2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

В ходе разработки САПР должны быть решены следующие задачи:

- Построение структурной схемы САПР

- Построение функциональной схемы САПР

- Разработка математической модели трубчатого реактора для получения малеинового ангидрида

- Постановка задачи оптимального проектирования и выбор метода ее решения

- Создание программы, реализующей решение задачи оптимального проектирования

- Разработка подсистемы ввода-вывода

- Разработка подсистемы выбора вспомогательного оборудования

- Разработка подсистемы визуализации

- Разработка подсистемы выбора катализатора

- Разработка подсистемы выбора хладагента

- Разработка подсистемы формирования документации

- Разработка информационно-поисковой подсистемы

3 ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ

Структуру разрабатываемой подсистемы САПР (приложение Б) можно представить в виде совокупности взаимодействующих друг с другом подсистем, каждая из которых выполняет строго определенную функцию.

- Подсистема ввода-вывода.

Диалог с пользователем осуществляется двумя системами: системой
"заполнение бланка", которая служит для ввода необходимой информации и системой "меню", которая предлагает пользователю выбрать необходимый параметр. Пользовательский интерфейс осуществляет программа ввода-вывода.

Подсистема ввода-вывода функционирует на одном компьютере вместе с подсистемой формирования документации, подсистемой визуализации и информационно-поисковой подсистемой.

- Подсистема формирования документации.

Эта подсистема служит для создания технической документации.
Техническая документация разрабатывается с использованием таких программных продуктов как AutoCad 2000 и MicroSoft Office 2000.

- Подсистема визуализации.

Подсистема визуализации необходима для графического отображения полученной информации. Непосредственно визуализацией данных занимается пакет прикладных программ визуализации.

Выбор компьютера для этих подсистем был основан на основе требований пакетов AutoCad, MS Office и операционной системы Windows 2000, которая в свою очередь выбрана из соображений безопасности и устойчивости. Поэтому для функционирования данных подсистем необходимы компьютер Pentium III 600 с винчестером 10 Gb и 128 Мбайт оперативной памяти, монитор SVGA 17”, источник бесперебойного питания Smart-UPS 420, CD-ROM Samsung 52x, мышь
Genius Net Mouse 3x, клавиатура Mitsumi PS/2, принтер LaserJet 2100 и плоттер HP Disign Jet 430c.

- Информационно-поисковая подсистема.

Информационно-поисковая подсистема находится на одном компьютере с подсистемой решения задачи оптимального проектирования.

Эта подсистема предназначена для хранения и извлечения необходимой информации. Для реализации данной подсистемы необходим описанный выше компьютер, применяемый в диалоговой подсистеме.

Работа с базами данных осуществляет система управления базами данных
Borland Interbase 5.0. Программа требует установку на данный компьютер администратора баз данных Borland Interbase 5.0 Server.

СУБД обеспечивает доступ к следующим базам данных:

- БД готовых проектов;

- БД насосов;

- БД фильтров;

- БД катализаторов;

- БД теплоносителей;

В данной СУБД применяются диалог типа "заполнение бланка" . Диалог данного вида применяется для заполнения соответствующей базы данных.

БД хранятся в распространенном формате dBase for Windows.

- Подсистема подбора вспомогательного оборудования.

Работа данной и последующих подсистем происходит на компьютере
Pentium III-600, 10Gb, 128Мb RAM. Для создания подсистем также необходимы: монитор SVGA 15”, источник бесперебойного питания Smart-UPS 420, мышь
Genius Net Mouse 3x, клавиатура Mitsumi PS/2. Выбор данной конфигурации компьютера обуславливается также, как и было описано выше, требованиями операционной системы и программных приложений.

Эта подсистема предназначена для подбора пользователем оптимальных элементов вспомогательного оборудования.

Она реализуется с помощью следующего пакета прикладных программ:

- программа подбора фильтра;

- программа подбора электродвигателя.

В работе подсистемы применяется диалог типа "меню" и типа "заполнение бланка"

- Подсистема выбора теплоносителя.

Данная подсистема необходима для выбора теплоносителя для реактора получения малеинового ангидрида посредством каталитического окисления бензола. Выбор теплоносителя обеспечивает программа выбора теплоносителя.
Математическим обеспечением ей служит алгоритм выбора теплоносителя.
Применяемый диалог с пользователем - диалог типа "меню" и типа "заполнение бланка".

- Подсистема выбора катализатора.

Данная подсистема предназначена для выбора катализатора для трубчатого реактора производства малеинового ангидрида. Это осуществляется с помощью программы выбора катализатора. Эта программа использует алгоритм выбора катализатора. Лингвистическое обеспечение для этой подсистемы служит
- диалог типа "меню" ,а также диалог типа "заполнение бланка".

- Подсистема решения задачи оптимизации.

Данная подсистема реализуется с помощью следующих программ:

- программа для решения математической модели;

- программа для решения задачи оптимизации.

Данные программы написаны на объектно ориентированном языке программирования С++. При работе данная подсистема применяет диалог "вопрос- ответ" для утверждения полученного результата у пользователя и системы
"заполнения бланков" и "меню" для коррекции исходных данных.

В данной подсистеме для решения поставленных задач применяются следующие методы решения: метод конечных разностей, который используется для решения математической модели ; метод Ньютона для систем нелинейных дифференциальных уравнений, который используется для решения задачи оптимального проектирования.

4 ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Функциональная схема САПР представлена в приложении В.

На начальном этапе пользователю предлагается ввести исходные данные с помощью диалога типа "заполнения бланков" (для ввода необходимых данных) и диалога типа меню (для выбора необходимой точности). Эти данные проверяются на корректность. Затем по ним ищется готовый проект, если проект найден, то выводится вся графическая и текстовая документация согласно введенным данным.

В случае, если нет готового проекта для введенных данных, то выполняется поиск и расчет необходимой информации. Этот этап подразделяется на следующие этапы:

1) выбор теплоносителя (на этом этапе подбирается оптимальный теплоноситель);

2) выбор катализатора (здесь подбирается оптимальный катализатор);

3) решение математической модели статики и задачи оптимального проектирования;

4) анализ результатов оптимизации. Если данные приемлемы, то происходит переход на пункт 5, иначе данные корректируются и происходит переход на пункт 1;

5) подбор фильтра (здесь подбирается оптимальный фильтр);

6) подбор насоса (здесь подбирается оптимальный насос);

7) компоновка результатов проектирования;

8) сохранение готового проекта в базе данных готовых проектов;

9) формирование документации;

10) вывод результатов на печатающее устройство.

5 ОБЕСПЕЧЕНИЯ

5.1 Математическое обеспечение

Математическое обеспечение САПР - объединяет в себе математические модели проектируемых объектов, методы и алгоритмы выполнения проектных процедур. Для разработки многотоннажного производства малеинового ангидрида каталитическим окислением бензола целесообразно использовать методы математического моделирования /5,6/.

Математическая модель процесса позволяет определить оптимальные конструктивные и режимные параметры и разработать высокоэффективный промышленный реактор. Кинетическую модель окисления бензола в малеиновый ангидрид можно представить схемой, представленной на рисунке 2:

где Б — бензол; М — малеинивый ангидрид; Q — продукты сгорания: 1, 2 и 3 — маршруты образования продуктов.

Рисунок 2 – Схема кинетического окисления бензола

Скорости образования продуктов определяются из выраженнй:

[pic], (5.1) где w1,w2 и w3 — скорости соответствующих стадий.

При выводе кинетических уравнений принимали дискретную неоднородность поверхности катализатора /7/. Последнюю можно представить состоящей из трех типов активных центров, различающихся энергией связи кислород — катализатор.

В процессе катализа происходят обратимая адсорбция окисляемого соединения на окисленной поверхности, взаимодействие адсорбированной молекулы с поверхностным кислородом и десорбция продукта. Протекание реакции тормозится органическими компонентами газовой фазы вследствие их обратимой адсорбции. Кислородные вакансии быстро заполняются кислородом из газовой фазы, вследствие этого наблюдается нулевой порядок по кислороду. В соответствии с указанными представлениями на основе теории стационарных реакций /8/ были выведены уравнения для расчета скоростей по маршрутам:

[pic], (5.2)

Di=CQ,СM,СБ, (5.3) где i — номер маршрута;

CБ - концентрация соответственно бензола;

СМ — концентрация малеинового ангидрида;

CQ – концентрация продуктов сгорания;

Ai,Bi,Di и Fi — константы скоростей i-гo маршрута.

Экспериментальные данные по скоростям образования продуктов были получены на лабораторном безградиентном мембранном реакторе.

Реактор для получения малеинового ангидрида из бензола представляет собой вертикальный трубчатый аппарат с неподвижным слоем катализатора.
Объем тепла осуществляется расплавом солей, циркулирующим в межтрубном пространстве. При математическом моделировании нужно установить влияние изменения режимных и конструктивных параметров процесса на эффективность работы реактора. Кроме того, необходимо определить структуру математической модели, наиболее точно соответствующую экспериментальным данным, и найти математическую модель (описывающую с достаточной точностью процесс в реакторе), которую можно применить при оптимизации процесса.

На рисунке 3 изображена структурная схема объекта.

C6H6 + O2 C4H2O3 + CO2 + H2O

Рисунок 3 - Структурная схема объекта.

Объект представляет собой «черный ящик», на вход которого подается бензоловоздушная смесь, а на выходе - малеиновый ангидрид в смеси с водой и углекислым газом.

5.1.1 Принятие допущений

- В связи с тем, что длина реактора значительно превышает его диаметр, будем использовать гидродинамическую модель “Идеальное вытеснение”.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11