АНАЛИЗ ПОДХОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ДИАЗОТИРОВАНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПИГМЕНТОВ

ANALYSIS OF MODELING APPROACHES FOR THE DIAZOTIZATION PROCESS IN PIGMENT PRODUCTION

Dronov Sergey Vladimirovich

Master`s student, Department of Information Processes and Management, Tambov State University,

Russia, Tambov

Andryushchenko Aleksey Valerievich

Master`s student, Department of Information Processes and Management, Tambov State University,

Russia, Tambov

АННОТАЦИЯ

В статье проведён анализ существующих подходов к математическому моделированию процесса диазотирования ароматических аминов при производстве азопигментов. Рассмотрены кинетические, реакторные, CFD-модели, эмпирические и статистические модели, модели для управления и оптимизации, а также объектно-ориентированные информационные модели. Показаны достоинства и ограничения каждого подхода. Отмечена целесообразность комбинирования методов для повышения качества управления и проектирования энерго- и ресурсосберегающих технологий.

ABSTRACT

The article analyzes existing approaches to mathematical modeling of the diazotization process of aromatic amines in the production of azo pigments. Kinetic, reactor, CFD models, empirical and statistical models, models for control and optimization, as well as object-oriented information models are considered. The advantages and limitations of each approach are shown. The expediency of combining methods to improve control quality and design energy- and resource-saving technologies is noted.

Ключевые слова: математическое моделирование; кинетическая модель; реакторная модель; объектно-ориентированное моделирование.

Keywords: mathematical modeling; reactor model; kinetic model; object-oriented modeling.

Процесс диазотирования является ключевой стадией синтеза азопигментов и заключается во взаимодействии первичного ароматического амина с нитритом натрия в кислой среде при 0–5 °C [1, с. 45]. Как отмечается в работе [2, с. 133], диазотирование оказывает значительное влияние на качество получаемого красителя. Сложность управления обусловлена экзотермичностью реакции, нестабильностью диазосоединений и жёсткими требованиями к температуре и дозированию [3, с. 387]. В реальном производстве существуют случайные факторы, такие как изменение гранулометрического состава амина и погрешности приборов, что делает необходимым математическое моделирование [4, с. 306]. В настоящей работе проведён систематический анализ основных подходов к моделированию диазотирования.

Кинетические модели. Классические исследования механизма диазотирования анилина были выполнены А. Aboul-Seoud (1966) [5, с. 589–590]. Кинетические измерения объединены с равновесными данными диссоциации анилиний-иона и нитрозилсерной кислоты, что позволило рассчитать константы скорости лимитирующей стадии и величины ΔG≠, ΔH≠, ΔS≠ [5, с. 595]. На основании энергии активации сделан вывод о существенной роли диффузии реагентов как лимитирующего процесса [5, с. 598]. При построении современных моделей принимается допущение, что реакция образования азотистой кислоты протекает с бесконечной скоростью [2, с. 134]. Кинетические константы определяются экспериментально [6, с. 977].

Реакторное моделирование. Значительная часть работ посвящена моделированию диазотирования для конкретных типов реакторов [4, с. 306–307]. В непрерывной технологии используются два основных типа реакционных систем: многоступенчатые реакторы смешения и турбулентные трубчатые реакторы [7, с. 223]. Для пятицаргового реактора смешения непрерывного действия построена математическая модель в виде системы алгебраических уравнений, учитывающая долю растворившегося амина, поскольку исходное сырьё (3-нитро-4-аминотолуол) практически нерастворимо в воде [4, с. 308–311]. Для турбулентного трубчатого реактора цилиндрического типа модель представляет собой систему нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений, позволяющую исследовать статические режимы и области допустимых возмущений [6, с. 978–981].

CFD-моделирование. Вычислительная гидродинамика (CFD) даёт наиболее детальную картину распределения температур, концентраций и скоростей потоков [3, с. 389]. CFD-модели позволяют оптимизировать конструктивные параметры реактора, такие как форма и расположение перемешивающих устройств [8, с. 48–50]. Однако этот подход является вычислительно затратным и требует высокой квалификации исследователя [3, с. 394].

Эмпирические и статистические модели. Широко применяется осевая дисперсионная модель (axial dispersion model) в сочетании с центральным композитным планированием (CCD) [3, с. 391]. В работе Shukla, Kulkarni и Ranade (2016) показано, что выход диазотирования зависит от смешения, дисперсии, кинетики, температуры и времени пребывания [3, с. 390]. Валидированная модель и CCD использованы для оптимизации процесса в трубчатом реакторе объёмом 1,78 мл [3, с. 392–393]. Определены ключевые параметры масштабирования: начальная концентрация, температура, смешение, время пребывания и площадь теплопередачи. Модель успешно применена для масштабирования от лабораторного до пилотного реактора с коэффициентом около 20 [3, с. 394–395].

Модели для целей управления и оптимизации. Установлено, что наибольшее влияние на качество процесса оказывают температура входного потока амина и объёмный расход жидкой фазы [2, с. 136]. Задача поиска областей допустимых управляющих воздействий становится ключевой для стабильности продукта [2, с. 135–137]. Исследование статических режимов трубчатой реакторной установки позволило сформулировать задачи оптимизации конструктивных и режимных переменных [6, с. 982]. Стабилизация температуры диазораствора улучшает выход красителей и их колористические свойства [9, с. 8].

Объектно-ориентированные информационные модели. Современный этап характеризуется внедрением объектно-ориентированного подхода [10, с. 65]. Разработана схема создания информационных моделей для процесса диазотирования получения азопигментов [10, с. 66–68]. Построенные информационные модели позволяют рассчитывать параметры состояния и определять качественные показатели, что даёт возможность получать пигмент с заданными колористическими свойствами [10, с. 70–71]. Объектно-ориентированное моделирование особенно эффективно для сложных систем, включающих подготовку сырья, диазотирование и азосочетание [4, с. 313].

Каждый из рассмотренных подходов имеет свои достоинства и ограничения [1, с. 118]. Кинетические модели дают фундаментальное понимание реакции [5, с. 598]. Реакторные модели учитывают конструктивные особенности аппаратов [4, с. 312]. CFD-моделирование предоставляет детальную информацию о полях течений, но затратно [8, с. 51]. Эмпирические модели эффективны для оптимизации и масштабирования [3, с. 395]. Модели для управления ориентированы на поиск областей допустимых воздействий [2, с. 138]. Объектно-ориентированные модели интегрируют знания о различных стадиях процесса [10, с. 72]. Наиболее эффективным представляется комбинирование различных методов. Перспективным направлением является разработка гибридных моделей, объединяющих детерминированные, статистические и объектно-ориентированные подходы [6, с. 984].

Список литературы:

1. Елькин В.В., Шапошникова Т.А. Автоматизация процессов тонкого органического синтеза. – М.: Химия, 2018. – 312 с.
2. Майстренко А.В., Майстренко Н.В. Поиск областей допустимых управляющих воздействий процесса диазотирования // Научные ведомости БелГУ. – 2016. – № 2(223). – С. 133–138.
3. Shukla C.A., Kulkarni A.A., Ranade V.V. Selectivity engineering of the diazotization reaction in a continuous flow reactor // Reaction Chemistry & Engineering. – 2016. – Vol. 1. – P. 387–396.
4. Майстренко А.В., Майстренко Н.В., Волыцак И.Л. Математическое моделирование реакторных систем диазотирования непрерывного действия // Вестник Тамбовского ГТУ. – 2013. – Т. 19, № 2. – С. 306–314.
5. Aboul-Seoud A. A kinetic study of the diazotization of aniline in dilute sulphuric acid // Bulletin des Sociétés Chimiques Belges. – 1966. – Vol. 75. – P. 589–600.
6. Дворецкий С.И., Толстых С.Г., Пешкова Е.В. Исследование системных связей и гибкости ХТС тонкого органического синтеза // Вестник Тамбовского ГТУ. – 2011. – Т. 17, № 4. – С. 975–985.
7. Дворецкий С.И., Майстренко А.В., Дворецкий Д.С., Утробин Н.П. Разработка непрерывной энерго- и ресурсосберегающей технологии получения азопигментов // Вестник Тамбовского ГТУ. – 2014. – Т. 20, № 2. – С. 223–231.
8. Дворецкий С.И., Игнатьева Н.В. Автоматизация математического моделирования в САПР технологических процессов // Проблемы химии и химической технологии. – 2009. – С. 45–52.
9. Способ автоматического регулирования процесса диазотирования: пат. 1318602 СССР. – 1987. – Бюл. № 23.
10. Майстренко А.В., Майстренко Н.В., Волыцак И.Л. Моделирование и проектирование процесса диазотирования с использованием объектного представления предметной области // Радиотехника. – 2011. – № 12. – С. 65–72.