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Enregistrement W4414540220 · doi:10.1021/acs.iecr.5c02581

Physics-Informed Neural Network with NSGA II and Levenberg–Marquardt Method for Kinetic Modeling in Heavy Oil Hydrocracking

2025· article· en· W4414540220 sur OpenAlexafffund
Shahla Alizadeh, Souvik Ta, Ajay K. Ray, S. Lakshminarayanan

Notice bibliographique

RevueIndustrial & Engineering Chemistry Research · 2025
Typearticle
Langueen
DomaineChemistry
ThématiquePetroleum Processing and Analysis
Établissements canadiensWestern University
Organismes subventionnairesNatural Sciences and Engineering Research Council of CanadaWestern University
Mots-clésOverfittingSortingSolverArtificial neural networkGenetic algorithmConvergence (economics)Matching (statistics)Kinetic energy

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Accurately modeling reaction kinetics in heavy oil hydrocracking is essential for optimizing reactor performance and improving product distribution predictions. This study proposes a novel hybrid framework that integrates a physics-informed neural network (PINN) with nondominated sorting genetic algorithm II (NSGA-II) and Levenberg–Marquardt (LM) optimization method to achieve fast and accurate estimation of kinetic parameters. Unlike conventional approaches, the proposed method combines global and local search: NSGA-II generates high-quality initial parameter estimates, while LM efficiently refines them, ensuring convergence within 300 epochs. This hybrid framework leverages a neural network to model time-evolving behavior, while a Runge–Kutta–based solver enforces reaction kinetics, enabling robust kinetic parameter estimation under physical constraints. Four kinetic models previously proposed in hydrocracking research were implemented as physics constraints and systematically evaluated using the PINN framework. Among them, the most detailed, referred to here as model 4, emerged as the most comprehensive and accurate, capturing all major saturates, aromatics, resins, and asphaltenes (SARA) conversions and byproduct formation (gas and coke). Building upon this, a refined 10-parameter kinetic model was proposed by excluding three low-sensitivity reaction parameters. The simplified model preserved all dominant pathways and demonstrated excellent predictive accuracy across four temperatures (360–400 °C), total error (data + physics MSE on mass fractions) was on the order of 10 –3 to 10 –2 across training, validation, and testing, with R 2 between 0.93 and 0.99. To prevent overfitting and improve generalization, early stopping and a 20% dropout strategy were employed. This study presents a novel application of a hybrid PINN framework that integrates a multiobjective evolutionary algorithm with numerical optimization for kinetic modeling in heavy oil hydrocracking. By embedding physical constraints into the learning process, the framework offers a scalable, interpretable, and accurate approach for estimating reaction parameters and capturing the dynamic behavior of the hydrocracking process.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,002
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Méthodes · Signal consensuel: Méthodes
Score de désaccord entre enseignants0,025
Score d'incertitude au seuil0,050

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,002
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0020,001
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0010,001
Études des sciences et des technologies0,0000,001
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0010,002
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0020,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,078
Tête enseignante GPT0,350
Écart entre enseignants0,272 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreMéthodes

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations3
Publié2025
Routes d'admission2
Résumé présentoui

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