На главную

 
Научные подразделения Центра
Научная библиотека
Научные советы
Издательская деятельность
История ИК СО РАН
Версия для печати | Главная > Центр > Научные советы > Научный совет по катализу > ... > 2001 год > № 18

№ 18

Обложка номера

СОДЕРЖАНИЕ

Памяти академика В.М. Грязнова

Катализ: взгляд сквозь годы (продолжение)
М.Г. Слинько.
О становлении и развитии математического моделирования
каталитических процессов

Новости науки

За рубежом

Премии по химии




Памяти академика В.М. Грязнова

Подробнее


Катализ: взгляд сквозь годы

Катализ: взгляд сквозь годы

О становлении и развитии математического моделирования каталитических процессов
М. Г. Слинько

М. Г. Слинько

Вряд ли есть в настоящее время необходимость объяснять ту исключительную роль, которую играют вопросы нелинейной динамики и математического моделирования каталитических процессов и реакторов в теории и практике промышленного катализа. Быстрое развитие промышленных каталитических процессов в значительной степени обусловлено развитием физико-химических, математических теорий, экспериментальных методов исследования каталитических систем и постоянно возрастающими потребностями устойчивого развития общества.

Организации и работе Отдела кинетики и моделирования Института катализа СО РАН в г.Новосибирске, начиная с первых дней его создания, справедливо было бы посвятить целую книгу, в которой отразилась бы почти вся история развития математического моделирования. В коротком же эссе нет возможности упомянуть все необходимое. Причиной является многогранное и широкое развитие области, а также активное применение разработанных методов к огромному числу промышленных каталитических процессов. Я надеюсь, что это эссе послужит примером для написания подобных заметок другими сотрудниками Отдела кинетики и моделирования. Опыт предыдущих поколений имеет непреходящее значение для формирования научного мировоззрения молодежи и сохранения добрых традиций.

Сейчас, когда я оглядываюсь на далекое прошлое, у меня прежде всего возникает искреннее желание выразить глубокую благодарность сотрудникам Отдела кинетики и моделирования за бескорыстную преданность науке, за высокий научный уровень, за умение защищать развиваемые теории и методы и высокие моральные и нравственные качества. Ярким примером для нас были и ведущие ученые СО АН СССР: академики М.А. Лаврентьев, А.А. Трофимук, С.А. Христианович, С.Л. Соболев, А.И. Мальцев, Д.К. Беляев и И.Н. Векуа.

Задачи катализа и химической технологии сводятся к системам нелинейных дифференциальных уравнений, не допускающих линеаризацию и исследование непосредственным интегрированием. Поэтому в Германии с 1925 года, а затем в США стала развиваться теория подобия химико-технологических процессов. Однако ее применение не позволяло решать задачи химической технологии. На Западе это привело к формированию системы последовательных опытных установок для осуществления масштабного перехода от лабораторных измерений к промышленным условиям.

Проектные организации Советского Союза также столкнулись с проблемой неприменимости теории подобия в химической технологии. Уже в начале века у инженеров Тентелевского сернокислотного завода было ясное понимание, что простое физическое моделирование не работает при выборе диаметра контактных трубок аппарата для окисления SO2 в SO3. Поэтому проектирование реакторов велось на основе решения нелинейных уравнений с помощью графических и других приближенных методов. Так, например, в 1937 году в ГИПРОХИМ'е был спроектирован контактный аппарат К-39 с адиабатическими слоями катализатора и промежуточным охлаждением между слоями для Воскресенского химического комбината. Аппарат был введен в эксплуатацию в цехе N1 в 1940 году. За эту работу сотрудникам ГИПРОХИМ'а М.Г. Слинько, Н.П. Сосновскому, М.Н. Левину и начальнику сернокислотного цеха ВХК Г.И. Иванову была присуждена Сталинская премия. Принципиальная технологическая схема этого аппарата является и сегодня основной для всех сернокислотных контактных аппаратов в мире.

Тем не менее под руководством академика М.В. Кирпичева в СССР развивались исследования по применению теории подобия к химико-технологическим процессам. В Казанском химико-технологическом институте группа сотрудников под руководством Г.К. Дьяконова распространила теорию подобия, разработанную для энерготехнологических процессов, на физико-химические и химические процессы. В 1946 году в Энергетическом институте АН СССР Г.К. Дьяконовым была защищена диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по теме "Подобие процессов физико-химических превращений". Однако эти работы не оказали заметного влияния на практическую работу инженеров-химиков и технологов.

В 1945-46 годах большое число химиков-исследователей и инженеров-химиков было командировано в Германию для ознакомления с химической промышленностью и осуществления репарационных поставок. Инженеры увидели огромное число опытных установок различного масштаба на комбинатах. Это оказало негативное влияние на сторонников теоретического моделирования, и в проектных организациях возникла идеология многоступенчатого перехода от лабораторных установок к промышленным. В некоторых ВУЗах, особенно в Ленинградском технологическом институте, культивировалось применение теории подобия. Идеология многостадийного внедрения новых промышленных процессов легко воспринималась разработчиками, так как резко уменьшала ответственность научных работников и инженеров-проектировщиков. Исследователи не доводили разработки новых процессов до необходимого понимания, надеясь найти ответы на неясные вопросы в ходе эксплуатации опытных установок.

Наиболее опытные и квалифицированные специалисты в послевоенный период были отвлечены от текущих задач химической промышленности, решая насущные проблемы новой техники (получение тяжелой воды, безопасность ядерных реакторов, разделение изотопов, процессы экстракции и др.) на основе детальных расчетов и прямого масштабного перехода. Иначе поставленные задачи в ракетной и ядерной технике не были бы решены в такие короткие сроки.

С другой стороны, за длительный период во многих академических химических институтах сформировалась патриархальная обстановка, при которой работа исследовательских групп отражала в основном личные интересы их руководителей. Связь с промышленностью была слабой, и поэтому в Академии наук не развивалась научная методика перехода от лабораторных измерений к промышленным условиям. Не было понимания того, как должен быть поставлен лабораторный эксперимент, чтобы его результаты могли служить основой проектирования промышленных аппаратов.

В связи с этим, возникла острая необходимость создания нового академического Института катализа, способного, среди прочего, решать проблемы и промышленного катализа. По решению Майского (1958г.) Пленума ЦК КПСС об ускоренном развитии химической промышленности Институт катализа был организован во главе с чл.-корр. АН СССР Г.К. Боресковым. После Майского Пленума особенно бурно развивалась химическая промышленность на основе каталитических процессов.

На Декабрьском (1963г.) Пленуме ЦК КПСС обсуждался вопрос об ускоренном развитии химической промышленности как важнейшем условии подъема сельскохозяйственного производства и роста благосостояния народа. Выступая на этом Пленуме, проходившем в Кремлевском дворце съездов, Президент АН СССР академик М.В. Келдыш рассказал о работах Института катализа по математическому моделированию химических процессов как о конкретных работах, содействующих сокращению сроков проектирования и внедрения новых технологий.

За десятилетие (1961-1970гг.) в отечественной химической промышленности произошли крупнейшие количественные и коренные качественные изменения. За этот период в ее развитие было вложено свыше 20 млрд. руб. и еще 10 млрд. руб. в отрасли получения углеводородного сырья. Общая экономическая эффективность расширения производства химической продукции и использования ее в других отраслях народного хозяйства составила за 10 лет 44 млрд. рублей.

Организаторами крупных достижений в химической промышленности в 1960-1980 годы, которые способствовали повышению уровня жизни народа, а также обеспечивали обороноспособность страны, были Министр химической промышленности СССР Леонид Аркадьевич Костандов и заведующий Отделом химической промышленности ЦК КПСС Виктор Михайлович Бушуев.

На XXIV Съезде КПСС и последующих Пленумах ЦК КПСС большое внимание уделялось дальнейшему наращиванию мощностей по выпуску химической продукции и особенно минеральных удобрений. В мае 1970 года Министром химической промышленности Л.А. Костандовым был подписан приказ о создании Новосибирского отдела Всесоюзного научно-исследовательского института химических реактивов и особо чистых веществ (ИРЕА), а с 1975 года на его базе создано Специальное конструкторско-технологическое бюро катализаторов с опытным производством (СКТБ катализаторов). По согласованию с АН СССР научное руководство деятельностью отдела, а затем СКТБ катализаторов было поручено Институту катализа.

Поскольку кинетика каталитических реакций и процессы переноса вещества, тепла, импульса и заряда являлись основой математического моделирования каталитических процессов, в Институте был организован Отдел кинетики и моделирования. Его структура состояла из лабораторий: математического моделирования, процессов в неподвижном и в псевдоожиженном слоях, фазовых переходов, кинетики каталитических реакций, вычислительной техники; и групп: сложных процессов, жидкофазных процессов, нестационарных процессов и устойчивости, численных методов, качественных методов. Последние 2 группы комплектовались в основном учениками профессора Института математики СО АН СССР Т.И. Зеленяка и руководились им.

О. Малиновская

Вначале Отдел располагался в доме N5 по Морскому проспекту Новосибирского Академгородка, где находились аналоговые машины МН-7. Вторая большая аналоговая машина МН-14 "поселилась" в недостроенном здании Института. На этой машине проходили практику студенты НГУ, среди которых наибольшие успехи были у Оли Малиновской (фото). С помощью МН-14 решали сложные по тому времени задачи: моделирование процессов дегидрирования бутана, термического гидрокрекинга, поли-меризации этилена. Вскоре в Отделе появилась цифровая машина "Минск-2", существенно расширившая наши возможности, а затем и "Минск-32". На этих первых машинах были разработаны, освоены и утверждены основные принципы и методология математического моделирования каталитических процессов.

В соответствии со структурой Отдел состоял из групп научных сотрудников разных специальностей, объединенных общей методологией и методами математического моделирования и позволяющих решать важные задачи при внедрении каталитических процессов, разрабатываемых в Институте, а также получать принципиально новое в теоретических изысканиях.

Основой работы являлось обсуждение тематик научных исследований на семинарах и апробация текущих результатов, а также систематическое обсуждение работ, опубликованных в мировой периодической литературе. Живой контакт ученых разных специальностей и разных поколений на семинарах воспитывал научных работников. Преобладание в составе коллектива молодых ученых и студентов заставляло более старших оставаться молодыми и не отставать от жизни. Сотрудники Отдела имели возможность личного общения со многими ведущими учеными Запада по Chem. Eng. Science: R. Aris, W. Ray, V. Hlavacek, E. Petersen, J. Carberry, D. Luss и многими другими специалистами стран СЭВ (Болгарии, Венгрии, ГДР, ЧССР, Польши, Югославии). Это давало возможность быть в курсе многих работ, ведущихся в мире. Однако, при этом отсутствовало преклонение перед западной наукой.

Огромное значение для становления Отдела оказывали и продолжают оказывать международные конференции ISCRE и всесоюзные конференции "Химреактор". Годы и места проведения регулярных конференций "Химреактор" приведены в таблице 1.

Табл. 1

Конференции "Химреактор"

N Место проведения Год   N Место проведения Год
1 Новосибирск 1963   9 Гродно 1986
2 Новосибирск 1965   10 Тольятти 1989
3 Киев 1968   11 Алушта 1991
4 Новосибирск 1971   12 Ярославль 1994
5 Уфа 1974   13 Новосибирск 1996
6 Дзержинск 1977   14 Томск 1998
7 Баку 1980   15 Хельсинки 2001
8 Чимкент 1983        
В.И. Тимошенко

В 1975 году Отдел состоял из 81 штатного сотрудника и 18 прикрепленных и прикомандированных сотрудников из других институтов СССР и стран СЭВ. Постоянно улучшались средства математического моделирования. В таблице 2 приведено изменение средств математического моделирования по годам.

Наряду с математическим моделированием каталитических процессов В.Б. Скоморохов, В.И. Тимошенко (фото) и Б.С. Бальжинимаев взялись за внедрение ЭВМ в экспериментальные установки по измерению каталитической активности. Поначалу многие считали это дело тяжелым и дорогим, требующим много машинного времени.

В.Б. Скоморохов

Но когда впервые Бальжинимаев со Скомороховым провели детальное исследование кинетики реакции дегидрирования изопентана всего лишь за три месяца - осуществилась всеобщая мечта каталитиков. Для дальнейшего развития методики и идеологии сочетания вычислительного и натурного экспериментов для получения математических моделей каталитических систем была приобретена большая управляющая система "Днепр". Она состояла из вычислительного и управляющего комплексов. Машина обеспечивала автоматический ввод показаний 250 программно опрашиваемых датчиков. Среднее быстродействие ЭВМ составляло ничтожную по нынешним меркам, но огромную тогда величину 30000 операций в сек.


Табл. 2

Развитие средств математического моделирования Института катализа СО РАН
(характеристики ЭВМ предоставлены В.Б. Скомороховым (фото))

Год получения машин Тип ЭВМ Оперативная
память
Быстро
действие, оп/сек
1961 Аналоговая машина МН-7.
Способна решать системы обыкновен-ных нелинейных дифференциальных уравнений до шестого порядка включительно. Ламповая модель
   
1964 Аналоговая машина МН-14.
Использовалась для решения систем дифференциальных уравнений до 14 порядка. Эта ламповая модель имела большее количество нелинейных блоков
   
1961 М-20, на базе Института математики СО АН СССР    
1966 Цифровая машина Минск-2. Долговременная память - магнитные ленты 4Кб 6*103
1970 Цифровая машина Минск-32. Долговременная память - магнитные ленты 64Кб 3*104
1972 Цифровая машина Днепр, специализированная для управления производственными процессами. По объему памяти и быстродействию одного порядка с Минск-32. Очень бедное математическое обеспечение. Использовалась исключительно для автоматизации эксперимента 64Кб 3*104
1978 Аналого-цифровая (гибридная) ЭВМ ГВС-100 югославского производства. Состояла из цифровой машины и аналоговой части в виде аналоговой машины 20-го порядка с большим количеством нелинейных блоков и несколькими быстродействующими аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями. Недостатком этой машины оказалась операционная система, что не позволило полностью использовать ее хорошие технические возможности 64Кб 0.5*106
1980 Цифровая машина ЕС-1050. Долговременная память - магнитные ленты, диски 1Мб 0.5*106
1989 Цифровая машина ЕС-1061. Долговременная память - магнитные ленты, диски 8Мб 2*106
1991 Цифровая машина ЕС-1066. Долговременная память - магнитные ленты, диски 16Мб 6*106

Нелинейные проблемы математического моделирования находятся на стыке катализа, математики и техники. Решение их возможно только при тонком понимании физической химии, процессов переноса вещества, тепла и импульса и творческим владением математическими методами. В ходе работы Отдела его сотрудники получали чрезвычайно ценные научные результаты, имеющие принципиальное значение. За каждым стоит крупный вклад в развитие области математического моделирования. В качестве примеров в таблице 3 привожу только некоторые из этих работ:

Табл.3

Развитие области математического моделирования сотрудниками Отдела кинетики и моделирования

Скоморохов В.Б.
1960г.
Впервые осуществил моделирование каталитического процесса получения окиси этилена на аналоговых машинах
Кузнецов Ю.И.
1961-1964гг.
Провел моделирование промышленных процессов дегидрирования углеводородов
Бесков В.С., Иванов Е.А.
1967г.
Провели моделирование контактных аппаратов окисления SO2 в SO3 и CH3OH в HCOH, показали множественность стационарных состояний в химических реакторах CO
Федотов А.В., Быков В.И.
1964г.
Применили принцип максимума Понтрягина для оптимизации каталитических процессов
Малиновская О.А.,Скоморохов В.Б.
1965г.
Впервые провели математическое моделирование процесса полимеризации этилена на хромовых катализаторах
Шеплев В.С.
1969г.
Развил представления об организованном взвешенном слое, позволяющем резко увеличить избирательность и активность каталитических процессов
Шмелев А.С.
1968-1976гг.
Являлся самым оригинальным экзотическим пользователем ЭВМ.
У него была "хватка". Провел моделирование многих каталитических реакторов, в том числе, впервые, моделирование биореактора получения БВК из углеводородов
Исаева Г.Г.
1974г.
Впервые осуществила исследование активности мелкозернистого катализатора НАК, кинетики реакции окислительного аммонолиза пропилена на мелкозернистом катализаторе (70-100 микрон)
Тимошенко В.И.
1972г.
Первым применил ЭВМ в кинетических исследованиях
Бальжинимаев Б.С.
1972г.
Впервые осуществил сочленение установки для измерения каталитической активности с ЭВМ для изучения процессов дегидрирования
Гаевой В.Н.
1972г.
Развил численные методы решения краевых задач с большими градиентами
Беляев В.Д., Слинько М.М.
1973г.
Открыли автоколебания скорости реакции взаимодействия водорода с кислородом на никелевом катализаторе*)
Орлик В.Н.
1975г.
Впервые осуществил моделирование каталитического процесса в неустойчивом стационарном состоянии и разработал методы его стабилизации
Чумаченко В.А.
1975г.
Экспериментально обнаружил ансамбли во взвешенном слое и определил их размеры и время жизни
Луговской В.И.
1975г.
Провел моделирование процессов зажигания и затухания экзотермических каталитических процессов на пористых зернах
Кириллов В.А.
1975г.
Разработал методологию моделирования трехфазных каталитических процессов
Чумаков Г. А.
1976г.
Впервые дал анализ химической турбулентности (хаотических автоколе-баний) скорости реакции взаимодействия водорода с кислородом на никелевом катализаторе
Акрамов Т.А.
1981г.
Провел качественный анализ дифферен-циальных уравнений, описывающих каталитические процессы с учетом диффузии
Быков В.И.
1976-1981гг.
Исследовал критические условия в кинетических моделях
Быков В.И., Яблонский Г.С.
1976-1981гг.**)
Провели анализ условий существования критических явлений в кинетических моделях каталитических реакций
Матрос Ю.Ш.
1970-1982гг.***)
Разработал теорию проведения нестационарных процессов в реакторах с неподвижным слоем катализатора, предложил реверс-процесс для окисления SO2 в SO3

*)В 1929 году А.А. Андронов, аспирант академика Л.И. Мандельштама (Физический факультет МГУ), в работе "Предельные циклы Пуанкаре и теория автоколебаний" [Compt. Rend. (Paris) 18 (15), 559 (1929)] предположил, что в химических системах могут быть автоколебания скорости химических реакций.

В 1972 году Владимир Беляев и Марина Слинько обнаружили автоколебания скорости гетерогенной каталитической реакции взаимодействия водорода с кислородом на никелевом катализаторе и показали, что в ходе реакции периодически изменяется состав адсорбированного слоя на поверхности катализатора. В дальнейшем были открыты, кроме регулярных, и сложные автоколебания.

Первые экспериментальные наблюдения сложных автоколебаний скорости реакции вначале отбрасывались как ошибочные. Предполагалось влияние всякого рода внешних шумовых факторов на протекание каталитической реакции. Однако, впоследствии стало ясно, что в действительности здесь имели место хаотические автоколебания. Этот пример поучителен для экспериментаторов. Очень важно замечать и ценить наблюдения, не отвечающие своему пониманию на основе сложившихся понятий и взглядов, не отбрасывать непонятные экспериментальные данные. Дальнейшие исследования показали, что хаотические автоколебания содержат большую информацию о механизме каталитической реакции. Они отражают целостность каталитического процесса. В анализе и понимании регулярных и хаотических автоколебаний особенно ярко проявляется содружество физической химии, физики и математики.

Эти работы послужили "спусковым механизмом" быстрого развития области нелинейной динамики каталитических реакций, процессов и реакторов, т.е. современной теории промышленного катализа. Однако на первых порах работы по автоколебаниям с трудом воспринимались многими специалистами по гетерогенному катализу, воспитанными на неизменности характера протекания реакции вблизи и вдали от равновесия, единственности стационарного состояния и соответственно приблизительном постоянстве удельной каталитической активности.

**), ***) Дополнение от редакции.

Создание научной методологии прямого масштабного перехода от лабораторных измерений к проектированию промышленных каталитических реакторов вызывало недовольство у некоторых членов Академии наук, считавших проводимые работы граничащими с авантюризмом. Так, на заседании Отделения общей и технической химии (ООТХ) АН СССР в 1966 году был даже заслушан доклад чл.-корр. АН СССР В.Г. Левича с критикой проводимых в Институте работ.

Евгений Алексеевич Иванов

Особое значение в становлении и развитии Отдела во все годы имел организованный в Отделе Кофейный клуб. Основы Кофейного клуба были заложены В.Б. Скомороховым и О.А. Малиновской и независимо и одновременно Анной Ермаковой. Кофе пили исключительно московский из фирменного московского магазина, что на Мясницкой улице. Постепенно число участников клуба расширилось, так как за кофепитием устанавливались теплые дружеские взаимоотношения. За чашкой кофе велись дружеские беседы обо всем, чем жили в то время сотрудники. С большим интересом рассказывались анекдоты и приключения. Особенно отличались Л.А. Балясный и Г.С. Яблонский. Кофе был поводом для встреч, общения и взаимного познания. Все сотрудники Отдела были активными членами Кофейного клуба, но особенно большой вклад в организацию и деятельность клуба внесли Люда Иванова, Галя Исаева и пожизненный Президент Клуба Евгений Алексеевич Иванов (фото). Выпускалась даже газета "Кофейные ведомости". История клуба увлекательна, поучительна и достойна отдельного самостоятельного исследования.

В условиях Новосибирского Академгородка домашняя квартира была продолжением научной аудитории, где часто до поздней ночи проводилось обсуждение текущих проблем с сотрудниками, особенно с В.С. Шеплевым. Чувствуя важность развития нелинейного мышления в катализе, которое позволяло разбираться в сложных явлениях в аппаратах со взвешенным слоем катализатора, В.С. Шеплев вместе с С.А. Покровской показали возможность нестационарности состояния поверхности катализатора по отношению к составу газовой среды в псевдоожиженном слое на примере каталитического парциального окисления пропилена. Впоследствии принципы математического моделирования каталитических процессов были успешно применены В.С. Шеплевым для решения нелинейных проблем в геологии.

Мы постоянно пишем статьи на конкретные научные темы, опуская все индивидуальное и скрывая пути развития проблем. В этой краткой заметке мне хотелось показать, как важны для развития научных идей творческое обсуждение и борьба мнений, происходящая без преследования одних людей другими. Опыт работы Отдела показывает, что объединение квалифицированных химиков-технологов, физико-химиков и математиков имеет определяющее значение по сравнению с отдельными расхождениями во мнениях о роли отдельных положений основ катализа и химической технологии. К сожалению, в действительности, в истории науки расхождения в принципиальных вопросах науки и морали нередко приводили к непримиримости.

В заключение заметки в краткой форме приведу некоторые основные достижения Отдела кинетики и математического моделирования:

  • Созданы научные основы масштабного перехода от лабораторных исследований к промышленным условиям.
  • Разработана и освоена методика получения математических моделей каталитических систем на основе сбалансированного соотношения вычислительного и натурного экспериментов.
  • Открыты регулярные и хаотические автоколебания скорости гетерогенной каталитической реакции; созданы принципы нелинейной динамики каталитических реакций, процессов и реакторов, являющейся основой теории и практики промышленного катализа. Изучена динамика возникновения и развития неустойчивостей и, как их следствие, образование различного рода структур.
  • Разработан пространственно-временной иерархический подход для получения математических моделей каталитических систем, начиная с молекулярного уровня.
  • Проведено математическое моделирование многих каталитических промышленных процессов и реакторов и определены оптимальные устойчивые режимы их работы.
  • Методология математического моделирования химических реакций, процессов и реакторов и масштабного перехода были внедрены во многие отраслевые институты химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.
  • На основе методологии сбалансированного соотношения вычислительного и натурного экспериментов совместно с ОКБ "Химавтоматика" Министерства химической промышленности были созданы автоматизированные системы научных исследований (АСНИ) для получения математических моделей в короткие сроки.

Желаю ныне работающим сотрудникам бывшего Отдела кинетики и моделирования развивать далее и сохранять основные принципы работы предыдущего поколения и успешно решать проблемы промышленного катализа на основе глубокого знания теории каталитических процессов.


Новости науки

Подробнее


За рубежом

Подробнее


Премии по химии

Подробнее



Copyright © catalysis.ru 2005–2024
Политика конфиденциальности в отношении обработки персональных данных