2

1. Цели освоения дисциплины.

Целями освоения дисциплины «Моделирование технологических и природных систем» являются:

- формирование общекультурных компетенций выпускников (самоорганизации и самоуправления, системно-деятельностного характера);

- реализация компетентностного подхода при формировании общекультурных

компетенций выпускников;

- формирование общепрофессиональных и профессиональных компетенций

выпускников.

Задачами дисциплины «Моделирование технологических и природных систем» являются:

- формирование у студентов системного подхода к решению задач проектирования и анализа эффективности ресурсосберегающих комплексов;

- развитие творческого мышления студентов, повышение их интеллектуального уровня.

- подготовка студентов в области системного анализа и рационального использования материальных и энергетических ресурсов химической технологии и нефтехимии.

2. Место дисциплины в структуре ООП.

Дисциплина «Моделирование технологических и природных систем» относится к профессиональному циклу дисциплин. Изучение дисциплины «Моделирование технологических и природных систем» основано на знании студентами материалов дисциплин «Математика», «Физика», «Техническая термодинамика и теплотехника», «Информатика», «Прикладные программы для решения задач энергоресурсосбережения», «Механика жидкости и газа», «Системный анализ», «Моделирование энерго- и ресурсосберегающих процессов в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», «Теоретические основы теплотехники», «Процессы и аппараты химической технологии», «Энерготехнологические процессы и установки».

Задачи учебной дисциплины состоят в изучении теоретического материала по исследованию химико-технологических комплексов как единого целого, с учетом взаимосвязи между элементами систем и в приобретении умения и практических навыков разработки ресурсосберегающих технологий.

Знания, полученные студентами по дисциплине «Моделирование технологических и природных систем» пригодятся для решения задач проектирования и анализа процессов, оборудования химической технологии и организационно-технических ресурсосберегающих комплексов.

Полученные знания необходимы студентам при подготовке, выполнении и защите выпускной квалификационной работы и при решении научно-исследовательских, проектно-конструкторских, производственно-технологических, организационно-управленческих задач в будущей профессиональной деятельности.

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Моделирование технологических и природных систем».

Освоение дисциплины направлено на формирование:

– общекультурных компетенций: ОК-1, ОК-10;

– общепрофессиональных компетенций: ПК-1, ПК-2, ПК-4, ПК-8, ПК-9, ПК-15, ПК-20, ПК-22.

В результате освоения данной дисциплины студент формирует и демонстрирует следующие общекультурные и общепрофессиональные компетенции:

Коды Название компетенции Приобретаемые навыки, знания, умения ОК-1 обобщать, анализиро- Знать: методы сбора и систематизирования разнообразвать, воспринимать ин- ной информации из многочисленных источников.

формацию, ставить цели Уметь: Понимать смысл, интерпретировать и комментии выбирать пути ее дос- ровать получаемую информацию. На основе собранной тижения информации выявлять тенденции, вскрывать причинноследственные связи, определять цели, выбирать средства, выдвигать гипотезы и идеи.

Владеть: системными, аналитическими подходами к пониманию проблем и их решению.

ОК-10 использовать основные Знать: основные методы и приемы научного исследоваположения и методы ния и анализа проблем.

социальных, гуманитар- Уметь: методологически обосновать научное исследованых и экономических ние и решение проблем и задач.

наук при решении соци- Владеть: основными методами и приемами научного исальных и профессио- следования и анализа проблем, позволяющими отличать нальных задач факты от домыслов, информацию от мнений, противостоять манипулятивным технологиям.

ПК-1 Использовать основные Знать: основные законы естественнонаучных дисциплин законы естественнона- применительно к энерго- и ресурсосберегающим процесучных дисциплин в сам в химической технологии, нефтехимии и биотехнолопрофессиональной дея- гии.

тельности, применять Владеть: методами математического анализа, оптимизаметоды математическо- ции, моделирования.

го анализа и моделиро- Уметь: Применять данные методы при расчётах энергования, теоретического и и ресурсосберегающих процессов в химической технолоэкспериментального ис- гии, нефтехимии и биотехнологии.

следования ПК-2 Использовать основные Знать: основные естественнонаучные законы для пониестественнонаучные за- мания окружающего мира и явлений природы.

коны для понимания ок- Уметь: Применять знание законов математики, физики, ружающего мира и яв- химии при выявлении закономерностей окружающей лений природы природной среды и возможности её сохранения.

Владеть: основными подходами в использовании законов математики, физики, химии при анализе, оптимизации, моделировании энерго- и ресурсосберегающих процессов в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии.

ПК-4 Владеть основными ме- Знать: основные методы, способы и средства получения, тодами, способами и хранения, переработки информации средствами получения, Уметь: работать с компьютером как средством управлехранения, переработки ния информацией информации, работать с Владеть: навыками работы с пакетами компьютерных компьютером как сред- программ для анализа, оптимизации, моделирования энерством управления ин- го- и ресурсосберегающих процессов в химической техформацией нологии, нефтехимии и биотехнологии.

ПК-8 Участвовать в совер- Знать: основы методов энерго- и ресурсосбережения шенствовании техноло- Уметь: использовать эти знания при совершенствовании гических процессов с технологических процессов, связанных с расходованием позиций энерго- и ре- природных ресурсов и загрязнении окружающей среды сурсосбережения, ми- Владеть: различными способами применения методов нимизации воздействия энерго- и ресурсосбережения для решения практических на окружающую среду задач ПК-9 Использовать современ- Знать: о необходимых исходных данных для расчёта ные информационные процессов и аппаратов энерго- и ресурсосбережения.

технологии, проводить Знать основные прикладные программы, позволяющие обработку информации произвести эти расчёты.

с использованием при- Уметь: производить обработку информации с использокладных программ и баз ванием прикладных программ и баз данных для расчёта данных для расчёта тех- технологических параметров оборудования нологических парамет- Владеть: прикладными программами и базами данных ров оборудования и мо- для расчёта процессов и аппаратов энерго- и ресурсосбениторинга природных режения.

сред ПК-15 Анализировать техноло- Знать: иерархическую структуру предприятий химичегический процесс как ской промышленности.

объект управления Уметь: использовать методы анализа, синтеза, декомпозиции, агрегирования при анализе работы промышленного предприятия Владеть: способами применения принципов экологического и энергетического менеджмента при анализе работы промышленного предприятия ПК-20 Применять современные Знать: методы исследования технологических процессов методы исследования и природных сред.

технологических про- Уметь: применять эти методы, работать в составе коллекцессов и природных тива и участвовать в экспериментальносред, использовать ком- исследовательской деятельности.

пьютерные средства в Владеть: навыками работы с пакетами компьютерных научно- программ для расчетов энергетических задач в различных исследовательской ра- областях природопользования.

боте ПК-22 Моделировать энерго- и Знать: методы математического и физического моделиресурсосберегающие рования процессы для различных Уметь: ими пользоваться как потребитель отраслей промышленно- Владеть: методами математического и физического мости делирования энерго- и ресурсосберегающих процессов 3.1. Матрица соотнесения тем/разделов учебной дисциплины (модуля) и формируемых в них профессиональных и общекультурных компетенций 1. Химико-технологические системы (ХТС). ++++++++++ элементов ХТС.

процессов и систем.

4. Синтез оптимальных ресурсосберегающих ++++++++++ химико-технологических процессов и систем.

4. Структура и содержание дисциплины «Моделирование технологических и природных систем»

Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачётных единиц (144 часа).

4.1. Лабораторные занятия 1. Математические модели основных элементов ХТС:

Смеситель потоков. Делитель потоков. Реактор. Двухфазная модель с псевдоожиженным слоем катализатора.

Ректификационная колонна. Теплообменник. Трубчатая печь.

Расчет константы скорости реакции разложения димктилового эфира. Определение летучести аммиака как функции давления.

Расчет каскада реакторов с мешалкой для определения оптимального температурного режима. Расчет зависимости равновесной степени превращения в производстве серного ангидрида от начальной концентрации диоксида.

3. Основы оптимизации химико-технологических процессов Определение оптимальных параметров аэрлифтного аппарата.

последовательности экстракторов с рециклом. Оптимизация системы последовательного извлечения примесей из сточных 4.2. Самостоятельная работа студента Раздел Раздел 1- 4.3. Распределение трудоемкости изучения дисциплин по видам учебной аудиторной и самостоятельной работы студента 5. Образовательные технологии Согласно ФГОС ВПО по направлению подготовки 241000 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» удельный вес занятий, проводимых в интерактивных формах в целом в учебном процессе должен составлять не менее 20% аудиторных занятий. В качестве образовательных технологий, используемых при реализации различных видов учебной работы по дисциплине «Моделирование технологических и природных систем», применяются следующие виды активных и интерактивных форм проведения занятий:

«Мозговой штурм» (атака) при выборе стратегии решения задач на лабораторных занятиях (3 часа);

Дискуссии и обсуждения на лабораторных занятиях (3 часа);

Работа в группах подразумевает деление на подгруппы для решения тех или иных лабораторных заданий (5 часов);

Контрольный лист или тест заполняется студентами во время промежуточного контроля знаний (2 часа);

Решение ситуационных задач применительно к химической технологии на лабораторных занятиях (5 часов);

В целом интерактивные формы могут занять 18 часов, что составляет 60 % от общего числа аудиторных занятий и соответствует требованиям ФГОС.

6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов Примеры заданий для самостоятельного решения по 1 разделу.

Для приведенных технологических схем производств основной химии, нефтехимии и нефтепереработки:

- составить ориентированный граф;

- составить матрицы смежности и список дуг;

- разработать алгоритмы для преобразования матрицы смежности в матрицу путей, матрицы смежности — в список дуг, и наоборот;

- произвести структурный анализ ориентированного графа.

2. Для системы, состоящей из смесителей потоков и делителей потоков, произвести ее расчет следующими методами:

- - интегральным;

- - декомпозиционным, с предварительным структурным анализом; при проведении расчетов в итерационных блоках использовать методы простой итерации и Ньютона— Рафсона;

- - безытерационным с предварительным структурным анализом;

- - методом инверсии.

3. Рассчитать химико-технологическую схему, состоящую из смесителей и делителей потоков:

Номер потока Расход, кг/ч Температура, °С Коэффициент деления в делителе 0,15.

Расчет удельных теплоемкостей производится по формулам:

Ответ: Параметры 3-го потока: расход — 260 кг/ч; температура — 98,6 °С; концентрация керосина — 27,5%; концентрация дизельного топлива — 72,5 %.

4. Рассчитать концентрации компонентов на выходе из реактора, описываемого моделями идеального вытеснения, полного перемешивания и ячеечной моделью (число ячеек — 10).

В реакторе протекает реакция:

Расчет произвести с исходными данными:

С10 = 1,5 моль/м3; С20 = 1 моль/м3 ; С30 = С40 = 0; К1 = 1,6 м3 / с·моль; K2 =0,75 м3/с·моль; V = 1м3; w = 0,1м3/с.

Ответ: Модель идеального вытеснения: С1 = 0,553 моль/м3; С2 = 0,043 моль/м3; С3 = 0, моль/м3; С4 = 0,468 моль/м3. Модель полного перемешивания:С1 = 0,747 моль/м3; С =0,185 моль/м3 ; С3 = 0,062 моль/м3; С4 = 0,346 моль/м3.

Ячеечная модель: С1 = 0,573 моль/м3; С2 = 0,056 моль/м3; С3 = 0,018 моль/м3; С4 = 0, моль/м3.

5. Рассчитать концентрации компонентов на выходе из реактора, описываемого ячеечной моделью (число ячеек равно 3). Скорость реакции конверсии метана на алюмоникелевом катализаторе описывается уравнением где CCH4,СH2O,CH2,CСО - концентрации метана, водяного пара, водорода и оксида углерода, мольн. доли;

р — давление, атм.

Константа скорости реакции определяется уравнением Константа равновесия реакции определяется из уравнения Температура в реакторе - 750?С. Давление и реакторе - 2 атм. Расход – 5000 м3/ч. Объем реактора - 1 м3. Концентрация метана на входе в реактор (мольн. доли) — 0,35; концентрация водяного пара — 0,65. При расчете учесть изменение объема реакционной смеси.

Ответ: Концентрации компонентов (мольн. доли): ССН4 = 0,0035; СН2О = 0,1813; Ссо = 0,2038; СН2 = 0,6113.

6. Определить состав смеси на выходе из реактора окисления диоксида серы с кипящим слоем.

Концентрации компонентов на входе в реактор: C SO = 10 % об.; CO =9 % об. Температура в реакторе — 500 °С. Скорость реакционной смеси в плотной фазе — 0,12 м/с. Высота слоя — 0,4 м. Объемная доля потока газа, проходящего через плотную фазу, — 0,34.

Критерий Ре — 4; критерий межфазного обмена — 4,5.

Скорость реакции описывается уравнением где х — степень превращения диоксида серы. Константа скорости k при 500 °С равна 5,4 сконстанта равновесия Кp = 49,78 атм-0,5.

Ответ: Степень превращения в плотной части слоя — 0,8764; в пузырях — 0,739; в реакторе — 0,785.

7. Рассчитать концентрации компонентов на выходе из ректификационной колонны, а также флегмовое число и количество тарелок в колонне, если в колонну поступает смесь следующего состава:

Производительность колонны по сырью равна 10 000 кг/ч.

Сырье подается в колонну в виде насыщенной жидкости. Давление в емкости орошения — 0,135 МПа. Изопентана в дистилляте — не менее 98 % (мольн.), в остатке его содержание не должно превышать 1 % (мольн).

Ответ: Минимальное флегмовое число — 8,6. Минимальное число теоретических тарелок — 43.

8. Определить основные размеры теплообменника кожухотрубчатого типа, в котором нм3/ч азота охлаждается водой от температуры 76 °С до 31 °С. Охлаждающая вода имеет температуру 16 °С. Принять скорость движения воды в трубах 0,02 м/с, а скорость газа в межтрубном пространстве — 10 м/с. Сумма термических сопротивлений — 0, м2·°С/кВт.

9. Рассчитать ХТС, состоящую из смесителя потоков 1, делителя потоков 2 и теплообменников противоточного типа 3, 4:

Номер теплообменника Коэффициент теплопередачи, Площадь поверхности Ответ: Температура горячего потока на выходе из третьего теплообменника составляет °С; температура холодного потока на выходе из четвертого теплообменника — 49 °С.

10. Выполнить расчет трубчатой печи для нагрева нефти от 180 до 350 °С при сжигании топливного газа следующего состава (% об.): СН4 — 98; С2Н6— 0,3; С3Н8 — 0,2; С4Н10 — 0,1; СO2 — 0,3; N2 — 1,1. Плотность нефти — 863 кг/м3.

Длина труб в топке и в газоходе равна 12,5 м. Диаметр труб — 0,114 м. Число труб в топке — 24; в змеевике газохода — 56. Температура дымовых газов на перевале — 600 °С. Температура окружающей среды равна 25 °С; давление — 1 атм.

Определить:

- температуру уходящих из печи газов;

- тепловой КПД печи;

- расход топливного газа;

- производительность печи по сырью;

- эксергетический КПД печи.

Ответ: Температура уходящих из печи газов составляет 196 °С. Тепловой КПД печи — 0,85. Расход топливного газа — 0,068 нм3/с. Производительность печи по сырью — 0, кг/с. Эксергетический КПД печи — 0,315.

11. В ректификационную колонну поступает смесь изопентана и нормального пентана ( % об. i -С5Н12 и 30 % об. n-С5Н12) с температурой 70 °С. Расход смеси равен 14 000 кг/ч.

Температуры в кубе и в дефлегматоре колонны равны соответственно 95 и 63 °С. Давление в колонне — 4,5 атм. В куб колонны подводится теплота в количестве 36 ГДж/ч. Рассмотреть возможность утилизации теплоты с помощью теплового насоса.

Примеры заданий для самостоятельного решения по 2 разделу.

1. Найти коэффициенты уравнения регрессии, используя ПФЭ, для матрицы планирования вида:

Ответ: b0 = 529,15; b1 = 14,25; b2 = 4,0; b3 = 2,25; b4 = 33,0; bl2 = 0,625; b13 = 0,375; b14 = b23 = -0,125; b24 = 0,375; b34 = -0,125.

2. Разработать математическую модель определения цетанового числа в дизельном топливе. При разработке модели использовать метод ОЦКП. Влияющие факторы: — плотность, т/м3; — кинематическая вязкость, мм2/с; T50% — 50%-ная точка кривой фракционной разгонки, °С.

Экспериментальные данные:

В центре плана было проведено три параллельных опыта, при этом получены значения целевой функции, равные 45,2; 45,4 и 45,6.

3. Разработать математическую модель процесса омыления диацетата полифурита. При разработке модели использовать метод Брандона. Влияющие факторы: Х1 — содержание влаги в метаноле, %; Х2 — время омыления, ч. Функция отклика: у — число омыления, мг КОН/г продукта.

Экспериментальные данные:

Ответ:

Примеры заданий для самостоятельного решения по 3 разделу.

1. Найти max Z = x1 + 3x2 с ограничениями:

-х1 + x2 1; х1 + x2 2; х1 0; x2 0. Задачу решить двумя способами: симплексным методом и графически.

Ответ: х1= 0,5; х2 = 1,5.

2. Найти min Z = 5х1 - 8х2 с ограничениями 2х1 + х2 5; х1 - х2 1; х1+ 3х2 10. Задачу решить симплексным методом.

Ответ: х1 = 2; х2 = 1.

3. Пусть имеется три вида сырья в количестве 45, 19 и 10 т. Из этого сырья требуется изготовить два вида продукции. Заданы расход каждого вида сырья на производство единицы каждой продукции и прибыль от единицы продукции.

Найти такой план выпуска продукции из имеющегося сырья, при котором суммарная прибыль будет наибольшей.

Ответ: Продукт А = 3; продукт Б = 3,333. Прибыль составит 35 усл. ден. ед.

4. На рисунке представлена технологическая схема компаундирования двух марок дизельного топлива (с содержанием серы 0,2 и 0,05 % масс).

Базовый компонент (гидроочищенное дизельное топливо) делится на два потока, которые поступают на узлы смешения А и Б. Расход базового компонента — 290 т/ч. Содержание серы в базовом компоненте — 0,046 % масс. Необходимо получить 275 т/ч дизельного топлива с содержанием серы 0,05 % и 185 т/ч с содержанием серы 0,2 % масс.

Определить расходы компонентов, поступающих из резервуаров и гидроочищенной фракции 200—320 °С, при которых затраты на приготовление товарных продуктов минимальны. Расход гидроочищенной фракции 200-320 °С — не более 12 т/ч.

Рисунок. Технологическая схема компаундирования дизельного топлива:

1,2 — товарные резервуары; 3-6 — резервуары с керосином, дизельным топливом прямогонным, бензином-отгоном, денормализатом; А, Б — узлы смещения.

Исходные данные:

прямогонное гидроочищенная Ответ: Состав дизельного топлива с содержанием серы 0,05 %: керосин — 19,25 т; бензин-отгон — 2,75 т; дизельное топливо прямогонное — 4,8 т; денормализат — 82,5 т;

фракция 200-320 °С гидроочищенная — 12 т; гидроочищенное дизельное топливо — 153, Состав дизельного топлива с содержанием серы 0,2%: керосин - 9,25 т; бензин-отгон — 7,4 т; дизельное топливо прямогонное — 31,45 т; денормализат — 0,6 т; гидроочищенное дизельное топливо — 136,3 т.

Примеры заданий для самостоятельного решения по 4 разделу.

Используя метод деления отрезка пополам и метод «золотого сечения», найти максимум Ответ: х = 3,41.

В реакторе идеального смешения непрерывного действия при изотермических условиях в стационарном режиме проводят процесс, механизм которого:

Начальные концентрации веществ: А0 = 0,4 кмоль/м3; B0 = 0,6 кмоль/м3; D0 = 0; E0 = 0. Константы скорости реакции: k1 = 0,2 м3/с·кмоль; k2 = = 0,5 м3/с·кмоль. Максимальное время пребывания в реакторе — 25 с.

Определить время пребывания, при котором выход продукта D максимальный.

Ответ. Оптимальное время пребывания в реакторе — 5,87 с.

3. С помощью метода Гаусса—Зейделя минимизировать следующие функции двух переменных:

б) f(x,y) = y2 +sinx.

в) f(x,y) = -x2 +x + y - y2+4.

4. Функция f x x1 exp 1 x1 20, 25 x1 x2 представляет собой длинный овраг с максиТ мумом в точке х = [1, 1].

Найти максимум f(х), начиная с векторов х0 = [0,1; 0,1 ] Т и х0 = [1,9; 0,1] Т. Изобразить эту функцию и траекторию оптимизации на плоскости (x1, x2).

5. В изотермическом реакторе идеального вытеснения протекает сложная реакция:

Модель реактора может быть записана следующим образом:

Найти температуру и время пребывания в реакторе, при которых выход продукта С максимальный. Построить контурную диаграмму и траекторию движения к максимуму. Задачу решить методом Гаусса—Зейделя.

Ответ. Оптимальное время пребывания в реакторе — 0,84 с; температура — 778 °С.

6. Идентификация параметров процесса выщелачивания стекла.

Изучался процесс выщелачивания стекла (состав в мольных процентах: 25,3 % – Na2O, 3, % – A12SO4, 71,2 % – SiO2) при взаимодействии с 0,1-ми нормальными водными растворами хлоридов водорода и щелочных металлов. Были использованы экспериментальные данные о выходе Na+ из стекла в раствор, полученные непосредственным измерением концентрации Na+ в вымачивающем растворе. Результаты измерений приведены в таблице:

Таблица. Экспериментальные данные о выходе Na+ из стекла в раствор Определить на основе данных эксперимента значения времени релаксации, сут, и коэффициента диффузии D, см2/с.

Для нахождения и D нужно решить следующую задачу оптимизации:

Найти min, D :

верхности образца стекла за время t в раствор; N — число экспериментальных точек.

Задача о диффузионном извлечении Na+ из поверхностных слоев стекла имеет следующий вид:

где С(х, t), Co, Сгр, г-ион/см3 — объемная концентрация Na+: текущая, в толще образца и на границе с раствором соответственно (Сo > Сгр). Для случая раствора CsCl: Сгр /Co = 0,2, в остальных случаях Сгр = 0.

Для исследования кинетики моделируемого процесса используют эффективную глубину диффузионной зоны в виде Значение hT(t), полученное в результате решения задачи, имеет следующий вид:

где I0, I1 – модифицированные функции Бесселя, которые вычисляются по формулам:

Рассчитать значения коэффициентов и D, используя данные, приведенные в таблице. При оптимизации использовать метод Хука—Дживса.

Ответ: При взаимодействии с водным раствором хлорида водорода при температуре °С = 0,668 сут; D = 1,998 см2/с.

На экспериментальной установке необходимо найти максимальный выход продукта при варьировании давления, температуры и числа оборотов мешалки в аппарате.

Базовый уровень оптимизируемых переменных: Т = 250 °С; р = 15 атм; N = 1000 об/мин.

Найти координаты исходного симплекса.

Трехмерный оптимальный симплексный поиск минимума дал следующие промежуточные результаты:

Какая следующая точка подлежит вычислению в процессе поиска? Какая точка опущена? Что будет с центром тяжести нового симплекса?

9. Рассмотрите функцию Построить линии уровня этой функции. Найти минимум функции с помощью симплексного метода и метода Гаусса–Зейделя. Сравнить количество вычислений функций в обоих методах.

Решить систему уравнений:

10.

Корни уравнения могут быть найдены в результате минимизации евклидовой нормы. Для оптимизации использовать симплексный метод.

11. Для функции f(x) = 4х12 + х22 -40х1 -12x2 +136, начиная из точки х0 = [4,8], провести п этапов поиска Нелдера—Мида, включая отражение, расширение или сжатие и т.д., пока не будут исключены три исходные вершины многогранника.

12. Путем подбора значений и в алгоритме Нелдера – Мида найти их оптимальные значения для следующих задач:

13. В изотермическом трубчатом реакторе протекают реакции:

Здесь В – целевой продукт; С – побочный продукт.

Процесс в реакторе описывается системой уравнений:

где C A0, C B0 и СА, СВ – начальные и текущие концентрации компонентов А и В соответственно; ki — константа скорости i-й стадии; р – давление; – условное время пребывания в реакторе, л·мин/г;

Реактор разбит на п зон. В каждой зоне необходимо определить давления, при которых выход целевого продукта максимален.

Решить задачу с помощью методов Нелдера—Мида и Гаусса—Зейделя по вариантам. Сравнить количество вычислений целевой функции. Варианты приведены с ледующей таблице:

Ответ: Вариант l:p1 = 1,1 атм; р2 = 0,8 атм; р3 = 0,75 атм; р4 = 0,65 атм; р5 = 0,6 атм.

14. Определить максимальную прибыль при эксплуатации химико-технологической системы (см. рис. ниже), состоящей из изотермического реактора полного перемешивания и аппарата разделения.

Прибыль определяют по формуле где Зс — затраты на сырье, усл. ден. ед./год; Зр — затраты, связанные с выделением продукта С в аппарате разделения, усл. ден. ед./год; Зреак — стоимость реактора, усл. ден. ед.;

t — срок службы установки, год; Gц.п., Цц.п. — расход и цена целевого продукта С соответственно; — время работы установки в год (8400 ч/год).

Цена целевого продукта зависит от содержания примесей Спр (суммарное содержание компонентов А, В и D в целевом продукте) и рассчитывается по формуле Затраты на разделение определяются по формуле где — степень выделения целевого продукта.

Концентрации компонентов А и В на входе составляют 2,0 и 2,3 кмоль/м3 соответственно; расход смеси G = 3600 м3/ч.

Модель изотермического реактора полного перемешивания:

где G — расход смеси, м3/ч; Vp — объем реактора, м3.

Константы скорости равны: k1 = 0,3 (кмоль/м3)-2 с-1; k2 = 0,2 (кмоль/м3)-2с-1. Для решения системы нелинейных уравнений можно воспользоваться методом Ньютона. При оптимизации необходимо использовать ограничения на независимые переменные:

15. В каскад реакторов поступает реакционная смесь с расходом G, объем каждого реактора равен Vk. Реакторы работают в изотермическом режиме;

Уравнения материального баланса k-го реактора имеют вид — концентрации i-й компоненты реакционной смеси; r — скорость реакции; Tk где — температура в реакторе; — время пребывания.

Подставив формулы для скоростей реакции 1-го порядка в уравнение материального баланса и выражая выходные переменные через входные, получим математическую модель k-го реактора:

Определить максимальное значение концентрации вещества В на выходе из n-го Концентрации веществ на входе в каскад реакторов равны: =0,95; = 0,05.

Время пребывания в каждом реакторе одинаковое и равно 6 с. Температура на входе в реакторы Ответ: п = 5; =0,7124; t1 = 331,595 °С; t2 = 330,296 °С; t3 = 329,596 °С; t4 = 329, °С; t5 = 328,882 °С.

16. Спроектировать оптимальный пятисекционный химический реактор. Реактор идеального вытеснения разделен на пять равных секций (см. рис.):

В реакторе протекает химическая реакция Предполагается, что в секциях с помощью соответствующих систем регулирования может поддерживаться постоянная температура. Длина реактора L=1м, линейная скорость — 1 м/с. Доли исходного веществаА и продукта реакции Р на входе в реактор равны А0 = 1, P0 = 0. Константы скоростей полезной и побочной реакции зависят от температуры следующим образом:

Спроектировать реактор так, чтобы доля продукта Р на выходе из реактора была бы максимальна, т. е. найти max P5(T), при наличии ограничений Ответ: max Р5 = 0,441; t1 = 353,1 °С; t2 = 358,8 °С; t3 = 364,8 °С; t4 = = 370,8 °С; t5 = 376, °С.

17. Спроектировать оптимальный узел теплообмена.

Холодный поток с водяным эквивалентом W нагревается от температуры t0 до температуры t3 двумя горячими потоками с водяными эквивалентами W1 и W2 и начальными температурами t и t20. Известны коэффициенты теплопередачи во всех теплообменниках Ki (i = 1, 2, 3); Fi — поверхность теплопередачи в i-м теплообменнике;

Спроектировать узел таким образом, чтобы капитальные затраты z были минимальны. Ниже приведены варианты задания:

Ответ. t1 = 308,5 °С; t2 = 356,0 °С; t11 = 376,0 °С; t12 = 167,6 °С; t21 = = 376,2 °С; F1 = 68,65 м2; F2 = 85,1 м2; F3 = 359,9 м2; z = 42 084,37 усл. ден. ед.

18. Найти максимум степени превращения для всей системы (см. рис.), используя в качестве оптимизируемых переменных коэффициенты байпасирования в теплообменниках.

Температуры на выходе из реакторов не должны превышать 600 °С. Температура на входе в первую ступень абсорбции должна находиться в диапазоне 160 °С < tA1 < 210 °С. Для учета ограничений использовать метод штрафных функций.

Рис. Схема процесса Вильямса—Отто: 1 — реактор; 2 — теплообменник; 3 — фильтр; 4 — ректификационная колонна В реакторе протекают следующие необратимые реакции 2-го порядка:

Поток из реактора 1 подается в теплообменник 2, где охлаждается до температуры, достаточной для полного отделения побочного продукта G в фильтре 3. Далее поток с остальными компонентами подается в ректификационную колонну 4, из верхней части которой отбирается целевой продукт Р. Известно, что компоненты Р и Е образуют азеотропную смесь, в которой относительная доля Р составляет 10 % (масс). Это определяет режим работы колонны и учитывается при ее моделировании. Поток, выходящий из нижней части колонны 4, разделяется на две части: одна выводится из схемы и утилизируется, вторая возвращается в цикл, на вход реактора 1.

Константы скоростей реакций:

Составить модель химико-технологической схемы и найти максимальное количество продукта Р, получаемое на установке:, где а — коэффициент рециркуляции; Т — температура в реакторе, при следующих ограничениях:.

Ниже приведены варианты заданий:

Номер варианта Расход А, кг/ч Расход В, кг/ч Объем реактора, м В неизотермическом каскаде реакторов полного перемешивания протекает сложная 20.

реакция:

где В — целевой продукт; С — побочный продукт.

Константы скорости вычисляются по уравнению Аррениуса:

Начальные концентрации компонентов: где, C A0 = 1; C B0 = 0.

При заданной концентрации компонента В на выходе из каскада требуется определить температуры в реакторах и время пребывания реакционной смеси в каждом реакторе, при которых суммарное время пребывания минимально.

Задачу решить методом динамического программирования в соответствии с указанным в таблице вариантом задания:

Ответ. Вариант 1: min (1 + 2 + 3) = 0,9526; 1 = 0,4; 2 = 0,2963; 3 = = 0,2563; t1 = 358, °С; t2 = 379,4 °С; t3 = 396,6 °С.

21. Определить оптимальные конструктивные параметры теплообменников (число труб, их длину и диаметр) в теплообменном узле, изображенном на рисунке, при которых суммарная поверхность теплообмена будет минимальной. Перепад давления в каждом теплообменнике не должен превышать рmах (Н/м2). Задачу решить с использованием метода закрепления. В таблице представлены варианты заданий:

Рисунок. Схема теплообменного узла: 1-4 — теплообменники; 1-3 — потоки Таблица. Варианты заданий Коэффициент разделения 1-го потока — 0,56; рmах = 550 H/м Коэффициент разделения 1-го потока — 0,57; рmах =750 Н/м Коэффициент разделения 1-го потока —0,614; рmах =550 Н/м Коэффициент разделения 1-го потока — 0,614; рmах = 600 H/м Коэффициент разделения 1-го потока — 0,625; рmах = 650 Н/м Ответ: Вариант 1 (см. табл. ниже):

Определить минимальные капитальные затраты технологической схемы, состоящей из теплообменника 1 и адиабатического реактора 2 идеального вытеснения (см рис.).

В реакторе протекает обратимая реакция: А + В 2С + q (q — тепловой эффект реакции). Температура на входе в реактор должна удовлетворять ограничениям:

Концентрация компонента А на выходе из схемы должна быть не меньше C *. Скорость по компоненту А описывается уравнением:

где g — расход смеси на входе в систему, м3/ч.

Константа скорости прямой реакции и константа равновесия определяются по формулам:

Концентрации компонентов А и В равны 0,5 долей об. Коэффициент адиабатического раq 300 °С. Коэффициент теплопередачи в теплообменнике kт=20·10 - зогрева ад кВт/м·град. Капитальные затраты определяются по формуле: К = aF0,6 + bV0,92, где а, b — эмпирические коэффициенты. Задачу решить методом цен. Сравнить полученные результаты с решением, найденным интегральным методом. Варианты заданий приведены в таблице:

22. Система, состоящая из п последовательно соединенных теплообменников, реализует поэтапный процесс теплообмена без повторных циклов (см. рис.).

Каждый из теплообменников описывается следующей моделью:

Расходы всех потоков одинаковы и равны V. Теплоемкость всех потоков постоянна и равна ср. При заданных значениях коэффициентов теплопередачи ki необходимо определить площадь поверхности теплопередачи для каждого из теплообменников так, чтобы суммарная площадь, обеспечивающая теплообмен, была минимальной.

Сравнить решения, полученные интегральным методом оптимизации, методом динамического программирования и методом цен. Варианты заданий приведены в таблице.

Ответ. Вариант 1: Тх = 182 °С; Т2 = 296 °С; Т3 = 500 °С; F1 = 579 м2; F2 = 1370 м2; F3 = 5100 м2.

Примеры заданий для самостоятельного решения по 5 разделу.

Перечень возможных контрольных вопросов к лабораторным работам и зачету 1. Иерархическая структура химического предприятия.

2. Цели функционирования и основные показатели эффективности каждой ступени иерархии химического предприятия.

3. Дайте определение понятиям: химическое производство, химико-технологический процесс, химико-технологическая система и объясните их (см. также гл. 2).

4. В чем заключается метод системного анализа для исследования химикотехнологического процесса?

5. Что может служить производственным эквивалентом химико-технологической системы?

6. Из каких частей состоит химико-технологическая система?

7. Какие подсистемы можно выделить в химико-технологической системе?

8. Какие элементы химико-технологической системы Вы можете указать? Их назначение и примеры в производстве.

9. Что такое связь в химико-технологической системе? Какие типы связей и их назначение Вы знаете?

10. Как отображается химико-технологическая система (виды ее модели)?

11. Приведите пример химической, операционной и функциональной схем какого-либо производства.

12. Чем отличаются технологическая и структурная схемы химического производства?

Покажите это на примере производства аммиака.

13. Приведите примеры уравнений физико-химических связей, используемых при составлении систем уравнений МТБ химических реакторов, колонн ректификации и теплообменников ХТС.

14. В чем отличие физических и фиктивных потоков ХТС?

15. Какими способами могут быть разработаны операторно-символические математические модели элементов ХТС?

16. Какие виды математических операторов могут использоваться при составлении операторно-символических моделей ХТС?

17. Что такое технологическая структура, или технологическая топология, ХТС?

18. Что такое состояние ХТС?

19. Какой вид имеет общее формальное выражение математической модели ХТС?

20. От чего зависят значения критериев эффективности ХТС?

21. Какие можно выделить иерархические уровни управления сложной ХТС?

22. Чем различаются основные и вспомогательные технологические операторы ХТС?

23. Покажите, что познавательная и преобразовательная деятельности субъекта невозможны без моделирования.

24. Опишите алгоритм анализа и перечислите, какие модели он порождает.

25. Опишите алгоритм синтеза и укажите, какие модели он порождает. Какая из них непосредственно описывает исследуемый объект (явление)?

26. Что такое «абстрактная модель»? Кроме языковых, какие еще примеры абстрактных моделей вы можете привести?

27. Чем вызвано многообразие языков?

28. Какова простейшая абстрактная модель разнообразия окружающей нас реальности?

29. Чем отличаются искусственная и естественная классификации?

30. Что называется «реальной моделью»? Приведите три типа реальных моделей (классификацию по происхождению подобия модели оригиналу).

31. Чем отличается использование познавательных и прагматических моделей?

32. Почему в любой модели есть, кроме истинного, и (обязательно и неизбежно) неистинное содержание?

33. Какое качество модели называется адекватностью?

34. Что является окружающей средой для модели?

35. Дайте определения следующих терминов:

—модель;

—анализ;

—синтез;

—модель абстрактная;

—модель языковая;

—модель реальная;

—классификация (искусственная и естественная);

—модели познавательные;

—модели прагматические;

—адекватность модели.

36. В чем различие операций анализа и оптимизации ХТС?

37. Запишите математическую формулировку задач проектного и поверочного анализа ХТС.

38. В чем различие блочного и информационного принципов решения задач анализа ХТС?

39. В чем различие задач проектирования и эксплуатации ХТС?

40. Какова роль математического моделирования ХТС при разработке АСУТП?

41. Почему для проектирования улучшающего вмешательства необходимо выявить цели?

42. Перечислите основные причины расхождения между целями объявленными и истинными.

43. Что такое «дерево целей» и как его можно построить?

44. В каком отношении находятся цели и критерии?

45. Чем определяется набор (число и характер) необходимых критериев?

46. Обсудите сходства и различия между критериями и ограничениями 47. В чем состоит отличие технологической от операторной схем ХТС?

48. Каким технологическим блокам производства соответствуют однородные ХТС?

49. Чем различаются однонаправленные и встречнонаправленные, или контурные, ХТС?

50. Чем различаются упорядоченные и взаимосвязанные многоконтурные ХТС?

51. В чем различие безотходных и ресурсосберегающих ХТС?

52. Какие типы технологических процессов и технологических связей между элементами характерны для ХТС?

53. Назовите основные задачи проектирования и реконструкции ХТС.

54. Какие основные задачи решают химики-технологи при проектировании и эксплуатации ХТС?

55. В чем состоит отличие операций оптимизации от анализа ХТС?

56. Назовите основные неформализуемые, или интеллектуальные творческие, операции при синтезе оптимальных ресурсосберегающих ХТС.

57. Чем характеризуют состояние химико-технологической системы? Как его определяют и на чем основан этот расчет?

58. Что такое материальный баланс элемента химико-технологической системы и химико-технологической системы в целом?

59. Какие положения стехиометрии химических превращений используются для расчета материального баланса элемента химико-технологической системы?

60. Получите уравнения для расчета количества и состава потока, выходящего из реактора дегидрирования бутилена. Задано:

а) количество бутилена на входе V0 [м3/ч], объемное соотношение на входе пар (разбавитель): газ(бутилен), степень превращения бутилена х;

б) те же начальные условия, но в реакторе достигается равновесное превращение бутилена хp.

61. Приведите уравнения для расчета материального баланса смесителя и делителя.

62. Напишите общее уравнение теплового баланса, поясните его составляющие и их расчет.

63. Объясните, почему при расчете теплового баланса используют среднеинтегральную теплоемкость?

64. Как рассчитывается баланс химико-технологической системы (последовательность расчета)?

65. Приведите основную форму представления материального и теплового балансов химико-технологической системы.

66. Запишите в общем виде уравнения теплового, энергетического и эксергетического балансов одного элемента ХТС.

67. Чем обусловлена многовариантность составления систем уравнений балансов ХТС?

68. Как математически проверить независимость уравнений, входящих в систему уравнений МТБ?

69. Назовите основные рекомендации по рациональному выбору вычислительного базиса при составлении и расчете систем уравнений МТБ.

70. Каким образом при составлении систем уравнений МТБ выбирают сквозное, или связующее вещество?

71. Что такое степень свободы ХТС? Как определяют число степеней свободы ХТС?

72. Какие основные инженерно-технологические рекомендации используют для рационального выбора набора свободных информационных переменных ХТС?

73. Что такое алгоритм оптимальной стратегии решения системы уравнений математической модели ХТС?

74. В чем сущность задач расчета материально-тепловых балансов ХТС?

75. Дайте общую характеристику прямых и итерационных численных методов решения задач анализа ХТС.

76. В чем сущность операций модификации метода простой итерации для решения систем нелинейных алгебраических уравнений и систем линейных алгебраических уравнений?

77. Назовите преимущества и недостатки метода простой итерации.

78. Что такое число обусловленности систем линейных алгебраических уравнений?

79. Какая взаимосвязь между числом обусловленности и погрешностью приближенного решения систем линейных алгебраических уравнений?

80. Какие основные трудности возникают при численном решении систем нелинейных алгебраических уравнений?

81. Назовите основные преимущества квазиньютоновских методов численного решения систем нелинейных алгебраических уравнений.

82. Нарисуйте общую блок-схему методики численного решения алгебраическодифференциальных систем уравнений математического описания ХТС.

83. Назовите два основных этапа процедуры решения систем нелинейных алгебраических уравнений с использованием метода Ньютона.

84. Сформулируйте основные этапы решения задач оптимизации ХТС с использованием двухуровневых методов: метода цен и метода закрепления промежуточных переменных.

85. Назовите основные преимущества и недостатки двухуровневых методов оптимизации ХТС.

86. Составьте блок-схемы алгоритмов решения систем нелинейных алгебраических уравнений по методу простой итерации и обобщенному методу доминирующих собственных значений.

87. Составьте блок-схемы алгоритмов решения систем нелинейных алгебраических уравнений по методу Ньютона и по методу Бройдена.

88. Проверьте сходимость вычислений при решении уравнения: х — 10 = 0 методом простой итерации,с шагом h — 0,5 и h = 4, задавшись начальным приближением х0 = 0.

89. Изменения значений каких переменных и параметров ХТС влияют на величину коэффициентов эффективности оптимизации ХТС на стадии проектирования?

90. Изменения значений каких переменных и параметров ХТС влияют на величину коэффициентов эффективности при оптимизации действующих ХТС?

91. Что такое «активный» и «пассивный» эксперименты?

92. Чем отличаются прямые и косвенные измерения? Как следует учитывать разницу между ними при обработке данных эксперимента?

93. Усвоили ли вы характерные особенности базовых измерительных шкал? Например, заметили ли вы, что количественные шкалы различаются способами задания начал отсчета и единиц измерения?

94. Почему не следует всегда одинаково обрабатывать данные, относящиеся к разным измерительным шкалам?

95. Какова разница между качественными и количественными моделями?

96. Что значит «превратить черный ящик в прозрачный»?

97. Что такое «идентификация модели»?

98. В чем сущность прямого метода идентификации ХТС?

99. Какие методы статистической обработки информации используются при параметрической идентификации ХТС?

100. Чему равно общее число необходимых опытов при полном и дробном факторных экспериментах при идентификации ХТС?

101. Дайте общую характеристику ортогонального и рототабельного центрального комплексного планирования экспериментов при идентификации ХТС.

102. Чем отличается система стехиометрических уравнений и схема превращения?

103. Как связаны скорость превращения вещества и скорость химической реакции при протекании простой и сложной реакций?

104. Какую размерность может иметь скорость превращения вещества?

105. Что такое кинетическая модель реакции (кинетическое уравнение)?

106. Представьте в общем виде кинетическую модель обратимой реакции.

107. Отразите зависимость константы скорости реакции от температуры. Сопоставьте влияние температуры на скорость реакций с разными значениями энергий активации (например, Е1 > Е2).

108. Какие существуют практические приемы для увеличения скорости химического превращения?

109. Как рассчитать скорость тепловыделения в химическом превращении?

110. Что такое химический реактор и для чего он предназначен?

111. Что такое моделирование и модель процесса? Их назначение.

112. Чем различаются физическое и математическое моделирование? Почему для исследования химических процессов и реакторов надо использовать математическое моделирование?

113. Представьте последовательность исследования методом математического моделирования.

114. Чем отличается модель «сжимающая сфера» от модели «сжимающееся ядро» для гетерогенного процесса «газ – твердое»? Приведите примеры.

115. Нарисуйте схему и объясните структуру процесса «газ – твердое (полностью реагирующее)». Какие этапы процесса можно выделить? Почему у процессов «газ – твердое» и «жидкость – твердое» одинаковая структура?

116. Постройте математическую модель «сжимающая сфера» процесса «газ – твердое» и получите выражение для наблюдаемой скорости превращения и времени полного превращения.

117. Постройте математическую модель «сжимающееся ядро» процесса «газ – твердое» и получите выражения для наблюдаемой скорости превращения и времени полного превращения для разных режимов процесса.

118. Как меняется скорость превращения, размер и степень превращения твердой частицы по мере протекания процесса «газ-твердое (не полностью реагирующее)» в кинетическом, внутридиффузионном и внешне-диффузионном режимах? Почему во внутридиффузионном режиме в самом начале процесса WH ?

119. Как интенсифицировать процесс «газ – твердое (не полностью реагирующее)» в разных режимах его протекания? Какое из условий процесса наиболее сильно влияет на наблюдаемую скорость превращения в каждом режиме?

120. Постройте математическую модель процесса «газ – жидкость» и получите выражение для наблюдаемой скорости превращения.

121. От каких условий и как зависит наблюдаемая скорость превращения процесса «газ – жидкость», в том числе в разных режимах?

122. С чем связано возможное уменьшение скорости превращения в процессе «газ – жидкость» при повышении температуры?

123. Как можно увеличить скорость превращения в процесс «газ – жидкость» в разных режимах его протекания?

124. Что такое катализ и катализатор? В чем состоит механизм действия катализатора?

125. Как влияет катализатор на равновесие в химической реакции? Объясните.

126. Обоснуйте и постройте математическую модель процесса в пористом плоском зерне катализатора. Объясните граничные условия полученного уравнения модели процесса.

127. Из полученной математической модели процесса в пористом плоском зерне катализатора получите распределение относительной концентрации в зерне и наблюдаемую скорость превращения.

128. Что такое степень использования внутренней поверхности катализатора, от какого параметра и как она зависит?

129. Как влияют на скорость гетерогенно-каталитического процесса концентрация, температура, размер зерен катализатора и скорость потока? Приведите ответы для процессов в пористом зерне и на непористом катализаторах и сопоставьте их.

130. Постройте математическую модель процесса на поверхности раздела фаз («газ – твердое», каталитический процесс) с учетом теплового эффекта реакции и покажите связь концентрации (степени превращения) и температуры поверхности.

131. Как можно графически определить температуру поверхности в гетерогенном процессе?

132. Что такое неоднозначность стационарного режима?

133. Проявляется ли неоднозначность стационарного режима в эндотермическом процессе?

134. Каков общий подход к построению математической модели процесса в химическом реакторе? Напишите в общем виде балансовые уравнения процесса в реакторе.

135. Как выбирается элементарный объем, для которого составляются балансовые уравнения процесса в реакторе? Почему для емкостного реактора с мешалкой элементарный объем может совпадать с объемом всего реактора?

136. По схеме одного из реакторов и постройте математическую модель процесса в нем (не забудьте начальные условия!).

137. Что такое реактор идеального смешения и в чем проявляется его «идеальность»? Ответьте на эти же вопросы о реакторе идеального вытеснения.

138. Как Вы понимаете подобие математических моделей разных процессов («газ – твердое» и на непористом зерне катализатора, в трубчатом реакторе и непроточном емкостном, в реакторе барботажном и с псевдоожиженным слоем, в газожидкостном насадочном реакторе и во вращающемся с твердым реагентом). Что дает такое подобие?

139. Какие признаки классификации химического процесса и химического реактора могут быть использованы при анализе процесса в химическом реакторе?

140. В чем заключается подобие и различие процесса в реакторах идеального смешения периодическом и идеального вытеснения?

141. Что такое условное время реакции и чем оно отличается от времени пребывания в реакторе?

142. Как меняются концентрации исходного компонента и продукта по длине реактора идеального вытеснения? Каковы их предельные значения (при увеличении длины реактора)?

143. При увеличении температуры на 10 градусов константа скорости реакции возросла в два раза. На сколько надо изменить длину реактора идеального вытеснения, чтобы получить то же превращение. Подтвердите это с помощью математической модели и изобразите графически.

144. Как изменится степень превращения в реакторе при протекании реакции первого порядка при увеличении начальной концентрации в 1,5 раза? Объясните.

145. Какое предельное превращение можно получить в реакторе идеального смешения периодическом при протекании обратимой реакции. Подтвердите это с помощью математической модели и изобразите графически.

146. В реакторе идеального смешения периодическом протекает обратимая реакция. Как изменится скорость превращения в начале процесса в результате увеличения температуры процесса? Изменится ли предельное превращение, как и почему?

147. Получите математическую модель процесса в реакторе идеального вытеснения при протекании сложной реакции: а) с параллельной схемой превращения; б) с последовательной схемой превращения? Покажите график изменения концентраций компонентов по длине реактора и объясните его вид (почему концентрации увеличиваются, уменьшаются, не меняются и т.д.).

148. В реакторе идеального вытеснения протекает последовательная реакция. Какие рекомендации можно сделать, чтобы добиться: а) максимального выхода промежуточного продукта; б) максимальной селективности по промежуточному продукту; в) максимального выхода конечного продукта?

149. Как меняется концентрация вещества по объему проточного реактора идеального смешения?

150. Почему производительность реактора в режиме идеального вытеснения больше, чем в режиме идеального смешения, при протекании простых реакций?

151. Может ли режим реактора (идеального смешения, идеального вытеснения) оказывать влияние на селективность процесса при протекании сложной реакции? Обоснуйте Ваш ответ.

152. Назовите причины отклонения режимов в промышленных реакторах от режимов идеального смешения и вытеснения.

153. Попробуйте сформулировать, для какого типа процессов целесообразны реакторы в режимах: а) идеального смешения периодическом; б) идеального смешения проточном; в) идеального вытеснения?

154. Расскажите о различных способах организации теплообмена в химическом реакторе.

155. Какие температурные режимы протекания реакции и тепловые режимы процесса могут существовать в реакторе? Покажите схемы реакторов, в которых осуществляются такие режимы.

156. Постройте модель процесса идеального вытеснения с теплооотводом из зоны реакции.

От каких параметров зависят показатели процесса?

157. Что такое величина адиабатического разогрева? Почему этот параметр лучше характеризует влияние реакции на температурный режим технологического процесса, чем теплота реакции?

158. Как будет меняться степень превращения и температура в реакторе идеального вытеснения при протекании адиабатического процесса. Сопоставьте эти изменения с изотермическим процессом.

159. В каком режиме адиабатического реактора (идеального вытеснения или идеального смешения) температура на выходе будет больше? Обоснуйте ответ.

160. Производительность какого из реакторов будет больше: идеального вытеснения или идеального смешения при протекании адиабатического процесса? Обоснуйте ответ.

161. Как меняется температура в трубчатом реакторе с теплообменом, осуществляемом через стенку при протекании: а) экзотермической реакции; б) эндотермической реакции?

162. В чем особенность температурного режима в проточном реакторе идеального смешения при протекании адиабатического процесса?

163. Что такое стационарный режим, устойчивый стационарный режим? В каком типе реактора может проявиться явление неустойчивости стационарного режима?

164. Как организован процесс в автотермическом реакторе? В чем особенность его режима?

165. Что такое оптимизация? Сформулируйте постановку задачи оптимизации технологического процесса и поясните.

166. Почему задача оптимизации многократно встречается при разработке химикотехнологического процесса? Приведите примеры.

167. Что такое теоретический оптимальный режим? Для чего нужно его определение?

168. Какова оптимальная теоретическая температура для необратимой и обратимой (экзои эндотермических) химических реакций.

169. Сформулируй задачу оптимизации последовательности жидкофазных реакторов с мешалками и решите ее (реакция первого порядка, температуры в реакторах одинаковые).

7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины «Моделирование технологических и природных систем»

Тарасенко, Ф. П. Прикладной системный анализ: учебное пособие. – М.: КНОРУС, 2010. – 224 с.

Антонов, А. В. Системный анализ: учебник для вузов. 2-е изд., стер. М.: Высш. шк.

2006. – 454 с.

Черников, Ю. Г. Системный анализ и исследование операций: учеб. пособие для вузов. М.: МГГУ. 2006. – 370 с.

Бесков, В. С. Общая химическая технология: учебник для вузов. М.: Академкнига.

2005. – 452 с.

Закгейм, А. Ю. Общая химическая технология: Введение в моделирование химикотехнологических процессов [Электронный ресурс]: учеб. пособие по курсам "Общая хим.

технология" и "Моделирование химико-технолог. процессов" для студентов вузов, "Материаловедение". 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Логос, 2012. – 304с. – Режим доступа:

http://www.biblioclub.ru/book/84988/ Островский, Г. М. Методы оптимизации химико-технологических процессов: учеб.

пособие / Г. М. Островский, Ю. М. Волин, Н. Н. Зиятдинов. М.: КДУ. 2008. 424 с.

Гартман, Т. Н. Основы компьютерного моделирования химико-технологических процессов: учеб. пособие для вузов / Т. Н. Гартман, Д. В. Клушин. - М.: Академкнига.

2006. – 416 с.

ресурсосбережение: учеб. пособие для студентов втузов / Н. В. Лисицын, В. К. Викторов, Н. В. Кузичкин. - СПб.: Менделеев, 2007. – 312 с.

Кафаров, В. В. Анализ и синтез химико-технологических систем / В. В. Кафаров, В. П. Мешалкин. М.: Химия, 1991. – 432 с.

Перегудов, Ф. И. Основы системного анализа: учеб. 3-е изд. / Ф. И. Перегудов, 10.

Ф. П. Тарасенко. Томск.: Изд-во НТЛ. 2001. – 396 с.

Перегудов,Ф. И. Введение в системный анализ : учеб. пособие для вузов / Ф. И.

11.

Перегудов, Ф. П. Тарасенко. - М. : Высшая школа, 1989. – 367 с.

Математическое моделирование и оптимизация химико-технологических 12.

процессов : практ. руководство: учеб. пособие для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 553000 "Системный анализ и управление", дисциплине "Системный анализ химических технологий" / В. А. Холоднов [и др.]. - СПб.:

Профессионал, 2003. - 480 с.

Закгейм, А.Ю. Общая химическая технология: Введение в моделирование химикотехнологических процессов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Логос. 2009. – 304 с.

Кафаров, В. В. Математическое моделирование основных процессов химических 14.

производств : учеб. пособие для студентов химико-технол. специальностей вузов / В. В.

Кафаров, М. Б. Глебов. - М. : Высшая школа, 1991. - 399 с.

Шнейдер, В. Е. Краткий курс высшей математики: учеб. пособие в 2 т./ В. Е.

15.

Шнейдер, А. И. Слуцкий, А. С. Шумов. – М.: Высш. шк., 1978.

Павлов, К. Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической 16.

технологии : учеб. пособие для вузов / К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков. - М. :

Альянс, 2005. - 576 с.

Кафаров, В. В. Системный анализ процессов химической технологии / В. В.

17.

Кафаров, И. Н. Дорохов. М.: Наука, 1976. – 500 с.

7.3. Программное обеспечение и Интернет-ресурсы 1. Электронный каталог НТБ ГУ КузГТУ.

2. Информационные системы ГУ КузГТУ и кафедры по обеспечению учебного процесса.

ГУ КузГТУ обеспечен необходимым комплектом лицензионного программного обеспечения.

8. Материально-техническое обеспечение дисциплины «Системный анализ»

аудитории, оснащенные соответствующим мультимедийными средствами, включающими персональный компьютер, проекционный аппарат и экран;

компьютерные классы (ауд. 5106а, 5203), обеспеченные необходимым комплектом лицензионного программного обеспечения;

электронные ресурсы.