Модель ученых ТПУ позволит улучшить конструкцию реактора производства ПАВ
Комплексную математическую модель сульфирования алкилбензолов — процесса производства поверхностно-активных веществ (ПАВ), являющихся ключевыми ингредиентами современных бытовых и промышленных моющих средств, разработали специалисты Томского политехнического университета (ТПУ), 25 июня сообщает пресс-служба вуза.
Модель позволила определить оптимальные конструктивные характеристики химических реакторов сульфирования алкилбензолов, учет которых позволит повысить эффективность процесса и значительно сократит число остановок и промывок химреакторов.
Результаты работы ученые представили в статье «Оптимизированная конструкция реактора сульфирования алкилбензолов в технологии производства синтетических моющих средств» (Optimized construction of the alkylbenzenes sulfonation reactor in synthetic detergents manufacturing technology), опубликованной в журнале Chemical Engineering Research and Design (Q2, IF: 3.7).
Широкий спрос на эффективные и экологически чистые поверхностно-активные вещества привел ко всё возрастающей потребности производителей в алкилбензолсульфоновой кислоте (АБСК), одним из важнейших компонентов синтетических моющих средств. Интерес к веществам на основе АБСК обусловлен их биоразлагаемостью, высокой моющей способностью и возможностью применения в иных отраслях промышленности.
Традиционным методом производства АБСК является сульфирование линейных алкилбензолов триоксидом серы (SO₃) в реакторе со стекающей пленкой. Однако при этом образуются высоковязкие побочные продукты (ВВК), которые оседают на стенках труб реактора, увеличивая сопротивление массо- и теплопереносу.
Это в конечном итоге дезактивирует реакционную среду, приводя к необходимости периодически останавливать процесс сульфирования для промывки реактора, а также к ухудшению товарных свойств конечного продукта, что приводит к снижению общей производительности и увеличению эксплуатационных расходов.
Один из авторов статьи, младший научный сотрудник отделения химической инженерии Инженерной школы природных ресурсов ТПУ Ирэна Долганова пояснила, чем вызвана необходимость проведенного ими исследования:
«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».
Один из важнейших эксплуатационных параметров при производстве АБСК, который определяет его эффективность, — это продолжительность цикла работы реактора сульфирования между промывками, которая зависит от скорости образования ВВК.
Чтобы выявить способы усовершенствования процесса, в частности удлинения межпромывочного цикла, ученые ТПУ разработали и исследовали комплексную математическую модель процесса сульфирования АБСК. Модель политехников учитывает дезактивацию реакционной среды, подробную кинетику реакции, массо- и теплоперенос.
С помощью своей модели они исследовали влияние геометрических параметров реактора сульфирования (количество и диаметр реакционных трубок) 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», — отметила Ирэна Долганова.
Адекватность модели исследователи проверили на промышленных эксплуатационных данных действующего производства алкилбензолсульфокислот, полученных за длительный период работы реактора. Сравнение полученных результатов моделирования с промышленными данными показало их хорошее соответствие.
Используя разработанную математическую модель, исследователи установили оптимальные конструктивные характеристики реактора сульфирования алкилбензола, которые обеспечивают минимальное образование ВВК при сохранении высокого выхода продукта.
У стандартного реактора сульфирования реакторные трубы размещены внутри кожухотрубчатого теплообменника вертикально. Ученые выяснили, что на достижение оптимальных условий процесса сульфирования основное влияние оказывают количество трубок реактора и их диаметр.
«Исследование показало, 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», — уточнила Ирэна Долганова.
Такие конструктивные параметры реактора позволяют увеличить длительность периода между необходимыми промывками на 45,5%, повысить его общую производительность и уменьшить эксплуатационные расходы, сообщила Долганова.
