Date post: | 13-Feb-2016 |
Category: |
Documents |
Upload: | mihai-pruteanu |
View: | 269 times |
Download: | 2 times |
Bine ati venit !Bine ati venit !
Metode Numerice in Metode Numerice in Ingineria Chimica si BiochimicaIngineria Chimica si Biochimica
06 octombrie 2015
Probleme de inginerieProbleme de inginerieEmpiriceObservare si experimentAnumite aspecte ale studiilor empirice apar repetat O astfel de comportare se poate exprima prin Legi
fundamentale care includ cumulativ experienta si cunostintele anterioare
Teoretic / Numeric formularea Legilor fundamentaleAlgebric
ODE
PDE
2
2
2 2
2 2
F ma; E ; pV=nRT
dv d xF m mdt dt
T T qx y
Modele MatematiceModele MatematiceModelarea consta in dezvoltarea reprezentarilor
matematice a sistemelor fizice/ biologice/ chimice/ economice, etc.
Organizarea intelegerii noastre despre un sistem in forma matematica
Instrumente de rezolvare a problemelor: Solutii analitice, grafice, metode numerice,
metode statistice, etc.Metodele Numerice reprezinta unul din
mijloacele de rezolvarea a modelelor matematiceLa baza sta matematica asistata de calculator
ModelareModelareModele de autovehicule, avioane, vapoare, poduri, etc.Modelul atomului sau al moleculei, al unui utilaj chimicModele in modaTunelul aerodinamic, vasul cu agitare, termostatul, balonul de laborator, etc.,Modele matematiceCe au in comun aceste modele ?Reprezentarea intr-o forma idealizata a unui obiect sau procesModelul poate reprezenta foarte bine unele caracteristici ale obiectului ce il
reprezinta; altele sunt reprezentate mai putin exactModelele matematice reprezinta un proces cu anumite ipoteze de idealizareModelel matematice utilizeaza ecuatii descriptive ( legi fundamentale) pentru
a reprezenta ce dorim sa modelam
Modele matematiceModele matematiceDescriu procese naturale sau sisteme in termeni matematiciReprezinta o idealizare si simplificare a realitatii Modelul ne da rezultate reproducibile pentru scopuri
predictive Ce legi fundamentale se pot utiliza in modelare ? Conservarea maseiConservarea momentului linear/unghiular Conservarea energieiConservation sarcinii electrice, etc.
Cum putem utiliza modelul ?
Informatie de inalta calitate pentru fundamentarea
deciziei
Inovare accelerata cu
risc redus
Software Servicii
Educatie & Training
Metodologii
Advanced process modelling – APMModelarea avansata a proceselor - MAP
Separare
Reactii
Refinare titei
Polimerizare
Minerales &
sector minier
Cristalizare
Energie
Alimentatie
Celuloza si hartieAplicatii principale si domenii
Pharma
Petrochimie
Oil &
Gas
Procese Noi
Produse Chimice diverse
Refinare titei
Minerales &
sector minier
Utilizatori mondiali ai MAP
Americas
Air ProductsBP Chemicals
Dow ChemicalsDuPont
ExxonMobilINEOSPraxair
Bend ResearchJohns Manville
LXEngProcter & Gamble
SQMToyota Motor US
United Technologies RCUnited Technologies Power
EMEAArkema
BP ChemicalsBP Exploration
BASFBayer TS
Cargill CerestarInfineum
Jacobs EngineeringLinde EngineeringMorgan Stanley
Repsol YPFShell Global Solutions
Süd-ChemieSulzerTOTAL
Wolff Cellulosics
Atomic Weapons EstablishmentCadbury’s
Ceres Powerdet Norske Veritas
FLS AutomationFriesland FoodsGlaxoSmithKlineNexia Solutions
NestléPURAC
RWEnpowerTopsøe Fuel Cells
Voith Paper
APAC
Ebara R&DIdemitsu Petrochemicals
JFE Soldec Kawasaki Heavy Industry
LG ChemMaruzen Petrochemical
Mitsubishi ChemicalOrgano Chemicals
Samnam PetrochemicalSKC
SK ChemicalsSK Energy
SK PetrochemicalsTaiyo Nippon Sanso
Samsung ElectronicsSamsung SDI
Sugar AustraliaToshiba Fuel Cell Power Systems
Toyota Motor Company
Industrii de proces “Conventionale”
Industrii de proces “Neconventionale”
Aplicatii tipice recente (procese inovative) Evaluarea unui nou catalizator pentru un
reactor existent Dezvoltarea unui nou proces considerand un
nou sistem de reactie Dezvoltarea unui nou reactor multitubular
de inalta performanta Dezvoltarea accelerata celulelor de
combustie PEM Dezvoltarea unei noi tehnologii pentru
rezervoare LNG Proiectarea unor noi tipuri de utilaje de
separare Stabilirea conditiilor de operare optime
pentru a prelongi viata catalizatorilor
Instrumente pentru APM (MAP)
Biblioteci cu modele specializateReactii catalitice in strat fix, modele de cristalizare,separari gaz/lichid, Celule de combustie
2
Mediu de Modelare Advansata a Proceselor Solutie tehnologica de
modelare recunoscuta mondial
Mediu de modelare a reactoarelor chimice
Dezvoltare Continua
1
Instrumente pentru APM (MAP)3. Realizarea si rezolvarea modelului
In forma nativa in gPROMS
In forma exportata in alt mediu software …
gO:CAPE-OPEN gO:RungO:Simulink gO:MATLABgO:CFD
…toti utilizeaza acelasi model si aceeasi masina se rezolvare consistency deplina in robustete, eficienta & resultate
Utilizarea MAP de-a lungul ciclului de viata a unui proces
Concept & descoperire
Laborator: analza datelor
Proiectare Conceptuala a procesului
Proiectare Catalizator
si analiza
Proiectare optima
experiment
Proiectare si Engineering
Proiectare de detaliu a
unitatilor cheie
Proiectarea sistemelor de
control si verificare
Proiectare optima a proceselor si
echipamentelorProiectare front-
end (FEED)
Proiectarea procedurilor
optime de operare
Aplicatii de Automatizare bazata pe model – RTO, MPC, …
Hot-spot
Diagnosticare cu modele predictive
detaliate
Operation
Etape dezvoltarii unui model1. Construirea modelului
Din biblioteci existente si/sau din ecuatii fundamentale
Using the gPROMS language
2. Validare Cu date din instalatie sau laborator Pe intregul domeniu de aplicare Identificarea necesitatii altor
experimente
3. Aplicare Compatibilizare cu biblioteci
existente (PML) sau personalizate simulare si optimizare Utilizare in flowsheeting, OTS,
automatizari13
DESIGN
Un MODEL elementar: vas tampon cu curgere gravitationala
outindM F Fdt
Ecuatii Bilant de masa
Calcularea nivelului lichidului :
Caracterizarea debitului de iesire:
Parameteri: , A ,
Variabile : M, Fin, Fout, h 14
M Ah
outF h
h
Fout
M
Fin
Caderea unui obiect in aer F = ma = Fdown + Fup
= mg - cv2 (greutatea minus rezistenta aerului)
Observatii / ExperimenteDe unde provine mg ?De unde provine -cv2 ?
Sunt necesare mai multe Observatii!
Alt exempluAlt exemplu
Acum avem legi fundamentale ale fizicii, Sa le combinam cu observatii pentru a modela sistemul
O multime de lucruri sunt “conservate” dar trebuie sa stim cum sa utilizam observatiile !
Cum au schimbat computerele rezolvarea problemelor in inginerie?
Sa incercam sa ne concentram asupra descrierii corecte a problemei studiate, decat sa ne preocupam de rezolvarea ei.
Examplu: Elemente Finite si Examplu: Elemente Finite si Analiza StructuralaAnaliza Structurala
Structura simpla – echilibrul fortelor Structura Complexa
In loc de a ne limita la analiza cazurilor simple, metodele numerice ne permit sa lucram cu cazuri mai aproape de realitate.
Dinamica fluidelor asistata de calculator - Computational Fluid Dynamics
Aspecte de considerat in modelareaAspecte de considerat in modelareasi metode numericesi metode numerice
Nelinar vs. LiniarSisteme Mari vs. MiciNeideal vs. IdealAnaliza SenzitivitatiiProiectare
Metodele Numerice si Metodele Numerice si Practica InginereascaPractica Inginereasca
Metodele numerice sunt instrumente extrem de puternice pentru rezolvarea unor probleme dificile : sisteme mari de ecuatii, problme cu neliniaritati, geometrii complexe, ….
Chiar folosind Software comercial (pregatite deja sau or “incapsulate” ) – este necesar sa se inteleaga teoria de baza ce sustine metodele numerice
Multe probleme nu pot fi abordate cu programe “incapsulate” si este necesar efortul propriu de a dezvolta un program in loc de a investi in software
Metodele Numerice permit aprofundarea intelegerii aspectelor matematice ale modelarii in inginerie
Computer HardwareComputer HardwareMetodele Numerice combina matematica si
computerele (computer mathematics)Evolutia Computerelor (Hardware) Generatia zero (pre-1951): manual si mecanic Prima generatie (1951-1958): tuburi electronice A 2 a generatie (1958-1964): tranzistori A 3 a generatie (1964-1971) Circuite integrate A 4 a generation (1971-1990) integrare pe scara larga time sharing (retele), computere personale, statii de lucru,
mainframes, supercomputers A 5 a generatie (1990-) procesare paralela, inteligenta
artificiala, GRID, wireless, ….
Computer SoftwareComputer SoftwareAplicatiile software contin instructiuni sau
comenzi pe care dorim sa le realizeze calculatorulSisteme de OperareSunt livrate cu calculatorul Asigura o intefata intre utilizator si hardwareContin un grup de programe numite “utilitare”
ce permit realizarea unor functii uzuale : imprimare fisiere, listare fisiereles, copiere pe alt suport (CDROM, DVD, memory stick, etc.
Computer SoftwareComputer SoftwareProcesoare de text - Microsoft Word, Open Office Word
Processor, Latex, desktop publishingSpread Sheet (calcul tabelar) - Excel, Lotus 1-2-3, ….Database Management – Oracle, DB2, ….Computer-Aided Process Engineering – UniSim,
ASPEN Plus, ASPEN HYSYS, PRO II, gPROMS, ...Computer Fluid Dynamics – FLUENT, CFX,…Computer-Aided Design - AutoCAD, ….Solvere - MATLAB, Maple, Mathematica,Mathcad...Limbaje de programareLimbaje masina: cod binar (on/off, open/close, +/-...)Limbaje de asamblareLimbaje de nivel inalt: C++, C, Fortran, Pascal,…
Compilatorul si executia programelorCompilatorul si executia programelorTransferul instructiunilor de limbaj inalt in
limbaj masina inainte de a fi executate de calculator
Program de calcul Compiler
Program in limbaj masina
Link/Load Executie
input
output
compilare linking/loading executie
Executie MATLAB Executie MATLAB Mediu interactiv – nu necesita formal compilare, linking/loading si executie
Script-uri – dezvoltarea si executia de m-files ce contin comenzi MATLAB
Procesul de dezvoltare softwareProcesul de dezvoltare softwarePas 1 – dezvoltare algoritm Dezvoltare logicii de baza a programului
Pas 2 – compunerea programului Scrierea programului in limbajul computerului
Pas 3 – reparare si testare Asigurarea ca programul este fara erori si stabil
Pas 4 - documentare Se realizeaza pentru ca programul sa fie usor de utilizat
Pas 5 – stocare si mentenanta Salvarea programului si imbunatatirea prin acumularea de
experienta
Programare structurataProgramare structurataProiectare modulara subroutine/function apelate de un program principalProiectare de sus in jos (Top-Down)Proces de dezvoltare sistematica care incepe cu
formularile generale ale obiectivului programului si apoi se divizeaza succesiv in segmente din ce in ce mai detaliate
Programare structurataAre scopul de a asigura dezveloltarea programului
astfel ca sa fie usor de inteles, de corectat si de modificat
Programare structurataProgramare structurataStilul ideal de programare este cel Structurat Structurat
sau ModularModular Un obiectiv major este sectionat in sarcini mai
miciSe dezvolta un modul pentru fiecare sarcinaUn modul are o singura intrare si o iesireModulele se pot utiliza repetatO subroutina subroutina poatepoate contine cateva module
Un Program structurat pentru a Un Program structurat pentru a construi un apartament complexconstrui un apartament complex•Excavare•Fundatia•Subrutina de etaj - etaj 1•Subrutina de etaj - etaj 2•Subrutina pentru un dormitor•Subrutina de doua dormitoare•Subrutina bucatarie•Subrutina baie •etc.
Rutina de excavare
Rutina Fundatie
Rutina realizare cofraj
Rutina de dormitor
Rutina realizare cofrajRutina realizare cofraj• masurare lemn• taiere lemn• asamblare piese• asezare cofraj• se asambleaza cofraje
Fiecare din acestea poate avea subrutine
Proiectare ModularaProiectare Modulara
Subroutinele sunt apelate de un program Subroutinele sunt apelate de un program principal principal
Proiectarea algoritmuluiProiectarea algoritmului Secventa de pasi logici necesari sa se Secventa de pasi logici necesari sa se
realizeze o sarcina specifica (rezolvarea unei realizeze o sarcina specifica (rezolvarea unei probleme)probleme)
Fiecare pas sa fie determinatProcesul sa se termine intr-un numar finit de pasi Un algoritm nu poate ramane deschisAlgoritmul trebuie sa fie suficient de general
pentru a satisface orice situatie logica
Metodologia de rezolvare Metodologia de rezolvare a problemelor ingineresti a problemelor ingineresti
Formularea clara a problemeiDescrierea informatiei privind intrarile si iesirile (I/O)
(read/write)Se face un exemplu de mana pentru problema dataSe realizeaza algoritmulSe dezvolta metoda de rezolvare cu MATLAB Depanare si testareRealizarea documentatiei