Улучшить производство ключевых ингредиентов моющих средств поможет модель томских ученых

Ученые Томского политехнического университета разработали комплексную математическую модель процесса сульфирования алкилбензолов – ключевых ингредиентов в формулах современных бытовых и промышленных моющих средств. С ее помощью выявлены оптимальные характеристики конструкции, позволяющие повысить эффективность процесса и значительно сократить число остановок и промывок химреакторов.

Исследования проводились при поддержке Госзадания «Наука», результаты работы ученых опубликованы в журнале Chemical Engineering Research and Design (Q2, IF: 3.7).

Спрос на эффективные и экологически чистые поверхностно-активные вещества сделал алкилбензолсульфоновую кислоту (АБСК) одним из важнейших ингредиентов синтетических моющих средств. В последние годы, по словам ученых, интерес к формулам на основе АБСК значительно вырос из-за их биоразлагаемости, высокой моющей способности и возможности применения в широком спектре условий, в том числе и иных отраслях промышленности.

Один из радиационных методов производства АБСК – сульфирование линейных алкилбензолов с помощью триоксида серы (SO₃) в реакторе со стекающей пленкой. Среди его недостатков – образование побочных продуктов, таких как высоковязкие компоненты (ВВК). Подобные вещества накапливаются на стенках труб реактора, увеличивают сопротивление массо- и теплопереносу и, в конечном итоге, дезактивируют реакционную среду, что приводит к периодическим остановкам и промывке реактора, ухудшению товарных свойств продукта. Это приводит к снижению общей производительности и увеличению эксплуатационных расходов.

«Существующие научные исследования посвящены в основном химии сульфирования и характеристикам как желаемых, так и нежелательных продуктов реакции. Тогда как недостаточно внимания уделялось роли конструкции реактора в смягчении образования ВВК и улучшении долгосрочной стабильности процесса. В частности, влияние гидродинамических условий и межфазного массообмена на накопление ВВК, особенно в условиях нестабильного состава сырья, не было полностью изучено. Одним из важнейших эксплуатационных параметров в этом контексте является продолжительность межпромывочного цикла работы реактора сульфирования, которая напрямую зависит от скорости образования ВВК. Для определения способов совершенствования процесса мы используем разработанные нами цифровые инструменты», – говорит один из авторов статьи, младший научный сотрудник отделения химической инженерии Инженерной школы природных ресурсов ТПУ Ирэна Долганова.

Целью исследования политехников стали разработка и применение комплексной математической модели процесса сульфирования АБСК. Модель, говорят ученые, учитывает дезактивацию реакционной среды, подробную кинетику реакции, массо- и теплоперенос. Она используется для исследования того, как геометрические параметры реактора сульфирования, такие как количество и диаметр реакционных трубок, влияют на равномерность распределения потока, эффективность массопередачи и накопление ВВК.

«Разработанная нами модель также учитывает поведение реакционной среды в условиях дезактивации и применима для определения оптимальных рабочих условий для переработки различных типов алкилбензольного сырья в реакторах сульфирования. Причем адекватность модели была проверена с использованием промышленных эксплуатационных данных, полученных на действующем производстве алкилбензолсульфокислот в течение длительного периода. На основе полученных результатов моделирования и сравнения с промышленными данными получены оптимальные параметры конструкции реактора, которые минимизируют образование ВВК при сохранении высокого выхода продукта и повышения общей эффективности процесса», – добавляет ученый.

Так, стандартный реактор сульфирования имеет вертикальную конструкцию, состоящую из реакторных труб, размещенных внутри кожухотрубчатого теплообменника. По словам ученых, количество трубок реактора и их диаметр влияют на достижение оптимальных условий для проведения процесса сульфирования.

«Исследования показали, что уменьшение количества трубок – со 120 до 40 при одновременном увеличении их диаметра – с 25 мм до 43 мм – может способствовать более эффективному распределению потоков сырья и снять диффузионные осложнения, что, в свою очередь, приводит к снижению содержания побочных продуктов в АБСК и, как следствие, повышению эффективности процесса. В частности, длительность периода между необходимыми промывками реактора может быть увеличена на 45,5% только за счет изменения конструкции реактора», – подытоживает Ирэна Долганова.

Информация предоставлена пресс-службой Томского политехнического университета

Источник фото: ru.123rf.com