Integration of modern information technologies into modelling and analysis: comparative study of heat-energy duty in binary mixture evaporation process

Abstract

The article examines the potential of modern information technologies in chemical engineering through a comparative analysis of three software tools – the spreadsheet editor Microsoft Excel, the computer algebra system MathCAD, and the open-source process simulator DWSIM. As a demonstrative case, the evaporation of a binary ethanol-water mixture at atmospheric pressure with varying mole fraction of ethanol was selected. An identical set of calculations was implemented in each environment, including determination of boiling temperature, enthalpy of vaporization, mixture heat capacity, mass flow rate of the evaporated fraction, and the total heat duty composed of sensible and latent components. In Microsoft Excel, a calculation table with fifty rows (sets) of data was prepared, formulas for automatic updating upon parameter changes were embedded, and charts of key dependencies were constructed. MathCAD reproduced the same equations in traditional mathematical notation and enabled the plotting of equivalent relationships between the calculated variables. DWSIM was employed for modeling with the NRTL thermodynamic package and flowsheet elements representing heating to the boiling point and partial evaporation, followed by exporting iterative calculations into tabular form. 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.