Учреждение образования
«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
УТВЕРЖДЕНА
Ректором БГТУ
Профессором И.М. Жарским
24.06.2010 г.
Регистрационный № УД-408/баз.
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ОТРАСЛИ
Учебная программа для высших учебных заведений по специальности 1-48 01 01 Химическая технология неорганических веществ, материалов и изделий Минск 2010 УДК 66.011(073) ББК 35.115173 М74 Рекомендована для утверждения:кафедрой технологии неорганических веществ и общей химической технологии учреждения образования «белорусский государственный технологический университет»
(протокол № 14 от 20 апреля 2010 г.);
кафедрой технологии стекла и керамики учреждения образования «белорусский государственный технологический университет»
(протокол № 15 от 31 мая 2010 г.);
кафедрой химической технологии вяжущих материалов учреждения образования «белорусский государственный технологический университет»
(протокол № 9 от 20 мая 2010 г.).
Научно-методическим советом учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет»
(протокол № _07_ от «23»_июня_ 2010 г.);
Составители:
В.А. Бирюк, доцент кафедры технологии стекла и керамики учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет», кандидат технических наук;
Ю.Г. Павлюкевич, доцент кафедры технологии стекла и керамики учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет», кандидат технических наук;
В.А. Салоников, старший преподаватель кафедры технологии неорганических веществ и общей химической технологии учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет», кандидат технических наук;
А.П. Кравчук, ассистент кафедры технологии стекла и керамики учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет», кандидат технических наук.
Рецензенты:
Цырельчук И.Н, заведующий кафедрой радиоэлектронных средств учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», кандидат технических наук, доцент Колесников В.Л., профессор кафедры информацинных систем и технологий учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет», доктор технических наук.
СОДЕРЖАНИЕ
1 Пояснительная записка……………………..…………………………..…….. 2 Примерный тематический план дисциплины ……………….....…..……… 3 Содержание учебного материала……………………………………..………. 4 Иформационно-методическое обеспечение………………………………… 4.1 Примерный перечень лабораторных работ……………………………… 4.2 Основная литература …………………………..…………………...……… 4.3 Дополнительная литература………………………………………....……..1 ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Учебная программа дисциплины «Моделирование и оптимизация химикотехнологических процессов в отрасли» разработана в соответствии с образовательным стандартом специальности 1- 48 01 01 «Химическая технология неорганических веществ, материалов и изделий».1.1 Место и значение, цели и задачи дисциплины Интенсификация и модернизация действующих производств, развитие экологически чистых и безотходных технологий, создание энерго- и материалосберегающих химико-технологических процессов базируется на наукоемких технологиях и современных методах компьютерного моделирования и оптимизации, что требует качественной подготовки инженеров-технологов широкого профиля для предприятий, проектных и научно-исследовательских организаций. В этой связи возрастает роль учебных дисциплин, относящихся к циклу общепрофессиональных и специальных дисциплин, особенно, которыми завершается общеинженерная химико-технологическая подготовка инженера-химика-технолога.
Дисциплина «Моделирование и оптимизация химико-технологических процессов в отрасли» является обязательным компонентом цикла общепрофессиональных и специальных дисциплин специальности 1-48 01 01 «Химическая технология неорганических веществ, материалов и изделий». Она играет важную роль в системе подготовки молодых специалистов и базируется на таких естественнонаучных и специальных дисциплинах как «Информатика и компьютерная графика», «Высшая математика», «Теоретические основы химии», «Общая химическая технология», «Процессы и аппараты химической технологии». В дисциплине рассматривается широкий круг вопросов, включающий изучение математического моделирования основных химико-технологических процессов, а также различные методы их оптимизации.
Типовая учебная программа дисциплины разработана в соответствии с образовательным стандартом специальности 1-48 01 01 «Химическая технология неорганических веществ, материалов и изделий».
Целью учебной дисциплины «Моделирование и оптимизация химикотехнологических процессов в отрасли» является формирование у студентов знаний об основных методах применения ЭВМ в химической технологии, изучения, расчета и оптимизации химико-технологических процессов, а также овладение умениями и навыками применения указанных знаний к типовым стадиям химико-технологического процесса, создание оптимальных химикотехнологических систем.
В соответствии с указанной целью основными задачами учебной дисциплины являются:
– изучить методы моделирования, формализованное и математическое описание; моделирующие алгоритмы; математическое описание структуры потоков как основы построения моделей процессов;
– освоить программное обеспечение моделирования технологических систем на основе пакетов MathCad, Mathematica, Statistica, Matlab, Excel;
экспериментально-статистические методы и программное обеспечение математического описания производства неорганических материалов;
– изучить формализованную структуру основных стадий химикотехнологических производств; формализацию критериев функционирования производственных процессов; формулирование и решение основных задач оптимизации процессов получения неорганических материалов; программное обеспечение на основе пакетов MathCad, Mathematica, Statistica, Matlab, Excel;
имитационное моделирование сложных стохастических объектов.
1.2 Общие требования к формированию профессиональных Основными целями профессиональной подготовки студентов в вузе является формирование и развитие профессиональных компетенций, основанных на профессиональных знаниях, обеспечивающих решение и исполнение гражданских, социально-профессиональных, личностных задач и функций.
Сформированность у выпускника профессиональных компетенций способствует развитию социально-профессиональной компетентности как интегрированного результата образования в вузе.
Общие требования к формированию профессиональных компетенций выпускника определяются следующими принципами:
принципом фундаментализации, способствующим ориентации содержания дисциплин общепрофессиональной и специальной подготовки выпускника на выявление сущностных оснований и связей между разнообразными процессами окружающего мира, естественнонаучным и профессионально-ориентированным знанием;
принципом компетентностного подхода, определяющим систему требований к организации образовательного процесса, направленных на усиление его практикоориентированности, повышение роли самостоятельной работы студентов по разрешению задач и ситуаций, моделирующих профессиональные проблемы, и формирование у выпускников способности действовать в изменяющихся жизненных условиях;
принципом междисциплинарности и интегративности образования, реализация которого обеспечивает целостность получения выпускником профессионального знания и его взаимосвязь с контекстом будущей деятельности.
профессиональной подготовки выпускник высшего учебного заведения должен приобрести следующие компетенции:
– уметь использовать технические и программные средства компьютерной техники;
– уметь использовать навыки проведения исследований, информационного обеспечения, а также системного и сравнительного анализа;
– владеть методами моделирования и оптимизации технологических процессов;
– разрабатывать новые технологические процессы с использованием инновационных технологий в производстве неорганических веществ, материалов и изделий на основе математического моделирования и оптимизации.
В результате изучения дисциплины студент должен – методы формализованного описания технологических процессов;
–приемы работы с программным обеспечением для моделирования технологических процессов;
–экспериментально-статистические методы описания технологических процессов;
–методы постановки задач оптимизации и программное обеспечение для их решения;
–составлять математическое описание типовых технологических процессов;
–моделировать протекание основных технологических процессов на основе программных продуктов;
–решать задачи оптимизации технологических процессов;
–выполнять имитационное моделирование сложных стохастических процессов.
1.3 Организация самостоятельной работы студентов Самостоятельная работа студентов организуется деканатами, кафедрами, преподавателями вузов в соответствии с Положением о самостоятельной работе студентов, которое разрабатывается высшим учебным заведением.
Контроль самостоятельной работы студентов может осуществляться в ходе текущего и итогового контроля знаний, в форме устного опроса и коллоквиумов.
Компетентностный подход предполагает существенное усиление практикоориентированности образовательного процесса и роли управляемой самостоятельной деятельности студентов по разрешению задач и ситуаций, имитирующих социально-профессиональные проблемы. Управляемая самостоятельная работа студентов предусматривает подготовку рефератов и докладов, ознакомление с научной, и учебной литературой, выполнение учебноисследовательских и научно-исследовательских работ.
Рекомендуется проводить контроль знаний студентов на каждом лабораторном занятии в форме защиты результатов лабораторных работ. В процессе реализации программы преподаватель для контроля знаний студентов может разрабатывать и использовать тестовые задания (приложение 1); кроме того, он вправе расширять список рекомендуемой основной и дополнительной литературы. Для контроля знаний студентов в течение семестра возможно выполнение контрольных работ и/или проведение коллоквиумов, а также проведение зачета в виде выполнения заключительной контрольной работы. В качестве итогового контроля знаний предусмотрен экзамен.
Типовой учебный план предусматривает на изучение дисциплины часов, в том числе 102 часа аудиторных, из них лекции – 52 часа, лабораторные занятия – 50 часов.
Содержание дисциплины разбито на 5 тем.
Преподавание дисциплины предусматривает также самостоятельную работу студентов. Самостоятельная работа студентов организуется кафедрой и преподавателями. Цель самостоятельной работы – повышение конкурентоспособности выпускников посредством повышения у них знаний и умений самообразования.
Настоящая программа определяет общее содержание дисциплины.
Руководствуясь ею, кафедра разрабатывает учебную программу дисциплины. При разработке учебной программы допускается изменение последовательности изложения материала, а также перенесение отдельных вопросов программы на лабораторные занятия или на самостоятельное изучение без нарушения целостности дисциплины.
2 ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ДИСЦИПЛИНЫ
Основные понятия моделирования 1.1 Модели и способы моделирования 1 - Основные понятия системных объектов. Химико-технологический процесс как система 1.3 Особенности моделей и задач математического моделирования. Составление математического 3 2 Элементы теории эксперимента как основы построения математических моделей.2.4 Построение информационных сетей для получения математических моделей высоких порядков Компьютерное моделирование химикотехнологических систем 3.3 Типовые модели химико-технологических 3.4 Математическое моделирование химических технологическом оборудовании Оптимизационные задачи в химической технологии 4.1 Оптимизация химико-технологических процессов 4.3 Исследование и оптимизация свойств смесей химических веществ 4.4 Принятие управленческих решений в условиях неопределенности и риска Оценка качества продукции 5.1 Теоретические основы оценки качества продукции 5.2 Правила настраивания функции желательности
3 СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА
Основные понятия дисциплины «Моделирование и оптимизация химикотехнологических процессов отрасли». Предмет изучения дисциплины. Задачи, роль и место дисциплины в системе подготовки инженера-химика-технолога, связь с другими учебными дисциплинами. Круг задач химической технологии, решаемых с применением методов математического моделирования.1.1 Модели и способы моделирования. Материальные, мысленные и математические модели. Основные требования к процессу моделирования. Экономичность и традуктивность. Теория подобия. Аналогия. Математическое моделирование. Основные виды математических моделей.
1.2 Основные понятия системных объектов. Химико-технологический процесс как система. Понятие системы. Описание системных объектов (функциональное, морфологическое, информационное). Структура системных объектов. Классификация систем. Входы (факторы) и выходы (отклики) систем. Контролируемые и неконтролируемые входы. Причины возникновения неконтролируемых факторов. Подходы к описанию систем: структурный, эмпирический (метод черного ящика).
1.3 Особенности моделей и задач математического моделирования. Составление математического описания объекта. Точность моделей. Параметры модели. Лимитирующие стадии. Стационарные и нестационарные процессы. Объекты с сосредоточенными и распределенными параметрами. Составление математического описания. Группы уравнений, выделяемые в составе математического описания, разработанного на основе физической природы моделируемого объекта. Выбор метода решения уравнений. Блочный принцип построения математических моделей.
Раздел 2. Элементы теории эксперимента как основы построения 2.1 Случайные величины. Вероятность. Числовые характеристики случайной величины (математическое ожидание, дисперсия, среднее квадратическое отклонение (ошибка). Основные законы распределений случайной величины. Зависимые и независимые случайные величины. Корреляция.
2.2 Статистические оценки и проверка гипотез. Генеральная совокупность и выборка. Свойства оценок (состоятельность, несмещенность, эффективность). Нуль-гипотеза. Альтернативная гипотеза. Ошибки первого и второго рода.
Уровень значимости. Критерий исключения грубой ошибки. Метод максимального правдоподобия. Метод наименьших квадратов. Критерии согласия: Пирсона, Колмогорова, Смирнова, Кохрена, Фишера, Неймана, Хартли, знаков. Проверка гипотез относительно уравнений регрессии, интерпретация уравнения регрессии.
2.3 Планирование эксперимента. Пассивный и активный эксперимент.
Факторное пространство. Матрица планирования. Неполноблочные планы. Греколатинские квадраты, кубы, параллелепипеды. Полный и дробный факторный эксперименты. Планы первого порядка. Планы второго порядка (ортогональное, ротатабельное, D-оптимальное планирование). Интерпретация уравнений регрессии.
2.4 Построение информационных сетей для получения математических моделей высоких порядков. Основные понятия: вектор главных эффектов, конечное кольцо порядка, поле порядка, класс вычетов, конечная проективная плоскость, конечная проективная геометрия, фундаментальный симплекс. Этапы формирования информационной сети. Выбор и обоснование числа факторов и уровней их варьирования. Определение числа вершин фундаментального симплекса.
Правила составления групп координат вершин связок плоскостей на бесконечности. Правила составления линейно независимых векторов.
Раздел 3. Компьютерное моделирование химико-технологических систем 3.1 Вероятностные модели. Теоретические основы получения полиномиальных моделей. Проверка адекватности полиномиальных моделей. Линеаризующие преобразующие соответствия.
3.2 Графические модели. Классификация топологических моделей химикотехнологических систем. Основные понятия и определения теории графов. Контур, цепь, путь, цикл. Характеристика и принципы построения топологических моделей.
3.3 Типовые математические модели химико-технологических процессов. Потоки в аппаратах непрерывного действия. Модели идеальных потоков (идеального вытеснения и смешения). Модели неидеальных потоков (диффузионная и ячеечная модели). Основные уравнения ячеечной модели. Ячеечная модель с обратными потоками. Комбинированная модель.
3.4 Математическое моделирование химических превращений, процессов тепло- и массообмена в технологическом оборудовании. Построение кинетических моделей. Математическое моделирование химических превращений, протекающих в технологических установках. Моделирование теплообменных процессов. Изотермические и адиабатические процессы. Режим частичного теплообмена. Тепловые балансы. Детерминированный и стохастический подходы к описанию массопередачи. Моделирование массообменных процессов. Внешнедиффузионное торможение. Процессы с межфазным массообменом. Основные этапы составления математического описания процессов.
Раздел 4. Оптимизационные задачи в химической технологии 4.1 Оптимизация химико-технологических процессов. Формулировка задачи оптимизации. Критерий оптимальности. Ограничения. Оптимизирующие факторы. Целевая функция. Общая схема решения оптимизационных задач.
4.2 Методы решения оптимизационных задач. Градиентные методы: релаксации, градиента, наискорейшего спуска, крутого восхождения. Безградиентные методы: сканирования, конфигураций, симплекс-планирования, симплекспланирования с помощью правильных многогранников, деформируемого многогранника, скользящего поиска, случайного поиска, слепого поиска, случайных направлений, случайного локального поиска. Достоинства и недостатки методов решения оптимизационных задач.
4.3 Исследование и оптимизация свойств смесей химических веществ.
Теоретические основы и особенности построения диаграмм «Состав–свойство».
Симплекс-решетчатые планы Шеффе. Барицентрическая система координат. Виды моделей и расчет коэффициентов. Матричная форма решеток Шеффе. Выделение локальных областей.
4.4 Принятие управленческих решений в условиях неопределенности и риска. Теория парных матричных игр с нулевой суммой. Платежная матрица.
Верхняя и нижняя цены игры. Решение парных матричных игр. Матрица рисков.
Критерий Вальда, Сэвиджа, Гурвица.
5.1 Теоретические основы оценки качества продукции. Функция желательности. Кривая, ограниченная с одной стороны. Кривая с двухсторонними ограничениями. Подготовка исходных данных и методика расчета.
5.2 Правила настраивания функции желательности. Настраивание функции желательности по кривым с односторонним или двухсторонним ограничением.
4 ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
4.1 Примерный перечень лабораторных занятий 1. Организация сбора информации. Построение информационных сетей.2. Построение и интерпретация регрессионных моделей на основе данных активного эксперимента.
3. Регрессионный анализ. Корреляционный анализ.
4. Оценка параметров распределения случайной величины.
5. Определение оптимального температурного режима.
6. Расчет стехиометрических балансов.
7. Расчет константы равновесия и равновесной степени превращения.
8. Получение полиномиальных моделей.
9. Математическая модель химических превращений в реакторах идеального смешения и идеального вытеснения, работающих в изотермическом режиме.
10.Математическая модель химических превращений в реакторах идеального смешения и идеального вытеснения, работающих в политермическом режиме.
11.Моделирование химических реакторов на основе ячеечной модели 12.Математическое моделирование процессов в пористом зерне катализатора.
13.Построение и анализ моделей для процессов протекающих в системах газ (жидкость) - твердое вещество.
14.Математическое моделирование процесса синтеза аммиака.
15.Математическое моделирование процесса окисления SO 16.Математическое моделирование процесса абсорбции SO3.
17. Математическое моделирование теплообменных процессов, протекающих при получении строительных материалов.
18. Математическое моделирование массообменных процессов, протекающих при получении строительных материалов.
19. Решение оптимизационных задач.
20. Анализ свойств смесей. Построение диаграмм «Состав–свойство».
21. Графические модели.
22. Комплексная оценка качества продукции.
23. Принятие решений в условиях неопределенности.
«