Разработка программного продукта для проектирования и оптимизации химико-технологических систем

го диоксида титана обладают достаточной термической стабильностью (до 800°С), что определяет возможность их использования при высоких температурах в качестве газоселективных сенсоров и каталитических мембран.

Согласно данным спектроскопии диффузного отражения в УФ- и видимой областях спектра пленки, состоящие из плотноупакованных и высо-коупорядоченных нанотрубок TiO2, обладают значительным поглощением в видимой части спектра. Коэффициент диффузного отражения в видимой части спектра не превышает 10%, тогда как для порошкообразнного TiO2 он составляет от 40% и выше. Данный факт делает этот материал перспективным для применения в области преобразования световой солнечной энергии в химическую и электрическую.

В результате анодирования металлического титана в две стадии получаются пленки TiO2 с высокоупорядоченной структурой. Такая структура обладает большой эффективностью разделения фотогенерированных зарядов при поглощении квантов света, достаточной механической прочностью и значительным поглощением света в видимой части спектра. Все вышеперечисленные достоинства данного материала делают возможным его практическое применение, в частности, к проблемам защиты окружающей среды, преобразования световой солнечной энергии в химическую и электрическую, создания сенсоров и устройств нанофотоники.

Библиографическиессылки

1. Self-organized TiO2 nanotubes: Factors affecting their morphology and properties / S. Berger, R. Hahn, P. Roy, P. Schmuki // Phys. StatusSolidiB. - 2010. - № 10. -P. 2424-2435.

2. Хороших В.М., Белоус В.А. Пленки диоксида титана для фотокатализа и медицины // Физическая инженерия поверхности. - 2009. - № 3. - C. 223-238.

3. Anodic Growth of Highly Ordered TiO2 Nanotube Arrays to 134 цт in Length / M. Paulose, K. Shankar, S. Yoriya, H. E. Prakasam // The Journal of Physical Chemistry. -2006. - P. 1-6.

5. Masuda H., Fukuda K. Ordered metal nanohole arrays made by a two-step replication of honeycomb structures of anodic alumina // - Science. - 1995. - P. 1466 - 1475.

4. TiO2 Nanotubes with Tunable Morphology, Diameter, and Length: Synthesis and Photo-Electrical/Catalytic Performance / Daoai Wang [et al.] // Chem. Mater. -2009.-21.-P. 1198-1206.

УДК 662.613.128:628.544 C.B. Гунич, A.A. Овчарова

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Разработаны основы новой методологии оптимального выбора аппаратурного оформления типовых химико-технологических процессов. Данная методология является объектом интеллектуальной собственности, подлежащим к защите и представляющим зна-

чительный коммерческий интерес для научно-исследовательских и проектно-конструкторских предприятий.

Bases of model chemical-technological processes optimal apparatus choice new methodology are explained. This methodology is the subject of intellectual property, subject to the protection and of considerable commercial interest for the research and design companies.

Целью разработки программного продукта является создание методологии оптимизации и масштабирования химико-технологических систем. Данная методология наиболее актуальна на стадии коммерциализации лабораторных научных разработок и их трансфере в промышленное производство. Это обусловлено тем, что целью оптимизации химико-технологической системы в современных экономических реалиях является, прежде всего, определение прибыли от реализации конечной продукции, величины эксплуатационных (текущих) затрат, эффективности капиталовложений (капитальных затрат в основные фонды — материалы, арматуру, аппараты, оборудования сроком действия более 1 года). Традиционная научная школа [4] в качестве критерия оптимальности химико-технологического процесса использует величину, отображающую в виде целевой функции минимум суммарных (приведенных) капитальных и эксплуатационных затрат [2].

Рассмотрим случай типовой химико-технологической системы, в основе которой лежит массообменный процесс - разделение гомогенной бинарной системы на дистиллят и кубовый остаток методом непрерывной ректификации. Минимум затрат на проведение процесса делает возможным получение максимальной прибыли от реализации конечных продуктов (дистиллята и кубового остатка) и максимальной рентабельности технологии.

В качестве исходных данных технико-экономического расчета являются выходные данные гидравлических расчетов и эффективности тарелок различных конструкций [3,7]. Расчет выполняется с применением прикладных языков программирования [6]. Для создания циклических вычислений и поиска оптимального варианта конструкции колонны целесообразнее представить результаты предыдущих вычислений в виде двумерного массива (матрицы) â(î, j) с конечным числом строк i и столбцов j, который в общем виде подобен таблице 1.

Табл. 1. Двумерный массив исходных данных сравнительного анализа

г

А ,м H, м M ,кг AP, Па

Насадочная колонна A,j Hij Mj Щ

Барботажная колонна с ситчатыми тарелками Di,i+i Hi+1 Mi+1 APi+i

Барботажная колонна с клапанными тарелками A,i + 2 Hi+2 Mi+2 APi+2

Барботажная колонна с колпачковыми тарелками A,i+3 Hi+3 Mi+3 APi+з

Барботажная колонна с провальными тарелками D1,i + 4 Hi+4 Mi+4 APi+4

Исходными данными алгоритма оптимизации являются результаты гидравлического расчета процесса, определенные по известным методикам [1, 3, 5, 6], а также рыночные цены на конечные продукты, на единицу металлоемкости оборудования, на единицу потребляемых энергозатрат, сырья, реагентов.

Следует заметить, что рыночные цены на перечисленные выше статьи доходов и расходов зависят от множества факторов и могут принимать значения в весьма широком диапазоне. Выбор цен является субъективным случаем и должен осуществляться с учетом конъюнктуры рынка, региона, конкурентоспособности технологии и т.д.

С целью упрощения расчетов при создании программы принимаются следующие допущения. В данном технологическом процессе товарную ценность представляют оба продукта разделения, поэтому дистиллят и кубовый остаток полностью подлежат последующей реализации за установленные цены. Частью расходов и капиталовложений, не связанных с вариантными изменениями в принимаемых к расчету конструкциях (условно-постоянные эксплуатационные затраты, эксплуатация периферийного и теплообменного оборудования, отчисления и годовой фонд оплаты труда работников), при вычислении рентабельности можно пренебречь. Другим словом, учитываются только те относительные показатели, изменяющиеся в зависимости от конструктивного аппаратурного оформления исходного химико-технологического процесса.

Капитальные затраты в общем случае определяются исходя из массы (металлоемкости) оборудования с учетом рыночной стоимости приобретения единицы массы металла и транспортно-монтажных затрат (последние принимаются в размере 10% от общей стоимости оборудования). На основе рассчитанных значений с применением методов экспериментально-статистического моделирования [2] были выведены уравнения, взаимосвязывающие изменения капитальных затрат К от производительности по перерабатываемому сырью Q (т/час):

К = 6-10"9 • Q3 - 5-10-5 • Q2 + 2,568 • Q +1293 ,руб.

С учетом допущений эксплуатационные затраты в данном случае складываются из энергетических затрат на теплоносители и на преодоление гидравлического сопротивления движению пара в колонне, накладных расходов на содержание оборудования, амортизационных отчислений. Полиномальная функция взаимосвязи между эксплуатационными затратами Е, в данном примере тождественными переменным издержкам, и производительностью по перерабатываемому сырью Q (т/час), определена следующим образом:

Е = 2-10-9 • Q3 - 5-10-5 • Q2 + 0,587 • Q +1390 ,руб.

Годовая валовая выручка типового ректификационного процесса главным образом складывается из реализации товарного дистиллята и кубового остатка. При этом чистая годовая прибыль учитывает эксплуатационные затраты процесса и различные финансовые отчисления по налогам и сборам. В данном случае налоговые сборы являются постоянной величиной и в сравнительном анализе вариантов установки особого значения не имеют (при условии, что рыночные цены были введены в алгоритм без ставки налога на добавочную стоимость).

Рентабельность характеризует эффективность капиталовложений и величину текущих затрат, является выбранным критерием оптимальности процесса ректификации. Строгих мировых регламентов величины рентабельности нет, она может изменяться в широких пределах. Общепринято, что при значении рентабельности свыше 30% технология считается эффективной. В некоторых случаях в зависимости от назначения технологии в производственном процессе могут приниматься к реализации технологические схемы, имеющие коэффициент рентабельности менее 30% (в частности, технологии защиты окружающей среды). В данном примере целью реализации процесса является в конечном итоге получение прибыли, поэтому наилучшим вариантом конструкции колонны будет та, для которой значение рентабельности будет максимально (соответственно, величины затрат будут минимальны).

На основе расчетов по вышеуказанным формулам формируется массив значений рентабельности PI(i) для каждого варианта конструкции колонны. Далее производится определение максимального значения элемента массива PI (max) в циклическом блоке и вывод того ряда параметров Dj, Н, М, AP рассчитанных конструкций, которому соответствует элемент PI (max).

Аналогичные методологии могут быть применены для проектных расчетов и технико-экономического сравнения других известных химико-технологических процессов (тепловых, гидродинамических, механических и специальных). Практическая реализация программного продукта, созданного на основе данного алгоритма, позволит модернизировать расчетные методики, используемые в проектных организациях, технологических и исследовательских центрах производственных компаний. Кроме того, алгоритм с определением производственных функций (зависимость экономических издержек от объема производства товарного продукта) для ряда значений производительности технологических установок позволит прогнозировать эффект масштаба технологии при переходе от лабораторных исследований к промышленному проектированию, оценивать изменение средних издержек на пред-проектной стадии коммерциализации химико-технологических разработок.

Общая стоимость проекта по разработке программного продукта составляет 2,5 - 3 млн. рублей, включая разработку расчетных механизмов, интерфейса программы, отладку на лабораторно-экспериментальном уровне, а также промышленную апробацию. Срок окупаемости проекта составляет 3 года. Кроме того, ежегодно наблюдается увеличение объема научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в профильных организациях, в связи с чем возрастает спрос и на расчетные программные продукты, особенно на уровне лабораторного и опытно-экспериментального проектирования. Общий рынок сбыта разрабатываемого продукта в пределах Российской Федерации оценивается в 10.. .15 млн. $.

Кроме того, типичными представителями рынка сбыта разрабатываемого продукта являются известные системы автоматизированного проектирования предприятий и технологий, среди которых можно выделить «Ansys», «Hisys», «ChemCAD», «Pro II» и др. Указанные производители

программных продуктов могут использовать научные основы разработанной методологии в собственных проектах на коммерческой основе.

Библиографический список

1. Гунич С.В. Аппараты химической технологии: учеб. пособие / С.В. Гу-нич, Е.В. Янчуковская. — Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007. — 56 с.

2. Гунич С.В. Моделирование и расчет на ЭВМ химико-технологических процессов: учеб. пособие / С.В. Гунич, Е.В. Янчуковская. 2 части. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. 216 с.

3. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии / Ю.И. Дытнерский. М.: Химия, 1991. 452 с.

4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии.

10-е изд., стер. М.: ООО ТИД «Альянс», 2008.

5. Комиссаров Ю.А. Процессы и аппараты химической технологии: учеб. пособие / Ю. А. Комиссаров, Л. С. Гордеев, Д. П. Вент. М.: Химия, 2011. 1229 с.

6. Ульянов Б.А. Процессы и аппараты химической технологии: учеб. пособие / Б.А. Ульянов, В.Я. Бадеников, В.Г. Ликучев. Ангарск: Изд-во АГТА, 2006. 743 с.

7. Янчуковская Е.В. Математическое моделирование химических реакторов: учеб. пособие / Е.В. Янчуковская, Н.И. Ушакова. Иркутск: Изд-во Ир-ГТУ, 2008. 52 с.

УДК 004:621.315.616

Е.А. Порысева, А.А. Краснов, Э.М. Кольцова

Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия

СОЗДАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ В ОБЛАСТИ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Авторами была разработана информационная система для хранения и анализа данных в области нанокомпозиционных материалов на основе различных наноструктур. Данная информационная система включает в себя базу данных, модуль полуавтоматического поиска и извлечения информации, классификацию наноматериалов, а также модуль анализа свойств композитов, позволяющий качественно и количественно проследить улучшение свойств нанокомпозита при его армировании различными наноструктурами.

The authors have developed an information system for storing and analyzing data in the field of nanocomposite materials based on various nanostructures. This information system includes a database module is semi-automatic search and retrieval, classification of nanomaterials, and the module of analysis of properties of composites, which allows qualitative and quantitative improvement of the properties of the nanocomposite trace with its reinforcing various nanostructures.

Активное развитие нанотехнологий и, как следствие, информационный бум в этой области привели к созданию в период с 1990-2012 гг. более 500 тысяч публикаций, затрагивающих тему нанокомпозитов, представителями более чем 120 стран мира. Поэтому, создание базы знаний, в которой были бы отражены основные свойства нанокомпозитов, их классификация, методы получения и применения является на данном этапе развития технологий