Методы, алгоритмы и программы моделирования кинетики химических и биохимических процессов с использованием интервального анализа
Диссертация
В настоящее время накоплен значительный опыт по решению традиционных для химической кинетики прямых и обратных задач. Следует отметить большой вклад в развитие построения кинетических моделей и программных комплексов работ д.т.н., проф. Ю. В. Шарикова, доц. В. И. Коробова, д.т.н., проф. В. Ф. Очкова и др. В отличие от традиционного подхода в работах этих авторов решение рассматривается с помощью… Читать ещё >
Содержание
- 1. Литературный обзор
- 1. 1. Основные положения моделирования процессов в химических реакторах
- 1. 2. Использование интервального анализа при моделировании химико-технологических процессов и систем
- 1. 3. Применение методов математического моделирования и численных методов для решения обратных задач
- 1. 3. 1. Постановка обратной кинетической задачи
- 1. 3. 2. Построение функционалов и методы их минимизации при решении обратной кинетической задачи
- 1. 3. 3. Особенности решения обратных задач
- 1. 3. 4. Задача нахождения кинетических параметров сложного процесса
- 1. 4. Глобальная оптимизация
- 1. 5. Методология интервального анализа и ее применение в химической кинетике
- 1. 6. Применение методов оптимизации для решения задач по построению кинетических моделей
- 1. 7. Обзор существующих комплексов программ
- 1. 7. 1. Анализ прикладных программных комплексов для решения задач химической кинетики
- 1. 7. 2. Программные системы, разработанные для использования через Интернет
- 2. 1. Интервальная арифметика
- 2. 2. Интервальные методы решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений
- 2. 2. 1. Теория интервального решения обыкновенных дифференциальных уравнений
- 2. 2. 2. Методы решения систем дифференциальных уравнений в интервальной постановке
- 3. 1. Объекты исследования и постановка задачи интервального метода
- 3. 2. Требования, предъявляемые к комплексу программ
- 3. 3. Структура и назначение комплекса программ Interval Kinetic
- 3. 4. Разработка и применение комплекса программ Interval Kinetic
- 3. 4. 1. Алгоритм нахождения верхних и нижних границ концентраций
- 3. 4. 2. Алгоритм нахождения интервалов констант скоростей реакции
- 3. 4. 3. Разработка пользовательского интерфейса
- 3. 4. 4. Системные требования к программному продукту
- 3. 5. Решение практических задач химической кинетики
- 3. 5. 1. Процесс получения (3-нафталинсульфокислоты
- 3. 5. 2. Применение комплекса программ для моделирования кинетики, а — нафталин сульфокислоты
- 3. 5. 3. Применение комплекса программ для моделирования кинетики алкилирования фенилацетонитрила
- 4. 1. Микроструктурные реакторы
- 4. 2. Использование интервального анализа для исследования биокаталитического процесса в микрореакторе
- 4. 2. 1. Модель биохимического процесса
- 4. 2. 2. Интервальная неопределенность в микрореакторе
- 4. 3. Исследование влияния интервальной неопределенности в реакторе смешения
- 5. 1. Постановка задачи
- 5. 2. Оценивание чувствительности значений констант скоростей на примере окисления метана
- 5. 2. 1. Дифференциальный метод анализа чувствительности
- 5. 2. 2. Интервальный метод анализа чувствительности
- 5. 3. Применение комплекса для оценивания чувствительности значений констант скоростей на примере алкилирования фенилацетонитрила
- 5. 4. Интервальный метод анализа чувствительности
Список литературы
- Холодное В.А., Лебедева М. Ю., Пунин А. Е., Хартманн К. Системный анализ и принятие решений. Компьютерные технологии решения задач многоцелевой оптимизации систем. Учебное пособие. — СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2006. — 152 с.
- Холоднов В.А., Гумеров А. М., Емельянов В. М. и др. Системный анализ и принятие решений. Математическое моделирование и оптимизация объектов химической технологии. Учебное пособие. СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2006. -340с.
- Холоднов В.А., Решетиловский В. П. и др. Системный анализ и принятие решений. Компьютерное моделирование и оптимизация объектов химической технологии в Mathcad и Excel. Учебное пособие. СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2007. -434с.
- Холоднов В.А., Хартманн К. и др. Системный анализ и принятие решений. Компьютерные технологии моделирования химико технологических систем. Учебное пособие. СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2007. -160с.
- Крылов В.М., Холоднов В. А. Теория и практика математического моделирования. Учебное пособие. СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2007. -178с.
- Краснобородько, Д.А. Интервальное оценивание параметров зависимостей Аррениуса, Лэнгмюра и Антуана / Д. А. Краснобородько, C.B. Фролова, В. А. Холоднов // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 2009. Т. 52. Вып. 7, с. 61−64.
- РТ2. Айвазян С. А., Енюков И. С., Мешалкин Л. Д. Прикладная статистика. Исследование зависимостей. М.: Финансы и статистика, 1985. — 488 с.
- РТ9. Бокс Дж., Дженкинс Г. Анализ временных рядов. Прогноз и управление. // Выпуск 1.-М.: Мир, 1974. 408 с.
- Тьюки Дж. Анализ результатов наблюдений. Разведочный анализ. М.: Мир, 1981.-695 с.
- Захаров A.B., Шокин Ю. И. Синтез систем управления при интервальной неопределённости параметров их математических моделей // Доклады АН СССР. 1988. — Т. 299, № 2. — С. 292−295.
- Шокин Ю. И. Интервальный анализ. Новосибирск: Наука, 1981.
- Shokin Yu. I. On interval problems, interval algorithms and their computational complexity // Scientific Computing and Validated Numerics Berlin: Akademie Verlag, 1996.-P. 314−328.
- Шарый С.П. Алгебраический подход к анализу линейных статических систем с интервальной неопределённостью // Известия РАН. Теория и системы управления. 1997. — № 3. — С. 51−61.
- Шарый С.П. Алгебраический подход во «внешней задаче» для интервальных линейных систем // Фундаментальная и Прикладная математика. 2002. — Том 8, вып. 2.-С. 567−610.
- Шарый С.П. Линейные статические системы с интервальной неопределённостью: эффективные алгоритмы для решения задач управления и стабилизации // Вычислительные Технологии. 1995. — Т. 4, № 13. — С. 64−80.
- Shary S.P. Algebraic approach to the interval linear static identification, tolerance and control problem, or One more application of Kaucher arithmetic // Reliable Computing. 1996. — V. 2, № 1. — P. 3−33.
- Лакеев A.B., Носков С. И. О множестве решений интервального уравнения с интервально заданными оператором и правой частью // Сибирский математический журнал. 1994. — Т. 35, № 5. — С. 1074−1084.
- Kreinovich V., Lakeev A.V. NP-hard classes of linear algebraic systems with uncertainties // Reliable Computing. 1997. — V. 3, № 1. — P. 51−81.
- Вощинин А.П. Интервальный анализ: развитие и перспективы // Заводская Лаборатория. 2002. — № 1. — С. 118−126.
- Вощинин А.П., Бочков А. Ф., Сотиров Г. Р. Метод анализа данных при интервальной нестатической ошибке // Заводская Лаборатория. 1990. — Т. 56, № 7.-С. 76−81.
- Белов В. М., Карбаинов Ю. А., Унгер Ф. Г., В. П. Смагин. Интервальный подход в задачах обработки эмпирической информации / Препринт, ТЕЩ СО РАН.-Томск, 1999.-38 с.
- Белов В.М., Суханов В. А., Унгер Ф. Г. Теоретические и прикладные аспекты метода центра неопределённости. Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1995. — 144 с.
- Белов Б. И., Анциферов Е. Г. К установлению линейной зависимости в условиях неопределённости исходных данных // Информационный сборниктрудов Вычислительного Центра, ИрГУ- выпуск II. Иркутск: Изд-во Иркутского университета, 1968. — С. 143−147.
- Быков В.И., Добронец Б. С. К интервальному анализу уравнений химической кинетики. Математические проблемы химической кинетики. Новосибирск: Наука, 1989.-с.226−232.
- Добронец Б.С., Шайдуров В. В. Двусторонние численные методы. -Новосибирск: Наука, 1990. 208 с.
- Нариньяни А. С. He-факторы: неточность и недоопределенность различие и взаимосвязь. — Известия Академии наук. Теория и системы управления, 2000, № 5. — с.44−56.
- Смагина Е.М., Моисеев А. Н. Слежение за полиномиальным сигналом в интервальной динамической системе // Вычислительные технологии. 1998. -Т. 3, № 1. — С. 67−74.
- Смагина Е.М., Моисеев А. Н., Моисеева С. П. Методы вычисления коэффициентов интервального характеристического полинома интервальных матриц // Вычислительные технологии. -1997. Т.2, № 1- С. 52−61.
- Хлебалин Н.А. Синтез интервальных регуляторов в задаче модального управления // Аналитические методы синтеза регуляторов: Межвуз. научн. сб. -Саратов: Сарат. политехи, инст-т, 1988. С. 83−88.
- Хлебалин Н.А., Шокин Ю. А. Интервальный вариант метода модального управления // Доклады АН. 1991. — Т.316, № 4. — С. 846−850.
- Moore R.E. Interval methods for nonlinear systems // Fundamentals of numerical computation (computer-oriented numerical analysis). Computing Supplement. -Wienn: Springer Verlag, 1980.-P. 113−120.
- Moore R. E. On computing the range of a rational function of n variables over a bounded region // Computing. -1976. Vol. 16. — P. 1−15.
- R.E. Moore, R.B. Kearfott, M. J Cloud Introduction to interval analysis. -Philadelphia: SIAM, 2009. 190 c.
- Алефельд Г., Херцбергер Ю. Введение в интервальные вычисления. М.: Мир, 1987.-360 с.
- Alefeld G., Mayer G. Interval analysis: theory and applications/ Journal of Computational and Applied Mathematics 121 (2000), p. 421 -464.
- Mayer G. Enclosing the solutions of systems of linear equations by interval iterative processes // Computing Supplement. 1998. — V. 6. — P. 47−58.
- Mayer G., Rohn J. On then applicability of then interval Gaussian algorithm //Reliable Computing. -1998. V. 4, № 3. — P. 205−222.
- Neumaier A. Linear interval equations. New York: Springer-Verlag, 1986. — P. 109−120. with moduls // Reliable Computing. — 1996. — V. 2, № 2. — P. 125−131.
- Hansen E.R. Interval form of Newton’s method // Computing. 1978. — V. 4, № 3-P. 187−201.
- Kaucher E. Interval analysis in the extended interval space // Computing Supplement. 1980. -V. 2.-P. 33−49.
- Канторович JI.В. О некоторых новых подходах к вычислительным методам и об-работке наблюдений // Сибирский Математический Журнал. 1962. — Т. 3, № 5. -С. 701−709.
- Димитров В.И. Простая кинетика. Новосибирск: Наука, 1982, 382 с.
- Павлов Б.В., Брин Э. Ф. Хим. физика, 1984, № 3, с. 393−404.
- Писаренко В.И., Погорелов А. Г., Кононов Н. Ф. Докл. АН СССР, 1966, т. 167, № 4, с.859−865.
- Гагарин С.Г., Колбановский Ю. А., Полак Л. С. В кн.: Применение вычислительной математики в химической и физической кинетике. М.: Наука, 1969. с. 82−178
- Адамар Ж. Задача Коши для линейных уравнений с частными производными гиперболического типа. М.: Наука, 1978. — 351 с.
- Безденежных А. А. Инженерные методы составления уравнений скоростей реакций и расчета кинетических констант. Л.: Химия, 1973. — 256 с.
- Брин Э.Ф. Исследование кинетических закономерностей при решении обратных задач // Прямые и обратные задачи в химической кинетике. -Новосибирск: Наука. 1993. — 284 с.
- Полак Л.С. Неравновесная химическая кинетика и ее применение. М.: Наука, 1979.-248 с.
- Лаврентьев М. М. О решении некоторых некорректно поставленных задач. -Новосибирск: Изд. СО АН СССР, 1962. 149 с.
- В.И.Коробов В. И., Очков В. Ф. Химическая кинетика. Введение с Mathcad/Maple/ MCS М.: Горячая линия-Телеком, 2009. — С. 85
- Beers K.J. Numerical Methods for Chemical Engineering: Applications in MATLAB, Cambridge University Press, 2006. P. 486
- Hao Li, Zhijiang Shao Simulation and Optimization of Chemical Process using GAMS Mix Pattern National Lab. of Ind. Control Technol., Zhejiang Univ., Hangzhou, 2006 -P.52
- Алексеев E.P., Чеснокова O.B., Рудченко E.A. Scilab: Решение инженерных и математических задач М.- БИНОМ, 2008. С. 260
- Орлянская И.В. Современные подходы к построению методов глобальной оптимизации // электронный журнал Исследовано в России. 2002. — С. 20 972 108
- Шарый С.П. Стохастические подходы к интервальной глобальной оптимизации // Труды Байкальской международной школы-семинара «Методы оптимизации и их приложения», Иркутск, Байкал, 2−8 июля 2005 г. Том 4: Иркутск, ИСЭМСО РАН. — 2005. — 119 с.
- Спивак С.И., Тимошенко В. И., Применение метода выравнивания по ПЛ Чебышева при построении кинетических реакций // Доклады АН СССР. 1970. -Т. 192.-№ 3.-С. 580−582
- Слинько М.Г., Спивак С. И., Тимошенко В. И. О критериях определения параметров кинетических моделей // Кинетика и катализ. 1972. — Т. 13. -Вып.б.-С. 1570−1578
- Спивак С.И., Слинько М. Г., Тимошенко В. И. Оценка значимости влияния измерений на кинетическую модель химических реакций // Математические проблемы химии. Ч. 2. — Новосибирск: ВЦ АН СССР. — 1973. — С. 3−9
- Добронец Б.С., Шайдуров В. В. Двусторонние численные методы. -Новосибирск: Наука. 1990. — 208 с.
- Быков В.И., Добронец Б. С. К интервальному анализу уравнений химической кинетики. Математические проблемы химической кинетики. Новосибирск: Наука. — 1989. — С. 226−232
- Добронец Б.С. Двусторонние методы решения уравнений химической кинетики // Математические методы в химической кинетике. Новосибирск: Наука. -1990.-С. 68−73
- Быков В.И., Добронец Б. С. Интервальный анализ уравнений химической кинетики. Новосибирск: Наука. — 1990. — С. 116−119
- Белов В.М., Королькова С. М., Евстигнеев В. В., Лагуткина Е. В. Интервальная кинетика химических реакций. Определение некоторых кинетических характеристик обратимых реакций первого порядка // Изв. вузов. Химия и химич. технол. 1998.-Т.41.-№ 2.-С. 109−111
- Ицкович И.А., Спивак С. И. Анализ применения линейного программирования при построении кинетических моделей сложной химической реакции // Управляемые системы. 1970. — Вып. 4−5. — С. 142−147
- Канторович Л.В. О некоторых новых подходах к вычислительным методам и обработке наблюдений // Сиб. матем. журн. 1962. — Т. 3. — № 5. — С. 701−709
- Спивак С.И. Детальный анализ определения методов программирования при определении параметров кинетической модели // Математические проблемы химии. Ч. 2. — Новосибирск: ВЦ АН СССР. — 1975. — С. 35−42
- Спивак С.И. О неединственности решения задач восстановления констант химической кинетики и констант химических равновесий // Математика в химической термодинамике. Новосибирск: Наука. — 1980. — С. 84−91
- Салимоненко Д.А., Салимоненко Е. А., Спивак С. И. Планирование кинетических измерений методами линейного программирования // 3-й Сибирский конгресс по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ-98). Ч. 4. — Новосибирск: ИМ СО РАН. — 1998. — С. 74
- Гаусс К. Ф. Сборник статей под ред. Виноградова. М.: АН. 1956. — 452 с.
- Половинкин Е. С, Балашов М. В. Элементы выпуклого и сильно выпуклого анализа. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. — 416 с.
- Спивак С.И. Информативность кинетических измерений // Обратные задачи в приложениях. Коллективная монография под общ. ред. проф. С. М. Усманова. -Бирск: БирТСПА. 2006. — 304 с.
- Белов В.М. Интервальная кинетика химических реакций, определение константы скорости необратимой реакции второго порядка // Известия вузов. Химия и химическая технология. 1997. Т. 40. № 5. С. 17−20.
- Быков В.И., Добронец Б. С. Двусторонние методы решения уравнений химической кинетики // Численные методы механики сплошной среды. 1985. -Т.16. -№ 4. — С. 13−22
- Alchemy Software. Computational Solutions for Chemists. Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.chemicalsofl.com/products.htm. — Загл. с экрана.
- ChemTable software.. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.chemtable.com — Загл. с экрана
- Green Chemistry Электронный ресурс. Режим доступа http://www.epa.gov/greenchemistry — Загл. с экрана
- MOSAIC Modeling Project Электронный ресурс. Режим доступа http://www.mosaic-modeling.de — Загл. с экрана
- Черноусько Ф.Л. Оценивание фазового состояния динамических систем. Метод эллипсоидов./ Черноусько Ф. Л. — М.: Наука, 1988. — 320 с.
- Курпель Н.С. Двусторонние неравенства и их приложения./ Курпель Н. С., Шувар Б. А — Киев: Наук, думка. 1980. — 268 с.
- Эффект Мура в интервальных пространствах / Вербицкий В. И., Горбань А. Н., Утюбаев Г. Ш., Шокин Ю. И. // ДАН СССР. — 1989. Т.304, 1. — С. 17−22.
- Nickel K.L.E. Using Interval Methods for the Numerical Solution of ODE’s / Nickel K.L.E // ZAMM, 1986, Vol. 66, N 11, 513−523.
- Девятко В.И. О двустороннем приближении при численном интегрировании обыкновенных дифференциальных уравнений / Девятко В.И.// Журн. вычисл. математики и мат. физики. — 1963. — Т. 3. 2. — С. 254−265.
- Лозинский С. М. Оценка погрешности приближенного решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений / Лозинский С. М. //Докл. АН СССР. — 1953. — Т. 92, 2. — С. 225−228.
- Загаллер В.А. Теория огибающих./ Загаллер В. А. — М.: Наука. 1975. — 104 с.
- Пасет Б.В., Холоднов В. А., Кулле П. А. К вопросу о кинетике сульфирования нафталина//ЖПХ, 1971. Т.44, № 8. С.1715−1721
- Пасет Б.В., Холоднов В. А., Кулле П. А. Математическая модель сульфирования нафталина и учет константы гидролиза // ЖПХ, 1971. Т.44, № 10. С.2364−2365
- М.Д.Машковский. Лекарственные средства. М.: Медицина, 1967
- H.H. Воронцов. Основы синтеза промежуточных продуктов и красителей. М.: Госхимиздат, 1955. — С.
- Б.К. Беркман. Сульфирование и щелочное плавление в промышленности органического синтеза. М.: Госхимиздат, 1960. — С.
- Боровинская Е.С., Микроструктурные реакторы концепции, развитие и применение / Боровинская Е. С., Решетиловский В.П.// Химическая промышленность, 2008. — № 5. С.31
- Freitag A., Dietrich Т. R. Proceedings of the conference on Microreaction Technology: 4th International Conference on Microreaction Technology, IMRET 4 (Atlanta, USA, 5−9 March 2000). Atlanta, 2000. — P. 48
- Ehrfeld W., Hessel V., Lowe H. Microreactors. New Technology for Modern Chemistry. Wiley-VCH: Weinheim, 2000. — P. 2
- Branebjerg J., Gravesen P., Krog J. P., Nielsen C. R. Fast Mixing by lamination //, in Proceedings of the «IEEE-MEMS '96 «(San Diego, USA, 12−15 Febr. 1996). San Diego: CA, 1996. — PP. 220−224
- Herskowits D., Herskowits V., Stephan K. Characterization of a two-phase impinging jet absorber II. Absorbtion with chemical reaction of C02 in NaOH solutions // Chem. Engin. Sci., 1990. — Vol. 45. — PP. 1281−1287
- Schubert K. et al. // Chem. Ing. Tech, 1989. Vol. 61. — P. 172
- Wegeng R.W., Call C.J., Drost M.K. // Proceedings of American Institute of Chemical Engineers Spring National Meeting (New Orleans, USA, 1996). New Orleans, 1996. -P. 1
- Ehrfeld W. DECHEMA-Monographs. Frankfurt.-DECHEMA, 1995. — P. 132
- Jahnisch K., Hessel V. et al. II Angew.Chem. Int. Ed., 2004. Vol. 43. — P. 406−446
- Кузнецов В. Микро- и нанотехнологии при производстве водорода для перспективных энергетических устройств // Наука в Сибири. 2006. — № 1−2. -С. 2537−2538
- Калмыков С.А. Методы интервального анализа./ Калмыков С. А., Шокин Ю. И., Юлдашев З. Х. Новосибирск: Наука, 1986. — С. 224