Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в химической технологии все более широкое распространение находят методы физического воздействия на технологические среды с целью повышения энергетической эффективности различных химических процессов, в частности, использование сверхвысокочастотного электромагнитного излучения (СВЧ ЭМИ). Применение СВЧ ЭМИ в химической технологии ограничено рядом факторов, одним из которых является неполное исследование влияния электромагнитного излучения на интенсификацию химических процессов, а также, недостаточностью методов расчета реакционных устройств для химических процессов, протекающих под воздействием СВЧ ЭМИ. В последнее время изучаются процессы и создаются технологические установки для проведения химических превращений под действием СВЧ ЭМИ. Результатом исследований, которые проводились ранее, явилось изыскание способов и создание реакционных устройств (электродинамических реакторов) для интенсификации реакций гетерофазного катализа углеводородов под действием СВЧ ЭМИ.
Научный и практический интерес представляет изучение таких распространенных реакций гетерофазного катализа, протекающих под действием СВЧ ЭМИ, как дегидрирование углеводородов, на примере реакций дегидрирования бутенов, использующихся в производстве мономеров синтетического каучука, а также и реакций присоединения (например, гидрирования пиперилена), которые применяются для получения изоамиленов в синтезе изопрена, для получения топливных присадок и т.д.
Для осуществления данных процессов в электродинамических каталитических реакторах с достаточно высокими выходами целевых продуктов требуется разработка математической модели процесса и методов расчета конструктивных параметров электродинамических реакторов для исследуемых процессов дегидрирования бутенов и гидрирования пиперилена, что является актуальной научной проблемой и значимой практической задачей.
Цель и задачи работы. Целью диссертационного исследования является разработка математической модели и методов расчета электродинамических каталитических реакторов для типичных промышленных процессов дегидрирования и гидрирования малотоннажного химического производства.
Поставленная цель исследования предполагает решение следующих основных задач:
изучение процессов дегидрирования бутенов и гидрирования пиперилена для выявления особенностей взаимодействия ЭМИ с технологическими средами;
создание математической модели и выявление зависимости конструктивных параметров каталитических реакторов от характеристик СВЧ ЭМ излучения (в первую очередь - мощности), используемого в качестве энергоносителя, и определение зон проведения реакций для реализации оптимальных по энергозатратам режимов организации технологических процессов;
разработка систем управления температурными режимами электродинамического реактора с учетом характеристик процессов дегидрирования бутенов и гидрирования пиперилена в СВЧ поле.
Научная новизна
Для процессов дегидрирования бутенов и гидрирования пиперилена разработаны математическая модель и метод расчета электродинамических реакторов на основе уравнений термодинамики и тепло-массообмена, позволяющие определять оптимальные по энергозатратам условия для проведения химических синтезов в СВЧ поле с учетом обратной экспоненциальной зависимости объемной мощности тепловых источников по высоте реактора.
Создана методика определения положения и размеров зон реакций дегидрирования бутенов и гидрирования пиперилена в электродинамических каталитических реакторах в слое катализатора.
На основании разработанной математической модели предложена система управления температурными режимами электродинамического каталитического реактора с использованием методов нечеткой логики для управления технологическими процессами дегидрирования бутенов и гидрирования пиперилена с учетом специфики проведения химических превращений под воздействием СВЧ ЭМИ.
Практическая значимость. Имитационно-моделирующий комплекс (ИМК) «Дегидрирование бутенов в электродинамической установке», разработанный на основе математической модели, представленной в данной работе, внедрен в качестве компьютерного тренажера в ОАО «КАУСТИК» (г. Стерлитамак). Также ИМК и подсистемы поддержки принятия решений по обеспечению промышленной безо-
пасности процессов дегидрирования бутенов и гидрирования пиперилена в электродинамических реакторах используются в учебном процессе УГНТУ в работе со студентами специальностей 240401 «Химическая технология органических веществ», 280201 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», 240801 «Машины и аппараты химических производств».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования доложены на Международной научно-технической конференции «Экологические проблемы промышленных зон Урала» (Магнитогорск, 1998г.), Межрегиональной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2001» (Ухта, 2001г.), Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы химии, химической технологии и экологической безопасности» (Стерлитамак, 2004г.), Международной научно-практической конференции «Нефтепереработка и нефтехимия-2005» (Уфа, 2005г.), Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы химической технологии и подготовки кадров» (Стерлитамак, 2006), Региональной научно-практической конференции «Технология, автоматизация, оборудование и экология промышленных предприятий» (Уфа, 2008), ХШ Международной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений» (V Кирпичниковские чтения) (Казань, 2009), Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы управления и автоматизации технологических процессов и производств» (Уфа, 2010 г.), Международной научно-практической конференции «Нефтегазопереработка-2011» (Уфа, 2011 г.).
Публикации. По диссертации опубликовано 20 работ, в том числе 5 статей в изданиях, входящих в перечень ВАК, 12 - в сборниках научных трудов и материалах конференций, получено 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений; изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков, 30 таблиц, библиография включает 115 наименований.
Автор выражает глубокую признательность доктору технических наук, профессору Н.А. Самойлову за ценные советы и замечания.
