CC BY
53
УДК. 378.1
https://doi.org/10.24412/2226-2296-2021-1-2-14-17
I
I
Математическое моделирование в химико-технологических процессах и подготовке инженеров: история и современность
Э.К. Ахтямов1, А.М. Шаммазов1, С.Н. Гусейнова1, А.О. Шемяков2
1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия E-mail: [email protected]
E-mail: [email protected] E-mail: [email protected]
2 Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, Москва, Россия E-mail: [email protected]
Резюме: В статье проводится идея о связи математики с естественно-научными и инженерно-техническими решениями. Раскрыты возможности математики в прогнозировании природных химических процессов и использовании прогнозов в целях достижения практических инженерных результатов. Математическое моделирование рассматривается как важнейшая форма осмысления, объяснения и оптимизации исследовательских и производственных процессов в их взаимосвязи и развития на математической основе современного моделирующего научного мышления специалистов и студентов.
Ключевые слова: математизация образования, математическое моделирование, квантовая химия, время, свойства объекта, изменения, расчеты в исследованиях, процессы производства, компьютеры и компьютерное обеспечение. Для цитирования: Ахтямов Э.К., Шаммазов А.М., Гусейнова С.Н., Шемяков А.О. Математическое моделирование в химико-технологических процессах и подготовке инженеров: история и современность // История и педагогика естествознания. 2021. № 1-2. С. 14-17.
□01:10.24412/2226-2296-2021-1-2-14-17
Благодарность: Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта по гранту 19-29-07471 мк.
MATHEMATICAL MODELING IN CHEMICAL-TECHNOLOGICAL PROCESSES AND TRAINING OF ENGINEERS: HISTORY AND MODERNITY Eric K. Akhtyamov1, Ayrat M. Shammazov1, Saadet N. Guseynova1, Aleksandr O. Shemyakov2
1 Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia E-mail: [email protected]
E-mail: [email protected] E-mail: [email protected]
2 Moscow Aviation Institute (National Research University) E-mail: [email protected]
Abstract: The article presents the idea of the connection of mathematics with natural science and engineering solutions. The possibilities of mathematics in predicting natural chemical processes and using forecasts in order to achieve practical engineering results are revealed. Mathematical modeling is considered as the most important form of understanding, explaining and optimizing research and production processes in their interrelation and developing modern modeling scientific thinking of specialists in students on a mathematical basis. Keywords: mathematization of education, mathematical modeling, quantum chemistry, time, object properties, changes, calculations in research, production processes, computers and computer software.
For citation: Akhtyamov E.K., Shammazov A.M., Guseynova S.N., Shemyakov A.O. MATHEMATICAL MODELING IN CHEMICAL-TECHNOLOGICAL PROCESSES AND TRAINING OF ENGINEERS: HISTORY AND MODERNITY. History and Pedagogy of Natural Science. 2021, no. 1-2, pp. 14-17.
Ш:10.24412/2226-2296-2021-1-2-14-17
Acknowledgments: The reported study was funded by RFBR ac- cording to the research project No 19-29-07471 mk.
Если гуманитаризация выражает обращение содержания деятельности инженера к экологическим (в том числе имеется в виду экология человека), эстетическим, социокоммуникационным смыслам, усиливая при этом историко-специальные компоненты подготовки и выводя из исторических данных факторы и условия достижения многосторонней эффективности в деятельности современного специалиста техносферы, то математизация инженерного образования и математическое моделирование в нем предполагают формирование у будущих инженеров действенного аппарата решения инженерных задач.
Математизация означает приведение содержания дисциплины «Высшая математика» к потребностям инженерных специалистов, а не просто раскрытие математических знаний самих по себе, что в значительной степени снижает их ценность для студентов и усложняет их понимание. Математизация предполагает создание содержания математической подготовки, соединяющего фундаментальные математические знания с типами инженерных задач и раскрывающего возможности их решения. Это существенно усиливает практическую ориентацию математической подготовки и подводит фундаментальную математическую
История и педагогика естествознания
1-2 • 2021
базу под подготовку в рамках собственно инженерной составляющей.
Развитие математического образования в вузе соответствует Концепции развития математического образования в Российской Федерации, утвержденной Распоряжением правительства Российской Федерации от 24.12.2013 г. № 2506-р.
Математизация также связана с раскрытием инженерно-технических и естественно-научных дисциплин в математическом ключе. Вопросы оптимизации, моделирования, инструментализации, расчета и конструирования, автоматизации, экономики производства и управления связаны с математическим языком обучения и математической интерпретацией содержания естественно-научных и научно-технических дисциплин. Математика является теоретической основой объяснения естественных и технических процессов производства. Основой систем управления является прикладная математика, методы математического моделирования, математической оптимизации, заключающиеся в представлении свойств объекта с помощью математических моделей. Это и составляет объединение многопрофильной специализации в модули математизации.
В начале второй половины прошлого столетия было дано строго количественное определение скорости реакции как изменения количества превращающегося вещества за единицу времени. Вслед за этим были установлены основные типы зависимости скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ, температуры и других факторов, влияющих на ход химического превращения. Бурный рост химической промышленности в послевоенные годы обусловил пересмотр способов исследования и оптимизации химико-технологических процессов. Применявшиеся ранее для изучения многофакторных химических процессов однофакторные методы не гарантировали оптимальности разработанных режимов, требовали длительного времени, давали недостаточное количество информации об изучаемом объекте. Все это стало причиной быстрого развития и внедрения в практику статистических методов планирования экстремальных экспериментов. При решении основных задач химических технологий необходимо полное использование целевых продуктов, что достигается проведением химических реакций с рециркуляцией.
Особенно интересны также последние возможности физической химии, которая является симбиозом химии, физики и математики. Современная квантовая химия объясняет, как устроен микромир на молекулярном уровне, и позволяет с достаточно высокой степенью достоверности производить численный прогноз. Этот новый метод физической химии дал возможность одним расчетом получить структурные химические, физические и термодинамические параметры. Современное развитие науки сделало такой прогноз практически доступным широкому кругу исследователей разных направлений.
Математизация обеспечивает повышение уровня исследований и позволяет через вычислительную технику благодаря информационным и цифровым технологиям получать достаточно глубокие и достоверные объяснения результатов экспериментов порой даже до их осуществления. Применение системы автоматического проектирования в проектных и научно-исследовательских институтах, конструкторских бюро обусловлено широким внедрением средств вычислительной техники и прикладного математического обеспечения. Химические реакции и процессы подвергаются исследованиям с использованием математических методов, позволяющих получать более объективные и достоверные результаты, объясняющие пути получения важнейшей продукции.
Основным понятием метода математического моделирования является понятие математической модели. Математической моделью называется приближенное описание какого-либо явления или процесса внешнего мира, выраженное с помощью математической символики. Математическое моделирование включает три взаимосвязанных этапа: составление математического описания изучаемого объекта; выбор метода решения системы уравнений математического описания и реализации его в форме моделирующей программы; установление соответствия (адекватности) модели объекту.
На этапе составления математического описания предварительно выделяют основные явления и элементы в объекте и затем устанавливают связи между ними. Далее для каждого выделенного элемента и явления записывают уравнение (или систему уравнений), отражающее его функционирование. Кроме того, в математическое описание включают уравнение связи между различными выделенными явлениями. В зависимости от процесса математическое описание может быть представлено в виде системы алгебраических, дифференциальных, интегральных и ин-тегро-дифференциальных уравнений. Именно математические расчеты или эксперименты устанавливают оптимальные технологические параметры реакций.
Функционирование связано со временем. Представление о том, что химическая реакция протекает во времени, возникло уже у первых химиков, сознательно наблюдавших химические явления. Сосредоточив свое внимание на конечном этапе реакции, они рассматривали время как фактор, необходимый для превращения исходного вещества в конечный продукт. Меняя условия проведения процесса -например, интенсивно или умеренно нагревая сосуд с превращаемым веществом, - можно было заметить, что в зависимости от этих условий реакция протекает быстрее или медленнее, с большей или меньшей скоростью.
«Химия - наука об изменениях, происходящих в смешанном теле, поскольку оно смешанное» - эти слова были написаны более 200 лет назад основоположником научной химии М.В. Ломоносовым в его знаменитой работе «Элементы математической химии». Как видим, еще на заре развития науки химии было высказано мнение о значении математики в этой науке. А спустя 100 с лишним лет после М.В. Ломоносова другой великий русский ученый-химик, Д.И. Менделеев, в своем известном труде «Основы химии» дал такое определение этой науке: «Ближайший предмет химии составляет изучение однородных веществ, из сложения которых составлены все тела мира, превращений их друг в друга и явлений, сопровождающих такие превращения». Это определение сущности одной из основных естественных наук подчеркивает различие между так называемыми химической статикой и химической динамикой.
Химическая статика включает изучение строения молекул вещества и химическую термодинамику. Химическая динамика, или, как теперь говорят, химическая кинетика - это наука о химическом превращении, химическом процессе.
Ход химических реакций контролируется многими способами. Можно следить за накоплением во времени конечного продукта реакции или убыли количеств исходных веществ. Обычно эти зависимости изображаются графически в виде так называемых кинетических кривых реакции. Иногда в процессе реакции наблюдают, как изменяется во времени какое-нибудь из свойств реагирующей смеси, например окраска, электропроводность, спектр или давление (в случае взаимодействия газообразных веществ) и т.п. Изменение свойств во времени также представляется в виде кинетической кривой. Проблемы дальнейшего совершенствования химической промышленности требуют правиль-
1-2■2021
История и педагогика естествознания
ного и рационального решения многих задач химической технологии. Главная из них - получить целевые продукты с максимальным выходом при полном использовании исходного сырья.
Математическая химия - одно из важных направлений, можно сказать, современных физико-химических методов регистрации, определения и получения информации и параметров атомов, молекул и систем химических продуктов. Поэтому актуальным и является применение вычислительно-математических методов компьютерной химии, не требующих затрат на разделение смесей, экспериментальное оборудование и реактивы для проведения исследований. Такие неэмпирические и полуэмпирические квантово-хими-ческие методы позволяют проводить расчеты параметров, которые сложно, а в некоторых случаях невозможно определить в ходе экспериментов. К таким параметрам относятся, например, энтальпия, энтропия, теплоемкость многих сложных гетероатомных химических соединений, присутствующих в нефти и битумах, дипольные моменты (не для всех известных соединений их можно найти в справочной литературе), энергия взаимодействия молекул в одноком-понентных и многокомпонентных системах.
Методы компьютерной химии успешно применяются для изучения механизма физико-химических процессов, протекающих при добыче и переработке нефти, значительно ускоряя получение результатов по сравнению с экспериментальными исследованиями и не уступая им в точности. Это дает возможность сократить время, необходимое для оптимального планирования экспериментов, проверки и подтверждения результатов расчетов, а затем и для принятия решений о направлениях совершенствования технологий нефтегазодобывающей и нефтегазоперерабатывающей промышленности.
Квантовая химия в настоящее время стала важной частью любого химического исследования. Сегодня в науке выделяют новый раздел «Компьютерная химия», в котором
осуществляются решения сложных химических задач расчетными методами. Дешевизна расчетов делает квантовые химические расчеты конкурентоспособными по сравнению с экспериментами.
Сегодня возможно осуществлять расчеты многих характеристик органических соединений, в том числе нестабильных, а также переходных состояний. По термохимическим стандартам точность данных расчетов получается вполне удовлетворительной. Поэтому квантово-химические расчеты в настоящее время используются в качестве одного из физико-химических методов исследования для получения данных, необходимых для установления механизмов сложных органических реакций. В принципе квантовая механика и статистическая физика дают исчерпывающее объяснение любым экспериментальным данным о реакционной способности органических соединений и позволяют предсказать возможные направления реакций.
Но для реализации этих возможностей необходимо располагать мощными, быстродействующими ЭВМ. Развитие их особенно бурно происходило уже в 1970-1980 годы и сегодня достигло значительных высот. Компьютерное оборудование весьма доступно. С другой стороны, имеется и весьма мощное программное обеспечение для проведения расчетов, которое и упростило доступ к квантовым исследованиям самым разным категориям специалистов и столь же широкое использование результатов.
Благодаря квантовой химии были разработаны достаточно эффективные полуэмпирические и неэмпирические варианты метода молекулярных орбиталей, которые можно использовать для изучения реакционной способности больших молекул, представляющих интерес не только для органической химии, но и для биохимии. С их помощью удается установить, какие факторы определяют направление и относительный выход продуктов реакции, а также получить недоступную для эксперимента информацию о геометрии и электронной структуре переходных состояний.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Мовсумзаде Э.М. Математизация, гуманитаризация, информационные технологии, педагогика и психология в многоступенчатом образовательном процессе // История и педагогика естествознания. 2017. № 3. С. 22-26.
Черноглазкин С.Ю., Пушина Л.А., Мовсумзаде Э.М, Балыхин М.Г. Гуманитарно-ориентированная подготовка специалистов легкой промышленности: методологическое введение // История и педагогика естествознания. 2016, № 1. С. 9-13.
Черноглазкин С.Ю., Пушина Л.А., Кобраков К.И. и др. Гуманитарно-смысловое моделирование подготовки инженерно-промышленных кадров: ведущие принципы // История и педагогика естествознания. 2016. № 3. С. 16-19. 4. Бахтизин Р.Н., Шемяков А.О., Керимов В.Ю. и др. Курс «История специальности» как реализация гуманитаризации технического образования // История и педагогика естествознания. 2016. № 4. С. 9-16.
Бахтизин Р.Н., Шемяков О.Н., Керимов В.Ю., Мовсумзаде Э.М. Подготовка кадров в области гуманитарного моделирования // История и педагогика естествознания. 2017. № 1. С. 6-11.
Мовсумзаде Э.М., Мамедов М.Г., Шихиев И.А. Хлорирование ацетонитрила // Химическая промышленность. 1977. Т. 54. № 9. С. 662-665. Мовсумзаде Э.М., Заидов Г.Ю., Мамедов М.Г. и др. Изучение процесса хлорирования метакриловой кислоты // Изв. вузов. Химия и хим. технология, 1976. Т. 19. № 12. С. 1888-1892.
Шаммазов А.М., Бахтизин Р.Н., Мастобаев Б.Н. и др. История нефтегазового дела России. М.: Химия, 2001. 315 с. Мовсумзаде Э.М., Сыркин А.М. От древней химии до современной нефтепереработки. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2000. 211 с.
10.Мовсум-заде Н.Ч. Методы синтеза, статистическое планирование, рециркуляция и квантовая химия С2-С4-нитрилов. М.: Химия, 2011. 153 с.
11.Мовсум-заде Н.Ч. Математические методы в нефтегазохимии. М.: Химия, 2012. 235 с.
12.Таликов М.Р., Мовсум-заде Н.Ч., Талипов Р.Ф., Мовсумзаде Э.М. Квантово-химическое исследование органических нитрилов и их комплексов. М.: Химия, 2010. 238 с.
13. Шредингер Э. Избранные труды по квантовой механике. М.: Наука, 1976. 422 с.
14. Вернадский В.И. Научная мысль как планетное явление. М.: Наука, 1991. 270 с.
15. Нигматулин Р.И. Мелкомасштабные течения и поверхностные эффекты в гидродинамике многофазных сред // Прикладная математика и механика, 1971. Т. 35. № 3. С. 451-463.
16. Хасанов И.И., Логинова Е.А., Полетаева О.Ю. Регистрация, контроль и управление в нефтепереработке и нефтехимии, основные параметры управления процессами // НефтеГазоХимия. 2017. № 3. С. 25-27.
17. Колчина Г.Ю., Мовсум-заде Н.Ч., Бахтина А.О., Мовсумзаде Э.М. Квантовая химия - перспективы и достижения // НефтеГазоХимия. 2016. № 1. С. 51-60.
18. Александрова Г.Ю., Мовсум-заде Н.Ч., Махмутова Р.М. Математическое оформление квантово-химических расчетов // История науки и техники. 2011. № 8. С. 14-21.
19. Мовсумзаде Э.М. Гуманитаризация инженерно-технического образования. М.: Современный университет, 2007. 99 с.
20. Агамова Н.С., Аллахвердян А.Г., Арутюнов В.С. и др. Наука в России. От настоящего к будущему. М.: Либроком, 2009. 506 с.
21. Бахтизин Р.Н., Гюльмалиев А.М., Пахомов С.И., Мовсум-заде Н.Ч. Математические методы в нефтегазохимическом комплексе. М.: ОБРАКАДЕМНАУКА, 2016. 200 с.
22. Бахтизин Р.Н., Шемяков А.О., Мовсум-заде М.Э. Математические методы в экономике нефтегазохимических производств. М.: ОБРАКАДЕМНАУКА, 2016. 158 с.
16)
История и педагогика естествознания
1-2 • 2021
REFERENCES
1. Movsumzade E.M. Mathematization, humanization, information technology, pedagogy and psychology in a multi-stage educational process. Istoriya i pedagogikayestestvoznaniya, 2017, no. 3, pp. 22-26 (In Russian).
2. Chernoglazkin S.YU., Pushina L.A., Movsumzade E.M, Balykhin M.G. Humanitarian-oriented training of specialists in light industry: methodological introduction. Istoriya i pedagogika yestestvoznaniya, 2016, no. 1, pp. 9-13 (In Russian).
3. Chernoglazkin S.YU., Pushina L.A., Kobrakov K.I. Humanitarian and semantic modeling of training of engineering and industrial personnel: leading principles. Istoriya i pedagogika yestestvoznaniya, 2016, no. 3, pp. 16-19 (In Russian).
4. Bakhtizin R.N., Shemyakov A.O., Kerimov V.YU. The course "History of the specialty" as the implementation of the humanitarization of technical education. Istoriya i pedagogika yestestvoznaniya, 2016, no. 4, pp. 9-16 (In Russian).
5. Bakhtizin R.N., Shemyakov O.N., Kerimov V.YU., Movsumzade E.M. Training of personnel in the field of humanitarian modeling. Istoriya ipedagogika yestestvoznaniya, 2017, no. 1, pp. 6-11 (In Russian).
6. Movsumzade E.M., Mamedov M.G., Shikhiyev I.A. Chlorination of acetonitrile. Khimicheskayapromyshlennost', 1977, vol. 54, no. 9, pp. 662-665 (In Russian).
7. Movsumzade E.M., Zaidov G.YU., Mamedov M.G. The study of the process of chlorination of methacrylic acid. Izv. vuzov. Khimiyaikhim. tekhnologiya, 1976, vol. 19, no. 12, pp. 1888-1892 (In Russian).
8. Shammazov A.M., Bakhtizin R.N., Mastobayev B.N. Istoriya neftegazovogo dela Rossii [History of oil and gas business in Russia]. Moscow, Khimiya Publ., 2001. 315 p.
9. Movsumzade E.M., Syrkin A.M. Ot drevney khimii do sovremennoy neftepererabotki [From ancient chemistry to modern oil refining]. Ufa, UGNTU Publ., 2000. 211 p.
10. Movsum-zade N.CH. Metody sinteza, statisticheskoye planirovaniye, retsirkulyatsiya i kvantovaya khimiya Co-C4-nitrilov [Synthesis methods, statistical planning, recycling and quantum chemistry of C2-C4-nitriles]. Moscow, Khimiya Publ., 2011. 153p.
11. Movsum-zade N.CH. Matematicheskiye metody vneftegazokhimii [Mathematical methods in oil and gas chemistry]. Moscow, Khimiya Publ., 2012. 235 p.
12. Talikov M.R., Movsum-zade N.CH., Talipov R.F., Movsumzade E.M. Kvantovo-khimicheskoye issledovaniye organicheskikh nitrilovi ikh kompleksov [Quantum-chemical study of organic nitriles and their complexes]. Moscow, Khimiya Publ., 2010. 238 p.
13. Shrodinger E. Izbrannyye trudypo kvantovoy mekhanike [Selected works on quantum mechanics]. Moscow, Nauka Publ., 1976. 422 p.
14. Vernadskiy V.I. Nauchnaya mysl' kakplanetnoye yavleniye [Scientific thought as a planetary phenomenon]. Mosocw, Nauka Publ., 1991. 270 p.
15. Nigmatulin R.I. Small-scale currents and surface effects in fluid dynamics of multiphase media. Prikladnaya matematika i mekhanika, 1971, vol. 35, no. 3, pp. 451-463 (In Russian).
16. Khasanov I.I., Loginova YE.A., Poletayeva O.YU. Registration, monitoring and control in the refining and petrochemical industry, the main parameters of the process control. NefteGazoKhimiya, 2017, no. 3, pp. 25-27 (In Russian).
17. Kolchina G.YU., Movsum-zade N.CH., Bakhtina A.O., Movsumzade E.M. Quantum chemistry - perspectives and achievements. NefteGazoKhimiya, 2016, no. 1, pp. 51-60 (In Russian).
18. Aleksandrova G.YU., Movsum-zade N.CH., Makhmutova R.M. Mathematical design of quantum-chemical calculations. Istoriya nauki i tekhniki, 2011, no. 8, pp. 14-21 (In Russian).
19. Movsumzade E.M. Gumanitarizatsiya inzhenerno-tekhnicheskogo obrazovaniya [Humanitarization of engineering and technical education]. Moscow, Sovremennyy universitet Publ., 2007. 99 p.
20. Agamova N.S., Allakhverdyan A.G., Arutyunov V.S. Nauka v Rossii. Ot nastoyashchego k budushchemu [Science in Russia. From the present to the future]. Moscow, Librokom Publ., 2009. 506 p.
21. Bakhtizin R.N., Gyul'maliyev A.M., Pakhomov S.I., Movsum-zade N.CH. Matematicheskiye metody vneftegazokhimicheskom komplekse [Mathematical methods in the petrochemical complex]. Moscow, OBRAKADEMNAUKA Publ., 2016. 200 p.
22. Bakhtizin R.N., Shemyakov A.O., Movsum-zade M.E. Matematicheskiye metody vekonomike neftegazokhimicheskikh proizvodstv [Mathematical methods in the economics of petrochemical industries]. Moscow, OBRAKADEMNAUKA Publ., 2016. 158 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Ахтямов Эрик Касимович, помощник президента, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Шаммазов Айрат Мингазович, д.т.н., проф., академик АН Республики Башкортостан, президент, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Гусейнова Саадет Назимовна, к.т.н., н.с., Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Шемяков Александр Олегович, к.т.н., доцент, начальник управления инноваций, стратегии и коммуникаций, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет).
Eric K. Akhtyamov, President "s assistant, Ufa State Petroleum Technological University.
Ayrat M. Shammazov, Dr. Sci. (Tech.), Prof., Academician of the Academy of Sciences of the Republic of Bashkortostan, President, Ufa State Petroleum Technological University.
Saadet N. Guseynova, Cand. Sci. (Tech.), Researcher, Ufa State Petroleum Technical University.
Aleksandr O. Shemyakov, Cand. Sci. (Tech.), Associate Prof., Head of Innovation, Strategy and Communications Department, Moscow Aviation Institute (National Research University).
1-2 • 2021
История и педагогика естествознания
