Vol 58, No 3 (2024)

Разработка проточных однофазных и двухфазных микрореакторов и микроэкстракторов требует информации о гидродинамике течений в таких устройствах: распределениях скорости и завихренности, эффективности перемешивания, режимах двухфазного течения и их влияния на коэффициент массообмена. В работе представлены исследования локальных гидродинамических характеристик течения и процессов массообмена в микроканалах Т-типа с применением экспериментальных панорамных оптических методик. Для однофазного проточного микрореактора измерены поля скорости и поля концентрации. Показана интенсификация перемешивания при переходе в “захватывающий” режим течения. Для двухфазных микрореакторов с различным набором несмешивающихся жидкостей визуализированы режимы течения, предложен безразмерный комплекс для обобщения экспериментальных данных. Показано, что нейросетевые алгоритмы, обученные на большой выборке, позволяют с высокой точностью (до 98%) предсказывать режимы течения. Исследован снарядный режим течения с наложением внешних пульсаций давления дисперсной фазы. Показано, что поле скорости внутри снаряда меняется периодически, что может быть использовано для интенсификации массопереноса. С помощью метода лазерно-индуцированной флуоресценции с микронным разрешением (micro-LIF) проведено исследование локального массообмена в двухфазном микроэкстракторе.

В данной работе представлены результаты определения состава вакуумного газойля – сырья процессов глубокой переработки нефти с помощью двумерной газовой хроматографии. Данные результаты являются основой для описания формализованного механизма превращений углеводородов высококипящих нефтяных фракций в процессах гидрокрекинга и каталитического крекинга. Установленный углеводородный состав использован при моделировании состава вакуумного газойля с помощью метода structure-oriented lumping, или структурно-ориентированного объединения. Составлены векторы приращений углеводородов, содержащихся в вакуумном газойле. Для данных векторов рассчитана нормальная температура кипения фракции. С помощью разработанного алгоритма воссоздан компонентный состав сырья второй ступени гидрокрекинга, согласно которому рассчитан его фракционный состав, погрешность расчета не превышает 4°С. На основе лабораторных и численных исследований составлены реакционные схемы процессов гидрокрекинга и каталитического крекинга вакуумного газойля. Выполненные исследования с использованием математической модели крекинга показали, что вовлечение в переработку смесевого сырья, содержащего 15% гача дистиллятного и 15% экстракта селективной очистки масел, позволяет увеличить производительность установки каталитического крекинга и обеспечивает благоприятный топливный режим ее работы.

Рассмотрены температурные режимы реакторов каталитического процесса блочной полимеризации изопрена – реакторов периодического действия с неподвижным тонким слоем реакционной смеси и каскада аппаратов форполимеризатор – реакторы с неподвижным слоем. Оптимальные температурные режимы определены из условия минимизации времени процесса при ограничениях на максимальную температуру полимеризации и допустимый перепад температур по высоте слоя. Методом вычислительного эксперимента определены оптимальные температурные режимы блочной полимеризации изопрена до конечной конверсии 90% применительно к двум различным вариантам аппаратурного оформления процесса. Оптимальный температурный режим реакторов с неподвижным слоем предусматривает однократное ступенчатое увеличение температуры хладагента в рубашке. Оптимальный режим полимеризации в каскаде реакторов предусматривает проведение процесса в две стадии – на первой стадии в реакторе с перемешиванием до конверсии 15%, на второй стадии в реакторах с неподвижным слоем при постоянной температуре хладагента в рубашке.

Предложены новые гидрофобные эвтектические растворители на основе линалоола, гераниола и камфоры в качестве экстрагентов для ионов Fe(III) из солянокислых растворов. Изучены температурные зависимости ключевых физических свойств предложенных эвтектических растворителей. Исследована экстракция ионов Fe(III) из водных растворов в зависимости от условий проведения процесса: кислотность среды, соотношение компонентов в эвтектическом растворителе, концентрация высаливателя и объемное соотношение фаз. При экстракции хлорида железа гидрофобными эвтектическими растворителями линалоол/камфора и гераниол/камфора в органической фазе образуются соединения состава (ROH₂)⁺[FeCl₄]^–. Добавление камфоры улучшает экстракционные свойства спиртов, при этом гераниол является наиболее эффективным экстрагентом, нежели линалоол. Реэкстракция ионов Fe(III) из органической фазы осуществляется дистиллированной водой без введения дополнительных реагентов.

Численно исследуются процессы тепло- и массопереноса в прямоточном реакторе при синтезе микронных частиц магний-цинкового феррита (МЦФ). Предлагается новая постановка задачи синтеза МЦФ методом горения углерода, учитывающая переменность проницаемости и пористости смеси частиц реагентов и продукта. Сопоставлены результаты расчетов с применением уравнений Навье–Стокса с распределенным сопротивлением движению газа в порах (модель НС) и уравнений Дарси–Бринкмана (модель ДБ) при одинаковых начальных параметрах. Обсуждаются отличия расчетов указанных моделей при малой и большой проницаемости смеси микронных частиц реагентов. Отмечены режимы, для которых обе модели дают близкие результаты, и режимы значительного отличия в скорости горения и синтеза, обусловленные конвективным механизмом передачи тепла и количества движения в случае переменной пористости. Показано, что более интенсивный перенос тепла в модели НС ускоряет рост удельного объема твердой фазы за счет теплового расширения. Результаты расчетов указывают на важность нестационарных процессов переноса количества движения газа в порах проточного реактора и подтверждают преимущества модели НС в изучении синтеза микронных частиц сложных оксидов методом горения углерода. Исследования проведены для быстро протекающих процессов и ограничены отрезком времени синтеза, который лимитируется начальными концентрациями реагентов.

Выполнен анализ эффективности новых схем интеграции турбодетандеров в системы нагрева газосырьевой смеси различных процессов дегидрирования легких олефинов. Выполнены теоретические расчеты энергозатрат рассматриваемых схем. Так, в энерготехнологической схеме необходимо увеличение тепловой нагрузки, при этом практически вся добавленная тепловая энергия преобразуется в электрическую, что характеризует предлагаемые схемы как высокоэффективный способ производства электроэнергии собственной выработки на нефтехимическом производстве. Проведена оптимизация совмещенной схемы, и выполнен технико-экономический анализ. В качестве потенциальных рабочих жидкостей процесса совмещенной электрогенерации рассмотрены составы сырьевых потоков наиболее распространенных промышленных процессов дегидрирования легких алканов.