Введение к работе
Актуальность темы. При исследовании кинетики химических процессов с помощью вычислительного эксперимента первостепенное значение имеет моделирование кинетики процесса и количественное описание скорости протекания сложной химической реакции,а также имитационное моделирование химических технологий.
Для оценивания кинетических констант наиболее распространен нелинейный метод наименьших квадратов, но нередко возникают трудности связанные с "жесткостью" системы дифференциальных уравнений. Статистический анализ полученных результатов обычно приводит к смещенным оценкам.
Учитывая, что константы скорости реакций линейно входят в систему дифференциальных уравнений относительно производных, исследователи пытаются перейти к линейному методу оценивания констант. Для этого систему дифференциальных уравнений каким-либо способом необходимо преобразовать в линейную алгебраическую систему, что также является не простой задачей. Плохая обусловленность соответствующих матриц может встретиться и в линейном случае,но здесь механизм возникновения некорректности решения детально исследован и развиты средства его подавления.При учете специфического вида изучаемых уравнений последнее обстоятельство является весомым доводом в пользу линейных методов.
В диссертационной работе разработан подход к решению кинетической задачи,существенно использующий специфику уравнений кинетики и позволяющий более обоснованно подойти к ее решению.
Состояние исследований в этой области свидетельствует об актуальности данной тематики.
Цель работы. Целью работы является разработка программных средств для моделирования кинетики химических реакций и создание имитаторов химических реакторов,а также применение методики вычислительного эксперимента для исследования и оптимизации каталитических процессов,реализуемых с помощью имитаторов.
Для достижения этой цели были решены следующие задачи:
разработан подход к решению задачи исследования кинетической системы как многоцелевой задачи оптимизации;
алгоритмизировано и программно реализовано дифференциальное преобразование кинетической модели в систему линейных алгебраических уравнений;
алгоритмизирован и программно реализован метод последовательных линейных приближений для решения обратной кинетической задачи;
алгоритмизировано нелинейное оценивание констант скорости на основе метода Маркуардта;
создана имитационная система для моделирования сложных каталитических нестационарных процессов в химических реакторах идеального смешения и идеального вытеснения .
Научная новизна работы.
- программно реализован подход к решению задачи исследования
кинетической системы как многоцелевой задачи оптимизации;
разработан и программно реализован метод последовательнь линейных приближений для оценивания параметров дифференциальнь уравнений и программа нелинейного оценивания констант скорости;
разработано алгоритмическое и программное обеспечение дл исследования жесткости системы дифференциальных уравнений;
разработана программа-имитатор для проведения вычислитель ного эксперимента в периодическом непроточном реакторе идеальног смешения и непрерывном проточном реакторе идеального смешения ил вытеснения.
Практическая значимость. Разработанные программные средств используются для решения прикладных задач по исследованию хими ческой кинетики и оптимизации режимов реакторов на кафедра митхт.
Программы статистического оценивания констант уравнений хи мической кинетики включены в автоматизированную систему научны исследований ВНИИ химической технологии Минатома РФ и депонирова ны в 0<РАП и ГОСФАП.
Программы-имитаторы используются в учебном процессе различ ных кафедр МИТХТ,а также на кафедре процессов и аппаратов Бургас кого Университета (НРБ) и университета г.Бежайя (Алжир).
На защиту выносятся: 1.Методы оценивания констант уравнений химической кинетики н основе линеаризации.
2.Унифицированный комплекс программ оценивания констант скорости включающий исследование системы ОДУ на "жесткость" . 3.Программный тренажер для имитационного моделирования кинетиче ких процессов в химических реакторах на персональных компьютера; 4.Результаты исследования процессов оксихлорирования ацетилена дегидрирования метанола, конденсации диорганосиландиолов с ис пользованием разработанных программ.
Апробация работы. Результаты работы доложены на .'Всесоюзны: научных конференциях по планированию и автоматизации кинетически: исследований (Москва,МЭИ,1980,1983г.г.),8-ом Всесоюзном совещаниі по проблемам управления (Таллин,1980г),4-ой и б-ой Всесоюзны: конференциях "Математические методы в химии(Ереван1982,Новочеркасск 1989г),на международных компьютерных семинарах ( г.Берлиі 1989г.,Алжир 1994 г.),1-ом Микросимпозиуме по химии кремнийорга-нических соединений (Москва,ИНЭОС,1994 г.).
Разработанные в соавторстве программы переданы в Государственный фонд алгоритмов и программ(1976,1977,1987,1989) ,в отраслевой фонд алгоритмов и программ (1995 г.)
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 1! опубликованных статьях и научных отчетах ,6 депонированных в ГОСФОНД АиП и 2 в ОФАП программах.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.