Химическая энциклопедия - автоматизированные системы научных исследований

в химии и химической технологии (АСНИ), системы, в к-рых для повышения эффективности научных исследований ряд процедур получения, анализа, передачи и накопления информации, связанных с использованием в ходе изысканий метода мат. моделирования, формализован и выполняется автоматизированно. Задачи, к-рые можно решать с помощью АСНИ: 1) сократить сроки исследований, 2) повысить точность моделей и получить качественно новую информацию, 3) повысить эффективность использования оборудования, 4) сократить вспомогат. персонал изыскательских групп.

Автоматизация исследований требует прежде всего расчленения изучаемой сложной системы на составные части (уровни строения) с целью установления закономерностей процессов на каждом уровне. На основе знания св-в каждого уровня предсказываются характеристики разл. вариантов еще не существующих (гипотетических) хим. и химико-технол. систем, а глубокое понимание физ.-хим. механизмов явлений позволяет целенаправленно искать наиб. эффективные элементы и структуры разрабатываемых систем. В мировой практике созданы и эксплуатируются сотни АСНИ для изучения на разных уровнях сложных химико-технол. систем.

Обобщенная структура важнейших подсистем при автоматизации хим. и химико-технол. исследований приведена на рисунке. Осн. классы формализуемых процедур для выполнения их автоматически техн. ср-вами АСНИ распределяются по подсистемам след. образом.

1. В автоматизир. подсистеме исследовательских стендов (АСИС): стабилизация режимных параметров процессов в объектах эксперимента (дозирование в-в, стабилизация т-ры, давления и др. параметров в микрореакторах, фрагментах аппаратов или химико-технол. схемах) для уменьшения неконтролируемых возмущений (шумов); программное управление во времени и пространстве режимными параметрами (создание контролируемых изменений независимых переменных объекта эксперимента по заданному плану); логич. управление устройствами для измерения отклика объекта на контролируемые возмущения (автоматич. отбор проб на анализ, переключение режимов работы приборов, перемещение датчиков в объекте и др.); экспресс-анализ результатов измерений отклика объекта на возмущения (первичная обработка данных спектрального типа); экспресс-анализ опытов (оценки материальных и тепловых балансов по всем параметрам, определяющим состояние объекта эксперимента).

Обобщенная структура автоматизир. системы научных исследований: АСИС, АСМ, АС'ЭИ-автоматизир. системы соотв. исследовательских стендов, моделирования гипотетич. систем и управления эксперим. исследованиями; КМ-константы моделей (оценки); СИ-сигналы измерения; СМ-структуры моделей; СУ-сигналы управления.

2. В подсистеме управления экспериментами (АСУЭ) автоматизируются: качественный и численный анализ априорных мат. моделей для конструирования исследовательских стендов, включая анализ для выбора типа объектов эксперим. изысканий, методик измерения и управления ими; выявление наиб. информационных опытов для данной модели или неск. ее вариантов (планирование экспериментов); определение статистич. оценок констант моделей сравнением вычисленных по модели значений отклика "объекта на контролируемые возмущения с измеренными значениями по заданным критериям оценки (обратные задачи моделирования).

3. В подсистеме моделирования гипотетич. систем (АСМ) автоматизируются: синтез вариантов мат. моделей гипотетич. систем и расчеты отклика моделей (прямые задачи моделирования) на основе априорной информации об элементах синтезируемой системы на первых этапах исследований и скорректированных моделей по эксперим. данным; оптимизация характеристик синтезируемых гипотетич. систем и сравнение их с заданными целями изысканий; анализ оценок гипотетич. систем для уточнения познавательных задач, решаемых в подсистеме эксперим. исследований (АСЭИ), образуемой сочетанием подсистем АСИС и АСУЭ; анализ чувствительности оценок гипотетич. систем к параметрам элементов моделей для определения направления поиска более эффективных элементов. При объединении подсистем АСЭИ и АСМ образуется АСНИ.

Главный принцип создания техн. и программных ср-в АСНИ-модульное построение систем с обеспечением сопряжения пользователем отдельных модулей в систему без спец. дополнит. разработок (стандартизация интерфейсов, создание унифицир. магистралей для подключения цифровых приборов в систему). Важнейшее условие эффективного функционирования АСНИ-обеспечение возможности для исследователя активно контролировать все выполняемые АСНИ процедуры и управлять ими. Для этого создаются системы программ, обеспечивающие исследователям связь АСНИ через дисплеи в режиме диалога на языке в терминах химиков-экспериментаторов без знаний спец. вопросов программирования. В результате комплексной автоматизации ряда процедур в АСНИ сроки исследований сокращаются в 3-5 раз, а точность данных повышается в 2-3 раза. Широкое использование физ. методов измерений позволяет на основе изучения динамики процессов получать в АСНИ качественно новую информацию для более глубокого понимания разл. механизмов процесса и выбора оптимальных инженерных решений.

С целью исследований на молекулярном уровне создаются АСНИ для выявления структуры и расположения атомов в молекулах полученных соединений. В ЭВМ синтезируются модели гипотетич. молекул и на базе кван-товохим. представлений рассчитываются спектры этих молекул. Сравнением вычисленных и измеренных спектров подбираются самые вероятные структуры молекул. Из выбранных структур более точными расчетами и дополнит. исследованиями уточняется пространственное расположение атомов в молекуле.

Для изучения химико-технологических процессов создаются АСНИ, специализированные на задачах анализа кинетики каталитич. хим. р-ций. Элементы исследуемого объекта реакционноспособные фрагменты молекул и активные центры катализатора; осн. задача-выбор эффективных каталитич. системы и режима работы катализатора. Для решения этой задачи синтезируются варианты гипотетич. маршрутов хим. р-ций, по к-рым в ЭВМ автоматически составляются системы дифференц. ур-ний, представляющих собой мат. модели кинетики р-ций. Число вариантов моделей ограничивается по результатам предварит. экспериментов. На основе анализа входных и выходных расходов и концентраций потоков, т-р и давлений в исследуемых реакторах (в контролируемых условиях теплои массообмена внутри реакц. слоя) оцениваются константы скоростей и энергии активации в ур-ниях кинетики. Анализ особенностей кинетич. ур-ний дает возможность планировать последующие эксперименты для сокращения числа гипотез и выбора оптимальных условий использования каталитич. системы. Выявление лимитирующих стадий процесса позволяет найти направление совершенствования катализатора. Принципиальное улучшение исследований данного класса стало возможным на базе изучения кинетики хим. р-ций в динамич. режимах и благодаря слежению физ. методами (ЭПР, диэлькометрия и др.) за состоянием активных центров катализатора в ходе р-ций.

С целью исследований теплои массообмена в технол. аппаратах созданы АСНИ для изучения аэро-и гидродинамики потоков. Важнейшая задача-выбор конструктивного оформления аппаратов, обеспечивающего оптимальную организацию потоков в-ва и тепла. Поведение системы прогнозируется на основе решения ур-ний аэро-и гидродинамики (в частных производных). На отдельных этапах исследований используются модельные идеализиров. представления гидродинамики (модели идеального вытеснения и смешения, многофазные циркуляционные модели), для к-рых из эксперимента определяются статистич. оценки коэф. диффузии, межфазного обмена и др. Принципиальное улучшение исследований достигнуто в результате одновременного измерения локальных характеристик потоков (полей скоростей, давлений, концентраций специально вводимых в-в).

Для решения задач на уровне отдельных видов оборудования созданы АСНИ, в к-рых элементы системы представлены в виде мат. моделей элементов того или иного аппарата (слой катализатора, теплообменник, распределит, устройство и др.). Одна из главных задач -изучение и прогнозирование поведения катализаторов в пром. условиях. В таких АСНИ общий объем экспериментов значительно сокращается за счет поиска оптимальных решений на моделях гипотетич. аппаратов, а стоимость опытных установок-в результате уменьшения масштабов изучаемых фрагментов аппаратуры; при этом используются данные из АСНИ аэрои гидродинамики и АСНИ кинетики хим. р-ций.

На уровне исследования химико-технол. схем элементами изучаемой системы служат аппараты (реакторы, абсорберы и др.), связанные потоками в-ва и энергии в единый комплекс. Главная задача обнаружение коллективных эффектов, возникающих в химико-технол. системе и не проявляющихся при раздельном анализе ее элементов. К таким эффектам относится, напр., накопление в циркуляционных контурах микропримесей, отравляющих катализатор или вызывающих полимеризацию полупродуктов с осаждением в-в на конструктивных элементах аппаратов и др. Повышение чувствительности и применение наиб. универсальных аналит. приборов (напр., хромато-масс-спектрометров) позволяет обнаруживать в АСНИ коллективные эффекты в исследоват. стендах лаб. масштабов и существенно сокращать затраты ср-в и времени на стр-во эксперим. установок. Одновременно применение в АСНИ на уровне химико-технол. схем мат. моделей аппаратов, полученных в АСНИ др. уровней, дает возможность сокращать время на опыты за счет изучения и выбора на моделях оптимальных режимов и экспериментов до начала опытных работ и оперативной коррекции хода исследований.

Дальнейшее развитие АСНИ в химии и хим. технологии связано с организацией отдельных систем в единую иерар-хич. отраслевую систему, к-рая позволила бы специалистам разл. профиля оперативно обмениваться информацией (коллективный интеллект) для макс. сокращения затрат ср-в и времени на реализацию в пром-сти результатов научных исследований.

Лит.: Египко В. М., Организация и проектирование систем автоматизации научно-технических экспериментов, К., 1978; Аронина С. Е., Штраль И. Я., Автоматизация химико-технологических исследований, М., 1979; Тимошенко В. И. [и др.], "Хим. пром-сть", 1979, №3, с. 44(172)-48(176); Химическая промышленность. Сер. Автоматизация химических производств, 1980, в. 1; Френкель Б. А., Автоматизация экспериментальных установок, М., 1980; Эляшберг М. Е., Грибов Л. А., Серов В. В., Молекулярный спектральный анализ и ЭВМ, М., 1980; Автоматизация исследований состава, структуры и свойств веществ на основе ЭВМ. Обзорная информация, в. 4, М., 1981. М. Г. Слипъко, Ю. М. Лужков, И. Я. Штраль.

Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия

Под ред. И. Л. Кнунянца

1988