Компьютерное моделирование в химии и химической технологии

На сегодняшний день важное значение в развитии химии и химической технологии имеет метод компьютерного моделирования, который используется в теоретической химии для моделирования химических реакций и строения молекул различных веществ, в экспериментальной химии для обработке результатов исследования и в химической технологии для проектирования и расчета технологических процессов и оборудования. Применение компьютерного моделирования в химической отрасли позволяет:
1)уменьшить объем проводимых экспериментов;
2) дополнить экспериментальную часть расчетами;
3) прогнозировать поведение технологических объектов в изменяющихся условиях;
4) учесть сразу несколько характеристик изучаемого объекта;
5) оценить множество вариаций проведения процесса и аппаратурного оформления;
6) оптимизировать исследуемый процесс на основании математических расчетов;
7) управлять технологическими процессами;
8) систематизировать и хранить полученные данные.
Широкое использование моделей одиночных объектов или систем можно объяснить тем, что модель позволяет установить основные характеристики объекта или закономерности протекания процесса, отметая при этом, второстепенные характеристики. Общая классификация моделей представлена на рисунке 1 приведена общая классификация моделей.
Рисунок 1. Общая классификация моделей
В химии и химической технологии выделяют два типа моделирования: физическое и математическое. При использовании метода физического моделирования возможно получить только реальные (вещественные) модели, в то время как математический способ позволяет разработать как реаальные, так и символические (знаковые) модели.
В методе физического моделирования процесс исследования ведут непосредственно на изучаемом объекте или процессе при анализе влияния физических характеристик и линейных размеров. Возможно воспроизведение изучаемого объекта или процесса в разных масштабах. Обработку полученных результатов проводят в форме зависимостей без размерных комплексов (критериев подобия), составленных комбинацией различных физических величин и линейных размеров.
Метод физического моделирования основан на воспроизведении постоянства критериев подобия, влияющих на поведение объекта или процесса. При реализации данного способа необходимо моделирование процесса в больших масштабах (вплоть до заводских) и работы со сложными системами. Поэтому физическое моделирование примерно только для сравнительно простых систем, например для гидравлических и тепловых систем с однофазным потоком. В данном случае приходится работать с небольшим количеством критериев подобия.
Метод математического моделирования, которым можно отнести к основным способам моделирования в химической технологии, позволяет оценить оптимальные условия для проведения процесса и управления им. Поэтому основным методом расчета сложных процессов химической технологии стал метод математического моделирования, позволяющий оценивать оптимальные режимы проведения процессов и условия управления ими.
Процесс математического моделирования состоит из следующих стадий:
1) разработка математической модели;
2) программирование полученного решения;
3) определение адекватности полученной модели и ее соответствия исследуемому объекту.
В процессе разработки математической модели изучаемый объект упрощается, схематизируется, при этом, полученная схема определяется соответствующим математическим аппаратом.
При построении модели изучаемого объекта необходимо учитывать следующие факторы:
1) модель должна учитывать все основные условия, которые оказывают влияние на объект;
2) не стоит нагружать модель множеством мелких, второстепенных условий;
3) требуется, чтобы модель была адекватна изучаемому объекту и с достаточной точностью описывала качественные и количественные характеристики объекта.
Для установления адекватности полученной математической модели реальному объекту возможно провести сравнение результатов изменений при исследовании объекта с результатами, прогнозируемыми разработанной математической моделью.
Для разработки математической модели необходимы экспериментальные результаты и теоретические данные. Целью постороения модели является прогнозирование поведения объекта при различных условиях и разработка рекомендаций по возможным способам воздействия на объект. Полученная математическая модель изучаемого объекта должна отражать его физико-химические характеристики, объединить опытные факты и устанавить взаимосвязь между параметрами исследуемого объекта. Способ математического моделирования совместно с ЭВМ, делает возможным изучение различных вариантов аппаратурного оформления и поиск путей совершенствования процесса с высокой скоростью и большой точностью

. Для определения адекватности модели возможно применение физического моделирования.
Компьютерное моделирование различных химических реакций – научный раздел, который стоит на границе таких наук, как теоретическая физика, прикладная вычислительная математика и химия. За основу в данном научном разделе взята количественная теория структуры и основных характеристик молекул, состоящих из множества атомов и химических реакций, которые происходят между данными молекулами.
Развитие компьютерного раздела химической науки началось достаточно давно. Итоговым результатом данного развития является понятие молекулярного строения микро-мира. Данный раздел обеспечил возможность проведения множества качественных предсказаний, при этом достоверность достаточно высокая. Всё это способствовало возможности утверждать об непосредственном существовании молекулярной системы, которая выступает в устойчивом комплексе атомов совокупности атомов, а также об индивидуальных параметрах подобных систем. То есть стало возможным определение геометрического строения, распределения внутримолекулярного заряда и т.д. Также благодаря компьютерной химии появилась возможность открывать всё большее количество направлений различных химических реакций [17].
При создании мощного программного обеспечения появилась возможность работы в различных направлениях. К основым направлениям компьютерной химии можно отнести следующие:
создание принципиально новых компьютерных программ, задачей которых является поиск и отбор веществ с новыми свойствами и параметрами, которые обладают достаточной эффективностью в той или иной области применения;
осуществление анализа количественных параметров взаимоотношения строение-действенность для многих веществ.
К тому же стало возможным осуществление расчётов на более высоком уровне, при этом уровень достоверности достигает 90%. Прогнозирование результата происходит на малый временной промежуток, что способствует возможности осуществлению большего числа попыток, используя различные способы исследования.
Способ компьютерного моделирования является базой для молекулярного моделирования. Учитывая современные условия, необходимо помнить, что невозможно использовать только обыденные знания и навыки в химической науке. Современные тенденции развития требуют внедрение моделирование химических систем. Простота в использовании множества компьютерных программ позволяет работать с ними при отсутствии каких-либо серьёзных специализированных навыков, в основном достаточны базовые знания.
Одним из главных методов исследования электронных уровней различных молекул - спектроскопия. Например, при применении таких разновидностей спектроскопии, как ультрафиолетовая или оптическая, возможно определение местоположения энергетических уровней электронов, обладающих слабыми связями. Такой метод, как рентгеновская фото-электронная спектроскопия, может быть использован для количественного измерения энергии таких электронов, которые расположены наиболее глубоко [16,20].
Исследование молекулярного спектра энергии – простой и точный процесс, однако оно невозможно без использования компьютерного моделирования.
Множество программ, созданных в современном прогрессирующем технологическом обществе, по квантовым и химическим вычислениям имеет довольно большие возможности. К примеру, программа Gaussian'98 имеет возможным рассчитать фрагмент дезоксирибонуклеиновой кислоты, состав которой достигает 378 атомов. В дополнении к этому возможно установление её пространственной структуры, что является немаловажным при множестве исследований.
Сегодня при применении таких прогрессирующих программ, стало возможным получение любых расчётов, итоговые результаты которых отвечают на множество вопросов, поставленных перед началом таких исследований.
Способы компьютерного моделирования оказывают большую помощь при осуществлении расчётов множества параметров молекул, что способствует возможности их применения в самых сложных исследованиях или тех исследованиях, которые без этих программ осуществить невозможно [28].
В химической технологии компьютерное моделирование используют:
- для исследования кинетики химических реакций, на которых основаны протекающие химические процессы;
- при выборе типа химического реактора;
- для расчета теплообменного и массообменного оборудования;
- при получении прогнозировании и оптимизации технологических режимов проведения известных промышленных производственных при изменении состава сырья и производительности;
- при проектировании новых технологий и совершенствовании существующих производственных процессов химической промышленности.
Процессы, используемые в химической технологии, можно отнести к сложным физико-химическим системам, которые обладают двойственной детерминировано-стохастической природой, изменяющиеся в пространстве и во времени