Институт нефтехимии и катализа РАН


Перейти к содержанию

Главное меню:


Лаборатория математической химии

ИНК РАН > Структурные подразделения > Лаборатории

Лаборатория создана на основе переехавшей в 1976 г. в Институт нефтехимических производств (НИИнефтехим) из Института катализа СО СССР, ныне ИК СО РАН им. Г.К.Борескова, группы сотрудников (Шмелев А.С., Спивак С.И., Воронов В.Г., Балаев А.В.). С 1992 г. создана как лаборатория математической химии Института нефтехимии и катализа РАН

Сайт лаборатории математической химии - mathchem.ru

Спивак С.И.

Спивак Семен Израилевич– доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки РБ, заведующий лабораторией математической химии, одновременно зав. кафедрой математического моделирования Башкирского государственного университета.
Специалист в области математического моделирования химических процессов; математической теории эксперимента; обратных задач химической кинетики и термодинамики; идентификации механизмов сложных химических реакций; финансовой и актуарной математики. Автор 8 книг, более 500 научных статей.

Кадровый состав

Начиная с 1992 г. в лаборатории трудились д.ф.-м.н., проф. Спивак С.И., в.н.с., к.т.н. Балаев А.В., с.н.с., к.т.н. Воронов В.Г., к.ф.-м.н., доц. Губайдуллин И.М., к.т.н. Вайман А.М., к.х.н. Вайман Е.В., к.х.н., доц. Иремадзе Э.О., к.ф.-м.н. Абзалилова Л.Р. Соискателями докторских диссертаций в лаборатории были ректор Бирской государственной социально-педагогической академии, д.ф-.м.н., проф. Усманов С.М., зав. каф. математического моделирования Уфимского государственного нефтяного технического университета, д.ф.-м.н., проф. Мухаметзянов И.З., зав. каф математики и информатики Стерлитамакского филиала Башкирского государственного университета, д.ф.-м.н. Мустафина С.А. В лаборатории создана и успешно функционирует аспирантура по специальности 05.13.18 – Математическое моделирование. Численные методы и комплексы программ. Начиная с 1992 г. аспирантами и соискателями лаборатории защищено 4 докторских и 19 кандидатских диссертаций. В настоящее время в составе лаборатории обучается 11 аспирантов. Лаборатория работает в тесном контакте с кафедрой математического моделирования Башкирского государственного университета.

Тематика лаборатории

Математическое моделирование и оптимизация сложных химических, нефтехимических, нефтеперерабатывающих, ферментативных процессов и реакторов.

Основные направления исследований

  • Термодинамический и кинетический анализ сложных каталитических реакций с целью определения механизмов их протекания.
  • Обратные задачи идентификации механизмов сложных каталитических реакций.
  • Теория и методология моделирования каталитических процессов и реакторов на основе анализа физико-химических закономерностей.
  • Теория каталитических процессов, протекающих с переменными свойствами компонентов реакций и катализаторов.
  • Разработка математических алгоритмов и программного обеспечения для проведения вычислительных экспериментов в области катализа и математической химии.
  • Определение оптимальных условий проведения каталитических реакций в химических реакторах.
  • Разработка математических моделей для управления каталитическими процессами и реакторами.

Основные достижения за последние 10 лет

Исследования по математическому моделированию и оптимизации каталитических процессов являются частью активно развиваемого в настоящее время научного направления «Математическая химия". В рамках данного направления центральной тематикой лаборатории является обратная задача идентификации механизмов сложных химических реакций, одна из основных, проблем, стимулирующих развитие математической химии. Коллективом за последние годы получены следующие результаты:

  • Построены алгоритмы анализа кинетических и термодинамических измерений при идентификации механизмов сложных реакций.
  • Построены алгоритмы расчета уровня точности кинетических и равновесных констант при решении обратных задач.
  • Разработано программное обеспечение, использовавшееся при математической интерпретации измерений в самых разных конкретных реакциях (гетерогенный, гомогенный, межфазный, ферментативный катализ, жидкофазное окисление углеводородов и т. д.).
  • Разработаны методы оптимизации каталитических процессов с переменной активностью катализаторов и ограничениями на фазовые переменные. Апробация разработанных алгоритмов проведена при расчете оптимальных режимов производства стирола в двухреакторной системе: шестислойном реакторе (Р-1) для получения этилбензола алкилированием бензола этиленом и каскаде из двух реакторов (Р-2) с промежуточным подогревом реакционной смеси после первого реактора для получения стирола дегидрированием этилбензола. Проведенная оптимизация процессов позволила найти оптимальные технологические режимы, позволяющие увеличить выход целевых продуктов на 5-7%мас. при селективностях не ниже 92%:
  • Созданы методы и математическое обеспечение для расчета каталитических процессов, протекающих с заметным изменением реакционного объема. Проведено моделирование каталитических процессов в реакционных системах: газ-твердое (алкилирование 3,5-ксиленола метанолом, дегидрирование бутена-1 и метилбутенов, парциальное окисление дурола и сероводорода) и газ-жидкость-твердое (гидрирование б-пинена и олигомеризация б-метилстирола). Проведено также моделирование основных стадий приготовления и эксплуатации катализаторов: восстановления, пассивации, дезактивации и регенерации. Выбор перечисленных процессов обусловлен тем, что в Институте нефтехимии и катализа РАН в течение ряда лет проводилось их достаточно детальное исследование, начиная с изучения кинетических закономерностей протекания реакций, с последующей выдачей технической документации в соответствующие технико-экономические обоснования, технологические регламенты и т.д.
  • Разработана информационно-аналитическая система для изучения кинетики и механизмов сложных каталитических реакций. Реализована реляционная база данных, позволяющая хранить многочисленные экспериментальные данные и обрабатывать результаты расчетов. Создан пакет программ для обработки экспериментов с удобным интерфейсом и графической поддержкой. Все предложенные разработки реализованы в виде комплекса прикладных программ. Структура информационно-аналитической системы приведена на рисунке:
  • Разработаны кинетические модели следующих практически важных реакций:

а) гидроалюминирования олефинов в присутствии катализатора CpZrCl;
б) олигомеризации
б-метилстирола в присутствии цеолита NaHY;
в) ионного обмена при приготовлении цеолита КА;
г) циклоалюминирования олефинов триэтилалюминием в алюмоциклопентаны;
д) парциального окисления углеводородов и сероводорода;
е) алкилирования ароматических углеводородов и фенолов;
ж) гидрирования олефинов в газовой фазе и
б-пинена в жидкой фазе;
з) дегидрирования бутилов, метилбутенов и этилбензола;
и) цилоалюминирования олефинов.

  • Созданы математические модели каталитических процессов, представляющие собой систему уравнений материального и теплового балансов, кинетических уравнений, выражения для скорости передачи вещества и тепла, т.е. построены с учетом физико-химических закономерностей процесса. Проведен качественный анализ математических уравнений модели, составлены фазовые и параметрические портреты реакций.
  • Созданы алгоритмы и разработано программное обеспечение, позволяющие проводить вычислительные эксперименты для промышленно значимых каталитических процессов. Программное обеспечение зарегистрировано в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию РФ и во Всероссийском Государственном координационном центре информационных технологий. Разработанные методики и комплекс программ внедрены в практику работ ЗАО «Каучук», г. Стерлитамак.
  • Разработаны подходы для создания программно-методического обеспечения для решения обратных кинетических задач с использованием технологий параллельных вычислений. Основным достоинством применения параллельных вычислений на многопроцессорных компьютерах является существенное сокращение времени расчетов, необходимое для решения задач. Преимущество нового подхода хорошо прослеживается на примере разработки кинетических моделей сложных металло-комплексного катализа на примере реакции гидроалюминирования олефинов:

Основные направления исследований
Перспективы развития лаборатории

Математическое моделирование сложных химических реакций приводит к новым математическим постановкам – необходимо развитие новых математических методов. Анализ конкретных данных требует создания нового математического обеспечения – необходимо создание новых компьютерных технологий. Предполагается развитие работ в следующих направлениях:
1. Создание методов редукция математических моделей химической кинетики для сложных реакций;
2. Разработка методов моделирования каталитических процессов с изменяющимися свойствами реакционной среды;
3. Разработка методов оптимизации каталитических процессов с ограничениями на фазовые переменные;
4. Создание методов обработки информационного материала большой размерности с использованием реляционных баз данных;
5. Создание пакета прикладных программ для расчета кинетических констант технологических процессов с использованием базы данных и элементов графического представления полученных результатов;
6. Разработка макрокинетических модели приготовления катализаторов с учетом процессов адсорбции, десорбции и ионного обмена;
7. Моделирование пусковых режимов для создания гибких технологий каталитических процессов;
8. Создание математического и программного обеспечения для моделирования технологических процессов на системе параллельных вычислительных технологий:

  • решение обратных кинетических задач для химических систем большой размерности;
  • решение обратных кинетических задач для топохимических процессов, требующих учета изменения свойств катализатора;
  • моделирование технологических процессов с большими тепловыми и концентрационными пространственными градиентами (сильноэкзотермические процессы окисления или гидрирования);
  • моделирование переходных режимов при пуске адиабатических химических реакторов и аппаратов с теплосъемом;
  • расчет нестационарных теплофизических параметров и констант равновесия математических моделей;
  • учет (или оценка) влияния численной вязкости при решении нелинейных уравнений в частных производных;
  • создание систем управления базами данных для технологий параллельных вычислений.

9. Разработка единого подхода анализа областей неопределенности по параметрам для моделей, основанных на теории Марковских процессов – кинетические модели, актуарные модели.

Некоторые ключевые публикации за последние 10 лет

Книги:

Усманов Т.С., Спивак С.И., Усманов С.М.Обратные задачи формирования молекулярно-массовых распределений. Москва: Химия, 2004. 252 с.
Статьи:

  • Балаев А.В., Коншенко Е.В., Спивак С.И.. Исмагилов Ф.Р., Джемилев У.М. Моделирование процесса парциального окисления сероводорода на металлооксидных катализаторах // ДАН. 2001. Т.376. №1. С.69-72.
  • Балаев А.В., Парфенова Л.В., Губайдуллин И.М., Русаков С.В., Спивак С.И., Халилов Л.М., Джемилев У.М.. Механизм реакции циклоалюминирования алканов триэтилалюминием в алюмоциклопентаны, катализируемой Cp2ZrСl2 // ДАН. 2001. Т.381. №3. С.364-367.
  • Усманов Т.С., Гатауллин И.К., Усманов С.М., Спивак С.И., Монаков Ю.Б. О решении обратной задачи формирования молекулярно-массовых распределений при ионно-координационной полимеризации // ДАН. 2002. Т.385. №3. С.368-371.
  • Мухаметзянов И.З., Кузеев И.Р., Воронов В.Г., Спивак С.И. Структурная организация нефтяных дисперсных систем // ДАН. 2002. Т.387. №3. С.373-377.
  • Усманов Т.С., Максютова Э.Р., Спивак С.И. Математическое моделирование процесса полимеризации бутадиена на лантанидсодержащих катализаторах // ДАН. 2002. Т.387. №6. С793-796.
  • Бокин А.И., Балаев А.В., Баженов Ю.П., Касьянова Л.З., Кутепов Б.И. Разработка кинетической модели дегидрирования изоамиленов на железосодержащих катализаторах // Химическая промышленность. 2003. №4. С.52-55.
  • Мустафина С.А., Валиева Ю.А., Давлетшин Р.С., Балаев А.В., Спивак С.И. Оптимальные технологические решения для каталитических процессов и реакторов // Кинетика и катализ. 2005. Т.46. №5. С.749-756.
  • Давлетшин Р.С., Мустафина С.А., Балаев А.В.. Спивак С.И. О моделировании процесса гидрирования а-пинена // Катализ в промышленности. 2005. №6. С.34-40.
  • Мустафина С.А., Балаев А.В., Смирнов Д.Ю., Спивак С.И. Моделирование каталитического процесса дегидрирования метилбутенов // Системы управления и информационные технологии. 2006. №1. С.10-14.
  • Мустафина С.А., Давлетшин Р.С., Балаев А.В., Спивак С.И., Джемилев У.М. Моделирование процесса газожидкостного гидрирования aпинена в трубчатых реакторах // ДАН. 2006.Т.406. №5. С.647-650.
  • Parfenova L.V., Balaev A.V., Gubaidullin I.M., Pechatkina S.V., Abzalilova, L.R., Spivak S.I., Khalilov L.M., Dzhemilev U.M. Kinetic Model of Olefins Hydroalumination by HAlBui2 and AlBui in Presence of CpZrCl Catalyst // Int J Chem Kinet V39 №6. Р.333-339.
  • Хилько А.В., Спивак С.И., Губайдуллин И.М., Парфенова Л.В. О математическом моделировании индукционного периода химических реакций // Системы управления и информационные технологии. 2008. №1.2(31). 2008. С.264-266.
  • Губайдуллин И.М., Спивак С.И. Информационно-аналитическая система обратных задач химической кинетики // Системы управления и информационные технологии, 2008. №1.1(31). С.150-153.
  • Байтимерова А.И., Мустафина С.А. Спивак С.И. Поиск оптимального управления в каскаде реакторов для процессов с переменным реакционным объемом // Системы управления и информационные технологии. 2008. №2(32). С.38-42.
  • Спивак С.И., Абдюшева С.Р. Обратные задачи для марковских моделей // Системы управления и информационные технологии. 2008. №3(33). С.20-25.
  • Ю.Б. Линд, И.М. Губайдуллин, Р.А. Мулюков. Методология параллельных вычислений для решения задач химической кинетики и буровой технологии // Системы управления и информационные технологии. 2009. №2.2(36). С.44-50.
  • Спивак С.И. Информативность кинетических измерений // Химическая промышленность сегодня. 2009. №9. С.52-56.
  • Балаев А.В. Особенности построения кинетических моделей топохимических процессов // Химическая промышленность сегодня, 2009. №9. С.42-46.
  • Янборисов ЭВ., Янборисов В.М., Спивак С.И. Алгоритм моделирования полимеризации на катализаторах Циглера-Натта с учетом изменения активности катализатора. // Математическое моделирование. 2010. T№3.c. 15-25

На Главную | ИНК РАН | Новости | Деятельность | Симпозиум-2013 | Полезные ссылки | Карта сайта


Назад к содержанию | Назад к главному меню