Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Муромский институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования

 «Владимирский государственный университет

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

(МИ ВлГУ)

 

Кафедра  ТБ 

 

 

 

«   04   »       06       2019 г.

 

 

 

 

Рабочая программа ДИСЦИПЛИНЫ

 

     Моделирование химико-технологических процессов     

 




Направление подготовки

18.03.01 Химическая технология

Профиль подготовки

Химическая технология неорганических веществ

Квалификация (степень)выпускника

Бакалавр








          

Семестр

Трудоем-кость,

час. / зач. ед.

Лек-ции,

час.

 

Практи-ческие занятия,

час.

Лабора-торные работы,

час.

Консуль-тация,

час.

Конт-роль,

час.

Всего (контак-тная работа),

час.

СРС,

час.

Форма

промежу-точного контр.

(экз., зач., зач. с оц.)

5

72 / 2  

16  

 

32  

1,6  

0,25  

49,85  

22,15  

Зач.  

6

108 / 3  

16  

16  

 

1,6  

2,25  

35,85  

72,15  

Зач. с оц.  

Итого

180 / 5  

32  

16  

32  

3,2  

2,5  

85,7  

94,3  

 

 

Муром, 2019 г.


1. Цель освоения дисциплины

Цель дисциплины: Цель дисциплины: ознакомление студентов с методами и средствами моделирования химико-технологических процессов, включающими в себя: методы анализа сложных систем и процессов; основные принципы и этапы создания моделей и моделирования сложных систем; типовые математическими схемами моделирования; вопросы использования ЭВМ и информационных технологий при анализе и моделировании процессов.

Задачи дисциплины: приобретение навыков разработки моделей разнообразных химико-технологических процессов, оценке адекватности и точности, созданных моделей; реализации экспериментов с моделями; методами и средствами компьютерного моделирования.

2. Место дисциплины в структуре ОПОП ВО (Цикл (Б1.О.28))

Дисциплина «Моделирование химико-технологических процессов» базируется на знаниях, полученных студентами в области естественно-научных дисциплин: математика, физика, общая и неорганическая химия, экология, органическая химия. Применение знаний, умений и навыков, осваиваемых студентами в данном курсе, будет осуществляться во время изучения дисциплин специализации, а также при написании выпускных квалификационных работ бакалавров.

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ОПК-2 Способен использовать математические, физические, физико-химические, химические методы для решения задач профессиональной деятельности.

 

Результатом освоения дисциплины является достижение следующих индикаторов:

знать основы моделирования химико-технологических процессов.

уметь применять теоретические и полуэмпирические модели при решении практических задач.

владеть методами моделирования химико-технологических процессов.

 


4. Структура и содержание дисциплины

Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц, 180 часов.

 

4.1. Форма обучения: очная

Уровень базового образования: среднее общее.

Срок обучения 4г.

 

4.1.1. Структура дисциплины


 

Раздел (тема)

дисциплины

 

Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость

(в часах)

 

Форма  текущего контроля успеваемости (по неделям семестра), форма промежуточной аттестации

  (по семестрам)

 

п\п

Семестр

Лекции

Семинары

Практические занятия

Лабораторные работы

Контрольные работы

СРС

КП / КР

Консультация

Контроль

1

Моделирование – как метод научного познания

5

2

22,15

тестирование

2

Методологические основы построения математических моделей процессов химической технологии

5

14

32

0

тестирование

Всего за  семестр

72

16

32

22,15

1,6

0,25

Зач.

3

Методологические основы построения математических моделей процессов химической технологии

6

16

16

72,15

тестирование

Всего за  семестр

108

16

16

72,15

+

1,6

2,25

Зач. с оц.

Итого   

180

32

16

32

94,3

3,2

2,5

 

4.1.2. Содержание дисциплины

4.1.2.1. Перечень лекций

Семестр 5

Раздел 1. Моделирование – как метод научного познания

Лекция 1.

Модели и моделирование. Сущность и цели математического моделирования объектов химической технологии (2 часа).

Раздел 2. Методологические основы построения математических моделей процессов химической технологии

Лекция 2.

Химико-технологический процесс как система. Основы моделирования ХТП (2 часа).

Лекция 3.

Алгоритмизация математических моделей. Методы и средства компьютерного моделирования. Принципы компьютерного моделирования ХТП. Численные методы компьютерного моделирования ХТП (2 часа).

Лекция 4.

Разработка стохастических моделей химико-технологических процессов. Случайные события и величины. Статистические оценки и проверка гипотез. Метод наименьших квадратов (2 часа).

Лекция 5.

Эмпирические модели. Планирование экспериментов. Обработка результатов экспериментальных данных (2 часа).

Лекция 6.

Методы оценки адекватности математических моделей. Статистическая оценка числовых характеристик случайных процессов. Параметрическая идентификация моделей. Проверка адекватности модели (2 часа).

Лекция 7.

Математические модели нестационарных процессов. Параметрическая чувствительность и устойчивость процессов (2 часа).

Лекция 8.

Методы оптимизации в химической технологии. Постановка задачи оптимизации. Метод дифференциальных исчислений. Численные методы оптимизации (2 часа).

Семестр 6

Раздел 3. Методологические основы построения математических моделей процессов химической технологии

Лекция 9.

Модели кинетики химических процессов. Стехиометрия и равновесие химических реакций. Формальная химическая кинетика. Основные принципы построения кинетических моделей. Кинетические модели стационарных реакций (2 часа).

Лекция 10.

Математические модели структуры потоков в аппаратах. Анализ и описание процессов в потоке. Методы исследования структуры потоков. Потоки в аппаратах непрерывного действия. Модели идеальных и неидеальных потоков (2 часа).

Лекция 11.

Явления переноса в химико-технологических процессах. Механизмы переноса. Тепловые явления. Внешнедиффузное и внутридиффузное торможение. Процессы с межфазовым массообменом (2 часа).

Лекция 12.

Модели гидродинамики аппаратов в химико-технологических процессах. Моделирование гидромеханических процессов. Модели движения частиц в жидкости и газе (2 часа).

Лекция 13.

Моделирование теплообменных процессов. Конвективный теплообмен. Моделирование работы рекуперативных теплообменных аппаратов. Оптимизация процессов и аппаратов теплообмена (2 часа).

Лекция 14.

Основные уравнения тепловых процессов. Исследование процессов аналитическими и численными методами (2 часа).

Лекция 15.

Моделирование массообменных процессов. Детерминированный и стохастический подходы к описанию массопередачи. Описание равновесий и массоперадачи в системах жидкость-газ и жидкость-жидкость. Ректификация многокомпонентных смесей. Механизм переноса вещества и законы диффузии, основы кинетики процесса массопередачи (2 часа).

Лекция 16.

Моделирование гомогенных химических реакторов. Структурный анализ процессов, протекающих в реакторе, выделение микро- и макроуровней. Математические модели реакторов с учётом явлений диффузии. Модели кинетики гетерогенных химических реакций. Основные понятия химической кинетики в гетерогенном катализе. Элементы теории сложных реакций (2 часа).

 

4.1.2.2. Перечень практических занятий

Семестр 6

Раздел 1. Методологические основы построения математических моделей процессов химической технологии

Практическое занятие 1.

Определение параметров протекания химической реакции (2 часа).

Практическое занятие 2.

Разработка стохастической модели в форме уравнения регрессии в активном-пассивном эксперименте (2 часа).

Практическое занятие 3.

Планирование эксперимента (2 часа).

Практическое занятие 4.

Оптимизация темпиратурного режима в реакторе идеального вытеснения (2 часа).

Практическое занятие 5.

Определение гидродинамического режима реактора на основе дифференциальной функции распределения времени пребывания (2 часа).

Практическое занятие 6.

Оптимизация химического процесса. Выбор оптимального штамма (2 часа).

Практическое занятие 7.

Анализ параметрической чувствительности химических реакторов (2 часа).

Практическое занятие 8.

Расчет материального баланса процесса синтеза хлористого этила (2 часа).

 

Методические указания к практическим работам приведены на сайте информационно-образовательного портала МИ ВлГУ

https://www.mivlgu.ru/iop/course/view.php?id=175#section-2

 

4.1.2.3. Перечень лабораторных работ

Семестр 5

Раздел 1. Методологические основы построения математических моделей процессов химической технологии

Лабораторная 1.

Моделирование баланса по стадиям производства ХТП (4 часа).

Лабораторная 2.

Математическое моделирование гидродинамической структуры потоков (4 часа).

Лабораторная 3.

Математическое моделирование теплообменных процессов (4 часа).

Лабораторная 4.

Математическое моделирование массообменных процессов (4 часа).

Лабораторная 5.

Математическое моделирование кинетики химических реакций (4 часа).

Лабораторная 6.

Математичекое моделирование химических реакторов (4 часа).

Лабораторная 7.

Идентификация параметров эмпирических зависимостей химиеских реакций (4 часа).

Лабораторная 8.

Анализ и синтез эмпирических моделей ХТП (4 часа).

 

Методические указания к лабораторным работам приведены на сайте информационно-образовательного портала МИ ВлГУ

https://www.mivlgu.ru/iop/course/view.php?id=175#section-3

 

4.1.2.4. Перечень учебно-методического обеспечения для самостоятельной работы

Методические указания для самостоятельной работы размещены на информационно-образовательном портале института по ссылке https://www.mivlgu.ru/iop/course/view.php?id=5058.

Для самостоятельной работы также используются издания из списка приведенной ниже основной и дополнительной литературы.

Перечень тем, вынесенных на самостоятельное изучение:

1. Программное средство математического моделирования MathCad.

2. Математическое моделирование ХТП на основе решения нелинейных алгебраических уравнений и систем.

3. Основы математического моделирования ХТП с помощью решения дифференциальных уравнений.

4. Обработка эксперимента и статистическое моделирование в химической технологии.

5. Символьные вычисления в химической технологиии.

6. Использование средств программирования при моделировании ХТП.

7. Основы оптимизации ХТП в системе MathCad.

8. Программные средства математического моделирования ХТП.

9. Экспериментальные методы исследования кинетики химических реакций в проточных реакторах идеального вытеснения и идеального перемешивания. Кинетические модели гомогенных химических реакций. Методы численной реализации.

10. Процессы переноса вещества и тепла, основные законы диффузии и массопередачи. Диффузионные модели, комбинированные гидродинамические модели. Адекватность моделей структуры потоков.

11. Модель периодического осаждения суспензий. Модель непрерывного осаждения.

12. Исследование стационарного режима работы теплообменного аппарата при постоянной температуре греющего пара. Моделирование процесса нагрева в трубчатой печи. Моделирование процессов сушки.

13. Моделирование и расчет диффузионных аппаратов. Расчет процессов разделения в газовых сепараторах на основе методики однократного испарения. Физико-химические основы, принципы расчета и модели процессов ректификации, адсорбции, абсорбции. Экстракция в системе жидкость – жидкость. Массовая кристаллизация из растворов.

14. Уравнения теплового баланса гомогенных химических реакторов. Сравнение различных типов химических реакторов. Моделирование процесса пиролиза лёгкого углеводородного сырья.

15. Понятия идеального и реального адсорбированного слоя. Методы построения кинетических моделей гетерогенных химических реакций: метод Лэнгмюра, метод стационарных концентраций, метод графов.

16. Моделирование контактно-каталитических реакторов. Конструкции химических реакторов с неподвижным слоем катализатора. Квазигомогенные модели каталитических химических процессов, модели идеального вытеснения, модели с учётом явлений переноса по радиусу контактной трубки, двухфазные гетерогенные модели. Моделирование промышленных каталитических процессов.

 

4.1.2.5. Перечень тем контрольных работ, рефератов, ТР, РГР, РПР

Не планируется.

 

4.1.2.6. Примерный перечень тем курсовых работ (проектов)

1. Компьютерное моделирование синтетических полимеров.

2. Моделирование химических соединений с заданными свойствами.

3. Моделирование молекулярной структуры химических элементов и комплексов методами квантовой химии.

4. Компьютерное моделирование химических реакций.

5. Моделирование структуры и свойств химических соединений методами Монте-Карло и молекулярной динамики.

6. Численное решение уравнений химико-технологических процессов .

7. Оптимизация химических процессов.

8. Моделирование кинетики реакции коксования из нефтяного сырья (гудрон 1).

9. Моделирование кинетики коксования из нефтяного сырья (гудрон 2).

10. Моделирование кинетики реакции коксования из нефтяного сырья (ближневосточная нефть).

11. Моделирование кинетики реакции коксования из нефтяного сырья (тяжелый газойль каталитического крекинга).

12. Моделирование кинетики пиролиза пропана.

13. Моделирование кинетики реакции алкилирования бензола пропиленом.

14. Моделирование кинетики реакции каталитического окисления пропилена.

15. Моделирование кинетики реакции каталитического окисления бензола в малеиновый ангидрид.

16. Моделирование кинетики реакции термического разложения этана.

17. Моделирование кинетики реакции термического разложения метана.

18. Моделирование кинетики реакции каталитического окисление о-ксилола.

19. Моделирование кинетики реакции окислительного аммонолиза о-ксилола.

20. Моделирование кинетики окисления н-бутена.

21. Моделирование кинетики реакции жидкофазного каталитического окисления нафталина.

22. Моделирование кинетики реакции жидкофазного каталитического окисления п-ксилола.

23. Моделирование кинетики реакции полимеризации этилена при средних давлениях с инициатором.

24. Моделирование кинетики реакции полимеризации этилена при средних давлениях на твердых катализаторах.

25. Моделирование кинетики реакции инициированного окисления полиэтилена.

26. Моделирование кинетики реакции инициированного окисления полипропилена.

27. Моделирование кинетики реакции инициированного окисления сополимера пропилена с этиленом.

 

Методические указания к курсовой работе приведены на сайте информационно-образовательного портала МИ ВлГУ

https://www.mivlgu.ru/iop/course/view.php?id=175#section-4

 

 

5. Образовательные технологии

Использование проблемно-ориентированного междисциплинарного подхода к изучению дисциплины предусматривает комплексное освоение методов моделирования химико-технологических процессов. Системная методология решения проблемно-ориентированных прикладных задач обеспечивает качество и полноту подготовки специалистов в области химических технологий.

Для реализации познавательной и творческой активности студента в учебном процессе используются современные образовательные технологии, дающие возможность повышать качество образования, более эффективно использовать учебное время и снижать долю репродуктивной деятельности студентов. В вузе представлен широкий спектр образовательных педагогических технологий, которые применяются в учебном процессе:

проблемное обучение - создание в учебной деятельности проблемных ситуаций и организация активной самостоятельной деятельности учащихся по их разрешению, в результате чего происходит творческое овладение знаниями, умениями, навыками, развиваются мыслительные способности;

разноуровневое обучение - у преподавателя появляется возможность помогать слабому, уделять внимание сильному, реализуется желание сильных студентов быстрее и глубже продвигаться в образовании. Сильные студенты утверждаются в своих способностях, слабые получают возможность испытывать учебный успех, повышается уровень мотивации ученья;

исследовательские методы в обучении - дают возможность студентам самостоятельно пополнять свои знания, глубоко вникать в изучаемую проблему и предполагать пути ее решения, что важно при формировании мировоззрения;

лекционно-семинарско-зачетная система - дает возможность сконцентрировать материал в блоки и преподносить его как единое целое, а контроль проводить по предварительной подготовке студентов;

информационно-коммуникационные технологии - изменение и неограниченное обогащение содержания образования, использование интегрированных курсов, доступ в интернет;

здоровьесберегающие технологии - использование данных технологий позволяют равномерно во время занятия распределять различные виды заданий, определять время подачи сложного учебного материала, выделять время на проведение самостоятельных работ, что дает положительные результаты в обучении.

 

6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.

Фонды оценочных средств приведены в приложении.

 

7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины Моделирование химико-технологических процессов

7.1. Основная учебно-методическая литература по дисциплине

1. Романков, П. Г. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи) : учебное пособие для вузов / П. Г. Романков, В. Ф. Фролов, О. М. Флисюк. — 5-е изд. — Санкт-Петербург : ХИМИЗДАТ, 2020. — 544 c. - http://www.iprbookshop.ru/97815

2. Журавлева, Т. Ю. Практикум по дисциплине «Имитационное моделирование» / Т. Ю. Журавлева. — Саратов : Вузовское образование, 2015. — 35 c. - http://www.iprbookshop.ru/27380

3. Решмин, Б. И. Имитационное моделирование и системы управления / Б. И. Решмин. — Москва : Инфра-Инженерия, 2016. — 74 c. - http://www.iprbookshop.ru/51719

4. Шимова, Ю. С. Моделирование химико-технологических процессов : учебное пособие / Ю. С. Шимова, Н. Ю. Демиденко, Е. В. Лис. — Красноярск : Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева, 2021. — 94 c. - https://www.iprbookshop.ru/116642

5. Жукова, И. Ю. Моделирование химико-технологических процессов : учебно-методическое пособие / И. Ю. Жукова, Л. А. Дегтярь, В. В. Демьян. — Ростов-на-Дону : Донской государственный технический университет, 2019. — 49 c. - https://www.iprbookshop.ru/117721

 

7.2. Дополнительная учебно-методическая литература по дисциплине

1. Воробьев, Е. С. Моделирование химико-технологических процессов. В 2 частях. Ч.1. Статистические расчеты и обработка эксперимента. Реализация решений в среде Microsoft Excel : учебное пособие / Е. С. Воробьев, Э. А. Каралин, Ф. И. Воробьева. — Казань : Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2019. — 104 c. - https://www.iprbookshop.ru/100562

2. Воробьев, Е. С. Моделирование химико-технологических процессов. В 2 частях. Ч.2. Планирование оптимального эксперимента, реализация решений в среде Microsoft Excel : учебное пособие / Е. С. Воробьев, Э. А. Каралин, Ф. И. Воробьева. — Казань : Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2019. — 104 c. - https://www.iprbookshop.ru/109559

3. Евдокимов, А. Н. Моделирование химико-технологических процессов (экспериментально-статистические модели) : учебное пособие / А. Н. Евдокимов, А. В. Курзин. — Санкт-Петербург : Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна, 2018. — 106 c. - https://www.iprbookshop.ru/102527

4. Журнал "Математическое моделирование" - http://www.mathnet.ru/

5. Журнал "Энциклопедия инженера-химика" - http://www.nait.ru/journals/index.php?p_journal_id=16

 

7.3. Перечень информационных технологий, используемых при осуществлении образовательного процесса по дисциплине, включая перечень программного обеспечения и информационных справочных систем

В образовательном процессе используются информационные технологии, реализованные на основе информационно-образовательного портала института (www.mivlgu.ru/iop), и инфокоммуникационной сети института:

- предоставление учебно-методических материалов в электроном виде;

- взаимодействие участников образовательного процесса через локальную сеть института и Интернет;

- предоставление сведений о результатах учебной деятельности в электронном личном кабинете обучающегося.

Информационные справочные системы:

Информационно-образовательный портал "Российское образование" www.edu.ru

Сайт о химии для химиков http://www.xumuk.ru/

Химический каталог http://ximicat.com/

Программное обеспечение:

не предусмотрено

 

7.4. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», необходимых для освоения дисциплины

iprbookshop.ru

mathnet.ru

nait.ru

 

8. Описание материально-технической базы, необходимой для осуществления образовательного процесса по дисциплине

 

9. Методические указания по освоению дисциплины

Для успешного освоения теоретического материала обучающийся: знакомится со списком рекомендуемой основной и дополнительной литературы; уточняет у преподавателя, каким дополнительным пособиям следует отдать предпочтение; ведет конспект лекций и прорабатывает лекционный материал, пользуясь как конспектом, так и учебными пособиями.

На практических занятиях пройденный теоретический материал подкрепляется решением задач по основным темам дисциплины. Занятия проводятся в лекционной аудитории с использованием наглядных учебно-методических материалов. В конце занятия обучающие демонстрируют полученные результаты преподавателю и при необходимости делают работу над ошибками.

До выполнения лабораторных работ обучающийся изучает соответствующий раздел теории. Перед занятием студент знакомится с описанием заданий для выполнения работы, внимательно изучает содержание и порядок проведения лабораторной работы. Лабораторная работа проводятся в компьютерном классе. Обучающиеся выполняют индивидуальную задачу компьютерного моделирования в соответствии с заданием на лабораторную работу. Полученные результаты исследований сводятся в отчет и защищаются по традиционной методике в классе на следующем лабораторном занятии. Необходимый теоретический материал, индивидуальное задание, шаги выполнения лабораторной работы и требование к отчету приведены в методических указаниях, размещенных на информационно-образовательном портале института.

Самостоятельная работа оказывает важное влияние на формирование личности будущего специалиста, она планируется обучающимся самостоятельно. Каждый обучающийся самостоятельно определяет режим своей работы и меру труда, затрачиваемого на овладение учебным содержанием дисциплины. Он выполняет внеаудиторную работу и изучение разделов, выносимых на самостоятельную работу, по личному индивидуальному плану, в зависимости от его подготовки, времени и других условий.

Курсовая работа выполняется в соответствии с методическими указаниями на курсовую работу. Обучающийся выбирает одну из указанных в перечне тем курсовых работ, исходя из своих интересов, наличия соответствующих литературных и иных источников. В ходе выполнения курсовой работы преподаватель проводит консультации обучающегося. На заключительном этапе обучающийся оформляет пояснительную записку к курсовой работе и выполняет ее защиту в присутствии комиссии из преподавателей кафедры.

Форма заключительного контроля при промежуточной аттестации – зачет с оценкой. Для проведения промежуточной аттестации по дисциплине разработаны фонд оценочных средств и балльно-рейтинговая система оценки учебной деятельности студентов. Оценка по дисциплине выставляется в информационной системе и носит интегрированный характер, учитывающий результаты оценивания участия студентов в аудиторных занятиях, качества и своевременности выполнения заданий в ходе изучения дисциплины и промежуточной аттестации.

 



РЕЦЕНЗИЯ

на  рабочую программу дисциплины

«Моделирование химико-технологических процессов»

по направлению подготовки 18.03.01 Химическая технология

 

Рабочая программа дисциплины «Моделирование химико-технологических процессов» составлена в соответствии с требованиями федерального государственного образовательного стандарта по направлению подготовки 18.03.01 Химическая технология.

На изучение данного курса по учебному плану отводится 180 час. (5 ЗЕТ). Формой итогового контроля изучения дисциплины является зачет / зачет с оценкой .

Цель дисциплины: Цель дисциплины: ознакомление студентов с методами и средствами моделирования химико-технологических процессов, включающими в себя: методы анализа сложных систем и процессов; основные принципы и этапы создания моделей и моделирования сложных систем; типовые математическими схемами моделирования; вопросы использования ЭВМ и информационных технологий при анализе и моделировании процессов.

Задачи дисциплины: приобретение навыков разработки моделей разнообразных химико-технологических процессов, оценке адекватности и точности, созданных моделей; реализации экспериментов с моделями; методами и средствами компьютерного моделирования.

Содержание занятий соответствуют требованиям образовательного стандарта. Имеется перечень вопросов для самостоятельной работы студентов, способствующий более глубокому изучению дисциплины.

Освоение дисциплины позволит студентам приобрести теоретические и практические знания, необходимые при решении задач в будущей практической деятельности.

Предлагаемые фонды оценочных средств для выявления уровня знаний и умений обучаемых полностью охватывает содержание курса и соответствуют ФГОС.

Перечень учебно-методической литературы достаточен для изучения дисциплины. Имеются ссылки на электронно-библиотечные системы.

Рабочая программа дисциплины «Моделирование химико-технологических процессов» рекомендуется для использования в учебном процессе по направлению подготовки 18.03.01 Химическая технология.

 

04.06.2019 г.