ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГЕТЕРОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ГАЗ-ТВЕРДОЕ

 

Мясников М.С., Тоцкий С.И., Макасеев А.Ю.

 

Северский государственный технологический институт

 

В настоящее время на Сибирском химическом комбинате разработана и внедрена технология производства сорбентов на основе щелочных и щелочноземельных металлов. В химической технологии такие сорбенты применяются в следующих процессах: 1) очистка электролизного фтора от фтороводорода; 2) утилизация и селективная сорбция газообразных фторидов; 3) получение летучих фторидов. В процессе ВОУ-НОУ сорбенты на основе фторида лития и фторида натрия нашли применение: 1) на стадии получения фтора при его очистке от фтороводорода, 2) на стадии фторирования закиси-окиси высокообогащенного урана для очистки гексафторида ВОУ от присутствия гексафторида плутония, 3) на стадии конденсации и затаривания гексафторида урана в контейнеры для санитарной очистки отходящих газов.

Технология производства сорбентов на основе фторидов щелочных и щелочноземельных металлов включает следующие стадии: приготовление исходной шихты из гидрофторидов с добавлением воды, формование таблеток, сушка таблеток при 90-100 °С, прокалка таблеток при температуре десорбции летучего компонента, упаковка товарного таблетированного сорбента.

На сегодняшний день Сублиматный завод СХК может производить сорбенты на основе LiF и NaF. В перспективе планируется производить таблетированные сорбенты на основе CaF2, BaF2, SrF2 для селективной сорбции летучих фторидов вольфрама, молибдена, плутония, урана, фтороводорода, трифторида бора. Для исследования физико-химических свойств сорбентов и механизма сорбции в СГТИ совместно с Сублиматным заводом создается проблемная лаборатория, в которой будет нарабатываться экспериментальный материал по кинетике и термодинамике сорбционных процессов.   

Для обработки экспериментальных данных нами разрабатывается методика и компьютерное приложение с базой данных для расчёта основных параметров процессов сорбции и десорбции летучих фторидов с таблетированных сорбентов: Ea - кажущейся энергии активации процесса; n - порядка реакции по твердому реагенту; m - порядка реакции по газообразному реагенту; k0 - предэкспоненциального множителя в уравнении Аррениуса (константы сорбционной колонны), а также лимитирующей стадии процесса.

Алгоритм работы приложения предполагает последовательное выполнение следующих этапов: 1) ввод исходного массива данных; 2) расчет степени превращения образца α и вывод графиков зависимости a от времени на экран; 3) выбор пользователем рабочей области на графиках a = f(τ), запись данных в промежуточный файл; 4) расчет основных параметров процесса (Ea, n, m, k0) по обобщенному топохимическому уравнению Казеева-Ерофеева; 5) математическая обработка экспериментальных данных по частным уравнениям вида k×τ = f(α), построение графиков с аппроксимирующими прямыми и расчет среднеквадратичных отклонений; 6) проверочный расчет α по рассчитанным параметрам. Исходные данные подгружаются с диска и представляют собой опытные значения массы таблетки сорбента, взятые через определенные промежутки времени; каждый файл данных содержит результаты опытов, проводимых при постоянном давлении и нескольких фиксированных значениях температур. Далее проводится качественный анализ и оценивается применимость той или иной математической модели к описанию исследуемого процесса; для этого используются частные уравнения: Гистлинга, квадратичное, сокращающейся сферы, сокращающегося цилиндра. О применимости моделей, описываемых соответствующими частными уравнениями, можно судить визуально по качеству спрямления графиков и по величине среднеквадратичного отклонения. Алгоритм программы построен таким образом, что погрешности вычисления порядков реакции, энергии активации и констант скоростей сводятся к величине предэкспоненциального множителя k0; это существенно упрощает вывод конечного кинетического уравнения.

Работа приложения проиллюстрирована на примере процесса десорбции гексафторида молибдена с гранулированного NaF по реакции: MoF6×2NaF(т) = MoF6(т) + 2NaF (г) на «быстрой» стадии процесса. В результате были определены кинетические параметры процесса — они составили: Ea = 53,58 кДж/моль; n = 0,8; m = -0,47; k0 = 4,76×105. Полученные результаты хорошо согласуются с литературными данными, что является показателем применимости представленной методики.

В перспективе предполагается совместить представляемое программное приложение с экспериментальной установкой, что позволит практически полностью автоматизировать трудоемкий процесс обработки экспериментальных данных и существенно сократить время на проведение математических вычислений.