CC BY
75
УДК 519.688
Информационные технологии
МОДУЛЬНАЯ СТРУКТУРА СИСТЕМЫ МНОГОАЛЬТЕРНАТИВНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ С.Л. Подвальный, А.В. Барабанов
В статье рассматривается структура программного обеспечения многоальтернативного моделирования процессов полимеризации. Представлен пример предварительного расчета номограммы соответствия полидисперсности Mw/Mn полимера при полимеризации в реакторах непрерывного и периодического действия
Ключевые слова: программное обеспечение, математическое моделирование процессов полимеризации
Разработка гибкого, многоальтернативного программного обеспечения, важная задача во всех сферах моделирования производственных процессов. Необходимость в
многоальтернативном математическом
моделировании непрерывных технологических процессов многоцентровой полимеризации (с возможностью выбора типа применяемых реакторов) вызвана тем, что, например, реакторы вытеснения не всегда применимы для реализации непрерывного процесса полимеризации (ввиду сложности поддержания температурных режимов и др.); возникает также необходимость выявления соответствие реактора вытеснения каскаду реакторов перемешивания по основным качественным параметрам, таким как: конверсия,
среднемассовая и среднечисленная
молекулярная масса, полидисперсность на выходе каскада.
Основными функциями системы многоальтернативного моделирования
процесса полимеризации являются:
- задание математического описания процесса полимеризации;
- численное решение системы нелинейных дифференциальных уравнений;
- визуализация работы компонентов системы интерактивного моделирования;
- сериализация результатов
моделирования;
- интерактивный контроль работы компонентов системы интерактивного моделирования.
Модульная структура системы
многоальтернативного моделирования
определяется функциональной декомпозицией системы (рис. 1):
- модуль задания и сохранения входных и
выходных данных. Осуществляет
структурированный ввод математического описания модели и параметров моделирования на основе табличных и диалоговых интерфейсов;
- модуль численного решения
осуществляет расчет математической модели на основе данных, полученных от модуля задания входных данных;
Решение осуществляется на динамической расчетной сетке с частичной регуляризацией при помощи многометодного подхода. Используя заданное прямоугольное
пространство поиска корней, находится интервал, гарантированно содержащий корень, после чего найденное решение уточняется методом обобщенного покоординатного спуска, а затем - методом Ньютона для получения точного приближения к решению.
- модуль идентификации параметров
модели производит идентификацию
параметров модели с помощью поисковых алгоритмов параметрической оптимизации;
- модуль визуализации формирует
графическое представление результатов работы модулей системы интерактивного
моделирования;
- модуль сериализации осуществляет чтение или запись параметров модели;
- модуль пользовательского интерфейса
предназначен для формирования
двухсторонней связи между оператором и системой интерактивного моделирования.
Подвальный Семен Леонидович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 243 - 77 - 18
Барабанов Александр Владимирович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: [email protected]
многоальтернативного моделирования
На рис. 2 приведена схема взаимосвязи блоков программы, реализующих решение прямой и обратной задачи моделирования процессов многоцентровой полимеризации на ионно-координационных каталитических
системах.
Результатом выполнения вычислений в каждом блоке является вектор состояния модели, т.е. значения всех ее параметров.
В программе предусмотрено обязательное указание типа процесса. Если процесс непрерывный, то можно указать количество реакторов в каскаде. При большом количестве реакторов возникает ряд проблем, которые учитываются при разработке программного комплекса [1].
данные - блоки данных обработка
- блоки обработки данных
Рис. 2. Структура программного обеспечения интерактивного структурно-молекулярного моделирования процесса многоцентровой полимеризации
Во-первых, для каждого реактора задаются свои начальные значения параметров. Во-вторых, в уравнениях модели непрерывного процесса обязательно присутствуют значения на входе реактора и на выходе из него. При компьютерном моделировании необходимо передавать выходные значения на вход следующего реактора. Для этого устанавливается четкое соответствие между выходом и входом, т. е. для каждого параметра указать, какая переменная отвечает за его входное значение.
Важно предусмотреть несколько способов вывода информации. Отображение текущего состояние модели, значения всех параметров в данный момент времени в любом реакторе по выбору. Состояния системы в предыдущие моменты времени сохраняются в таблице.
Основная форма вывода информации — графическая. График изменения любого параметра системы в любом реакторе можно вывести в отдельном окне [2].
Многовариантность протекания процессов полимеризации заключается в возможности выбрать не только параметры системы реакторов, но и тип реактора: вытеснения или перемешивания. Эквивалентность
многоцентрового непрерывного процесса
полимеризации в реакторе идеального
вытеснения и каскаде реакторов идеального перемешивания по времени пребывания и количества реакторов в каскаде длинне реактора вытеснения позволяет осуществлять переход от доного типа реакторов к другому затрачивая значительно меньше компьютерных ресурсов и времени вычислений.
В качестве примера рассматривается непрерывный процесс полимеризации бутадиена на каталитической системе
ШС13*3ТБФ-ТЕА [3]. На рис. 3 приведена номограмма соответствия полидисперсности полимера в зависимости от длины реактора вытеснения (Ь) и времени пребывания (К -количества реакторов перемешивания в каскаде). Максимальная конверсия мономера составляет 60%.
| -loixi
MwMi
Рис. 3. Номограмма для полидисперсности Mw/Mn
Одним из вариантов применения номограмм является получение начального приближения параметров системы реакторов при смене типа реакторов в процессе оптимизации [5,6].
Предложенная структура системы структурно-молекулярного моделирования позволяет оперативно проводить
многовариантное моделирование процессов многоцентровой полимеризации.
Литература
1. Подвальный, С. Л. Математическая модель
непрерывного процесса многоцентровой полимеризации на ионно-координационной каталитической системе [Текст] / С. Л. Подвальный, А. В. Барабанов // Вестник Воронежского государственного технического
университета. - 2006. - Т. 2. - № 12. - С. 85-87.
2. Подвальный, С. Л. Многоальтернативные
системы: обзор и классификация [Текст] / С. Л.
Подвальный // Системы управления и информационные технологии. - . 2012. - Т. 48. - № 2. - С. 4-13.
3. Barabanov A.V., Podval’nyi S.L. Structural Modeling of Continuous Multi-Center Polimerization Processes// Automation and Remote Control . Volume 73, Number7, July 2012, 1265-1268.
4. Подвальный С.Л., Барабанов А.В. Структурномолекулярное моделирование непрерывных
технологических процессов многоцентровой
полимеризации. - Воронеж: “Научная книга” 2011. -115 с.
5. Подвальный С.Л. Моделирование промышленных процессов полимеризации. М.: Химия, 1979. - 256 с.
6. Подвальный С.Л. Информационно-управляющие системы мониторинга сложных объектов. - Воронеж: “Научная книга”. - 2010. -164 с.
Воронежский государственный технический университет
MODULAR STRUCTURE MULTIALTERNATIVE MODELING POLYMERIZATION S.L. Podvalny, A.V. Barabanov
The paper describes the structure of software multialternative modeling of polymerization processes. The example of pre-calculation matching nomogram polydispersity Mw / Mn of the polymer in the polymerization reactors in continuous and batch
Key words: software, mathematical modeling of polymerization processes
