Ершов Даниил Константинович — инженер
Санкт-Петербург, 197183
Санкт-Петербург, 190013
Daniil K. Ershov — Engineer
Saint Petersburg, 197183
Saint Petersburg, 190013
Боровинская Екатерина Сергеевна — доктор технических наук, доцент, профессор
sc 26029294400
Санкт-Петербург, 190013
Ekaterina S. Borovinskaya — D.Sc., Associate Professor, Professor
sc 26029294400
Saint Petersburg, 190013
Введение. Микрореакторы требуют интенсивного вычислительного моделирования для анализа сложных многофазных химических процессов, однако существующие программные решения обладают ограниченной функциональностью или отличаются высокой стоимостью. На сегодняшний день отсутствует комплексная архитектурная платформа, объединяющая моделирование, идентификацию параметров, анализ чувствительности и гидродинамические расчеты в едином программном комплексе. Такая платформа необходима для оптимизации конструкций микрореакторов и повышения эффективности их проектирования. Метод. Применена методология архитектурного проектирования программного обеспечения C4, на основе которой была разработана клиент-серверная архитектура с модульным разделением на подсистемы. В качестве технологического стека использованы JavaScript для клиентской части и Python с Django REST Framework для серверной части, что обеспечивает кроссплатформенность и масштабируемость решения. Основные результаты. Разработана масштабируемая архитектура программного комплекса, предназначенного для решения прямых и обратных кинетических задач произвольных химических реакций, идентификации и оптимизации параметров процессов, а также анализа чувствительности с целью выявления ключевых факторов системы. Особое внимание уделено подсистеме гидродинамического моделирования, архитектура которой включает парсер входных данных, генератор динамических систем уравнений, а также решатели многофазных потоков и химических реакций на границе раздела фаз. Модульная структура обеспечивает независимую разработку компонентов и возможность расширения функциональности программного комплекса за счет внедрения новых или модификации существующих контейнеров. Проведена апробация разработанного программного комплекса на примере моделирования трехстадийной реакции переэтерификации для производства биодизельного топлива в Т-образном микросмесителе. Результаты численного моделирования подтвердили корректность работы подсистемы гидродинамического моделирования. Обсуждение. Предложенная архитектура формирует основу для создания открытого программного комплекса, доступного инженерам-проектировщикам микрореакторов, исследователям в области химии и студентам химико-технологических специальностей. Использование модели C4 обеспечивает четкое разделение ответственности между компонентами системы и упрощает ее масштабирование. Клиент серверная организация позволяет эффективно распределять вычислительную нагрузку и обеспечивает доступность системы для пользователей с различными аппаратными возможностями. Разработанная архитектура может служить основой для дальнейшей разработки специализированных программных средств в области проектирования микрореакторных систем и интеграции с системами автоматизированного проектирования.
Microreactors require intensive computational modeling to analyze complex multiphase chemical processes, but existing software solutions either have limited functionality or are expensive. To date, there is no comprehensive architectural platform that combines modeling, parameter identification, sensitivity analysis, and hydrodynamic calculations in a single software package. Such a platform is necessary for optimization and increasing the efficiency of the microreactors design process. The study uses the C4 software architectural design methodology based on which client server architecture with a modular division into subsystems was developed. JavaScript for the client part and Python with Django REST Framework for the server part were used as a technology stack, which ensures the cross-platform and scalable nature of the implementation. A scalable architecture of a software package has been developed which is able to solve direct and inverse kinetic problems of arbitrary chemical reactions, to identify and to optimize process parameters, and to make sensitivity analysis for identification of key factors of the system. Particular attention is paid to the hydrodynamic modeling subsystem the architecture of which includes an input data parser, a generator of dynamic systems of equations, and solvers for multiphase flows and chemical reactions at the phase boundary. The modular structure ensures independent development of components and the ability to expand the functionality of the software package by introducing new or modifying existing containers. The software package was tested using a three-stage transesterification simulation for biodiesel fuel production in a T-shaped micromixer. The results of the computational study confirmed the correct operation of the hydrodynamic subsystem. The proposed architecture forms the basis for creating an open software package available to microreactor design engineers, chemistry researchers, and students of chemical engineering specialties. The use of the C4 model ensures a clear division of responsibilities between the system components and simplifies its scaling. The client-server organization allows for efficient distribution of the computational load and ensures the availability of the system for users with different hardware capabilities. The developed architecture can serve as a basis for further development of specialized software tools in the field of microreactor system design and integration with computer-aided design systems.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.