面向对象的加成聚合反应动力学模拟系统
黄继红一，周鹏１，徐洁２，张晓燕２
（北京石油化工学院，１化学工程系，２．自动化系，北京，１０２６００）
摘要：聚合反应工程建模中，多以机理建模为主。因此，在聚合过程中的计算机辅助设计软件中，对动力学的模拟就尤为重要。本文用面向对象的设计思想，提出了符合ｃＡＰＥ．ｏＰＥＮ技术标准的加成聚合反应动力学模拟系统的思路，并用ｃ＋＋给出了其实现。该软件能动态生成物料衡算方程和矩方程，并将模型与求解器分开，具有良好的开放性。该系统既适用于专业用户，叉适用于擞有计算机建模背景的人员使用。
美■谰：聚合反应动力学；数学建模；模拟；面向对象；ｃＡＰＥＩ—ＯＰＥＮ中围分类号：１Ｄ２０３文献标识码：Ａ
文章编号：１００１．４１印（２００３）０１．１６８—１７０
３
ｏｂｊｅｃｔ－砌ｅｎｔｅｄ
（１．№Ｐ咖ｅｎｔ
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１
前言
随着软件技术和工程技术的发展，化工过程系
统软件在化工领域中的运用越来越广泛深入已经成为化工工程师进行过程开发与设计不可缺少的重要手段。目前在化工领域，以又熟悉的商业软件提供，如ＡｓｐｅｎＰｌｕＢ，ＨＹｓＩｓ，Ｐｍｌｌ等等。
化学过程软件开发技术从面向过程，发展到面向对象和基于组件。一个具体的体现是全球计算机辅助过程工程一０ＰＥＮ组织的成立（Ｃｌｏｂａｌ
ｃＡＰＥ
２聚合反应动力学机理技术及数学建模
由于聚合反应的复杂性，现在对聚合反应器的数学建模主要是采用机理建模法”］。因此，在聚合过程中的计算机辅助设计软件中，对动力学模拟就尤为重要。对于加成聚合反应，其机理主要有链引发，链增长，链转移，链终止等基元反应构成。例如，文献【３。中常用的一个简单的自由基聚机理如
下：
引发：
—ＯＰＥＮ）”Ｊ，面向对象方法提供了一个知识描述方式和程序结构，便于和其它软件进行集成。聚合过程，作为化工过程的一个分支，其模拟系统和仿真软件的开发，必然可以借鉴这些技术。为此，本文采用面向对象技术，开发了一个具有开放结构的聚合反应动力学模拟分析系统。该系统具有较强的模拟计算功能，同时与其他系统分析软件集成，有很好的模型重用．继承的特性。收稿日期：２００２彤．２３；謦回日期：２００２—０７—２８
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小分子的物料衡算。但对于聚合物，由于具有分布性质，因此需考察大分子及大分子活性链的粒群衡算（ｐｏｐ。ｌａｔｉ。ｎｂａｌ。。。）。通常使用分布的数学特征——矩来进行描述。
例如，对类似上例（１）的均聚系统，可定义大分子活性链分布ｉ阶矩口。和大分子分布ｉ阶矩＾。分别
如下：
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（３）
ｐ。、＾。的衡算方程是与聚合机理密切相关的，使所有基元反应分别对ｐ．、Ａ，贡献的加和。正是基于这种加和性，使得软件中可动态生成矩方程。
对于上里的聚合反应机理，可推导出如下的矩
方程：
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方程组，构成了动力学数学模型：这譬一个刚性的
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常微分方程组（ｓⅡｆｆＯＤＥｓ）。通常对自由基进行准
稳态假设处理，即式（４）等＝ｏ得到一个微分代数
到ｐ和Ａ的值，从而求出我们感兴趣的一系列值，
如数均分子量瓦、重均分子量面。。
胁ｌ
２意肘甲批＝翥村Ⅳ
３类的设计
解器结合，来完成模拟，优化等工作。我们根据
万
方数据组分类封装的是一个小分子纯物质的数据和代码。其中数据包括改组分的所有物性常数，如分子量。另外包括计算机该化合物在某种条件下物性的方法，如计算给定温度下的密度。３．２反应类
反应类封装的聚合反应动力学中的基元反应。根据基元反应的不同，可进一步派生出引发反应
等。在每一个派生类中，封装了该反应物对物料衡算的影响量和聚合物矩贡献的计算代码。
主要是封装了整个聚合反应体系的数据信息和操作方法。它包括一个基元反应容器和一个组份容器，以及方程动态组成的方法。
３．４
数值方法类
主要是根据ｃＡＰＥ。０ＰＥＮ的要求设计的求解
器。该求解器封装了多种求解微分代数方程法，如显式／半隐式／隐式Ｒ。ｌｇｅ．Ｋｕｔｔ８法，基于向后差分公式（ＢＤＦ）的ＤＡｓｓＬ法等。３．５物性类
物性类封装了大量聚合物物性计算方法和相应参数。由于物性直接与聚合物的应用相关，故提供了许多方法以适应各种需求。在类的设计中，充
分考虑软件的通用性，聚合系统的物料衡算和运方
程是动态自动生成的，不必用户的干预，从而降低了对用户数学建模知识的要求，大大便于其使用。
＾
电搞『
本文以如下简单的自由基聚合反应动力学模型为例，给出用ｃ＋＋实现的实例。
Ｒ．肘一Ｐ１
对于嚣集端量肭下文彻可：
Ｐｍｎｓｙ８ｔｅｍ．ｓｅｆＩｂ。ｎｐｅｍｔｕｒｅ（３７３．）；
———————————————————————————————————————一—
１７０
计算机与应用化学
２００３，２０（１）
ｐｓ．Ｒ。ｇｉｓｔｅｒ（Ｉｎｉｔｉａｔｏｒ）；
ＩｎｉｔｉａｎｏｎＩｎｉＲｘｎ：
／／实例化引发反应
ｒｅｔｕｍＯ
ＩｎｉＲｘｎ．ｓｅｔＮａｍｅ（“Ｉｎｉｔ，ｔ）．Ｓｅｔｌ押ｅ（“Ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ”）
ｓｅｔＲ８ｔｅｃｏｎｓｔａｎｔ（２ｅ一５）．ｓｅｔＥ艟（０－８）；
ＩｎｉＲｘｎ．ＳｅｔＲｅａｃｔａｎｔ（ＡｌＢＮ）；ｐ８．Ｒｅｇｉｓｔｅｒ（ＩｎｉＲｘｎ）；
Ｍｏｎｏｍｅｒ
Ｓｔｙｒｅｎｅ（“ｓ‘ｙｆｅｎｅ”）；
／／实例化单体ｐ８．Ｒ。ｇｉｓｔｅｒ（ｓ‘ｙｒｅｎｅ）；
Ｐｒｎｐ４９ａｔｉｏｎ
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／／实例化增长反应
ＰｍｐＲｘｎ．ＳｅｔＮａｍｅ（“Ｐｍｐ”）．Ｓｅｔｌ仲ｅ（“Ｐｒｏｐａｇａ—
ｔｉｏｒｌ”）ＳｅｌＲａｔｅＣｏｎｓｔａｎｔ（２００．Ｏ）；
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／／实例化终止反应
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ｔｉｏｎ”）．ＳｅｔＲ８ｔｅｃｏｎｓｔ∞ｔ（８ｅ６）；
芦．Ｒ。ｇｉｇｔｅｆ（＆７ＩｈＲｘｎ）；
／／实例化一个ＩＲＫ求解器，并将聚台系统与求
解器相关联
ｍＫＳｏｌｖｅｒ（“ＩＲＫ”，Ｄｓ）；
Ｉｎｔ。神ｔｅＴｏ（３６００）；
／／积分至３６００秒
ｓｏＩｖｅｒ．ｗ五ｔｅＳｏｌｕｔｉｏｎ（ｃｏｕｔ）；／／输出求解
结果
・．．
万
方数据我们选用隐式Ｒｕｇｅ．Ｋｕｔｔａ法对系统进行模拟求解，其结果与文献一致。
５
结论
乖文提出了用面向对象设计思想建立符合
ｃＡＰＥ．ＯＰＥＮ技术标准的聚合反应动力学模拟与系统的思路。并用ｃ＋＋给出了其实现。该软件已基本具备ｒ：
①物料方程和矩方程的自动动态生成②模型与求解器的分开
③符合ｃＡＰＥ．０ＰＥＮ标准，便于作为组件与其他标准软件进行集成。
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１
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Ｊｌ口ｚ‰，２０００，１９（４）：５３—５４
黄继红，绦沽聚合过程的计算机辅助设计化工进展，２０００，
１９（４）：５３—５４
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面向对象的加成聚合反应动力学模拟系统
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：
黄继红， 周鹏， 徐洁， 张晓燕
黄继红,周鹏(北京石油化工学院,化学工程系,北京,102600)， 徐洁,张晓燕(北京石油化工学院,自动化系,北京,102600)计算机与应用化学
COMPUTERS AND APPLIED CHEMISTRY2003，20(1)2次
参考文献(6条)
1. 黄继红. 徐洁 聚合过程的计算机辅助设计[期刊论文]-化工进展 2000(04)2. CAPE-OPEN Project Team 2000
3. Hamielec A E. MacGregor J F. Penlidis Muliticomponent free-radical polymerization in batch semi-batch and continuous reactors Makromol Chem 19874. Bicerano Jozef Prediction of Properties 1993
5. Krevelen D W Krevenelen Properties of Polymer 3rd ed 1990
6. Askadskii A A Physical properties of polymers: prediction and control 1996
相似文献(1条)
1.期刊论文 张晓燕. 黄继红 自由基聚合反应动力学的数学建模——多自由基数学模型 -石油化工高等学校学报2002,15(1)
对自由基聚合过程进行数学建模多采用动力学机理模型.但在文献中的动力学数学建模多是利用了单自由基假设:即假设每个自由基都位于不同的聚合物活性链上.当存在向聚合物的链转移和大分子反应等基元反应时,所得的数学模型是不封闭的,需经过近似处理后才能进行求解.研究表明:若将聚合物活性链和非活性链等同对待,应用多自由基反应机理,根据矩法推导所得数学模型是封闭的,可直接求解.以包含有向聚合物链转移反应的自由基均聚反应机理为例,根据矩法分别建立了单自由基和多自由基数学模型,所得单自由基模型清楚表明了模型存在的不封闭性;而多自由基模型可以直接求解计算.模型中考察了数均和重均链长、数均和重均支化度等微观质量参数.对多自由基模型应用单自由基假设,并进一步假设仅仅有向非活性链聚合物的链转移后,能直接还原到单自由基数学模型.
引证文献(2条)
1. 杨霞. 章华勇. 郑世清 基于Cape-Open标准的间歇精馏过程模拟系统的开发[期刊论文]-计算机与应用化学2007(7)
2. 杨霞. 章华勇. 郑世清 基于Cape-Open标准的间歇精馏过程模拟系统的开发[期刊论文]-计算机与应用化学2007(7)
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面向对象的加成聚合反应动力学模拟系统
黄继红一，周鹏１，徐洁２，张晓燕２
（北京石油化工学院，１化学工程系，２．自动化系，北京，１０２６００）
摘要：聚合反应工程建模中，多以机理建模为主。因此，在聚合过程中的计算机辅助设计软件中，对动力学的模拟就尤为重要。本文用面向对象的设计思想，提出了符合ｃＡＰＥ．ｏＰＥＮ技术标准的加成聚合反应动力学模拟系统的思路，并用ｃ＋＋给出了其实现。该软件能动态生成物料衡算方程和矩方程，并将模型与求解器分开，具有良好的开放性。该系统既适用于专业用户，叉适用于擞有计算机建模背景的人员使用。
美■谰：聚合反应动力学；数学建模；模拟；面向对象；ｃＡＰＥＩ—ＯＰＥＮ中围分类号：１Ｄ２０３文献标识码：Ａ
文章编号：１００１．４１印（２００３）０１．１６８—１７０
３
ｏｂｊｅｃｔ－砌ｅｎｔｅｄ
（１．№Ｐ咖ｅｎｔ
ＣＩ．ｉＩｌ丑）
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１ｋｈ肿ｌｏ舒，Ｂｅ日ｉ“ｇ，１０２６００，
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１
前言
随着软件技术和工程技术的发展，化工过程系
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ｃＡＰＥ
２聚合反应动力学机理技术及数学建模
由于聚合反应的复杂性，现在对聚合反应器的数学建模主要是采用机理建模法”］。因此，在聚合过程中的计算机辅助设计软件中，对动力学模拟就尤为重要。对于加成聚合反应，其机理主要有链引发，链增长，链转移，链终止等基元反应构成。例如，文献【３。中常用的一个简单的自由基聚机理如
下：
引发：
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小分子的物料衡算。但对于聚合物，由于具有分布性质，因此需考察大分子及大分子活性链的粒群衡算（ｐｏｐ。ｌａｔｉ。ｎｂａｌ。。。）。通常使用分布的数学特征——矩来进行描述。
例如，对类似上例（１）的均聚系统，可定义大分子活性链分布ｉ阶矩口。和大分子分布ｉ阶矩＾。分别
如下：
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３类的设计
解器结合，来完成模拟，优化等工作。我们根据
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方数据组分类封装的是一个小分子纯物质的数据和代码。其中数据包括改组分的所有物性常数，如分子量。另外包括计算机该化合物在某种条件下物性的方法，如计算给定温度下的密度。３．２反应类
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数值方法类
主要是根据ｃＡＰＥ。０ＰＥＮ的要求设计的求解
器。该求解器封装了多种求解微分代数方程法，如显式／半隐式／隐式Ｒ。ｌｇｅ．Ｋｕｔｔ８法，基于向后差分公式（ＢＤＦ）的ＤＡｓｓＬ法等。３．５物性类
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本文以如下简单的自由基聚合反应动力学模型为例，给出用ｃ＋＋实现的实例。
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对于嚣集端量肭下文彻可：
Ｐｍｎｓｙ８ｔｅｍ．ｓｅｆＩｂ。ｎｐｅｍｔｕｒｅ（３７３．）；
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１７０
计算机与应用化学
２００３，２０（１）
ｐｓ．Ｒ。ｇｉｓｔｅｒ（Ｉｎｉｔｉａｔｏｒ）；
ＩｎｉｔｉａｎｏｎＩｎｉＲｘｎ：
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ｓｅｔＲ８ｔｅｃｏｎｓｔａｎｔ（２ｅ一５）．ｓｅｔＥ艟（０－８）；
ＩｎｉＲｘｎ．ＳｅｔＲｅａｃｔａｎｔ（ＡｌＢＮ）；ｐ８．Ｒｅｇｉｓｔｅｒ（ＩｎｉＲｘｎ）；
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芦．Ｒ。ｇｉｇｔｅｆ（＆７ＩｈＲｘｎ）；
／／实例化一个ＩＲＫ求解器，并将聚台系统与求
解器相关联
ｍＫＳｏｌｖｅｒ（“ＩＲＫ”，Ｄｓ）；
Ｉｎｔ。神ｔｅＴｏ（３６００）；
／／积分至３６００秒
ｓｏＩｖｅｒ．ｗ五ｔｅＳｏｌｕｔｉｏｎ（ｃｏｕｔ）；／／输出求解
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・．．
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方数据我们选用隐式Ｒｕｇｅ．Ｋｕｔｔａ法对系统进行模拟求解，其结果与文献一致。
５
结论
乖文提出了用面向对象设计思想建立符合
ｃＡＰＥ．ＯＰＥＮ技术标准的聚合反应动力学模拟与系统的思路。并用ｃ＋＋给出了其实现。该软件已基本具备ｒ：
①物料方程和矩方程的自动动态生成②模型与求解器的分开
③符合ｃＡＰＥ．０ＰＥＮ标准，便于作为组件与其他标准软件进行集成。
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１
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黄继红，绦沽聚合过程的计算机辅助设计化工进展，２０００，
１９（４）：５３—５４
ｃＡＰＥ一０ＰＥＮ
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Ｐ０ｌｙ｜ｒＩ耐蹈ｄｏｎ
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Ａ嘣刊删：
Ａｍ§Ｉ目ｄ帅：Ｇ刊且ｎａｎｄ
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ｎｌＭｊＢｈｅｎ．１９９６
，：三鬻ｊ＝ｊ：，Ｐｅ。。；池㈨讯。ｏｍｐ０。ｅｎ。ｈ。．一，ｃａＩ
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４慧彻叫毗喇咖ｏｆ唧血“№ｗＹ豳№删Ⅶｅｋｋｅ山。１
５
。：釜ｉ冀ｊ确吨。，，。。。一，。。：。。；。。；。。划。。。。。
面向对象的加成聚合反应动力学模拟系统
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：
黄继红， 周鹏， 徐洁， 张晓燕
黄继红,周鹏(北京石油化工学院,化学工程系,北京,102600)， 徐洁,张晓燕(北京石油化工学院,自动化系,北京,102600)计算机与应用化学
COMPUTERS AND APPLIED CHEMISTRY2003，20(1)2次
参考文献(6条)
1. 黄继红. 徐洁 聚合过程的计算机辅助设计[期刊论文]-化工进展 2000(04)2. CAPE-OPEN Project Team 2000
3. Hamielec A E. MacGregor J F. Penlidis Muliticomponent free-radical polymerization in batch semi-batch and continuous reactors Makromol Chem 19874. Bicerano Jozef Prediction of Properties 1993
5. Krevelen D W Krevenelen Properties of Polymer 3rd ed 1990
6. Askadskii A A Physical properties of polymers: prediction and control 1996
相似文献(1条)
1.期刊论文 张晓燕. 黄继红 自由基聚合反应动力学的数学建模——多自由基数学模型 -石油化工高等学校学报2002,15(1)
对自由基聚合过程进行数学建模多采用动力学机理模型.但在文献中的动力学数学建模多是利用了单自由基假设:即假设每个自由基都位于不同的聚合物活性链上.当存在向聚合物的链转移和大分子反应等基元反应时,所得的数学模型是不封闭的,需经过近似处理后才能进行求解.研究表明:若将聚合物活性链和非活性链等同对待,应用多自由基反应机理,根据矩法推导所得数学模型是封闭的,可直接求解.以包含有向聚合物链转移反应的自由基均聚反应机理为例,根据矩法分别建立了单自由基和多自由基数学模型,所得单自由基模型清楚表明了模型存在的不封闭性;而多自由基模型可以直接求解计算.模型中考察了数均和重均链长、数均和重均支化度等微观质量参数.对多自由基模型应用单自由基假设,并进一步假设仅仅有向非活性链聚合物的链转移后,能直接还原到单自由基数学模型.
引证文献(2条)
1. 杨霞. 章华勇. 郑世清 基于Cape-Open标准的间歇精馏过程模拟系统的开发[期刊论文]-计算机与应用化学2007(7)
2. 杨霞. 章华勇. 郑世清 基于Cape-Open标准的间歇精馏过程模拟系统的开发[期刊论文]-计算机与应用化学2007(7)
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