Том 57, № 2 (2023)

Изучена кинетика реакций селективного гидрирования ацетиленовых углеводородов в этан-этиленовой и пропан-пропиленовой фракциях (ЭЭФ и ППФ) пирогаза на полиметаллическом никелевом катализаторе, промотированном металлами I, III, IV и VI групп Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Размеры цилиндрических гранул, используемых в каталитических исследованиях – диаметр 2 мм, длина 10 мм. Содержание никеля в катализаторе менее 32 мас. %. Кинетические опыты проводили в лабораторном проточном реакторе диаметром 2 см с длиной реакционной зоны 20 см и стендовом реакторе с внутренним диаметром трубки 3.2 см и длиной реакционной зоны 600 см. При проведении опытов варьировали объемной скоростью сырьевого потока 2000–42 000 ч^–1, температурой реакционной зоны 330–410 К, давлением 1–30 атм, мольным отношением водород : ацетиленовые углеводороды 2–10. Предложен стадийный двухмаршрутный механизм протекания реакции гидрирования ацетиленовых углеводородов и выведена соответствующая ему кинетическая модель. Всего поставлено 80 опытов на лабораторной и стендовой установках. Нелинейным методом наименьших квадратов оценены константы кинетической модели и макрокинетические константы модели стендового реактора. Показано соответствие предложенных моделей результатам эксперимента. Доказана возможность совместной очистки ЭЭФ и ППФ пирогаза в одном реакторе при приросте олефинов в продуктовом потоке по сравнению с сырьевым потоком.

Рассмотрена экстрактивная ректификация трех бинарных смесей (ацетон–хлороформ, ацетон–метанол, аллиловый спирт–аллилацетат) в традиционных двухколонных схемах и в комплексах с частично связанными тепловыми и материальными потоками. Определены оптимальные по критерию суммарных энергетических затрат в кипятильниках колонн параметры схем. Показано, что применение комплексов с частично связанными тепловыми и материальными потоками обеспечивает экономию энергозатрат по сравнению с традиционной схемой на 4.4–29.2%. Выявлено, что при экстрактивной ректификации смеси аллиловый спирт–аллилацетат оптимальное значение расхода экстрактивного агента для двухколонной схемы и комплекса с частично связанными тепловыми и материальными потоками совпадает; оптимальный расход экстрактивного агента в комплексе с частично связанными тепловыми и материальными потоками при разделении смеси ацетон–хлороформ в 1.28 раза ниже, а при разделении смеси ацетон–метанол – в 1.27 раза выше, чем в двухколонной схеме. Установлены причины этого различия.

Исследуется задача извлечения целевого компонента из цилиндрической поры. Решение этой задачи положено в основу математической модели массопереноса в пористой среде. Предложенная модель применима для описания ряда процессов, в частности, экстрагирования и промывки осадков. Приведены графические иллюстрации, поясняющие протекание процесса промывки в рамках предложенной модели.

Мы представляем основанную на данных суррогатную модель химической кинетики окисления водорода воздухом с использованием рекуррентных нейронных сетей и нейронных сетей с прямой связью. Потенциальным применением работы является использование машинного обучения в решении уравнений аэрогидродинамики, что необходимо в разработке и оптимизации современных химических технологий. Анализируется чувствительность результатов к размеру набора данных и параметрам сети. Показано что нейронные сети значительно превосходят по скорости расчета прямое численное решение кинетических уравнений, в зависимости от постановки задачи и числа начальных условий, для которых одновременно предсказываются результаты. Для семикомпонентного реакционного механизма в адиабатической системе, обученная на выборке из одного миллиона начальных условий модель позволила предсказать зависимости концентраций и температуры от времени на интервале в 20 микросекунд со среднеквадратичным отклонением, не превышающим 2%. Однако были выявлены и точки с большими отклонениями, достигающими 10%, прежде всего для компонентов, концентрации которых малы. Результаты работы продемонстрировали значительный потенциал методов машинного обучения для моделирования химических превращений в решателях вычислительной аэрогидродинамики. Ресурсами увеличения точности являются: (а) раздельное моделирование краткосрочной и долгосрочной динамики; (б) повторная оптимизация параметров сети даже при незначительных модификациях реакционного механизма; (в) разработка более универсальных подходов для соблюдения законов сохранения; (г) применение физически информированного машинного обучения.

Перемешивание является одним из наиболее распространенных процессов в различных отраслях химической промышленности: пищевой, строительной, нефтеперерабатывающей, фармакологической и других. Повышение интенсивности перемешивания может быть достигнуто путем изменения скорости или направления движения рабочего органа, что подтверждается исследованиями отечественных и зарубежных авторов. В настоящей работе рассматривается планетарный привод перемешивающего устройства, позволяющий реализовать различные виды неравномерного движения рабочего органа. Преимуществами предлагаемого механизма перед существующими аналогами являются компактность, надежность, а также простота настройки коэффициента неравномерности вращения мешалки. На базе лабораторного реактора IKA сконструирована экспериментальная установка, с помощью которой проведены сравнительные испытания интенсивности теплообмена в традиционном перемешивающем устройства с постоянной частотой вращения и с использованием предложенного планетарного механизма. В результате эксперимента установлено, что сообщение рабочему органу неравномерного движения позволяет сократить время перемешивания, а также повысить энергоэффективность аппарата.