 |
Компьютерные программы моделирования и оптимизации ХТС
|
|
|
|
Гурко Н.С.
Информационные технологии в ресурсосбережении
Учебное пособие
для студентов заочной формы обучения
специальности «Рациональное использование материальных и
энергетических ресурсов»
Санкт-Петербург
УДК 004.9
Информационные технологии в ресурсосбережении [Текст]: учебное пособие/ Н.С. Гурко – СПб: СПбГТИ(ТУ), 2011. -39с.
Учебное пособие предназначено для студентов 3-го курса специальности 240803 «Рациональное использование материальных и энергетических ресурсов» факультета заочного обучения СПбГТИ (ТУ).
В учебном пособии рассмотрены компьютерные программы моделирования и оптимизации химико-технологических систем. Приведены примеры решения расчетных задач, а также варианты и задания для курсовых работ.
Рис.4, библиогр. 4 назв.
Рецензент: В.Л. Рукин, канд. техн. наук, доцент кафедры САПРиУ СПбГТИ(ТУ)
Утверждено на заседании учебно-методической комиссии факультета химической и биотехнологии 01.07.2011
Рекомендовано к изданию РИСо СПбГТИ(ТУ)
 |
СОДЕРЖАНИЕ
| ВВЕДЕНИЕ………………………….……………………….…………………..... | |
| 1 КОМПЬЮТЕРНЫЕ ПРОГРАММЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ХТС………………………………………………………….... | |
| 2 МОДЕЛИРУЮЩИЕ ПРОГРАММЫ СЕМЕЙСТВА ASPEN………………. | |
| 2.1 Система технологических расчетов HYSYS………………….…….......... | |
| 2.2 Программные продукты для принятия решений AspenTech Icarus.……. | |
| 2.3 Система промышленно - технического моделирования (PIMS)………… | |
| 3 РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ОПТИМИЗАЦИИ В ПРОГРАММЕ MATHCAD….…... | |
| 4 МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОЙ РАБОТЫ………………………………………………………………….….……... | |
| 4.1 Определение номера варианта курсовой работы………………………… | |
| 5 ЗАДАНИЯ К КУРСОВОЙ РАБОТЕ……………………………….…............. | |
| Литература………………………………………………………………….…........ |
|
|
|
ВВЕДЕНИЕ
В современном мире при постоянно нарастающих темпах роста глобальной экономики довольно актуальным стал вопрос об экономии и рациональном использовании природных ресурсов и энергоэффективности промышленных производств. Если не будут внесены серьезные изменения в способы добычи и переработки нефти, газа, каменного угля, то в будущем проблема их ограниченности может оказаться неразрешимой и человечество столкнется с экологической катастрофой.
Для химической и смежных с ней отраслей (нефтехимической и нефтеперерабатывающей) характерной чертой является значительный вклад в структуру себестоимости продуктов удельного веса сырья (40-45%) и энергоресурсов (20-22%). Очевидно, что существенного снижения себестоимости невозможно добиться без воздействия на сырьевую и энергетическую составляющие.
Один из наиболее перспективных способов энергосбережения - это использование альтернативных источников энергии, но на сегодняшний день в России на возобновляемые источники приходится всего 3,2% от всей производимой энергии. В основном это энергия ТЭЦ, работающих на биомассе и ГЭС. В производстве электроэнергии доля возобновляемых источников составляет 18,5% (с учетом крупных ГЭС), в теплоснабжении — приблизительно 2%. Около 90% первичной энергии в России по-прежнему обеспечивается за счет ископаемого топлива.
Научно-технический прогресс и, вследствие этого, высокая скорость развития современных информационных технологий позволили использовать универсальные моделирующие программы для имитации на компьютерах всех возможных вариантов стационарных и динамических режимов работы промышленных объектов с целью совершенствования существующего производства или выбора оптимальной структуры проектируемого.
|
|
|
КОМПЬЮТЕРНЫЕ ПРОГРАММЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ХТС
Применение информационных технологий для анализа и оптимизации химико-технологических систем с целью повышения качества и эффективности работы полностью доказало свою перспективность и актуальность. С помощью методов компьютерного моделировании возможно проектировать значительно более экономичные и надежные химико-технологические системы и более эффективно управлять работой действующих.
Для крупнотоннажной ХТС экономия затрат даже на 2-3 % составляет значительную величину. Кроме того, сокращение затрат - энергетических расходов и металлоемкости оборудования - означает увеличение эффективности производства в целом и конкурентоспособности товара, что в условиях рыночной экономики может иметь решающее значение.
Развитие компьютерного моделирования было связано с появлением первой моделирующей системы Flexible Flowsheet в 1958 г для перевода расчетов материальных и тепловых балансов ХТС с ручного на компьютерное. Этот этап продолжался на протяжении 60%70-х гг. Тогда была выработана общая концепция универсальной моделирующей программы (УМП) для моделирования ХТС, состоящей из 4 частей:
· организующей программы,
· библиотеки модулей для расчета химико-технологических аппаратов,
· банка физико-химических свойств,
· библиотеки математических модулей и создано несколько десятков УМП: Flexible Flowsheet, Cheops, Chevron, Sreed Up, Macsim, Network67, Chess, Pacer 245, Flowtran, Flowpack, Process и др.
Ряд программ для моделирования ХТС был создан в странах-членах СЭВ, причем особенно значительные работы проводились в СССР. В Советском Союзе было разработано несколько моделирующих программ: РСС и РОСС (НИФХИ им. Л. Я. Карпова), АСТР и БАСТР (ГИАП), НЕФТЕХИМ (ВНИ ПИНЕФТЬ), САМХТС (НИУИФ), SYNSYS-78 (МХТИ им. Д. И. Менделеева) и др.
Развитие компьютерного моделирования началось с появлением персональных компьютеров. К этому времени в результате длительного процесса из общего числа выделились четыре УМП, которые заняли лидирующее положение в мире: Aspen Plus, Hysys, ChemСad и Pro/II.
Указанные УМП обладают большими библиотеками технологических модулей, обширными банками физико-химических свойств и удобным для пользователя интерфейсом. Их широко используют при проектировании новых ХТС и при реконструкции действующих. При этом можно отметить как общую тенденцию стремление переходить на использование в расчетах все более и более сложных и, соответственно, более адекватных математических моделей технологических аппаратов, с чем упомянутые УМП успешно справляются.
|
|
|
В России к началу 90%х годов был создан крупный научный и программный задел в отношении УМП (включая успехи в структурном анализе, разработке алгоритмов расчета материальных и тепловых балансов, алгоритмов оптимизации и расчета чувствительности), но экономические трудности переходного периода стали непреодолимым препятствием на пути его использования и развития. В настоящее время практически все организации и предприятия в России, а также учебные институты используют для расчетов в качестве УМП одну из программ Aspen Plus, Hysys, ChemСad или Pro/II.
Начало второго этапа в развитии компьютерного моделирования можно условно отнести ко второй половине 80-х годов, когда в течение короткого времени произошел переход к персональным компьютерам и появились первые прототипы четырех вышеназванных УМП. В эти УМП были введены оптимизационные процедуры, и они стали применяться не только для расчета отдельных вариантов, но и для оптимизации ХТС в целом. Для решения задачи нелинейного программирования современные УМП имеют математические программы, основанные на методе последовательного квадратичного программирования, который занимает одно из лидирующих положений среди других методов.
Задачи нелинейного программирования могут быть также решены с помощью универсальных оптимизационных программ. Таковыми являются программные пакеты GAMS, NAG, MINOS, NLPQL и др. Эти программы (например, GAMS или NAG), являясь более компактными в обращении по сравнению с пакетами химико-технологической направленности (Aspen Plus и др.), позволяют реализовать алгоритмы для оптимизации, однако препятствием для их эффективного применения служит их универсализм, не учитывающий особенности задач химической технологии.
|
|
|
