Введение к работе
Актуальность работы. Промышленная химическая переработка значительной части твердых горючих ископаемых (ТГИ), в том числе и торфа, неразрывно связана с процессами их термических превращений. Интенсификация существующих процессов, а тем более разработка принципиально новых технологий не могут быть осуществлены без исследования кинетики и механизма термической деструкции.
Изучение химических и физико-химических особенностей термической деструкции торфа представляет собой не только важную, но и необычайно сложную проблему. Сложность заключается в том, что при термической деструкции торфа протекает множество самых разнообразных реакций с образованием многочисленных газообразных, жидких и твердых продуктов. Сильное влияние на процесс оказывает пространственное расположение функциональных групп, конформация отдельных структурных фрагментов, условия нагрева, размер частиц и т.д. При относительно хорошем уровне описания закономерностей выхода продуктов термического разложения, влияния сырья и т.п., химизм процесса, его физико-химические особенности изучены недостаточно.
Возможности применения традиционных методов физико-химического анализа для реакций термолиза сильно ограничены. В этой связи целесообразно выявить характерные химические и физико-химические закономерности термолиза твердых горючих ископаемых с целью создания физико-химических моделей этого процесса на основе методов математического моделирования.
Работа выполнена в рамках госбюджетной НИР 5.12 «Изучение физико-химических закономерностей процессов переработки горючих ископаемых с применением метода математического моделирования».
Цель работы заключается в разработке математической модели кинетики низкотемпературного термолиза торфа. В соответствии с этим были поставлены и решены следующие задачи:
идентификация функционального состава групповых компонентов торфа по данным физико-химических методов исследования;
разработка кинетической схемы взаимных превращений функциональных псевдокомпонентов при термолизе торфа;
термодинамическая оценка возможности протекания реакций термолиза;
расчет кинетических параметров реакций термолиза;
разработка математической модели кинетики термолиза;
корректировка кинетических параметров при решении обратной кинетической задачи.
Научная новизна. Предложен метод исследования физико-химических закономерностей термолиза твердых горючих ископаемых на примере термолиза осокового торфа. Предложена и обоснована схема реакций термолиза функциональных псевдокомпонентов торфа. Разработан алгоритм и компьютерная программа определения концентраций функциональных псевдокомпонентов по данным физико-химических методов исследований. Рассчитаны термодинамические параметры реакций и термодинамически обоснован механизм термолиза. Составлена математическая модель кинетики, учитывающая изменение группового и функционального состава твердого остатка торфа. Оценены и скорректированы при решении обратной кинетической задачи кинетические параметры модели кинетики. Составлены компьютерные программы оценки термодинамических и кинетических параметров реакций термолиза, а также компьютерная программа кинетики термолиза торфа. Показано, что разработанный метод моделирования физико-химических закономерностей может быть использован для исследования термолиза сложных веществ органического происхождения (торф, бурый уголь и др.).
Научная и практическая ценность. Проведение экспериментов по изучению закономерностей термолиза торфа требует больших затрат времени и средств. Использование математических моделей позволило существенно сократить эти затраты. В результате чего были рассчитаны изменения группового и функционального состава осокового торфа и группового состава пушицево-сфагнового и осоково-гипнового торфов в ходе термолиза. Определены режимы термохимического обогащения для ряда наиболее встречаемых торфов Западной Сибири. Расчеты выполнены в рамках госбюджетной НИР 5.12 «Изучение физико-химических закономерностей процессов переработки горючих ископаемых с применением
метода математического моделирования». Результаты работы предлагается использовать для описания процессов, протекающих при термолизе других твердых горючих ископаемых и сложных веществ органического происхождения, а также трансформации растительных остатков в процессе торфообразования. Положения, выносимые на защиту.
-
Метод математического моделирования закономерностей изменения концентраций функциональных псевдокомпонентов торфа в ходе термолиза при использовании экспериментальных данных физико-химических методов анализа и расчетных методов;
-
Разработанные алгоритмы и компьютерные программы, реализующие комплекс последовательных шагов, необходимых для обобщенного описания процесса термической деструкции торфа в области исследуемых температур (интерпретация ИК и ЯМР спектров, оценка термодинамической вероятности реакций, расчет кинетических параметров, кинетическая модель, корректировка кинетических параметров);
-
Полученные в результате расчета данные позволяют получить научно обоснованную информацию о реальных процессах, происходящих в ходе термолиза групповых составляющих торфа.
Апробация работы. Основные материалы работы доложены и обсуждались на:
Региональной научно-практической конференции (Томск, 1994 г.);
Научно-практической конференции, посвященной 100-летию ТПУ (Томск, 1996 г.);
2-ом Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ-96) (Новосибирск, 1996 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ и зарегистрировано две программы.
Объем работы. Диссертация изложена на 165 страницах машинописного текста, включает 31 рисунок и 38 таблиц и состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, содержащего 176 наименований.