МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ОСНОВЕ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ОСНОВЕ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ

Телявгулов Загир Зарифович

аспирант, Институт нефтехимии и катализа УФИЦ РАН,

РФ, г. Уфа

Ахметов Ильнур Вазирович

канд. физ.-мат. наук, доц., Уфимский государственный нефтяной технический университет,

РФ, г. Уфа

Губайдуллин Ирек Марсович

д-р физ.-мат. наук, проф., Институт нефтехимии и катализа УФИЦ РАН,

РФ, г. Уфа

SIMULATION OF CHEMICAL PROCESSES BASED ON PARALLEL COMPUTING

Zagir Telyavgulov

Graduate student, Institute of Petrochemistry and Catalysis of Russian Academy of Sciences,

Russia, Ufa

Ilnur Akhmetov

Ph.D. in Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Ufa State Petroleum Technological University,

Russia, Ufa

Irek Gubaydullin

Doctor of Sciences in Physics and Mathematics, Institute of Petrochemistry and Catalysis of Russian Academy of Sciences,

Russia, Ufa

АННОТАЦИЯ

В данной работе исследован механизм реакции получения метилового эфира 5-ацетил-2-пирролкарбоновой кислоты. Сконструировано математическое описание в виде кинетической системы обыкновенных дифференциальных уравнений для концентраций, участвующих в реакции веществ. Разработан пакет прикладных программ для расчета кинетических параметров реакции получения МЭАПКК. Осуществлено распараллеливание обратной кинетической задачи, при использовании 4 ядер достигнуто ускорение в 2 раза.

ABSTRACT

In this work the reaction mechanism of preparation of 5-acetyl-2-pyrrolcarboxylic acid methyl ester was investigated. A mathematical description in the form of a kinetic system of ordinary differential equations for the concentrations of the substances involved in the reaction has been constructed. A package of applied programs for calculating the kinetic parameters of the reaction of producing APCAME has been developed. Parallelization of the inverse kinetic problem has been carried out, a speed-up of 2 times was achieved by using 4 cores.

Ключевые слова: Математическое Моделирование, OpenMP, Кинетическая Модель, Химический Процесс, Параллельные Вычисления.

Keywords: Mathematical Modeling, OpenMP, Kinetic Model, Chemical Process, Parallel Computing.

Сложные реакции представляют собой совокупность элементарных реакций, природа и последовательность которых составляют механизм реакции.

При математическом моделировании каталитического процесса существует определенная иерархия математических моделей. Модели первого уровня – кинетические модели процессов на зерне твердого катализатора или в элементарном объеме жидкой фазы в гомогенной реакции, неосложненные процессами переноса массы, тепла и гидродинамическими факторами. Модели второго уровня в гетерогенном катализе рассматривают процессы в слое катализатора, а модели третьего уровня в гомогенном и гетерогенном катализе – это модели реактора в целом, включая все процессы переноса и структуру потоков. Модели первого уровня кинетических моделей будут рассматриваться в данной работе. Такие модели нужны для исследования новых реакций, для оптимизации каталитических процессов, расчетов промышленных реакторов (как составные части математической модели реактора), для создания систем автоматизированного управления процессом [1].

В основе построения кинетических моделей лежит механизм процесса, т.е. совокупность элементарных стадий, приводящая к превращению исходных реагентов в конечные продукты реакций, причем для одной и той же реакции (каталитической или некаталитической) существует некоторое конечное множество механизмов, определяемое существующим и действующими в химии парадигмами.

Традиционная процедура построения кинетических моделей включает следующие этапы:

Самым общим видом кинетических моделей являются системы дифференциальных уравнений, алгебро-дифференциальных или алгебраических уравнений.

Новый метод введения в соединение пиррольного кольца карбоксильной группы был разработан в лаборатории химии углеводородов Учреждения Российской академии наук Института нефтехимии и катализа РАН [2]. Пирролкарбоновые кислоты применяются для синтеза порфиринов и противовирусных лекарственных препаратов.

Рисунок 1. Механизм протекания реакции получения (МЭАПКК)

Построение кинетической модели реакции получения МЭАПКК на основе параллельных вычислений состоит из: 1) составления математического описания; 2) решения уравнений математического описания; 3) идентификации и проверки адекватности модели; 4) выбора наилучшей модели (из класса моделей) [3].

Схема химических превращений и соответствующие им кинетические уравнения имеют вид:

А₁ = С₆H₇NO, А₂  = CCl₄, А₃ = С₇H₆NOCl₃, A₄ = HCl, A₅ = CH₄O, A₆ = C₈H₉Cl₂NO₂, A₇ = C₉H₁₂ClNO₃, A₈ = C₁₀H₁₅NO₄, A₉ = C₈H₉NO₃, A₁₀ = C₂H₆O, W_j – скорость j-ой стадии (j=1¼5), X_i – мольная доля i-го компонента (соответствует A_i, i=1…10), k_j – константа скорости j-ой реакции.

Кинетическая модель удовлетворяет требованию самоопределения – независимости от более высоких уровней. Химическое взаимодействие протекает на молекулярном уровне. Поэтому зависит лишь от параметров реакции (концентрации реагентов, температуры, давления) и не зависит от других некинетических параметров осуществления химического взаимодействия – аппаратурного оформления, скорости потока реакционной смеси, диаметра зерен катализатора и т.п. Это важно как с исследовательской точки зрения (для изучения собственно химического взаимодействия), так и в практических целях (для преодоления масштабного перехода).

Список литературы:

1. Akhmetov I.V., Gubaydullin I.M. Analysis of methods for solving inverse problems of chemical kinetics with the use of parallel computing // В сборнике: PCT 2016 Parallel Computing Technologies. Proceedings of the 10th Annual International Scientific Conference on Parallel Computing Technologies. 2016. С. 402-410.
2. Ахметов И.В. Разработка кинетических моделей реакций синтеза ароматических и гетероциклических соединений на основе многоядерных вычислительных систем // В сборнике: Параллельные вычислительные технологии 2013 (ПаВТ'2013). Труды международной научной конференции. Ответственные за выпуск: Л.Б. Соколинский, К.С. Пан. 2013. С. 268-277.
3. Ахметов И.В. Многоядерность в обратных кинетических задачах // В сборнике: Научный сервис в сети Интернет: поиск новых решений. Труды Международной суперкомпьютерной конференции. 2012. С. 656-661.