Программа «ChemKinOptima» для комплексного математического моделирования и оптимизации кинетики многостадийных химических процессов

«ChemKinOptima» предназначена для автоматизации математического исследования кинетики сложных химических реакций, начиная от этапа подготовки механизмов, дальнейшего матмоделирования, и до оптимизации условий проведения химических процессов с целью увеличения выхода продуктов. Основные инструменты графического интерфейса позволяют формировать различные схемы механизмов с автоматическим преобразованием их в систему,  вводить экспериментальных данные, настраивать параметры расчетов, формировать и экспортировать графики и отчеты. «ChemKinOptima» рассчитана для использования в организациях физико-химической направленности, лабораториях физической и математической химии.

Основные вычислительные возможности «ChemKinOptima»: решение прямой и обратной задачи химической кинетики; определение энергий активаций по двум подходам: традиционному на основе метода наименьших квадратов и оригинальному на основе авторского алгоритма автоматизированного агрегирования сразу нескольких обратных задач; оптимизация условий проведения химических реакций; комплексная обработка сразу нескольких экспериментов, проведенных при различных температурах; выбор вида функционала для сравнения экспериментальных и рассчитанных данных при решении обратных задач; поддержка параллельных вычислений; выбор методов глобальной оптимизации; поддержка локальной и сетевой баз данных.

Программный комплекс «ХимКинОптима» состоит из следующих модулей:

  1. Модуль хранения данных
  2. Процесс исследования кинетики сложных химических реакций сопровождается обработкой и анализом большого объема информации и требует наличия хорошо структурированной базы данных. Комплекс является оболочкой для разработанной ранее реляционной базы данных «Кинетические исследования химических реакций», позволяющей хранить сведения о химической реакции, возможные схемы механизмов сложных многостадийных химических реакций, кинетические параметры, данные об участвующих в реакции веществах,  данные лабораторных опытов  и результаты расчетов по моделированию и оптимизации реакции.

  3. Модуль формирования данных химической реакции
    1. Формирование химических веществ
    2. «ХимКинОптима» обладает графическим интерфейсом для ввода информации о химических веществах, участвующих в реакции. В таблице «Список веществ реакции» указываются свойства каждого вещества: роль вещества (исходное, промежуточное или продукт) и наблюдаемость.

      В таблице «Список веществ реакции» указываются свойства каждого вещества: роль вещества (исходное, промежуточное или продукт) и наблюдаемость.

      В таблице «Список химических веществ» представлена база всех химических веществ программного комплекса. Если в ней не хватает какого-либо вещества, которое участвует в исследуемой реакции, то его можно добавить.

      Окно редактирования веществ химической реакции
      Окно редактирования веществ химической реакции
      Окно для выбора химических элементов
      Окно для выбора химических элементов

      В ходе кинетических исследований химических процессов экспериментальные  данные выдаются (или могут быть приведены) к значениям концентраций наблюдаемых веществ реакции в отдельные моменты времени.

      В программном комплексе «ХимКинОптима» существует возможность хранения информации о нескольких экспериментах, проведенных с какой-либо химической реакцией. Вся информация о химическом опыте вводится на вкладке «Эксперименты».

      На форме редактирования эксперимента пользователь может задать свойства эксперимента, такие как условия,  при которых проводился эксперимент, а также единицы измерения тех или иных свойств.

      Окна редактирования эксперимента и экспериментальных данных
      Окна редактирования эксперимента и экспериментальных данных
    3. Формирование механизма химической реакции
    4. Фундаментальное понятие химической кинетики – механизм реакций.  Программный комплекс «ХимКинОптима» содержит модуль с удобным графическим интерфейсом для формирования механизма химической реакции, который обладает набором инструментов для создания и редактирования элементарных стадий.   На вкладке «Схемы» имеются управляющие кнопки добавления, удаления и редактирования стадий, а также кнопки обновления и сохранения введенной информации в базу данных. Вещества стадий обозначаются псевдонимами Ai, соотнесенными с соответствующими заданными веществами.
      Программный комплекс предоставляет инструмент для проверки закона постоянства массы атомов по стадиям, путем автоматического формирования стехиометрической матрицы Г и молекулярной матрицы А и проверки соотношения закона: Г·А = 0.

      Окно формирования механизма реакций
      Окно формирования механизма реакций
    5. Вычислительный модуль с поддержкой параллельных вычислений
    6. Вычислительный аппарат «ХимКинОптима» позволяет решать следующие задачи:

      • прямую кинетическую задачу;
      • определение индукционного периода;
      • обратную кинетическую задачу;
      • расчета энергий активаций;
      • оптимизационную задачу по подбору начальных условий реакции с целью увеличения выхода продуктов реакции.

      6

    7. Модуль формирования отчетов

    На определенных этапах моделирования сложных химических реакций возникают ситуации, когда необходима консультация или предоставление информации об исследуемой химической реакции различным специалистам. В таких ситуациях наличие инструментов автоматической выгрузки отчетов позволяет значительно ускорить время формирования отчета, а также представление информации в универсальном однотипном виде.

    Программный комплекс «ХимКинОптима» предоставляет инструменты для выгрузки отчетов по данным химических реакций (механизмам, веществам, экспериментальным данным) и по результатам математического моделирования.

    Фрагмент комплексного отчета
    Фрагмент комплексного отчета