ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2009, том 43, № 5, с. 509-520
УДК 66.011
МЕТОДОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
© 2009 г. И. В. Мелихов, В. Е. Божевольнов, Е. Ф. Симонов
Московский государственный университет им М.В. Ломоносова melikhov@radio.chem.msu. т Поступила в редакцию 15.12.2008 г.
Знания, накопленные химической технологией, позволяют создать методологию рациональной разработки новых "наукоемких" технологий. Один из вариантов такой методологии предусматривает формулирование принципов и выявление способов исследования, позволяющих сократить путь от появления технологической идеи до ее промышленной реализации. Данный вариант предполагает переход от априорной физико-химической модели явлений, которые привели к технологической идее, к апостериорной модели процессов в промышленных аппаратах, где должны реализоваться эти явления. При таком переходе представляется целесообразным сочетание вычислительного и натурного эксперимента при итерационном расширении интервала условий реализации явлений от лабораторных до промышленных. На продуктивность такого методологического подхода указывает опыт разработки технологии получения лечебного препарата "Остим".
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время в связи с надеждами на широкое использование нанодисперсных веществ в технике и медицине обострился вопрос о разработке нанотехнологий, в наибольшей степени соответствующих требованию высокого качества продукта при минимальных энерго- и массопотерях [1, 2]. В связи с этим в данной статье затронут вопрос о методологии создания новых технологий применительно к высокодисперсным веществам, имея в виду под методологией совокупность принципов описания технологических систем и следствий из этих принципов, определяющих кратчайший путь оптимизации технологического поиска на основе данных о молекулярном движении в аппаратах [3, 4] с учетом требования безопасности производства нанодисперсных продуктов [5-7].
ОБЪЕКТ РАССМОТРЕНИЯ
В рамках задачи о нанотехнологии рассмотрение логично сосредоточить на двух модельных технологических линиях из аппаратов с варьируемыми конструкцией и режимом работы. В аппаратах первой линии происходит растворение, испарение или то-похимическая переработка сырья. Там зарождаются и растут, образуют агрегаты и срастаются в агломераты, участвуют в компактировании и гранулировании, сохнут и хранятся до использования наночастицы целевых веществ в форме суспензий, паст, порошков, гранул и т.д. В аппаратах второй линии наночастицы, взятые из первой линии, подвергаются воздействиям, приводящим к химической деградации, растворению, испарению, эрозии, старению и рекристаллизации в условиях, близких к тем, которые могут реализоваться при использова-
нии целевых веществ. Аппараты обеих линий в той или иной мере заполнены частицами сырья, полупродуктов и целевых веществ, которые неравномерно распределены по объему аппаратов и, как показали опытные данные, имеют неодинаковые свойства. Каждое j вещество в каждом к аппарате
характеризуется множеством Рц, = {Ру1..Ру..Руп} параметров, причем
Р:
= |йу|(а/И]к)Xф;-к(X, г)йХ, (1)
при Ф:к(X, г)
д"Мг
д Х1-д ХП
х = {Х1.. Х1.. Хп},
где фук(X, г) - локальная функция распределения частиц по состояниям, Ук - объем аппарата, а -функция связи параметров состояния отдельной частицы со свойствами у вещества на участке объемом йУ в момент г, - число частиц на данном участке в пересчете на единицу объема, Xi - один из параметров состояния частицы, N - концентрация частиц, у которых параметры состояния меньше X на данном участке, п - число параметров, однозначно характеризующих состояние частицы.
При полном описании явлений в аппаратах в множество X следует ввести массу, размер и скорость движения центра массы частицы (ее внешние координаты), а также параметры ее состава и структуры, которые могут изменяться независимо друг от друга (ее внутренние координаты).
к
X
Изменение свойств X частиц на каждом участке каждого аппарата определяется локальными свойствами внутренней среды, в которой находятся частицы, а именно
Y = { Y i.. Y, ..Y т },
где Y - температура, концентрация компонентов среды, скорость движения, напряженности акустического и электромагнитного полей и т.д., m - число параметров состояния, однозначно характеризующих среду.
Параметры Y являются функциями свойств стенок аппарата, частью которых являются вводы, выводы, нагреватели, перемешивающие устройства, коллекторы частиц и т.д., а именно
Y = f( q ), q = { qi.. q,■.. qm },
где q, - температура, параметры химического состава, характеристики рельефа поверхности различных участков стенок (статические параметры их состояния), а также потоки тепловой, механической и электромагнитной энергии через эти участки (динамические параметры стенок).
При работе каждого к аппарата свойства Pjk всех веществ в его объеме изменяются под влиянием условий q, причем характер таких изменений передают функции
Idt i = °кi(X, Y), dit^X, t)] s Fjk(q). (2)
Поэтому создание новой технологии можно свести к поиску таких конструкций и режимов работы
аппаратов, при которых функции Gk{ ( X, Y) и
Fjk( q ) будут такими, что к моменту tk выхода из системы продукционное вещество приобретает заданные свойства Pjk(tk) = Pp. Поэтому данные функции являются главным объектом рассмотрения. Фрагменты этих функций определяют при разработке любой технологии, но нанотехнологии требуют более детального поиска.
Соотношение (1) указывает на целесообразность иерархического подхода к изучению системы [8, 9]. Такой подход предполагает независимое
определение функций Pji ( q ), характеризующих каждый аппарат как целое ("глобальное" рассмотрение системы), и функций фjk(X, t) и Y(q) на каждом малом участке аппарата (локальное рассмотрение системы) [10]. "Глобальное" рассмотрение позволяет выявить основные возможности влияния на систему [11], но не является достаточным при разработке "наукоемких" технологий. Однако во многих
системах переход от "глобального" к локальному рассмотрению столь наукоемок, что приходится ограничиваться первым. Например, при описании процессов при само- распространяющемся синтезе и при реакциях в условиях теплового взрыва, при механостимулированных реакциях или процессах в ударных волнах [14, 15] оказалось необходимым каждый аппарат характеризовать только потоком энергии в его объем и степенью превращения сырья внутри него, пока не переходя к указанному
множеству X.
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД К НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Идея новой технологии обычно является результатом понимания того, какие явления могут привести к образованию искомого продукта и доступны ли технологические условия, в которых продукт можно получить достаточно быстро [16]. Такое понимание предполагает наличие хотя бы полуколичественных данных о том, как поведут себя частицы продукта в технологическом процессе [17].
Такие данные непрерывно накапливают и обобщают [18-20]. Среди них имеются результаты определения свойств частиц in situ при изучении движения в множествах частиц [21]. Однако таких результатов пока мало, а общие закономерности движения множества частиц не установлены. Поэтому разработка новой технологии предполагает многоэтапную работу по теоретическому обоснованию технологической идеи, ее проверке в результате лабораторного эксперимента и масштабного перехода от лабораторных аппаратов к промышленным реакторам. Более детальный перечень необходимых работ приведен в таблице 1. Там же приведены грубые оценки целесообразного распределения средств, которые, судя по опыту разработки "наукоемких" технологий, необходимо затратить для проведения работ каждого этапа.
Первые два этапа работы целесообразно посвятить обоснованию технологической идеи. Их целесообразно завершать разработкой априорной физико-химической модели явлений в аппаратах, которые предполагается использовать. В априорную
модель войдут функции Gk, (X, Y) и Y = Y(q), содержащие неизвестные характеристики процессов, вследствие чего она не сможет предсказать конкретные траектории движения частиц в пространстве свойств. Однако модель даст возможность рассчитать множество виртуальных траекторий, разрешенных законами сохранения. На третьем и четвертом этапах следует проводить определение неизвестных характеристик процессов в лабораторных аппаратах путем сопоставления виртуальных траекторий с результатами экспериментов. На пятом этапе предстоит изучить масштабный переход от лабо-
Таблица 1. Этапы создания новой технологии
№ Цель этапа Содержание работ Вероятная доля затрат
I Формулирование технологической идеи Разработка теории явлений, приводящих к продукту; экспериментальное изучение возможности их сочетания в технологический процесс 0.1
II Создание априорной модели технологического процесса Теоретический анализ массо- и энергопереноса в предполагаемом технологическом процессе; математическое моделирование виртуального процесса 0.1
III Создание апостериорной модели лабораторного варианта технологического процесса Экспериментальное изучение процессов в лабораторных имитатах промышленных аппаратов; разработка математической модели лабораторного варианта 0.1
IV Выбор оптимальных конструкций и режимов работы лабораторных аппаратов Математическое моделирование процессов при разной конструкции и режиме работы каждого аппарата; сопоставление результатов "вычислительных экспериментов" с опытными данными 0.3
V Переход к апостериорной модели промышленного процесса Экспериментальное исследование явлений при переходе от лабораторных аппаратов к промышленным реакторам; разработка математической модели производства 0.1
VI Выбор оптимального варианта реализации технологической идеи Проверка адекватности математической модели производства на укрупненных установках или при запуске промышленных аппаратов 0.3
раторных аппаратов к промышленным реакторам. Для этого нужно провести "вычислительные эксперименты" по изучению траектории частиц в каждом реакторе, используя в качестве модели реактора модель лабораторного аппарата, а затем сравнить результаты расчетов с данными "натурного" промышленного эксперим
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.