АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАСПАРАЛЛЕЛИВАНИЯ РАСЧЕТА КИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СЛОЖНОЙ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ

  • К.Ф. Коледина Институт нефтехимии и катализа УФИЦ РАН
  • М.К. Вовденко Институт нефтехимии и катализа УФИЦ РАН
  • И.М. Губайдуллин Институт нефтехимии и катализа УФИЦ РАН
  • С.Н. Коледин Институт нефтехимии и катализа УФИЦ РАН
Ключевые слова: Распараллеливания обратной кинетической задачи, реакция окисления изопропил-бензола, модели распараллеливания, эффективность, кинетическая модель, островная модель

Аннотация

Целью исследования является расчет кинетических параметров реакции окисления изопропилбензола по нескольким схемам химических превращений с применением алгорит-мов распараллеливания вычислительной задачи и анализом эффективности. Рассмотрены основные этапы распараллеливания решения обратной кинетической задачи: первая группа объединяет все механизмы, предложенные для химической реакции; для каждого механиз-ма рассматриваются все эксперименты реакции; по каждому эксперименту происходит разделение параметрической плоскости для поиска кинетических параметров. Решение обратной кинетической задачи относится к задачам оптимизации, для которых сущест-вуют модели распараллеливания вычислительного процесса: островная модель, клеточная модель, глобальная модель «Хозяин – Работник». Объектом исследования является реакция окисления изопропилбензола кислородом воздуха. Реакция является одной из стадий в тех-нологическом процессе получения фенола и ацетона кумольным способом. На сегодняшний день этот метод является самым распространённым в мире промышленным способом синтеза данных веществ. Реакция относится к радикально-цепному процессу. Рассмотре-ны основные элементарные реакции для стадий инициирования цепи, развития цепи, зату-хания цепи. Для решения прямой и обратной кинетической задач с целью определения ки-нетических параметров для элементарных стадий применялись такие математические методы, как Рунге-Кутта 4-ого порядка, метод переменного порядка в программной среде MATLAB. Для трех реакционных схем реакции окисления изопропилбензола разработаны кинетические модели. Проведено сравнение. При разработке кинетических моделей приме-нены модели распараллеливания. Проведен анализ эффективности распараллеливания. Эф-фективность распараллеливания решения обратной задачи рассматриваемой реакции ге-нетическим алгоритмом с островной моделью распараллеливания вычислительного про-цесса на персональном 4-х ядерном компьютере Intel Core I5 составляет 65%.

Литература

1. Slin'ko M.G. Istoriya razvitiya matematicheskogo modelirovaniya kataliticheskikh protsessov i reaktorov [History of development of mathematical modeling of catalytic processes and reac-tors], Teoreticheskie osnovy khimicheskoy tekhnologii [Theoretical bases of chemical technol-ogy], 2007, Vol. 41, No. 1, pp. 16-34.
2. Gubaydullin I.M., Lind Yu.B., Koledina K.F. Metodologiya rasparallelivaniya pri reshenii mnogoparametricheskikh obratnykh zadach khimicheskoy kinetiki [Methodology of parallel-ization in solving multiparametric inverse problems of chemical kinetics], Vychislitel'nye metody i programmirovanie [Computational methods and programming], 2012, Vol. 13, No. 1, pp. 28-36.
3. Koledin S.N., Karpenko A.P., Koledina K.F., Gubaydullin I.M. Informatsionnaya sistema dlya otsenki vzaimosvyazi tselevykh funktsiy i issledovaniya optimal'nykh usloviy provedeniya slozhnoy kataliticheskoy reaktsii metodami mnogotselevoy optimizatsii [Information system for evaluation of interrelation of target functions and investigation of optimal conditions of complex catalytic reaction by methods of multi-purpose optimization], Elektrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy [Electrical and information systems and systems], 2017, Vol. 13, No. 4, pp. 71-81.
4. Novichkova A.V., Bobreneva Yu.O., Gubaydullin I.M., Koledina K.F. Informatsionnyy kompleks postroeniya kineticheskoy modeli reaktsii gidroalyuminirovaniya olefenov triizobutilalyuminiem [Information complex of construction of the kinetic model of the reac-tion hydroalumination reactions of olefinov triisobutylaluminum], Elektrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy [Electrotechnical and information complexes and sys-tems], 2014. Vol. 10, No. 4, pp. 58-63.
5. Karpenko A.P. Osnovnye sushchnosti populyatsionnykh algoritmov dlya zadachi global'noy optimizatsii [The main essence of population algorithms for the problem of global optimiza-tion], Informatsionnye i matematicheskie tekhnologii v nauke i upravlenii [Information and mathematical technologies in science and management], 2016, No. 2, pp. 8-17.
6. Sobol' I.M., Statnikov R.B. Vybor optimal'nykh parametrov v zadachakh so mnogimi kriteriyami: ucheb. posobie dlya vuzov [Selection of optimal parameters in problems with many criteria: a textbook for universities]. 2nd ed. Moscow: Drofa, 2006, 175 p.
7. Deb K., Mohan M., Mishra S. Towards a Quick Computation of Well-Spread Pareto-Optimal Solutions, Evolutionary Multi-Criterion Optimization. Springer, 2003, pp. 222-236.
8. Kazuo Hattori, Yuxi Tanaka, Hiroyuki Suzuki, Tsuneo Ikawa, Hiroshi Kubota. Kinetics of liquid phase oxidation of cumene in bubble column, Journal of Chemical Engineering of Ja-pan, 1970, pp. 72-78.
9. Bhattacharya A. Kinetic modeling of liquid phase autoxidation of cumene, Chemical Engi-neering Journal, 2008, pp. 308-319.
10. Popov S.V., Serebryakov B.P., Kirichenko G.S., Golyushyuva G.P. Kinetic model of high-temperature isopropylbenzene oxidation, Petrorefinery and Petrochemistry, 1983, No. 5, pp. 31-33.
11. Koledina K.F., Koledin S.N., Schadneva N.A., Mayakova Y.Yu., Gubaydullin I.M. Kinetic model of the catalytic reaction of dimethylcarbonate with alcohols in the presence Co2(CO)8 and W(CO)6, Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis. DOI: 10.1007/s11144-017-1181-3.
12. Koledina K.F., Koledin S.N., Gubaydullin I.M. Mnogokriterial'naya optimizatsiya usloviy provedeniya kataliticheskoy reaktsii degidrirovaniya etanola v etilatsetat [Multicriteria optimi-zation of conditions for catalytic reaction of ethanol dehydration in ethyl acetate], Vestnik Bashkirskogo universiteta [Bulletin of Bashkir University], 2018, Vol. 23, No. 2, pp. 385-389.
13. Glamazdin E.S., Novikov D.A., TSvetkov A.V. Upravlenie korporativnymi programmami: informatsionnye sistemy i matematicheskie modeli [Corporate program management: infor-mation systems and mathematical models]. Moscow: IPU RAN, 2003, 159 p.
14. Koledina K.F., Gubaydullin I.M., Safin R.R., Akhmetov I.V. Informatsionnaya sistema postroeniya kineticheskoy modeli kataliticheskoy reaktsii, planirovanie ekonomicheski optimal'nogo khimicheskogo eksperimenta [Information system for constructing a kinetic model of a catalytic reaction, planning an economically optimal chemical experiment], Sistemy upravleniya i informatsionnye tekhnologii [Management systems and information technolo-gies], 2015, No. 3 (61), pp. 79-84.
15. Koledina K.F., Koledin S.N., Shchadneva N.A., Gubaydullin I.M. Kinetika i mekhanizm kataliticheskoy reaktsii spirtov s dimetilkarbonatom [Kinetics and mechanism of catalytic re-action of alcohols with dimethyl carbonate], Zhurnal fizicheskoy khimii [Journal of physical chemistry], 2017, Vol. 91, No. 3, pp. 422-428.
16. Gabitov S.A., Vovdenko M.K., Koledina K.F., Gubaydullin I.M. Parallel'nye vychisleniya pri modelirovanii reaktora okisleniya kumola [Parallel calculations in the simulation of the kumol oxidation reactor], Parallel'nye vychislitel'nye tekhnologii – XII mezhdunarodnaya konferentsiya, PaVT’2018, g. Rostov-na-Donu, 2–6 aprelya 2018 g. Korotkie stat'i i opisaniya plakatov [Parallel computational technologies XII international conference, PCT ' ’2018, Ros-tov-on-don, 2-6 April 2018 Short articles and descriptions of posters]. – Chelyabinsk: Izdatel'skiy tsentr YuUrGU, 2018, pp. 402.
17. Vovdenko M.K., Gubaidulin I.M., Koledina K.F., Koledin S.N. Isopropylbenzene oxidation reaction computer simulation, CEUR Workshop Proceedings, 2017, Vol. 1966, pp. 20-23.
18. Vovdenko M.K., Gabitov S.A., Koledina K.F., Ahmerov E.A., Sannikov A.D. Mathematical modeling of isopropylbenzene oxidation reaction and oxidation reactor, IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 1096 (2019) 012189.
19. Koledina K.F., Koledin S.N., Gubaydullin I.M. Optimization of chemical reactions by economic criteria based on kinetics of the process, CEUR Workshop Proceedings, 2017, Vol. 1966, pp. 5-9.
20. Koledina, K.F., Koledin S.N., Gubaydullin I.M., Karpenko A.P. Mnogotselevaya parallel'naya zadacha nelineynoy optimizatsii usloviy provedeniya kataliticheskikh protsessov [Multi-purpose parallel problem of nonlinear optimization of conditions of catalytic processes], Parallel'nye vychislitel'nye tekhnologii – XI mezhdunarodnaya konferentsiya, PaVT’2017, g. Kazan', 3–7 aprelya 2017 g. Korotkie stat'i i opisaniya plakatov [Parallel computing technolo-gies-XI international conference, Pavt ' 2017, Kazan, 3-7 April 2017. Short articles and de-scriptions of posters]. Chelyabinsk: Izdatel'skiy tsentr YuUrGU, 2017, pp. 377-385.
Опубликован
2019-04-04
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ III. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ