ІНТЕГРАЦІЯ СУЧАСНИХ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ У МОДЕЛЮВАННЯ ТА АНАЛІЗ: ПОРІВНЯЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕПЛОВИКОРИСТАННЯ У ПРОЦЕСІ ВИПАРЮВАННЯ БІНАРНОЇ СУМІШІ
DOI:
https://doi.org/10.20998/2079-0821.2025.02.14Ключові слова:
інформаційні технології, хімічна інженерія, Microsoft Excel, MathCAD, DWSIM, симуляція процесів, випаровування, математичне моделювання, імітаційне моделювання, інтегровані навчальні технологіїАнотація
У статті розглянуто можливості сучасних інформаційних технологій у хімічній інженерії шляхом порівняння трьох програмних інструментів – табличного редактора Microsoft Excel, системи комп’ютерної алгебри MathCAD та симулятора хіміко-технологічного обладнання з відкритим кодом DWSIM. У якості демонстраційного прикладу використано задачу випаровування бінарної суміші етанол-вода при атмосферному тиску з варіюванням мольної частки етанолу. Для кожного інструменту реалізовано однаковий набір розрахунків, що включав визначення температури кипіння, ентальпії пароутворення, теплоємності суміші, масової витрати випаруваної частини та повного теплового навантаження, яке складається з чутливої та прихованої складових. У Microsoft Excel сформовано розрахункову таблицю з п’ятдесятьма рядками (наборами) даних, закладено формули для автоматичного оновлення при зміні констант та побудовано графіки ключових залежностей. MathCAD дозволив відтворити ті самі рівняння у традиційній математичній нотації та забезпечив побудову аналогічних залежностей між розрахованими характеристиками. DWSIM використано для моделювання за допомогою термодинамічного пакета NRTL та схемних елементів, які відтворюють процеси нагрівання до точки кипіння та часткового випаровування, з подальшим зведенням ітераційних розрахунків до табличного виду. Порівняння показало високу збіжність результатів: відмінності між Microsoft Excel і DWSIM не перевищували кількох відсотків і пояснювалися використанням спрощених кореляцій у першому випадку та точних моделей у другому. Встановлено, що Microsoft Excel зручний для швидких розрахунків та візуалізації даних, MathCAD – для прозорого подання формул, особливо у навчальних цілях, а DWSIM – для більш детальних інженерних симуляцій з підвищеною точністю. Зроблено висновок про доцільність комбінованого застосування цих програм: таблиці та прості моделі можуть служити основою для навчання й надання попередніх оцінок, а професійні симулятори – для перевірки, уточнення та деталізації результатів. Представлений підхід має значну освітню цінність та може використовуватися як методологічний міст між базовим професійним навчанням при отриманні вищої освіти та сучасною інженерною практикою.
Посилання
Ferreira E.C., Lima R., Salcedo R. Spreadsheets in Chemical Engineering Education – A Tool in Process Design and Process Integration. – International Journal of Engineering Education. – Vol. 20. – No. 6. – 2004. – pp. 928-938. https://scispace.com/pdf/spreadsheets-in-chemical-engineering-education-a-tool-in-3rx6f4wkb3.pdf
Cuadri A., Martín-Alfonso J.E., Urbano J. Using Mathcad to facilitate the design of chemical reactors involving multiple reactions. Computer Applications in Engineering Education. – Vol. 28. – 2019. – p. . https://doi.org/10.1002/cae.22192.
DWSIM – Literature: “Modeling of chemical processes using commercial and open-source software: A comparison between Aspen Plus and DWSIM”. DWSIM Wiki/studies. https://dwsim.org/wiki/index.php?title=Literature.
Mariano Martín, Luis Martín de Juan. EXCEL® for Chemical Engineering. 2nd Edition. – CRC Press, 2019. – 66 p. https://doi.org/10.1201/9780429451010-3.
Karimi Amir. Application of Excel in Solving Heat Exchanger Problems. – 2008 GSW, 2021. – #38540. https://doi.org/10.18260/1-2-370-38540.
Cuadri A., Gallego R., Martín-Alfonso M. J. et al. A Mathcad-based educational experience to address the design of nonisothermal plug flow reactors. – Computer Applications in Engineering Education. – Vol. 30, is. 4. – 2022. – pp. 1145-1160. https://doi.org/10.1002/cae.22509.
McClain S. A MathCAD Function Set for Solving Thermodynamics Problems. – ASEE Annual Conference and Exposition, Conference Proceedings. – 2006. – pp. 11.65.1 – 11.65.19. https://doi.org/10.18260/1-2--25
McClain S.T. Advanced Thermodynamics Applications Using Mathcad. // Proceedings of the ASME 2009 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Vol. 6: Emerging Technologies: Alternative Energy Systems; Energy Systems: Analysis, Thermodynamics and Sustainability. Lake Buena Vista, Florida, USA. November 13–19, 2009. pp. 275-287. https://doi.org/10.1115/IMECE2009-11313.
Bonanni S., Melloni T., Tomba J.P. Simplifying the calculation of residual properties using numerical methods. – Education for Chemical Engineers. – Vol. 50. – 2025. – pp. 25-31. https://doi.org/10.1016/j.ece.2024.12.001.
Andreasen A. Evaluation of an Open-source Chemical Process Simulator Using a Plant-wide Oil and Gas Separation Plant Flowsheet Model as Basis. – Periodica Polytechnica Chemical Engineering. – Vol. 66. – 2022. – pp. 503-511. https://doi.org/10.3311/PPch.19678.
Chantasiriwan S. Simulation and Optimization of Vapor Absorption Refrigeration System Using Dwsim. – Chemical Engineering Transactions. – Vol. 100. – 2023. – pp. 613-618.
https://doi.org/10.3303/CET23100103.
Ullah K., Ul Haq Z., Arshad M. Comparative analysis of chemical process simulation using open-source and commercial software. 6th International conference on Sustainability in Process Industry (SPI-2022). – GIK, Pakistan. – 2022. – p. 1-9.
Tangsriwong K., Lapchit P., Kittijungjit T. et al. Modeling of chemical processes using commercial and open-source software: A comparison between Aspen Plus and DWSIM. – IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – Vol. 463. – #012057. https://doi.org/10.1088/1755-1315/463/1/012057.
Roman C., Delgado M., García-Morales M. Using process simulators in Chemical Engineering education: Is it possible to minimize the “black box” effect? – Computer Applications in Engineering Education. – Vol. 28(5). – 2020. – pp. 1369-1385. https://doi.org/10.1002/cae.22307
Suthar K., Joshipura M.H. The Integrative Approach of Learning Chemical Engineering Thermodynamics by Using Simulation-Based Exercises. – Education for Chemical Engineers. – Vol. 45. – 2023. – pp. 122-129. https://doi.org/10.1016/j.ece.2023.09.001
