CC BY
46
УДК 004.94:66.095.834
А. В. Майстренко, Н. В. Майстренко
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ОСНОВЕ ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ПОДХОДА
Рассматривается возможность применения объектно-ориентированного подхода при создании информационных систем моделирования и проектирования сложных химико-технологических процессов. Построение информационных моделей технологических процессов с использованием объектно-ориентированного подхода включает в себя несколько этапов: построение модели предметной области, создание модели активности системы, формирование информационной модели и создание модели базы данных технологического процесса. В результате итеративного, с пошаговым наращиванием возможностей процесса разработана объектно-ориентированная проектная модель химико-технологической системы, подлежащая дальнейшей кодогенерации. Предложенная схема создания информационных моделей химико-технологических систем была использована при разработке компьютерной среды для моделирования и проектирования процессов тонкого органического синтеза - диазотирования и азосочетания. Построенные в системе информационные модели диазотирования и азосоче-тания позволяют рассчитывать не только параметры состояния химико-технологических процессов, но и определять их качественные показатели. В качестве примера приведены результаты расчета качественных показателей азопигмента. Вычислительные эксперименты, моделирование технологических процессов синтеза азопигментов, исследование их статических режимов, построение областей допустимых режимов функционирования реакторной системы азосочетания позволяют сделать вывод о необходимости постановки и решения задачи по оптимизации технологических режимов процесса синтеза азопигментов. Это позволит не только повысить качество получаемого азопигмента, но и получать азопигмент с заданными качественными и физико-колористическими показателями.
Ключевые слова: объектно-ориентированный подход, информационная модель, химико-технологический процесс, диазотирование, азосочетание.
Введение
Создание новых энерго- и ресурсосберегающих химических производств, разработка их принципиальных технологических схем является сложной задачей, требующей решения целого комплекса проблем: исследования химических процессов, определения их характеристик [1]; разработки технологии; определения числа и типов реакторных систем, входящих в состав проектируемой установки. При этом размеры выбранных реакторных систем должны быть таковыми, чтобы обеспечивать требуемую производительность всей установки в целом.
Однако часто при проектировании аппаратурного оформления химико-технологических процессов (ХТ П) гораздо целесообразнее в процессе решения не находить конструктивные параметры реакторных систем тонкого органического синтеза, а, задаваясь геометрическими размерами соответствующих модулей реакторных систем, определять число модулей. При этом, формируя конфигурацию установки, следует помнить, что совмещение технологического оборудования на стадиях синтеза допустимо лишь в тех случаях, когда оно не приводит к ухудшению качества целевого продукта. Выбор той или иной структуры установки во многом определяется и набором требований, предъявляемых к ней, и задачами, для решения которых она предназначена.
Автоматизированная разработка принципиальных технологических схем новых энерго-и ресурсосберегающих химических производств может быть реализована с применением современных компьютерных систем математического моделирования, оптимизации и проектирования, которые дают возможность всесторонне анализировать сложные процессы, ситуации и проекты, перебирать множество вариантов и в результате синтезировать рациональные решения. При этом ускоряется процесс исследований и разработок, сокращаются затраты на реализацию проектов, необходимый результат достигается неразрушающими и природосберегающими методами.
Для разработки подобных компьютерных систем существует два основных подхода, принципиальное различие между которыми обусловлено разными способами декомпозиции систем: структурный подход (structured approach) и объектно-ориентированный подход (object-oriented approach) [2].
Опыт разработки программ, которые подлежат модификации в условиях изменяющихся требований (именно к такому типу программ относятся программные комплексы моделирования ХТ11) выявил приоритетность объектно-ориентированных технологий для данного класса систем [2]. Следует подчеркнуть, что вероятность получения устойчивой модульной структуры возрастает при переносе основного акцента в разработке программного комплекса с программирования на проектирование. В такой ситуации целью анализа и проектирования информационной системы являются создание устойчивой ее архитектуры, разработка подробного проекта на основе имеющихся требований и адаптация проекта к среде реализации. Подход, принятый в объектно-ориентированном анализе и проектировании, ведет к объединению системного анализа с процессом логического проектирования и, благодаря их применению в течение всего жизненного цикла разработки, позволяет преодолеть проблемы трассировки между моделями системы.
Моделирование предметной области химико-технологических процессов
Рассмотрим построение с помощью объектно-ориентированного подхода информационных моделей непрерывных технологических процессов диазотирования и азосочетания синтеза азопигментов [3], реализованное в интерактивной системе компьютерного моделирования и оптимального проектирования процессов и аппаратов тонкого органического синтеза.
Кратко технологический процесс производства азопигментов можно описать следующим образом. Предварительно подготовленные исходные реагенты (соляно-кислая суспензия амина и раствор нитрита натрия) при помощи регулируемых насосов непрерывно подаются в реакторную систему диазотирования. Диазосоединение, полученное в результате реакции диазотирования, непрерывно поступает в реакторную систему азосочетания вместе с азосоставля-ющей (2-нафтол), щелочным агентом (раствор соды) и наполнителем. Образовавшаяся суспензия азопигмента собирается в накопительной емкости для последующей отправки на фильтрацию, сушку и размол.
Первым этапом моделирования является построение модели предметной области в виде диаграммы классов без указания атрибутов операций и кратности ассоциаций (связей), являющейся одновременно и диаграммой статической модели химико-технологической системы (рис. 1).
Рис. 1. Диаграмма классов процессов диазотирования и азосочетания при производстве азопигментов
Концептуальным классом будет класс «Процесс» (TProcess), данный класс описывает процесс производства азопигментов в целом. Так как в производстве участвуют различные типы реакторов и реагентов, выделим отдельные классы «Реактор» (TReactor) и «Компонент смеси» (ТСотр). Ключевым свойством класса TProcess является массив экземпляров класса TReaktor. Системы уравнений, составляющие информационные модели реакторов, имеют существенные
различия в формах записи и методах решения, поэтому каждый из типов реакторов выделяется в отдельный класс-потомок: «Трубчатый реактор» (TPipeReaktor), «Трубчатый реактор с камерами смешения диффузор-конфузорного типа» (TDifConfReaktor), «Многосекционный реактор» (TMultiReaktor), «Реактор с мешалкой» (TMixReaktor). Родительский класс TReaktor в качестве атрибутов содержит конструктивные (диаметр реактора, длина, материал и т. д.) и режимные (температура в реакторе) переменные, характерные для всех без исключения потомков данного класса. Уникальным атрибутом для реактора диффузор-конфузорного типа является объем камеры смешения, распределение подачи нитрита натрия по зонам реактора. Класс TMultiReaktor обладает уникальными атрибутами - количество секций реактора и распределение подачи нитрита натрия по зонам реактора. Кроме того, в виде атрибутов целесообразно выделить экономические показатели, необходимые для оптимального проектирования, такие как стоимость изготовления реактора и строительно-монтажных работ, затраты на энергоносители, амортизационные отчисления и т. д. Для каждого класса-потомока характерен свой метод расчета информационной модели. Уникальность достигается за счет перекрытия виртуального метода Са1си1а-НопММбазового класса TReaktor методами потомков.
Класс ТСотр обладает следующими свойствами: температура, концентрация, расход, плотность.
Вспомогательные устройства, такие как насосы и устройство активации амина, не представляющие особого интереса с точки зрения моделирования процесса производства азопигмен-тов, выделим в отдельный класс TDevice. Атрибутами данного класса являются наименование, тип и мощность устройства.
Построение модели активности и проектирование информационной модели химико-технологических процессов
Параллельно с моделированием предметной области необходимо создать модель активности системы, т. к. с увеличением сложности системы строгое соблюдение последовательности выполняемых операций приобретает все большее значение. Модель активности позволяет детализировать особенности алгоритмической и логической реализации операций, выполняемых системой. В модели активности очень важно учесть все операции системы, поскольку на этой основе создается структура программы, которая поддерживает требуемое поведение.
Создадим модель активности процесса производства азопигментов (рис. 2).
Рис. 2. Фрагмент диаграммы активности создаваемой системы
Данный процесс разбит на две стадии: диазотирование и азосочетание. Подготовка реагентов для этих стадий ведется одновременно. В свою очередь, процесс подготовки данных стадий тоже возможно разделить на два параллельных процесса: в стадии диазотирования выделим стадии подготовки соляно-кислой суспензии амина и нитрита натрия, а в стадии азосочетания -подготовку азосоставляющей, щелочного агента и наполнителя. После стадии приготовления суспензия проходит через дезинтегратор и активированная суспензия совместно с нитритом натрия подается в реактор с диффузор-конфузорами или в многосекционный реактор. Процесс диазотирования в реакторах может происходить синхронно. Отфильтрованное диазосоединение попадает в реактор азосочетания вместе с заранее подготовленными реагентами.
Последующий анализ модели активности позволяет уточнить модель предметной области, которая становится основой для разработки модели химико-технологической системы. Алгоритм формирования информационной модели опирается на блочно-модульный принцип построения информационных моделей (рис. 3). Блок компоновки состоит из наполнения блока и организующей подпрограммы. Наполнение блока компоновки содержит в виде модулей прикладные программы и модель предметной области. Организующая программа необходима для управления работой блока компоновки информационных моделей при решении задач. В ее функции входят: перевод описания задачи с входного языка на внутренний язык системы, определение последовательности выполнения модулей для каждой задачи, обеспечение взаимодействия используемых модулей. Организующая программа разделена на три части: транслятор описаний, компоновщик и компилятор. Программы создаются при помощи транслятора программ и транслятора описаний.
Рис. 3. Схема блока компоновки информационных моделей
Заключительной стадией разработки системы является создание модели базы данных (рис. 4), которая отражает взаимодействие таблиц, входящих в базу данных, а также содержит подробное описание атрибутов операций и связей между этими таблицами.
Reaktor
□
«column»
*РК ReaktorName: varchar(50)
* Description: varchat(150)
* Material: varchar(50)
* ConstructionPrice: double precision x EnergyPrice: double precision
x AmmoPrice: double precision "FK ReaktorComp: integer
Nitrolnjection: blob sub_type 0
* D: double precision L: double precision V: double precision N: integer
V_kam: double precision
•FK_Reaktor_Comp
(ReaktorComp = CompID)
+PK_ComplD
«FK»
■PK ReaktorName
(Reaktor = ReaktorName)_
О.."
+PK_ComplD
«FK»
+ FK_Reaktor_Comp(integer) «PK»
+ PK_ReaktorName(varchar) «unique»
+ UQ_Reaktor_Descryption(varchar)
«FK»
\
+ FK Process Reaktoi
Process
□
«column»
ProcesslD: integer FK Reaktor: varcha<50) FK Comp: integer FK Device: integer
«FK»
+ FK_Process_Comp(integer) + FK_Process_Device(integer) + FK_Process_Reaktoi(varchar) «index»
+ Processi DQ_
(Comp = CompID) ^«FK» + F K_P ro cess_C о m p
Comp
□
«column»
"PK CompID: integer t: decimal(10.2)
* G: decimal(10.2)
* C: decimal(10,2)
* r: <Jecimal(10.2)
«PK»
+ PK_ComplD(integer)
+FK Process Device _4D evi ce_=+ p K_D evi ce 0.
0..'
«FK»
Device
«column»
"PK DevicelD: integer
* Type: integer
* Power: double precision
«PK»
+ PK_Device(integer)
Рис. 4. Модель базы данных для процесса получения азопигментов
Транслятор описаний переводит входной текст во внутреннее представление интерактивной системы. На основе внутреннего описания задачи компоновщик составляет алгоритм ее решения, т. е. определяет последовательность применяемых модулей. При этом компоновщик проверяет разрешимость каждой подзадачи. Используя модуль решения подзадач, компилятор выдает полностью готовую программу решения задачи.
Таким образом, в результате итеративного, с пошаговым наращиванием возможностей процесса разработана объектно-ориентированная проектная модель химико-технологической системы, подлежащая дальнейшей кодогенерации.
Моделирование процессов диазотирования и азосочетания
Предложенная схема разработки информационных моделей химико-технологических систем с применением прогрессивных объектно-ориентированных технологий использована при разработке компьютерной среды для моделирования и проектирования процессов тонкого органического синтеза (диазотирования и азосочетания). Построенные в системе информационные модели позволяют не только рассчитывать параметры состояния ХТП, но и определять их качественные показатели.
В качестве примера приведем результаты расчета качественных показателей азопигмен-та (рис. 5).
У, г/м2
160 210 260 310 360 410 460 510 560 610 660 710 760 810 860 910 960
и С
Рис. 5. График зависимости красящей способности (КС) и укрывистости (У) от среднего времени пребывания реакционной массы в реакторе: ♦ - КС; ■ - У; коридор допустимых значений для типового образца: — — - КС; — ■ — - У
Как видно из рис. 5, значительное влияние на качественные показатели процесса азосоче-тания и физико-колористические показатели получаемого пигмента оказывает время пребывания реакционной массы в реакторе. При этом увеличение времени пребывания позволяет добиться более высоких качественных параметров процесса азосочетания. Однако увеличение времени пребывания не может быть бесконечным и лимитируется требованиями по обеспечению производительности процесса. Это позволяет, варьируя в заданных пределах время пребывания реакционной массы, получать пигмент с заданным набором физико-колористических показателей.
Результаты вычислительных экспериментов, моделирование технологических процессов синтеза азопигментов, исследование их статических режимов, построение областей допустимых режимов функционирования реакторной системы азосочетания позволяют сделать вывод о необходимости постановки и решения задачи оптимизации технологических режимов процесса азосочетания. Это дает возможность не только повысить качество получаемого азопигмента, но и получить азопигмент с заданными качественными и физико-колористическими показателями.
Заключение
Описанные выше исследования проводились нами в рамках разработки информационной системы моделирования и проектирования сложных химико-технологических процессов. Используемая при этом методика проектирования химико-технических систем с применением прогрессивных объектно-ориентированных технологий позволяет значительно повысить эффективность программной разработки и использовать полученную систему для решения задач моделирования, оптимизации и проектирования реакторных установок диазотирования и азосоче-тания синтеза азокрасителей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Майстренко А. В., Светлаков А. А. Применение методов цифрового дифференцирования сигналов для определения стационарности процессов // Науч. вестн. НГТУ. 2015. № 2 (59). С. 7-19.
2. Грэхем И. Объектно-ориентированные методы. Принципы и практика. М.: Изд. дом «Вильямс», 2004. 880 с.
3. Майстренко А. В., Майстренко Н. В., Вольщак И. Л. Разработка энерго- и ресурсосберегающей технологии непрерывного синтеза азопигментов // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В. И. Вернадского. 2013. №. 3 (47). С. 306-314.
Статья поступила в редакцию 11.10.2016
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Майстренко Александр Владимирович — Россия, 392000, Тамбов; Тамбовский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры технологий и оборудования пищевых и химических производств; [email protected].
Майстренко Наталья Владимировна - Россия, 392000, Тамбов; Тамбовский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры систем автоматизированной поддержки принятия решений; [email protected].
A. V. Maystrenko, N. V. Maystrenko
MODELING OF TECHNOLOGICAL INSTALLATIONS OF RESOURCE SAVING CHEMICAL-TECHNOLOGICAL PROCESSES BASED ON OBJECT-ORIENTED APPROACH
Abstract. The possibility of using an object-oriented approach to the creation of information systems of modeling and design of complex chemical-technological processes are considered. Building information models of technological processes using the object-oriented approach in-
volves several stages: the construction of the domain model, the creation of the model of system activity, the formation of an information model and the creation of database models of technological process. As a result of an iterative process, with incremental build-up opportunities, object-oriented design model of chemical-technological system was elaborated; it is to be subject to further code generation. The proposed scheme of designing information models of chemical and technological systems has been used in the development of computer environment for modeling and design of processes of thin organic synthesis - diazotization and azo coupling. Built in the system information models of diazotization and azo coupling allow to calculate not only the parameters of the state of chemical-engineering processes, but also to determine their quality indicators. The results of the calculation of quality indicators of azo pigment were shown as an example. Computational experiments, modeling of technological processes of synthesis of azo pigments, study their static modes, construction areas of permitted functioning modes of the reactor azo coupling system allow to come to the the conclusion about the necessity of formulating and solving problems on optimization of technological modes of process of synthesis of the azo pigments. This will not only improve the quality of the azo pigment, but also receive azo pigment with specified quality and physical and coloristic indicators.
Key words: object-oriented approach, a mathematical model, chemical-technological process, diazotization, azo coupling.
REFERENCES
1. Maistrenko A. V., Svetlakov A. A. Primenenie metodov tsifrovogo differentsirovaniia signalov dlia opredeleniia statsionarnosti protsessov [Application of methods of digital signal differentiation to determine a stationary process]. Nauchnyi vestnikNGTU, 2015, no. 2 (59), pp. 7-19.
2. Graham I. Object-Oriented Methods. Principles and Practice. Boston, Addison-Wesley Professional, 2000. 864 p.
3. Maistrenko A. V., Maistrenko N. V., Vol'shchak I. L. Razrabotka energo- i resursosberegaiushchei tekhnologii nepreryvnogo sinteza azopigmentov [Development of energy- and resource-saving technology of continuous synthesis of azo pigments]. Voprosy sovremennoi nauki i praktiki. Universitet imeni V. I. Vernadskogo, 2013, no. 3 (47), pp. 306-314.
The article submitted to the editors 11.10.2016
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Maystrenko Alexander Vladimirovich — Russia, 392000, Tambov; Tambov State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Technology and Equipment of Food and Hemical Industries; [email protected].
Maystrenko Natalia Vladimirovna — Russia, 392000, Tambov; Tambov State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Systems of Automated Decision Support; [email protected].
