Интерактивное моделирование и проектирование химико-технологических процессов и систем в условиях неопределенности (на примере реакторных установок синтеза азокрасителей) - Автореферат

Построена фреймовая модель описания аппаратурно-технологического оформления блочно-модульных малогабаритных реакторных установок тонкого органического синтеза, используемая для хранения, переработки и накопления знаний о ХТП и поддержки принятия решений в информационной системе при интерактивном моделировании и проектировании реакторных установок синтеза азокрасителей в условиях неопределенности. Разработано информационное обеспечение системы интерактивного моделирования и проектирования гибких реакторных установок синтеза азокрасителей в условиях неопределенности, в том числе: база знаний, обеспечивающая поддержку функционирования интеллектуального интерфейса, и банк данных конструкций блочно-модульных малогабаритных реакторов тонкого органического синтеза, имеющие оригинальные структуры и схемы организации связей между ними. Результаты работы (методика интерактивного моделирования и проектирования, алгоритм оптимального проектирования в условиях неопределенности, структура и состав обеспечивающих подсистем автоматизированной информационной системы, библиотека численных методов, математических моделей процессов тонкого органического синтеза, предикатно-фреймовый подход к представлению предметной области) приняты к реализации Тамбовским ОАО "Пигмент" и ОАО "Корпорация "Росхимзащита" для выполнения работ по автоматизации научных исследований и автоматизированному проектированию новых химико-технологических процессов и систем. Выполнен краткий обзор современных постановок задач, методов и алгоритмов моделирования и проектирования химико-технологических объектов в условиях неопределенности, существующих подходов к применению методов искусственного интеллекта для решения задач моделирования, оптимизации и проектирования технических объектов и систем, использования графических баз данных и интерактивных средств в современных информационных системах. Основными из них являются: разработка методики интерактивного моделирования и проектирования химико-технологических процессов и систем; модификация математических моделей процессов диазотирования и азосочетания для интерактивного моделирования и проектирования реакторных установок синтеза азокрасителей в информационной системе; разработка алгоритма решения двухэтапной стохастической задачи оптимизации конструктивных и режимных параметров гибких реакторных установок синтеза азокрасителей при наличии неопределенности в части технологических переменных и кинетических коэффициентов математических моделей; разработка структуры и состава обеспечивающих подсистем системы интерактивного моделирования и проектирования реакторных установок синтеза азокрасителей в условиях неопределенности; разработка предикатно-фреймовой модели представления аппаратурно-технологического оформления производства азокрасителей; формирование и наполнение банка данных информационной системы, объединяющего базы данных физико-химических свойств, кинетических коэффициентов, конструкций малогабаритных реакторных установок и базу знаний для обеспечения поддержки функционирования интеллектуального интерфейса; проведение экспериментальных исследований процессов и аппаратов диазотирования и азосочетания на пилотной установке с целью уточнения математических моделей процессов диазотирования и азосочетания в производстве азокрасителей и осуществления вычислительных экспериментов в информационой системе; постановка и решение задач стохастической оптимизации при оптимальном проектировании промышленных реакторных установок синтеза азокрасителей в условиях неопределенности исходных данных для проектирования.

1. Предложена методика интерактивного моделирования и оптимального проектирования химико-технологических процессов и систем в условиях неопределенности, обеспечивающая решение исследовательских и проектных задач за счет совмещения этапов подготовки, технического и рабочего проектирования в информационной системе с интеллектуальным интерфейсом.

2. Разработан алгоритм решения задачи стохастической оптимизации аппаратурно-технологического оформления малогабаритных и высокопроизводительных реакторных установок синтеза азокрасителей, предназначенных для функционирования в составе гибкого автоматизированного производства.

3. Уточнены математические описания кинетики процессов диазотирования и азосочетания, осуществляемые в унифицированных модулях малогабаритных конструкций реакторных установок, что позволило их использовать при автоматизированном составлении моделирующей программы.

4. Разработана структура информационной системы интерактивного моделирования и проектирования аппаратурно-технологического оформления реакторных установок синтеза азокрасителей в условиях неопределенности исходных данных, обеспечивающая решение пользовательской задачи исходя из требований формализованного задания.

5. Создано математическое, программное и алгоритмическое обеспечение информационной системы, включающее в себя современные методы и алгоритмы решения различных задач моделирования и оптимизации в условиях неопределенности, библиотеку математических моделей процессов диазотирования и азосочетания в реакторах различных конструкций, подсистему автоматизированного формирования математических моделей конкретных химико-технологических объектов.

6. Построена предикатно-фреймовая модель описания аппаратурно-технологического оформления малогабаритных и высокопроизводительных реакторных установок тонкого органического синтеза (диазотирования и азосочетания), предназначенная для их представления в системе интерактивного моделирования и проектирования.

7. Сформирован интеллектуальный банк данных информационной системы интерактивного моделирования и проектирования (информационное обеспечение), объединяющий базы данных физико-химических свойств, кинетических констант, графическую базу данных перспективных конструкций реакторных систем и базу знаний для обеспечения функционирования интеллектуального интерфейса.

8. Проверена адекватность уточненных математических моделей статики процессов диазотирования и азосочетания по экспериментальным данным, полученным на пилотных установках синтеза азопигментов. Среднеквадратичное отклонение расчетных и экспериментальных данных не превышает 9 %, а максимальное рассогласование - 14 %.

9. Исследованы непрерывные процессы диазотирования и азосочетания при синтезе азопигментов, выявлены наиболее существенные управляющие переменные этих процессов и наиболее опасные возмущающие воздействия, определена чувствительность выходных параметров процессов диазотирования и азосочетания по отношению к входным.

10. Сформулированы и решены задачи стохастической оптимизации аппаратурно-технологического оформления процессов диазотирования и азосочетания в производстве азокрасителей, определены оптимальные значения конструктивных и режимных параметров функционирования многомодульных реакторных систем синтеза азопигментов. Приведенные затраты составили: для задачи диазотирования - 2283,8 у.е./т, для задачи азосочетания - 2415,7 у.е./т.

11. Разработана технологическая схема гибкого производства азокрасителей мощностью 1000 т/год, состоящая из пятимодульного реактора диазотирования и какскада из двух реакторов азосочетания емкостного типов. В разработанной схеме обеспечивается выход азопигмента - 99,1 %, содержание диазосмол в азопигменте- 0,86 % и соответствие физико-колористических показателей пигмента типовому образцу.

12. Результаты работы (методика интерактивного моделирования и проектирования, алгоритм оптимального проектирования в условиях неопределенности, структура и состав обеспечивающих подсистем информационной системы, библиотека численных методов и математических моделей) приняты к реализации Тамбовским ОАО «Пигмент», ОАО «Корпорация «Росхимзащита», а также используются в учебном процессе ТГТУ при подготовке инженеров и магистров по направлениям: 655400 - «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» и 551800 - «Технологические машины и оборудование».

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях

1. Дворецкий С.И. Компьютерные технологии в проектировании технологических процессов и оборудования химических производств / С.И. Дворецкий, И.Н. Мамонтов, Н.В. Игнатьева // Тез. докл. I Всеросс. научно-технической конференции "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве".-Н. Новгород, 1999. -С. 32-33.

2. Дворецкий С.И. Система математического моделирования, оптимизации и проектирования технологических процессов и оборудования химических производств / С.И. Дворецкий, И.Н. Мамонтов, Н.В. Игнатьева, Д.В. Жданов // Информационные технологии.-1999.-№ 11.-С. 36-43.

3. Дворецкий С.И. Концепция создания интеллектуальной системы автоматизированного моделирования и проектирования процессов и аппаратов химической технологии / С.И. Дворецкий, Н.В. Игнатьева // Тез. докл. V научной конференции ТГТУ.-Тамбов, 2000.-С. 45 - 46.

4. Игнатьева Н.В. Концепции интеллектуальных САПР / Н.В. Игнатьева // Труды ТГТУ: Сборник научных статей молодых ученых и студентов. Вып. 5.-Тамбов: ТГТУ, 2000.- С. 80 - 83.

5. Дворецкий С.И. Моделирование и проектирование экологически безопасных химических процессов и установок / С.И.Дворецкий, Д.С. Дворецкий, А.В. Майстренко, Н.В. Игнатьева // Тез. докл. 13 международной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (ММТТ-2000).-С.-Петербург, 2000.- Т.3.- С. 187-190.

6. Дворецкий С.И. Автоматизация математического моделирования в САПР технологических процессов и оборудования химических производств / С.И. Дворецкий, Н.В. Игнатьева // Сб. трудов VIII Регион. конф. "Проблемы химии и химической технологии".-Воронеж, 2000.-С. 38 - 39.

7. Игнатьева Н.В. Интеллектуальный интерфейс системы математического моделирования, оптимизации и проектирования / Н.В. Игнатьева // Труды ТГТУ: Сб. научных статей молодых ученых и студентов. Вып. 8.- Тамбов: ТГТУ, 2001.- С. 161-166.

8. Дворецкий С.И. Интеллектуализация системы моделирования, оптимизации и проектирования химических процессов и установок / С.И. Дворецкий, А.В. Майстренко, Н.В. Игнатьева // Тез. докл. 14 Международной конференции "Математические методы в технике и технологиях".-Смоленск, 2001.- Т.2.- С. 7-10.

9. Майстренко А.В. Интеллектуальная система моделирования, оптимизации и проектирования процессов и аппаратов / А.В. Майстренко, Н.В. Игнатьева // Тез. докл. 15 Международной конференции "Математические методы в технике и технологиях".-Тамбов, 2002.- Т.9.- С. 14-15.

10. Дворецкий С.И. Структура системы компьютерного моделирования и проектирования химических производств / С.И. Дворецкий, А.В. Майстренко, Н.В. Игнатьева // Тез. докл. 16 Международной конференции "Математические методы в технике и технологиях".-С.-Петербург, 2003.- Т.3.- С. 148-150.

11. Майстренко А.В. Математическое обеспечение системы моделирования и проектирования процессов химической технологии / А.В. Майстренко, Н.В. Игнатьева // Тез. докл. 17 Международной конференции "Математические методы в технике и технологиях".-Кострома, 2004.- Т.10.- С. 6-7.

12. Майстренко А.В. Модель представления знаний в системе компьютерного моделирования и проектирования химических производств / А.В. Майстренко, Н.В. Игнатьева // Тез. докл. 18 Международной конференции "Математические методы в технике и технологиях".-Казань, 2005.- Т.6.- С. 81-83.

13. Майстренко А.В. Продукционно-фреймовое представление знаний в интерактивной системе моделирования и проектирования химических производств / А.В. Майстренко, Н.В. Игнатьева // Труды ТГТУ: Сборник научных статей молодых ученых и студентов. Вып. 17.- Тамбов: ТГТУ, 2005.- С. 72-75.

14. Майстренко А.В. Интерактивное моделирование и проектирование процессов и аппаратов производства азопигментов / А.В. Майстренко, Н.В. Игнатьева // Фундаментальные и прикладные исследования, инновационные технологии, профессиональное образование: Сб. трудов XI науч. конф. ТГТУ.- Тамбов, 2006.- Ч. 1.- С. 160-165.

15. Майстренко А.В. Компьютерное моделирование и проектирование процессов и установок получения синтетических красителей / А.В. Майстренко, Н.В. Игнатьева // Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий: Материалы VII Всеросс. научно-технической конференции. - Улан-Уде, 2006. - С. 76-81.

Размещено на .ru