Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РЕАКЦИЙ СИНТЕЗА АРОМАТИЧЕСКИХ И ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ НА ОСНОВЕ МНОГОЯДЕРНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
02.00.04 – Физическая химия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Уфа-2012
Работа выполнена в лаборатории математической химии Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института нефтехимии и катализа Российской академии наук
|
Научный руководитель: |
кандидат физико-математических наук, доцент Губайдуллин Ирек Марсович |
|
Официальные оппоненты: |
доктор химических наук, профессор Кутепов Борис Иванович кандидат физико-математических наук, доцент Исмагилова Альбина Сабирьяновна |
|
Ведущая организация: |
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет» |
Защита диссертации состоится ”27” декабря 2012 г. в 1400 ч. на заседании диссертационного совета Д 21 2.013.10 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Башкирский государственный университет» по адресу: 450076, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32, химический факультет, ауд. 311, e-mail: dissovet2@rambler.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Башкирский государственный университет».
Автореферат разослан ”__” ноября 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
д. х. н., профессор Ю.А. Прочухан
общая характеристика работы
Актуальность работы*
Каталитические реакции синтеза ароматических и гетероциклических соединений, таких как N-бензилиденбензиламин и метиловый эфир 5-ацетил-2-пирролкарбоновой кислоты обладают широким спектром применения. N-бензилиденбензиламин известен как индикатор количественного определения литийорганических соединений титриметрическим методом и является исходным соединением для синтеза ряда гетероциклов. Метиловый эфир 5-ацетил-2-пирролкарбоновой кислоты представляет большой интерес для получения порфиринов и лекарственных препаратов.
Для изучения механизмов вышеуказанных реакций необходимо построить кинетические модели, решение обратных кинетических задач для которых усложнено тем обстоятельством, что данный этап разработки кинетической модели является наиболее трудоемким и требует больших временных затрат.
Применение параллельных вычислений становится все более востребованным методом математической обработки экспериментальных данных в связи с увеличивающейся сложностью получения детальной информации о химических реакциях.
Обратные задачи химической кинетики относятся к таким физико-химическим задачам, которые предполагают значительный объем вычислений. Использование высокопроизводительных вычислительных систем принципиально изменило возможности анализа сложных химических процессов, стал доступным детальный анализ достаточно сложных кинетических моделей с большим количеством экспериментальной информации; во много раз сократилось время построения кинетических моделей; повысилась точность решений.
В настоящее время предложены решения обратных кинетических задач с применением параллельных вычислений на кластерных системах и графических процессорах. Активно внедряются вычислительные машины с многоядерными процессорами, преимуществами которых являются доступность и легкость использования, что расширяет возможности их применения в научных исследованиях.
Автор данной диссертационной работы предложил перспективный и актуальный метод поиска кинетических параметров, использующий технологию параллельных вычислений на многоядерных системах, для построения кинетических моделей химических реакций металлокомплексного катализа с целью сокращения сроков изучения и освоения новых каталитических процессов.
Работа выполнена в соответствии с планами НИР Института нефтехимии и катализа РАН по темам: «Информационно-аналитические системы моделирования и оптимизации каталитических процессов с использованием технологии параллельных вычислений», № гос. регистрации 01201168013, «Металлокомплексный катализ в синтезе и селективной функционализации углеводородов и гетероатомных соединений», № гос. регистрации 01201168010.
Цель работы
Разработка2 кинетических моделей химических реакций с участием металлокомплексных катализаторов с использованием параллельного метода вычислений на многоядерных системах.
Научная новизна
Разработан метод построения кинетических моделей реакций металлокомплексного катализа с использованием параллельных вычислений на многоядерных вычислительных системах.
Решены следующие задачи:
●Разработан алгоритм решения обратной задачи химической кинетики для многоядерной системы с общей памятью.
●Разработан программный комплекс для решения обратных кинетических задач на многоядерных вычислительных системах.
●На основе разработанного алгоритма построены кинетические модели реакций синтеза ароматических и гетероциклических соединений в присутствии металлокомплексных катализаторов:
1) бензилиденбензиламина взаимодействием бензиламина с четыреххлористым углеродом под действием FeCl3∙6H2O;
2) метилового эфира 5-ацетил-2-пирролкарбоновой кислоты взаимодействием 2-ацетилпиррола с четыреххлористым углеродом и метанолом под действием соединений железа.
●Определены условия проведения химических реакций синтеза ароматических и гетероциклических соединений для получения максимального выхода целевого продукта (бензилиденбензиламина) и достижения наибольшей конверсии исходного реагента (2-ацетилпиррола).
Практическая значимость работы
Разработан и внедрен в экспериментальные лаборатории ИНК РАН* комплекс прикладных программ, использующий алгоритм параллельных вычислений на многоядерных системах при построении кинетических моделей химических реакций, катализируемых комплексами переходных металлов.
Разработанный программный продукт является частью методического пособия спецкурса «Информационно-аналитическая система обратных задач химической кинетики» на кафедре математического моделирования ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный университет» (БашГУ).
Проведен вычислительный эксперимент на базе кинетических моделей по определению максимального выхода бензилиденбензиламина при вариации температуры и соотношения исходных компонентов.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались на следующих Международных, Всероссийских и региональных научных конференциях:
– XVII Международная научная конференция «Математика. Образование» (Чебоксары, 2009);
– Всероссийская научно-практическая конференция «Финансовая и актуарная математика» (Нефтекамск, 2009);
– IX и X конференции с участием зарубежных ученых «Дифференциальные уравнения и их приложения в математическом моделировании» (Саранск, 2010; Саранск, 2012);
– Всероссийская научно-практической конференция «Прикладная информатика и компьютерное моделирование» (Уфа, 2012);
– Международные суперкомпьютерные конференции «Научный сервис в сети Интернет» (Новороссийск, 2010; Новороссийск, 2012);
– IX International Conference «Mechanisms of Catalytic Reactions» (St. Petersburg, 2012).
Результаты работы обсуждались на научных семинарах лаборатории математической химии Института нефтехимии и катализа РАН и кафедры математического моделирования БашГУ.
Работа была представлена и отмечена сертификатом об успешном прохождении обучения на молодежной летней школе «Суперкомпьютерное моделирование и визуализация в научных исследованиях» (Москва, 2010).
Связь с научными программами
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (госконтракт № 02.740.11.0631) и поддержана грантом РФФИ № 12-03-00183 «Новый универсальный метод синтеза хинолинов и изохинолинов с использованием металлокомплексных катализаторов».
Публикации
По теме диссертации опубликовано тринадцать статей, из них пять – в периодических изданиях, рекомендованных ВАК, одна – в рецензируемом издании, семь – в сборниках трудов Международных, Всероссийских, региональных научных и научно-практических конференций. Принято положительное решение о регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы, включающего 98 наименований. Объем диссертации составляет 100 страниц, включая 30 рисунков и 18 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обоснована актуальность проблемы, изложены цель и задачи исследований, представлены сведения по практической значимости и апробации работы.
В первой главе приведены результаты, полученные при анализе одновременно проводимых натурных и вычислительных экспериментов. Показано одно из главных преимуществ такого подхода – возможность планирования экспериментальных исследований.
Рассмотрены методологические основы изучения объектов химической кинетики, а также подходы при разработках информационно-аналитических систем кинетических исследований. Приведен анализ применения параллельных вычислений при решении обратных задач химической кинетики.
Вторая глава посвящена разработке кинетических моделей реакций синтеза ароматических и гетероциклических соединений.
Математическая обработка экспериментальных данных основана на результатах, полученных в лаборатории химии углеводородов ИНК РАН по синтезу ароматических соединений (на примере бензилиденбензиламина) и гетероциклических соединений (на примере метилового эфира 5-ацетил-2-пирролкарбоновой кислоты)*.
В подразделе 2.1 на основе анализа экспериментальных данных и результатов их математической обработки предложены следующие схемы химических превращений в реакциях синтеза бензилиденбензиламина и метилового эфира 5-ацетил-2-пирролкарбоновой кислоты (МЭАПКК) под действием металлокомплексных катализаторов:
1) Синтез бензилиденбензиламина реакцией бензиламина с четыреххлористым углеродом под действием FeCl3∙6H2O
(1)
2) Синтез метилового эфира 5-ацетил-2-пирролкарбоновой кислоты взаимодействием 2-ацетилпиррола с четыреххлористым углеродом и метанолом под действием железосодержащих катализаторов
(2)
Схемы превращений реакций (1)-(2) и соответствующие им кинетические уравнения представлены уравнениями (3)-(4):
|
1.C1 + C 2 C 3 + C 4 2.C 3 C 5 + C 6 3.C 5 + C 1 C 7 + C 8 4.C 8 + C 6 C 9 |
W1=K1C1C2 W2=K2C3 W3=K3C5C1 (3) W4=K4C8C6 |
где Ci – концентрации компонентов, моль/л: C1=C7H9N – бензиламин, C2=CCl4 – четыреххлористый углерод, C3=C7H8NCl – хлорбензиламин, C4=CHCl3 – хлороформ, C5=C7H7N – 1-фенилметанимин, C6=HCl – хлористый водород, C7=C14H13N – бензилиденбензиламин, C8=NH3 – аммиак, C9=NH4Cl – хлористый аммоний.
|
1.C1 + C 2 C 3 + C 4 2.C 3 + C 5 C 6 + C 4 3.C 6 + C 5 C 7 + C 4 4.C 7 + C 5 C 8 + C 4 5.C 8 C 9 + C 10 |
W1=K1C1C2 W2=K2C3C5 W3=K3C5C6 (4) W4=K4C5C7 W5=K5C8 |
где Ci – концентрации компонентов, моль/л: C1=C6H7NO – 2-ацетилпиррол, C2=CCl4 – четыреххлористый углерод, C3=C7H6NOCl3 – 2-ацетил-5-трихлорметилпиррол, C4=HCl – соляная кислота, C5=CH4O – метанол, С6=C8H9Cl2NO2 – 2-ацетил-5-дихлор(метокси)метанпиррол, C7=C9H12ClNO3 – 2-ацетил-5-диметокси(хлор)метанпиррол, C8=C10H15NO4 – 2-ацетил-5-триметоксиметанпиррол, C9=C8H9NO3 – метиловый эфир 5-ацетил-2-пирролкарбоновой кислоты, C10=CH3OCH3 – формальдегид.
В (3) и (4) Wj – скорость j-ой реакции, моль/(л∙ч); Kj – приведенная кинетическая константа скорости j-ой реакции, ч-1.
Кинетические уравнения схемы превращений (3)-(4) проанализированы в рамках закона действующих масс. Корректным описанием лабораторного реактора c мешалкой является модель идеального смешения, уравнения материального баланса которой представляются системой (5)-(6):
, , (5)
(6)
с начальными условиями: при t=0 – (7)
где = C/Co – относительное изменение числа молей реакционной смеси; C и Cо – мольная плотность и ее начальное значение, моль/л; Xi=Сi/C – концентрации компонентов, мольные доли; Vo – объем реакционного пространства, л; ωj=Wj/Co – приведенные скорости реакций, ч-1; J – число стадий химического превращения; I – количество компонентов.
Правые части систем уравнений (5)-(6) для реакций синтеза ароматических и гетероциклических соединений имеют следующий вид:
– Синтез бензилиденбензиламина реакцией бензиламина с четыреххлористым углеродом под действием FeCl3∙6H2O
F1 = –ω1 – ω3; F2 = –ω1; F3 = ω1 – ω2; F4 = ω1; F5 = ω2 – ω3; F6 = ω2 – ω4; F7 =ω1; F8 = ω3 – ω4; F1 = ω4; Fn = ω2 – ω4.
– Синтез метилового эфира 5-ацетил-2-пирролкарбоновой кислоты
F1 = –ω1; F2 = –ω1; F3 = ω1 – ω2; F4 = ω1 + ω2 + ω3 + ω4; F5 = ω2 – ω3 – ω4;F6 = ω2 – ω3; F7 = ω1 – ω4; F8 = ω4 – ω5; F9 = ω5; F10 = ω5; Fn = ω5.
В подразделе 2.2 проанализирован метод решения обратных кинетических задач с использованием многоядерных систем*. Поиск кинетических параметров химической реакции в присутствии металлокомплексного катализатора – длительный процесс. Для ускорения решения обратной задачи химической кинетики была разработана программа на языке C++ с многопоточным кодом OpenMP.
Созданный программный комплекс реализует расчеты с помощью многопоточности, в которой мастер-поток создает набор управляемых потоков и распределяет задачу между ними. Вычисления выполняются параллельно в системе с несколькими ядрами.
Описание задач, выполняемых параллельно несколькими потоками, и данных, используемых в этих задачах, осуществляется с помощью специальных директив языка программирования.
Количество создаваемых потоков необязательно совпадает с количеством ядер. Это регулируется при помощи вызова специальной библиотеки, а также переменных окружения.
Схема метода решения обратных задач с учетом распараллеливания на все доступные вычислительные ядра приведена на рис.1.
Рис.1. Алгоритм метода решения обратной кинетической задачи на основе многоядерных систем
При решении обратной кинетической задачи генерируется набор из n исходных констант скоростей стадий, основанный на методах регрессионного анализа. Существует 2n вариантов изменения набора констант в сторону увеличения или уменьшения на шаги i, равные проценту от предыдущих значений кинетических констант, т.е.: Km= Km-1(1+i//100), где Km и Km-1 – значения новых констант и констант, полученных на предыдущем шаге расчетов.
В табл.1 приведены все возможные варианты изменения набора констант для синтеза метилового эфира 5-ацетил-2-пирролкарбоновой кислоты при n=5.
Таблица 1
Вариации пяти констант для реакции синтеза метилового эфира 5-ацетил-2-пирролкарбоновой кислоты
|
№ |
K1 |
K2 |
K3 |
K4 |
K5 |
№ |
K1 |
K2 |
K3 |
K4 |
K5 |
|
1 |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
17 |
– |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
2 |
+ |
+ |
+ |
+ |
– |
18 |
– |
+ |
+ |
+ |
– |
|
3 |
+ |
+ |
+ |
– |
+ |
19 |
– |
+ |
+ |
– |
+ |
|
4 |
+ |
+ |
+ |
– |
– |
20 |
– |
+ |
+ |
– |
– |
|
5 |
+ |
+ |
– |
+ |
+ |
21 |
– |
+ |
– |
+ |
+ |
|
6 |
+ |
+ |
– |
+ |
– |
22 |
– |
+ |
– |
+ |
– |
|
7 |
+ |
+ |
– |
– |
+ |
23 |
– |
+ |
– |
– |
+ |
|
8 |
+ |
+ |
– |
– |
– |
24 |
– |
+ |
– |
– |
– |
|
9 |
+ |
– |
+ |
+ |
+ |
25 |
– |
– |
+ |
+ |
+ |
|
10 |
+ |
– |
+ |
+ |
– |
26 |
– |
– |
+ |
+ |
– |
|
11 |
+ |
– |
+ |
– |
+ |
27 |
– |
– |
+ |
– |
+ |
|
12 |
+ |
– |
+ |
– |
– |
28 |
– |
– |
+ |
– |
– |
|
13 |
+ |
– |
– |
+ |
+ |
29 |
– |
– |
– |
+ |
+ |
|
14 |
+ |
– |
– |
+ |
– |
30 |
– |
– |
– |
+ |
– |
|
15 |
+ |
– |
– |
– |
+ |
31 |
– |
– |
– |
– |
+ |
|
16 |
+ |
– |
– |
– |
– |
32 |
– |
– |
– |
– |
– |
Набор с наиболее удовлетворяющими решениями выбирается как исходный набор констант скоростей стадий. Для нового набора констант выполняют такие же операции, что и для предыдущего.
Процесс поиска численных значений кинетических параметров останавливают при достижении заданной точности.
В качестве критерия отклонения расчетных и экспериментальных данных выбран следующий функционал (8):
(8)
где Xijр – расчетные значения концентраций наблюдаемых веществ, мольные доли;
Xijэ – экспериментально полученные значения концентраций наблюдаемых веществ, мольные доли;
N – количество точек эксперимента;
M – количество веществ реакции.
Для всех комбинаций набора констант (см. табл.1) решается прямая кинетическая задача: уравнения (5)-(6) с начальными условиями (7).
При распараллеливании решения обратной кинетической задачи на 2 ядра время расчетов сокращается на 35-40%, на 4 ядра – на 50-55%. Время выполнения расчетов на одно-, двух- и четырехъядерных вычислительных системах для двух исследуемых реакций представлены на рис.2 и рис.3.
Для решения системы обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений (5)-(6) был выбран модифицированный метод Кутты-Мерсона пятого порядка точности. Для синтеза метилового эфира 5-ацетил-2-пирролкарбоновой кислоты и синтеза бензилиденбензиламина численные значения найденных констант скоростей стадий и энергий активации приведены соответственно в табл.2 и табл.3.
Рис.2. Зависимость времени расчетов прямых кинетических задач
на многоядерных системах для синтеза бензилиденбензиламина реакцией бензиламина с четыреххлористым углеродом под действием FeCl3∙6H2O
Рис.3. Зависимость времени расчетов прямых кинетических задач
на многоядерных системах для синтеза метилового эфира 5-ацетил-2-пирролкарбоновой кислоты
Таблица 2
Кинетические параметры для синтеза бензилиденбензиламина взаимодействием бензиламина с четыреххлористым углеродом
под действием FeCl3∙6H2O
|
Кинетические константы при температуре 23оС, ч-1 |
Еi, ккал/моль |
|
|
K1 |
1.5×10-2 |
10.6 |
|
K2 |
4.7 |
7.7 |
|
K3 |
13.4 |
1.6 |
|
K4 |
0.6 |
0.4 |
Константы (Ki) являются некоторыми приведенными величинами, которые имеют размерность обратного времени и связаны с истинными константами (ki) соотношениями:
Ki=ki∙Co (i=1, 3, 4), размерность ki (л∙моль-1∙ч-1); k2=K2 (ч-1).
Таблица 3
Кинетические параметры для синтеза метилового эфира 5-ацетил-2-пирролкарбоновой кислоты
|
Кинетические константы при температуре 105оС, ч-1 |
Еi, ккал/моль |
|
|
K1 |
4.9×10-2 |
23.8 |
|
K2 |
4.3×10-3 |
3.6 |
|
K3 |
4.1×10-2 |
4.4 |
|
K4 |
7×10-4 |
9.7 |
|
K5 |
6.4 |
3.1 |
Для данной реакции приведенные и истинные константы связаны соотношениями: Ki=ki∙Co (i=1, 2, 3, 4), размерность ki (л∙моль-1∙ч-1); k5=K5 (ч-1).
В табл.2 и табл.3 приведены константы при некоторых опорных температурах (Топ). Пересчет констант для любой температуры производится через выбранную опорную температуру по формулам (9), основанных на законе Аррениуса:
(9)
В третьей главе на базе разработанных кинетических моделей (3)-(4) проведен вычислительный эксперимент по определению выходов целевых продуктов и конверсий начальных компонентов при вариации температуры и соотношения исходных реагентов.
Все полученные константы (табл.2 и табл.3) при расчетах по уравнениям (5)-(6) для двух реакций приведены в подразделе 3.1.
Сравнение расчетных и экспериментальных данных для реакций синтеза бензилиденбензиламина приведено в табл.4 и табл.5, синтеза метилового эфира 5-ацетил-2-пирролкарбоновой кислоты – на рис.4 и рис.5.
Таблица 4
Сравнение расчетных и экспериментальных данных для синтеза бензилиденбензиламина взаимодействием бензиламина с четыреххлористым углеродом под действием FeCl3∙6H2O при температуре 23ºС
|
Температура опыта, ºС |
Время, ч |
Бензиламин (X1), мольные доли |
Бензилиденбензил-амин (X7), мольные доли |
||
|
Опыт |
Расчет |
Опыт |
Расчет |
||
|
23 |
0.5 |
1.0000 |
0.9983 |
0 |
0.0017 |
|
1.5 |
0.9938 |
0.9894 |
0.0062 |
0.0106 |
|
|
2.0 |
0.9844 |
0.9847 |
0.0156 |
0.0153 |
|
|
4.0 |
0.9658 |
0.9658 |
0.0342 |
0.0342 |
|
|
6.0 |
0.9437 |
0.9471 |
0.0563 |
0.0529 |
Таблица 5
Сравнение расчетных и экспериментальных данных для синтеза бензилиденбензиламина взаимодействием бензиламина с четыреххлористым углеродом под действием FeCl3∙6H2O при температуре 85ºС
|
Температура опыта, ºС |
Время, ч |
Бензиламин (X1), мольные доли |
Бензилиденбензил-амин (X7), мольные доли |
||
|
Опыт |
Расчет |
Опыт |
Расчет |
||
|
85 |
0.5 |
0.85 |
0.92 |
0.15 |
0.07 |
|
1.5 |
0.74 |
0.73 |
0.26 |
0.27 |
|
|
2.0 |
0.62 |
0.65 |
0.38 |
0.35 |
|
|
4.0 |
0.54 |
0.38 |
0.46 |
0.62 |
|
|
6.0 |
0.22 |
0.22 |
0.78 |
0.78 |
|
|
8.0 |
0.04 |
0.12 |
0.96 |
0.88 |
Рис. 4. Расчетные и экспериментальные данные расхода 2-ацетилпиррола при температурах, оС: 1 (■)– 105; 2 (▲)– 110; 3 (●) – 115.
Рис. 5. Расчетные и экспериментальные данные образования МЭАПКК при температурах, оС: 1 (■)– 105; 2 (▲)– 110; 3 (●) – 115.
Разработанная модель адекватно описывает экспериментальные наблюдения: расхождение расчетных и экспериментальных изменений концентраций во времени не превышает погрешности количественного анализа.
В подразделе 3.2 приведены результаты, полученные при поиске условий проведения химических реакций для получения максимального выхода целевого продукта (бензилиденбензиламина) и достижения наибольшей конверсии исходного реагента (2-ацетилпиррола).
Решение задачи оптимизации химического процесса включает следующие основные этапы: 1) выбор критерия оптимизации или целевой функции; 2) выбор характеристики переменных и ограничений на них; 3) математическое описание процесса; 4) выбор метода расчета оптимальных режимов.
Все переменные, характеризующие протекание химической реакции, делятся на две группы: фазовые переменные, которые определяют состояние процесса, но не поддаются непосредственному воздействию, и управляющие параметры – переменные, определяющие режим работы, которые мы можем изменять, воздействуя тем самым на течение процесса. Для исследованных химических реакций фазовыми переменными являются концентрации компонентов, а управляющими параметрами являются температура реакции и начальный состав реакционной смеси.
Математическим описанием реакций в лабораторном реакторе перемешивания являются уравнения материального баланса (5) и (6). Поиск оптимальных режимов, как и при поиске кинетических констант, проводился методом регрессионного анализа.
Для синтеза бензилиденбензиламина реакцией бензиламина с четыреххлористым углеродом под действием FeCl3∙6H2O в качестве целевой функции выбрано мольное соотношение исходных веществ: бензиламина (Х1) и четыреххлористого углерода (Х2).
В результате вычислительных экспериментов найдено соотношение исходных реагентов (Х1:Х2=1:9), при которых выход продукта (бензилиденбензиламина) при температуре 85ºС максимален и равен 97.6% (см. табл.5).
Изменение выхода целевого продукта в зависимости от соотношения Х1:Х2 при различных температурах приведено в табл.5.
Таблица 5
Зависимость выхода целевого продукта от соотношения исходных реагентов
|
Бензиламин (Х1), мольные доли |
Четыреххлористый углерод (Х2), мольные доли |
Выход бензилиденбензил-амина (Х7) при температурах 23ºС и 85ºС, %мол. |
|
|
23ºС |
85ºС |
||
|
0.45 |
0.55 |
6.3 |
80.6 |
|
0.40 |
0.60 |
6.9 |
85.5 |
|
0.37 |
0.63 |
7.2 |
87.9 |
|
0.35 |
0.65 |
7.4 |
89.0 |
|
0.30 |
0.70 |
8.0 |
92.3 |
|
0.25 |
0.75 |
8.5 |
94.5 |
|
0.10 |
0.90 |
9.7 |
97.6 |
|
0.05 |
0.95 |
9.1 |
97.1 |
Для реакции получения метилового эфира 5-ацетил-2-прирролкарбоновой кислоты в качестве целевой функции выбрано минимальное время достижения 95% конверсии 2-ацетилпиррола (Х1).
Были проведены расчеты для трех температур, при которых проводились эксперименты: 105ºС, 110ºС и 115ºС.
Анализ изменения во времени скоростей стадий при температуре 115ºС (см. рис.6) и степени превращения 2-ацетилпиррола (см. рис.7) показал, что оптимальное время проведения опыта – 3 часа.
Рис.6. Изменение во времени скоростей стадий реакции синтеза метилового эфира 5-ацетил-2-пирролкарбоновой кислоты при температуре реакции 115oC
Рис.7. Изменение во времени конверсии 2-ацетилпиррола при температуре реакции 115oC
ВЫВОДЫ:
При решении обратной кинетической задачи генерируется набор из n исходных констант скоростей стадий, основанный на методах регрессионного анализа.
Показано, что использование четырехъядерной системы позволяет в 2.1-2.2 раза ускорить вычислительный процесс.
Показано, что для получения максимального выхода бензилиден-бензиламина наилучшее соотношение мольных концентраций исходных реагентов бензиламин:четыреххлористый углерод составляет 1:9.
Продолжительность реакции получения метилового эфира 5-ацетил-2-пирролкарбоновой кислоты при условии достижения 95% конверсии 2-ацетилпиррола составляет 3 часа.
Разработанный программный продукт включен также в методическое пособие спецкурса «Информационно-аналитическая система обратных задач химической кинетики» на кафедре математического моделирования ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный университет».
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК
Публикации в других изданиях
Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ
14. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. Программный комплекс Kinetic Multi-Processing (KinMP) для решения обратных кинетических задач на многоядерных вычислительных системах / Ахметов И.В., Губайдуллин И.М., Закирова А.Д. Принято положительное решение.
Соискатель И.В. Ахметов
* Автор выражает благодарность д.ф.-м.н, профессору Семену Израилевичу Спиваку за помощь в выборе темы научного исследования и обсуждении результатов работы
2 Автор выражает благодарность д.х.н., профессору Александру Всеволодовичу Балаеву за помощь на всех этапах подготовки диссертации
* Автор выражает особую признательность члену-корреспонденту РАН Усеину Меметовичу Джемилеву за поддержку при выполнении работы
* Автор выражает искреннюю благодарность руководителю лаборатории химии угдеводородов Института нефтехимии и катализа РАН, д.х.н., профессору Равилю Исмагиловичу Хуснутдинову, к.х.н. Альфие Руслановне Байгузиной, а также сотрудникам лаборатории за предоставление экспериментального материала и обсуждение результатов работы
* Автор выражает благодарность к.т.н., доценту кафедры вычислительных систем ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского» Сергею Сергеевичу Ефимову за ценные замечания и полезную критику