Введение к работе
Актуальность темы. Процессы разделения веществ необходимый элемент любой химической технологии. В последние годы получили развитие процессы разделения, в которых используются жидкие мембраны. Например, выделение металлов из стоков гальванических производств с помощью краунэфиров.
Жидкие мембраны расширяют круг решаемых задач, позволяя обеспечить безопасность и управляемость химических производств. Однако их применение осложняется специфичностью задаваемых условий при выборе вещества мембраны и обилием ограничений, накладываемых процессом. Преодолеть возникающие трудности можно было бы на основе предварительного математического моделирования процесса с мембранами различного вида для выбора оптішального варианта. Но для этого нужно разработать физико-химические основы сложного явления, протекающего в многофазной, многокомпонентной, гетерогенной среде, включая физическую и химическую кинетику и состояния равновесия. К тому же желательно использовать универсальную базу данных в виде потенциалов межмолекулярного или атом-атомного взаимодействия составляющих частиц. Решению этой проблемы посвящена настоящая работа.
Работа выполнялась в рамках следующих программ:
1. АН СССР, отделение физикохимии и технологии неорганических материалов, координационный план НИР по направлению "ТОХТ" на 1986-1990 г. (направление 2.27);
Z. Минвуз СССР, программа "Теоретические основы химической технологии и новые принципы управления химическими процессами", раздел "Разработка теоретических основ мотодов моделирования, технологии и аппаратурного оформления мембранной очистки промышленных стоков". 1986-1990 г.г.
Координационный план АН СССР по направлению 2.3 "Нефтехимия"; 2.9.13. "Усовершенствование метода анализа воли в нефти" (Разработка поточного обьеипо-весового метода определения
ВОДЫ В СЫрОЙ Нефти);
3. Координационный план АН СССР 1.9.1. "Теплофизика и теплоэнергетика", раздел 1.91.1.3.' "Методы расчета и прогнозирования теплофизическнх свойств веществ";
4. Тематический плав Госкомитета по высшей школе.
1.30.91. "Разработка методов математического моделирования
мембран разделения" (1991-1995 г.г.), раздел 28.17.19.50.51.15. "Построение замкнутого описания массопереноса в химически активных мембранах".
1.31.91. "Разработка теоретических методов описания массо-и теплопереноса в двухфазных системах газ(пар)- жидкость-твердая стенка-реагируюдая среда и оптимального проектирования массообменных аппаратов* (1991-1995);
5. Координационный план АН СССР по направлению
ТОХТ".17.2.27.9.1 "Изучение характера молекулярного движения и
переноса в газах и жидкостях. Исследование процессов переноса в
многокомпонентных смесях. Изучение и разработка методов расчета
коэффициентов переноса в органических соединениях" (1981-1985).;
-
Программа "Университеты России". Координационный план Госкомитета науки и высшей школы Г-53-76-93. Тема 2.2. "Теоретические основы разработки энергосберегающих технологий и экологически безопасных аппаратов в промышленной химии".
-
Программа ГКВШРФ "Разработка экологически чистых и энергосберегающих технологий разделительных и реакционных массообменный процессов".
Цель работы. Разработка физико-химических основ процессов, протекающих в мембранной фазе, для построения теоретического описания и основ математического моделирования процессов разделения веществ, реализуемых с использованием жидких мембран.
Научная новизна.
разработана методология описания явлений, обладающих иерархией характерных пространственных и временных масштабов, в многофазных многокомпонентных . конденсированных средах, основанная на последовательном использовании характерных особенностей функции распределения Гиббса,-
предложено замкнутое описание состояния равновесия в одно- и .многокомпонентных жидких средах в терминах радиальных функций распределения и парных потенциалов межмолекулярного взаимодействия;. предложена процедура построения уравнения состояния и вычисления термодинамических потенциалов;
- на базе разработанной методологии получено описание
физической кинетики в одно- и многокомпонентных жидкостях в
терминах неравновесной н-частичной функции распределения и
парных потенциалов межмолекулярного взаимодействия;
в ранках этой методологии предложено описание элементарного акта химического" превращения на основе неравновесной N-частичной функции распределения ядер молекул. участвующих в превращении, с учетом влияния окружавшей среды;
построение физико-химического описания явлений в жидкой мембране в виде последовательного рассмотрения технологпи разделения веществ с ее применением как целостного явления в многофазной, многокомпонентной, гетерогенной среде на основе принципа сокращенного описания, сформулированного выше.
разработаны оригинальные модификации методов определения коэффициентов переноса в жидких растворах на основе топографической интерферометрии, а также метода молекулярной динаипкп, реализованного с той же целью на ЭВМ серии-ЕС.
Практическая значимость.
Предложенное описание равновесия в жидких смесях и процедура построения уравнения состояния могут быть использованы для расчета баз справочных данных равновесных параметров, при проектировании и реконструкции промышленных аппаратов,-разработанные программные комплексы могут быть составной частя систем автоматизированного проектирования.
Полученное в работе описание физической кинетики в жидкостях может использоваться для получения стандартных справочных данных веществ и их смесей, а также при проектировании и реконструкции аппаратов и в системах автоматизированного проектирования.
Предложенное описание элементарного ' акта химического превращения, в комплексе с вышеперечисленными результатами по равновесию п физической кинетике, может быть использовапо при проектировании совмещенных технологических процессов разделения її химического превращения.
Результаты данной работы <5ыли использованы при проектировании и реконструкции аппаратов разделения веществ на
Тобольском нефтеперерабатывающем комбинате; при этом был получен значительный экономический эффект, о чем имеются соответствующие акты в приложении к диссертации.
Разработанные физико-химические основы применения жидких мембран в процессах разделения веществ позволили осуществить моделирование технологии промышленного производства сферического продукта на предприятиях Государственного комитета оборонной промышленности. Предложенные рекомендации по ее совершенствованию приняты к использованию, о чем также имеется подтверждено соответствующими документами.
На защиту выносятся:
1. Доказательство возможности построения физико-химических
основ процессов, протекающих в жидких мембранах, на базе
замкнутой формулировки условий равновесия и кинетики в жидких
средах в терминах парных потенциалов взаимодействия молекул и
двухчастичных функций распределения.
2. Необходимость и достаточность использования
физико-химических основ процессов, протекающих в жидких
мембранах, для построения математической модели и определения
эффективных способов реализации процессов разделения веществ с
использованием жидких мембран.
3. Новые методы экспериментального исследования механизмов
кинетики в жидких растворах.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на: v Всесоюзной конференции "Математические методы в химии", Грозный, 1985 г.; viii Всесоюзной конференции по теплофизическим свойствам веществ, Новосибирск, 1988 г.; xiv Менделеевском сьеэде по общей и прикладной химии,.Ташкент, 1989 г.; докладывались на семинарах КГГУ, университета штата Колорадо (США), Одесского технологического института пищевой промышленности (ОТИПП), Одесского технологического института холодильной промышленности (ОТИХП), РХТУ им. Д.И.Менделеева, ряда отраслевых научных и научно-проектных институтов. Материалы работы обсуждались на хп Европейской конференции по термодннамическіш свойствам (сентябрь 1990 г., Вена, Австрия) и ежегодной конференции американского оодества chemical
Engineering (ноябрь 1991 г., Лос-Анжелес, США).
Обьем и структура работы.
Диссертационная работа включает в себя четыре основных раздела:
1. Описание равновесия в жидких смесях,-
2. Описание физической и химической кинетики в жидких
СМеСЯХ;
3. Экпериментальное подтверждение полученных результатов на
основе вычислительного эксперимента методом молекулярной
динамики и физического эксперимента - топографической
интерферометрии,-
4. Синтез математической модели промышленной технологии
формирования полимерного продукта, ее моделирование, сравнение
результатов с данными промышленных испытаний и рекомендации.
Диссертация состоит из "Введения", двенадцати глав. "Заключения", "Приложения" и списка литературы из 187 наименований. Содержание работы, изложено на 364 страницах машинописного текста, включая 16 таблиц и 43 рисунка.
