В поисках чуда (с илл.)

Еще в 30-е годы молодой ученый, ныне академик, директор Новосибирского института катализа Георгий Константинович Боресков сформулировал и решил первые задачи по математическому моделированию химических процессов. Его замыслы простирались далеко. Рассчитывать заводские реакторы, минуя канительные промежуточные этапы, не строя полупромышленных установок, а исходя из анализа уравнений, выведенных на основе лабораторных экспериментов… Интересные, бесспорно, в теоретическом плане идеи Борескова пугали тогда громоздкостью и трудоемкостью расчета, требовавшего высокой квалификации как в математике, так и в химии. Положение изменилось с появлением вычислительных машин.

Подводя итоги 1963 года, президент нашей академии М. В. Келдыш заявил: «Получены первые результаты методов физического и математического моделирования к расчету некоторых химико-технологических процессов, что сокращает сроки перехода от лабораторных опытов к промышленной реализации процессов. Эта проблема настолько важна, что на ней должны быть сосредоточены усилия и химиков, и физиков, и математиков».

Вместо 10–15 лет 2–3 года! В пять раз ускорилось внедрение новых процессов и аппаратов в современную технологию благодаря чудесному катализатору — математическому моделированию с помощью электронных машин.

Краеугольным камнем этого метода стала идея, высказанная Г. К. Боресковым и М. Г. Слинько в 1958 году. Не нужно создавать промышленный реактор в миниатюре! Цель лабораторных экспериментов вовсе не в том, чтобы максимально приблизиться к реальным заводским условиям. Конечно, теплофизические и гидродинамические факторы играют там огромную роль, здесь же они, накладываясь на чисто химические закономерности, только мешают изучить главное — кинетику взаимодействия.

Как же учесть тогда его физические стороны?

Например, как переносится тепло вместе с веществом, как оно передается стенкам сосуда и катализатору, как лучше подводить его или отводить. Наконец, существенны и гидродинамические характеристики процесса: ведь реакция идет не в спокойной, неподвижной среде, а в непрерывном потоке!

Все это уже выяснено учеными для подавляющего большинства практически важных процессов.

Зачастую можно воспользоваться готовыми результатами.

Остается установить химические закономерности и совместить их с физическими, чтобы затем перенести это сочетание в крупномасштабные условия. Как показал член-корреспондент АН СССР Михаил Гаврилович Слинько, такая «проекция» не по плечу теории подобия, хоть она верой и правдой служит авиаконструкторам и кораблестроителям, испытывающим миниатюрную модель и сразу же пересчитывающим полученные результаты для всамделишного лайнера. Выход из положения — машинный анализ математической модели, то есть всего набора кинетических, теплофизических, гидродинамических уравнений.

С октября 1962 года в Институте катализа установлена «своя» вычислительная машина МН-14.

В отличие от цифровых она называется аналоговой.

Грубо говоря, явления, протекающие в ее электрических цепях, схожи с теми, что наблюдаются в химическом аппарате, во всяком случае описываются одинаковыми уравнениями — как правило, дифференциальными.

Поневоле вспоминается высказывание Владимира Ильича Ленина: «Единство природы обнаруживается в „поразительной аналогичности“ дифференциальных уравнений, относящихся к различным областям явлений». В свое время великий русский кораблестроитель академик А. Н. Крылов также подметил эту особенность. Казалось бы, что общего между движением небесных светил и качкой корабля? «Если написать только формулы и уравнения без слов, — говорил Алексей Николаевич, — то нельзя отличить, какой из этих вопросов разрешается: уравнения одни и те же».

Вот и здесь: с одной стороны — концентрации, температуры, давления, с другой — напряжение электрического тока; законы же их изменения, допустим, сложения (интегрирования), одинаковы.

Машина «превращается» в реактор. Она «в уме» варьирует его характеристики и параметры технологического процесса, отбирая наилучшее сочетание.

Именно так на МН-14 Институтом катализа был опробован новый способ получения формальдегида — важного полупродукта в производстве полимеров.

Три-четыре дня моделирования — и перед химиками лежали готовые результаты. Вместе с лабораторными исследованиями все это заняло меньше четырех месяцев. Расчеты сразу же поступили в конструкторское бюро для проектирования заводского контактного аппарата.

Тем временем Новосибирский химзавод параллельно разрабатывал конструкцию обычным путем.

Монтаж, налаживание, пуск одной лишь опытной установки отняли почти год. Предстояла следующая стадия — изготовление и освоение полупромышленного варианта, и лишь после этого можно было приступить к созданию заводского агрегата.

Содружество химиков, математиков и машин высвободило колоссальные ресурсы времени и средств.

Нашествие автоматов, или новая Хиросима старого мира