автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка комплекса информационных CALS-технологий для плазмохимического синтеза особо чистых наноматериалов

На правах рукописи

ПОНОМАРЕНКО Андрей Николаевич

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ИНФОРМАЦИОННЫХ САЬв-ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА ОСОБО ЧИСТЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (химическая технология, нефтехимия и биотехнология)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2008

003449461

Работа выполнена в Учебно-научном центре «САЬБ-химия» Федерального государственного унитарного предприятия «Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ» (ФГУП «ИРЕА»)

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Бессарабов

Аркадий Маркович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Рябенко

Ведущая организация Институт общей и неорганической

химии им. Н.С. Курнакова РАН

Защита состоится « 12 » ноября 2008 г в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 217.034.01 при ФГУП «Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ» (107076, г Москва, ул Богородский вал, д 3, конференц-зал)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ИРЕА» Автореферат разослан " 10 "_октября_2008 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 217 034 01, доктор химических наук, про'

Евгений Александрович

(ФГУП «ИРЕА»)

доктор технических наук, профессор Софиев

Александр Эльханонович

(МГУ инженерной экологии)

Гринберг Е.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы.

Нанодисперсные и особо чистые материалы широко используются для решения важнейших фундаментальных и прикладных задач в наиболее наукоемких и инновационных областях российской экономики Для синтеза этих материалов перспективно применение низкотемпературной плазмы, позволяющей получать нанопорошки и обеспечивающей минимальный аппаратурный фон по микропримесям.

Эффективная разработка плазмохимических процессов требует использования самых современных информационных технологий Наиболее перспективной системой компьютерной поддержки является CALS-техночогия (Continuous Acquisition and Life cycle Support — непрерывная информационная поддержка жизненного цикла продукта) В основе концепции CALS лежит комплекс единых информационных моделей, стандартизация способов доступа к информации и ее корректной интерпретации Ситуация на мировом рынке наукоемкой продукции развивается в сторону полного перехода на компьютерную технологию проектирования, изготовления и сбыта продукции Отечественная наукоемкая продукция, не имеющая современного компьютерного обеспечения ее жизненного цикла (CALS-технология), будет существенно отставать от аналогичной продукции, изготовленной за рубежом в системе новых электронных технологий

Создание эффективной информационной технологии для плазмохимиче-ского синтеза нанодисперсных особо чистых материалов в рамках концепции CALS и современных международных стандартов (ISO-103 03 STEP) является актуальной научной и практической задачей, обеспечивающей уменьшение времени разработки, а также сокращение затрат на проектирование, изготовление, эксплуатацию и ремонт оборудования, снабженного компьютерной технической документацией в соответствии с требованиями международных стандартов Основные разделы диссертации выполнялись в рамках конкурсных проектов Минпромэнерго России № 0410 0810000 05 039д «Разработка индикаторов инновационного развития », Минобрнауки России № 01 168 24 074 «Разработка интегрированного комтекса информационных технологий » и Мин-промторга России № 8411 0816900 13 057 «Комплексная оценка инновационного потенциала », а также при частичной поддержке гранта Европейского Сообщества ECOPHOS № INCO-CT-2005-013359 «Waste utilisation in »

Цель работы состоит в разработке комплекса информационных техното-гий для плазмохимического синтеза нанодисперсных особо чистых материалов на основе концепции CALS Работа включает в себя следующие основные задачи

• разработка типового CALS-проекта конструкторской документации универсальной плазмохимической установки,

• CALS моделирование термодинамики, кинетики и грансостава нанопорош-ков при плазмохимическом синтезе соединений кремния, титана, железа, олова и вольфрама,

• разработка системы компьютерного менеджмента качества особо чистых продуктов плазмохимического синтеза

Научная новизна.

В рамках концепции CALS разработаны типовые компьютерные структуры для проектно-конструкторской документации плазмохимических процессов получения особо чистых нанодисперсных порошков

Для прогнозирования технологических режимов математические исследования осуществлялись в рамках трех моделирующих блоков CALS-проекта

• Проведено термодинамическое моделирование плазмохимического синтеза соединений олова, железа, вольфрама, титана и кремния В результате решения задачи поиска экстремума энтропии системы с учетом уравнений связи осуществлялось моделирование равновесных состояний системы в широком диапазоне основных технологических параметров плазмохимического процесса соотношений исходных компонентов, температур и давлений

• Проведено кинетическое моделирование плазмохимического восстановления вопьфрама из оксида вольфрама В результате обработки изотермических экспериментальных данных рассчитаны параметры модели «сжимающейся сферы» константы скорости реакции, частотный фактор и энергия активации

• Проведено моделирование грансостава нанодисперсных порошков в зависимости от двух параметрических комшексов агрегатного состояния исходного вещества, соотношения скоростных напоров плазменной сгруи и струи вводимого газа

Разработана архитектура информационной СЛЬБ-слстемы компьютерного менеджмента качества продуктов плазмохимического синтеза и типовая компьютерная процедура контроля качества получаемых особо чистых наномате-риалов, включая лимитируемые примеси, методы их пробоподготовки и анализа, а также выходную техническую документацию

Практическая значимость.

Создан пилотный CALS-проект конструкторской документации установки плазмохимического синтеза нанодисперсных материалов особой чистоты Элементы CALS-проекта помещены в сети Интернет на Web-сайте www irea org ru На основе использованного математического описания в системе Mathcad разработаны программные модули для прогнозирования дисперсности нанопо-рошков в зависимости от соотношения компонентов (плазменной струи и струи вводимого газа), для расчета кинетических параметров модели, а также прогнозирования кинетики процесса в зависимости от температуры и дисперсности

Самостоятельное праиическое значение, подтвержденное соответствующими актами о внедрении, представляют следующие разработки

• единая информационная система отраслевого НИИ, включающая CALS-проект плазмохимической установки, внедрена в технологических и функциональных подразделениях ФГУП «ИРЕА»;

• информационные комплексы плазмохимических нанотехнологий, созданные на основе концепции CALS, переданы в научно-производственные организации ЗАО «Аврора-ИТ», ООО НПФ «ВИНАР» и «НПО Проект»

Программные модули CALS-проекта по технологическому оборудованию вошли в результаты работы по гранту Европейского Сообщества ECOPHOS № INCO-CT-2005-013359

Полученные результаты вошли в конкурсные проекты Минпромэнерго России № 0410 0810000 05 039д, Мипобрнауки России № 01 168 24 074 и Мин-промторга России № 8411 0816900 13 057

Личный вклад автора.

На основе концепции CALS разработана типовая структура конструкторской документации универсальной плазмохимической установки Проведено CALS моделирование грансостава нанопорошков, термодинамики и кинетики плазмохимического синтеза соединений кремния, титана, железа, олова и вольфрама Разработана система компьютерного менеджмента качества особо чистых продуктов плазмохимического синтеза

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы опубликованы в журналах «Химическая промышленность сегодня», «Журнал прикладной химии», «Russian Journal of Applied Chemistry», сборнике научных трудов «Успехи в химии и химической технологии», а также докладывались и обсуждались на 17th International Congress of Chemical and Process Engineering (ïraha, Czech Republic, 2006), 20-й Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии, МКХТ-2006 (Москва. 2006), 20-й Международной научно-технической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии», Реактив-2006 (Уфа, 2006). Международной конференции «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленности» (Москва, 2006), 6, 7-й Международной научной конференции «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного деча» (Уфа, 2005, 2006), 19, 20-й Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», ММТТ-19, ММТТ-20 (Воронеж, 2006, Ярославль, 2007)

Публикация результатов исследования

По теме диссертации опубликовано 11 научных трудов, из них 4 статьи (2 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК) и 7 тезисов докладов на международных конференциях Общий объем опубликованных работ - 3,2 печатных листа

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка литературы (116 наименовании) и приложения, включающего акты внедрения результатов работы Диссертация изтожена на 134 страницах включая 46 рисунков и 4 таблицы

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Технология плазменного получения нанодисперскых особо чистых материалов находит все большее применение в современной промышленности. В химки особо чистых нано матер налов плазменная технология способна заменить неэкономичные, многостадийные высокотемпературные процессы. Промышленное использование плазменной технологии приводит к высвобождению производственных площадей и уменьшению трудозатрат.

Для создания информационной модели плазмохимического синтеза особо чистых наноматериалов используется, разработанная в «НИЦ CALS-технологий», система PDM STEP Suite 2.5. Применение международного CALS-стандарта для определения структуры данных и программных интерфейсов доступа, дает возможность параллельной работы с информацией из различных предметных областей, а также позволяет интегрироваться с любыми информационными системами. Такого потенциала для развития не представляет в настоящий момент ни одна другая PDM система.

Глава 1. Теоретический CALS-проект плазмохимического синтеза нанэиорошков особой чистоты.

¡g»)j Категории

В Плазмохимический синтез ОСЧ начсматериа.1

Лрим«сн

7,5-Ю-4

ГРУЮЩ!

На первом этапе данной работы был создан теоретический САЬБ-проект (рис. I) в трех взаимосвязанных информационных сечениях: «нанотехнология» (наноматериалы); «плазмохимия», «особо чистые материалы» (технология осо-

бо чистых веществ - ОСЧВ).

1, Нанотехнология

ЕЕ 1.1. Нанотехнологии в России

Й та

Нанотрубки

Д>|} Частицы 1±5 §2) 1.3. Методы получения наьоматериалое

2. Плазмохимия

И ЙЁй * ■ Плазмохимические процессы Ё1- 2.2. Виды плазмсхимических реакторов Ф • Реактор открытого типа Ф -ЭЙ Реактор циклонного типа Й] • ¡23) Струйные плазменные реакторы §»|] 2.3. Классификация плазмотронов ^ 3. ОСЧ материалы

Ш 3,1. Источники плазмохимического синте 03 §2) 3.2. Исходные вещества Й 3.3. Факторы, влиямзщие на чистоту ® " ЖП Аппаратура ЕЕ] §||} Исходный реагент Й - кй Плазмообразующий газ ® ' Стадия выгрузки и /паковки

1 б- H>HH>TJIV4V:ii 1 Т< II !

«И eQ3 |

Схемы ялазмохимических |

{ в- Няниплгвкы струйных реакторов j

Источники №1кропркм«ссй

Рис. 1. Теоретический CALS-проект:

«а - Нанотехнология; б - Плазмохимия; в - ОСЧ материалы».

В первой категории САЬБ-проекта («наноматериалы») показано, что нано-технологии качественно отличаются от традиционных процессов, поскольку на таких масштабах (менее 100 нанометров) привычные макроскопические технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления (пренебрежительно слабые на привычных масштабах) становятся намного значительнее Нанотехнология - следующий логический шаг развития химии, микроэлектроники, биотехнологии и других наукоемких направлений Вся общая теоретическая информация структурирована в первой подкатегории «нанотех-нологии в России» Во второй подкатегории (виды наноматериалов) рассмотрены три основных класса нанообъектов (рис 1-а) трехмерные частицы, двумерные объекты (пленки) и одномерные объекты (вискеры, нанотрубки) В третьей подкатегории приведены основные методы получения наноматериалов Одним из перспективных методов получения трехмерных нанопорошков является плаз-мохимический синтез, рассматриваемый во второй категории САЬБ-проекта

Во второй категории (плазмохимия) основной подкатегорией является «плазменный реактор» Приведены основные требования к реактору получение достаточно полного смешения реагентов, обеспечение требуемой протяженности зоны взаимодействия, создание условий эффективного тепло- и массообме-на при минимальных теплопотерях Рассмотрен вариант совмещения реакиион-ной зоны с объемом разряда (реактор открытого типа) В проекте рассмотрены схемы плазмохимических агрегатов со струйным реактором прямоточного типа и со встречными струями (рис 1-6) В подкатегории сшаазмогроны» приведены схемы дуговых плазматронов следующих видов осевой, коаксиальный, с тороидальными электродами, двустороннего истечения, с внешней плазменной дугой, с расходуемыми электродами

В третьей категории (особо чистые материалы) рассмотрены основные виды исходных высокочистых веществ (алкоголяты, хлориды и порошки), применяемые для ппазмохимического синтеза При получении веществ особой чистоты очень важно, чтобы побочный продукт синтеза не загрязнял целевые продукты и не вступал во взаимодействие с технологической аппаратурой, принимая на себя дополнительное количество примесей Для решения этой задачи также перспективно применение низкотемпературной плазмы Плазмохимиче-ская технология включает в себя целый ряд узлов и технологических переделов В подкатегорию СДЬБ-проекта введены результаты исследований чистоты готового продукта от лимитирующих аппаратурно-технотогических факторов исходный реагент, плазмообразующий газ, аппаратура, стадия улавливания (фильтрующая ткань), стадия выгрузки и упаковки (рис 1-в) Анализ этих данных показывает, что основное загрязнение в готовый продукт вносится на стадиях улавливания, выгрузки и упаковки

Глава 2 Разработка информационного САЬ8-проекта технологии и аппаратурного оформления плазмохимических процессов.

Для разработки плазмохимических процессов получения наноматериалов особой чисготы в рамках конструкторского САЬБ-проекта была создана типо-

Нчлчц CALS stll RSM

Щ Реактор.psd

яд?, а.

ШШш

вая схема (протокол применения) - «Исходные данные на проектирование». Работы по конструкторскому CALS-проекту проводились совместно с аспирантом Заколодиной Т.В. (ФГУП «ИРЕА.») и проф. Ивановым М.Я. (France, Strasbourg).

В соответствие со стандартом по химической промышленности в структуру исходных данных входит 17 обязательных разделов. Все эти разделы занесены в CALS-проект. На экранной форме (рис. 2) дополнительные подпункты отображены только в разделе № 12 (данные для расчета и выбора технологического оборудования). Однако реально в CALS-проект занесена специфическая для химической промышленности информация по всем разделам.

E"¡sS Категории

Q- lüii Исходные данные не преектирове Ш fe 01. Общие сведения о техноло!

02. Характернст ика выполнен!

03. Технико-экономическое об'|%

04. Патентный формуляр

05. Техническая характеристи'-

06. Физико-химические кэнст* Й fe 0?. Химизм, физико-химическ Й -fe 08. Рабочие технологические i

09. Материальный баланс npot

10. Техническая характеристи

11. Математическое описание

12. Паяные для расчета ^оч^щщылшят Э-Й оборудование

В-fe реектср

! э-^явав

' й i 01: ВЧЕ

02:шлиф Н* 45 ОЗ.ВЧИ 04:Фланец 05:Блок нагрузки Ш фильтр R- fei rhnnrvHKñ

frl ffi-í &-I

Рис. 2. Элемент конструкторского САЬ8-проекта плазмохимической установки для синтеза наноматериалов (а - реактор, б - форсунка, б - фильтр).

Конструкторское электронное описание в соответствии со стандартом STEP (рис. 2) содержит структуру и варианты конфигурации изделия, геометрические модели и чертежи, свойства и характеристики составных частей. На элементе этой схемы приведена универсальная плазмохимическая установка, которая позволяет подавать в реактор (рис. 2-а) не только исходный твердофазный продукт посредством порошкового питателя, но и жидкофазные реагенты (хлориды и алкоксиды) с помощью специальной форсунки (рис. 2-6), Для этого CALS-проект установки (рис. 2) включает в себя дозатор для подачи порошков исходных материалов, распылитель для подачи плазмообразующего газа, фильтр для улавливания продукта (рис. 2-в) и плазмотрон. Универсальность ус-

тановки позволила получать на ней нанодисперсные соединения олова, железа, кремния, титана, вольфрама и др Разработка проектной документации проводилась с применением программного обеспечения для автоматизированного проектирования «AutoCAD» Все единицы оборудования являются элементами CALS-проекта с соответствующими чертежами и спецификациями

Глава 3. Концепция CALS при моделировании процессов плазмохнмического синтеза наноматериалов.

В протоколе применения CALS-проекта «Исходные данные на проектирование» (рис 2) были проведены работы по моделированию (раздел № 11 «Математическое описание процесса») Экспериментальные и математические исследования проведены в рамках трех моделирующих блоков CALS-проекта

• термодинамическое моделирование плазмохнмического синтеза соединений олова, железа, кремния, титана и вольфрама,

• кинетическое моделирование высокотемпературного синтеза карбида вольфрама,

• моделирование грансостава нанодисперсных порошков оксида кремния и карбида вольфрама

3.1. Термодинамическое моделирование плазмохимических процессов.

При термодинамическом моделировании предполагается, что рабочее тело в рассматриваемых процессах образует условно замкнутую, изолированную систему, в которой установилось локальное фазовое и химическое равновесие Расчет равновесия изолированных многокомпонентных термодинамических систем сводится к задаче определения состояния, характеризуемого максимумом энтропии

В общем случае газообразная система состоит из нейтральных и электрически заряженных (ионизированных) компонентов газовой фазы и отдельных конденсированных фаз Для газовой фазы в целом и для каждого ее компонента в отдельности справедливо уравнение состояния идеального газа Конденсированные фазы считаются однокомпонентными и несмешивающимися Содержание в системе компонентов газовой фазы ii = 1,2, .к) и отдельных конденсированных фаз (/ = 1,2,../.) будем выражать в молях на единицу массы и "t Энтропия такой системы равна

(=1 /=1 1=14 V j M

где ^ - энтропия г-го компонента газовой фазы при том парциальном давлении р, = RfjT^ /v, которой он будет иметь в равновесном состоянии, &, - энтропия конденсированной фазы /, зависящая только от температуры, v -удельный объем всей системы, sf - стандартная энтропия ¡-го компонента газовой фазы при температуре Т и давлении равном 1 атм

Определение параметров равновесного состояния заключается в нахождении всех зависимых переменных, включая числа молей компонентов и фаз, при которых величина 8 достигает максимума. Решение данной задачи - поиска экстремума энтропии системы с учетом уравнений связи проводилось с помощью программы «Астра-4», разработанной в МВТУ им. Н.Э. Баумана.

На экранной форме САЬ5-проекта (рис. 3) приведены результаты термодинамического анализа плазмохимического синтеза нанодисперсных оксидов олова и железа. Моделирование синтеза оксида олова (а) происходит в кислородной плазме {1МООО-5()ООК) а синтез нанодисперсного оксида железа рассматриваются для двух видов плазмообразующего газа (б - метан, в - кислород) и двух температурных диапазонов (б: 2400-3400К> в: 500-9000К). Также метан используется при синтезе из оксида вольфрама нанодисперсного карбида вольфрама. Для всех этих трех случаев используются порошки металлов.

. Математическое описание технологических | 11.1. Термодинамическое моделирование } Карбид вольфрама ] Оксид вольфраме

; кислород » метан -' Оксид кремния | Оксид олова | Тетраэтоксисилан";

11.2. Кинетическое мо

11.3. Нанодисперсност :, Данные для расчета, ю I. Рекомендации для проб к Аналитический контро;

Методы и технологиче( >. Мероприятия по техник Указатель отчетов и рс

/V,

\ V ^ А

........i

О 002'6 ООО^Э

с оогог

О СС1вЧ и со:-.? 0.00132

J

«•>.■■ I яшванш . :.!*■"»..!

ас

Рис. 3. Элемент САЬБ-проекта «Термодинамическое моделирование» (а: 8п0-02.; 1000-5000К. б: Ре203-СН4; 2400-3400К. в: Ре203-02; 500-9000К).

При синтезе нанодисперсных оксидов кремния и титана используются тетраэтоксисилан и тетрабутоксититан. При термодинамическом моделировании рассматривается диссоциация тетрабутоксититана в аргоне. Показано, что титан в виде диоксида существует до 2000К. В интервале 2900-3000К титан распределяется между Т;02 газообразным (8-8.2%) и ПС кристаллическим (91.892%). Карбид титана исчезает при 4000К, выше этой температуры в системе появляются ТЮ и Т1, Б присутствии кислорода область существования твердо-

го диоксида титана увеличивается до 3000K с одновременным появлением з системе ТЮ2, который выше ЗОООК становится основным компонентом.

Одной из задач термодинамического моделирования является выбор технологического режима, обеспечивающего экологическую безопасность плазмо-химических процессов. При синтезе оксида олова (рис. 3-а) определяются оптимальная температура и концентрация окислителя, которые позволяют добиться минимизации вредных выбросов (окись азота) в атмосферу.

Проводимый нами термодинамический расчет равновесных состояний системы осуществляется в широком диапазоне оснозных технологических параметров плазмохимического процесса: соотношений исходных компонентов, температур и давлений. Моделирование позволяет выбрать условия синтеза с минимальным энергопотреблением, а также оценить механизм термодиссоциации исходных соединений.

3,2. Кинетическое моделирование нлазмохимических процессов.

Для разработки подкатегории № 11.2 САЬБ-проекта (рис. 4) были проведены работы по моделированию кинетики плазмохимического синтеза. Математические исследования проводились на примере синтеза канодисперсного карбида вольфрама. Лимитирующей стадией этого процесса является реакция восстановления из \\'05. В информационную подкатегорию «экспериментальные исследования» были занесены изотермические кинетические зависимости, полученные в широком диапазоне температур (рис. 4-а).

)lasma_CALS -PSM "

Файл Правка £ид Настройки ?

ак ,[3¡.*>е

гаг

11. Математическое описание, технологиче Щ- fe ПЛ. Термодинамическое моделирова!-Е Hi 11.2. Кинетическое моделирование а ■ 11.2.1. Экспериментальные иссле; B-gjjj 11.2.2. Кинетические констанчы В Й Р^етиме^ШоШантЭ] ! 3 ■■ <$ Т500К: Й T700K: 3- § Т900К; Е - Частотный фактор Й-Щ! Энергия активации &--•§■}) 11.2.3. Прогнозирование режима 3 11.3. Нанодисперсность

32. Данные для расчете, конструирования 13. Рекомендации для проектирования авт Е 14. Аналитический контроль производства Й- 15. Методы и технологические параметры га 16. Мероприятия по технике безопасности Й ^ 17. Указатель отчетов и рекомендуемой ли

jsgsgggasr

ü «и Г{®1 topa Сдж ¡i I V i üjeíf UMfret \

; S I к г j i !

la ito j ф!М '

i ¡ in U№ i 1»»' Я : j J

; í Я »Mi

I J "3

<j:

Г

Время пIt т - (1 - <1

(сек) oí температуры (гр. Кчльвииа). » J-JC7. / г>-*хр I- Е (R-T)]}-»

==±Г

Рис. 4. Элемент САЬ5-проекта «Кинетическое моделирование»

(а - эксперимент; б - расчет кинетических констант; в - прогнозирование режима).

Модепирование изотермической кинетики процесса восстановления проводилось по модели «сжимающейся сферы»-

где а - степень превращения, К - константа скорости реакции, 1/с, t - время, с Константа скорости реакции представляет собой функциональную зависимость от температуры и начального размера частицы

К - (Z / Го) * ехр [- Е / (R*T)], где Z - частотный фактор (предэкспонекта константы скорости реакции), м/с; г0- начальный радиус частицы, м, Е - энергия активации, кДж/моль, R - универсальная газовая постоянная, Т-температура, К

В результате обработки экспериментальных данных получены следующие значения кинетических параметров Е = 57,6 кДж/моль, Z = 1,092*10"' м/сек С учетом этих параметров состав пена математическая модель, позволяющая рассчитывать длительность плазмохимического процесса в зависимости от температуры и начального радиуса исходных порошков т = F(T, г) Проведено моделирование (рис 4-б) высокотемпературных режимов плазмохимического синтеза карбида вольфрама (Т ~ 4000-8000 К, r0 = 1 мкм) Полученные результаты совместно с данными термодинамического моделирования испотьзуются дчя расчета и оптимизации плазмохимических процессов

3.3. Моделирование дисперсности наноматериалов, получаемых плазмохимическим методом.

В категории «Исходные данные на проектирование» CALS-проекта были проведены работы по моделированию (раздел № 11 «Математическое описание процесса») для подкате! ории № 11 3 «Моделирование грансостава нанодис-персных порошков» (рис 5) В информационную модель вошли исследования, связанные с влиянием на дисперсность двух параметрических комплексов агрегатное состояние исходного вещества, соотношение скоростных напоров плазменной струи (ПС) и струи вводимого газа (СВГ)

Исследование влияния на дисперсность агрегатного состояния исходного вещества проводилось при плазмохимическом синтезе нанопорошков оксида кремния (требуемый грансостав d = 10 нм) В соответствующую подкатегорию информационного CALS-проекта помещена таблица с потученными результатами (рис 5-а) Показано, что для получения требуемого грансостава при использовании газообразного исходного вещества (тетраэтоксисилан - ТЭОС) достаточно соотношения СВГ/ПС равного 1 При вводе через форсунку жидко-фазного ТЭОС требуется соотношение СВГ/ПС равное 12 При вводе через питатель кварцевого порошка (d0 = 10 мкм) для получения нанодисперсного оксида кремния (10 нм) требуется высокое соотношение СВГ/Г1С равное 50

В CALS-проекте приведены исследования влияния соотношение СВГ/ПС на дисперсность готового продукта (рис 5-6) В качестве исходного продукта использовался кварцевый порошок (do= 10 мкм) Соотношение СВГ/ПС ф) варьировалось от 20 до 50 В результате получались нанопорошки диаметром

Файл Правка Вид Настройки I

Таблица. Влияние агрегатного состояния исходного вещества на нанодисперсносп, SiOj.

СОСТОЯНИЕ ИСХОДНОГО ВЕЩЕСТВА

ß (СВГ/ПС)

ТЭОС (газообразный)

ТЗОС (жидкий)

Кварц

от 60 до 10 нм. Данная зависимость аппроксимируется следующей экспоненциальной зависимостью: 1п(с1) = ао + а| р. В модель входит также линейное уравнение связи соотношения СВГ/ПС и вводимой мощности (\У): = \У0 - Ь1 [3.

■у 11. Математическое описание технолог Ш-■■■ В 11.1. Термодинамическое моделир! Й (В 11.2. Кинетическое моделирование ЁЬщ 11.3. Нанодисперсность

11.3.1. Агрегатное состояние Й ■ §3] Карбид вольфрама

0 Оксид кремния Й Й] Газообразное Й-В Жидкое Й"§§| Порошок Й~ ё Таблица режимов:

„ л сяггавдчмюялшнии

ШИЙШШШ

11.3.2, Соотношение компонеь

Ш

12. Данные для расчета; конструировз -

Рис. 5. Элемент CALS-проекта «Моделирование дисперсности нанопорошков» (влияние на дисперсность: а - агрегатное состояние; б - соотношение СВГ/ПС).

Применение в CALS-проекте методов компьютерного моделирования и прогнозирования позволяют создать оптимальную гибкую структуру наукоемкого плазмохимического производства и обеспечить полное послепродажное сопровождение, включая документацию в электронном виде. Разработанные для плазмохимических технологий программные CALS-модули современного научно-производственного оборудования переданы в ряд научно-производственных организаций (LOHR PLASMA, France, Strasbourg; ЗАО «Аврора-ИТ», ООО НПФ «ВИНАР» и ООО «НПО Проект», Москва).

Глава 4. Разработка CALS-системы компьютерного менеджмента качества для наноматериалов особой чистоты.

Для выбора и анализа исходных реагентов и целевых продуктов плазмохимического синтеза разработана информационная модель системы компьютерного менеджмента качества. Система имеет иерархическую структуру баз данных. Выделены три основные информационные категории: «Анализируемое вещество»; «Процедура анализа» и «Выходная документация». Разработанная информационная структура позволяет выбрать оптимальные методы аналитического

контроля для максимально точного определения качественных характеристик анализируемых продуктов (работа проводилась совместно с аспирантом ФГУП «ИРЕА» Жданович O.A.).

На основе информационной модели разработан программный комплекс CALS-проекта аналитического мониторинга. Интерфейс программы выполнен с учетом оптимальности работы пользователя. Для каждой стадии функционирования системы разработаны специальные процедуры и экранные формы, включающие комплекс современных элементов представления информации и взаимодействия с пользователем.

CALS-проект включает в каждую категорию несколько иерархических подкатегорий для декомпозиции информации по соответствующим критериям. На основании этого в первую категорию «Анализируемое вещество» (рис. 6) включены подкатегории; «органические» и «неорганические», каждая из которых включает в себя группировки более низкого уровня: «кислоты», «основания» и другие классы химических соединений и простых веществ. Для рассматриваемого нами ассортимента исходных реагентов и целевых продуктов плазмохимиче-ского синтеза в первую категорию введены следующие неорганические кластеры (рис. 6): «алкоксиды» (тетраэтоксисилан, тетрабутоксититан); «оксиды» (оксиды кремния, титана, олова, железа, вольфрама); «соли» (карбид вольфрама).

Файл Правка 8ид Настройки ?

В-Категории

Б- Кзтегсщия: ОСЧ нанометесилы

[ 1, Объекты анализа (вещество) §^1,1, неорганические $ Й»|| 1,1.1. хим. элементы 71,060.10 Щ 1| 1.1.2, кислоты 71.060.20 В §§ 1.1.3. оксиды 71.060.30 ЕВ оксид вольфрама (VI) Э В оксид железа (III) В-вд оксид кремния (IV) : Е !а осч ?-5

а й (902)

; в-Я"

а--В сксид слова (IV) Й- § оксид титана (IV) 1.1.4. основания 71.060.40 $ Ц 1.1.5. соли 71,060,50

В ^ карбид вопьфрама (У/С) 0-Щ 1.1.6, алкоксиды 71.060.60

©•ЁЗ тетрабутоксититан ТКС4Н90)4 0 @ тетраэтоксисилан 5|(С2Н50)4 ^ 1.2. органические | 2. Метод анализа \ 3. Документация

| Обозначение: j Наименование: j Описание:

5:02

Оксид кремни? осч 7-5 осч 7-5

im а

Рис. 6. Элемент CALS-проекта

КМК-системы по категории

£ Характеристики j ^ атвгржг ' I ►

Характеристика | Значение j Рдзнерн..

Ванадий Железо КоЗэльт Мзрганец Мед

медо л—--

НИИЛЬ tes^ Хром I

0,00000 о.оосоз 0,00000 0,000002 г, nnnnrn

S<C2HSC)4

St02

Окси* кр

осч 12 «

а

? 86 Характеристики j ^ 3rBepaaJ_i_t

f JÖ Характерна

У >!драитершгт»;о | Значение

Звмвсий

Жвлюо Коба/,от

б

i I О.С

О ООО1 0,00001 0,00005 0,000002 O.OOCOQS O.OOOOS 0.000005 .000005 .000005 .00001

I !Г) Хамкт врястжа I Зндчаниа | разигрн;.

Атсымгки 0.00000?

Ж«« о __ 0,00002

KünuQW ¡"р>| О.ОООСОБ Матий j Pj 0,000001

! Опсво

j Свинец

J Хром

! Э™по»ьйсл

¡В|

«Анализируемое вещество» (а - ЗЮг особой чистоты «ОСЧ 7-5»; б - Si02 «ОСЧ 12-4»; в - тетоаэтоксисилан «ОСЧ 11-5»),

Выбранная структура классификации особо чистых веществ соответствует применяемому Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС), входящего в состав Единой системы классификации и кодирования технико-экономической и социальной информации (ЕСКК) Российской Федерации. Классификатор гармонизирован с Международным классификатором стандартов (МКС) и Межгосударственным классификатором стандартов.

Информация о современных методах анализа и оригинальных способах пробоподготовки химических реактивов и особо чистых веществ имеет существенное значение при создании конкурентоспособных технологий особо чистых материалов. Поэтому, в информационную систему (категория № 2 «Методы анализа») занесены различные аналитические методы, применяемые как для анализа основного вещества, так и микропримесей, требования к содержанию которых систематизированы на следующих двух уровнях: качественный (определение примесей, содержание которых необходимо контролировать, входной контроль сырья); количественный (уровень контролируемой концентрации для каждого вида примеси).

КМК-система позволяет легко находить по типовой структуре классификации рассматриваемое вещество заданной квалификации. Затем, для каждой контролируемой примеси осуществляется переход к нормативной документации гю ее определению (рис. 7). Данный алгоритм позволяет сразу получить информацию о применяемом методе анализа и используемом аналитическом оборудовании с последующей выдачей типовых выходных документов.

шздаг

Файл Правка Вид Настройки ?

j Категории Hl 1. Объект анализа (вещество) Й - Ё§| 1.1. исходные продукты (реакт* Й"® 1.2, неорганиеческие _Е ^ 1.3. органические | 2. Метод анализа | 3. Документация . ГОСТ g] 3.2. ТУ

| 3.3. инструкции \ 3.4. методические указания , типы выходных документо! | 3.5,1. входной контроль сырь? 3.5.3. 1 ■ таблица испытан.*.

[ 3.5.2. инспекционный контри | 3.5.3. контрольная задача

I 3.5,4. паспорт продукта

| 3.5.5, сертификация

I 3.5.6. технологический контро.

КЖ2

Таблица испытаний к протоколу испытаний Ле 16 от 12.09.2001

"Г

|Ре?уш*г испит»

Щ—

С ОТЬОР* СДОЛЗЦОВ (ПРОВ)

S

""ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ Ii

гтеАгПУн* t-хХД

КйИШЕСГ>С HcnKIXJöa^-OOAJL-Oil^cOX'. ri^c-.rpfei'Cbr

Рис. 7. Элемент КМК-системы по категории «Документация», Подкатегория: «Входной контроль сырья» (а - таблица испытаний, б, в - протокол испытаний).

Элемент CALS-проекта по категории «Документация» (рис 7) содержит следующие формальные группировки нормативная документация (включающая в себя ГОСТы, ТУ инструкции, методические указания и т д ) и выходная документация (основные типовые отчетные формы по каждому виду проведенных аналитических исследований, сгруппированных по целевому признаку) В приведенном элементе КМК-системы (рис 7) рассматривается подкатегория «Входной контроль сырья» (оксид вольфрама «ОСЧ 7-2») для плазмохимического синтеза нанодисперсного карбида вольфрама В информационную подкатегорию занесены два входных документа- таблица испытаний (рис 7-а) и протокол испытаний (рис 7-6,в)

Применение концепции CALS в пилотном проекте по аналитическому мониторингу качества особо чистых веществ и материалов позволяет создать теоретические и практические основы для внедрения компьютерных CALS-систем менеджмента качества, существенно сократить время аналитических исследований и повысить качество (достоверность реэультагов и пр ) проводимых аналитических работ Выбранная информационная технология позволяет организовать эффективную систему контроля качества нанодисперсной особо чистой продукции, соответствующую международным стандартам, а также успешно интегрироваться в разработанную типовую CALS-систему «Исходные данлые на проектирование»

ВЫВОДЫ

1 Проведен анализ зарубежных и отечественных работ в области CALS-технодогий и разработана оптимальная стратегия создания информационной модели плазмохимического синтеза особо чистых наноматериалов на основе международного CALS-стандарта ISO-10303 (STEP)

2 Для систематизации и компьютеризации литературных и Интернет-ресурсов по направлению «Плазмохимический синтез особо чистых наноматериалов» создан теоретический CALS-проект в трех взаимосвязанных информационных сечениях «наноматериалы» (нанотехнология), «плазмохимия», «особо чистые материалы» (технология особо чистых веществ)

3 В рамках концепции CALS разработана типовая компьютерная структура для проектно-конструкторской документации («Исходные данные на проектирование») плазмохимических процессов получения особо чистых нанодис-персных порошков Разработка проектной документации проводилась с применением программного обеспечения для автоматизированного проектирования «AutoCAD» Все единицы оборудования (реактор, фильтр и др ) являются элементами CALS-проекта с соответствующими чертежами и спецификациями Создан пилотный CALS-проект универсальной установки плазмохимического синтеза нанодисперсных материалов особой чистоты Элементы CALS-проекта помещены в сети Интернет на Web-сайте www irea org ru

4 Для математического описания и расчета технологических режимов разработаны три моделирующих блока CALS-проекта, в рамках которых

• Проведено термодинамическое моделирование плазмохимического синтеза соединений олова, железа, вольфрама, кремния и титана Расчет равновесных

состояний системы проведен в широком диапазоне основных технологических параметров температуры, давления и соотношений исходных компонентов Для обеспечения экологической безопасности плазмохимических процессов на примере синтеза оксида олова определены оптимальная температура и концентрация окислителя, которые позволяют добиться минимизации вредных выбросов (окись азота) в атмосферу

• Проведено кинетическое моделирование плазмохимического синтеза карбида вольфрама Разработаны программные модули для расчета кинетических параметров модели, а также прогнозирования кинетики процесса в зависимости от температуры и дисперсности В результате обработки изотермических экспериментальных данных рассчитаны параметры модели «сжимающейся сферы» константы скорости реакции, частотный фактор и энергия активации Проведено прогнозирование кинетики высокотемпературного режима плазмохимического синтеза карбида вольфрама (Т = 4000-8000 К, r0 = 1 мкм)

* Проведено моделирование грансостава нанодисперсных порошков в зависи-мосги от двух параметрических комплексов агрегатное состояние исходного вещества, соотношение скоростных напоров плазменной струи и струи вводимого газа Рассчитаны параметры модели связывающей дисперсность нанопо-рошков с соотношением СВГ/ПС, л также линейного уравнения связи оптимального СВГ/ПС и вводимой мощности

5 Разработана информационная CALS-система компьютерного менеджмента качества исходных и паевых продуктов плазмохимического синтеза и типовая компьютерная процедура контроля качества получаемых особо чистых наноматериалоз, включая лимитируемые примеси, методы их пробоподгоювки и анализа, а также выходную техническую документацию

6 Самостоятельное практическое значение, подтвержденное соответствующими актами о внедрении, имеют единая информационная система отраслевого НИИ с CALS-npoeicroM плазмохимического оборудования внедрена в технологических и функциональных подразделениях ФГУП «ИРЕА». отдельные блоки информационных комплексов плазмохимических нанотехнологий, созданные на основе концепции CALS, переданы в научно-производственные организации (ЗАО «Аврора-ИТ», ООО НПФ «ВИНАР» и ООО «НПО Проект»)

7 Программные модули CALS-проекта по технологическому оборудованию и КМК-системам вошли в результаты работы по гранту Европейского Сообщества ECOPHOS Кз INCO-CT-2005-013359 Также полученные результаты вошли в конкурсные проекты Минпромэнерго России № 0410 0810000 05 039д «Разработка индикаторов инновационного развития химического научно-промышленного комплекса России», Минобрнауки России № 01 168 24 074 «Разработка интегрированного комплекса информационных технологий для системного анализа и управления инновационными ресурсами отраслевой науки» и Минпромторга России № 8411 0816900 13 057 «Комплексная оценка инновационного потенциала промышленных предприятий и ведущих научных организаций химической и нефтехимической промышленности»

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Бессарабов A M, Иванов M Я, Жданович О А, Пономаренко А H Разработка плазмохимического процесса получения ультрадисперсного оксида олова особой чистоты на основе концепции CALS (ISO-10303 STEP) I1 Химическая промышленность сегодня 2005 №12 С.33-37

2 Жданович О.А, Пономаренко А Н., Айвазян Е А, Бессарабов A M Внедрение информационных CALS-стандартов (ISO-10303 STEP) в химической промышленности // Материалы VI Международной научной конференции «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дета» Уфа, 23-25 ноября 2005 г, т 1, с ¿9-50

3 Бессарабов A M, Алякин А А, Пономаренко А H CALS-технологии (ISO-10303 STEP) при разработке перспективных наукоемких производств // Сборник трудов 19-й Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (MMTÍ-19), Воронеж, 30 мая - 1 июня 2006 г, с 114-117

4 Bessarabov A M, Zhdanovich О А, Ponomarenko А N, Koltsova Е M CALS-technologies in the Industry of Chemical Reagents and High-Pure Substances // CH1SA 2006, 17th International Congress of Chemical and Process Engineering, 27-31 august 2006, Praha, Czech Republic, Summaries 4 (System Engineering), pp 1241-1242

5 Бессарабов A M , Иванов M Я, Меньшутина H В, Пономаренко А H Минимизация энергозатрат при плазмохимическом синтезе нанодисперсных материалов // Тезисы докладов Международной конференции «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленности», Москва, 11-12 октября 2006 г., с 52

6 Пономаренко А H, Огородникова Т В, Санду Р А, Бессарабов A M CALS-технологии при проектировании процессов получения оксидов и кистот особой чистоты // Материалы XIX Международной научно-технической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» (РЕАКТИВ-2006), Уфа, 10-12 октября 2006 г, с. 200-201

7 Огородникова Т В , Пономаренко А H, Филатова Л H, Бессарабов A M CALS-технологии при разработке информационной подсистемы утилизации отходов в производстве оксидое, солей и кислот особой чистоты // Сборник научных трудов «Успехи в химии и химической технологии»/ РХТУ им Д И Менделеева Москва 2006 Т XX, №1 (59) С 116-119

8 Бессарабов A M, Огородникова Т В, Пономаренко А H Проектирование перспективных химико-технологических установок с помощью информационных CALS-технологий // Материалы VII Международной научной конференции «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела» Уфа,21-23 ноября2006г,т 1,с 21-22

9 Бессарабов A M, Огородникова Т В, Пономаренко А H, Бабакова О К Инновационные CALS-технологии аналитического мониторинга качества для широкого класса фосфорсодержащих продуктов // Сборник трудов 20-й Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-20), Ярославль, 29 мая - 1 июня 2007 г, т 8, с 176-178

10 Бессарабов AM, Пономаренко АН, Иванов МЯ, Ярошенко AM, Заиков ГЕ Информационные CALS-технологии (ISO-10303 STEP) при разработке плазмохимических процессов получения ультрадисперсных оксидов особой чистоты // Журнал прикладной химии 2007 Т 80, №1 С 15-19

11 Bessarabov A M, Ponomarenko А N, etc CALS Information Technologies (ISO-10303 STEP) in Development of Plasmochemical Processes for Synthesis of Ultrapure Ul-tradispersed Oxides//Russian Journal of Applied Chemistry 2007 V 80, № 1 P 13-18

ПОНОМАРЕНКО Андрей Николаевич

Подписано к печати 5 октября 2003 г Формат 60x90 1/16

__Объем 1 п л Тираж 120 экз Заказ № 243_

Отпечатано «КОПИ-ЦЕНГР» св 7 07 10429, Москва, ул Енисейская, 36, тел 185-7954

Введение.

Глава 1. Теоретический CALS-проект плазмохимического синтеза нанопорошков особой чистоты.

1.1. Теоретические основы синтеза наноматериалов.

1.1.1. Перспективы развития нанотехнологий в России.

1.1.2. Основные виды наноматериалов.

1.1.3. Методы получения наноматериалов.

1.2. Теоретические основы плазмохимического синтеза.

1.2.1. Плазмохимические процессы.

1.2.2. Виды плазмохимических реакторов.

1.2.3. Общие сведения о плазмотронах.

1.3. Плазмохимический синтез особо чистых материалов.

1.3.1. Выбор источника плазмохимического синтеза.

1.3.2. Выбор исходных веществ.

1.3.3. Анализ факторов, влияющих на чистоту целевых продуктов.

1.4. Разработка теоретического информационного CALS-проекта.

1.4.1. Возникновение концепции CALS и ее эволюция.

1.4.2. Преимущества CALS-технологий.

1.4.3. Внедрение концепции CALS в химическом комплексе.

1.4.4. Теоретический CALS-проект «Нано-плазма-ОСЧ».

Глава 2. Разработка информационного CALS-проекта технологии и аппаратурного оформления плазмохимических процессов.

2.1. CALS-проект «Исходные данные на проектирование».

2.2. Элемент CALS-проекта «Плазмохимический реактор».

2.3. Элемент CALS-проекта «Фильтровальное оборудование».

2.4. Элемент CALS-проекта «Пневматическая форсунка».

Глава 3. Концепция CALS при моделировании плазмохимического синтеза наноматериалов.

3.1. Термодинамическое моделирование плазмохимических процессов.

3.2. Кинетическое моделирование плазмохимических процессов.

3.3. Моделирование дисперсности наноматериалов, получаемых плазмохимическим методом.

Глава 4. Разработка CALS-системы компьютерного менеджмента качества для наноматериалов особой чистоты.

4.1. Разработка структуры КМК-системы.

4.2. Элемент КМК-системы по категории «Анализируемое вещество».

4.3. Элемент КМК-системы по категории «Методы анализа и пробоподготовки».

4.4. Элемент CALS-проекта КМК-системы по категории «Выходная документация».

Выводы.

Актуальность проблемы.

Особо чистые нанодисперсные материалы широко используются для решения важнейших фундаментальных и прикладных задач в наиболее инновационных и наукоемких областях российской экономики. Для синтеза этих материалов перспективно применение низкотемпературной плазмы, позволяющей получать нанопорошки и обеспечивающей минимальный аппаратурный фон по микропримесям.

Эффективная разработка плазмохимических процессов требует использования самых современных информационных технологий. Наиболее перспективной системой компьютерной поддержки является CALS-технология (Continuous Acquisition and Life cycle Support — непрерывная информационная поддержка жизненного цикла продукта). В основе концепции CALS лежит комплекс единых информационных моделей, стандартизация способов доступа к информации и ее корректной интерпретации. Ситуация на мировом рынке наукоемкой продукции развивается в сторону полного перехода на компьютерную технологию проектирования, изготовления и сбыта продукции. Отечественная наукоемкая продукция, не имеющая современного компьютерного обеспечения ее жизненного цикла (CALS-технология), будет существенно отставать от аналогичной продукции, изготовленной на западе в системе новых электронных технологий.

Создание эффективной информационной технологии для плазмохимиче-ского синтеза нанодисперсных особо чистых материалов в рамках концепции CALS и современных международных стандартов (ISO 10303 STEP) является актуальной научной и практической задачей, обеспечивающей сокращение времени разработки, затрат на проектирование, эксплуатацию, обслуживание и ремонт оборудования, снабженного компьютерной технической документацией в соответствии с требованиями международных стандартов.

Основные разделы диссертации выполнялись в рамках конкурсных проектов Минпромэнерго России № 0410.0810000.05.039д «Разработка индикаторов инновационного развития.», Минобрнауки России № 01.168.24.074 «Разработка интегрированного комплекса информационных технологий.» и Мин-промторга России № 8411.0816900.13.057 «Комплексная оценка инновационного потенциала.», а также при частичной поддержке гранта Европейского СообществаECOPHOS № INCO-CT-2005-013359 «Waste utilisation in.».

Цель работы состоит в разработке на основе концепции CALS комплекса информационных технологий плазмохимического синтеза нанодисперсных особо чистых материалов. Работа включает в себя следующие основные задачи:

• разработка типового CALS-проекта конструкторской документации универсальной плазмохимической установки;

• CALS моделирование термодинамики, кинетики и грансостава нанопо-рошков при плазмохимическом синтезе соединений кремния, титана, железа, олова и вольфрама;

• разработка системы компьютерного менеджмента качества особо чистых продуктов плазмохимического синтеза.

Научная новизна.

В рамках концепции CALS разработаны типовые компьютерные структуры для проектно-конструкторской документации плазмохимических процессов получения особо чистых нанодисперсных порошков.

Для прогнозирования технологических режимов математические исследования осуществлялись в рамках трех моделирующих блоков CALS-проекта:

• Проведено термодинамическое моделирование плазмохимического синтеза соединений олова, железа, вольфрама, титана и кремния. В результате решения задачи поиска экстремума энтропии системы с учетом уравнений связи осуществлялся расчет равновесных состояний системы в широком диапазоне основных технологических параметров плазмохимического процесса: соотношений исходных компонентов, температур и давлений.

• Проведено кинетическое моделирование плазмохимического восстановления вольфрама из оксида вольфрама. В результате обработки изотермических экспериментальных данных рассчитаны параметры модели «сжимающейся сферы»: константы скорости реакции, частотный фактор и энергия активации.

• Проведено моделирование грансостава нанодисперсных порошков в зависимости от двух параметрических комплексов: агрегатного состояния исходного вещества; соотношения скоростных напоров плазменной струи и струи вводимого газа.

Разработана архитектура информационной CALS-системы компьютерного менеджмента качества продуктов плазмохимического синтеза и типовая компьютерная процедура контроля качества получаемых особо чистых наномате-риалов, включая лимитируемые примеси, методы их пробоподготовки и анализа, а также выходную техническую документацию.

Практическая значимость.

Создан пилотный CALS-проект установки плазмохимического синтеза нанодисперсных материалов особой чистоты. Элементы CALS-проекта помещены в сети Интернет на Web-сайте: www.irea.org.ru

На основе использованного математического описания в системе Mathcad разработаны программные модули: для прогнозирования дисперсности нанопо-рошков в зависимости от соотношения компонентов (плазменной струи и струи вводимого газа); для расчета кинетических параметров модели, а также прогнозирования кинетики процесса в зависимости от температуры и дисперсности.

Самостоятельное практическое значение, подтвержденное соответствующими актами о внедрении, имеют:

• единая информационная система отраслевого НИИ с CALS-проектом плазмохимической установки, внедрена в технологических и функциональных подразделениях ФГУП «ИРЕА»;

• информационные комплексы плазмохимических нанотехнологий, созданные на основе концепции CALS, переданы в научно-производственные организации: ЗАО «Аврора-ИТ», ООО НПФ «ВИНАР» и «НПО Проект».

Программные модули CALS-проекта по технологическому оборудованию вошли в результаты работы по гранту Европейского Сообщества ECOPHOS № INCO-CT-2005-013359.

Полученные результаты вошли в выполненные нами следующие конкурсные проекты: Минпромэнерго России № 0410.0810000.05.039д «Разработка индикаторов инновационного развития химического научно-промышленного комплекса России», Минобрнауки России № 01.168.24.074 «Разработка интегрированного комплекса информационных технологий для системного анализа и управления инновационными ресурсами отраслевой науки» и Минпромторга России № 8411.0816900.13.057 «Комплексная оценка инновационного потенциала на основе системного анализа кадровых, финансовых и материальных ресурсов промышленных предприятий и ведущих научных организаций химической и нефтехимической промышленности».

ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ зарубежных и отечественных работ в области CALS-технологий и разработана оптимальная стратегия создания информационной модели плазмохимического синтеза особо чистых наноматериалов на основе международного CALS-стандарта ISO-10303 (STEP).

2. Для систематизации и компьютеризации литературных и Интернет-ресурсов по направлению «Плазмохимический синтез особо чистых наноматериалов» создан теоретический CALS-проект в трех взаимосвязанных информационных сечениях: «наноматериалы» (нанотехнология); «плазмохимия»; «особо чистые материалы» (технология особо чистых веществ).

3. В рамках концепции CALS разработана типовая компьютерная структура для проектно-конструкторской документации («Исходные данные на проектирование») плазмохимических процессов получения особо чистых нанодисперсных порошков. Разработка проектной документации проводилась с применением программного обеспечения для автоматизированного проектирования «AutoCAD». Все единицы оборудования (реактор, форсунка, фильтр) являются элементами CALS-проекта с соответствующими чертежами и спецификациями. Создан пилотный CALS-проект универсальной установки плазмохимического синтеза нанодисперсных материалов особой чистоты. Элементы CALS-проекта помещены в сети Интернет на Web-сайте: www.irea.org.ru

4. Для математического описания и расчета технологических режимов разработаны три моделирующих блока CALS-проекта:

• Проведено термодинамическое моделирование плазмохимического синтеза соединений олова, железа, вольфрама, кремния и титана. Расчет равновесных состояний системы проведен в широком диапазоне основных технологических параметров: температуры, давления и соотношений исходных компонентов. Для обеспечения экологической безопасности плазмохимических процессов на примере синтеза оксида олова определены оптимальная температура и концентрация окислителя, которые позволяют добиться минимизации вредных выбросов (окись азота) в атмосферу.

• Проведено кинетическое моделирование плазмохимического синтеза на примере восстановления W из WO3. Разработаны программные модули для расчета кинетических параметров модели, а также прогнозирования кинетики процесса в зависимости от температуры и дисперсности. В результате обработки изотермических экспериментальных данных рассчитаны параметры модели «сжимающейся сферы»: константы скорости реакции, частотный фактор и энергия активации. Проведено прогнозирование высокотемпературного режима плазмохимического синтеза карбида вольфрама (Т = 4000-8000 К; Го = 1 мкм).

• Проведено моделирование грансостава нанодисперсных порошков в зависимости от двух параметрических комплексов: агрегатное состояние исходного вещества; соотношение скоростных напоров плазменной струи и струи вводимого газа. Рассчитаны параметры модели связывающей дисперсность наиопорошков с соотношением СВГ/ПС, а также линейного уравнения связи оптимального СВГ/ПС и вводимой мощности.

5. Разработана информационная CALS-система компьютерного менеджмента качества исходных и целевых продуктов плазмохимического синтеза и типовая компьютерная процедура контроля качества получаемых особо чистых наноматериалов, включая лимитируемые примеси, методы их пробоподготовки и анализа, а также выходную техническую документацию.

6. Самостоятельное практическое значение, подтвержденное соответствующими актами о внедрении, имеют: единая информационная система отраслевого НИИ с CALS-проектом плазмохимического оборудования, внедрена в технологических и функциональных подразделениях ФГУП «ИРЕА»; отдельные блоки информационных комплексов плазмохимических нанотехнологий, созданные на основе концепции CALS, переданы в научно-производственные организации (ЗАО «Аврора-ИТ», ООО НПФ «ВИНАР» и ООО «НПО Проект»).

7. Программные модули CALS-проекта по технологическому оборудованию и КМК-системам вошли в результаты работы по гранту Европейского Сообщества ECOPHOS № INCO-CT-2005-013359. Полученные результаты вошли в конкурсные проекты Минпромэнерго России № 0410.0810000.05.039д «Разработка индикаторов инновационного развития химического научно-промышленного комплекса России», Минобрнауки России № 01.168.24.074 «Разработка интегрированного комплекса информационных технологий для системного анализа и управления инновационными ресурсами отраслевой науки» и Минпромторга России № 8411.0816900.13.057 «Комплексная оценка инновационного потенциала промышленных предприятий и ведущих научных организаций химической и нефтехимической промышленности».

1. Иванов М.Я., Купряшкина Т.Н., Цыбина О.В., Бессарабов A.M. Плазмохи-мическнй синтез диоксида кремния особой чистоты // Химическая промышленность. 1985, №1. С.34-35.

2. Ковшов А.Н., Назаров Ю.Ф., Ибрагимов И.М. Основы нанотехнологии в технике. М.: Изд-во «МГОУ», 2006. 241 с.

3. Алфёров Ж.И. О программе российской академии наук в области нанотех-нологий //Вестник Российской академии наук. 2008. Т. 78, №5. С. 427-435.

4. Landree Eric. Общие направления развития нанотехнологии до 2020 года. // Российские нанотехнологии. 2007. Т. 2, № 3-4. С. 8-16.

5. Гречихин JI. И. Наночастицы и нанотехнологии. М.: Изд-во «Право и экономика», 2008. - 76 с.

6. Дьячков П. Н. Углеродные нанотрубки. М.: Изд-во «Бином», 2006. 296 с.

7. Суздалев И. П. Нанотехнология. Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов.М.: Изд-во «КомКнига», 2006. — 592 с.

8. Елецкий А.В. Перспективы применений углеродных нанотрубок. // Российские нанотехнологии. 2007. Т. 2, № 5-6. С. 6-17.

9. Сергеев Г. Б. Нанохимия. М.: Изд-во «КДУ», 2007. 336 с.

10. Гусев А. И., Ремпель А. А. Нанокристаллические материалы. М.: Изд-во «ФИЗМАТЛИТ», 2000. 224 с.

11. Тихоновский М.А., Шепелев А.Г., Пантеенко Л.В. Наноматериалы: анализ тенденций развития на основе данных об информационных потоках. // Вопросы атомной науки и техники. 2003. Вып. 13. С. 103-110.

12. Малыгин А.А. Нанотехнология молекулярного наслаивания. // Российские нанотехнологии. 2007. Т. 2, № 3-4. С. 87-100.

13. Гольдштейн Р.В., Ченцов А.В., Штуркин Н.А., Кадушников P.M. Методы и метрологическое обеспечение механических испытаний нано- и микрома-стштабных объектов, материалов и изделий нанотехнологий // Российские нанотехнологии. 2008. Т. 3, № 1-2. С. 114-124.

14. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Серия Б. Справочные приложения, базы и банки данных. Том 3-1. Термодинамические свойства низкотемпературной плазмы. Серия: Энциклопедия низкотемпературной плазмы. М.: Изд-во: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 536 с.

15. К. Н. Климов, Б. В. Сестрорецкий, В. А. Вершков, С. В. Солдатов, Т. В. Камышев, В. А. Рученков. Электродинамический анализ двумерных неоднородных сред и плазмы. М.: Изд-во: МАКС Пресс, 2005. 324 с.

16. Спектроскопия плазмы и природных объектов. Изд-во: Белорусская наука, 2007.-488 с.

17. Ф. Клеммоу, Дж. Доуэрти. Электродинамика частиц и плазмы (пер. с англ. док.физ.наук Сошникова В.Н.; под ред. ак. Рухадзе А.А.).М.: Изд-во: Мир, 1996.-528 с.

18. Цыбин А.С. Физические основы плазменной и лазерной технологий. М.: МИФИ, 2002.- 184 с.

19. Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочник. Том 3. Калуга: Изд-во: Н. Бочкаревой, 2003. — 1024 с.

20. Bessarabov A.M., Ponomarenko A.N., Ivanov M.Ya., Yaroshenko A.M., Zaikov G.E. CALS Information Technologies (ISO-10 303 STEP) in Development of

21. Plasmochemical Processes for Synthesis of Ultrapure Ultradispersed Oxides // Russian Journal of Applied Chemistry. 2007. Vol. 80, No. 1, pp. 13-18.

22. Рябенко E.A., Иванов М.Я., Пархоменко В.Д. Плазмохимические процессы получения особо чистых веществ и катализаторов // ЖВХО им. Д.И.Менделеева. 1984. №6. С.646-650.

23. Иванов М.Я., Овсянников Н.А., Купряшкина Т.Н. Рябенко Е.А., Андреева О.С., Нилов В.П., Степкин Б.Н., Бессарабов A.M. Способ получения тонкодисперсного диоксида титана // А.с. №1149571 от 31.12.1983.

24. Иванов М.Я., Купряшкина Т.Н., Жукова JI.A., Коноплев А.А. Плазмохими-ческий синтез бинарных оксидных систем на основе диоксида кремния // Сб.: «Химические реактивы и особо чистые вещества». 1981. Вып. 43. М., Тр. ИРЕА, М., с. 37-43.

25. Разуваев Г. А. Металлоорганические соединения в электронике. М., Наука, 1972. 246 с.

26. Иванов М.Я., Купряшкина Т.Н., Бессарабов A.M., Цыбина О.В., Мазур В.Н. Некоторые аспекты получения легированного нитрата кремния // Тез. докл. 5-го Всес. семинара по методам получения и свойствам и областям применения нитридов, Рига, 1984, с. 36-37.

27. Sims, Oliver. Enabling the Virtual Enterprise. The Internet provides the infrastructure // Object Magazine, Vol.1, Issue 10, October 1996, Currents Online Journal (http://www.sigs.com).

28. Дмитров В.И. Опыт внедрения CALS за рубежом. // Автоматизация проектирования. 1997. №1. С. 2-9.

29. Дмитров В.И., Макаренков Ю.М. Аналитический обзор международных стандартов STEP, PLIB, MANDATE. // Информационные технологии. 1996. №1. С.6-11.

30. Дмитров В.И., Норенков И.П., Павлов В.В. К проекту Федеральной Программы "Развитие CALS -технологий в России" // Информационные технологии. 1998. №4. С. 2-11.

31. Кабанов А.Г., Давыдов А.Н., Барабанов В.В., Судов Е.В. CALS-технологии для военной продукции // Стандарты и качество. 2000. №3. С.65-72.

32. Saaksvuori A., Immonen A. Product Life Management. Springer-Verlag, 2004. 222 с.

33. Stark J. Product Lifecycle Management: 21st century Paradigm for Product Realisation. 2004. 400 c.

34. Черняк JI. PLM не роскошь, а необходимость. Открытые системы, №6, 2003.С. 12-15.

35. Сайт НИЦ «CALS-технология»: http://www.cals.ru/

36. Афанасьев А.Н. «Компьютерные CALS-технологии в химической промышленности (на примере технологий получения неорганических веществ особой чистоты)» // Автореферат кандидатской диссертации (технические науки). 2001 г. 16 с.

37. Бессарабов A.M., Афанасьев А.Н. CALS-технологии при проектировании перспективных химических производств // Химическая технология. 2002. №3. С.26-30.

38. Бессарабов A.M., Афанасьев А.Н., Ефимова В.П., Рябенко Е.А. CALS-технологии и их внедрение в химическом комплексе России // Химия и рынок. 2001. №3. С.43-45.

39. Афанасьев А.Н., Бессарабов A.M. CALS-технологии в химической промышленности // Сб. «Успехи в химии и химической технологии»: Вып XIV: 4.1. (МКХТ-2000)/ РХТУ им. Д.И. Менделеева. М., 2000. С.89-90.

40. Bessarabov A., Shimichev V., Menshutina N. Microwave drying of multicomponent sols // Drying Technology. 1999. V.17, №3. P.379-394.

41. Бессарабов A.M., Ефимова В.П., Демьянюк А.Ю. Концепция CALS при разработке систем автоматизированного управления // Приборы и автоматизация. 2002. №Ю. С.48-54.

42. Давыдов А.Н., Барабанов В.В., Судов Е.В. CALS-технологии: основные направления развития // Стандарты и качество. 2002. №7. С. 12-18.

43. Бессарабов A.M., Малышев P.M., Демьянюк А.Ю. Информационная модель технологии биологически активных добавок нового поколения на основе концепции CALS // Теоретические основы химической технологии. 2004. Т.38. №3. С.343-348.

44. Демьянюк А.Ю. «Информационные CALS-технологии при разработке промышленного производства ассортимента БАД на основе глицината цинка» // Автореферат кандидатской диссертации (технические науки). 2003 г. 16 с.

45. Бессарабов A.M., Малышев P.M., Демьянюк А.Ю., Малиновский В.Н., Бомштейн В.Е. CALS-моделирование процесса сушки (золь-гель перехода) высоковязких экстрактов лекарственного сырья // Химическая промышленность сегодня. 2003. №12. С. 23-30.

46. Бессарабов A.M., ,3аколодина Т.В., Писковатскова Е.А., Кочетыгов A.JI. Информационные CALS-технологии в маркетинговых исследованиях (на примере утилизации отходов производств фосфорной кислоты) // Приборы (и автоматизация). 2008. №8. С. 36-42.

47. Стругацкая А.Ю., Кольцова Э.М. Синтез фосфита натрия из фосфорного шлама в присутствии кислорода // Журнал прикладной химии. 1995. Т.68, №7. С. 1602-1604.

48. Лысенко А.Ю., Бессарабов A.M. Моделирование и оптимизация при реконструкции производств химических реактивов и особо чистых веществ // Реактивы и особо чистые вещества: М., НИИТЭХИМ, 1990. 34 с.

49. Меныпутина Н.В. Введение в нанотехнологию. Калуга: Издательство научной литературы Бочкаревой Н.Ф., 2006. 132 с.

50. Крапивина С.А. Плазмохимические технологические процессы. JL: Химия, 1981.-248 с.

51. Синярев Г.Б., Ватолин Н.А., Трусов Б.Г., Моисеев Г.К. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлургических процессов. М: Наука, 1982.

52. Иванов М.Я., Овсянников Н.А., Купряшкина Т.Н. Рябенко Е.А., Андреева О.С., Нилов В.П., Степкин Б.Н., Бессарабов A.M. Способ получения тонкодисперсного диоксида титана// А.с. №1149571 от 31.12.1983.

53. Иванов М.Я., Купряшкина Т.Н., Бессарабов A.M., Цыбина О.В., Мазур В.Н. Некоторые аспекты получения легированного нитрата кремния // Тез. докл. 5-го Всес. семинара по методам получения и свойствам и областям применения нитридов, Рига, 1984, с.36-37.

54. Бусев А.И., Иванов В.А., Соколова Т.А. Аналитическая химия вольфрама. М., Наука, 1976. 463 с.

55. Янг Д. Кинетика разложения твердых веществ. М.; Мир, 1969. 263 с.

56. Гарнер В. Химия твердого состояния. М.; Иностр. лит-ра, 1961. 469 с.

57. Болдырев В.В. Методы изучения кинетики термического разложения. Томск; Изд-во Томского ун-та, 1958. 332 с.

58. Ерофеев Б.В. Обобщенное уравнение химической кинетики и его применение к реакциям с участием твердых веществ // Докл. АН СССР. 1964. Вып. 52, №6. С. 515-519.

59. Баев А.К., Гайдым И.Л. Кинетика термического разложения нонакарбонила железа // Ж. физ. химии. 1975. Т. 49, № 10. С. 2575-2577.

60. Янчук А.Ф. Применение ЭЦВМ для расчета экспериментальных данных по топокинетическому уравнению Колмогорова-Ерофеева // Изв. АН БССР. Сер. хим. 1975. №6. С. 110-115.

61. Фиалко М.В. Неизотермическая кинетика в термическом анализе. Томск: Изд-во Томского университетита, 1981. 110 с.

62. Филимонова Л.А., Фалин В.А., Нирша Б.М. Определение кинетических характеристик процессов термического разложения по данным неизотермических измерений //Ж. физ. химии. 1985. Т.59, № 1. С.37-40.

63. Белов Б.А., Горожанкин Э.В., Ефремов В.Н. Влияние скорости нагрева на неизотермическую кинетику // Ж. неорг. химии. 1985. Т.ЗО, № 12. С.2520-2528.

64. Шалумов Б.З., Бессарабов A.M., Глухан Р.И., Дьяконов С.С., Жебровская Е.Б. Кинетика термообработки бинарных силикатных систем на примере Si02 -ТЮ2 // Ж. физ. химии. 1986. Т.60, № 4. С.994-996.

65. Бессарабов A.M. Моделирование и оптимизация химико-технологических процессов получения высокочистых твердофазных продуктов // Реактивы и особо чистые вещества; М., НИИТЭХИМ, 1988. 50 с.

66. Бессарабов A.M., Глухан Р.И., Дьяконов С.С. Исследование влияния скорости нагрева и дисперсности на динамику термического разложения // Теоретические основы химической технологии. 1992.Т.26, № 4. С.588-592.

67. Шестак Я. Теория термического анализа. М.; Мир, 1987. 456 с.

68. Бессарабов A.M. Синтез оптимальных химико-технологических систем получения особо чистых оксидных материалов // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук (специальность: 05.13.16). М.: 1991. 50 с.

69. Девятых Г.Г., Карпов Ю.А., Осипова Л.И. Выставка-коллекция веществ особой чистоты. М.: Наука. 2003. 236 с.

70. Бессарабов A.M., Алякин А.А., Айвазян Е.А., Жданович О.А. Компьютерный менеджмент качества особо чистых веществ на основе концепции CALS (ISO-10303 STEP) //Приборы и автоматизация. 2005. № 12. С.26-36.

71. Нуцков В.Ю., Дюмаева И.В. Использование Лабораторно-Информацион-ных Систем в химической промышленности.// Химическая промышленность сегодня. 2003. №5. С.51-56.

72. Ю5.Рябенко Е.А., Бессарабов A.M., Алексеева О.В., Гордеева Е.Л., Авсеев В.В. Применение экспертных систем при выборе метода глубокой очистки и аппаратурного оформления // Высокочистые вещества. 1994. №1. С. 48-52.

73. Бессарабов A.M., Авсеев А.В., Авсеев В.В., Кутепов A.M. Информационные технологии в промышленности химических реактивов и особо чистых веществ // Теоретические основы химической технологии. 2004. Т.38, №2. С.229-233.

74. Чупахин М.С., Сухановская А.И.,. Красильщик В.З., Крейнгольд С.У., Богомолов В.И., Добижа Е.В., Пржибыл М., Словак 3., Борак И., Смрж М. Методы анализа чистых химических реактивов. М.: Химия. 1984. 280 с.

75. Меркуленко Н.Н. Лабораторная система управления информацией. Время пришло? // Химия в России. 2000. №2. С. 10-12.

76. Терещенко А.Г., Терещенко В.А. Переход лабораторий на электронные документы при внедрении лабораторно-информационных систем // Партнеры и конкуренты. «Методы Оценки соответствия». 2006. № 3. С. 42-45.

77. ПО.Нуцков В.Ю., Дюмаева И.В. Лабораторно-информационные системы. Критерии выбора // Заводская лаборатория. 2004. № 10. С. 55-60.

78. Bessarabov A.M., Zhdanovich О.А., Yaroshenko A.M., Zaikov G. E. Development of an analytical quality control system of high-purity chemical substances on the CALS concept basis // Oxidation Communications. 2007. Vol. 30, No 1,P. 206-214.

79. Моисеев B.M., Шапиро Ю.З., Шелоумова T.M. и др. Автоматизированный контроль качества сырья и продукции // Химия и технология топлив и масел. 2000. №3. С. 14-16.

80. Специальный обзор: Всемирное исследование среди пользователей LIMS — 2005 // Лабораторные информационные системы LIMS. Сборник статей: ООО "Маркетинг. Информационные технологии". 2006. С. 327-336.

81. Куцевич И.В. Введение в LIMS // Мир компьютерной автоматизации. 2002. №4. С. 18-26. (www.LimsSource.com)