Teoretičeskie osnovy himičeskoj tehnologii

В представленной работе описаны оригинальные компьютерные тренажерные комплексы, отличающиеся от известных цифровых двойников химико-технологических систем, разработанных в программных пакетах таких сред моделирования, как Aspen Plus, Visual Modeler, Unisim Design, HYSYS, ChemCad и др., тем, что математические модели были разработаны для конкретных процессов на основе фундаментальных законов и эмпирических соотношений. Предлагаемые комплексы могут быть использованы для определения способов интенсификации химико-технологических процессов, используя знания параметров технологических сред на “микроуровне”, полученных при моделировании. Описан цифровой двойник процесса полимеризации винилхлорида, позволяющий определять молекулярно-массовое распределение молекул полимера, с учетом распределения температуры полимер-мономерных частиц. Цифровой двойник процесса полимеризации винилхлорида позволяет определять физико-химические свойства поливинилхлорида в процессе полимеризации, будет способствовать проведению анализов режимов технологических процессов, прогнозировать изменение параметров при возникновении нештатных ситуаций, что повысит уровень безаварийности функционирования. Приведено описание цифрового двойника, моделирующего параметры электролизера в производстве едкого натра, хлора и водорода, в основу которого положена математическая зависимость вольт-амперной характеристики от температуры процесса. Использование цифрового двойника процесса электролиза производства едкого натра, хлора и водорода дает возможность моделировать технологические параметры работы электролизера, что позволяет устанавливать оптимальные режимы проведения технологических процессов и прогнозировать изменение параметров при возникновении нештатных ситуаций.

Представлен новый подход к разработке методологии интегрированного проектирования циклических адсорбционных процессов и установок для разделения многокомпонентных газовых смесей (при наличии неопределенности части исходных данных при проектировании), формирующей предпосылки эффективного управления и автоматизации. Описан состав проблемно-ориентированного аппаратно-программного комплекса, предназначенного для проведения предпроектных научных исследований, подготовки исходных данных для проектирования и обоснования принятия проектно-конструкторских решений при аппаратурно-технологическом оформлении циклических адсорбционных процессов и установок (для разделения водородсодержащих газовых смесей и концентрирования широко применяемого в различных отраслях промышленности и социальной сферы высокочистого газа – водорода). Сформулированы постановки задач одно- и двухэтапного оптимального проектирования гибких многоадсорберных установок короткоцикловой адсорбции (КЦА), и разработаны инженерные алгоритмы, позволяющие принимать оптимальные проектно-конструкторские решения, обеспечивающие достижение безопасного и оптимального (в смысле минимума приведенных затрат, себестоимости выпускаемой продукции и других показателей эффективности) функционирования короткоцикловых адсорбционных установок.

Подтверждена и обоснована целесообразность и актуальность организации замкнутых систем водооборота химических производств. С помощью инструментов математического моделирования описана блок-схема процесса очистки стоков с замкнутой системой водооборота. На основании блок-схемы процесса сформулирована математическая модель замкнутой системы водооборота. Научная новизна данной работы заключается в принципе проектирования промышленных предприятий с принципиальной возможностью дифференцированной очистки после каждой промышленной операции для рекуперации ценных компонентов с последующим объединением в общий замкнутый цикл водоочистки. Практическая значимость исследования заключается в оптимальной структуре замкнутых систем водооборота производств с минимизацией сброса загрязненных технологических потоков воды в природные водоемы.

Гидрофобный глубокий эвтектический растворитель на основе ди(2,4,4-триметилпентил)фосфиновой кислоты и фенола был предложен в качестве экстрагента для выделения ряда ионов редкоземельных элементов из нитратных растворов. Получены экспериментальные данные межфазного распределения ионов Pr, Nd, Tb, Dy, Yb в системе ди(2,4,4-триметилпентил)фосфиновая кислота/фенол при варьировании ключевых условий проведения процесса: кислотности среды, концентрации высаливателя, соотношения компонентов в эвтектическом растворителе, концентрации металлов и др. В ходе исследования установлены механизм экстракции катионов редкоземельных металлов предложенным эвтектическим растворителем и состав экстрагируемых соединений методом угла наклона. Проведено исследование реэкстракции ионов металлов из органической фазы растворами минеральных кислот и оценена возможность многократного использования предложенного эвтектического растворителя в химико-технологических процессах. Полученные результаты указывают на перспективность применения глубокого эвтектического растворителя ди(2,4,4-триметилпентил)фосфиновая кислота/фенол для извлечения катионов редкоземельных металлов в процессах переработки отходов магнитных материалов.

Методом плазменного электролитического оксидирования на поверхности магниевого сплава МА8 сформирована пористая керамикоподобная матрица. Проведена функционализация поверхности гетерооксидного слоя путем формирования пленки из слоистых двойных гидроксидов. Предложено несколько методов интеркаляции образованных наноконтейнеров ингибитором коррозии (бензотриазолом). Изучены состав, морфология, коррозионное поведение и механизм самозалечивания сформированного покрытия.

Выполнен теоретический анализ влияния распределения локальной удельной скорости диссипации энергии на удельную поверхность контакта фаз, поверхностный и объемный коэффициенты массоотдачи в аппаратах с гетерофазными процессами и жидкой сплошной фазой, а также на качество смешения в аппаратах с гомофазными реакциями в жидкой фазе. Показано, что среднее по объему аппарата значение удельной скорости диссипации энергии не является полноценным критерием для оценки полезного эффекта, поскольку не учитывает, с одной стороны, локальный уровень диссипации энергии в активных зонах, с другой стороны, особенности структуры потоков и локальное время пребывания в активных зонах, в зависимости от геометрии аппарата и способа ввода в него энергии. Обсуждаются предельные случаи: неравномерное распределение энергии при наличии небольшой зоны объема с высокой скоростью диссипации; идеально равномерное распределение энергии по всему объему аппарата. В первом случае существенная часть объема используется неэффективно, во втором случае затрачивается чрезмерное количество энергии. В связи с этим рассматриваются концепции дозированного распределенного ввода энергии для длительных процессов и максимальной концентрации энергии в микрообъеме для быстропротекающих процессов.

При добыче и низкотемпературной подготовке природного газа к транспорту образуются водно-метанольные растворы в концентрациях 30…60 мас. %. Высокая эффективность извлечения из них метанола и, таким образом, снижение эксплуатационных затрат на обработку промышленных стоков могут быть достигнуты применением процессов десорбции. В настоящей работе рассмотрены физико-химические основы технологического процесса десорбции метанола из водно-метанольных растворов при подготовке природного газа к транспорту. Для этого было изучено фазовое поведение трехкомпонентной смеси, состоящей из метана, метанола и воды. Исследовано влияние основных факторов, оказывающих влияние на процесс десорбции метанола из водно-метанольного раствора газом первичной сепарации: температура, давление, расход и концентрация метанола в потоке орошения, а также конфигурация блока низкотемпературной сепарации. Показано, что десорбция в составе установок подготовки газа к транспорту проводится в области условий, являющихся неоптимальными с точки зрения технологического процесса. Это вызвано тем, что рассматриваемый процесс является вспомогательным по отношению к низкотемпературной подготовке добываемой пластовой продукции. Приведены рекомендации по оптимизации работы действующих установок подготовки газа и по конфигурации перспективных объектов подготовки газа.