КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА СКОРОСТЬ СПОНТАННОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ АКРИЛОВОЙ КИСЛОТЫ В РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЕ

Акриловая кислота АК – ключевой мономер для производства полимерных материалов. Промышленное производство АК методом окисления пропилена включает сложный этап ректификации. Основной технологической проблемой на стадиях очистки является склонность АК к спонтанной полимеризации, особенно в колоннах отгонки тяжёлых фракций, где процесс протекает при максимальных температурах (80-90 °C) и высокой концентрации мономера. Для подавления полимеризации применяются фенольные ингибиторы, такие как гидрохинон. Однако их эффективность в промышленных условиях зависит от точной температуры и фактической концентрации в зоне реакции, которая может быть существенно ниже расчётной из-за уноса и разложения. Целью данной работы является количественный анализ влияния температуры и концентрации ингибитора на скорость спонтанной полимеризации АК в условиях промышленной колонны [1].

Объектом исследования служила промышленная колонна отгонки тяжёлых фракций С-230. Использовались нормы технологического режима, паспортные данные и справочные константы. Основой работы стало построение кинетической модели радикальной полимеризации в режиме сильного ингибирования. Модель базировалась на классической схеме с учётом стадий термического инициирования, роста цепи и обрыва на молекуле ингибитора. Применение принципа квазистационарных концентраций позволило получить рабочее уравнение для скорости полимеризации r_p. Интеграция с уравнением Аррениуса дала итоговую модель, связывающую скорость с температурой Т и концентрацией ингибитора [Inh]. Для параметризации были приняты характерные для нормативного режима данные: температура в кубе 85,0 °C, концентрация АК 1000 кг/м³, оценочная концентрация ингибюитора 40 ppm. Константа модели была определена методом обратной задачи путём калибровки под оценочную скорость полимеризации, соответствующую типичной массе полимерных отложений [1, 2].

Была рассчитана зависимость скорости полимеризации от температуры при фиксированной концентрации ингибитора. Результаты показали, что зависимость носит ярко выраженный экспоненциальный характер. Превышение температуры на 1 °C сверх нормативной (85→86 °C) увеличивает скорость полимеризации на 12,4 %. Достижение аварийной уставки 87 °C приводит к росту скорости на 26%. Напротив, снижение температуры на 5 °C до 80 °C теоретически уменьшает скорость процесса на 41 %, что напрямую указывает на данный параметр как на наиболее эффективный рычаг управления.

Для анализа совместного влияния температуры и ингибирования была построена карта изокинетических линий. Карта визуализирует все комбинации температуры и концентрации ингибитора, которые приводят к одной и той же заданной скорости полимеризации. Анализ карты показывает технологический компромисс. Например, для сохранения нормативной скорости полимеризации при повышении температуры с 85 до 87 °C концентрацию ингибитора необходимо увеличить с 40 до примерно 50 ppm. Карта также наглядно демонстрирует два пути перехода в более безопасный режим с вдвое меньшей скоростью: первый – снижение температуры до примерно 82 °C при сохранении прежней дозы ингибитора; второй – увеличение концентрации ингибитора вдвое при сохранении температуры. Первый путь является технологически и экономически предпочтительным, так как не ведёт к росту расходов на реагенты и не влияет на качество конечного продукта [3, 4].

В результате проведённого исследования построена и параметризована математическая модель скорости спонтанной полимеризации акриловой кислоты в промышленной ректификационной колонне. Модель количественно описывает влияние ключевых технологических параметров – температуры и концентрации ингибитора. Установлено, что температура является наиболее чувствительным фактором: её рост на 2 °C увеличивает скорость образования полимера на 26%, что требует пропорционального увеличения дозы ингибитора для компенсации. Разработанный инструмент – карта изокинетических линий – позволяет наглядно оценивать последствия изменения режима и выбирать оптимальные управляющие воздействия. Основным выводом работы является научное обоснование приоритетности оптимизации температурного режима колонны как наиболее эффективного способа увеличения межремонтного пробега. Теоретически снижение температуры в кубе колонны на 2-3 °C может привести к увеличению продолжительности работы между остановками на чистку на 30-40%. Полученные результаты служат основой для разработки конкретных инженерных решений по модернизации технологического режима и системы ингибирования на действующих производствах [5].

Список литературы:

1. Лебедев Н. Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. – М.: Химия, 2017.
2. Юкельсон И. И. Технология основного органического синтеза. – М.: Альянс, 2016.
3. Патент US 10,450,432 B2. Method for inhibiting polymerization of acrylic acid during distillation. – 2019.
4. Кузнецов А. А., Фролова М. В. Кинетика термической полимеризации акриловой кислоты в присутствии фенольных ингибиторов // Журнал прикладной химии. – 2020. – Т. 93, № 7.
5. Романков П. Г., Курочкина М. И. Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепереработки. – СПб.: Химиздат, 2018.