Введение к работе
Актуальность
В настоящее время в химической промышленности широко используются процессы гетерофазной полимеризации. Их характерной особенностью является то, что в ходе каталитической реакции полимеризации на поверхности монолитных высокодисперсных микрочастиц гетерогенного катализатора образующийся полимерный продукт выделяется в виде твердого слоя. При этом поступление исходного мономера из внешней среды (жидкой или газовой) и отвод тепла, выделяющегося при химическом превращении, происходит через твердофазную оболочку полимерного продукта.
Именно так обстоит дело при .ори- полимеризации олефинов под действием гетерогенных катализаторов Циглера-Натта в производстве полиолефинов.
Несмотря на большие достижения в технологии, природа этих важных
и эффективных химических превращений выяснена недостаточно. В первую
очередь это относится к представлениям о взаимном влиянии на процесс и
свойства продуктов актов химического превращения и
тепломассопереноса. О наличии этого влияния свидетельствует возникновение в ряде случаев явлений плавления и спекания частиц полимера из-за сильного реакционного разогрева и появления би- и полимодальности молекулярно-массового распределения.
Вопросам математического моделирования гетерофазной
полимеризации на высокодисперсном катализаторе посвящены работы [1-3] В них были предложены макрокинетические модели, основанные на концепции микрореактора. Однако проведенный анализ исходил из чрезмерно упрощенных представлений о процессе. Например, в [2] гетерогенная реакция записана как реакция первого порядка, не учитывается тепловая инерционность зерна катализатора, дезактивация активных центров.
Цель работы
Построить и исследовать макрокинетическую математическую модель, учитывающую на макроуровне основные особенности каталитической гетерогенной цепной полимеризации и взаимосвязь химического превращения с тепломассопереносом через слой выделяющегося твердофазного полимерного продукта.
На защиту выносятся 1. Двухтемпературная математическая модель микрореактора симметричной одномерной формы, учитывающая тепловую инерционность катализатора, цепной механизм полимеризации, и дезактивацию активных центров
-
Редукция модели микрореактора от исходной постановки в форме бесконечной краевой задачи с подвижной границей к стандартной конечной краевой задаче (уравнения «единичного слоя»).
-
Алгоритм численного интегрирования уравнений «единичного слоя» и определения вида и характеристик молекулярно-массового распределения (ММР) полимерного продукта.
4. Результаты качественного анализа стационарных и
квазистационарных решений уравнений микрореактора, а также
результаты численных расчетов для типичных значений
макрокинетических параметров. " ,
Методика исследования
В основу работы положена концепция микрореактора Ермакова [4]. Кинетическая схема процесса гетерофазной полимеризации сформулирована на основе известных представлений [5]. Наши упрощения касаются предположения о наличии единственного вида мономера и моноцентрового типа катализатора. Алгоритм численного интегрирования уравнений микрореактора опирается на неявную разностную схему Эйлера и метод медленных комбинаций [6], улучшающий обусловленность вариационной матрицы и сходимость Ньютоновских итераций при численной реализации.
Научная новизна
Основные результаты диссертации новы. Это вытекает из новой постановки (двухтемпературная модель) и использования адекватного математического аппарата при ее исследовании.
Приложения
Результаты диссертации могут непосредственно применяться для оценочных расчетов и прогнозов поведения реакций гетерофазной полимеризации. В перспективе они создают основу для построения более детальных и совершенных моделей, пригодных для оптимизации характеристик этих процессов.
Апробация
Результаты диссертации докладывались на Российской конференции «Металлокомплексный катализ полимеризационных процессов» 1-4 июня 1998 г. (Черноголовка, ИПХФ РАН, 1998 г.); на «XVII-ом Всероссийском симпозиуме молодых ученых по химической кинетике» 1-5 февраля 1999 г. (МГУ-ИХФ, Клязьма, 1999 г.); на V-ой Международной конференции по интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия-99» 14-17 сентября 1999 г. (Республика Татарстан, г. Нижнекамск); на 39-ой Международной конференции по нефтехимии 20-23 сентября 1999 г. (Словакская Республика, Братислава, 1999 г.); на семинаре сессии Ученого Совета ИПХФ РАН 28-29 февраля 2000 г. (Черноголовка, 2000 г.); на
семинарах Отдела Химической технологии и Математического отдела
Института проблем химической физики РАН (Черноголовка; 2000 г.).
Публикации
По результатам работы имеется 7 публикаций. Список их приведен в конце автореферата.
