Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Математическое моделирование и автоматизированный расчет нестационарных тепловых процессов в емкостных аппаратах

ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Емкостные аппараты являются самым распространенным видом оборудования в химическом производстве. Выбор аппарата и его конструктивные особенности определяются характеристикой процесса, свойствами среды, производительностью технологической линии, температурными параметрами процесса и давлением, при котором процесс осуществляется. Определение нестационарного температурного поля в аппарате… Читать ещё >

Математическое моделирование и автоматизированный расчет нестационарных тепловых процессов в емкостных аппаратах (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • ГЛАВА 1. ВОЗМОЖНОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРО- 8 ВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ЕМКОСТНЫХ АППАРАТАХ
    • 1. 1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
      • 1. 1. 1. Проектирование ХТС
      • 1. 1. 2. Проектирование отдельных единиц оборудова
  • ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ НЕСТА- 25 ЦИОНАРНОГО ТЕПЛОВОГО ПРОЦЕССА В ЕМКОСТНОМ АППАРАТЕ
    • 2. 1. Обоснование методологии математического моделирования 25 теплового процесса в емкостном аппарате
    • 2. 2. Обоснование выбора и использования локальных областей
    • 2. 3. Математическая модель нестационарного теплового процес- 37 са в емкостном аппарате
    • 2. 4. Постановка задачи оптимизации тепловых процессов в емко- 47 стном аппарате и поиска конструктивных параметров теплооб-менных устройств
  • Глава 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДА РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЙ МАТЕ- 53 МАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
    • 3. 1. Обоснование выбора метода решения уравнений 53 математической модели
    • 1. 2. Методы тепловых расчетов емкостных аппаратов
    • 1. 3. Постановка задачи исследования
      • 3. 1. 1. Решение нестационарной задачи теплопроводности для полого неограниченного цилиндра

      3.1.2. Решение нестационарной задачи теплопроводности для полого двухслойного неограниченного цилиндра 3.1.3 Решение задачи переноса тепла жидкостью, движу- 66 щейся в режиме идеального вытеснения по каналу

      3.2 Итерационный алгоритм решения уравнений математиче- 70 ской модели

      3.3 Проверка адекватности математической модели

      ГЛАВА 4. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛОВОГО ПРОЦЕССА ОТГОНКИ 99 БЕНЗИНА ПРОИЗВОДСТВА ПРИСАДКИ К

      4.1 Решение задачи оптимизации процесса отгонки

      4.2 Информационная система автоматизированного проектиро- 104 вания емкостного аппарата

      ВЫВОДЫ

Проектирование нового химического производства, а также перепрофилирование существующего, напрямую связано с решением целого ряда прикладных задач.

В общих чертах набор задач, решаемых при проектировании нового производства, может выглядеть следующим образом:

— планирование объемов выпуска готовой продукции;

— аппаратурное оформление;

— конструирование оборудования;

— календарное планирование;

— компоновка оборудования;

— трассировка трубопроводов.

Важными этапами являются разработка аппаратурного оформления технологической схемы и конструирование емкостного оборудования.

Емкостные аппараты являются самым распространенным видом оборудования в химическом производстве. Выбор аппарата и его конструктивные особенности определяются характеристикой процесса, свойствами среды, производительностью технологической линии, температурными параметрами процесса и давлением, при котором процесс осуществляется.

При разработке аппаратурного оформления сложной и ответственной является задача определения режимов функционирования емкостного оборудования и длительности операций. Знание времени проведения операций позволяет правильно подобрать размеры и число аппаратов на каждой стадии технологической схемы.

При разработке конструкции не менее ответственной является задача нахождения основных размеров теплообменных устройств емкостного аппарата. Во-первых, из-за того, что от результата решения зависит стоимость эксплуатации аппарата, во-вторых, насколько в эксплуатации он буден надежен и безопасен.

В реальных производственных процессах операции по обработке жидких продуктов в емкостных аппаратах, как правило, протекают в нестационарных температурных режимах.

Необходимость рассмотрения нестационарных процессов принципиально усложняет технологические расчеты, поскольку используемые в настоящее время инженерные методики расчета таких процессов основаны на общих балансовых соотношениях и позволяют получить лишь оценочные результаты.

При моделировании и проектировании емкостного оборудования можно выделить две основные задачи, которые включают в себя расчет нестационарного температурного поля:

— определение нестационарного температурного поля в аппарате по известным геометрическим размерам аппарата, расходам теплоносителей и начальному распределению температур во всех элементах аппарата. Такая задача решается в случае необходимости проверить соответствие регламенту работу того или иного аппарата;

— определение режимных и конструктивных параметров, обеспечивающих заданную работу емкостного аппарата. Такая задача решается в случае проектирования нового оборудования или производства, и является наиболее распространенной.

Зная температурное поле, можно узнать значения тепловых потоков, температурных градиентов, интегральных теплот, а также локальных и интегральных тепловых потерь в окружающую среду, в том числе через монтажные элементы.

Значения тепловых потоков определяют интенсивность и длительность тепловых процессов. Значения температурных градиентов в продукте, как правило, определяют его качественные показатели. Интегральные теплоты и потери определяют основную составляющую эксплуатационных затрат на осуществление процесса.

Одним из основных расчетов, проводимых при проектировании или модернизации емкостных аппаратов, является тепловой расчет. Целый ряд операций, проводимых в емкостных аппаратах, лимитируются тепловыми воздействиями (отгонка летучих фракцийрастворение гранулированных и сыпучих материаловсмешивание жидкостейнагрев, охлаждение и др.), которые существенно влияют на себестоимость готового продукта.

Существует целый ряд методов, позволяющих проводить расчет конструктивных и режимных параметров емкостных аппаратов при их проектировании или модернизации. Анализ этих методов показал, что используемые модели и алгоритмы расчетов не позволяют учесть целый ряд особенностей протекания процессов, что приводит к получению недостоверных результатов. Известные в настоящее время инженерные методики тепловых расчетов емкостных аппаратов основаны на использовании интегральных уравнений теплового баланса, и могут давать существенные погрешности, так как не учитывают нестационарность тепловых процессов. Кроме того, они не являются оптимизационными с точки зрения снижения капитальных и эксплуатационных затрат проектируемого аппарата.

На основании вышесказанного разработка методики расчета нестационарных тепловых процессов при проектировании емкостных аппаратов является актуальной.

Целью работы является дальнейшее развитие методики расчета тепловых процессов в вертикальных емкостных аппаратах и поиска конструктивных параметров теплообменных устройств на основе моделирования нестационарных температурных полей элементов аппарата и рабочих сред.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Поставлена задача оптимизации тепловых процессов в вертикальном емкостном аппарате и поиска конструктивных параметров теплообменных устройств на основе моделирования нестационарных температурных полей элементов аппарата и рабочих сред.

2. Разработана математическая модель протекания нестационарных тепловых процессов в емкостном аппарате, основанная на моделировании температурных полей в элементах конструкций (корпус аппарата, рубашка, теплоизоляция и змеевик) и заполняющих аппарат средах (продукт в аппарате и теплоносители в рубашке и змеевике) для таких операций как отгонка, нагрев, охлаждение, догрузка, выдержка.

3. Разработан итерационный алгоритм решения системы уравнений математической модели позволяющий определить температурные поля для конкретной локальной области емкостного аппарата и время протекания нестационарного теплового процесса (под локальной областью понимается область фиксированных размеров, рассматриваемая в течение заданного интервала времени и включающая в себя конструкционные элементы аппарата и объемы заполняющих аппарат сред).

Ниже рассматриваются вопросы математического моделирования тепловых процессов, проводимых в емкостном оборудовании, ставится задача оптимизации тепловых процессов в вертикальном емкостном аппарате и поиска конструктивных параметров теплообменных устройств.

ВЫВОДЫ.

1. Поставлена задача оптимизации тепловых процессов в вертикальном емкостном аппарате и поиска конструктивных параметров теплообменных устройств на основе моделирования нестационарных температурных полей элементов аппарата и рабочих сред.

2. При моделировании нестационарного теплового процесса использован прием разбиения аппарата на локальные области, который сделал возможным записать уравнения теплопроводности в частных производных в линейной форме и получить их аналитические решения.

3. Разработана математическая модель, описывающая протекание нестационарных температурных процессов в емкостном аппарате, основанная на моделировании температурных полей в элементах конструкций и заполняющих аппарат средах.

4. Разработан итерационный алгоритм решения системы уравнений математической модели емкостного аппарата, позволяющий определять температурные поля для конкретной локальной области, а также время протекания нестационарного теплового процесса.

5. Решена задача оптимизации теплового процесса стадии отгонки бензина производства бензиновой присадки К-31.

6. Разработан модуль теплового расчета емкостного аппарата, являющийся частью информационной системы автоматизированного проектирования емкостного оборудования.

Показать весь текст

Список литературы

  1. , Г. А. Автоматизированное проектирование химико-технологических систем // К.: Выща шк. Головное изд-во. — 1989. — 400 с.
  2. , Е.Н. Проектирование гибких производственных систем в химической промышленности / Е. Н. Малыгин, С. В. Мищенко // Журнал Всесоюзного химического общества им. Д. И. Менделеева. 1987. — Т. 32. — № З.-С. 293−300.
  3. , Е.Н. Проектирование многоассортиментных химических производств: определение длительностей циклов обработки партий продуктов / Е. Н. Малыгин, С.В. Карпушкин//ВестникТГТУ.- 1999.-Т. 5.-№ 2.-С. 201−212.
  4. , Е.Н. Методология определения аппаратурного оформления многоассортиментных химических производств / Е. Н. Малыгин, С. В. Карпушкин, Е. Н. Туголуков // Химическая промышленность. 2004. — № 3. — С. 148−156.
  5. , Л.С. Интегрированная экспертная система для организации многоассортиментных химических производств / Л. С. Гордеев, М. А. Козлова, В. В. Макаров // Теоретические основы химической технологии. 1998. — Т. 32. — № З.-С. 322−332.
  6. , В.В. Анализ и синтез ХТС / В. В. Кафаров, В. П. Мешалкин // М.: «Химия». 1991. — 370 с.
  7. , В.И. Оптимальное проектирование энерго- и ресурсосберегающих процессов и аппаратов химической технологии / В. И. Бодров, С. И. Дворецкий, Д. С. Дворецкий // TOXT. 1997. — Т. 31. — № 5.
  8. , Т.М. Оптимизация химико-технологических процессов. Теория и практика / Т. М. Островский, Т. А. Бережинский // М.: Химия. 1984.-240 с.
  9. Dovi, V. G Fundamentals of Process Integration and Environmental Economics / V.G.Dovi, V.P. Meshalkin, L. Puigianer, R. Smith II Arti Grafiche Lux, Genova. -1999.
  10. Puigjaner, L. Advanced concepts on process integration and environmental economics. L. Puigjaner, R. Smith, V.G. Dovi', V.P. Meshalkin / Arti Grafiche Lux, Genova. 2000.
  11. , B.B. Основы автоматизированного проектирования химических производств / B.B. Кафаров, В. Н. Ветохин // М.: Наука. 1987. — 624 с.
  12. , А.С. Экономическая оптимизация химических производств // М.: «Химия». 1986.-420 с.
  13. , Ю.Д. Основы конструирования: Творчество стандартизация — экономика: Справочное пособие // М.: Издательство стандартов. — 1991. — 392 с.
  14. , А.И. Автоматизация поискового конструирования (искусственный интеллект в машинном проектировании) / А. И. Половинкин, Н. К. Бобков, Г. Я. Буш // М.: Радио и связь. 1981. — 83 с.
  15. , O.JI. Эвристические приемы проектирования локальных систем автоматизации: Монография // Тверь: ТГТУ. 2006. — 160 с.
  16. , Е.Н. Система автоматизированного расчета и конструирования химического оборудования / Е. Н. Малыгин, С. В. Карпушкин, М. Н. Краснянский, В. Г. Мокрозуб // Информационные технологии. 2000. — № 12. — С. 19−21, 4-я ст. обложки.
  17. О. Инженерное оформление химических процессов / Пер. с англ под ред. М. Г. Слинько / М.: «Химия». 1969. — 622 с.
  18. , А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии // М.: Химия, 1971.-784 с.
  19. , Л.Н. Перемешивание в жидких средах: Физические основы и инженерные методы расчета / Л. Н. Брагинский, В. И. Бегачев, В. М. Барабаш // Л.: Химия. 1984.-336 с.
  20. , Э.А. Аппараты для перемешивания жидких сред / Э. А. Васильцов, В. Г. Ушаков // Л.: Машиностроение. 1979. — 272 с.
  21. , О.Н. Теплообменная аппаратура химических производств / О. Н. Маньковский, А. Р. Толчинский, М. В. Александров // Л.: Химия 1976. — 367 с.
  22. , Е.Н. Математическое моделирование термонагруженных процессов и аппаратов многоассортиментных химических производств: Дис. докт. техн. наук: 05.17.08 и 05.13.18 / Е. Н. Туголуков. Защищена 01.07.2004- Утв. 10.12.2004. — Тамбов, 2004. — 400 с.
  23. , Е.Н. Математическое моделирование технологического оборудования многоассортиментных химических производств. Монография // Москва: Изд-во «Машиностроение». 2004. — 100 с.
  24. , Е.Г. Построение математических моделей химико-технологических объектов / Е. Г. Дудников, B.C. Балакирев, В. Н. Кривсунов, A.M. Цирлин // М.: Изд. «Химия». 1970. — 312 с.
  25. Я. М. Введение в теорию и расчеты химических и нефтехимических реакторов. М., «Химия», 1968. 248 с.
  26. Р. Анализ процессов в химических реакторах. Пер. с англ, под ред. И. И. Иоффе. Л., «Химия», 1967. 328 с.
  27. К. Г. Теория химических реакторов. М., «Наука», 1968. 192 с.
  28. РД 26−01−90−85 Механические перемешивающие устройства ЛенНИИхиммаш.
  29. Нестационарный теплоперенос на тепловом начальном участке при ламинарном течениии с периодически изменяющейся температурой на входе. / Li Weigong, Kakai Sadik II Int. J. Heat and mass Transfer-1991. 34, N 10.
  30. , С.В. К тепловому расчету трубчатого воздухоподогревателя на ЭВМ / С. В. Кункевич, Н. Б. Карницкий // Изв. вузов, энерг. 1993. -№ 1.
  31. Труды Первой национальной конференции по теплообмену. / М.: МЭИ. 1994.
  32. Математическая модель процессов теплопереноса в кожухотрубчатых теплообменниках./ Wanik Adam П Pr. Nank. Inst. Techn. Ciepl. i mechl plynowl PWroch. -1991 -N41.
  33. Нестационарный теплоперенос на тепловом начальном участке при ламинарном течениии с периодически изменяющейся температурой на входе. / Li Weigong, Kakai Sadik II Int. J. Heat and mass Transfer. 1991. — 34, N 10.
  34. Тепломассообмен ММФ. — 92, Т. X, XI. — Минск, 1992.
  35. Аналитическое решение задачи о теплопереносе при осциллирующем течении в трубе. / Zhao Lingde, Zhu Gujin, Gfo Yuzhang, Li Bo IILixue xuebao = Acta mech. Sin. -1992. -24.- N5.
  36. , В.Н. Теплообмен и гидродинамика при нестационарном турбулентном течении жидкости в круглой трубе / В. Н. Попов, Е. П. Валуева // Тепломассообмен ММФ — 92: Мин. междунар. Форум, 18−22 мая, 1992.- Т. 1. — 4.1. -Минск. — 1992.
  37. , Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел. // М.: Высш.шк. 1985. — 480 с.
  38. , Н.М. Методы теории теплопроводности / Н. М. Беляев, А. А. Рядно // М.: Высш.шк. 1982.-327 с.
  39. , А.В. Теория теплопроводности // М.: Высшая школа 1967.
  40. , В.М. Оптимальное управление нестационарными температурными режимами // Киев: Наукова думка. 1979.
  41. М., Тгпка О. Cooling of a rubber band И Letters in Heat and mass transfer, 1981.- v.8.-№ 5.-^.345−355
  42. ГОСТ 14 249–89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность- Введ. с 01.01.1990.-М., 1989.-80 с.
  43. ОСТ 26−01−1246−75. Корпуса стальные сварные вертикальных аппаратов с механическими перемешивающими устройствами. Типы, параметры, конструкция и основные размеры- Введ. с 01.01.1978. М., 1975.-34 с.
  44. , В.В. Оптимизация теплообменных процессов и систем / В. В. Кафаров, В. П. Мешалкин, Л. В. Гурьева // М.: Энергоатомиздат. 1988. — 192 с.
  45. , П.Г. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи): Учеб. пособие для вузов / П. Г. Романков, В. Ф. Фролов //СПб: Химия.- 1993.-496 с.
  46. В. Р. Справочник по тепловым расчетам // Киев: Тэхника. 1990. -165 с.
  47. Тепловой расчёт котельных агрегатов. Нормативный метод // М.: Энергия. -1973.-296с.
  48. , К.Б. Уравнения математической физики: Учеб. пособие для вузов // М.: Высш. шк. 2003. — 255 с.
  49. , Л.А. Решения нелинейных задач теплопроводности // Наукова думка. 1976.- 136 с.
  50. Исследование нестационарного тепло- и массообмена, под ред. Академика АН БССР А. В. Лыкова и профессора Б. М. Смоленского // Минск. 1966. — 252 с.
  51. Общие вопросы тепло- и массообмена, под ред. Академика АН БССР А. В. Лыкова и профессора Б. М. Смоленского // Минск 1966. — 260 с.
  52. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник // М.: Энергоиздат. 1982. — 512с.
  53. , В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена // М.: Энергия. 1979.-320с.
  54. , JI.A. Задачи и методы теории теплообмена // Промышленная теплотехника. 1997. — Т. 19, № 6.
  55. , JI.A. Вычислительная теплофизика // Киев: Наукова думка. 1992. -224с.
  56. Коздоба, JI. A Методы решения обратных задач теплопереноса / J1.A. Коздоба, П. Г. Круковский // Киев: Наукова думка 1982. — 358 с.
  57. Бек, Дж. Некорректные обратные задачи теплопроводности: Пер. с англ. / Дж. Бек, Б. Блакуэлл, Ч. (мл) Сент-Клэр // М.: Мир. 1 989. — 312с.
  58. Математическая энциклопедия // Советская Энциклопедия. 1997. — Т.1. -1152 с.
  59. , Е.П. Динамика процессов в тепло- и массообменных аппаратах. / Е. П. Серов, Б. П. Корольков // М.: Энергия. 1967. -168 с.
  60. , JI.A. Методы решения нелинейных задач теплопроводности // М.: Наука.- 1975.-228 с.
  61. , А.В. Тепломассообмен. Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. // М.: Энергия. 1978.-480 с.
  62. , Г. Теплопроводность твёрдых тел. / Г. Карлсроу, Д. Егер // М.: Наука.- 1964.-488 с.
  63. , С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие // М.: Энергоатомиздат 1990. — 367 с.
  64. , Л.А. Системный подход и поиск интегративных свойств тепловых систем промышленной теплотехники // Промышленная теплотехника. 1996. -18.-№ 15.
  65. , Л.А. Моделирование тепломассообменных процессов и системный подход // Инженерно-физический журнал. 1996. -69. № 6.
  66. , JI.A. Системный подход в теплотехнике и теплофизике // Промышленная теплотехника. 1997. — 19. — № 2.
  67. , Б.С. Теплообмен в движущейся однофазной среде. Ламинарный пограничный слой. // М.: Изд-во МЭИ. 1993. — 352 с.
  68. Ши, Д. Численные методы в задачах теплообмена: Пер. с англ. //М.: Мир. -1988.-544 с.
  69. , Д. Вычислительная гидромеханика и теплообмен: Пер. с англ. / Д. Андерсон, Дж. Таннехилл, Р. Плетчер // М.: Мир. 1990. — Т.1. — 354 с.
  70. , A.M. Толковый математический словарь. Основные термины: около 2500 терминов / A.M. Микиша, В. Б. Орлов // М.: Рус.яз. 1989.
  71. , Н.М. Основы теплопередачи // Киев: Вища школа. 1989. — 343 с. 81. 25 Флетчер, К. Численные методы на основе метода Галеркина. Пер. с англ. // М.: Мир. 1988. -352 с.
  72. , Е.Н. Методика математического моделирования нестационарных температурных полей емкостного аппарата / Е. Н. Туголуков // Химическая промышленность. 2004. — № 2. — С. 84−92.
  73. , С.П. Оптимальное проектирование сушильных установок с активным гидродинамическим режимом / С. П. Рудобашта, Е. Н. Малыгин, Е. Н. Кузьмина, В. Н. Бабков // ИВУЗ: Химия и химическая технология. 1990. -Т.33,№ 9.-С.116−121
  74. , С.П. Моделирование и оптимизация установок для глубокой конвективной сушки полимерных материалов / С. П. Рудобашта, Е. Н. Малыгин, Е. Н. Кузьмина, Н. Е. Шадрина //Пластмассы. 1988, № 9. — С.49−50.
  75. , Ю.Ю. Моделирование и управление процессом регенерации воздуха в замкнутом объёме / Ю. Ю. Громов, В. Г. Матвейкин, Б. В. Путин // ТОХТ. -1997. -Т 31, № 6.
  76. , Ю.Ю. Математическое моделирование процесса регенерации воздуха / Ю. Ю. Громов, В. В. Кафаров, В. Г. Матвейкин, Б. В. Путин // ТОХТ. 1997. -Т. 31, № 1.
  77. , В.Ф. Построение полной аналитической математической модели процесса обесфторивания фосфатов во вращающейся печи / В. Ф. Калинин, В. Г. Матвейкин, С. В. Фролов // Деп. В ОНИИТЭХИМ. 28.09.87. — № 1093.
  78. , В.И. О возможностях использования точных, интервальных и приближенных аналитических методов в задачах тепло- и массопереноса в твердых телах / В. И. Коновалов, Е. Н. Туголуков, Н. Ц. Гатапова // Вестник ТГТУ.- 1995. Т.1, № 1−2.-С.75−90.
  79. , Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям // М.: Наука. 1971. -576 с.
  80. , Б.С. Теплообмен при смешанной турбулентной конвекции / Б. С. Петухов, А. Ф. Поляков // М.: Наука. 1986. — 192 с.
  81. , С.С. Справочник по теплопередаче / С. С. Кутателадзе, В.М. Бо-ришанский // Л.: ГЭИ 1959. — 415 с.
  82. , В.И. Базовые кинетические характеристики массообменных процессов // Журн. прикл. химии. 1986. — Т.59. № 9. — С. 2096−2107.
  83. , О. Г. Свободно-конвективный теплообмен: Справочник / О. Г. Мартыненко, 10. А. Соковишин // Минск: Наука и техника. 1982. — 400 с.
  84. , А. М. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании /
  85. A. М. Кутепов, JI, С. Стерман, Н. Г. Стюшин //М.: Высшая школа. 1977. -352 с.
  86. , X. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе / Пер. с нем. /М :Энергоиздат. 1981. -360 с.
  87. Конструкционные материалы. Справочник / Под общей редакцией Б.Н. Арза-масова // М.: Машиностроение. 1990. — 688 с.
  88. , В.И. О возможностях использования циклических тепловых и взаимосвязанных теплодиффузионных процессов в химических и других производствах /
  89. B.И. Коновалов, Н. Ц. Гатапова, Е. Н. Туголуков // Вестник ТГТУ. 1995. — Т.1, № 3−4.-С. 273−288.
Заполнить форму текущей работой