Этапы научно-исследовательской работы

       В научно-исследовательской работе выделяют научное направление, проблемы и тематику (тему).

       Научное направление – сфера исследований научного коллектива, посвященных решению крупных фундаментальных задач. Структурными единицами направления являются комплексные проблемы, темы и вопросы.

       Проблема – сложная научная задача. Как правило, она охватывает определенную область научного исследования, имеет перспективное значение. Проблема состоит из ряда тем.

       Тема – научная задача, охватывающая определенную область научного исследования. Она базируется на многочисленных исследовательских вопросах, научных задач.

       Выбор постановки проблемы или темы является сложной и ответственной задачей и состоит из следующих этапов:

• Формулировка проблемы;
• Разработка структуры проблемы (выделение темы, подтемы и вопросы);
• Актуальность проблемы, т.е. ценности для науки и промышленности.

После обоснования выбора проблемы и установления ее структуры и актуальности приступают к выбору темы. К этой категории предъявляется ряд требований: актуальность, новизна, экономическая эффективность и практическая значимость. Критерием для установления актуальности является экономическая эффективность.

       Целью научного исследования является достоверное изучение объекта, процесса или явления, их структуры, связей на основании разработанных научных принципов и методов познания, а также внедрение в производство полученных результатов.

       В каждом научном исследовании выделяют объект и предмет исследования.

       Объект научного исследования – это материальная природная или искусственная система.

       Для химиков предметом исследования являются химико-технологические системы, т.е. совокупность физических процессов, химических реакций и аппаратов, в которых протекают вышеуказанные процессы.

       Научные исследования по степени важности для народного хозяйства, целевому назначению, источникам финансирования и продолжительности их выполнения классифицируются на следующие основные виды: фундаментальные, прикладные и разработки.

       Фундаментальные научные исследования направлены на открытие, изучениеновых явлений, законов природы, выявление закономерностей с целью расширения научного познания и установления возможности их рационального использования в практической деятельности. Такие исследования, как правило, ведутся на границе известного и неизвестного, имеют наибольшую степень неопределенности.

       Прикладные научные исследования направлены на поиск способов применения результатов достижения фундаментальных наук, создание новых и совершенствование уже существующих материалов или технологий. Прикладные научные исследования подразделяют на поисковые, научно-исследовательские и опытно-конструкторские.

       Проведение поисковых исследований позволяет выявить факторы, определяющие свойства материалов, пути создания новых материалов и технологий. Результатом научно-исследовательских работ являются новые технологии и материалы. При выполнении опытно-конструкторских работ осуществляется выбор технологических параметров и конструкционных особенностей оборудования.

       В результате проведения фундаментальных и прикладных исследований происходит накопление информации, ее анализ, что приводит к появлению разработок.

       Разработка направлена на создание и совершенствование уже существующих материалов и технологий. Конечная цель разработки - подготовка результатов к внедрению.

       По степени важности для промышленности научные исследования можно разделить следующим образом:

• Работы, выполняемые по специальным постановлениям государственных органов;
• Работы, выполняемые по планам отраслевых министерств;
• Работы по инициативе и планам научных организаций.

В зависимости от источников финансирования научные работы подразделяются:

• Госбюджетные;
• Хоздоговорные, финансируемые организациями-заказчиками на основе хозяйственных договоров;
• Нефинансируемые, выполняемые по договорам о сотрудничестве и по личной инициативе.

Каждую выполняемую научно-исследовательскую работу относят к определенному научному направлению.

       Наиболее важной частью научных исследований является эксперимент.

В понятие «эксперимент» вкладывается научная постановка опытов, наблюдение исследуемого явления в строго контролируемых условиях, позволяющих не только проводить опыт, но и воспроизводить полученные результаты.

       Целью эксперимента может быть:

• Проверка рабочей гипотезы или теоретических представлений;
• Изучение предмета или явления.

К эксперименту предъявляются следующие требования:

• Проведение в кратчайший срок;
• Минимальные затраты материальных и денежных средств;
• Высокое качество полученных результатов.

       В зависимости от области науки эксперимент может быть химическим, физическим, биологическим, психологическим и т.д.

       Также эксперименты различают следующим образом:

по способу формирования условий – естественные и искусственные;

по целям исследования – преобразующие, констатирующие, контролирующие и решающие;

по организации проведения – лабораторные и производственные;

по структуре изучаемых явлений и объектов – простые и сложные;

по числу варьируемых параметров – однофакторный и многофакторный и т.д.

Перечисленная классификация является далеко неполной.

План-программа эксперимента

План-программа эксперимента состоит из следующих этапов:

• Рабочая гипотеза;
• Методика эксперимента;
• Перечень необходимых материалов, приборов, установок;
• Список исполнителей эксперимента;
• Календарный план работ;
• Затраты на выполнение эксперимента.

При проведении эксперимента большое значение имеет выбор или разработка методики эксперимента.

  Методика – это последовательность действий, размещенных в строго определенном порядке, в соответствии с которым наилучшим образом достигается цель эксперимента. Правильно выбранная методика значительно повышает ценность полученных экспериментальных данных. Поэтому выбор, определение или разработка методики проводятся тщательным образом. Большое значение имеет выбор средств измерений. При проведении опытов следует пользоваться сертифицированными приборами, т.е. приборами, проходящими систематическую поверку. При экспериментальном исследовании одного и того же процесса (наблюдения и измерения) повторные отсчеты на приборах, как правило, неодинаковы. Отклонения объясняются разными причинами – неоднородностью свойств материала, несовершенством приборов и классов их точности, субъективными особенностями экспериментатора и так называемыми случайными факторами. Задача исследователя состоит в снижении числа и вероятности появления ошибок.

Отклонение результата отдельного измерения от истинного значения величины называется абсолютной ошибкой или просто ошибкой. Отношение абсолютной ошибки к измеряемой величине называется относительной ошибкой, которую обычно выражают в процентах. Знание ошибки отдельного измерения не имеет самостоятельного значения, и в любом серьезно поставленном эксперименте должно проводиться несколько параллельных измерений, по которым и определяют ошибку эксперимента. В зависимости от причин возникновения различают следующие виды ошибок:

1. систематические ошибки связаны с особенностями применяемого метода измерения или с недостатками используемого оборудования;

2. промахи, или грубые ошибки сильно искажают результаты измерений. Это может случиться из-за неправильного отсчета показаний приборов, поломки прибора и т.д. Промахи легко выявляются при проведении параллельных измерений. Резкое несовпадение одного из результатов с другими, полученными в аналогичных условиях, означает, что это промах. При обработке результатов эксперимента промахи во внимание не принимаются.

3. случайные ошибки обусловлены неконтролируемыми факторами;

4. ошибки измерений связаны с погрешностями приборов. Например, аналитические весы обычно имеют точность до четвертого знака после запятой, мерные цилиндры – в несколько десятых миллилитров и т.д.

5. химические ошибки возникают вследствие неполноты протекания химической реакции. Чаще всего возникают индикаторные кислотно-основные, окислительно-восстановительные и другие типы химических ошибок.

 Абсолютно точные результаты анализа, соответствующие действительности, возможно, получить только проводя множество измерений, что практически невыполнимо. В реальных условиях определяют воспроизводимость измерений, которая зависит от количества экспериментальных данных. Воспроизводимость вычисляется на основании нескольких параллельных анализов и характеризует случайные ошибки, возникающие при этом. Воспроизводимость рассчитывается следующим образом:

 

•  среднее:

;

• Стандартное отклонение s

;

• Относительное стандартное отклонение s_r:

;

• Стандартное отклонение среднего s_x;

• Представление результатов анализа:

,

где t – критерий Стьюдента.

Величина допустимого отклонения, или доверительный интервал, вычисляется из конкретных экспериментальных данных и характеристик используемых приборов.

Процесс создания нового производства протекает через синтез лабораторной установки, затем опытно-промышленной. Процесс завершается созданием отдельной технологической линии или самостоятельного производства. Ранее этот процесс длился десятилетиями и, подобно эволюции, сопровождался отбраковкой нежизнеспособных вариантов. Почему? Процесс “in vitro” (в пробирке) разительно отличается от процессов, протекающих в крупных промышленных аппаратах, поскольку меняются структура потоков, механизмы тепло- и массопередачи. Т.е. возникают так называемые проблемы масштабного перехода.

Моделирование в химической технологии является методом исследования химико-технологических процессов или систем путем построения и изучения их моделей. Моделирование позволяет проектировать новые производства, оптимизировать отдельные аппараты, определить наиболее эффективные пути модернизации действующих производств, разрабатывать системы управления проектируемыми производствами. В отдельных случаях моделирование позволяет провести значительную часть исследований без осуществления дорогостоящих и труднореализуемых экспериментов. Основные трудности составления модели, как правило, связаны с многомерностью решаемой задачи, т.е. с большим числом значимых факторов, определяющих характер протекания процесса. Пренебрежение некоторыми из них может привести к тому, что модель перестает быть адекватной объекту, поэтому часто используют экспериментальные исследования в лабораторных и полупромышленных условиях.

Эволюцию создания промышленного объекта можно представить следующим образом:

Экспериментальный объект → математическая модель экспериментального объекта → математическая модель реактора → промышленный объект.

Под математической моделью экспериментального объекта подразумевается совокупность уравнений материального и теплового баланса, химического и фазового равновесия, уравнения химической кинетики и гидродинамики. Для создания математической модели применяют результаты исследований равновесий, кинетики и механизма реакций в изучаемых физико-химических системах. После разработки математической модели применяют различные методы для оптимизации.

Моделирование основано на свойстве подобия разных объектов, которое может быть физическим или математическим. Процессы в физически подобных объектах имеют физическую природу. В математически подобных объектах процессы описывают одинаковыми уравнениями.

       Различают два типа моделирования: физическое и математическое.

При физическом моделировании объекты отличаются друг от друга масштабами. В основе физического моделирования лежат теория подобия и анализ размерностей. Необходимым критерием физического моделирования равенство в объекте и его модели так называемых критериев подобия, которые представляют собой безразмерные комбинации различных физических величин, оказывающих влияние на параметры модели и объекта. На практике бывает. Что при идентичности основных критериев подобия не достигается полного соответствия. В этих случаях прибегают к приближенному моделированию. Достоинства физического моделирования состоят в следующем: возможность проводить исследования объектов с меньшими затратами сырья, энергии, оборудования, возможность исследования объектов, в которых физико-химическая сущность мало изучена, возможность проведения на модели измерений, слишком сложных на объекте. Недостатки физического моделирования – возможность проявления собственных свойств модели вследствие несоответствия критериев подобия объектов и модели, необходимость применения аналогичных КИП на модели и на объекте, трудность достоверной экстраполяции данных.

Метод математического моделирования сводит исследование свойств объекта к составлению математической модели, которая представляет собой систему математических уравнений, так называемое математическое описание. Математическая модель позволяет прогнозировать поведение объекта в изменяющихся условиях. Существуют стохастические, статистические и детерминированные модели. В настоящее время совмещают методы физического и математического моделирования.

 

Математическая модель промышленного объекта носит специфический характер, т.е. вид модели обусловлен типом и размером аппарата.

Правильная схема движения от экспериментального объекта к промышленному выглядит следующим образом:

Экспериментальный объект → Математическая модель экспериментального объекта → Выделение неспецифической информации + выделение специфической → Математическая модель промышленного объекта → Промышленный объект.

Следует помнить, что специфическая составляющая математических моделей определяется логическим путем, как правило, на стадии лабораторного процесса. Однако в отношении этого часто у экспериментатора остается некоторая неуверенность, поэтому при освоении нового процесса используют этапы масштабного восхождения.

информации +

ЛЕКЦИЯ № 2