Томский политехнический университет демонстрирует лидерство в области инженерных исследований и инноваций. Группа ученых под руководством Ирэны Долгановой предложила современную математическую модель, оптимизирующую ключевой этап изготовления алкилбензолсульфоновой кислоты (АБСК) — главного компонента для большинства бытовых и промышленных моющих средств. Эта разработка открывает новые горизонты для повышения эффективности всего производственного цикла, одновременно снижая эксплуатационные издержки и экологическую нагрузку.
Роль АБСК в современном мире и вызовы в ее получении
Спрос на качественные, экологичные поверхностно-активные вещества стремительно растёт. Алкилбензолсульфоновая кислота занимает особое место благодаря своей превосходной моющей способности, биоразлагаемости и многофункциональности. Промышленное производство АБСК обычно осуществляется методом сульфирования линейных алкилбензолов посредством триоксида серы (SO3). Этот процесс реализуется в специальных реакторах с ниспадающей жидкой пленкой.
Несмотря на очевидные плюсы метода, существовали и ощутимые недостатки. В частности, в результате процесса образуются высоковязкие компоненты, склонные откладываться на внутренних поверхностях реактора. Эти отложения затрудняют обменные процессы, влияют на эффективность теплопередачи, приводят к дезактивации рабочей среды. Всё это вынуждает предприятия регулярно останавливать производство для очистки оборудования, что нарушает технологический ритм и увеличивает расходы на эксплуатацию.
Фокус исследования: почему важна конструкция реактора
Отечественная и мировая практика была концентрирована на химических аспектах реакции и анализе свойств целевого продукта и побочных соединений. Однако конструктивным особенностям самих реакторов уделялось не так много внимания. Особенно малоизученным оставалось влияние таких параметров, как количество и геометрические размеры реакционных трубок, на образование нежелательных вязких побочных продуктов.
Ирэна Долганова и её коллеги поставили целью преодолеть этот разрыв и предложили использовать математическое моделирование для построения многофакторного описания процесса. Особое внимание было уделено анализу гидродинамических свойств потока внутри аппарата, а также особенностям массопереноса между взаимодействующими фазами — именно эти аспекты существенны для поддержания процесса сульфирования на высшем уровне производительности.
Новая математическая модель: инновационный подход к производству АБСК
Созданная модель учитывает живую динамику реакционной среды, описание агрегации побочных компонентов, сложную кинетику реакции, а также параметры тепло- и массопереноса. Такой системный подход позволил провести глубокий анализ изменений, которые могут быть внесены в конструкцию реактора без ущерба для качества продукта и с значительными выгодами для самой технологии. Особенно ценным оказалось то, что модель приспособлена для работы с разными составами сырья и условиями, характерными для реальных промышленных производств.
«Мы добились того, что модель позволяет не только прогнозировать накопление побочных высоковязких компонентов, но и выбирать оптимальные геометрические конфигурации реактора для их минимизации», — говорит Ирэна Долганова. — «В результате появляется возможность существенно продлить периоды между обязательными остановами на промывку, что прямо улучшает показатели эффективности и снижает эксплуатационные издержки».
Экспериментальные проверки: от теории к реальной практике
Теоретические результаты всегда должны подтверждаться промышленными экспериментами. Разработанная модель была апробирована на действующем предприятии по производству алкилбензолсульфоновой кислоты. Результаты моделирования были сопоставлены с эксплуатационными данными за длительный период работы установки, что доказало высокую точность и применимость нового цифрового инструментария.
«Практические испытания показали, что предлагаемые изменения в конструкции реакционной части существенно сокращают образование вязких побочных веществ, а значит, увеличивают чистоту целевого продукта и делают процесс устойчивее», — отмечают исследователи. Такой подход открывает дорогу для дальнейшей автоматизации и совершенствования российских производственных линий, а также для внедрения общего принципа во множество смежных областей химической промышленности.
Оптимизация конструкции реакторов: что говорят цифры
Особое внимание было уделено проработке параметров количества и диаметра трубок реактора. Проведенные расчеты, подкрепленные экспериментальными данными, позволили определить, что переход к конструкции с меньшим числом, но большим диаметром реакционных трубок, решает сразу несколько задач. Если уменьшить количество трубок с 120 до 40, одновременно увеличив их диаметр с 25 до 43 мм, это дает заметное улучшение равномерности распределения сырья и уменьшает сопротивление потоку. В итоге диффузионные затруднения устраняются, концентрация побочных вязких веществ в готовом АБСК снижается, а эффективность всей технологической схемы повышается.
Инженерам удалось доказать, что даже при изменении только этих двух компонентов конструкции продолжительность производства между необходимыми остановками на промывку возрастает на впечатляющие 45,5%. Это важная веха для отрасли — уменьшение частоты остановок означает экономию ресурсов, сокращение выбросов, сокращение времени простоя и роста рентабельности.
Влияние открытия на будущее химической отрасли
Открытие томских специалистов формирует новый взгляд на проектирование промышленных химических установок. Весь цикл производства — от моделирования до внедрения результата на линиях — демонстрирует, какие возможности открывают междисциплинарные подходы и современные цифровые решения для национальной отрасли.
В перспективе данная методика может быть интегрирована не только в производство АБСК, но и в смежные процессы получения других органических кислот, мономеров, компонентов для фармсектора и специализированных технических моющих средств. Это позволит компаниям оставаться конкурентоспособными, оперативно отвечать на вызовы рынка, быстро внедрять новшества для снижения себестоимости и повышения экологической ответственности.
Успех Ирэны Долгановой и её команды демонстрирует значимость командной работы молодых ученых и мощнейший потенциал научных школ Томского политехнического университета. Открытость к новому, соединение теории и практики, а также культура исследования — вот ключи к технологическому прогрессу российской и мировой химической индустрии.
Источник фото: ru.123rf.com
Источник: scientificrussia.ru
