数学建模在化工生产的应用.docx

数学建模在化工生产的应用摘要：随着资源紧缺及污染问题的日益突出，目前在化工生产过程中通过节省原料、降低能耗及制造本钱成为化工企业可持续进展的有效手段，通过在生产中科学合理的应用数学建模成为优化化工生产的一种有效方法，因此文章主要对数学建模方法应用于快捷设计化工生产中的实现路径进行了分析和讨论，并以化工园区应急管理为例介绍数学建模方法的应用方案，通过模糊数学模型与层次分析方法的综合运用实现了对应急管理能力的系统评价和等级的综合评判过程，为优化和完善化工生产过程提供参考。关键词：数学建模；化工生产过程；设计方法；模糊数学模型；应急管理评价化学工业在国民经济中起到重要作用，现代化科学技术的进展进步需以数学工程技术的核心作为支撑，数学广泛应用于生产实践中，目前不断更新进展的数学讨论与教育在化工工业中的应用质量仍旧有待提高，化工行业的可持续进展需依靠于数学的进展，为有效满足优化操作尤其是实时优化要求要求，快速进展完善的计算机技术为数学建模在化工生产中的应用包括技术更新优化提供了强大的支撑，化学工程与技术专业人员需做到对化工实践操作的娴熟把握，并能够在此基础上不断优化化工生产过程，这就需要了解并把握相关数学建模方法和技术原理学问并将其深入应用到化工过程中。1数学建模基础学问化学工业规模随着化学工程的持续进展呈几何数级快速增长，化学工业受到能源、环境、质量等要素的影响迫切需要深化改革和持续创新，不断提升的工业化水平促使市场对不同种类化工产品的需求量不断增加，同时对化工产品的生产效率与质量提出了更高的要求，数学建模作为工程学的重要构成可用于描述现实世界中的诸多现象通过使用偏微分方程完成，而涉及到大量的对流、扩大、反应包括传热过程、流体动力学等的化学工程对构建虚拟原型的需求不断提高。线性的PDE一种包含未知函数的偏导数方程实行科学合理的公式及处理方式包括Fourier级数、分别变量、变换、叠加等通常能够获取明确形式的解答，但应用于实际中的PDE大多为非线性，极大的增加了获取非线性PDE的解的难度，需结合运用数值近似求解；均为线性的Poisson和热方程易于完成解析解的推导过程，但在解决唯一性问题和寻求通解形式方面缺乏较为明显。尤其是对于大多属于非线性的化工方程，可通过发送求解域离散为大量有限单元方式的使用实现PDE解的获取，通过科学合理假设或简化处理并获取小区域的解时。全部解的获取意味着大量方程的产生与求解，这一运算过程可能涉及到多次的算数操作，需结合运用多元化的工具软件实现问题求解计算能力的获取，如基于PC的COMSOLMultiphysics软件主要用于求解PDE问题。目前有限元方法在结构力学、化工、电磁等众多领域得以普遍应用，针对PDE求解问题通过使用基于有限元方法的求解技术已实现了大量问题的求解1。2数学建模是化工过程的重要手段1在化学工艺讨论与装备制造中，结合运用数学方法与计算机技术成为现代化化工进展的重要途径，不断提高的能源价格及环保要求为化工生产带来了较大的挑战，产品价格与质量面临着全球化的市场竞争，促使化工行业发生了巨大转变，为顺应节能高效的进展理念，最优化技术作为一种主要用于表述这些现状的工程方式，给化工厂的设计与操作流程的优化完善提供了技术支撑，更好的满足化工生产多元化限制条件，在提高生产效率的同时降低了本钱。计算机集成制造CIM意在有效落实最优化操作条件通过完善工艺流程、提高自动化水平实现，计算机的计算能力会不断提升依据依据摩尔法则，使用最优化技术求解问题的冗杂程度随之扩大，需运用包含优化改良技术的计算机软件。此外，随着近年来化工企业业务种类及规模的不断扩大，部分化工产品仍旧存在供需不平衡的问题，大部分化工产品供大于求，促使精细化工与合同化工生产领域进展起来，化学原料药物市场面对日益激烈的市场竞争需培育独立的竞争性优势以获取更多有效订单，其本质在于合成工艺开发过程的完善与创新进展，而生产工艺长远突破性进展的实现需在现有工艺的基础上，结合运用性价比较高且安全稳定的原料及科学合理的数学建模使生产流程得到有效简化，提高某一环节的生产质量及回收率，寻求简洁高效的物理及化学处理方式削减废弃物排放1。2在化工生产管理与新品研发中运用基于计算机网络技术的数学建模，以满足现代化工企业的进展需求，将来化工企业的一项竞争优势在于可顺应国际市场需求的良好的全球供应链管理能力基于技术创造实现，在此基础上实现通用产品及一些特别类型产品的生产，从而能够以全球多样化的客户需求为根据提供有针对性的独特化服务。并且能够快速把握市场需求的改变状况，据此研发和优化生产工艺与化学产品具备新的功能特性，如基于生物技术使用数学建模提高化工企业生产通用与特别产品的质量和效率。同时要求化工院校数学教学能够有机结合化工专业、与时俱进，更好的在化工生产中应用数学建模。3利用数学建模优化设计化工过程的方法3.1仿真实际应用。针对生产原料配置的化工工程仿真，为寻求最优化配置实现生产原料与物质的合理分布将氯净化剂采纳臭氧代替，充分利用数学建模软件COMSOL&8259;Multiphysics的配置功能进行试验仿真测试，使用该数学建模软件完成计算实现生产金属棒效率的有效提高，针对化工工艺过程通过模拟计算进一步适度优化改良工艺实现加工速度的显著提高。并且仿真作为化工工程专业的重要课程之一在教学过程中起到帮助学生深入理解关键性学问与公式等的作用利用模拟软件完成，以传递现场课程中的流体动力学计算为例，可采纳数学建仿照真完成对课程概念及其公式的模拟与解释，调动学生的兴趣与主动性。引用PDE对化工反应工程进行仿真已取得了肯定的实效，目前数学工具已成为化工工程师普遍使用的工具，并据此实现对化工系统、工艺流程便捷高效的设计与优化过程，关心工程师把握模型构建与验证方式，并扩展其想象力、激发其不断进行深层探究，为更多新技术的研发打下基础2。3.2实例仿真模拟建模软件 SOLMultiphysics具有构建数学模型简便的优势，采纳数学模型对耦合自由与多孔介质流淌指固定床反应器中进行考察时，此过程主要涉及到两种反应物、一种产物共3种气体，在固定的多孔介质催化床注射物质通过主管道与注射管完成反应完成后获取相应产物构成，具体模拟流程为：1先完成相应几何模型的构建，并对具备不同属性的区域进行定义，为有效缩减计算量，对于具备肯定对称性的反应器包括管结构和注射管只需模拟其中的一半。2完成相应物理设定，依据所选用的COMSOLMultiphysics软件的应用模式完成对各区域属性包括材料属性及边界条件的设置，不同应用模式的物理设定均可设定为常数或任意表达式，对于多孔床中的流体流淌状况位于自由流淌区与多孔介质区通过方程NavierStokes和Brinkman的使用完成具体描述过程，不同物质质量传递的模拟采纳流扩大方程完成3。3接下来在数学建模软件中进行网格由大量三角形或其他样子构成剖分，基于已定义的物理场生成相应的网络用于代表整体系统，依据实际需要选择COMSOLMultiphysics软件的缺省网格包括三角形单元、四边形、四/六面体、棱柱等后可手动划分网络，以便将其应用到各种不同实例中，此外为确保网格的精确性与可靠性，还可简洁使用框架选择相应区域完成网格的精细优化。4选择和运行求解器，COMSOLMultiphysics软件提供缺省、参数化线性或非线性、静/动态线性、特征值、瞬态、自适应等多类求解器，以瞬态求解器为例，在明确软件求解时间及生成解流程的基础上，根据顺序分别二次对Brinkman、NavierStokes、对流与扩大方程的求解过程，必要时软件可同时计算全部方程以避开反应过程对气体密度产生影响。5最终结果处理和图形化展示，COMSOL数学建模软件除了常用的图片、图表信息模式还提供动画制作功能，能够采纳动画形式对化工反应过程随时间产生的转变进行具体分析包括检查流场分、反应物/产物浓度等的分布状况4。4基于模糊数学模型的化工园区应急管理评价近年来快速进展的化工园区内的化学品种类和数量不断增加，分布较为集中的危急源存在极大的安全风险隐患，这要求开展高效的化工园区风险评价工作以有效降低化工园区的安全风险，其中的一个重要单元即为应急管理评价，应急管理是安全管理和风险评价的重要环节，本文以某化工园区应急管理系统作为讨论对象，基于现有讨论成果与该园区的现场调研结果对各类突发事件进行全面考虑包括事前、事中、事后，通过模糊数学模型和层次分析法的综合运用实现对应急管理水平系统的评价过程，最终实现应急管理水平等级的综合评判，并找出应急管理存在的缺乏和漏洞，为进一步改善应急管理水平提供参考。4.1建立数学模型。将反映被评事物的模糊指标采纳等级模糊子集进行处理即为模糊综合评价，在此基础对各指标依据模糊变换原理完成模糊综合评价即由低到高、逐层向上进行综合评价获取目标层的评价结果，同时需二次综合评价准则层和目标层，基本步骤为：先完成由A=A1，A2，.AiAi=Ai1，Ai2，.Aij表示的评价指标集的建立，然后完成权重集Ai受各指标的影响程度确实定，由Bi=Wi1，Wi2，.Wij表示权重安排，由D=W1，W2，.Wi表示Ai对A的权重集，以此类推；接下来以评价对象的特点为根据选择评语集建立评价等级由适合的评语组成，即V=V1，V2，.VK，建立指标评价矩阵R，指标Ai所属等级采纳专家法完成推断，再对各指标隶属于V各等级的频数进行统计，各指标的隶属度为各频数同专家总数比例，Ai=BiRi和Ai=C1，C2，.Cj对应各子目标的综合评价向量与评价矩阵，A=DB对应各总目标评价向量，最终完成应急管理水平等级确实定以最大隶属度原则为根据5。4.2应急管理能力体系的构建。1以化工园区的特点为根据确定应急管理评价指标体系，这是化工园区应急管理评价的基础和关键，应急管理属于一个多层次冗杂系统，涉及到多种因素，本文从事前、事中、事后全过程出发考虑各类突发事件，将应急管理能力分为应急管理水平、一级评价指标主要包含5个子系统、二级评价指标包含19个子系统3个层次，具体如表1所示6。A542各指标的权重安排，风险防控与应急预备是应急管理的关键所在，风险防控在应急管理中的重点在于风险掌握，主要包括应急预备主要针对应急预案、演练、应急响应和恢复以消防和善后处理为主、资源保障主要针对物质保障和应急平台，以各指标在应急管理中的作用为根据确定指标体系的权重集，其中，一级评价指标的权重表示如下：D=v1,v2,v3,v4,v5二级评价指标的风险防控、应急预备、应急响应、应急恢复、资源保障的权重如下7。B1=w11,w12,w13,w14B2=w21,w22,w23,w24B3=w31,w32,w33,w34B4=w41,w42,w43B5=w51,w52,w53,w543构建模糊函数关系，一级模糊综合评价：通过专家打分获取由Rii=1，2，.，i表示的一级要素的评判矩阵，依据Ai=Bi&8226;Rj完成模糊矩阵运算；二级模糊综合评价得到由R=A1，A2，.Ai表示的二级评判矩阵，在同第一层权重进行模糊矩阵运算，获取评价值：A=D&8226;R，据此推断应急管理能力的等级。4评语等级确实定，本文采纳分值法对各因素进行打分，以获取应急能力评价结果，评语等级如表2所示8。5结语将数学建模应用到化工生产过程中可有效实现对生产工艺与原型等方面的优化改善，化工工艺的具体工作原理通常易于把握和理解，但明确包括物料用量与配比、反应器种类与尺寸、最正确流速及反应条件等在内的最正确参数时涉及到的工作量较大，传统模式下通常需通过多次试验后以实际阅历为根据实现相关问题的切实解决，该方法因涉及到大量原型装置的构建和测试工作而显著增加了使用本钱。通过具备独特优势的数学建模工具的使用可完成相应虚拟原型实时修正任意参数科学合理的构建过程，进而更加直观实时的展示出化工工艺的内部机制，效果显著。作者:何潇 单位:陕西财经职业技术学院本文来源：网络收集与整理，如有侵权，请联系作者删除，谢谢！第11页 共11页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页