Algorithm for Searching the Optimal Regulator Supply Mode in the Process of Manufacturing Polymer Products

Cover Image


Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The high demand for polymer products creates the need for constant mo­dernization of the technological aspects of their production, increasing the efficiency of which is impossible without a model description and solving problems of optimization of its main technological stages. The current needs for manufacturing the products with a specified structure and properties make the issue of creating tools for solving optimization problems very relevant. One of the tools for controlling the product molecular weight is using the fractional mode to supply a regulator, the composition and dosage of which are often selected empirically.
Aim of the Study. The aim of the study is to develop methods and algorithms to determine the mode for multipoint supplying a regulator in the continuous-running manufacturing of polymer products with specified molecular characteristics.
Materials and Methods. To choose the optimal regulator supply mode, there is used a heuristic method represented by a genetic optimization algorithm. This algorithm is based on the mechanism for creating a population of potential solutions that are subjected to the operations of crossing, mutation and selection imitating the processes of inheritance and evolution in nature. To assess the molecular characteristics of the copolymerization pro­duct, there is applied a kinetic modeling approach based on the use of molecular weight distribution moments. For a mathematical description of continuous-running production, there are used recurrent relations characterizing the transfer of the reaction mass between ideally mixed reactors.
Results. According to the conditions for organizing continuous-running manufacturing, it is possible to add a regulator at the beginning of the process in the third and sixth poly­merizers along the battery. In order to determine the regulator supply mode, the optimization criterion was developed in the form of a functional reflecting the absolute difference between the calculated and specified values of the number-average and mass-average molecular weights. The software implementation of the developed method and optimization algorithm, and the computational tests carried out made it possible to identify a number of solutions, each of which contributes to manufacturing a product with specified molecular characteristics. Visualization of some resulting solutions demonstrates different molecular weight dynamics throughout the process.
Discussion and Conclusion. Through using the developed method and algorithm, there has been solved the problem of identifying the three-point molecular weight control regime for the continuous-running process of producing styrene-butadiene copolymer. The choice of a genetic algorithm for the study and optimization of complex multifactorial physicochemical systems is justified by the fact that it allows searching for one or more system parameters in both a discrete and continuous set of variables and contributes to finding a global optimum due to the random nature in the search for solutions. The variety of solutions obtained for the problem makes it possible to control the process of polymer synthesis in the case of constant monitoring of the physicochemical characteristics of the product.

Full Text

Введение

В условиях развития химических технологий синтез высокомолекулярных соединений становится важнейшей составляющей современной промышленности и играет ключевую роль в создании широкого спектра материалов: от пластиков и каучуков до композитов высокой прочности. Данные процессы обладают сложной динамикой, требующей тщательного планирования и контроля на всех этапах производства1.

Образующиеся полимерные продукты оценивают по молекулярным характеристикам, на численное представление которых влияют как соотношение используемой реакционной смеси, так и технологические параметры непрерывного производства. С целью ограничения чрезмерного роста молекулярной массы в полимеризационную массу добавляются регулирующие примеси [1], взаимодействующие с активными центрами полимеризации и способствующие принудительному обрыву образующихся макромолекул.

Дозировка таких примесей часто определена эмпирически, а многоточечная подача позволяет нивелировать ее стремительный расход и влияние на рост молекулярной массы полимерного продукта. Вопрос определения соответствующих дозировок и режима подачи регулятора, позволяющего получить продукт с заданными свойствами, является актуальным и не теряет своей практической значимости.

Целью данной работы является разработка методов и алгоритмов, позволяющих находить оптимальные режимы регулирования процессов синтеза полимеров, способствующие достижению заданных молекулярно-массовых характеристик.

Обзор литературы

Сложная структура высокомолекулярных соединений и нетривиальный характер протекания элементарных реакций определяют необходимость использования эффективных методов моделирования, в основе которых лежит изучение основного кинетического механизма процесса. Концепция моделирования таких процессов полимеризации, основанных на известном реакционном механизме, подробно представлена в трудах отечественных2 [2–4] и зарубежных исследователей [5–7]. Оценка влияния различных факторов, характерных при описании процессов в периодическом режиме производства, представлена в работах [8; 9].

С целью эмпирической оценки молекулярных характеристик полимерных продуктов возможно использование как кинетического [2; 10; 11], так и статистического подходов [12–14] к моделированию. В основе кинетического подхода лежит разработка математических моделей, описывающих изменение концентрации различных компонентов системы от времени, и последующее прогнозирование основных молекулярных характеристик в зависимости от условий реакции и состава исходной реакционной смеси. Статистический подход основан на использовании вероятностных законов для описания и анализа различных аспектов полимеризационных процессов. Полученные в ходе реализации статистического подхода данные справедливы лишь при организации достаточно большого количества вычислительных испытаний.

Очевидно, что при описании процессов синтеза полимеров в масштабе крупнотоннажного промышленного производства требуется учитывать особенности непрерывного потока реагентов и продуктов через реактор, включая динамику изменения параметров во времени и пространстве. В условиях организации кинетического подхода это приводит к включению в математическое описание соответствующих рекуррентных соотношений, определяющих перенос реакционной массы в ходе процесса3.

При модификации статистического подхода требуется вести постоянный учет параметров, характеризующих нахождение моделируемых макромолекул в том или ином реакторе каскада4. Кроме того, объем моделируемого ансамбля макромолекул требуется увеличить кратно количеству реакторов. Как следствие, организация вычислительных испытаний с целью эмпирической оценки продукта требует колоссальных вычислительных ресурсов и практически невозможна при постановке и решении задач оптимизации с использованием статистического подхода.

В контексте решения задач управления физико-химическими процессами предпочтение отдается тем методам оптимизации, которые позволяют в ходе итерационного поиска минимизировать количество необходимых вычислительных испытаний. Эвристические методы оптимизации5 оказываются особенно привлекательными в данном контексте, предоставляя необходимые инструменты для анализа и улучшения реакционных механизмов, кинетических параметров и условий реакции.

Ведущее место среди эвристических методов оптимизации занимают генетические алгоритмы6 [15]. Их способность исследования обширных пространств поиска решений представляет собой важное преимущество при выполнении сложных задач, включающих в себя множество возможных вариантов, что открывает вероятность их использования там, где невозможно применение классических алгоритмов. Впервые предложенные Холландом7 генетические алгоритмы успешно применяются для решения задач оптимизации различного типа [16–18]. К основным недостаткам генетического алгоритма относят высокую потребность в вычислительных ресурсах при работе с крупными и сложными пространствами поиска. Однако стремительное развитие информационных технологий и облачных вычислений позволяет сегодня успешно интегрировать технологии параллельных расчетов в случае решения объемных многофакторных задач [19]. Одним из способов, позволяющих повысить эффективность алгоритма, является использование различных видов кроссоверов – операторов, применяемых к начальным решениям для осуществления генетического «скрещивания». Оценка влияния различных типов кроссоверов на скорость и точность формирования решения представлена в работах [20–22].

Материалы и методы

Для решения задачи поиска оптимального режима подачи регулятора будем использовать генетический алгоритм, который представляет собой метаэвристический метод решения задач оптимизации, вдохновленный процессами естественного отбора и эволюции. Данный алгоритм основан на механизме создания популяции потенциальных решений, которые подвергаются операциям скрещивания, мутации и отбора, имитируя процессы наследования и эволюции в природе. На каждом этапе реализации алгоритма производится оценка полученных решений на основании заданного критерия эффективности. Лучшие решения используются для образования дальнейших потомков. С целью программной реализации данного алгоритма опишем его основные этапы.

Этап 1 – формирование начальной популяции. Задается некоторая начальная популяция из K возможных решений, порядковый номер iter=1 формируемого поколения и допустимая точность решения задачи ε. Вектор начальной популяции рекомендуется сформировать из равноудаленных точек заданного начального отрезка [x_i,x¯i] :

Xiter=xij(0)=x¯i+xi¯-x¯i(K-1)(j1),j=1...K.

Этап 2 – оценка степени приспособленности. Для каждого из предложенных вариантов решений рассчитывается значение целевой функции, которое определяет критерий задачи оптимизации. В частности, если критерий оптимизации определяется некоторым функционалом G(X), который требуется минимизировать, то при выполнении условия вида

G(Xjiter)ε,j=1...K                                                                                           (1)

алгоритм следует немедленно остановить и вывести полученное решение.

Этап 3 – выборка родителей для дальнейшей репродукции. Для решения задачи выборки родителей с целью создания дальнейшей популяции на основании ранее полученных значений степени приспособленности рассчитывается вероятность выбора каждой особи:

p(Xjiter)=1G(Xjiter)j=1K(1G(Xjiter)).

Если хотя бы одно из G(Xjiter) превышает значение 1, то для расчета вероятностей требуется провести предварительную нормализацию полученных оценок. Найденные значения вероятностей последовательно располагаются на отрезке от 0 до 1, образуя полную группу. Далее на основании генерации равномерно распределенных случайных чисел и попадания их в заданные интервалы выбираются K особей для формирования родительского пула и дальнейшей репродукции.

Этап 4 – формирование потомков. Из найденного родительского пула проводится процедура получения потомков с использованием одного из заранее определенных операторов кроссинговера. В частности, в случае использования арифметического кроссинговера для двух родительских особей X1=(x11,x21,...,xn1) и X2=(x12,x22,...,xn2)  значения вектора потомка будут определяться в соответствии с соотношением

yi=axi1+(1a)xi2,

где

a=maxG(Xj)maxG(Xj)+minG(Xj),j=1...K.

Этап 5 – процедура мутации. Данный этап необходим для внесения разнообразия в образованную популяцию и исследования различных решений в пространстве поиска. Для решения проблемы преждевременного «вырождения» вводится некоторый параметр мутации pm, определяющий вероятность случайного изменения элементов вектора образованных потомков.

Элементы вектора, попадающие под процедуру мутации, меняются по правилу xi=xi±αδ, где δ определяет допустимый интервал изменения, а параметр α является поправочным коэффициентом и определяется в интервале от 0 до 1.

Этап 6 – оценка новой популяции. Для образованной популяции потомков рассчитывается значение целевой функции. в случае соответствия критерию остановки, согласно выражению (1), алгоритм следует остановить и вывести полученное решение. Иначе, перейти к 3-му этапу с целью дальнейшей репродукции потомков. Критерием остановки алгоритма может быть также достижение предельного количества итераций, задаваемого в виде отдельной переменной iterMAX и равного по умолчанию 104.

Апробация генетического алгоритма к решению задачи оптимизации проводилась для непрерывного процесса сополимеризации бутадиена со стиролом8 с целью определения оптимального режима многоточечной подачи регулятора [23], позволяющего получить продукт с заданными молекулярными характеристиками.

Образование полимера протекает по механизму инициированной радикальной полимеризации при низкой температуре 5 ºC с применением в качестве инициатора окислительно-восстановительных систем. Среди технологических этапов производства синтетического каучука, оказывающих прямое влияние на молекулярные характеристики продукта, можно выделить подготовку реагентов и последующую полимеризацию при заданной температуре в каскаде реакторов до достижения заданной конверсии мономеров.

Для инициирования процесса используется гидроперекись пинана, объем которой эмпирически определяется под достижение конечной конверсии продукта. Для регулирования молекулярной массы применяется трет-додецилмеркаптан. В рамках существующего производства возможна как двух-, так и трехточечная подача регулятора. В непрерывном производстве задействовано до 12 реакторов объемом до 10,8 м3, а технология промышленного производства предполагает ввод регулятора в 1, 3 и 6-й по ходу батареи полимеризаторы (рис. 1). Соотношение бутадиена со стиролом в мономерной фазе по массовым частям составляет 70:30 и обеспечивает при достижении заданной конверсии характерные свойства продукта по составу.

Р и с.  1.  Схема непрерывного процесса сополимеризации бутадиена со стиролом

F i g.  1.  Scheme of the continuous process of copolymerization of butadiene with styrene

Примечание: ВЩО – водно-щелочная отмывка.
Note: ВЩО – water-alkaline cleaning.

Источник: здесь и далее в статье все рисунки составлены автором.
Source: hereinafter in this article all figures are drawn up by the author.

С учетом представленной технологии производства при математическом описании процесса сополимеризации обязательному учету подлежат следующие стадии кинетического механизма:

1) инициирование активных центров:

IkdiR,
R+M1ki1P1,01,R+M2ki2P0,12;

2) рост цепи с участием двух типов молекул мономера:

Pn,mi+M1kpi1Pn+1,m1,Pn,mi+M2kpi2Pn,m+12;

3) обрыв цепи в результате ее передачи на регулятор, а также механизмов рекомбинации и диспропорционирования:

Pn,mi+SkregiQn,m+R,Pn,mi+Pr,qjkrijQn+r,m+q,Pn,mi+Pr,qjkdijQn,m+Qr,q,

где I – инициатор; R – свободный радикал; M1, M2 – мономеры 1-го и 2-го типов; S – регулятор;  Pn,mi – активные цепи сополимера длиной n + m, состоящие из n звеньев мономера M1 и m звеньев мономера M2 и оканчивающиеся мономером M i; Qn, m – неактивные цепи сополимера длиной n + m; параметры i, j = 1,2 характеризуют тип мономера на конце растущей цепи;  kdi,ki,kp,kreg,kr,kd – константы, характеризующие скорости элементарных реакций.

В приведенном кинетическом механизме I представляет собой соединение, которое при распаде образует активные частицы (радикалы R), запускающие цепную реакцию полимеризации мономеров бутадиена и стирола (M1 и M2) с целью образования высокомолекулярных соединений (сополимеров). В случае если цепи сополимера содержат реакционноспособные центры (свободные радикалы), то они могут участвовать в дальнейших цепных реакциях. Они представлены в механизме как активные цепи P, в отличие от неактивных цепей Q. Регулятор S добавляется в процесс с целью контроля молекулярной массы сополимеров путем принудительного обрыва образуемых макромолекул.

На основании представленной схемы элементарных реакций выписывается система дифференциальных уравнений, характеризующих изменение материального баланса по каждому компоненту. В силу достаточно большой длины образуемых макромолекул Pn,mi и Qn, m используется переход к усредненным молекулярным характеристикам с применением статистических моментов молекулярно-массового распределения:

ψkM1=n=0+m=0+(nMa+mMb)kPn,m1,ψkM2=n=0+m=0+(nMa+mMb)kPn,m2,ψkQ=n=0+m=0+(nMa+mMb)kQn,m,

где Ma ,Mb – молярная масса мономеров 1-го и 2-го типов. С учетом обозначений CM1=n,m=0Pn,m1, CM2=n,m=0Pn,m2 система примет окончательный вид:

dIdt=kdiI,dM1dt=kp11M1CM1kp21M1CM2,dM2dt=kp12M2CM1kp22M2CM2,dSdt=kreg1SCM1kreg2SCM2,dψiM1dt=Gi1(kdi,kp,kr,kd,kreg,I,S,M1,M2,CM1,CM2),dψiM2dt=Gi2(kdi,kp,kr,kd,kreg,I,S,M1,M2,CM1,CM2),dψiQdt=Hi(kr,kd,kreg,S,CM1,CM2,ψM1,ψM2),                               (2)

где i = 0...2, а функции Gi и Hi выражают зависимость моментов молекулярно-­массового распределения от соответствующих компонентов [23].

С целью учета переноса реакционной массы из одного реактора в другой вводятся рекуррентные соотношения для каждого компонента системы (2), справедливые при описании реакторов идеального перемешивания:

dY¯(k)dt=Y¯(k1)Y¯(k)θ(k)+R¯y(k),

где θ(k) – время нахождения реакционной смеси в k-том реакторе каскада, а вид R¯y(k) определяется исходя из кинетического механизма.

Оценку потребительских свойств бутадиен-стирольного сополимера будем проводить по значениям среднечисленной и среднемассовой молекулярных масс, определяемых из соотношений:

Mn=ψ1M1+ψ1M2+ψ1Qψ0M1+ψ0M2+ψ0Q,Mw=ψ2M1+ψ2M2+ψ2Qψ1M1+ψ1M2+ψ1Q.

С целью определения режима подачи регулятора критерий оптимизации был сформирован в виде функционала, отражающего абсолютную разницу расчетных и заданных значений среднечисленной Mn¯ и Mw¯ среднемассовой  молекулярных масс:

G(X*(0))(tend)=MnMn¯+MwMw¯min.                                                       (3)

Результаты исследования

На основании представленного модельного описания процесса требуется определить дозировку и режим многоточечной подачи регулятора, способствующие получению продукта с заданными молекулярными характеристиками Mn¯ = 60·103 г/моль и Mw¯ = 180·103 г/моль при достижении конверсии 75 %.

Согласно условиям организации непрерывного производства добавление регулятора возможно в начале процесса, а также в 3-й и 6-й по ходу батареи полимеризаторы. В таком случае в рамках реализации генетического алгоритма требуется найти вектор из трех значений, определяющих соответ­ствующую концентрацию регулятора, выражаемую в моль/л для каждого реактора X*(0)=(S1*(0),S3*(0),S6*(0)). Поскольку критерием оптимизации является получение продукта с заданной молекулярной массой, то в качестве целевой функции используется абсолютная разность между рассчитываемыми и заданными значениями молекулярных характеристик, представленная ранее в виде функционала (3).

Для решения данной задачи описанный выше генетический алгоритм был запрограммирован с использованием языка Python (версия 3.10.12). Размер начальной популяции K на 1-м этапе реализации алгоритма определялся четырьмя вариантами решений. В соответствии с условиями организации непрерывного производства были рассчитаны мольные концентрации компонентов реакционной массы: бутадиен – 3,578 моль/л; стирол – 0,796 моль/л; инициатор – 8,43·10–4 моль/л. Общая концентрация регулятора была задана в интервале (2∙10–3; 5∙10–3) моль/л, при этом не менее 50 % от нее должно поступать с основной реакционной смесью в 1-й реактор каскада. Перераспределение подачи регулятора и смещение основной массы в 3-й или 6-й полимеризаторы способствуют значительному повышению молекулярного веса продукта в начале процесса. В этом случае наполнение векторов S11,S31,S61 определялось в соответствии с выражениями:

S11=(2103;2,33103;2,67103;3103),S31=(0;0,33103;0,67103;103),S61=(0;0,33103;0,67103;103).

На 1-й итерации выполнения алгоритма на основании наполнения векторов S11,S31,S61 было сформировано четыре возможных решения Xi1 (i = 1...4):

X11=(2103;0;0),X21=(2,33103;0,33103;0,33103),X31=(2,67103;0,67103;0,67103),X41=(3103;103;103).

Затем для каждого из Xi1 была проведена оценка степени приспособленности G(Xi1) и после их нормализации рассчитаны соответствующие вероятности p(Xi1) выбора каждой такой особи для формирования потомков:

G(X11)=391103,G(X21)=21,5103,G(X31)=61103,G(X41)=105,                             p(X11)=0,1,p(X21)=0,32,p(X31)=0,3,p(X41)=0,28.                                      

Для формирования родительского пула значения p(Xi1) были последовательно расположены на отрезке от 0 до 1 с образованием интервалов – [0; 0, 1], (0,1; 0,42], (0,42; 0,72] и (0,72; 1]. Последующая генерация четырех случайных чисел ri определяла выбор соответствующих Xi1. Поскольку в ходе вычислительных испытаний про­изошло двукратное попадание ri во 2-й интервал, а также однократное в 3-й и 4-й интервалы, то было принято, что в результате стохастического отбора был сформирован родительский пул, в который вошли решения (X21;X21;X31;X41). Далее из родительского пула образование потомков проводилось с использованием арифметического оператора кроссинговера:

X1,i2=aX2,i1+(1a)X2,i1,X2,i2=aX2,i1+(1a)X3,i1,X3,i2=aX2,i1+(1a)X4,i1,X4,i2=aX3,i1+(1a)X4,i1,

где i = 1...3. В случае использования равномерного оператора кроссинговера значение a = 0,5, а потомки принимают значения:

X12=(2,33103;0,33103;0,33103),X22=(2,5103;0,5103;0,5103),X32=(2,67103;0,67103;0,67103),X42=(2,83103;0,83103;0,83103).

Для очередного поколения проводится возможная процедура мутации, определяющая случайное изменение найденных элементов, и оценка степени приспособленности.

Поскольку целью решения задачи является нахождение вектора X*(0)=(S1*(0),S3*(0),S6*(0)), позволяющего получить минимальное значение целевой функции вида (3), то стандартным условием прерывания алгоритма является достижение предельного количества итераций или выполнение условия допустимой точности:

G(X*(0))(tend)<ε,

где ε – точность решения задачи, равная 103 для заданных условий решения задачи.

Остановка генетического алгоритма может производиться также на основании зафиксированного критически малого изменения значения функции приспособ­ленности в течение нескольких итераций, свидетельствующего о том, что наилучшее решение достигнуто.

В результате серии проведенных вычислительных испытаний было обнаружено, что задача имеет ряд решений, каждое из которых способствует получению продукта с заданными молекулярными характеристиками. В таблице представлена случайная выборка из 10 полученных в ходе запуска программы решений задачи.

 

Таблица. Результаты вычислений

Table. Calculation results

Выборка решений задачи / Selection of the solutions for the problem

Дозировка регулятора по реакторам каскада, % / Dosage of the regulator across the cascade reactors, %

Суммарная концентрация регулятора, 10–3 моль/л / Total concentration of the regulator, 10–3 mol/l

Количество итераций /

Number of iterations

1 реактор / 1 reactor

3 реактор / 3 reactor

6 реактор / 6 reactor

1*

78,41

12,71

8,88

3,364

93

2

76,95

14,10

8,95

3,343

16

3

78,15

12,96

8,89

3,339

24

4

74,93

17,91

7,16

3,362

56

5

73,30

19,33

7,37

3,348

41

6

75,06

16,97

7,96

3,328

37

7*

69,79

24,16

6,06

3,359

41

8

80,41

10,20

9,39

3,397

39

9

83,10

6,38

10,52

3,406

73

10*

84,87

2,68

12,45

3,380

134

 

Анализ полученных результатов показывает, что в большинстве проведенных вычислительных испытаний решение достигается менее чем за 100 итераций, а необходимая суммарная концентрация регулятора находится в диапазоне [3,3·10–3; 3,4·10–3] моль/л. В случаях, когда дозировку регулятора в 1-й реактор каскада рекомендуется задать в интервале 70–75 %, подача регулятора в 6-й реактор предлагается минимальной. Увеличение дозировки подачи регулятора в 1-й реактор каскада до 80–85 % способствует перераспределению остальной концентрации и необходимости увеличения дозировки в 6-й реактор каскада.

На рисунке 2 представлены зависимости среднечисленной и среднемассовой молекулярных масс, полученные для трех наиболее различающихся режимов подачи регулятора (№ 1, № 7 и № 10). Анализ рисунков показывает, что предложенные варианты решений, представленные в таблице, во всех случаях позволяют получить заданные молекулярные характеристики на выходе из последнего реактора при достижении конверсии 75 %. Динамика молекулярных характеристик в течение всего процесса полимеризации для всех трех случаев носит различный характер.

 

Рис. 2. Зависимость среднечисленной Mn  и среднемассовой Mw молекулярных масс от номера полимеризатора для трех различных режимов подачи регулятора (№ 1, № 7 и № 10)

Fig. 2. Dependence of the average-number and average- mass molecular weight on the polymerizer number for three different regulator supply modes (№ 1, № 7 and № 10)

 

В частности, кривая, построенная по условиям решения № 10, демонстрирует низкий темп роста молекулярной массы в 1-х реакторах каскада в связи с достаточно большим объемом регулятора, заложенным в начале процесса. Стремительный расход регулятора и достаточно малый остаточный объем, подаваемый в 3-й реактор каскада, способствуют опережающему темпу роста молекулярной массы в сравнении с другими кривыми. Очередная подача регулятора в 6-й реактор каскада позволяет значительно снизить темпы роста Mn, Mw и способствовать достижению заданных значений.

Также была построена зависимость соответствующего критерия оптимизации, представленного ранее в виде функционала (3), для трех различных режимов подачи регулятора (рис. 3). Визуальный анализ полученных кривых позволяет отметить, что скорость убывания критерия оптимизации различается в зависимости от используемого режима подачи регулятора (№ 1, № 7 или № 10), однако в конечной точке способствует достижению заданного критерия эффективности.

 

Рис. 3. Зависимость критерия оптимизации G(X) от номера полимеризатора для трех различных режимов подачи регулятора (№ 1, № 7 и № 10)

Fig. 3. Dependence of the optimization criterion on the polymerizer number for three different regulator supply modes (№ 1, № 7 and № 10)

 

Обсуждение и заключение

Таким образом, разработаны метод и алгоритм решения задачи поиска оптимального режима многоточечной подачи регулятора, способствующей получению продукта с заданной молекулярной массой. В основе метода решения и его программной реализации лежит генетический алгоритм, относящийся к классу эвристических методов оптимизации и основанный на механизме создания популяции потенциальных решений с использованием вероятностных законов. Генетический алгоритм при исследовании и оптимизации сложных многофакторных физико-химических систем является предпочтительным, поскольку способствует нахождению глобального оптимума благодаря случайному характеру при поиске решений и возможности поддерживать их разнообразие в популяции.

Применение генетического алгоритма для поиска оптимального режима подачи регулятора при получении бутадиен-стирольного сополимера позволяет эффективно искать глобальные оптимумы в сложном многомерном пространстве параметров, в отличие от классических методов оптимизации, ориентированных на поиск локальных решений. Классические численные методы, реализованные во многих библиотеках и программных продуктах, часто требуют определения направления движения к оптимуму в каждой точке. Особые сложности возникают в условиях отсутствия аналитического представления оптимизируемой функции, например, в рамках реализации имитационного подхода к моделированию. Кроме того, генетический алгоритм позволяет осуществлять поиск одного или нескольких параметров системы в дискретном множестве переменных, характерном для задач поиска технологических параметров промышленного производства.

К сожалению, реализация генетического алгоритма в условиях идентификации большого количества параметров системы гораздо менее эффективна по времени ведения расчетов. Возможность интеграции технологий распараллеливания позволяет минимизировать эти потери за счет распределения задач между несколькими процессорами или вычислительными узлами. Кроме того, при решении многофакторных задач оптимизации требуется тщательная настройка параметров алгоритма, определяющая необходимость постоянного эмпирического анализа с целью оптимального использования данного метода.

В частности, с использованием разработанного метода и алгоритма была решена задача идентификации режима трехточечного регулирования молекулярной массы для непрерывного процесса получения бутадиен-стирольного сополимера. Программная реализация данного алгоритма и проведенные вычислительные испытания позволили оценить различные режимы трехточечного регулирования молекулярной массы с применением трет-додецилмеркаптана и получить серию решений задачи оптимизации, визуализация которых демонстрирует различную динамику молекулярной массы в течение всего процесса. Очевидно, что в соответствующих условиях организации промышленного производства разнообразие решений дает возможность управления процессом синтеза полимеров в случае постоянного мониторинга физико-химических характеристик продукта.

 

1 Кирпичников П. А., Береснев В. В., Попова Л. М. Альбом технологических схем основных производств промышленности синтетического каучука. Ленинград : Химия, 1986. 224 c.; Васильев В. А., Насыров И. Ш. Отечественные промышленные стереорегулярные каучуки. Исследования и разработки : моногр. Уфа, 2018. 288 с.

2 Берлин А. А., Вольфсон С. А. Кинетический метод в синтезе полимеров. М. : Химия, 1973. 344 с.

3 Подвальный С. Л., Барабанов А. В. Структурно-молекулярное моделирование непрерывных технологических процессов многоцентровой полимеризации. Воронеж : Научная книга, 2011. 115 с.

4 Rawlings J. B., Ekerdt J. G. Chemical Reactor Analysis and Design Fundamentals. Madison : Nob Hill Publishing, 2002. 610 p.

5 Пантелеев А. В., Скавинская Д. В., Алёшина Е. А. Метаэвристические алгоритмы поиска оптимального программного управления. М. : НИЦ ИНФРА-М, 2024. 396 с.

6 Simon D. Evolutionary Optimization Algorithms. Wiley, John Wiley & Sons Limited, 2013. 776 p.

7 Holland J. H. Adaptation in Natural and Artificial Systems: An Introductory Analysis with Applications to Biology, Control, and Artificial Intelligence. University of Michigan Press, 1992. 232 p.

8 Папков В. Н., Ривин Э. М., Блинов Е. В. Бутадиен-стирольные каучуки. Синтез и свойства : моногр. Воронеж, 2015. 315 с.

 

Дополнительная информация

Конфликт интересов: автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

×

About the authors

Eldar N. Miftakhov

Ufa University of Science and Technology

Author for correspondence.
Email: promif@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0471-5949
SPIN-code: 6314-8818
Scopus Author ID: 56178153800
ResearcherId: AAA-5885-2019

Dr.Sci. (Phys.-Math.), Research Officer

Russian Federation, 32 Zaki Validi St., Ufa 450076

References

  1. Grachev G.M., Klement’ev V.A., Kudryavtsev L.D., Molodyka A.V., Papkov V.N., Polumestnyi V.N., [et al.]. [Method for Regulating the Emulsion Copolymerization Process]. Patent 1466516 Russian Federation. 1994 December 15. (In Russ.) Available at: https://clck.ru/3DzamK (accessed 15.05.2024).
  2. Podvalny S.L., Belyanin A.M., Tikhomirov S.G., Khvostov A.A. [Modeling of Dynamic Modes of Polymer Synthesis Processes Based on the Method of Moments for Multimodal Distributions]. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2016;80(9):1261–1262. (In Russ.) EDN: WLNMBF
  3. Ianborisov V.M., Kozlov V.G. Monte-Carlo Modeling of Isoprene Polymerization in the Presence of the TiCl4-tBuCl Catalytic System. Bulletin of the Bashkir University. 2021;26(1):52–57. (In Russ., abstract in Eng.) EDN: EWISKP
  4. Tereshchenko K.A., Shiyan D.A., Ulitin N.V., Kolesov S.V. Deberdeev R.Y., Kharlampidi K.E. Modified Concept of Bond Blocks and its Applications. Chemical Engineering Journal. 2021;433(2):133537. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133537
  5. Thakur A.K., Gupta S.K., Chaudhari P. Slurry-Phase Ethylene Polymerization Processes: a Review on Multiscale Modeling and Simulations. Reviews in Chemical Engineering. 2022;38(5):539–568. https://doi.org/10.1515/revce-2020-0048
  6. Kandelhard F., Pashayev E., Schymura J., Georgopanos P. Kinetic Modeling of the Synthesis of Poly(4-vinylpyridine) Macro-Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer Agents for the Preparation of Block Copolymers. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2023;62(22):8696–8708. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.3c00607
  7. Furuya T., Koga T. Molecular Simulation of Polymer Gels Synthesized by Free Radical Copolymerization: Effects of Concentrations and Reaction Rates on Structure and Mechanical Properties. Polymer. 2023;279:126012. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2023.126012
  8. Kandelhard F., Georgopanos P. A Kinetic and Heat Balance Model for Anionic Batch Block Copolymerization of Styrene and Isoprene. Chemie Ingenieur Technik. 2023;95(5):754–760. https://doi.org/10.1002/cite.202200205
  9. Kandelhard F., Schuldt K., Schymura J., Georgopanos P., Abetz V. Model-Assisted Optimization of RAFT Polymerization in Micro-Scale Reactors – A Fast Screening Approach. Macromolecular Reaction Engineering. 2021;15(4):2000058. https://doi.org/10.1002/mren.202000058
  10. Ulitin N.V., Nasyrov I.I., Deberdeev T.R., Berlin A.A. Kinetic Approach to Modeling the Radical Polymerization of Butyl Acrylate in the Presence of Dibenzyl Trithiocarbonate. Russian Journal of Physical Chemistry B. 2012;6:761–768. https://doi.org/10.1134/S1990793112060218
  11. Miftakhov E.N., Nasyrov I.Sh., Mustafina S.A., Zakharov V.P. Study of Kinetics of Isoprene Polymerization in the Presence of Neodymium-Containing Catalytic Systems Modified in Turbulent Flows. Russian Journal of Applied Chemistry. 2021;94:77–83. https://doi.org/10.1134/S1070427221010110
  12. Mavrantzas V.G. Using Monte Carlo to Simulate Complex Polymer Systems: Recent Progress and Outlook. Frontiers in Physics. 2021;9. https://doi.org/10.3389/fphy.2021.661367
  13. Yang B., Liu S., Ma J., Yang Y., Li J., Jiang B.-P., [et al.]. Monte Carlo Simulation of Surface-Initiated Polymerization: Heterogeneous Reaction Environment. Macromolecules. 2022;55(6):1970–1980. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.1c02575
  14. Mustafina S., Mikhailova T., Miftakhov E., Podvalnyi E. Application of the Monte Carlo Method in Modeling the Isoprene Polymerization Process in the Presence of the Polycentric Titanium-Containing Catalytic System. Journal of Physics: Conference Series. 2021:012127. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1902/1/012127
  15. Katoch S., Chauhan S.S., Kumar V. A Review on Genetic Algorithm: Past, Present, and Future. Multimedia Tools and Applications. 2021;80:8091–8126. https://doi.org/10.1007/s11042-020-10139-6
  16. Kasat R.B., Ray A.K., Gupta S.K. Applications of Genetic Algorithm in Polymer Science and Engineering. Materials and Manufacturing Processes. 2003;18(3):523–532. https://doi.org/10.1081/AMP-120022026
  17. Kim C., Batra R., Chen L., Tran H., Ramprasad R. Polymer Design Using Genetic Algorithm and Machine Learning. Computational Materials Science. 2021;186:110067. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2020.110067
  18. Xu D., Xu H. Application of Genetic Algorithm in Model Music Composition Innovation. Applied Mathematics and Nonlinear Sciences. 2023;9(1). https://doi.org/10.2478/amns.2023.2.00070
  19. Osaba E., Del Ser J., Martinez A.D., Lobo J.L. A Multifactorial Cellular Genetic Algorithm for Multimodal Multitask Optimization. Conference: 2022 IEEE Congress on Evolutionary Computation (CEC). 2022:1–8. https://doi.org/10.1109/CEC55065.2022.9870324
  20. Kii T., Yaji K., Fujita K., Sha Z., Seepersad C.C. Latent Crossover for Data-Driven Multifidelity Topology Design. Journal of Mechanical Design. 2024;146(5). https://doi.org/10.1115/1.4064979
  21. Aladdin A.M., Rashid T.A. A New Lagrangian Problem Crossover – A Systematic Review and Meta-Analysis of Crossover Standards. Systems. 2023;11(3). https://doi.org/10.3390/systems11030144
  22. Pretorius K., Pillay N. Neural Network Crossover in Genetic Algorithms Using Genetic Programming. Genetic Programming and Evolvable Machines. 2024;25:7. https://doi.org/10.1007/s10710-024-09481-7
  23. Miftakhov E.N., Mustafina S.A., Nasyrov I.Sh., Morozkin N.D. Algorithm for Evaluation of the Molecular Characteristics of a Polymer Product Under Conditions of Multipoint Control. Engineering Technologies and Systems. 2023;33(2):270–287. (In Russ., abstract in Eng.) https://doi.org/10.15507/2658-4123.033.202302.270-287

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Scheme of the continuous process of copolymerization of butadiene with styrene

Download (1MB)
3. Fig. 2. Dependence of the average-number and average- mass molecular weight on the polymerizer number for three different regulator supply modes (№ 1, № 7 and № 10)

Download (524KB)
4. Fig. 3. Dependence of the optimization criterion on the polymerizer number for three different regulator supply modes (№ 1, № 7 and № 10)

Download (357KB)

Copyright (c) 2024 Мифтахов Э.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Founded in 1990
Certificate of registration PI № FS77-74640 of December 24 2018.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».