Том 58, № 4 (2024)

В данной работе представлено исследование физико-химических особенностей кинетики диссоциации аглошихты при разных температурных режимах с добавлением примесей в процессе выплавки. В процессе исследования было установлено, что среди существенных факторов, определяющих скорость диссоциации сульфатов, можно выделить уровень кислорода в газе, крупность руды и добавление примесей, позволяющих изменять вязкость и температуру плавления агломерационного расплава. В основе процесса исследования применялся метод высокотемпературной дериватографии, с помощью которого рассматривались различные температурные интервалы и определялись скорости диссоциации минералов. Разработанная экспериментальная методика кинетических исследований диссоциации сульфатов может использоваться при изучении теплофизических закономерностей химико-металлургических процессов прокалки в обширной группе железосодержащих рудных материалов.

Развитие химической отрасли – одна из приоритетных задач Российской Федерации. Разработка новых подходов к получению ценных материалов, интенсификация и оптимизация существующих процессов позволяют увеличить производительность, получить качественно новые виды продукции, уменьшить экологический след и повысить безопасность. Все это еще в середине прошлого века понимали выдающиеся химики-технологи СССР. Как раз таким был Петр Григорьевич Романков. Сегодня перед химической отраслью страны стоят не менее амбициозные задачи. К вышеперечисленным задачам добавились новые: внедрение достижений нанотехнологии, автоматизация и цифровизация на различных уровнях, разработка принципиально новых процессов и аппаратов. Примером новых подходов для реализации ряда химико-технологических процессов является использование сверхкритических флюидов. В статье на примере сверхкритической сушки рассмотрены подходы к моделированию, интенсификации и оптимизации сверхкритических процессов, показано оборудование высокого давления для различных масштабов. Сверхкритическая сушка – ключевой этап получения высокопористых материалов аэрогелей. В данной работе получены альгинатные аэрогели с иерархической пористой структурой, обладающие высокими значениями удельной площадью поверхности (более 700 м²/г) и объема пор (более 10 см³/г).

С использованием математического моделирования показано, что увеличение температуры интенсифицирует как конвективный, так и диффузионный транспорт. При увеличении расхода диоксида углерода наблюдается интенсификация конвективного транспорта. Влияние конвективного транспорта в свободном объеме аппарата и в пограничном слое пластины особенно заметно на первом этапе сверхкритической сушки. Увеличение давления не оказывает значительного влияния на скорость процесса сверхкритической сушки.

На фоне растущей потребности в устойчивых источниках энергии, конструкционных материалах и качественном продовольствии для увеличивающегося населения планеты все большее внимание исследователей сосредоточено на возможности биотрансформации газовых субстратов – источников углерода и энергии для уникальных микроорганизмов, использующих метан, моно- и диоксид углерода, водород в качестве питания. Помимо чистого научного интереса к изучению фундаментальных задач математического моделирования в биофизике и биохимии микроорганизмов, направление характеризуется высокой практической значимостью результатов исследований. В фокусе внимания исследователей несколько классов задач, включающих как использование возможностей генной инженерии по оптимизации метаболизма как эффективного способа получения широкого спектра продуктов, так и ключевые биокаталитические ферменты, а также разработку новых инженерных решений для биореакторов, подразумевающих повышение управляемости, безопасности и эффективности процесса биосинтеза, снижение затрат на получение продукта. Для изучения сравнительной эффективности существующих и перспективных биореакторов, прежде всего в части массообменных характеристик аппаратов и оптимизации показателей расхода энергии, сегодня доступен значительный спектр инструментов, включающий как методы математического описания двухфазной газожидкостной среды и гидродинамических процессов, так и возможности суперкомпьютерных вычислений, использование алгоритмов машинного обучения и нейросетей – в работе рассмотрен ряд примеров и современных тенденций по развитию направления газовой ферментации.

На основе теоретических исследований и лабораторных испытаний была разработана оригинальная конструкция биореактора струйного типа, предназначенного для выращивания метанокисляющих бактерий. Проведена серия испытаний, показавших эффективность установки, обеспечивающей достижение требуемых значений продуктивности процесса культивирования при обозначенных удельных энергозатратах на производство биомассы. Приведены основные параметры работы ферментационного оборудования, такие как температура, давление, составы компонентов газового питания, рН и скорость протока в аппарате, и освещены вопросы, связанные с ограничениями допустимых величин указанных параметров, в частности влияние давления и состава кислородосодержащего газа на протекание процесса культивирования. Подтверждена эффективность использования специальных конструкционных элементов, разработанных для обеспечения в биореакторе гидродинамического режима, при котором достигаются необходимые условия для роста культуры.

В работе представлено конструктивное обобщение идеи С.Я. Френкеля о модельном определении молекулярно-массового распределения полимера и собственно процесса его получения при помощи двух величин – обобщенных способностей роста и обрыва цепей. Предложено соответствующее уравнение, и рассмотрен сравнительный анализ с экспериментальными результатами.

Рассмотрен тепломассоперенос в теле сферической формы при его сушке в непрерывно действующем электромагнитном поле высокой и сверхвысокой частоты. Сформулирована и аналитически решена линейная (постоянство параметров процесса) задача нагрева сферического тела при этих видах энергоподвода в условиях его конвективной сушки и с учетом его конвективного тепло- и массообмена с внешней газовой средой как в общем случае, так и при сушке в первом периоде. В первом случае интенсивность сушки задана в виде некоторой функции времени, она выражена из аналитического решения задачи массопроводности (диффузии влаги) при условии, что испарение влаги происходит у поверхности тела. Во втором случае принято, что вся подводимая к телу теплота расходуется на испарение влаги и поэтому нагрев тела отсутствует и что парциальное давление пара у поверхности сферы равно давлению насыщенного пара при температуре поверхности сферы. При этом зависимость давления насыщенного пара от температуры описана уравнением Антуана. Решения задач нагрева получены применительно к локальной и средней по объему сферы температуре. На основе полученных решений проведено численное моделирование процессов тепло- и массообмена в условиях комбинированного конвективно-электромагнитного подвода энергии. Применительно к процессу с постоянной интенсивностью сушки выполнен численный анализ процесса испарения пленочной влаги с поверхности сферической частицы. Полученные решения позволяют рассчитывать процесс нагрева сферических тел при электромагнитном или комбинированном конвективно-электромагнитном подводе энергии.