Теоретические основы химической технологии

Первый Международный научно-практический семинар по процессам и аппаратам химической технологии "ПАХТ-2025" проводился 10–11 апреля 2025 года в Российском химико-технологическом университете имени Д.И. Менделеева и был приурочен к 100-летней годовщине со дня рождения выдающегося ученого, заслуженного деятеля науки и техники РСФСР Юрия Иосифовича Дытнерского.

Рассмотрен тепломассообмен влажного сферического тела с внешней газовой средой при электромагнитном подводе энергии в инфракрасном диапазоне частот. Сформулирована и аналитически решена линейная задача (постоянство параметров процесса) инфракрасного нагрева тела при конвективном тепло- и массообмене его поверхности с внешней газовой средой – как для общего случая процесса сушки, так и при сушке в первом периоде. При формулировке задачи теплопроводности принято, что внутренний источник теплоты, вызванный поглощением лучистой энергии, экспоненциально распределен по толщине шара и что фазовые превращения при испарении влаги происходят у поверхности тела. Интенсивность сушки описана на основе аналитического решения линейной (постоянство коэффициента массопроводности) задачи массопроводности (диффузии влаги) для шара при граничном условии массообмена третьего рода. Решения задач нагрева получены применительно к локальной и средней по объему тела температуре. На их основе проведено численное моделирование процесса нагрева шара с учетом его сушки: показано влияние плотности лучистого потока на динамику нагрева шара. Применительно к первому периоду сушки показано, что полученное для этого случая частное решение задачи позволяет рассчитывать температуру поверхности тела и далее интенсивность сушки в условиях инфракрасного энергоподвода (при котором температура поверхности тела не равна температуре мокрого термометра). Для расчета температуры поверхности тела в данном случае предложен метод последовательных приближений, при котором вначале задают искомую температуру, а затем ее рассчитывают с использованием полученного решения и уравнения Антуана, выражающего зависимость давления насыщенного пара от температуры. Для этого случая выполнены численные расчеты, показавшие работоспособность математической модели и иллюстрирующие влияние дополнительного (к конвективному) инфракрасного энергоподвода на интенсивность сушки. Для учета изменения теплофизических характеристик в ходе процесса рекомендован зональный кусочно-ступенчатый метод.

Представлен анализ результатов стохастической модели смешения компонентов сыпучей шихты при работе блока "барабан-лопасти" аппарата непрерывного действия. Полученные распределения зернистых частиц указанных компонентов по углу выброса из блока "барабан-лопасти" соответствуют критерию эффективного смешения. Данные распределения учитывают характер движения гибких лопастей в непрерывном режиме при заданных множествах конструктивных и режимных параметров процесса смешения.

Для установки разложения гидроперекиси изопропилбензола процесса получения фенола и ацетона разработан прототип цифрового двойника на основе созданной нейросетевой модели, которая позволяет рассчитывать в режиме онлайн выходы основной и побочной продукции, энергоресурсов и получаемой при этом условной прибыли с относительной погрешностью не более 0.73%. Формирование базы данных значений параметров технологического процесса выполнено с применением имитационного моделирования работы установки с последующей проверкой адекватности модели путем сопоставления полученных расчетных результатов с фактическими значениями технологических параметров. В качестве прототипа цифрового двойника, позволяющего в режиме онлайн определять оптимальные значения параметров кукольного процесса установки разложения гидроперекиси изопропилбензола, предложено применить микроконтроллер ESP-8266 со встроенной и разработанной программой, написанной на языке С.

Рассматриваются химико-энерготехнологические процессы, происходящие в фосфоритах и фосфорсодержащих породах, их влияние на структуру и состав при обжиге. Анализируется возможность применения существующих методов определения кинетики спекания для моделирования обжига фосфоритовых окатышей. Приводятся результаты исследований химико-энерготехнологического процесса обжига фосфоритовых окатышей с добавлением кокса методами термического и структурного анализов. Установлено, что основными параметрами, влияющими на взаимодействие кокса с материалом окатыша, являются скорость нагрева до температур обжига, концентрация кокса в окатыше и концентрация окислителя в нагревающем газе-теплоносителе. Обнаружено, что процессу спекания фосфоритовых окатышей предшествуют существенные изменения химического состава, структуры и свойств исходных компонентов. Интенсивность этих изменений определяется температурой, составом и давлением газовой фазы, которые могут быть неоднородными в различных точках исследуемых образцов.

Рассматривается построение структуры дисперсно-наполненных полимерных композиционных материалов различных типов. Показано, что единая монолитная структура дисперсно-наполненного полимерного композиционного материала включает: гетерогенную структуру, построенную из частиц дисперсного наполнителя, свободный объем и структуру полимерной матрицы. Представлены формулы для расчета содержания дисперсного наполнителя и составов дисперсно-наполненных полимерных композиционных материалов с различными типами решеток, структура которых зависит от максимальной упаковки дисперсных частиц и координационного числа, изменяющегося от 8 до 1.

Для увеличения количества производимых препаратов на основе пептидов важной задачей является сокращение временных затрат на реализацию технологических стадий. Одной из самых длительных, энерго- и ресурсозатратных стадий производства является вакуумная сублимационная сушка. Поэтому в данной работе были проведены экспериментальные исследования по подбору температурно-временных режимов вакуумной сублимационной сушки лекарственных препаратов на основе пептидов. В результате экспериментов был подобран режим, обеспечивающий содержание остаточной влаги в образцах не более 2.5%, отсутствие вскипания в первом периоде сушки и минимальную усадку. Также в работе проведено математическое моделирование процесса вакуумной сублимационной сушки с использованием программного пакета Comsol Multiphysics (расчет движения фронта сублимации в единичном флаконе H5).