- •Розрахунки в середовищі excel Розділ 1. Розрахунок кінетичних параметрів топохімічних реакцій
- •Індивідуальна самостійна робота
- •Розділ 2. Статистична обробка результатів експерименту
- •2.1. Кореляційний аналіз
- •2.2. Довірчий інтервал
- •Контрольні питання
- •Література
- •Розділ 3. Розрахунок кінетичних параметрів хімічних реакцій
- •Література
- •Розділ 4. Оптимізація об'єктів досліджень за моделями другого порядку
- •Література
- •Розділ 5. Розрахунки математичних моделей "склад - властивість"
- •Література
- •Розділ 6. Розрахунок кінетичних параметрів за дериватографічними даними
- •Індивідуальна самостійна робота
- •Контрольні питання
- •Розділ 7. Розрахунок очищення коксового газу від сірководню
- •Алгоритм розрахунку
- •Розділ 8. Розрахунок виробництва водню мембранним методом
- •Алгоритм розрахунку [1]
- •Контрольні питання
- •Розділ 9. Розрахунок паро – повітряної конверсії метану
- •Вихідні дані (додаткові)
- •Контрольні питання
- •Розділ 10. Розрахунок двоступеневої
- •Розділ 11. Розрахунок матеріального балансу синтезу метанолу
- •Розділ 12. Розрахунок матеріального балансу синтезу аміаку
- •Алгоритм розрахунку
- •Контрольні питання
- •Розділ 13. Розрахунок очищення газу від co2 розчином моноетаноламіну
- •Алгоритм розрахунку Розрахунок матеріального балансу виробництва
- •Стадія «тонкого» очищення
- •Стадія «тонкого» очищення
- •Концентрації компонентів суміші с(і)2відповідають даним таблиці 3.
- •2 Розрахунок теплового балансу виробництва
- •Де ∑m(mea)р-ну - сума витрат розчину меа на «грубе» та «тонке» очищення, кг меа/год.
- •3 Розрахунок насадкового абсорбера верхня частина абсорбера («тонке» очищення)
- •Алгоритм розрахунку
- •Швидкість захлинання абсорбера у верхній частині [3]:
- •Робоча швидкість газу у верхній частині абсорбера:
- •Нижня частина абсорбера («грубе» очищення)
- •Алгоритм розрахунку
- •Швидкість захлинання абсорбера у нижній частині [3]:
- •Робоча швидкість газу у нижній частині абсорбера:
- •4 Розрахунок тарілчастого абсорбера
- •Верхня частина абсорбера
- •Алгоритм розрахунку
- •Нижня частина абсорбера
- •Алгоритм розрахунку
- •Промисловий абсорбер має 15 тарілок: 9 в нижній частині і 6 у верхній.
- •Розділ 14. Аналіз статики іонного обміну однозарядних (рівнозарядних) іонів
- •Рівновага іонного обміну рівновалентних іонів
- •Алгоритм розрахунку
- •Контрольні питання
- •Література
- •Розділ 15. Аналіз статики іонного обміну різнозарядних іонів
- •Алгоритм розрахунку
- •Контрольні питання
- •Література
- •Розділ 16. Розрахунок очищення газу від оксиду карбону (IV) гарячим розчином поташу
- •1 Матеріальний розрахунок
- •Алгоритм розрахунку
- •1.1 Розрахунок грубого очищення
- •1.2 Розрахунок тонкого очищення
- •2 Тепловий баланс поташного очищення конвертованого газу
- •Алгоритм розрахунку
- •3 Конструктивні розрахунки насадкового абсорберу
- •3.1 Розрахунок діаметру абсорберу Нижня зона
- •Алгоритм розрахунку
- •Верхня зона
- •Алгоритм розрахунку
- •3.2 Розрахунок висоти насадки
- •Верхня зона
- •Алгоритм розрахунку
- •Нижня зона
- •Алгоритм розрахунку
- •1. Розрахувати реальний вміст компонентів k2co3,kнco3і н2о в розчинах згідно даних таблиці 10. Врахувати стехіометрію реакції
- •Розрахунок матеріального балансу
- •Розрахунок теплового балансу
- •Алгоритм розрахунку
- •Конструктивний розрахунок
- •Алгоритм розрахунку
- •Індивідуальна самостійна робота
- •Контрольні питання
- •Література
- •Розрахунки в середовищіmathcad розділ 18. Розрахунок рівноваги оборотних реакцій
- •Розділ 19. Розрахунок трубчатого реактора конверсії природного газу
- •Алгоритм розрахунку
- •Розділ 20. Розрахунок рівноваги пароповітряної конверсії метану
- •Розділ 21. Розрахунок окиснення оксиду сульфуру (IV)
- •Контрольні питання
- •Література
- •Розділ 22. Альтернативний розрахунок матеріального балансу синтезу аміаку
- •Контрольні питання
- •Розділ 23. Альтернативний розрахунок матеріального балансу синтезу метанолу
- •Розділ 24. Розрахунок паро-вуглекислотної конверсії природного газу
- •Індивідуальна самостійна робота
- •Контрольні питання
- •Розділ 25. Розрахунок вуглекислотної рівноваги у водних розчинах
- •Алгоритм розрахунку
- •Значення рН буде приймати значення 4, 5, 6, 7, ..... До значення –log(Kw). Важливо! Отримані числові значення параметра не утворюють матрицю, тому з ними не можливі дії, що застосовуються до матриці.
- •Індивідуальна самостійна робота
- •Контрольні питання
- •Розділ 26. Аналіз динаміки іонного обміну однозарядних іонів
- •2 Хвильове рівняння для концентрації
- •3 Рівняння збереження в безрозмірній формі [1]
- •4 Рівняння ізотерми іонного обміну
- •5 Рішення хвильового рівняння методом характеристик [1]
- •6 Розрахунок обміну однозарядних іонів[1]
- •Алгоритм розрахунку
- •Вихідні дані для 1-ої ступені водопідготовки
- •Алгоритм розрахунку
- •Індивідуальна самостійна робота
- •Література
- •Розділ 27. Термодинамічний та матеріальний розрахунки газифікації вугілля
- •Розділ 28. Термодинамічний розрахунок газифікації (конверсії) вуглеводнів
- •Алгоритм розрахунку
- •.Індивідуальна самостійна робота
- •Контрольні питання
- •Література
- •Розділ 29. Розрахунок концентрацiй iонiв у вапнованiй та коагульованiй воді
- •Алгоритм розрахунку
- •Індивідуальна самостійна робота
- •Контрольні питання
- •Література
- •Розділ 30. Аналіз динаміки іонного обміну різнозарядних іонів
- •Алгоритм розрахунку
- •Індивідуальна самостійна робота
- •Література
- •Розділ 31. Термодинамічний розрахунок газифікації рідких палив невідомої формули
- •Алгоритм розрахунку
- •Індивідуальна самостійна робота
- •Розділ 32.Розрахунок поличних колон синтезу аміаку
- •Алгоритм розрахунку
- •Індивідуальна самостійна робота
- •Контрольні питання
- •Література
- •Методичні рекомендації до виконання розрахункової роботи
- •Розрахунок матеріального балансу виробництва
- •Розрахунок енергетичного (теплового) балансу виробництва
- •Розрахунок основних реакторів
- •Захист розрахункової роботи
- •Завдання на розрахункову роботу з дисципліни
Міністерство освіти і науки України
Національний технічний університет України
«Київський політехнічний інститут»
ЕЛЕКТРОННЕ НАВЧАЛЬНЕ ВИДАННЯ
Алгоритмізація і програмуванНя
науково-технічних
та технологічних розрахунків
НАВЧАЛЬНИЙ ПОСІБНИК
для студентів
спеціальності 7.05130101, 8.05130101
“Хімічні технології неорганічних речовин”
хіміко-технологічного факультету
Розглянуто Методичною радою НТУУ «КПІ»
Київ НТУУ “КПІ” 2013
Навчальний посібник з дисциплін «Алгоритмізація і програмування науково-технічних розрахунків» і «Алгоритмізація і програмування технологічних розрахунків» для студентів спеціальності 8.05130101, 7.05130101 «Хімічні технології неорганічних речовин» хіміко-технологічного факультету.
Укладачі : А.Л. Концевой, С.А. Концевой - НТУУ «КПІ», 2013. – 286 с.
Затверджено Методичною радою НТУУ «КПІ»
(Протокол №7 від 21 березня 2013 р.)
Свідоцтво НМУ № Е 12/13-096
ЕЛЕКТРОННЕ НАВЧАЛЬНЕ ВИДАННЯ
Алгоритмізація і програмуванНя
наукоВО-технічних
та технологічних розрахунків
НАВЧАЛЬНИЙ ПОСІБНИК
для студентів спеціальності 7.05130101, 8.05130101
«Хімічні технології неорганічних речовин»
Укладачі: Концевой Андрій Леонідович, канд. техн. наук, доцент;
Концевой Сергій Андрійович, канд. техн. наук, ст. викладач.
Відповідальний редактор А.Л. Концевой, канд. техн. наук, доцент.
Рецензенти: Соловйов С.О., докт. хім. наук, с.н.с.,
Манчук Н.М., канд. техн. наук, доцент.
За редакцією укладачів
Зміст
ВСТУП 4
Розрахунки в середовищі excel 6
Розділ 1. Розрахунок кінетичних параметрів топохімічних реакцій 6
Розділ 2. Статистична обробка результатів експерименту 10
розділ 3. Розрахунок кінетичних параметрів хімічних реакцій 15
Розділ 4. оптимізація об'єктів досліджень за моделями другого порядку 20
розділ 5. Розрахунки математичних моделей "склад - властивість" 26
розділ 6. Розрахунок кінетичних параметрів за дериватографічними даними 31
розділ 7. Розрахунок очищення коксового газу від сірководню 37
розділ 8. Розрахунок виробництва водню мембранним методом 44
розділ 9. Розрахунок паро – повітряної 56
конверсії метану 56
розділ 10. Розрахунок двоступеневої 68
na-катіонітової установки 68
розділ 11. Розрахунок матеріального балансу синтезу метанолу 73
розділ 12. Розрахунок матеріального балансу синтезу аміаку 82
розділ 13. Розрахунок очищення газу від CO2 розчином моноетаноламіну 89
розділ 14. Аналіз статики іонного обміну однозарядних (рівнозарядних) іонів 109
розділ 15. Аналіз статики іонного обміну різнозарядних іонів 114
розділ 16. Розрахунок очищення газу від оксиду карбону (iv) гарячим розчином поташу 118
Розділ 17. Розрахунок регенерації розчину моноетаноламіну 145
Розрахунки в середовищі mathcad 158
розділ 18. Розрахунок рівноваги оборотних реакцій 158
розділ 19. Розрахунок трубчатого реактора конверсії природного газу 161
розділ 20. Розрахунок рівноваги пароповітряної конверсії метану 166
розділ 21. Розрахунок окиснення 171
оксиду сульфуру (iv) 171
розділ 22. Альтернативний розрахунок матеріального балансу синтезу аміаку 179
розділ 23. Альтернативний розрахунок матеріального балансу синтезу метанолу 185
розділ 24. Розрахунок паро-вуглекислотної конверсії природного газу 191
розділ 25. Розрахунок вуглекислотної рівноваги у водних розчинах 199
розділ 26. Аналіз динаміки іонного обміну однозарядних іонів 210
розділ 27. Термодинамічний та матеріальний розрахунки газифікації вугілля 229
розділ 28. Термодинамічний розрахунок газифікації (конверсії) вуглеводнів 239
РОЗДІЛ 29. Розрахунок концентрацiй iонiв 252
у вапнованiй та коагульованiй воді 252
РОЗДІЛ 30. Аналіз динаміки іонного обміну різнозарядних іонів 261
розділ 31. Термодинамічний розрахунок газифікації рідких палив невідомої формули 266
розділ 32. Розрахунок поличних колон синтезу аміаку 273
Методичні рекомендації до виконання розрахункової роботи 279
Присвячується доценту Жидкову Борису Андрійовичу
ВСТУП
Застосування алгоритмічного підходу до розрахунків хіміко-технологічних систем з використанням обчислювальної техніки, зокрема аналогових обчислювальних машин, на хіміко-технологічному факультеті Київського політехнічного інституту пов’язано з іменами доцентів кафедри технології неорганічних речовин та загальної хімічної технології (ТНР та ЗХТ), кандидатами технічних наук Жидковим Б.А. і Бондар А.Г. і їх підручником: Жидков Б.А., Бондарь А.Г. Алгоритмизация расчетов в химической технологии. Киев: Вища школа, 1970. - 272 с. Бурхливий розвиток обчислювальної техніки обумовил відокремлення від кафедри ТНР та ЗХТ (зав. кафедри проф. Плигунов О.С.) кафедри кібернетики хіміко-технологічних процесів, яку очолила проф. Бондар А.Г.
Застосування цифрових обчислювальних машин (малих за кількістю і великих за розмірами, з обмеженим доступом до них) продовжувалось до середини 80-х років 20 століття, коли почалася ера персональних комп’ютерів (ПК) з мовою програмування Basic - послідовні версії GWBasic, Qbasic, QuickBasic, що були використані доц. Концевим А.Л. і н.с. Костенко О.Б. для комп’ютерізації навчального процесу і обробки даних наукових досліджень. За всебічної підтримки завідувача кафедри ТНР та ЗХТ проф. Астреліна І.М. створена комп’ютерна лабораторія, кількість ПК доведена за 22 роки з 2 до 22, при цьому всі ПК підключені до мережі Інтернет. Доц. Концевим А.Л. впроваджено в навчальний процес з 1998 р. розрахунки в середовищі Excel, з 2002 р. програмування в середовищі Visual basic for applications. З 2002 р. впроваджено в навчальний процес застосування засобів комп’ютерної графіки – послідовно пакетів AutoCad (інж. Банюк К.М.) і КОМПАС (ас. Банюк К.М., н.с. Костенко О.Б.). З 2006 р. розпочато програмування розрахунків в середовищі MathCad (ас. Концевой С.А.).
Запропоновані в навчальному посібнику алгоритми і способи їх реалізації базуються на авторських розробках, що пройшли багаторічну апробацію на кафедрі ТНР та ЗХТ, і не мають аналогів у навчальній літературі.
Даний навчальний посібник призначен активувати застосування студентами персональних комп‘ютерів в навчальному процесі. Необхідність адаптації існуючих і розробки нових алгоритмів сприятиме більш якісному засвоєнню студентами фундаментальних і технологічних аспектів фахових дисциплін спеціальності «Хімічні технології неорганічних речовин». Реалізація алгоритмів вимагатиме від студентів поглиблених знань та вмінь програмування в середовищах Excel і MathCad. Поєднання знань студентів з теоретичних засад і технології, короткі відомості з яких надаються в кожній роботі, та програмування спрямовується на адаптацію, доповнення та створення алгоритмів і програм багатоваріантних розрахунків складних хіміко-технологічних об‘єктів та обробки наукових експериментальних даних з наступним їх використанням при виконанні науково-технічних розрахунків за тематикою дипломних, курсових проектів і робіт та магістерської дисертації.
Особливість запропонованих алгоритмів полягає в тому, що в більшості випадків, на відміну від загально прийнятого підходу, не приводяться результати контрольних розрахунків взагалі або окремих параметрів. Це вимагає від студентів зосередженості при створенні програм і аналізу отриманих результатів з точки зору фізико-хімічних основ і показників технологічного режиму процесу або реакції, що розглядаються.
Комп’ютерізація навчального процесу супроводжується постійними змінами операційних систем, технічного і програмного забезпечення, що вимагає безперервного удосконалення існуючих і розробки нових алгоритмів та програм розрахунків. Маємо надію, що студенти і співробітники кафедри приймуть в цій роботі активну і безпосередню участь.
Розрахунки в середовищі excel Розділ 1. Розрахунок кінетичних параметрів топохімічних реакцій
Процеси термічного розкладання (технології одержання каталізаторів, адсорбентів, мінеральних добрив, абразивів, пігментів, напівпровідників, будівельних матеріалів та ін.) об’єднані своєю топохімічною природою – локалізацією початку реакції на деяких елементах поверхні кристалів та часток твердої речовини і подальшим розвитком реакції на границі розділення двох твердих фаз (початкової та кінцевої).
Закономірності та особливості топохімічних реакцій (локалізованих у просторі) викладено у [1,2]. Швидкість таких реакцій (залежність ступеня перетворення х від часу τ) описується рівнянням Колмогорова-Єрофеєва, яке в інтегральній формі має вигляд (k – константа швидкості):
, (1)
в якому показник степеня n виражається сумою ,
де σ - число елементарних стадій (максимум 3) при перетвореннях зародку в ядро, що активно росте, а залежить від числа напрямків, в яких ростуть ядра. Так, а = 1, якщо ядра ростуть в одному напрямку, а = 2 для двох напрямків росту ядер і а = 3 для трьох напрямків.
В залежності від того, чи росте ядро від точкового центру, лінійної вісі чи від площин, вздовж яких реакція поширюються значно ширше, показник степеню n зменшується до 2 (максимальне n = 6). Він може бути рівним 1, якщо активні центри є в достатній кількості на самому початку реакції, а швидкість їх росту в одному напрямку значно нижча за швидкість росту в двох інших напрямках. В такому випадку топокінетичне рівняння стає ідентичним рівнянню першого порядку. Експериментально визначений показник степені в сильній мірі залежить від величини питомої поверхні, або дисперсності вихідної твердої фази.
Після подвійного логарифмування рівняння (1):
(2)
, (3)
де , .
Мета роботи: розрахунок в середовищі Excel кінетичних параметрів рівняння Колмогорова - Єрофєєва.
Вихідні дані.
Залежність ступеня розкладання перманганату калію х (частки, координатна вісь ) від часу (хв., координатна вісь Х)
№ точки |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
х) |
0,0014 |
0,0028 |
0,0069 |
0,0125 |
0,0166 |
|
10N |
20N |
30N |
40N |
50N |
|
|
|
|
|
|
№ точки |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
х |
0,022 |
0,0305 |
0,0415 |
0,0526 |
0,0706 |
|
60N |
70N |
80N |
90N |
100N |
|
|
|
|
|
|
№ точки |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
х |
0,0941 |
0,1357 |
0,1993 |
0,3073 |
0,4527 |
|
110N |
120N |
130N |
140N |
150N |
|
|
|
|
|
|
№ точки |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
х |
0,6008 |
0,7489 |
0,8569 |
0,9427 |
0,9787 |
|
160N |
170N |
180N |
190N |
200N |
Алгоритм розрахунку:
- побудувати діаграму хза вихідними даними (варіант N дорівнює останній цифрі залікової книжки студента). Нагадаємо, що тут і далі тип діаграми «точечний»;
- побудувати діаграму Y1за рівнянням (3). Кількість прямих відрізків означає кількість дільниць перебігу реакції з різними механізмами (різнимиk та n);
- розбити на 2 прямих відрізки криву Y1: курсор підвести до кривої, натиснути праву клавішу миші, вибрати пункт «Исходные данные», вкладка «Ряд», розбити криву на 2 ряди з відповідними границями;
- апроксимувати кожний відрізок: курсор підвести до відрізку, натиснути праву клавішу миші, вибрати пункт «Добавить линию тренда», вкладка «Тип» – вибрати «линейная», вкладка «Параметры» – відмітити «показать уравнение на диаграмме», «поместить на диаграмму величину достоверности аппроксимации (R^2)». В статистиці R2 – коефіцієнт детермінації, корінь квадратний з якого R дорівнює коефіцієнту кореляції і чим ближче обидва показника до 1, тим краще описує рівняння експериментальні дані;
- порядок n для кожного відрізку графіку Y1дорівнює коефіцієнту перед змінною (тангенс кута нахилу прямої);
- розрахувати значення константи k, що дорівнює ехр(вільний коефіцієнт рівняння апроксимації);
- диференціювати рівняння (1) і одержати рівняння швидкості реакції в диференційній формі .
- розрахувати за отриманим рівнянням швидкість процесу, побудувати діаграму залежності . Визначити координати (х та ) точки з максимальною швидкістю реакції (використати функцію «макс»).
- розрахувати для кожної точки ступінь розкладання х за рівнянням (1) при значеннях отриманих значеннях n і k. Розрахувати відносне відхилення (%) експериментальних і розрахункових значень х. Доповнити діаграму хрозрахунковою залежністю ступеня перетворення від часу. Позначити (легенда) отримані 2 ряди: «дослід» і «розрахунок».