1. Постановка задачи

Изучение теоретических основ моделирования основных химико-технологических процессов и проектирование нового и оптимизация действующего оборудования химических, химико-фармацевтических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств - являются одними из ключевых моментов в подготовке химиков технологов.

Методы математического моделирования позволяют провести значительную часть исследования процесса на его математической модели без осуществления дорогостоящих и часто труднореализуемых экспериментов. Эти методы достаточно хорошо разработаны, созданы математические модели различных процессов химической технологии [1].

В настоящее время для отдельных конкретных процессов разработаны математические модели, различающиеся точностью, сходимостью решения и др. Однако применение этих моделей, особенно в системе автоматизированного проектирования, сдерживается из-за отсутствия единой методологии экспериментальных исследований и отсутствия систематизированной базы данных по математическим моделям химико-технологических процессов [1].

Поэтому для проведения лабораторных практикумов, направленных на приобретение студентами вузов химико-технологического профиля практических умений и навыков моделирования типовых процессов химической технологии, широко используется специализированное программное обеспечение.

2. Описание решения

Для решения указанных выше задач подготовлен лабораторный практикум, направленный на моделирование типовых химико-технологических процессов. Для его разработки использована среда графического программирования LabVIEW фирмы National Instruments [2]. В данной среде разработано программное обеспечение для моделирования технологического процесса производства лекарственных препаратов, включающего в себя стадии химической реакции, фильтрования и сушки продукта. Оно предназначено для проведения лабораторных практикумов, направленных на изучение моделирования типовых технологических процессов загрузки/выгрузки, нагревания/охлаждения и перемешивания в аппаратах периодического действия. При проведении лабораторного практикума студенты изучают технологический регламент (для заданного варианта), математические модели процесса [3] и алгоритм решения задачи, и выполняют расчеты с использованием разработанного программного обеспечения.

Оно представляет собой два взаимодействующих виртуальных прибора. Первый предназначен для подбора аппарата и мерников из стандартного ряда; второй -для расчета длительности технологического процесса. Для передачи данных из виртуального прибора, осуществляющего подбор аппаратуры, в прибор, производящий расчёт длительности, используется глобальная переменная, хранящая несколько переменных различных типов. Для создания виртуальных приборов использованы различные функции LabVIEW. Выбор рядов стандартных аппаратов и мерников осу­ществляется при помощи структуры варианта. Ряды стандартных аппаратов и мерников хранятся в виде массивов. Каждому ряду оборудования соответствует один массив. Подходящее оборудование из выбранных стандартных рядов подбирается путём сравнения объёма реакционной массы (потока) с объёмом аппарата (мерника) с учётом коэффициентов заполнения. Для осуществления данной операции используется цикл по условию. В цикле проверяется пригодность каждого аппарата (мерника). В итоге выводятся все подходящие аппараты и мерники. Расчёты произведены при помощи различных математических функций LabVIEW.

Первым этапом расчета является вычисление объёма реакционной массы, массы и объема основного и добавляемых потоков, выбор подходящего аппарата и мерников из стандартного ряда, расчёт реальных коэффициентов заполнения для аппарата и мерников. Исходные данные для моделирования вводятся пользователем при помощи числовых элементов управления.

На втором этапе рассчитываются: время загрузки сырья в аппарат, время выгрузки реакционной массы из аппарата, длительности нагревания и охлаждения реакционной массы, перемешивания, общая длительность процесса.

Набор параметров передается из виртуального прибора, осуществляющего подбор аппаратуры - это размер партии; количество реакционной массы; объём подходящих аппаратов; объём подходящих мерников для каждого потока; реальные коэффициенты заполнения для подходящих аппаратов и мерников; расходные коэффициенты для всех потоков.

Все результаты расчетов отображаются на лицевой панели виртуального прибора в виде числовых индикаторов и таблицы, а зависимость общей длительности процесса от размера партии в виде графика. Также все полученные данные сохраняются в текстовом файле, содержимое которого можно дополнять или полностью заменять.

3.Используемое оборудование и программное обеспечение

Для разработки программного обеспечения была использована среда разработки приложений фирмы National Instruments LabVIEW 8.20 (демо-версия).

4. Внедрение и развитие решения

Разработанное программное обеспечение предназначено для проведения лабораторного практикума по курсу «Математическое моделирование и методы синтеза гибких химических производств» на кафедре компьютерно-интегрированных систем в химической технологии Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева. С его помощью можно анализировать влияние различных исходных данных (например, размера партии, геометрических характеристик оборудования (диаметра штуцера) движущей силы нагревания/охлаждения, удельной теплоемкости металла и реакционной массы и т.п.) на длительность процесса.

В перспективе планируется дополнить программу расчетом длительностей процессов фильтрования и сушки.

Список литературы

1. Химико-технологические процессы. Теория и эксперимент: Учеб. пособие для вузов / Комиссаров Ю.А., Глебов М.Б., Гордеев Л.С, Вент Д.П.. - М.: Химия, 1998.-360 с.

2. Тревис, Д. LabVIEW для всех [Текст]: пер. с англ. / Д.Тревис; Пер.Клушина Н.А.; Под ред. Шаркова В.В., Гурьева В.А. - М.: ДМК Пресс; ПриборКомплект, 2004. -537с.