Теоретические основы химической технологии, 2024, № 3
научный журнал
Покупка
Новинка
Тематика:
Химическая промышленность
Издательство:
Наименование: Теоретические основы химической технологии
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 144
Дополнительно
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Российская академия наук ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ Том 58 № 3 2024 Май–Июнь Основан в 1967 г. Выходит 6 раз в год Москва, «Наука» ISSN: 0040-3571 Главный редактор А.А. Вошкин Журнал издается под руководством Отделения химии и наук о материалах РАН Редакционная коллегия: Р.Ш. Абиев, П.В. Акулич (Белоруссия), В.М. Барабаш, И. Гроссман (США), В. Дови (Италия), И. Драгош (Чешская Республика), Ю.А. Заходяева (ответственный секретарь) Н.Н. Зиятдинов, А.В. Клинов, Н. Кохманн (Германия), И.В. Мелихов, Н.В. Меньшутина, В.П. Мешалкин (заместитель главного редактора), Д.Ю. Мурзин (Финляндия), Г.А. Петухова, Б.Г. Покусаев, А.Д. Полянин, Л.В. Равичев, Б. Саха (Великобритания), А.В. Тимошенко, Л.Л. Товажнянский (Украина), А.К. Фролкова, Т.В. Челюскина Заведующий редакцией А.В. Кисель Адрес редакции: 119991, ГСП-1 Москва, Ленинский проспект, 31 Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН Тел. (495) 775-65-85, e-mail:j.toht@igic.ras.ru Тематика журнала: явления переноса; поверхностные явления; процессы разделения смесей; теория и методы расчета химических реакторов; совмещенные процессы и многофункциональные реакторы; гидромеханические, тепловые, диффузионные, химические процессы и аппараты; мембранные процессы и реакторы; биотехнология; дисперсные системы; нанотехнология; интенсификация процессов; информационное моделирование и анализ; техноэкономический анализ; энерго- и ресурсосберегающие, экологически чистые процессы и производства. Москва ФГБУ «Издательство «Наука» © Российская академия наук, 2024 © Редколлегия журнала «Теоретические основы химической технмогии» (составитель), 2024
СОДЕРЖАНИЕ Том 58, номер 3, 2024 XXV Международная конференция по химическим реакторам ХимРеактор-25 А. С. Носков, А. Н. Загоруйко, Р. Ш. Абиев 265 Технология получения изофорона в микрофлюидном реакторе Х. Г. Кук, М. В. Шишанов, К. А. Досов, Д. В. Яшунин, И. А. Большаков, Н. В. Морозов 269 Экспериментальное исследование гидродинамики и массообмена в микроканалах для проектирования микрореакторов и микроэкстракторов А. А. Ягодницына, А. В. Ковалев, А. В. Бильский 278 Двухуровневое моделирование кинетики фазообразования при синтезе композита из порошков Ti-Al-Fe2O3 в 3D-технологии А. Г. Князева, О. Н. Крюкова 292 Подходы к описанию состава и свойств вакуумного газойля для построения математических моделей процессов глубокой переработки нефти Е. Н. Ивашкина, Г. Ю. Назарова, А. Ю. Дементьев, В. А. Чузлов, Д. Ю. Сладков, Е. Р. Самойлов, М. С. Григораш 303 Разработка математической модели процесса гидроочистки вакуумного газойля с учетом кинетических закономерностей реакций десульфирования и деазотирования Н. И. Кривцова, Н. Н. Герасимова, К.Н. Туралин, Е.Б. Кривцов, Д. О. Судаков 316 Оптимальные режимы реакторов для блочной полимеризации изопрена Ю. П. Юленец, А. В. Марков 329 Теоретико-экспериментальный анализ гранулирования во взвешенном слое растворов диаммониевых солей серной кислоты О. М. Флисюк, Н. А. Марцулевич, В. П. Мешалкин, И. Г. Лихачев 340 Гидрофобные эвтектические растворители на основе спиртов и камфоры в экстракции Fe(III) из солянокислых растворов А. В. Кожевникова, И. В. Зиновьева, Ю. А. Заходяева, А. А. Вошкин 347 Исследование микронизации фавипиравира с помощью процесса быстрого расширения сверхкритического раствора П. Ю. Цыганков, А. Ю. Кислинская, Е. А. Пашкин, Н. В. Меньшутина 356 Модели Навье–Стокса и Дарси–Бринкмана для синтеза микронных частиц магний-цинкового феррита А. А. Марков 367
Локализация паров иодида цезия на керамических блочно-ячеистых контактных элементах в среде азота М. Д. Гаспарян, В. Н. Грунский, Ю. С. Мочалов, Л. П. Суханов, А. В. Титов, С. В. Тищенко, Е. О. Обухов 382 Интеграция турбодетандеров в реакторные блоки процессов дегидрирования легких алканов А. В. Утемов, А. Н. Матвеева, Е. В. Сладковская, Д. Ю. Мурзин, Д. А. Сладковский 391
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2024, том 58, № 3, с. 265–268 XXV МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ХИМИЧЕСКИМ РЕАКТОРАМ ХИМРЕАКТОР-25 Конференция ХимРеактор – уникальный современный форум для продуктивного общения между представителями академической, вузовской и корпоративной науки, промышленности, инновационной сферы и власти с целью обмена информацией и построения эффективных механизмов трансфера разработок и технологий из науки в отечественную практику, формулировок актуальных прикладных и фундаментальных научных задач, публичного позиционирования отечественных высокотехнологичных компаний в условиях возросших потребностей в сфере высокотехнологичного конкурентоспособного импортозамещения. История конференции насчитывает уже 60 лет, ее традиционным организатором является Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН. За последние 30 лет конференция ХимРеактор сформировалась как международное научное событие высокого уровня. В среднем в каждом таком мероприятии принимали участие 200−250 ученых и технических специалистов из 30−40 стран мира. Оператором форума выступил Западно-Сибирский межрегиональный научно-образовательный центр мирового уровня (ЗапСибНОЦ, г. Тюмень). В число организаторов конференции вошли Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН (Новосибирск) и Тюменский государственный университет, который сейчас активно развивает исследования в области катализа и инжиниринга каталитических процессов. Председателями конференции ХимРеактор-25 выступили член-корр. РАН, д.т.н., профессор А.С. Носков (Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН) и генеральный директор Западно-Сибирского межрегионального научно-образовательного центра Д.В. Неустроев. Научный комитет форума возглавил председатель СО РАН академик В.Н. Пармон, Программный комитет – д.т.н. А.Н. Загоруйко (Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН), заместителем председателя Программного комитета выступил директор Школы естественных наук ТюмГУ к.х.н. А.В. Елышев. Впервые в рамках руководящих органов конференции был создан Научно-индустриальный комитет (НИК), в который вошли высококвалифицированные представители промышленных компаний и бизнес-сообщества, имеющие опыт успешной работы в сфере разработки и коммерциализации новых технологий в области нефтепереработки, нефтегазохимии и химической промышленности. Работу комитета возглавил заместитель губернатора Тюменской области А.В. Райдер. Оранжевым цветом показаны страны, представители которых участвовали в конференциях ХимРеактор в 1996–2021 гг. Очередное мероприятие этой серии, ХимРеактор-25, было проведено в Тюмени в октябре 2023 г. Такой выбор был вполне логичен, ведь Тюменская область известна как регион с мощной промышленностью в области нефтехимии, газохимии и переработки углеводородов, а также активно развивающейся наукой и образованием в сфере химической технологии. 265
НОСКОВ и др. мембранные реакторы, микрореакторы, концепции реакторов, вдохновленные природой, модульные конструкции реакторов для многоцелевого использования и пр.). Вместе с авторами заочных докладов в конференции ХимРеактор-25 приняли участие 230 человек. На конференции собрались представители всех крупнейших научных, образовательных и промышленных центров РФ из 28 городов РФ, буквально от Калининграда до Владивостока, также были представлены доклады ученых из Мексики, Великобритании, Нидерландов, Китая, Таджикистана и Казахстана. Научная программа конференции ХимРеактор-25, представленная на заседаниях четырех секций, фокусировалась на следующих научных направлениях: 1. Развитие теоретических основ процессов в химических реакторах: • Инжиниринг химических реакций, основанный на фундаментальных принципах. • Кинетика химических реакций. • Энерго- и массообмен в химических реакторах. • Основы гидродинамики и течения реакционных потоков в химических реакторах. • Разработка химических процессов и проектирование реакторов – новые экспериментальные подходы, моделирование, масштабирование и оптимизация. • Интенсификация технологических процессов и многофункциональные реакторы (совмещенные реакционно-массообменные процессы, реакторы с микроволновым / индукционным нагревом, ультразвуковые реакторы, нестационарные и сорбционно-каталитические процессы в химических реакторах и пр.). • Промышленная безопасность при проектировании и эксплуатации реактора. 3. Химические реакторы и технологии для целевых приложений: • Современные вызовы и направления развития инжиниринга химических реакторов. • Охрана окружающей среды и утилизация отходов. • Реакторы и катализаторы для получения полимеров и других новых материалов с заданными свойствами. • Математическое моделирование: многомасштабные аналитические и вычислительные исследования химических реакторов. • Современные информационные технологии в применении к разработке катализаторов, химических и каталитических реакторов (искусственный интеллект, нейронные сети, машинное обучение, большие данные). 2. Разработка химических реакторов и технологических схем реакционных процессов: • Новые конструкции химических реакторов (структурированные катализаторы и реакторы, ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ том 58 № 3 2024
XXV МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ... 267 • Реакторы и катализаторы для переработки биомассы и возобновляемого сырья в ценные химические вещества. • Инжиниринг биохимических, электрохимических и фотохимических реакций. • Реакторы, катализаторы и технологии для получения наноструктурированных углеродных материалов. • Улавливание и утилизация CO2. 4. Новые реакторы и технологии для приложений в топливно-энергетической сфере: • Реакторы, катализаторы и новые технологии для производства топлив из традиционного, нетрадиционного и возобновляемого сырья (включая новые реакторы и технологии для переработки попутного нефтяного газа и газового конденсата, переработки нефти и природного газа). • Реакторы, катализаторы и технологии для гидрогенизационной переработки углеводородного сырья. • Перспективные реакторы, катализаторы и технологии для производства водорода. • Реакторы, катализаторы и процессы для производства, преобразования и хранения энергии. • Топливные элементы. • Солнечные химические реакторы. Одной из главных традиций конференции ХимРеактор является представление почетной пленарной лекции, посвященной ее основателю, члену-корреспонденту РАН, д.х.н., профессору Михаилу Гавриловичу Слинько. На прошедшей конференции по решению Научного комитета почетную пленарную лекцию памяти М.Г. Слинько “Математическое моделирование гидропроцессов нефтепереработки” представил член-корреспондент РАН, д.т.н., профессор А.С. Носков (Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Новосибирск, Россия). Пленарная сессия также включала доклады: • академика РАН, д.э.н., профессора В.А. Крюкова “Нефтегазохимическая промышленность России – от отдельных проектов к их взаимодополняемости в рамках цепочек создания социальной ценности”; • академика РАН, д.ф.-м.н., профессора РАН Д.М. Марковича (Новосибирск, Россия) “Управление процессами тепломассообмена в реакторах для химических и энергетических технологий”; • члена-корреспондента РАН, д.х.н., профессора РАН А.Л. Максимова (Москва, Россия) “Реакторные системы chemical looping для каталитических процессов”; • профессора Х. Анчейта, Мексиканский институт нефти (Мехико, Мексика) “Методика корректной оценки кинетических параметров в сложных реакционных системах”; • профессора Е.В. Реброва, Университет Уорик, Ковентри (графство Уэст-Мидлендс, Великобритания), Технический университет Эйндховена (Эйндховен, Нидерланды) “Электрификация химических реакторов неокислительной конверсии метана”. В рамках научной программы конференции были также представлены следующие ключевые лекции: • к.ф.-м.н. А.Н. Гребенников, Российский федеральный ядерный центр – Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, Саров, Нижегородская область, Россия – “Развитие отечественных суперкомпьютерных технологий в РФЯЦ-ВНИИЭФ”; • к.ф.-м.н. И.Г. Низовцева, Уральский федеральный университет, Екатеринбург, НПО Биосинтез, Москва, Россия – “Газовая ферментация – технология, меняющая правила игры. От молекулярной инженерии до биореакторов, моделирование и оптимизация процессов и аппаратов”; • к.х.н. М.О. Казаков, Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Новосибирск, Россия – “Современные процессы и катализаторы гидрокрекинга вакуумных дистиллятов”; • д.х.н. Ю.П. Зайков, Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН, Екатеринбург, Россия – “Достижения современной высокотемпературной электрохимии в атомной и водородной энергетике. Технологии и оборудование”; • к.т.н. И.И. Салахов Ильдар Ильгизович, СИБУР Центр синтеза полиолефинов, Тобольск, Тюменская область, Россия – “Газофазные процессы получения полиэтилена: современные тренды развития, технологии и реактора”. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ том 58 № 3 2024
НОСКОВ и др. в химической и топливно-энергетической сферах”, на котором обсуждалась инновационная деятельность, направленная на использование и коммерциализацию результатов научных исследований и разработок с последующим их внедрением, реализацией на рынках. Модераторами Круглого стола выступили д.т.н. А.В. Клейменов (ПАО “Газпром нефть”, Санкт-Петербург) и д.т.н. А.Н. Загоруйко (Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Новосибирск). Следующая конференция по химическим реакторам – “ХимРеактор XXVI” планируется в 2025 г., а место ее проведения еще предстоит выбрать на конкурсной основе Научному комитету конференции. Доклады, представленные на конференции ХимРеактор-25 и прошедшие строгий конференционный и журнальный отбор, публикуются в настоящем специальном выпуске журнала “Теоретические основы химической технологии”. А.С. Носков А.Н. Загоруйко Р.Ш. Абиев С.В. Албаут, фото Кроме того, было представлено 78 устных и 69 стендовых докладов. Ярким событием программы конференции стало проведение Круглого стола “Эффективное взаимодействие науки и практики как основа достижения технологического суверенитета ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ том 58 № 3 2024
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2024, том 58, № 3, с. 269–277 УДК 621.039.53 ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОФОРОНА В МИКРОФЛЮИДНОМ РЕАКТОРЕ © 2024 г. Х. Г. Кук, М. В. Шишанов, К. А. Досов, Д. В. Яшунин, И. А. Большаков, Н. В. Морозов ФГБОУ ВО “Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева”, Передовая инженерная школа химического инжиниринга и машиностроения, Москва Поступила в редакцию 18.12.2023 г. После доработки 01.07.2024 г. Принята к публикации 07.07.2024 г. Статья посвящена исследованию микрофлюидных технологий и областей их применения. Микрофлюидные технологии – это перспективная отрасль, позволяющая достичь повышенную селективность реагентов и обеспечить безопасный и хорошо интенсифицируемый процесс. Реакторы такого типа используются в специальной химии и для инженерных разработок. Цель данной работы: разработка проточного микрофлюидного реактора на основе кинетики изофорона из ацетона в щелочной среде. Наши методы: в качестве среды для численного моделирования и расчета использовалась программа Comsol Myltiphysics. Ранее данная программа уже применялась для моделирования микрочипов и имеет специализированные модули, направленные на подобные расчеты. В рамках текущей статьи предложен метод для разработки микрофлюидных чипов под конкретную реакцию с применением программ вычислительного моделирования, основываясь на кинетических и геометрических параметрах. Результаты данной работы: определено количество микромиксеров, необходимое для полного смешения реагентов, и длина канала, обуславливающая полное протекание реакции. Приведены основные геометрические параметры рассчитываемой модели. Проведено сравнение результатов расчетов и полученных экспериментальных данных. Ключевые слова: микрочип, реакция изофорона, кинетика изофорона, микрореатор, микромиксер, вычислительная гидродинамика, пластинчатый микрореатор, методы расчета микрореаторов DOI: 10.31857/S0040357124030023 EDN: BWMYEA ВВЕДЕНИЕ Технология применения микропроточных реакторов получила широкое распространение в различных областях промышленности и науки. Наиболее часто она используется в малотоннажной и специальной химии, биохимии, при работе с радиоактивными веществами, а также для инженерно-исследовательской деятельности. Основным преимуществом таких микрореакторов является повышенная безопасность и управляемость процесса. Такие процессы легко интенсифицировать. Более того, технологическая линия, в которой применяются микрореакторные системы, обеспечивает непрерывную работу, что в совокупности с другими факторами позволяет заменить несколько стандартных емкостных реакторов. Помимо всего вышеперечисленного, микрореактор способен обеспечить изотермический режим, что очень важно для многих типов реакций. В рамках данной статьи рассмотрена реакция получения изофорона в щелочной среде. Изофорон является важным промышленным химическим веществом, применяемым в чернилах, красках, лаках, клеях, виниловых смолах, сополимерах, для получения пестицидов и т.д. Он также используется в качестве промежуточного химического вещества для органического синтеза. Изофорон промышленно производится [1] путем конденсации ацетона с щелочным катализатором при высоких температурах и давлениях. Альдольная конденсация ацетона – это комплексная реакция [2–3] с применением следующего сырья: ацетон, вода и гидроксидный катализатор; в результате реакции получают несколько промежуточных продуктов (диацетоновый спирт, мезитилоксид) и побочные продукты (оксилитон и тяжелые соединения) и целевой продукт реакции – изофорон [4]. Конденсация ацетона для производства изофорона может быть коммерчески осуществимой, если специфичность реакции контролируется для достижения высокой селективности по про269
КУК, ШИШАНОВ стабилизации, что достигается в результате увеличения вектора скорости на плоскости стенок проточной части канала. 4 1 5 2 3 Рис. 1. Эскиз выбранной геометрии проточной части (1, 2 – входы реагентов, 3 – миксерная зона, 4 – реакционный канал, 5 – выход продукта). дуктам химического процесса с учетом стехиометрии реакции. Одним из основных показателей работы установки по производству изофорона является селективность расходуемого ацетона на производство изофорона. Селективность исходных реагентов зависит от температуры, давления, концентрации реагирующих веществ, гидродинамического режима. Микрофлюидика за счет своих основных преимуществ может позволить увеличить селективность, вплоть до 10–15% [5]. Цель настоящего исследования – подбор оптимальной геометрии проточной части микрофлюидного реактора для обеспечения высокой контролируемости процесса альдольной конденсации ацетона. Аналогичные исследования уже проводились для других реакций [6]. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: • Выбор основной конструкции проточной части реактора – геометрии канала пластинчатого микрореактора, включающего в себя миксерную и реакционную зоны. • Определение основных гидродинамических параметров миксерных ячеек, а также выбор критерия оптимального смешения. • В рамках реализации каскадного исполнения выбор количества микромиксеров, являющегося минимально достаточным для успешного смешения реагентов. • С помощью полученных ранее кинетических данных процесса численно промоделировать реакцию получения изофорона во всей проточной части реактора. • Определение основных гидродинамических параметров проточной части микрореактора. • На основании полученных раннее данных выбор необходимой длины реакционного канала, определение зависимости длины канала от выхода изофорона. • Проверка теоретических расчетов на основании экспериментальных данных. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ На рис. 1 приведены геометрические параметры миксерной зоны. Для улучшения эффективности реакторной пластины и удешевления металлообработки необходимо определить минимально достаточное для полного перемешивания компонентов количество ячеек. В связи с этим была смоделирована система “жидкость–жидкость”, а именно “ацетон–вода” в программе Comsol Multiphysics. Количество ячеек в миксерной зоне определяли следующим образом. Использовали магнитную мешалку с минимальным количеством оборотов, что эквивалентно эффективности перемешивания в смесительной ячейке. Проводили гомогенизацию двухфазной системы “ацетон–вода” в щелочной среде. В программе вычислительного моделирования определяли время пребывания реакционной среды в различном количестве ячеек. Время перемешивания в магнитной мешалке варьировали эквивалентно расчетным данным. Далее определяли вязкость смеси на капиллярном вискозиметре ВПЖ-2. По достижении необходимой вязкости перемешивание считали законченным. Для моделирования использовалась теоретическая кинетика, рассчитанная по справочным данным значений энергии активации и предэкспоненциального множителя [9, 10]. Процесс получения изофорона состоит из следующих стадий: цепочка реакций инициируется конденсацией двух молекул ацетона (C H O 3 6 ) с образованием диацетонового спирта (C H O 6 12 2 ): 2 1 2 1 3 6 6 12 2 C H O k k C H O R ( ) В качестве материала для исследования была использована геометрия пластинчатого реактора, аналогичная масштабируемой микрореакторной технологии [7]. Цилиндрические ячейки такого типа показали наибольшую эффективность для перемешивания исходных компонентов по сравнению с другими вариациями миксерных зон [8]. Основной механизм перемешивания заключается в создании встречных потоков внутри ячейки, их закручивании и деТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ том 58 № 3 2024
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОФОРОНА... 271 14.5 14 13.5 13 12.5 12 11.5 re.c_C H O 3 6 re.c_H O 2 11 10.5 Концентрация (моль/м ) 3 10 9.5 9 8.5 0 20 40 60 80 100 Время (с) Рис. 2. Распределение концентраций ацетона и воды. Global 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 Концентрация (моль/м ) 3 0.05 re.c_C H O 6 12 2 re.c_C H O 6 10 re.c_C H O 9 14 0 0 20 40 60 80 100 Время (с) Рис. 3. Распределение концентраций изофорона, мезитилоксида и диацетонового спирта. Далее, ввиду каталитических условий (с использованием гидроксида калия: KOH в качестве катализатора) этот спирт быстро обезвоживается до мезитилоксида (C H O 6 10 ): ного дионофорона, который быстро циклизуется с образованием изофорона ( C H O 9 14 ) в двух изомерных формах, обозначенных и воды H2O: C H O C H O k C H O k 6 3 + + ( ) k C H O H O R 3 6 6 10 9 14 2 5 4 2 + ( ) k C H O H O R 6 12 2 6 10 2 3 Мезитилоксид может конденсироваться с ацетоном с образованием изофорона линейПерекрестная конденсация между различными кетонами – ацетоном и изофороном – приТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ том 58 № 3 2024