Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из важнейших проблем промышленных технологий является проблема адекватного теоретического описания поведения технологических процессов, позволяющего на основании характеристик исходного сырья и параметров технологического процесса определить показатели качества получаемой продукции. Актуальность этой проблемы при проектировании технологий обусловлена необходимостью обеспечения качества получаемой продукции, оптимизации параметров технологического режима, выявлению способов эффективного управления производственными процессами.
В настоящее время проблема описания поведения технологических процессов, как правило, решается с помощью многочисленных, разрозненных и узкоспециализированных теоретических подходов. Во многом это связано с тем, что при описании процессов в каждой отдельной отрасли промышленности сложилась своя специфическая методологическая база. Единой теоретической основы, которая бы позволяла проводить описание поведения широкого спектра технологических процессов в различных отраслях промышленности, в настоящее время не существует.
Особенно остро стоит проблема описания технологий, основанных на физико-химических процессах, так как оно значительно осложняется их исключительным разнообразием и тем обстоятельством, что механизмы большинства указанных технологий характеризуется высокой степенью сложности. Во-первых, в технологических процессах присутствует широкий круг химических соединений, в том числе находящихся в ионизированном, свободно-радикальном, диссоциированном и других состояниях. Во-вторых, технологические среды могут представлять собой различные сочетания газового, жидкого и твердого агрегатного состояний вещества. В-третьих, основу технологии, зачастую, составляет множество совместно протекающих процессов (газожидкостные фазовые переходы, растворение, кристаллизация, адсорбция на границах раздела фаз, диффузия химических компонентов, разнообразные химические реакции и т.д.), взаимодействие между которыми может приводить к различным слабоизученным системным эффектам в их поведении.
В этой связи актуальной проблемой является необходимость разработки обобщенной теоретической основы, которая позволит с единой методологической позиции рассмотреть широкий круг промышленных технологий, основанных на физико-химических процессах.
Использование традиционного макроскопического (термодинамического) подхода, основанного на концепциях физики сплошных сред, для создания единой теоретической основы оправдано, когда речь идет о системах и процессах, характеризующихся относительно невысокими требованиями к атомно-молекулярной упорядоченности материальных сред (например, в строительной отрасли, легкой промышленности, машиностроении).
Однако для современных технологий, где динамическое изменение структуры вещества за счет возникновения и разрушения структурных связей на атомно-молекулярном уровне составляет основу технологии (например, в химической и нефтегазовой промышленности, технологии создания конструкционных материалов, микро- и нанотехнологиях и т.д.), единая теоретическая основа с одной стороны должна интегрировать в себя методы системного анализа (формализация, структурирование, моделирование и т.д.), а с другой стороны закономерности протекания физико-химических процессов.
Создание обобщенной теоретической основы, базирующейся на системном анализе и атомно-молекулярных представлениях о протекании физико-химических процессов, позволит:
-
с единой методологической позиции рассмотреть широкий круг промышленных технологий, основанных на физико-химических процессах, и получить значения их выходных показателей при различных режимах протекания производственных процессов;
-
создать методы теоретического анализа современных микро- и перспективных нанотехнологий;
-
существенно расширить круг инженерных задач промышленной направленности, решаемых с помощью вычислительных экспериментов;
-
снизить объём предпроектных экспериментальных исследований.
Указанная проблема на сегодняшний день является открытой, и предпосылками для ее решения выступают с одной стороны стремительное увеличение производительности вычислительной техники, а с другой стороны многообразие формальных методов системного анализа.
Таким образом, решение указанной проблематики непосредственно связано с наполнением формальных методов системного анализа физико-химическим базисом, представляющим собой совокупность отдельных процессов на атомно-молекулярном уровне, химических компонентов и взаимосвязей между ними.
Целью диссертационной работы является разработка новой методологии системного анализа для решения проблемы единого теоретического описания промышленных технологий, основанных на физико-химических процессах, и повышения качества решения задач производственной направленности на основе вычислительных экспериментов.
Для достижения поставленной цели автором диссертационной работы были поставлены и решены следующие научные задачи:
-
Разработаны универсальные принципы формального представления элементарных физико-химических процессов, характерных для промышленных технологий, позволяющие провести их интеграцию в рамках системного анализа.
-
Созданы на основе разработанных формальных принципов унифицированные структурные модули элементарных физико-химических процессов и структурных связей между ними, выступающие в качестве элементов для проведения системного анализа.
-
Разработаны принципы взаимодействия структурных модулей элементарных физико-химических процессов в рамках постановки конкретных промышленных задач.
-
Проведена оценка адекватности предложенного метода системного анализа физико-химических систем путем сравнения с результатами классических теоретических подходов и экспериментальными данными.
-
Рассмотрены примеры использования предложенной методологии для конкретных задач, представляющих интерес в различных отраслях промышленности.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Впервые разработан новый метод анализа физико-химических процессов в промышленных технологиях, отличающийся от известных использованием в качестве структурообразующих элементов химических компонентов, элементарных физико-химических процессов и взаимовлияний между ними, позволяющий при решении задач системного анализа промышленных объектов реализовать детализацию вплоть до атомно-молекулярного уровня.
-
Разработан новый принцип формализации элементарных физико-химических процессов, отличающийся от известных их представлением в виде единичных скачкообразных актов перехода частиц из одних устойчивых состояний в другие, который позволяет рассматривать широкий круг разнородных процессов с единой методологической позиции и интегрировать их в рамках системного подхода.
-
Впервые разработаны новые принципы построения эквивалентных схем элементарных процессов, связывающих физико-химическую специфику процессов с представлениями системного анализа, позволяющие формализовать механизмы протекания промышленных технологий на атомно-молекулярном уровне.
-
Установлены основные области практического использования и границы применимости разработанного подхода при анализе физико-химических процессов, характерных для различных отраслей промышленности.
-
Разработан новый метод, позволяющий проводить теоретическое исследование поведения физико-химических процессов, отличающийся от известных использованием вероятностного клеточного автомата, реализующего моделирование элементарных процессов на атомно-молекулярном уровне.
-
Разработаны новые методы, позволяющие определять исходные данные для макроскопического описания промышленных технологий, отличающиеся от известных обработкой информации о состояниях структурных элементов физико-химических процессов на атомно-молекулярном уровне.
-
Построены новые комплексные модели адсорбционных, газожидкостных и гетерогенных химических процессов различной отраслевой направленности, отличающиеся от известных тем, что они основаны на использовании предлагаемой методологии анализа физико-химических процессов, позволяющие описывать различные варианты их поведения.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
-
Предложенный подход позволяет использовать арсенал методов системного анализа при решении практических задач технологического (физико-химического) характера различной отраслевой направленности.
-
Представлены практические примеры использования предложенного подхода для анализа поведения конкретных многокомпонентных гетерофазных процессов, используемых в современных промышленных технологических процессах (химическая промышленность, микроэлектроника и т.д.).
-
Разработанные методика и программный продукт позволяют осуществлять поддержку при принятии решений о структуре физико-химических процессов, определяющих поведение конкретных промышленных технологий.
-
Разработанный подход позволяет выявлять основные факторы, необходимые для совершенствования и эффективного управления физико-химическими процессами в промышленных технологиях.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
метод анализа физико-химических процессов промышленных технологий, основанный на использовании в качестве структурообразующих элементов химических компонентов, элементарных процессов и взаимовлияний между ними.
-
принципы построения эквивалентных схем элементарных физико-химических процессов, отражающих механизмы протекания промышленных технологий.
-
метод вероятностного моделирования поведения физико-химических процессов на атомно-молекулярном уровне, основанный на использовании вероятностного клеточного автомата.
-
Результаты проверки адекватности предложенного подхода к анализу физико-химических процессов в промышленных технологиях.
-
Результаты использования предложенного метода к анализу физико-химических процессов различной промышленной направленности.
Методы исследований. Для достижения поставленной цели использовался системный подход к проблеме, основанный на вероятностном моделировании процессов на атомно-молекулярном уровне методом вероятностного клеточного автомата и статистической обработки полученной информации.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается корректным использованием применяемого математического аппарата, физических и химических закономерностей. Справедливость выводов о корректности результатов вероятностного моделирования подтверждается путем их сравнения с классическими теориями и в ряде случаев с имеющимися в литературе экспериментальными данными многих учёных.
Реализация научных исследований. Полученные в работе результаты были использованы:
при анализе процессов загрязнения поверхности летательных аппаратов (ГНП РКЦ "ЦСКБ-Прогресс", г.Самара);
при исследовании кинетики коррозионных процессов в трубопроводах (нефтяная компания ЗАО "Самара-Нафта", г.Самара).
Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на Международных и Всероссийских конференциях и симпозиумах, в том числе: Всероссийской научной конференции "ЭВТ в обучении и моделировании" – Бирск, 2001; Международном симпозиуме "Компьютерное обеспечение химических исследований" и 3-й Всероссийской школе-конференции по квантовой и вычислительной химии им. В.А.Фока – Новгород Великий, 2001; Международной конференции "Актуальные проблемы современной науки" – Самара, 2001; III Всероссийской конференции "Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии" – Саратов, 2001; Всероссийском симпозиуме "Современные проблемы хроматографии" – Москва, 2002; Второй Всероссийской научно-практической конференции "Нефтегазовые и химические технологии" – Самара, 2003; XVI Симпозиуме "Современная химическая физика" – Туапсе, 2004; 8-й Международной конференции по фундаментальной адсорбции – Аризона, США, 2004; Международной конференции "Углерод в катализе" – Лозанна, Швейцария, 2004; 5-й Международной конференции "Актуальные проблемы современной науки", IX Всероссийской научно-технической конференции "Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании", Всероссийской научной конференции "Переработка углеводородного сырья. Комплексные решения" – Самара, 2009; V Международной научно-практической конференции "Ашировские чтения" – Самара, 2009; VII Международной научно-практической конференции "Ашировские чтения" – Самара, 2010; II Всероссийской научно-практической конференции "Актуальные проблемы машиностроения" – Самара, 2010; 4-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании" – Тюмень, 2010; III Всероссийской научно-практической конференции "Актуальные проблемы машиностроения" – Самара, 2011; 10-й Всероссийской межвузовской научно-практической конференции "Компьютерные технологии в науке, практике и образовании – Самара, 2011.
Публикации. По результатам выполненных в диссертационной работе исследований опубликовано 35 научных работ. Из них 15 работ опубликовано в журналах, рекомендованных ВАК России, получен 1 патент, 19 работ опубликовано в других журналах, материалах международных и всероссийских конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 295 страницах и включает 108 рисунков, 29 таблиц и 2 приложения. Список литературы включает 235 источников.
Похожие диссертации на Методология анализа структурных связей и поведения физико-химических процессов в промышленных технологиях
