Введение к работе
Актуальность темы. Математические и программные средства моделирования химико-технологических систем (ХТС), характерными чертами которых является сложность структуры и многовариантность построения, являются основой оптимального выбора технологических параметров их функционирования Созданные ХТС при эксплуатации должны постоянно модернизироваться, что приводит к необходимости разработки новых и оптимизации существующих технологических систем, повышения их качества и надежности.
Полимеризация — одна из типовых технологий химического производства — является основным процессом при производстве синтетических каучуков, синтетических волокон, пластмасс и т. д. Современные методы моделирования процессов полимеризации направлены на решение таких задач, как проектирование новых химических производств, оптимальное управление процессом, прогнозирование влияния изменений условий эксплуатации, расчет показателей качества конечного продукта и т. п.
Результатом математического моделирования процессов полимеризации во многих случаях является молекулярно-массовое распределение (ММР) полимера— основной качественный показатель получаемого продукта. При моделировании крупнотоннажных производств особое внимание уделяется статическим режимам непрерывных процессов.
Идентификация механизмов полимеризационных процессов
непосредственно связана с исследованием ММР образующихся полимеров. ММР позволяет судить как о кинетической схеме процесса, так и о скоростях отдельных реакций Значительное количество каталитических систем формирует полимерные продукты, ММР которых не может быть описано ни одной из существующих модельных функций, что чаще всего является следствием кинетической неоднородности системы.
Необходимость в многовариантном моделировании технологических процессов многоцентровой полимеризации (с возможностью выбора применяемых реакторов) вызвана тем, что, например, реакторы вытеснения не всегда применимы для реализации непрерывного процесса полимеризации (ввиду сложности организации поддержания температурных режимов и т.д.), также возникает необходимость выявления соответствие реактора вытеснения каскаду реакторов перемешивания по основным качественным параметрам, таким, как: конверсия мономера на выходе, среднемассовая и среднечисленная молекулярная масса, полидисперсность.
Большое количество взаимоувязанных объектов, сложность межсистемного взаимодействия, значительное число вариантов схем с учетом ММР порождает необходимость структурно-молекулярного моделирования химико-технологических систем с последующим выходом на реализацию оптимизационных задач.
Актуальность темы диссертационной работы продиктована необходимостью повышения эффективности сложных химико-технологических
систем многоцентровой полимеризации за счет совершенствования математического, алгоритмического и программного обеспечения систем структурного моделирования, оценки результатов моделирования с целью получения оптимальных характеристик ХТС.
Тематика диссертационной работы соответствует научному направлению ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» «Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы».
Цель работы и задачи исследования. Целью исследования является разработка математических моделей, алгоритмов и методов для исследования непрерывных процессов многоцентровой полимеризации на ионно-координационных каталитических системах.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
с позиций системной методологии провести анализ альтернативных систем математического и структурного моделирования сложных химико-технологических процессов;
разработать новую математическую модель непрерывного процесса многоцентровой полимеризации и провести ее исследования для различных ионно-координационных каталитических систем с целью получения качественных и количественных характеристик протекания процесса и конечного полимера.
разработать алгоритмы, методы и программное обеспечение для численного моделирования и принятия решений для процессов многоцентровой полимеризации;
выявить эквивалентность многоцентровых непрерывных процессов полимеризации в реакторе идеального вытеснения и каскаде реакторов идеального перемешивания,
разработать структуру системы многовариантного моделирования, позволяющую осуществлять численный расчет и оптимизацию структуры батарей и каскадов реакторов непрерывного процесса многоцентровой полимеризации.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:
с использованием метода моментов разработана новая математическая модель непрерывного процесса многоцентровой полимеризации на ионно-координационных каталитических системах;
разработан алгоритм адаптивной подстройки шага частично регуляризированной расчетной сетки для численного решения прямой и обратной задачи непрерывного процесса многоцентровой полимеризации, представленных в виде системы дифференциальных уравнений в частных производных.
разработаны структурные модели непрерывных технологических процессов многоцентровой полимеризации в реакторах идеального вытеснения и каскадах реакторов идеального перемешивания, эквивалентные по основным
параметрам процесса: конверсия мономера, среднечисленной и среднемассовой молекулярных масс полимера, полидисперсности полимера;
- предложена структура системы многовариантного моделирования непрерывного технологического процесса многоцентровой полимеризации, позволяющая производить на основе диалоговых процедур выбор оптимальной структуры и параметров батареи каскадов реакторов.
Практическая значимость работы. Разработанный программный комплекс для исследования процессов многоцентровой полимеризации может быть использован проектными организациями в научных исследованиях и системах управления промышленными процессами полимеризации, а также в учебном процессе.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные алгоритмы и методы, предложенные в диссертации, реализованы и апробированы в виде программной системы многовариантного интерактивного моделирования процесса многоцентровой полимеризации. Система внедрена и используются ВФ ФГУП «НИИСК», а также в учебном процессе ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Региональной научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2002-2004, 2006); Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Социально-экономическое развитие регионов: реальность и перспективы» (Воронеж, 2003); на XI и XII Международных открытых научных конференциях «Современные проблемы информатизации в технике и технологиях» (Воронеж, 2006, 2007); Международной научной конференции «Сложные системы управления и менеджмент качества CCSQM'2007» (Старый Оскол, 2007); Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-20» (Ярославль, 2007).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 25 научных работ, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1, 20, 21, 25]— математическая модель непрерывного процесса многоцентровой полимеризации; [4] - методы структурного моделирования и оптимизации непрерывных технологических процессов многоцентровой полимеризации, [11, 12, 15, 16, 17, 19] -программная реализация графического представления результатов моделирования, [10, 13, 18] - алгоритмы расчета параметров технологических процессов; [14] - подходы к адаптации алгоритмов теории графов для моделирования сложных ХТС; [5, 6, 7, 8, 9] - методы проведения инженерных расчетов; [3] - алгоритм адаптивной подстройки шагов численного дифференцирования, [2, 22, 23, 24] - исследование нейронных сетей в качестве адаптивной модели нелинейных процессов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 87 наименований и приложений. Основная часть работы изложена на 144 страницах, включает 8 таблиц и 68 рисунков.
