МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО ПРОИЗВОДСТВА БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА В МИКРОРЕАКТОРАХ

Объект исследования: микроструктурные реакторы (микрореакторы) и проводимый в них процесс для производства биодизеля. Цель: исследование щелочно-катализируемой реакции этанолиза растительных масел в микрореакторе для развития биоэкономики, основанной на знаниях с интеграцией науки о жизни, с экологической наукой и наукой о климате, а также с другими ключевыми технологиями, такими как информатика и математика, производство микросистем, инженерия технологических процессов и оборудования, исследования заводских инженерных систем. Интеграция всех этих компетенций обогащает и отдельные дисциплины. Большинство промышленных процессов для производства биодизеля основаны на каталитической реакции метанолиза или этанолиза растительных масел. До настоящего времени для получения биодизеля используются только периодические процессы. Интенсификация процесса производства биодизеля представляет огромный интерес для химической промышленности. Применение микрореакторов для щелочно-катализируемой реакции этанолиза растительных масел позволит достичь высокой степени превращения исходных веществ по сравнению с классическими реакторами. Благодаря размеру канала (0,25 ⁻¹ мм) предполагается интенсифицировать массоперенос и ускорить химическую реакцию. Проведен аналитический обзор объектов исследования - микрореакторов; изучены особенности синтеза биодизеля (источники триацилглицеролов, применяемые в промышленности спирты, катализаторы). Рассмотрена кинетика алкоголиза растительных масел (последовательный механизм, двухфазная модель этанолиза и метанолиза, определение различий), разработан собственный подход к моделированию. Выполнен анализ специальных свойств микрореакционной техники и существующих типов микрореакторов и микросмесителей. Выполнена оценка влияния этих свойств на протекание исследуемой реакции и особенностей массопереноса, надежности работы систем с микрореакторами. Выход этиловых эфиров жирных кислоты в процессе этанолиза растительных масел сильно зависит от ограничений массопереноса. С помощью внедрения непрерывного режима работы с использованием микрореакционной техники появляется возможность ускорить реакцию этанолиза растительных масел и уменьшить расход сырья. Проведен научно обоснованный выбор модели и математического описания кинетики реакции этанолиза растительных масел и гидродинамического течения в микрореакторе. Благодаря применению нового подхода к моделированию исследуемого процесса становится возможным объяснить особенности протекания процесса, проявившиеся в результате экспериментальных исследований. Показаны особенности различных режимов течения в микрореакторе и их влияния на интенсификацию исследуемого биопроцесса. Разработана функциональная и алгоритмическая структура программного комплекса для моделирования процесса производства биодизеля в микрореакторах. Дана оценка роли микрофлуидики и специального течения в микроканале на интенсификацию процессов в микрореакторе. Выполнено планирование экспериментальных исследований. Предлагаемый подход внедрен в исследовательский и учебный процессы на кафедре системного анализа и информационных технологий СПбГТИ(ТУ) и в Институте технической химии Технического университета г. Дрездена. Применение микрореакторов для проведения биохимических процессов имеет большое промышленное значение. Развитие микрореакционной техники в промышленном масштабе пока нацелено не столько на создание полноценных микрореакционных систем, сколько на замену стандартных реакторов в уже существующих промышленных установках. При этом используется принцип многократной повторяемости микрореакторов. Расширение масштабов производства лучшей из исследованных технологий, а также наиболее эффективная система с микрореакторами позволят производить биодизель из отходов с использованием возобновляемых ресурсов в промышленных масштабах. Кроме того, результаты испытаний по увеличению производства в промышленных масштабах приведут к созданию концепции промышленного предприятия, основанного на исследованной системе микрореактора и оптимизированной в отношении производственных мощностей, селективности, качества продукции, качества отходов и ценовых показателей продукции продукта.