Про курсЛяпощенко О.О.

2016

3

4

4

4

5

5

5

7

8

9

10

10

12

19

19

ЗмістПро курс

ОСНОВНА НАВЧАЛЬНА ЛІТЕРАТУРАДОДАТКОВА РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА

Змістовний модуль 1 “Інтегровані САПР технологічних ліній та комплексівхімічних виробництв”

Ключові терміни:ВИЗНАЧЕННЯ САПРІСТОРІЯ СТВОРЕННЯ ТА ТЕНДЕНЦІЇ РОЗВИТКУ САПРФУНКЦІЇ САПРКЛАСИФІКАЦІЯ САПРСТРУКТУРА САПР. ПІДСИСТЕМИ ТА ВИДИ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ САПР

Ключові терміни:МЕТОДИКА ІНТЕГРОВАНОГО ПРОЕКТУВАННЯ ТА СТРАТЕГІЯОПТИМІЗАЦІЙНИХ ДОСЛІДЖЕНЬІНСТРУМЕНТАЛЬНІ ЗАСОБИ ДЛЯ ЧИСЕЛЬНОГО МОДЕЛЮВАННЯ ХТП ІРОЗРАХУНКІВ МАШИН ТА АПАРАТІВПРОГРАМНІ КОМПЛЕКСИ АВТОМАТИЗОВАНОГО ВИКОНАННЯ ПРОЕКТНИХРОБІТКЛЮЧОВІ ТЕРМІНИ:

Про курс 3

Про курс

"Большинство вещей, которые сегодня успешно делаются, были прежде объявлены невозможными"

Л. БрендисВСТУПЦій лекції не даремно передує такий епіграф. Комп’ютерні інформаційні системи сьогодні

мають прояв у всіх сферах життєдіяльності без обмежень. Сучасні обчислювальні машини здостатньо потужною процесорною технікою, об’єднані в групи (кластери) паралельних чирозподілених обчислень для вирішення задач з недосяжними раніше швидкостями обчислень такількістю одночасно здійснюваних операцій, обладнані потужними тривимірними графічнимиприскорювачами, вони розкривають двері у віртуальний світ проектування та чисельногомоделювання процесів, машин та апаратів, технологічних ліній та комплексів хімічнихвиробництв. Це відразу сприяло застосуванню інформаційних технологій автоматизованогопроектування та розробці відповідних інтегрованих САПР (CAD/CAE-систем), що дозволяютьвирішувати такі завдання, які десять років тому й не снилися інженерам-проектувальникам таінженерам-дослідникам. Крім того, можливості сучасних CAD/CAE-систем стрімко зростають, та,відповідно, постійно розширюється коло практичних завдань, які можна успішно вирішувати.

Дисципліна «САПР технологічних ліній та комплексів хімічних виробництв» (САПР ТЛК) єспеціальною дисципліною, у якій вивчаються основи автоматизації і технології інтелектуальногопроектування та системи автоматизованого проектування (САПР) окремих машин і апаратів, атакож технологічних ліній і комплексів хімічних виробництв; методика та стратегіяінтегрованого проектування, чисельних моделювань, оптимізаційних досліджень і прийняттяоптимальних рішень; функціональні можливості спеціалізованих компонентно-орієнтованих САПР,що охоплюють основні етапи проектування окремих об’єктів хімічної техніки, інженерних мереж ісистем, а також оптимізаційних розрахунків і динамічних моделювань хіміко-технологічнихпроцесів (ХТП) технологічних ліній і комплексів (ТЛК) промислових підприємств

Викладання дисципліни проводиться з метою:

надання студентам знань з методології автоматизованого проектування технологічнихліній та комплексів хімічних виробництв;надання основ статичного та динамічного моделювання, у тому числі оптимізаційного,технологічних ліній та комплексів хімічних виробництв і об'єктів хімічної техніки.

На практичних заняттях закріплюються теоретичні знання, здобуваються досвід і навичкитехнологічного проектування і конструювання, у тому числі оптимізаційного, використання САПРпри проектуванні.

Завданнями навчальної дисципліни САПР ТЛК є:

вивчення структури, змісту і методології технологічного і конструкторськогопроектування;вивчення методики та основ автоматизації проектування хімічних виробництв.;вивчення стратегії інтегрованого проектування хімічних виробництв та системавтоматичного управління;вивчення стратегії оптимізаційного дослідження та методи розв'язання задач статичноїоптимізації технологічних процесів;вивчення методів і засобів автоматизованого проектування хімічних виробництв іпідприємстввивчення інформаційного, прикладного математичного, технічного та програмногозабезпечення САПР.

Після вивчення дисципліни САПР ТЛК студент повинен ЗНАТИ:

структуру, зміст і методологію автоматизованого технологічного і конструкторськогопроектування;методологію та основи автоматизації проектування хімічних виробництв, методикуінтегрованого проектування та ухвалення оптимальних рішень;основні принципи поставлення задач, методи та алгоритми інтегрованого проектуваннятехнологічних об’єктів за наявності невизначеності вихідної інформації;методи і засоби автоматизованого проектування хімічних виробництв і підприємств.

Після вивчення дисципліни САПР ТЛК студент повинен УМІТИ:

визначати методику і зміст робіт з технологічного проектування підприємств, цехів,установок та інших об'єктів хімічної техніки і творчо вирішувати поставлені завдання ззастосуванням сучасних САПР;оцінювати проектні рішення і технічний рівень виконаних розробок з погляду їх соціальноїкорисності або за прийнятим критерієм оптимальності;становити алгоритми і блок-схеми оптимізаційного розрахунку об'єктів хімічної техніки;використовувати методи і засоби автоматизованого проектування;застосовувати компонентно-орієнтовані технології та інструментальні середовищарозроблення програмного забезпечення.

Змістовний модуль 1 “Інтегровані САПР технологічних ліній та комплексів хімічних виробництв” 4

Ляпощенко Олександр ОлександровичВчений ступінь та звання: к.т.н., доцент.

Посада: доцент.Контактна інформація:тел: +38(0542)68-77-95e-mail: lyaposchenko@pohnp.sumdu.edu.uahttp://personal.sumdu.edu.ua/liaposhchenko/ua/

Демченко Андрій Миколайович

Посада: асистент.Контактна інформація:тел: +38 (0542) 68-77-95e-mail: a.demchenko@pohnp.sumdu.edu.ua

ОСНОВНА НАВЧАЛЬНА ЛІТЕРАТУРАДОДАТКОВА РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА

ОСНОВНА НАВЧАЛЬНА ЛІТЕРАТУРА1. Дворецкий С.И., Кормильцин Г.С., Калинин В.Ф. Основы проектирования химических

производств: Уч. пособие. - М.: Машиностроение-1, 2005. - 280 с.2. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.

Баумана, 2000. - 360 с.3. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике/ Алямовский А.А.,

Собачкин А.А., Одинцов В.В., Харитонович А.И., Пономарев Н.Б. – СПб: БХВ-Петербург,2005. – 800 с.; ил.

4. Солодовников А.В., Тляшева Р.Р. Проектирование элементов оборудования опасныхпроизводственных объектов (предприятий нефтегазового комплекса) с использованиемSolidWorks – Уфа: УГНТУ, 2006.

5. Малыгин Е.Н., Егоров С.Я., Немтинов В.А., Громов М.С. Информационный анализ иавтоматизированное проектирование трехмерных компоновок оборудования химико-технологических схем: Учебное пособие. - Тамбов: Издательство ТГТУ, 2006. - 128 с.

6. Дворецкий С.И., Ермаков А.А., Иванов О.О., Акулинин Е.И. Компьютерное моделированиепроцессов и аппаратов пищевой, био- и химической технологии в среде FlexPDE: Учебноепособие. - Тамбов: Издательство ТГТУ, 2006. - 72 с.

7. Дворецкий Д.С., Ермаков А.А., Пешкова Е.В. Расчет и оптимизация процессов и аппаратовхимических и пищевых производств в среде MatLab: Учебное пособие. - Тамбов:Издательство ТГТУ, 2005. - 80 с.

8. Дворецкий С.И., Егоров А.Ф., Дворецкий Д.С. Компьютерное моделирование иоптимизация технологических процессов и оборудования. Учебное пособие. Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2003. - 224 с.

ДОДАТКОВА РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА1. Туголуков Е.Н. Математическое моделирование технологического оборудования

многоассортиментных химических производств. - М.: Изд-во "Машиностроение-1", 2004. -100 с.

2. Альперт Л.З. Основы проектирования химических установок: Уч. пособие. - 3-е изд.,перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1982. - 304 с.

3. Кафаров В. В., Глебов М. П. Математическое моделирование основных процессовхимических производств: Учеб. Пособие для вузов. – М.: Высш. шк., 1991. - 400 с.

4. Литовка Ю.В. Получение оптимальных проектных решений и их анализ с использованиемматематических моделей: Учебное пособие. - Тамбов: Издательство ТГТУ, 2006. - 160 с.

5. Математическое моделирование химико-технологических систем с использованием программы ChemCad: Учебно-методическое пособие / Казан. гос. технол. ун-т. Сост.: Н.Н.Зиятдинов, Т.В. Лаптева, Д.А. Рыжов. – Казань, 2008. – 160 с.

Змістовний модуль 1“Інтегровані САПР технологічнихліній та комплексів хімічнихвиробництв”

Визначення САПР

Змістовний модуль 1 “Інтегровані САПР технологічних ліній та комплексів хімічних виробництв” 5

Історія створення та тенденції розвитку САПРФункції САПРКласифікація САПРСтруктура САПР. Підсистеми та види забезпечення САПР

Ключові терміни:Computer-aided design (CAD), Computer-aided engineering (CAE), Computer-aidedmanufacturing (CAM), Continuous Acquisition and Life cycle Support (CALS), computer-aidedprocess planning (CAPP), Класифікація САПР, Систе́ма автоматизо́ваного проектува́ння(САПР), Функції САПР, види забезпечення САПР, комплексні (інтегровані) САПР, підсистемиСАПР

ВИЗНАЧЕННЯ САПРСисте́ма автоматизо́ваного проектува́ння (САПР) — автоматизована система, призначена дляавтоматизації технологічного процесу проектування виробу, кінцевим результатом якого єкомплект проектно-конструкторської документації, достатньої для виготовлення таподальшої експлуатації об'єкта проектування (ДСТУ 2226-93 Автоматизовані системи. Терміни івизначення).

Процес автоматизованого проектування реалізується на базі спеціального програмногозабезпечення, автоматизованих банків даних, широкого набору периферійних пристроїв.

ІСТОРІЯ СТВОРЕННЯ ТА ТЕНДЕНЦІЇ РОЗВИТКУ САПР

Змістовний модуль 1 “Інтегровані САПР технологічних ліній та комплексів хімічних виробництв” 6

Змістовний модуль 1 “Інтегровані САПР технологічних ліній та комплексів хімічних виробництв” 7

ФУНКЦІЇ САПРСАПР (CAD/CAM/CAE) виконує такі функції (рис.1.1):

конструкторська частина — розробка повного комплекту конструкторської документації;технологічна частина — розрахунок і проектування технологічних схем, технологічногооснащення, транспорту;архітектурно-будівельна частина — розрахунок і проектування металевих і залізобетоннихконструкцій;санітарно-технічні системи — проектування теплопостачання, опалення і вентиляціївиробничих і адміністративних корпусів, а також водопостачання і каналізації;електротехнічні системи — розрахунок і проектування електропостачання,електросилового устаткування, світлотехнічної частини проектів, телемеханізаціїелектропостачання;гідротехнічні спорудження — розрахунок і проектування напірного і безнапірногогідротранспорту відвальних хвостів, стійкості укосів хвостосховищ;системи автоматизації — розробка схем зовнішніх з'єднань, електричних і трубнихпроводок щитів автоматики;кошторисна частина — складання локальних і зведених кошторисів, відомостейматеріалів, специфікацій, комплектація обладнання.

Змістовний модуль 1 “Інтегровані САПР технологічних ліній та комплексів хімічних виробництв” 8

Рис. 1.1. Функції САПР (CAD/CAM/CAE)

КЛАСИФІКАЦІЯ САПРСАПР включає такі технології:

CAD (англ. Computer-aided design) — технологія автоматизованого проектування;CAM (англ. Computer-aided manufacturing) — технологія автоматизованого виробництва;CAE (англ. Computer-aided engineering) — технологія автоматизованої розробки;CAPP (англ. computer - aided process planning) - засоби автоматизації плануваннятехнологічних процесів, вживані на стику систем CAD і CAM.CALS (англ. Continuous Acquisition and Life cycle Support) — постійна інформаційна підтримкапоставок і життєвого циклу.

Система автоматизованого проектування і розрахунку — комп'ютерна система обробкиінформації, що призначена для автоматизованого проектування (CAD), розроблення(CAE) івиготовлення (CAM) кінцевого продукту, а також оформлення конструкторської і/аботехнологічної документації (рис.1.2).

Рис. 1.2. САПР (CAD/CAM/CAE)

Змістовний модуль 1 “Інтегровані САПР технологічних ліній та комплексів хімічних виробництв” 9

Дані з CAD-систем передаються в CAM (англ. Computer - aided manufacturing — системаавтоматизованої розробки програм обробки деталей для верстатів з ЧПУ або ГАВС (Гнучкихавтоматизованих виробничих систем)).

Робота з САПР полягає у створенні геометричної моделі виробу (двовимірної чи тривимірної,твердотільної), генерацію на основі цієї моделі конструкторської документації (кресленьвиробу, специфікацій тощо) і його наступний супровід.

Рис. 1.3. Класифікація САПРСлід зазначити, що термін «САПР» по відношенню до промислових систем має ширше

тлумачення, ніж CAD — він включає CAD, CAM і CAE.Багато систем автоматизованого проектування поєднують в собі рішення завдань, що

відносяться до різних аспектів проектування CAD/CAM, CAD/CAE, CAD/CAE/CAM. Такі системиназивають комплексними, або інтегрованими.

СТРУКТУРА САПР. ПІДСИСТЕМИ ТА ВИДИ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ САПРУзагальнено структуру САПР можна представити у вигляді функціональної (підсистеми) ізабезпечуючої (види забезпечення) частин (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Структурна схема САПРВідповідно до рис.1.5 у структурі САПР виділяють наступні елементи:

КСАП САПР - комплекс засобів автоматизації проектування САПРпідсистеми САПР, як елемент структури САПР, виникають при експлуатаціїкористувачами КСАП підсистем САПР.КСАП-підсистеми САПР - сукупність ПМК, ПТК і окремих компонентів забезпеченняСАПР, що не увійшли до програмних комплексів, об'єднана загальною для підсистемифункцією.

Змістовний модуль 1 “Інтегровані САПР технологічних ліній та комплексів хімічних виробництв” 10

ПТК - програмно-технічні комплексикомпоненти забезпечення ПТК САПРПМК - програмно-методичні комплекси

компоненти забезпечення ПМК САПРкомпоненти забезпечення САПР, що не увійшли в ПМК і ПТК

Сукупність КСАП різних підсистем формують КСАП усієї САПР в цілому.

Рис. 1.5. Структура САПР

Методика інтегрованого проектування та стратегія оптимізаційних дослідженьІнструментальні засоби для чисельного моделювання ХТП і розрахунків машин та апаратівПрограмні комплекси автоматизованого виконання проектних робіт

Ключові терміни:AutoCAD, ChemCAD, Compress, Creo Elements/Pro, HTFS, HTRI Xchanger Suite, HYSYS,Inventor, PRO/II, PV Elite, Pro/ENGINEER, SolidWorks, Vessel, КОМПАС-3D, ПАССАТ(Прочностной Анализ Состояния Сосудов Аппаратов Теплообменников), статичне ідинамічне моделювання

МЕТОДИКА ІНТЕГРОВАНОГО ПРОЕКТУВАННЯ ТА СТРАТЕГІЯОПТИМІЗАЦІЙНИХ ДОСЛІДЖЕНЬНе дивлячись на велику кількість публікацій про САПР, насправді, т ільки нині настала епохаширокого впровадження таких систем у практику проектування хімічних виробництв.

Можна стверджувати, що, нарешті, сформувалася сучасна ідеологія автоматизаціїпроектування, яка ґрунтується на знаннях:

інженерно-технічних підходів до вирішення проектних завдань;специфіки предметних областей (хімічні технології), в яких виконуються проекти;можливостей застосування IT-технологій, пов'язаних з появою інтегрованих пакетівпрограм для вирішення різноманітних завдань проектування, все більшим поширеннямінтелектуальних САПР, а також повсюдним запровадженням web-технологій у практиціпроектування.

При проектуванні промислових об’єктів технологічних ліній та комплексів хімічних,нафтогазопереробних, харчових виробництв та суміжних галузей промисловості вирішуєтьсякомплекс найскладніших задач:

вибір способу (технології) і структури виробництва,розрахунок і вибір технологічного обладнання із заданими статичними і динамічнимихарактеристиками,визначення оптимальних режимів функціонування обладнання,розробка системи автоматичного управління САУ (регулювання САР) і (або)автоматизованого керування окремими технологічними стадіями (процесами) АСУ ТП івиробництвом в цілому,складання оперативно-виробничих планів та ін.

Змістовний модуль 1 “Інтегровані САПР технологічних ліній та комплексів хімічних виробництв” 11

Проектно-конструкторські рішення приймаються в умовах невизначеності, пов’язаних знеповнотою наявної інформації на ранніх етапах проектування, з грубим (неточним) описом(моделюванням) окремих стадій проектованого виробництва, використанням спрощенихметодик оцінки його показників тощо. Таким чином, весь хід розробки проекту (процеспроектування) можна інтерпретувати як послідовний процес зняття невизначеностей, якийпереважно протікає «зверху вниз», тобто має спадний характер. При цьому, в міру«опрацювання» проекту «зверху вниз» збільшується детальність опису (деталізації)проектованого об’єкта. Мета виконуваних на різних етапах проектування розрахунків імоделювань – уточнити параметри та характеристики проектованого виробництва, прийнятинайбільш раціональні проектно-конструкторські рішення. Звідси випливає ітераційно-циклічнийхарактер процесу проектування, що виражається в чергуванні процедур синтезу та аналізурішень, при реалізації якого доводиться багато разів повертатися з наступних етапів розробкипроекту на попередні для перегляду документації, її поліпшення та доопрацювання (рис.2.1).

Рис.2.1. Ітераційно-циклічний характер прийняття оптимальних рішень у процесіпроектування і створення промислового об'єктаЗазначені особливості носять об’єктивний характер. Вони, хоч і різною мірою, властиві як«ручному» практичному проектуванню (з обмеженим використанням ЕОМ), так іавтоматизованому (з використанням інтегрованих CAD/CAE-систем, що охоплюють основніетапи проектування). Інтегровані САПР (CAD/CAE-системи) реалізують нову технологіюпроектування, розраховану на широке використання сучасної обчислювальної техніки,інформатики та математичних методів. В інтегрованих САПР велика увага приділяєтьсяпитанням прийняття оптимальних рішень в інтерактивному режимі, коли проектувальник маєможливість оперативно взаємодіяти з ЕОМ на будь-якому етапі виконання завдання. При цьомув результаті діалогу він може змінювати як число, так і тип варійованих (оптимізованих) змінних,вибирати найбільш ефективний в ситуації, що склалася, метод пошуку, підлаштовувати чисельніпараметри методів до конкретних особливостей цільової функції (критерію ефективності)оптимального проектування.

Такий підхід до прийняття оптимальних рішень в інтегрованих САПР дозволяє здійснюватиадаптацію методів оптимізації до особливостей і труднощів конкретної практичної задачі, аледля цього проектувальник повинен розуміти, в яких випадках і які методи оптимізації необхіднозастосовувати для того чи іншого класу екстремальних задач, що виникають на різних етапахпроектування хімічного виробництва.

Кількісну інформацію про ефективність функціонування та про характерні властивостіпроектованого хімічного виробництва можна отримати методом комп’ютерного моделювання.Для цього багатовимірні масиви кількісної інформації про стан виробництва в різні моменти часуі за різних умов повинні бути зведені до обмеженого числа деяких агрегованих змінних(узагальнених оцінок ефективності функціонування та характеристичних властивостейпроектованого виробництва). Зазначені узагальнені оцінки представляють собою числовіфункціональні характеристики хімічного виробництва.

Розв’язання задачі оптимального проектування хімічного виробництва неможливо здійснитипростим перебором можливих технологій отримання заданих асортиментів продукції, типівапаратурного оформлення хіміко-технологічних процесів (ХТП), класів і структур систем

Змістовний модуль 1 “Інтегровані САПР технологічних ліній та комплексів хімічних виробництв” 12

управління, векторів конструктивних і режимних змінних через високу розмірність завдання,нелінійність технологічних процесів, складність алгоритмів обчислення компонент векторноїцільової функції. Потрібна декомпозиція задачі, розробка стратегії застосування методівавтоматизованого проектування, оскільки припустима область проектних параметрів будуєтьсяв ході самого процесу проектування.

ІНСТРУМЕНТАЛЬНІ ЗАСОБИ ДЛЯ ЧИСЕЛЬНОГО МОДЕЛЮВАННЯ ХТПІ РОЗРАХУНКІВ МАШИН ТА АПАРАТІВДля вирішення практичних задач розрахунку, аналізу, симуляції, оптимізації та синтезу ХТП івиробництв застосовують сучасні системи комп’ютерної математики та інженерних розрахунків.Такі програмні системи представляють собою науково-практичні інтелектуальні продукти,створені на базі термодинамічного моделювання. За зміною параметрів моделі з часоммоделюючі програми можна поділити на системи, що підтримують статичне і динамічнемоделювання. При статичному моделюванні співвідношення параметрів відбувається до певногомоменту часу. У разі динамічного моделювання параметри моделі зазнають безперервні зміни учасі. Можливість проводити розрахунки в динамічному режимі дозволяє зрозуміти сутьмодельованих процесів. При цьому можна зібрати та випробувати схему регулювання,досліджувати пускові режими, отримати уявлення про реально працюючий процес і поведінкуоб’єкту в нештатних ситуаціях, про вплив зміни робочих параметрів на якість продуктів.

Одним із найбільш потужних і універсальних пакетів, що надають інструментальні засобистатичного та динамічного моделювання ХТП та обладнання, є ChemCAD (ChemStations, Inc.),призначений для вирішення широкого кола завдань, пов’язаних із аналізом, оптимізацією тасинтезом ХТП і обладнання, а також проведенням технологічних розрахунків хімічнихвиробництв.

Програмний комплекс включає засоби статичного моделювання основних процесів хімічноїтехнології (гідромеханічні, теплообмінні, масообмінні, хімічні та інші), заснованих на фазових іхімічних перетвореннях, а також засоби для розрахунку геометричних розмірів і конструктивниххарактеристик основних апаратів (навіть, таких специфічних, як біореактор, електроосаджувачтощо) з одночасною оцінкою собівартості устаткування.

Програмне забезпечення комплексу дозволяє:

використовувати для розрахунків ХТП фізико-хімічні властивості речовин (у базі данихміститься близько 2000 хімічних речовин, є можливість задавати нафтові потоки у виглядіпсевдокомпонентів або генерувати їх на підставі даних розгонки по ІТК) і розрахуватитермодинамічні параметри сумішей речовин за 36 наявними методиками;здійснювати проектування принципової технологічної схеми хімічного виробництва звикористанням наявних в комплексі типових модулів ХТП (включає близько 40 піктограмтехнологічних машин і апаратів);здійснювати постадійний автоматизований розрахунок матеріальних і теплових балансіввиробництва;виконувати технологічні розрахунки обладнання хімічних виробництв;здійснювати комп’ютерне моделювання та аналіз статичних і динамічних режимівтехнологічної схеми виробництва;

Змістовний модуль 1 “Інтегровані САПР технологічних ліній та комплексів хімічних виробництв” 13

використовувати власні методики розрахунку та оптимізації ХТП та обладнання.

Графічний редактор в ChemCAD дозволяє компонувати технологічну схему хімічноговиробництва з наявних піктограм (моделей розрахункових модулів) технологічних апаратів ідопоміжного обладнання. Побудова технологічної схеми при цьому зводиться до розміщеннязображень технологічного обладнання виробництва у необхідному порядку на екрані таз’єднання їх потоками (рис.2.2).

Після завершення компонування апаратів технологічної схеми їх поєднують матеріальнимипотоками, де кожен апарат має позиції входу та виходу, які встановлюються при створенніпіктограм. Піктограма орієнтує потоки по відношенню до цих позицій. Для кожного апарата єбезліч піктограм, однак для вирішення практичних задач їх може виявитися недостатньо. Томупередбачена можливість модифікації піктограм. В ChemCAD широко представлені модулі дляздійснення проектного та перевірочного розрахунків кожухотрубних теплообмінників (модульCC-THERM), колонних апаратів (тарілчастих і насадкових колон (модуль CC-DCOLUMN) дляректифікації (модуль CC-BATCH) і абсорбції нафтових сумішей, хемосорбції та ін.), хімічнихреакторів (ідеального витіснення та змішання, модуль CC-ReACS), апаратів високого тиску,трубопроводів, нормально звужуючих пристроїв (діафрагм) і регулюючих клапанів. Наступниметапом є завдання параметрів потоків сировини та проміжних потоків для схем із зворотнимизв’язками (рециклу). ChemCAD містить різноманітні методи (близько 50) розрахунку константфазової рівноваги та теплофізичних характеристик речовин (модуль CC-PROPS). За аналогією зпризначенням параметрів потоків задаються конструктивні параметри технологічногоустаткування. В ChemCAD є також можливості для дослідження та оптимізації статичних ідинамічних режимів функціонування як окремих хіміко-технологічних апаратів, так і всієї хіміко-технологічної схеми; чутливості вихідних змінних цих апаратів по відношенню до вхідних зміннихі впливів.

Рис.2.2. Моделювання атмосферно-вакуумної переробки нафти у ChemCADАналогічні можливості моделювання широкого спектру технологічних установок хімічних і

нафтохімічних виробництв представляє SIMSCI PRO/II (Simulation Sciences, Inc.).

Банк даних програми містить відомості про більше ніж 1800 компонентів, властивості твердихречовин, банк даних електролітів, передбачена можливість розрахунку властивостей поструктурі компонентів (можна сконструювати речовину із стандартних блоків і передбачитиосновні її властивості), властивості більше 3000 бінарних сумішей, спеціальні пакети (спирти,гліколі, кислі стоки), меркаптани та ін. Підтримується створення та додавання в програмудодаткових або призначених для користувача баз даних по компонентах. Є можливістьстворення власних програмних модулів. Завдяки гнучкості при моделюванні ректифікації татеплообміну, великому числу алгоритмів зведення простих і складних (зі стріпінг-секціями)ректифікаційних колон, зручному та інтуїтивно зрозумілому інтерфейсу (рис. 2.3), розвиненим

Змістовний модуль 1 “Інтегровані САПР технологічних ліній та комплексів хімічних виробництв” 14

засобам завдання нафтових компонентів, включених до складу базового пакету, PRO/II дотеперішнього часу отримала найбільше поширення саме в нафтопереробній та нафтохімічнійгалузі.

Рис. 2.3. Розрахункова схема установки переробки природного газу у PRO/IIAspen HYSYS (Aspen Technology, Inc.) є пакетом програм, призначеним для розрахунку

стаціонарних і динамічних режимів роботи хіміко-технологічних схем, що об’єднують масообміннута теплообмінну апаратуру, трубопроводи, реактори тощо, проведення оптимізаційнихрозрахунків, розробку схем регулювання, контролю за роботою систем керування, навчанняоператорів технологічних установок, а також виконання розрахунків процесів на основі даних,що безпосередньо поступають із КВПіА. HYSYS має розвинений графічний інтерфейс (рис. 2.4),підтримує стандарти OLE і XML, дозволяє здійснювати зв’язок із іншими програмами та добреінтегрована з офісними додатками Microsoft.

Основними перевагами базової програми HYSYS є:

наявність більше 20 різних методів розрахунку термодинамічних і фізичних властивостей;більше 2000 бібліотечних компонентів, більше 16000 пар бінарних коефіцієнтів;можливість проводити оптимізаційні розрахунки та «розрахункові дослідження» завтоматичним перебором параметрів;вбудовані електронні таблиці (аналог MS Excel), що дозволяє проводити додатковірозрахунки з використанням змінних технологічної схеми;використовуючи вбудовану мову програмування (аналог Visual Basic), а також можливостіпідключення та використання спільно з системою HYSYS власних програм користувача,дозволяє розширити стандартні можливості системи та створювати інтегровані системитехнологічних розрахунків.

Змістовний модуль 1 “Інтегровані САПР технологічних ліній та комплексів хімічних виробництв” 15

Рис. 2.4. Моделювання роботи холодильної установки у HYSYSСлід зазначити, що моделювання ХТП за участю нафтових сумішей і детальний розрахунок

теплообмінних апаратів різних типів можливий тільки з використанням додаткових модулів, невключених до складу базової програми, а кількість підтримуваних методів розрахунків товарнихвластивостей нафтопродуктів дещо поступається наявним, наприклад в PRO/II.

Більшість із розглянутих вище моделюючих програм дозволяють, після виконання стадіїрозрахунку технологічної схеми або окремого апарату, виконувати розрахунки гідравлічних іосновних конструктивних характеристик типового сепараційного обладнання, ємностей,теплообмінної апаратури, тарілчастих і насадкових ректифікаційних чи абсорбційних колон, атакож здійснювати оцінку собівартості виготовлення кожного апарату. Це важливо як длявиконання стадії проектних робіт, так і для передпроектних досліджень, оскільки дозволяєздійснити вибір оптимальної технології виробництва за капітальними витратами. Відповідніпрограмні модулі можуть бути як вбудованими в базовий пакет, так і розробленими окремо увигляді додаткових модулів, що застосовують компонентно-орієнтовані технології розробкипрограмного забезпечення САПР. Наприклад, додатковий модуль Aspen HTFS (Aspen Technology,Inc.) до програмного пакету HYSYS має у своєму складі утиліти, що дозволяють проводитирозрахунки теплофізичних властивостей складних сумішей; тепловий і гідравлічний(аеродинамічний) розрахунки кожухотрубних, пластинчастих теплообмінників та апаратівповітряного охолодження; аналіз складових елементів апаратів на міцність; економічнийрозрахунок (рис. 2.5).

Змістовний модуль 1 “Інтегровані САПР технологічних ліній та комплексів хімічних виробництв” 16

Рис. 2.5. Розрахункова модель теплообмінника з плаваючою голівкою у Aspen HTFS

До комплексу Aspen HTFS входять такі модулі:

Task + і Hetran - тепловий і гідравлічний розрахунки кожухотрубчастих теплообмінників;Teams - аналіз на міцність;Acol + і Aerotran - тепловий, гідравлічний і аеродинамічний розрахунок апаратівповітряного охолодження;Plate + - тепловий і гідравлічний розрахунок пластинчастих теплообмінників;утиліти для аналізу на міцність складових елементів апаратів, техніко-економічнихрозрахунків, пакет розрахунку теплофізичних властивостей складних сумішей.

Більш потужним є комплекс HTRI Xchanger Suite (Heat Transfer Research, Inc.) – програмний пакет,який об’єднує в собі модулі для симуляції теплообмінних процесів, проектних і перевірочнихрозрахунків параметрів теплообмінників (кожухотрубних, пластинчастих, «труба в трубі»,спіральних, з оребреними трубами), вогневих підігрівачів і трубчастих печей:

Xist ® - розрахунок кожухотрубних теплообмінників;Xace - розрахунок апаратів повітряного охолодження;Xhpe ® та Xjpe ® - модулі розрахунку теплообмінників типу «труба в трубі»;Xphe ® - модуль розрахунку пластинчатих теплообмінників;Xfh - модуль розрахунку вогневих нагрівачів, циліндричних і коробчастих печей;Xspe - обчислення та моделювання спіральних теплообмінників.

Компоненти HTRI Xchanger Suite завдяки запровадженню технології та стандарту CAPE-OPENможуть безпосередньо взаємодіяти з симуляторами процесів, такими як HYSYS, PRO/II та ін.,наприклад, для генерації фізичних властивостей і ентальпійних кривих. Після розрахунківвідбувається автоматичне генерування 3D-моделі проектованого теплообмінника з можливістюекспорту 2D- креслення апарату в AutoCAD.

Змістовний модуль 1 “Інтегровані САПР технологічних ліній та комплексів хімічних виробництв” 17

Рис. 2.6. Розрахункова модель та результати розрахунку кожухотрубного теплообмінника з U-подібними трубами у HTRI Xchanger Suite

Для автоматизованого проведення розрахунків на міцність і стійкість посудин, апаратів(резервуари, теплообмінники, колони) і їх елементів (обичайки, днища, фланці, опори, люки,штуцери тощо) з метою оцінки несучої здатності, в робочих умовах, а також в умовахвипробувань і монтажу рекомендовано використовувати комплекс ПАССАТ (Прочностной АнализСостояния Сосудов Аппаратов Теплообменников) (НТП Трубопровод).

Змістовний модуль 1 “Інтегровані САПР технологічних ліній та комплексів хімічних виробництв” 18

Програмний комплекс «ПАССАТ» включає наступні модулі:

базовий модуль «ПАССАТ» - розрахунок міцності та стійкості горизонтальних івертикальних посудин і апаратів за вітчизняними нормативними документами (по ГОСТ Р52857. (1-12) -2007, ГОСТ 14249-89, ГОСТ 25221-82, ГОСТ 26202-84, ГОСТ 24755-89, РД 26-15-88 , РД РТМ 26-01-96-77, РД 10-249-98, ОСТ 26-01-64-83, РД 26-01-169-89, РД24-200-21-91 таінші.);«ПАССАТ-Колоны» - розрахунок на міцність і стійкість апаратів колонного типу зурахуванням вітрових навантажень і сейсмічних (по ГОСТ Р 51273-99, ГОСТ Р 51274-99);«ПАССАТ-Теплообменники» - розрахунок на міцність і стійкість теплообмінних апаратівкожухотрубного типу (по ГОСТ Р 52857.7-2007, РД 26-14-88, ГОСТ 30780-2002);«ПАССАТ-Резервуари» - розрахунок на міцність і стійкість вертикальних сталевихциліндричних резервуарів, у тому числі від вітрових, снігових і сейсмічних впливів (по СТО-СА-03-002-2011);«ПАССАТ-сейсмика» - розрахунок на міцність і стійкість горизонтальних і вертикальнихпосудин з урахуванням навантажень від сейсмічних впливів (по СТО-СА-03.003-2009);«ПАССАТ-Штуцер» - розрахунок врізки штуцера в обичайки і опуклі днища, а такожарматурних фланців від впливу тиску і зовнішніх навантажень (по ASME Sec.VIII, ASME Sec.II,WRC-107, WRC-297).

Рис. 2.7. Розрахункові 3D-моделі посудин та апаратів у робочомі вікні програми ПАССАТРезультати розрахунку видаються у вигляді повного звіту за елементами моделі з усіма

проміжними результатами обчислень, виведені в формат MS Word оформленими за ЕСКД(рис.2.8).

Рис. 2.8. Звіт про результати розрахунку у програмі ПАССАТПорівняно з аналогічними зарубіжними програмами (Compress, Vessel, PV Elite) основні переваги

ПАССАТ полягають в орієнтації на нормативну базу країн СНД (державні та галузеві стандарти),вбудовану базу вітчизняних матеріалів і стандартних елементів, можливості експорту 3D-моделів AutoCAD.

Змістовний модуль 1 “Інтегровані САПР технологічних ліній та комплексів хімічних виробництв” 19

ПРОГРАМНІ КОМПЛЕКСИ АВТОМАТИЗОВАНОГО ВИКОНАННЯПРОЕКТНИХ РОБІТСьогодні інженери-конструктори з хімічного машиноапаратобудування в своїй проектнійдіяльності активно та успішно застосовують такі добре відомі популярні CAD-системитривимірного твердотільного та поверхневого параметричного проектування та комплекснірішення: AutoCAD та Inventor, (Autodesk, Inc.), Creo Elements/Pro (до ребрендингу добре відомий,як Pro/ENGINEER) (PTC, Inc.), SolidWorks (Dassault Systemes S.A.), а також вітчизняну КОМПАС-3D(АСКОН).

КЛЮЧОВІ ТЕРМІНИ:ChemCADЯк вже було зазначено в матеріалах лекції (тема 2, п.2), одним із найбільш потужних іуніверсальних пакетів, що надають інструментальні засоби статичного та динамічногомоделювання ХТП та обладнання, є ChemCAD (ChemStations, Inc.), призначений для вирішенняширокого кола завдань, пов’язаних із аналізом, оптимізацією та синтезом ХТП і обладнання, атакож проведенням технологічних розрахунків хімічних виробництв:

Змістовний модуль 1 “Інтегровані САПР технологічних ліній та комплексів хімічних виробництв” 20

Змістовний модуль 1 “Інтегровані САПР технологічних ліній та комплексів хімічних виробництв” 21

Змістовний модуль 1 “Інтегровані САПР технологічних ліній та комплексів хімічних виробництв” 22