Введение к работе
Актуальность работы
Процессы очистки органическими аминами технологических, попутных и природных газов от примесей углекислого газа находят широкое применение в промышленности, поскольку кислые примеси затрудняют переработку газа, вызывая коррозию оборудования, увеличивают затраты на транспортировку и т.д. Выбор подходящего абсорбента часто интуитивен и основан на данных эксперимента, поскольку механизм реакций, лежащих в основе процесса извлечения углекислого газа аммиаком и аминами, изучен недостаточно и носит предположительный характер. Изучение реакции взаимодействия аммиака и аминов с углекислым газом экспериментальными методами осложнено трудностью анализа образующихся промежуточных ионных и молекулярных комплексов.
В этой связи актуальной задачей является моделирование взаимодействия аммиака и аминов с углекислым газом, что позволяет выявить механизм реакции, исследовать влияние среды на протекание реакции и установить взаимосвязь структуры абсорбентов с их способностью поглощать углекислый газ.
Диссертационная работа выполнена в рамках федеральной целевой программы "Интеграции науки и высшего образования России на 2002 - 2006 гг." (постановление правительства РФ от 05.09.2001 № 660 ФЦП "Интеграция", приказ федерального агентства по образованию от 02.11.2001. № 3544, приказ Министерства образования России от 15.04.2003. № 1593, приказ федерального агентства по образованию от 05.11.2004. № 219).
Цель работы — моделирование реакций, лежащих в основе нефтехимического процесса извлечения СОг аммиаком и аминами и выявление взаимосвязи между структурой абсорбентов и их поглощающей способностью.
Поставленная в работе цель включает:
разработку подхода к описанию реакций, лежащих в основе процесса извлечения С02 аммиаком и аминами, и выявление метода, адекватно описывающего взаимодействие аммиака и аминов с углекислым газом;
анализ влияния условий протекания исследуемых реакций на их механизм;
определение термодинамических и кинетических параметров взаимодействия аммиака и органических аминов с углекислым газом при различных условиях;
установление структурирования водных растворов аммиака, аминов и углекислого газа;
анализ динамики взаимодействия комплексов «аммиак (амин) - вода» и «углекислый газ - вода», соответствующих первой гидратной оболочке.
Научная новизна
1. Методом компьютерного моделирования реакции взаимодействия ам
миака и аминов с углекислым газом выявлено, что:
моделирование в газовой фазе методами RHF/3-21G, RHF/6-31G(d,p), B3LYP/6-31G(d,p) и MP2/6-31G(d,p) показывает возможность реализации кар-баматного и бикарбонатного механизмов, реакция является эндотермической;
континуальная модель учета растворителя указывает на экзотермичность реакции, но плохо воспроизводит экспериментальные значения энергии активации и теплового эффекта реакции; более вероятным является карбаматный механизм;
дискретная модель учета растворителя (супермолекулярный подход) хорошо воспроизводит энергетические параметры реакции: значения энергии активации и теплового эффекта соответствуют экспериментальным данным; при явном учете количества молекул растворителя, соответствующего первой гид-ратной оболочке, реализуется цвиттерионный механизм реакции.
2. Разработан подход к моделированию реакций, лежащих в основе про
цесса извлечения С02 аммиаком и аминами, основанный на анализе динамики
взаимодействия комплексов «аммиак (амин) - вода» и «углекислый газ - вода»,
соответствующих первой гидратной оболочке. Полученные результаты позво
ляют на основании структуры аминов прогнозировать поглощающую способ
ность водных растворов абсорбентов при извлечении углекислого газа по вели
чинам энергии межмолекулярного взаимодействия, энергии активации и тепло
вого эффекта реакций.
Практическая значимость работы Разработанный подход и полученные результаты о влиянии структуры абсорбентов на их поглощающую способность могут быть использованы для рационального выбора абсорбента и доэкспериментальной оценки величин энергии межмолекулярного взаимодействия, энергии активации и теплового эффекта реакций.
Апробация работы
Основные положения диссертации представлены и обсуждены на 52-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых
Уфимского государственного нефтяного технического университета, Уфа, 12-25 апреля, 2001г.; II Всероссийской научной INTERNET-конференции "Интеграция науки и высшего образования в области био- и органической химии и механики многофазных систем", Уфа, 15-30 декабря, 2003г.; III Всероссийской научной Internet-конференции "Интеграция науки и высшего образования в области био- и органической химии и механики многофазных систем", Уфа, 15-31 декабря, 2005г.; III Всероссийской научной конференции "Теория и практика массообменных процессов химической технологии (Марушкинские чтения)", Уфа, 16-18 октября, 2006г.; Всероссийской молодежной конференции по квантовой и математической химии", Уфа, 06-09 октября, 2008г.
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 4 статьи и 5 тезисов докладов, в том числе из перечня ВАК — 4 статьи.
Структура и объем диссертации
