Recommended
Recommended
More Related Content
Similar to Моделирование физико-химических процессов
Similar to Моделирование физико-химических процессов (17)
More from startuptour
More from startuptour (20)
Моделирование физико-химических процессов
- 1. ХимКинОптима: Программный комплекс решения обратных задач математического моделирования и оптимизации физико- химических процессов на основе параллельных вычислений Просто. Быстро. Эффективно Тихонова Маргарита Владимировна Институт нефтехимии и катализа РАН, ООО «РН-УфаНИПИНефть» Уфа, 23 ноября 2011 г.
- 2. ХимКинОптима : моделирование и оптимизация 2 Неоптимальность функционирования производства Отсутствие методов идентификации объектов Действующие производства (химии, нефтепереработки и др.) Низкий показатель наукоемкости продукции
- 3. ХимКинОптима : моделирование и оптимизация Описание проекта 3 ПРЕДПРИЯТИЕ ЭФФЕКТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ = Наукоемкость + Оптимальный режим Исследование объекта Математическое моделирование Оптимизация технологического процесса Параллельные вычисления Численные методы Базы данных Графический интерфейс
- 4. ХимКинОптима : моделирование и оптимизация Комплекс программ по моделированию и оптимизации каталитических процессов на основе кинетики 4 Язык программирования – С/С++; Интерфейс – Qt; Стандарт MPI Графическая оболочка СУБД DBMS СУБД DBMS Визуализация GRAPHICS Проверка закона сохранения MASSCONSERVATION LAW Формирование отчетов RESULTS 1-, много- процессорные системы 1-, много- процессорные системы ИнструментарийИнструментарийВычислительный аппаратВычислительный аппарат Зерно GRAIN Слой LAYER РеакторРеактор Обратная задача INVERSE_TASK МакрокинетикаМакрокинетика Прямая задача DIRECT_TASK Энергия активации ACTIVATION_ENERGY Индукционный период INDUCTION Оптимальное управление по кинетике KINOPTIMA Интеграция INTEGRATION Интеграция INTEGRATION Оптимальн ый режим OPTIMA Визуализация маршрута реакции REACTIONPATH
- 5. Ab R E a T xky bxay RT E Ak A A ln,, 1 ,ln )7(,)4(,exp =−=== +⋅= −⋅= * P – число прямых и обратных стадий; N – количество экспериментов Агрегированная обратная задача. Размерность N·P: ( ) minKF 1 → Размерность P* ( ) minKF 2 → Размерность P ( ) minKF 3 → Размерность P ( ) )8(,expexp −⋅= i T jAT j T j RT E bk i ii ( ) minK,K,KF 321 → ( ) min.)ln(A),ln(A;E,EF j-jj-AAj → Размерность 2·P < < Построение агрегированной обратной кинетической задачи ХимКинОптима : моделирование и оптимизация 5
- 6. ХимКинОптима : моделирование и оптимизация 6 Распараллеливание численных методов решенияРаспараллеливание численных методов решения обратных физико-химических задачобратных физико-химических задач (генетический алгоритм, индексный метод глобальной оптимизации)(генетический алгоритм, индексный метод глобальной оптимизации) Анализ эффективности распараллеливания*Анализ эффективности распараллеливания* * решение обратной кинетической задачи на примере реакции карбоалюминирования олефинов (ИНК РАН)
- 7. ХимКинОптима : моделирование и оптимизация 7 Сравнение технологий моделирования ИНК РАН ХимКинОптима Технология моделирования Последовательный расчет без учета жесткости систем ДУ Параллельный расчет с учетом жесткости систем ДУ Показатель соответствия расчета эксперименту F=1.09 F=0.07 Время поиска 1 месяц 3 дня Графики сопоставления расчетных данных экспериментальным * на примере реакции карбоалюминирования олефинов, катализируемой (CpMe5)2ZrCl2
- 8. ХимКинОптима : моделирование и оптимизация 8 ChemModeler $500 ChemOptima $500 ChemObject DataBase $500 Кинетические задачи (прямая и обратная) DirectProblem и InverseProblem Поиск оптимального режима на основе кинетики KinOptima и Optima Система управления базой данных натурных и вычислительных экспериментов ChemObject DataBase Поиск индукционного периода, Induction Моделирование процессов на зерне и Слое Grain и Layer Расчет энергий активаций и реакционой способности веществ ActivationEnergy Интеграция сторонних приложений Integration Инструментарий Graphics, Results, ReactionPass, MassConservationLaw Параллельные вычисления Parallel Полная версия ChemKinOptima (ХимКинОптима) $1200 Лицензирование программного комплекса
- 9. ХимКинОптима : моделирование и оптимизация * по анализу данных Института нефтехимии и катализа РАН г. Уфы, директор Джемилев У.М. 9 Экономическая эффективность внедрения программного комплекса * Построение кинетических схем реакций металло- комплексного катализа Срок построения схем сложных реакций химической кинетики: 3 мес. вместо 2 лет За 2 года экономия на з/п 21 * 25 = 525 (тыс. руб.) Экономия хим. реагентов: >20000 руб в месяц. Итого: 262.5 + 12·20 =502.5 тыс. руб. (≈ $16 200) в год Выявление оптимального режима управления технологическим процессом на уровне кинетики Срок проведения экспериментов для выявления оптимального режима технологического процесса: 1 мес. вместо 1 года За 1 года экономия на з/п 11 * 25 = 275 (тыс. руб.) Экономия хим. реагентов: >20000 руб в месяц. Итого: 275 + 12·20 =515 тыс. руб. (≈ $16 600) в год
- 10. ХимКинОптима : моделирование и оптимизация Коммерциализация 10 Экономическая эффективность реализации ХимКинОптима Стоимость 1 годовой лицензии: $1200 Среднее кол-во лицензий на 1 предприятие: 10 Кол-во предприятий нефтехимического комплекса в РБ: ≈ 20 Всего нефтедобывающих регионов в России: ≈ 30 Планируется охватить 15% рынка ПО в данной области Итого: 1200 *10*20 *30*0.15 = $1080 т. Рынок конкурентов USA $1200-$2400 Xp/Vista KinFitSim USA, Canada $1990 Xp/Vista ChemKin CFD USA $900 Windows/Linux ИНК РАН, Уфа ИНК РАН, УфаИОХ РАН, Уфа ИОХ РАН, УфаУфа НефтехимУфа Нефтехим Каустик, Стерлитамак Каустик, Стерлитамак Стерлитамакский нефтехим. завод Стерлитамакский нефтехим. завод Салаватнефте оргсинтез Салаватнефте оргсинтез СеленанефтехимСеленанефтехимХимзавод катализаторов Ишимбай Химзавод катализаторов Ишимбай УфаоргсинтезУфаоргсинтезУфаНипиНефтьУфаНипиНефть
- 11. ХимКинОптима : моделирование и оптимизация Спасибо за внимание! Тихонова Маргарита Владимировна Институт нефтехимии и катализа РАН, ООО «РН-УфаНИПИНефть» margarita.vl2011@gmail.com 89638911741
Editor's Notes
- Тематическим направлением проекта выбраны информационные технологии, поскольку результатом работы будет программный продукт.
- Все производственные предприятия, несмотря на огромные различия в масштабах производства и номенклатуре продукции, имеют общие принципы построения и общие направления развития и совершенствования. На любом производстве основная доля затрат приходится на сырье (до 60%) и энергию (до 30%). Практически все действующие производства в металлургии, химии, нефтепереработке, биотехнологии и др. работают теоретически не в оптимальных режимах и имеют существенные резервы по снижению себестоимости, энерго- и ресурсосбережению, повышению производительности и качества продукции, сокращению количества отходов производства и другим показателям. Неоптимальность функционирования действующих производств объясняется в первую очередь отсутствием методов идентификации объектов с высокими размерностями векторов входных параметров и выходных показателей, каковыми являются сложные реакции химической кинетики.
- Идея проекта заключается в разработке такого программного обеспечения, которое поможет нефтехимическому предприятию сэкономить средства на проведении технологических процессов. Оно поможет вывести действующее предприятие на новый уровень оптимального управления с наименьшими материальными и временными затратами на преодоление всех необходимых для этого этапов, таких как: исследование каталитических процессов реактора, их математическое моделирование и поиск их оптимального технологического режима при помощи привлечения всей мощи современных информационно-вычислительных ресурсов. Идея применения параллельных вычислений для математического моделирования и оптимизации любых каталитических процессов, протекающих в реакторах, на основе их кинетики, будет реализовываться впервые. Она вызвана в первую очередь необходимостью минимизации времени на исследование сложных химических реакций и на поиск оптимальных параметров их проведения. Это позволит экономить в первую очередь затрачиваемое время, энергию и химические реагенты на проведение химических процессов. Кроме того, оптимизация технологического режима, например, по выходу целевого продукта сократит количество отходов. Это позволит решить экологические проблемы на действующих производствах. При таком подходе экологизация предприятия из затратной станет экономически прибыльной, т.к. уменьшение загрязнения окружающей среды достигается за счет повышения выхода целевого продукта, сокращения расходных норм по сырью и энергоресурсам, и, соответственно, сокращению его себестоимости.
- Для определения величин энергий активаций и исследования реакционной способности веществ, необходимо исследование химического процесса и определения констант скоростей элементарных стадий при различных температурах. При этом, согласно закону Аррениуса, с ростом температуры константы должны расти. Последовательное решение отдельных обратных кинетических задач не всегда позволяет учитывать такие структурные зависимости между задачами, поэтому возникает необходимость построения агрегированной, объединенной, обратной кинетической задачи. Если решать задачу минимизации функционала по константам, проводя учет структурных зависимостей внутри вычислительной системы, то размерность такой задачи растет с ростом числа предоставляемых экспериментов. Поэтому была предложена новая методика построения агрегированной задачи. Из закона Аррениуса строится прямая зависимость lnk от величины, обратной температуре. В качестве параметров задачи минимизации принимаются характеристики полученных прямых. Таким образом, независимо от количества экспериментов, размерность задачи всегда остается равной 2P, где P – суммарное количество прямых и обратных стадий исследуемой реакции.