Введение к работе
Актуальность проблемы. В связи с повышением спроса на синтетические витамины и душистые вещества возрастает значимость работ, связанных с увеличением эффективности действующих производств, повышением качества выпускаемых препаратов. Современные промышленные методы синтеза витаминов А, Е, К и бета-каротина могут быть осуществлены через стадию получения линалоола селективным гидрированием дегидролиналоола (ДТЛ). Кроме того, линалоол, его аналоги и производные имеют большое значение как полупродукты получения душистых веществ (гераниола, нерола и др.). Это вызывает интерес исследователей к процессам селективного гидрирования с целью получения указанных выше соединений.
Одним из этапов промышленной реализации технологии и проектирования химических реакторов является математическое моделирование. Для процессов гидрирования ацетиленовых спиртов данный этап исследований имеет особую актуальность, так как эти процессы протекают с участием твердого катализатора, механизм действия которого не всегда известен. Это связано с недостаточностью знаний об элементарных актах химической реакции, протекающих на поверхности твердого катализатора. В связи с этим широко используются эмпирические зависимости, обоснованные экспериментальными наблюдениями и не противоречащие фундаментальным законам химической кинетики. Экспериментальные кривые "состав-время", измеренные в закрытой системе, прослеживающие путь сложной реакции от начального состояния до установления равновесия, при условии, что все наблюдаемые промежуточные компоненты анализируются, способны дать наиболее полную первичную информацию о структурной схеме брут-то-превращений, и о классе функций, в котором следует искать выражение для описания кинетического закона. Необходимым условием решения задач идентификации эмпирических зависимостей по кривым "состав-время" для последующего их использования в процессе моделирования, является разработка программных средств, использующих современные методы оптимизации и моделирования, реализованных на персональных ЭВМ.
В настоящее время разработано большое количество математических моделей массопереноса с участием гранул катализатора. Эти модели базируются на знании исследователем детального механизма
реакции, механизма адсорбции реагентов, коэффициентов диффузии, структуры поверхности гранул и др. В реальных условиях, у исследователя может не оказаться всего набора необходимой информации для построения адекватной математической модели. Поэтому, при моделировании массопереноса также могут использоваться эмпирические зависимости. В этой связи актуальным является разработка методики и алгоритма перехода от кинетической модели к диффузионной при расчете реактора гидрирования ацетиленовых спиртов и ее опробование на реальном химико-технологическом процессе.
Указанные обстоятельства определяют актуальность работ, связанных с разработкой математических моделей процессов селективного гидрирования в синтезе витаминов и расчета реакторов для осуществления данных процессов в производственных условиях.
Цель работы - разработка математических моделей процессов гидрирования дегидролиналоола и дегидролиналилацетата и расчет реакторов непрерывного действия с неподвижным слоем катализатора. Для достижения этой цели исследовались вопросы:
разработка эффективных алгоритмов оценки параметров кинетических моделей на основании данных изотермических экспериментов;
разработка методики перехода от кинетической модели к диффузионной при расчете реактора гидрирования с неподвижным слоем катализатора;
разработка инструментальных средств математического моделирования, использующих предложенные алгоритмы,' реализованных на ПЭВМ;
создание и исследование математических моделей селективного гидрирования ацетиленовых спиртов в синтезе полупродуктов витаминов и душистых веществ;
моделирование промышленного реактора, проверка разработанных методик и инструментальных средств путем опытно-промышленных испытаний.
Работа проводилась в рамках хоздоговорной темы 11 Тверского государственного технического университета, а также темы 59-ин гр.01960001208 инновационной научно-технической программы "Нефте-хим" Госкомвуза России.
Методы исследований. В работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследований с применением аппарата ма-
тематической статистики, теории сплайнов, математического моделирования, а также основных постулатов физической химии и гетерогенного катализа.
Научная новизна работы. На основании разработанного итерационного алгоритма, позволяющего оценивать параметры модели с помощью явного интегрального метода и исследовать их значимость методом шкалированных главных компонентов информационной матрицы, построены математические модели процессов селективного гидрирования ацетиленовых спиртов и их аналогов с участием гетерогенного палладиевого катализатора. Показана возможность непосредственного перехода от кинетической модели реакции гидрирования к модели трехфазного каталитического реактора непрерывного действия (режим идеального вытеснения) путем ввода поправочных коэффициентов, определяемых с помощью математического моделирования. Разработана методика расчета реактора с неподвижным слоем катализатора для реализации процессов гидрирования ацетиленовых спиртов в промышленности. На основании предложенных методик создан пакет прикладных программ для оценки параметров кинетических моделей и расчета реакторов с неподвижным слоем катализатора, в качестве исходнььх данных использующий кривые "состав-время", полученные в кинетических экспериментах и данные о диффузионных торможениях процесса из динамических экспериментов в проточном лабораторном реакторе.
На разработанный пакет программ получено свидетельство об авторском праве в РосАПО.
Практическая значимость работы. С помощью использования предложенных алгоритмов и математических моделей, рассчитаны реактора непрерывного действия для процессов получения линалоола путем селективного гидрирования ДГЛ, а также получения линалилаце-тата путем гидрирования ацетата ДГЛ.
На основании проведенных расчетов реакторов разработаны регламенты на проектирование производства получения линалоола и ли-налилацетата, которые переданы в АО "Белгородвитамины". Апробация предложенных методик расчета реакторов с неподвижным слоем катализатора проведена также на АО "Белгородвитамины". Ожидаемый годовой экономический з,ффект от внедрения разработок составляет 700 млн. руб. в ценах 1996 г.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции "Химическая
информатика", г.Черноголовка, 1992; 8 и 9-й Всеросс. и Межд. конференциях "Математические методы в химии и химической технологии", г.Тула, 1993, г.Тверь, 1995; Российской научной конференции с участием зарубежных ученых "Математические модели нелинейных возбуждений, переноса динамики, управления в конденсированных системах и других средах", г.Тверь, 1994; I Региональной научно-практической конференции "Информатизация медицины и здравоохранения Тверской области", г.Тверь, 1994; III и IV Межд.конференциях "Наукоемкие химические технологии", г.Тверь, 1995, г.Волгоград, 1996.
Публикации. По результатам исследований и разработок опубликовано 15 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложения. Она изложена на 129 страницах, включая 21 рисунок и 10 таблиц. Список литературы содержит 136 наименований. Приложение выполнено на 1 странице.