Microsoft Word - Modelovanje i simulacija procesa - program predmeta.doc

Транскрипт

1 Studijski program Hemijsko inženjerstvo profili: Hemijsko procesno inženjerstvo, Polimerno inženjerstvo, Organska hemijska tehnologija i Neorganska hemijska tehnologija Naziv predmeta Modelovanje i simulacija procesa Nastavnik Nikola Nikačević Status predmeta Obavezan za profil Broj ESPB 5 Uslov Cilj predmeta Ciljevi predmeta su sticanje znanja iz matematičkog modelovanja i povezivanje znanja iz tehnoloških operacija i reaktorskog inženjerstva. Teorijske osnove predmeta će biti obrađene pomoću primera modela osnovnih procesa i uređaja koji se najčešće sreću u hemijskom inženjerstvu. Na osnovu izvedenih primera će biti ilustrovani različiti nivoi matematičkog opisa i različiti pristupi u modelovanju i rešavanju hemijsko inženjerskih problema. Studenti će biti upućeni na savremene računarske metode i upoznaće se sa programskim paketima za modelovanje i simulaciju procesa. Ishod predmeta Nakon odslušanog i položenog ispita, studenti će biti osposobljeni da: 1. Prepoznaju i razumeju primenjeni pristup u modelovanju i nivo detaljnosti matematičkog opisa za odgovarajući hemijsko inženjerski sistem. 2. Postave jednostavne matematičke modele za osnovne procese i uređaje u hemijskom inženjerstvu. 3. Izaberu metod i programski paket za postavljanje i rešavanje postavljenog modela. Sadržaj predmeta Teorijska nastava 1. Svrha i ciljevi matematičkog modelovanja hemijsko inženjerskih sistema i klasifikacija matematičkih modela. 2. Empirijski pristup u modelovanju. 3. Fundamentalni pristup - nivoi matematičkog opisa: mikroskopski mehanizmi hemijske kinetike; mezoskopski opis strujanja na nivou vrtloga, fenomeni prenosa na nivou čestice; makroskopski režimi strujanja i kontakta faza, uređaj, proces, postrojenje; megaskopski integracija sistema, disperzija polutanata, analiza uticaja na životnu sredinu. 4. Dinamički modeli i simulacije, modeli nestacionarnih procesa. 5. Populacioni bilansi i modeli neidealnog proticanja fluida. 6. Stohastički modeli i primena u hemijsko inženjerskim sistemima. Praktična nastava U okviru praktične nastave biće postavljani i rešavani na računaru matematički modeli hemijsko inženjerskih procesa i sistema. Primeri će biti direktno povezani sa teorijom. Modeli će biti rešavani pomoću programskog paketa Matlab i dodatka Simulink. U primerima se variraju parametri i operativni uslovi, te studenti na osnovu grafički prikazanih rezultata sagledavaju mogućnosti i funkcije kompjuterskih simulacija. Studenti će se kroz primere upoznati sa mogućnostima i osnovnim funkcijama simulatora procesa (SuperPro Designer) i CFD simulatora (Comsol Multiphysics). Literatura 1. Materijal sa predavanja i vežbi. 2. A. Gilat, Uvod u Matlab 7 sa primerima, Mikro knjiga, Beograd, 2005 Referentna literatura: 1. B.W. Bequette, Process Dynamics: Modeling, Analysis and Simulation, Prentice Hall, D.M. Himmelblau, K.M. Bischoff: Process Analysis and Simulation, J.Wiley&Sons, W.L. Lyben, Process Modeling, Simulation and Control for Chem. Eng., McGraw Hill,1996 Broj časova aktivne nastave Teorijska nastava 2 Praktična nastava 2 Metode izvođenja nastave Predavanja sa primerima, vežbe u računarskoj laboratoriji, konsultacije. Ocena znanja (maksimalni broj poena 100) Predispitne obaveze Poena Završni ispit Poena Kolokvijumi na računaru (2) 60 Test (teorija) 40 i

2 Program predmeta Modelovanje i simulacija procesa po nedeljama: Ned. Predavanja 1. Uvod Svrha i ciljevi matematičkog modelovanja i simulacija; klasifikacije modela i pristupa 2. Empirijski pristup u modelovanju; teorija sličnosti; verifikacija modela 3. Fundamentalni pristup u modelovanju; nivoi matematičkog opisa; mikroskopski nivo opisa 4. Mezoskopski nivo opisa; osnove CFD modelovanja i simulacija 5. Makroskopski nivo opisa operacije i uređaji 6. Makroskopski nivo opisa analiza sistema; osnove projektovanja procesa i postrojenja 7. Megaskopski nivo opisa; analiza uticaja procesa i proizvoda na životnu sredinu Vežbe u računarskoj laboratoriji Uvod u programski paket Matlab Izvori pribavljanja stručnih informacija i pomoćnih aplikativnih programa na internetu Empirijske korelacije i modeli (primeri u Mikroskopski nivo opisa hemijska kinetika i hemijska ravnoteža (primeri u Mezoskopski nivo opisa fenomeni prenosa i hemijska reakcija (primeri u Mezoskopski nivo opisa CFD simulacije u programskom paketu COMSOL Multiphysics Prvi kolokvijum na računaru (Matlab) 8. Dinamički modeli; nestacionarni procesi Makroskopski nivo opisa operacije i uređaji (primeri u 9. Rešavanje dinamičkih modela; osnove upravljanja procesima Makroskopski nivo opisa projektovanje procesa u simulatoru SuperPro Designer 10. Populacioni bilansi; funkcije raspodele starosti i vremena boravka fluida u sudu 11. Modeli neidealnog proticanja fluida; modeli mikromešanja Makroskopski nivo opisa projektovanje procesa u simulatoru SuperPro Designer nastavak projektnog zadatka Dinamički modeli u vremenskom i Laplace-ovom domenu (primeri u 12. Stohastički pristup u modelovanju Rešavanje dinamičkih i populacionih modela pomoću blok dijagrama u Simulink-u 13. Primena Monte Carlo metode u modelovanju stohastičkih procesa Stohastički modeli procesa primena Monte Carlo metode (primeri u 14. Priprema za polaganje ispita Drugi kolokvijum na računaru (Matlab) ii

3 Program predmeta Modelovanje i simulacija procesa sadržaj tematskih jedinica na predavanjima i vežbama PREDAVANJA 1. Uvod Svrha i ciljevi matematičkog modelovanja i simulacija; klasifikacije modela i pristupa Pojam modela, Fizički i matematički model, Pretpostavke modela, Matematička određenost, Rešavanje modela, Tačnost modela i uzroci greški, Ciljevi modelovanja, Primeri upotrebe matematičkih modela, Osnovne operacije i uređaji u hemijskoj industriji, Pristupi u matematičkom modelovanju, Klasifikacija modela, Postupak izgradnje modela. 2. Empirijski pristup u modelovanju; teorija sličnosti; verifikacija modela Prednosti i nedostaci empirijskog pristupa, Primeri upotrebe empirijskih modela, Eksperimentalna identifikacija procesa, Teorija sličnosti i kriterijumi sličnosti, Dimenziona analiza, Primer Odredjivanje bezdimenzionih grupa za kriterijalnu jednačinu pri konvektivnom prenosu toplote u cevi, Bezdimenzione grupe, Empirijske korelacije, Linearna i nelinearna regresija, Eksperimentalna verifikacija modela. 3. Fundamentalni pristup u modelovanju; nivoi matematičkog opisa; mikroskopski nivo opisa Prednosti i nedostaci fundamentalnog / determinističkog pristupa, Primeri upotrebe fundamentalnih modela, Opšti oblici bilansa, Nivoi matematičkog opisa, Mikroskopski nivo opisa, Hemijska kinetika, Brzina hemijske reakcije i mehanizam reakcije, Pretpostavka o pseudo-stacionarnom stanju (PSS), Primer izraz za brzinu date reakcije pojednostavljen na osnovu PSS, Pretpostavka o limitirajućem koraku brzine (LKB), Primer izraz za brzinu date reakcije pojednostavljen na osnovu LKB, Limitirajući korak brzine analogija sa međufaznim prenosom mase, Osnovni pojmovi molekulske dinamike (MD). 4. Mezoskopski nivo opisa; osnove CFD modelovanja i simulacija Karakteristike i primeri upotrebe mezoskopskog nivoa opisa, Bilansi materije, energije i količine kretanja u višedimenzionom prostornom sistemu, Granični uslovi, Osnovne karakteristike turbulentnog strujanja, Metode za rešavanje parcijalnih diferencijalnih jednačina diskretizacija, Uvod u kompjuterski simuliranu dinamiku fluida CFD, CFD programski paketi, Primeri upotrebe CFD simulacija, Faze u CFD modelovanju i simulaciji, Primer CFD modelovanje i simulacija prečišćavanja gasa u monolitnom reaktoru pomoću programskog paketa Comsol Multiphysics. 5. Makroskopski nivo opisa operacije i uređaji Karakteristike i primeri upotrebe makroskopskog nivoa opisa, Redukcije materijalnih i energetskih bilansa za makroskopski opis, Najčešće korišćeni granični uslovi za različite bilanse, Primer model idealnog cevnog reaktora za povratnu egzotermnu reakciju, profili konverzije i temperature pri adijabatskoj operaciji, količina toplote koji treba odvoditi po segmentima za izotermnu operaciju, Modeli procesa u više uređaja, Primer model reaktorskog sistema od tri izotermna reaktora sa idealnim mešanjem i reciklom: određivanje zapremina reaktora za zadate konverzije i određivanje konverzija za zadate zapremine. 6. Makroskopski nivo opisa analiza sistema; osnove projektovanja procesa i postrojenja Industrijski hemijski proces i makroskopski model celokupnog procesa, Osnovni pojmovi i ciljevi analize sistema, Metode sistemske analize, Dekompozicija sistema, Grafička analiza sistema, Procesne šeme, Elementi procesnih šema uređaji i simboli, Projektovanje procesa pomoću programskih paketa, Simulatori stacionarnih procesa, Kratko poređenje simulatora Aspen Plus, Design II i SuperPro Designer, Simulatori faze u modelovanju i simulaciji, Primer projektovanje procesa prečišćavanja gasa iz toplane u procesu sa elektrostatičkim precipitatorom i apsorpcionom kolonom pomoću programa SuperPro Designer. iii

4 7. Megaskopski nivo opisa; analiza uticaja procesa i proizvoda na životnu sredinu Karakteristike i primeri upotrebe megaskopskog nivoa opisa, Programski paketi za planiranje proizvodnje i planiranje lanca nabavke, Životni ciklus proizvoda i softveri za analzu, Primer WAR algoritam za predviđanje uticaja na životnu sredinu i poboljšanje procesa procesa proizvodnje u cilju smanjenja negativnih uticaja, Analiza uticaja procesa na životnu sredinu i softver Envigo, Analiza disperzije polutanata u životnu sredinu, Primeri simulacija disperzije gasova i tečnosti u okolinu. 8. Dinamički modeli; nestacionarni procesi Dinamičko ponašanje sistema, Upotreba dinamičkih modela, Linearnost i nelinearnost modela, Primer dinamički model neizotermnog reaktora sa idealnim mešanjem i omotačem: pojava višestrukih stacionarnih stanja i dinamička analiza pri promeni ulaznih veličina, Stabilnost sistema, Nestacionarni procesi, Primer model nestacinarnog procesa adsorpcije / desorpcije organskih polutanata (VOCs) u koloni sa nepokretnim slojem adsorbensa: bezdimenzione jednačine modela i kriva proboja, Kvazi-kontinualni sistemi. 9. Rešavanje dinamičkih modela; osnove upravljanja procesima Metode za rešavanje linearnih dinamičkih modela, Model u prostoru stanja, Laplace-ova transformacija i prenosna funkcija, Primer model u prostoru stanja i prenosne funkcije za dinamičku analizu izotermnog reaktora sa mešanjem i složenom, uzastopnom hemijskom reakcijom, Grafičko rešavanje dinamičkih modela blok dijagrami, Primer blok dijagram sistema sa dva izotermna reaktora sa idealnim mešanjem i reciklom: odziv sistema na sinusnu promenu ulazne koncentracije, Upotreba dinamičkih modela u upravljanju procesima, Osnovna konfiguracija automatskog upravljanja negativna povratna sprega, Programski paketi za dinamičke simulacije procesa. 10. Populacioni bilansi; funkcije raspodele starosti i vremena boravka fluida u sudu Bilansi populacije pristup u modelovanju, Primena populacionih bilansa u hemijskom inženjerstvu opis realnog kretanja, Funkcije raspodela: starosti fluida koji napušta sud (E), vremena zadržavanja (F), unutrašnje starosti (I), Srednje vreme zadržavanja i srednja starost, Momenti i varijansa, Funkcija intenziteta, Funkcije raspodele za idealna proticanja, Krive raspodele za različite tipove proticanja, Eksperimentalno određivanje krivih raspodele stepenasta i impulsna pobuda i odziv, Eksperimenti sa obeleženom supstancom uslovi, Interpretacija odzivnih krivih određivanje realnog modela strujanja, Primena Laplace-ove transformacije, Primer E funkcija određena u Lapace-ovom domenu za sistem od: dva paralelna suda sa mešanjem i dva redno vezana suda sa mešanjem. 11. Modeli neidealnog proticanja fluida; modeli mikromešanja Makroskopski modeli realnog proticanja, Segmentni modeli, Primer E kriva za realan model proticanja sa sudom sa mešanjem, prespajanjem i mrtvom zonom, Primer E kriva za realan model sa dva elementa sa mešanjem i reciklom, Kaskadni model, Disperzioni modeli, Model aksijalne disperzije (AD), Model aksijalne disperzije i razmene mase (ADM), Metode za određivanje parametara modela funkcije cilja, Modeli mikromešanja, Model segregatnog toka, Model maksimalne izmešanosti, Modeli mikromešanja za idealna proticanja. 12. Stohastički pristup u modelovanju Karakteristike i primene stohastičkog pristupa, Kontinualne i diskretne promenjive, Slučajna veličina i stohastički procesi, Raspodela verovatnoće i gustina raspodele, Primer srednja vrednost i varijansa rezultata ispita, Autokorelaciona i uzajamna korelaciona funkcija, Stacionarnost i ergodičnost stohastičkih procesa, Markov-ljev lanac i slučajno kretanje, Modelovanje diskretnih raspodela, Primer verovatnoća pojave neispravnog proizvoda, Modelovanje kontinualnih raspodela, Primer normalna raspodela greške merenja gustine smeše. 13. Primena Monte Carlo metode u modelovanju stohastičkih procesa iv

5 Princip i svojstva i Monte Carlo metode (MC), Opšti algoritam MC metode, Oblasti primene Monte Carlo metode, Primeri Monte Carlo simulacije u progamu NetLogo: kinetika enzimske reakcije; stanje gasa u sudu pri kretanju klipa; aglomeracija čestica pri difuznom kretanju; mašina za generisanje talasa; efekat staklene bašte i klimatske promene. VEŽBE NA RAČUNARU Uvod u programski paket Matlab Mogućnosti, osnovna struktura i primena Matlab-a, Pokretanje programa i osnovne operacije, Matrice i operacije sa matricama, Vektori, polinomi i operacije sa polinomima, Rešavanje sistema linearnih jednačina, Kreiranje grafika funkcije. 1. Izvori pribavljanja stručnih informacija i pomoćnih aplikativnih programa na internetu Internet strane nekih značajnih udruženja hemijskih inženjera, Internet strane nekih pretraživača naučnih časopisa i članaka, Izabrane baze fizičkih, hemijskih i termodinamičkih podataka na internetu, Neki od aplikativnih programa za jednostavne inženjerske i hemijske proračune i konverzije jedinica sa interneta. 2. Empirijske korelacije i modeli Primer 2.1: Konstruisanje kalibracione krive za merenje sastava pomoću konduktometra (linearna i polinomalna zavisnost), Primer 2.2: Korelisanje rastvorljivosti amonijaka u vodi za različite pritiske i temperature (linearna regresija).primer 2.3 (za samostalan rad): Formiranje empirijske korelacije za predviđanje sadržaja tečnosti u trofaznim reaktorima gas-tečno-nepokretni sloj (nelinearna regresija), 3. Mikroskopski nivo opisa hemijska kinetika i hemijska ravnoteža Primer 3.1: Određivanje izraza za brzinu biohemijske reakcije na osnovu eksperimenata (linearizacija i linearna regresija), Primer 3.2: Mehanizam hemijske reakcije poređenje koncentracionih profila dobijenih po složenijem i jednostavnijem modelu (sistem običnih diferencijalnih jednačina), Primer 3.3 (za samostalan rad): Izračunavanje ravnotežne konverzije hemijske reakcije pod različitim uslovima temperature i pritiska (nelinearna jednačina). 4. Mezoskopski nivo opisa fenomeni prenosa i hemijska reakcija Primer 4.1: Intenzifikacija prenosa mase u mikroreaktoru za heterogenu hemijsku reakciju gas čvrsti katalizator (kvadratna jednačina), Primer 4.2: Određivanje brzine taloženja i puta koji pređe čestica pri suprotnostrujnim kretanjem gasa (sistem običnih diferencijalnih jednačina), Primer 4.3 (za samostalan rad): Izračunavanje toplotnih gubitaka za (ne)izolovanu cev pri toku toplog fluida i određivanje efektivne debljine izolacije (minimum i nula funkcije, interpolacija). 5. Mezoskopski nivo opisa CFD simulacije u programskom paketu Comsol Multiphysics Audio-vizuelni uvodni primer iz tutoriala Comsol Multiphysics sa interneta, Primer 5.1: Određivanje 2D profila temperature i brzine fluida u omotaču cevastog razmenjivača toplote (simulacija pomoću CFD programa). 6. Makroskopski nivo opisa operacije i uređaji Primer 6.1: Određivanje profila konverzije i temperature u idealnom cevnom reaktoru sa egzotermnom povratnom reakcijom (obične diferencijalne jednačine), Primer 6.2: Određivanje zapremina izotermnih reaktora sa idealnim mešanjem u nizu sa reciklom (sistem nelinearnih jednačina), Primer 6.3 (za samostalan rad): Izračunavanje visine suprotnostrujne kolone sa pakovanim slojem za apsorpciju gasne komponente (numerička integracija). v

6 7. Makroskopski nivo opisa projektovanje procesa u simulatoru SuperPro Designer Primer 7.1: Projektovanje sistema za prečišćavanje industrijske otpadne vode sa aeratorom sa mešanjem, sekundarnim taložnikom i reciklom mikroflore (simulacija u programskom paketu SuperPro Designer) dva termina. 8. Dinamički modeli u vremenskom i Laplace-ovom domenu Primer 8.1: Određivanje stacionarnih stanja i dinamička analiza neizotermnog reaktora sa idealnim mešanjem i omotačem (nelinearne algebarske i obične diferencijalne jednačine), Primer 8.2: Dinamička analiza linearizovanog modela reaktora sa mešanjem u kome se odvija složena izotermna reakcija (model u prostoru stanja, Control System Toolbox). Primer 8.3 (za samostalan rad): Dinamički model i simulacija polušaržnog reaktora za paralelnu reakciju u tečnoj fazi (sistem nelinearnih običnih diferencijalnih jednačina). 9. Rešavanje dinamičkih i populacionih modela pomoću blok dijagrama u Simulinku Primer 9.1: Određivanje vremenskih odziva na sinusnu promenu ulaza za sistem od dva reaktora sa reciklom (blok dijagram u Simulink-u), Primer 9.2: Definisanje slike neidealnog proticanja u trofaznom sistemu gas tečno čvrsto pomoću segmentnog modela (blok dijagram u Simulink-u), Primer 9.3 (za samostalan rad): Neidealno mešanje u protočnom reaktoru sa mešanjem u kome se javlja prespajanje toka i stagnantna zona (blok dijagram u Simulink-u). 10. Stohastički modeli procesa primena Monte Carlo metode vi