Методы расчета и проектирования процессов и аппаратов

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Тольяттинский филиал Московского государственного

университета  пищевых производств 

Кафедра «Экономика и управление качеством  на предприятии» 
 
 

Контрольная работа  

по  дисциплине:  «Процессы и аппараты»

На  тему: «Методы расчета и проектирования процессов и аппаратов»

  

Студентка 3 курса 

заочной формы обучения

группы  ЭЗ-401

А. Р. Валиуллова

Преподаватель: Т. В. Альшанская 
 

Дата  сдачи:______________

Оценка:_________________ 
 
 
 

Тольятти 2010 г.

      Содержание 

    Введение……………………………………………………………………..…...3

    1. Методология математического моделирования…………………………….5

    2. Общие принципы анализа и расчета  процессов и аппаратов………………8

    Задача…………………………………………………………………………....14

    Заключение……………………………………………………………………...15

    Список  используемой литературы………………………………………….....17 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

    Тема  данного контрольной работы –  «Методы расчета и проектирования процессов и аппаратов» - на наш  взгляд, одна из актуальных.

    Методы анализа и синтеза процессов и аппаратов химических и пищевых производств в отечественной науке и промышленности, как и их зарубежные аналоги в «Chemical Engineering», находятся в стадии интенсивного фундаментального, прикладного и методологического развития ¹. Научные успехи связаны, прежде всего, с существенным углублением физических представлений о механизме процессов, математизацией и компьютеризацией.

    Ускорение промышленного развития обусловлено  как остро вставшими энергетическими, сырьевыми, экономическими проблемами, так и недавно появившимися возможностями интенсификации и совмещения технологических процессов, оптимизации и интегрированного проектирования аппаратурно-технологического оформления процессов и систем автоматического управления ими ².

    Методологические изменения отражают стоящие перед высшей школой задачи подготовки специалистов широкого профиля, способных не только представлять сложные физико-химические процессы в виде уравнений, но и уметь их рассчитывать и воплощать в конкретном аппаратурно-технологическом оформлении, обеспечивающем строгие требования к целевым продуктам, ресурсосбережению и экологической безопасности производства.

    Особенностью  современных химических и пищевых  технологий является увеличение темпов и масштабов роста промышленности, повышение качества и конкурентоспособности выпускаемой продукции, резкое увеличение единичной мощности аппаратов и поточных линий, автоматизация и роботизация производства. Стали ведущими проблемы создания теории непрерывных технологических процессов, единых кинетических закономерностей, гибких автоматизированных производств и т.д., включая вопросы инженерной экологии и энергосбережения.

    В настоящее время в большинстве  технологических, машиностроительных и политехнических вузов изучается теория основных процессов, принципы устройства и методы расчета типовых машин и аппаратов, в которых осуществляются эти процессы, на основе фундаментальных законов физики, химии, математики, термодинамики и других наук. Особо следует отметить широкое применение методов математического моделирования, оптимизации и системного анализа.

    Особенностью  современных химических и пищевых  технологий, протекающих с высокими скоростями при высоких температурах и давлениях в многофазных системах, является их большая сложность, обуславливаемая нелинейностью, большим числом переменных (параметров), определяющих течение процессов, внутренних связей между переменными и их взаимным влиянием. Кроме того, на процесс накладываются внешние случайные возмущения, которые не учитываются при расчете процессов и аппаратов химических и пищевых производств.

    Итак, цель данной работы – исследовать  методы расчета и проектирования процессов и аппаратов.

    Задачи  данной работы: 1) рассмотреть сущность и особенности методологии математического моделирования; 2)  рассмотреть общие принципы анализа и расчета процессов и аппаратов; 3) выполнить практическое задание (решить задачу); 4) сделать выводы данного исследования.

    При выполнении данной работы был использован  ряд научной и учебной литературы. В частности, использовались мысли, определения, точки зрения и методики таких авторов, как: Бодров В.И., Дворецкий С.И., Дворецкий Д.С., Бодров В.И., Дворецкий С.И., Дворецкий Д.С., Егоров А.Ф., Самарский А.А., Михайлов А.П. 
 

    1. Методология математического моделирования 

    Невозможно  себе представить современную науку  о процессах и аппаратах без  широкого применения математического (компьютерного) моделирования. Сущность этой методологии состоит в замене исходного объекта его «образом» – математической моделью и дальнейшем изучении модели с помощью реализуемых на компьютере вычислительно-логических алгоритмов ³. Этот метод познания, конструирования, проектирования сочетает в себе многие достоинства как теории, так и эксперимента. Работа не с самим объектом, а с его моделью дает возможность относительно быстро и без существенных затрат исследовать его свойства и поведение в любых мыслимых ситуациях (преимущества теории). В то же время вычислительные (компьютерные, имитационные) эксперименты с моделями процессов позволяют, опираясь на мощь современных вычислительных методов и технических инструментов информатики, подробно и глубоко изучать процессы в достаточной полноте, недоступной чисто теоретическим методам (преимущества вычислительного эксперимента).

    Технологические, технические, экологические, экономические и иные системы, изучаемые современной наукой, больше не поддаются исследованию (в нужной полноте и точности) обычными теоретическими методами. Прямой натурный эксперимент над ними длителен, дорог, часто опасен либо просто невозможен, так как многие из этих систем существуют в «единственном экземпляре». Цена ошибок и просчетов в обращении с ними недопустимо высока. Поэтому математическое моделирование является неизбежной составляющей научно-технического прогресса.

    Сейчас математическое (компьютерное) моделирование вступает в третий принципиально важный этап своего развития, «встраиваясь» в структуру так называемого информационного общества ⁴. Впечатляющий прогресс средств переработки, передачи и хранения информации отвечает мировым тенденциям к усложнению и взаимному проникновению различных сфер человеческой деятельности. Без овладения информационными «ресурсами» нельзя думать о решении все более усложняющихся задач химической и пищевой технологий. Однако информация как таковая зачастую мало что дает для анализа и синтеза, для принятия решений и контроля за их исполнением. Нужны надежные способы переработки информационного «сырья» в готовый «продукт», т.е. в точное знание. Математическое (компьютерное, информационное) моделирование и является интеллектуальным ядром информационных технологий, всего процесса информатизации общества.

    Сама  постановка задачи о математическом моделировании какого-либо объекта (явления, процесса) порождает четкий план действий. Его условно можно разбить на три этапа: модель –алгоритм–программа (рис. 1). 

    

    

    

       

 

  

      Рисунок 1. Триада: модель – алгоритм – программа.

    На  первом этапе выбирается (или строится) «эквивалент» технологического процесса, отражающий в математической форме важнейшие его свойства – законы, которым он подчиняется, связи, присущие составляющим его частям, и т.д. Математическая модель (или ее фрагменты) исследуется теоретическими методами, что позволяет получить важные предварительные знания об объекте.

    Второй  этап – выбор (или разработка) алгоритма для реализации модели на компьютере. Модель представляется в форме, удобной для применения численных методов, определяется последовательность вычислительных и логических операций, которые нужно произвести, чтобы найти искомые величины с заданной точностью.

    Вычислительные  алгоритмы не должны искажать основные свойства модели и, следовательно, исходного технологического процесса, быть экономичными и адаптирующимися к особенностям решаемых задач и используемых компьютеров.

    На  третьем этапе создаются программы, «переводящие» модель и алгоритм на доступный компьютеру язык. К ним также предъявляются требования экономичности и адаптивности. Их можно назвать «электронными» эквивалентами изучаемого технологического процесса, уже пригодными для непосредственного испытания на «экспериментальной установке» – компьютере.

    Создав  триаду «модель – алгоритм –  программа», исследователь получает в руки универсальный, гибкий и недорогой инструмент, который вначале настраивается (отлаживается), тестируется в «пробных» вычислительных экспериментах. После того, как адекватность (соответствие с заданной точностью реальному процессу) триады удостоверена, с моделью (электронным эквивалентом) проводятся разнообразные и подробные «опыты», дающие все требуемые качественные и количественные свойства и характеристики технологического процесса. Процесс моделирования сопровождается улучшением и уточнением, по мере необходимости, всех звеньев триады.

    Будучи  методологией, математическое моделирование  не подменяет собой математику, физику, биологию и другие научные дисциплины, не конкурирует с ними. Наоборот, трудно переоценить его синтезирующую роль. Создание и применение триады невозможно без опоры на самые разные методы и подходы – от качественного анализа нелинейных моделей до современных языков и систем программирования. Появляются новые дополнительные стимулы самым разным направлениям науки.

    2. Общие принципы анализа и расчета процессов и аппаратов 

    К одним из важнейших принципов  науки о процессах и аппаратах  химической и пищевой технологий относятся теоретические и технологические обобщения и выявление физико-химических аналогий основных процессов.

    При исследовании и расчете процессов  и аппаратов важно знать кинетические закономерности основных процессов химической и пищевой технологий.

    Кинетика  – это учение о механизмах и  скоростях процессов, в том числе гидродинамических, тепло- и массообменных. Кинетика является научной основой создания новых и совершенствования действующих процессов и аппаратов химической и пищевой технологий.

    По  общепринятой классификации, основанной на кинетических закономерностях процессов, различают ⁵:

    1 Гидромеханические процессы (рис. 1.2), скорость которых определяется законами гидродинамики:

Гидромеханические процессы (рис. 1.2), скорость которых определяется законами гидродинамики:

                                   1г =   dV/ Fd τ  = Δp/ R1= k 1 p Δ                                                           (1.1)  

    где jг – скорость процесса; V – объем протекающей жидкости; F – площадь сечения аппарата; τ – время; k1 – коэффициент скорости процесса (величина, обратная гидравлическому сопротивлению R1); Δр – перепад давления (движущая сила процесса).

    2 Теплообменные процессы (рис. 1.3), скорость которых определяется законами теплопередачи:

                                                  j τ =   dQ /  Fd τ = Δ t / R2 = k2 Δ t                                (1.2)