicznej: teoria i

zadania rozwiązane programem Mathcad, Łódz, Wydaw. Politech. Łódzkiej, 2001

Katedra Technologii ChemicznejPolitechnika Gdańska

Definicje – cdDefinicje cd.

Modelowanie – przybliżone odtwarzanie najważniejszych właściwości oryginału. Podstawowym celem modelowania yg yw nauce jest uproszczenie złożonej rzeczywistości, pozwalające na poddanie jej procesowi badawczemu

Katedra Technologii ChemicznejPolitechnika Gdańska

Definicje – cdDefinicje cd.

?Projektowanie ?j

Katedra Technologii ChemicznejPolitechnika Gdańska

Definicje – cdDefinicje cd.

Projektowanie - jest to dobór i obliczenie wymiarów instalacji i urządzeńwchodzących w jej skład i spełniających założeniaą j j jąprojektowe; jest to najbardziej złożone i trudne zwymienionych zadań. Dobór instalacji oraz urządzeń odbywasię nie tylko na podstawie obliczeń inżynierskich, ale także napodstawie optymalizacji, rachunku kosztów, katalogów i ofertfirm, przepisów prawnych oraz doświadczenia projektantaJeżeli w skład projektowania wchodzi również dobór aparatówi sposobów ich połączeń w system (instalację), to takiepodejście nazywamy synteza procesu.W przypadku pojedynczego aparatu projektowaniemp yp p j y g p p jnajczęściej nazywamy dobór wymiarów tego aparatu tak abyspełniał on założenia projektowe.

Katedra Technologii ChemicznejPolitechnika Gdańska

Definicje – cdDefinicje cd.

?Optymalizacja ?p y j

Katedra Technologii ChemicznejPolitechnika Gdańska

Definicje – cdDefinicje cd.

Optymalizacja -polega na znajdowaniu takich rozmiarów lubparametrów pracy danego aparatu lub systemu, abyspełniony był cel optymalizacji, np. najniższe koszty,najlepsza jakość produktu itp.j p j p p

Katedra Technologii ChemicznejPolitechnika Gdańska

Definicje – cdDefinicje cd.

?Sterowanie ?

Katedra Technologii ChemicznejPolitechnika Gdańska

Definicje – cdDefinicje cd.

Sterowanie - i związane z nim pozyskiwanie danych polegają naą p y y p g jązbieraniu danych o pracy danego aparatu w czasierzeczywistym i odpowiednie zarządzanie jego pracą

Katedra Technologii ChemicznejPolitechnika Gdańska

Korzyści jakie przynosi modelowaniaKorzyści jakie przynosi modelowania

zmniejsza się lub powiększa obiekt badań do dowolnej wielkości, np. modelUkładu Słonecznego;g

analizuje się procesy trudne do uchwycenia ze względu na zbyt szybkie lubzbyt wolne tempo ich przebiegu, np. model ruchu cząsteczek wodyw wodospadzie;w wodospadzie;

bada się jeden wybrany aspekt zagadnienia, pomijając inne, np. modeltransportu pasażerskiego w pociągach ekspresowych w okresie wakacyjnym;

d l i ł i ól l k h d i h t kt j hmodelowanie pełni szczególną rolę w naukach przyrodniczych, traktujących środowisko przyrodnicze jako złożony system, poddający się badaniom dzięki modelowaniu występujących w nim relacji i procesów;

óobniżenie kosztów projektowania i optymalizacji procesu.

lepsze poznanie procesu

zmniejszenie czasu projektowaniaKatedra Technologii ChemicznejPolitechnika Gdańska

zmniejszenie czasu projektowania

Rodzaje modeli symulacyjnychRodzaje modeli symulacyjnych

Istnieje szereg kryteriów klasyfikacji modeli procesów:Istnieje szereg kryteriów klasyfikacji modeli procesów:

Model fizyczny

Model matematycznyModel matematyczny

Katedra Technologii ChemicznejPolitechnika Gdańska

Rodzaje modeli symulacyjnych – cdRodzaje modeli symulacyjnych cd.

Modele fizyczne - to taki układ fizyczny, w którym danąwielkość fizyczną zastępuje inna łatwowielkość fizyczną zastępuje inna, łatwomierzalna wielkość fizyczna

PrzykładyPrzykłady

Do modelowania pola temperatury w ścianie pieca oskomplikowanym przekroju używa się papieru grafitowanego oskomplikowanym przekroju używa się papieru grafitowanego otym samym kształcie - krawędź papieru podłączona do elektrodyo danym napięciu odpowiada wtedy stałej temperaturze ścianki,natężenie prądu odpowiada strumieniowi ciepła, a izotermy wściance odpowiadają liniom stałego napięcia.

Katedra Technologii ChemicznejPolitechnika Gdańska

Rodzaje modeli symulacyjnych – cdRodzaje modeli symulacyjnych cd.

PrzykładyModele fizyczne są do dziś stosowane w aerodynamice np doModele fizyczne są do dziś stosowane w aerodynamice, np. domodelowania opływu samolotów, a nawet samochodów w tunelachaerodynamicznych, statków, budowli wodnych itp. Stosuje się wtedymodel zmniejszony fizycznie Warto jednak zauważyć że zmniejszeniumodel zmniejszony fizycznie. Warto jednak zauważyć, że zmniejszeniurozmiarów towarzyszy zmniejszenie liczby Reynoldsa, dlatego też wdokładniejszych badaniach stosuje się podwyższone ciśnienie, aby

i k ć t śćzwiększyć gęstość gazu.

Problem analogii modelu fizycznego i powiększanie skali sąnierozerwalnie związane.nierozerwalnie związane.

Modele fizyczne stosowane były szeroko w czasachprzedkomputerowych, obecnie są wypierane przez modele

t tKatedra Technologii ChemicznejPolitechnika Gdańska

matematyczne.

Rodzaje modeli symulacyjnych – cdRodzaje modeli symulacyjnych cd.

Modele matematyczne - to te, w których zachodzącezjawiska opisujemy równaniamizjawiska opisujemy równaniamimatematycznymi, a przebieg procesuotrzymujemy, rozwiązując te równania.o y uj y, o ą ują ó a a

Struktura modelu matematycznego odzwierciedla typprocesu i mając do dyspozycji równania modelu, możnaprzypisać do nich typ procesu i odwrotnie.

Katedra Technologii ChemicznejPolitechnika Gdańska

Obecne zaawansowanie modelowaniaObecne zaawansowanie modelowania

CAPE - (ang. Computer Aided Process Engineering)

W inżynierii procesowej powstał termin obejmujący wszystkieW inżynierii procesowej powstał termin obejmujący wszystkiezastosowania komputerów w tej dziedzinie techniki. Podstawowezagadnienia, którymi zajmuje się CAPE, to projektowanie, symulacja,

l d d k koptymalizacja, sterowanie, a nawet dydaktyka wspomaganakomputerem.

Katedra Technologii ChemicznejPolitechnika Gdańska