Новые процессы сушки с использованием сверхкритических флюидов. Моделирование

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

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.

About the authors

П. Ю. Цыганков

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Author for correspondence.
Email: pavel.yur.tsygankov@gmail.com
Russian Federation, Москва

Н. В. Меньшутина

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Email: pavel.yur.tsygankov@gmail.com
Russian Federation, Москва

References

  1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. М.: Химия, 1987.
  2. Романко П.Г., Фролов В.Ф., Флисюк О.М. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи). М.: ХИМИЗДАТ, 2009.
  3. Мусина Ф.А., Бронская В.В., Игнашина Т.В., Нургалиева А.А., Харитонова О.С. Экологически чистые химические технологии для устойчивого развития химической промышленности// Вестник технологического университета. 2019, Т. 22. № 8. C. 79.
  4. Kiran E., Debenedetti P.G., Peters C.J. Supecritical fluids fundamentals and applications: Series E: Applied Sciences. V. 366. Springer-Science, 1998.
  5. Heidaryan E., Hatami T., Rahimi M., Moghadasi J. Viscosity of pure carbon dioxide at supercritical region: Measurement and correlation approach // J. Supercritical Fluids. 2011. V. 56. № 2. P. 144.
  6. Suárez J.J., Medina I., Bueno J.L. Diffusion coefficients in supercritical fluids: available data and graphical correlations // Fluid Phase Equilibria, 1998, V. 153, Diffusion coefficients in supercritical fluids, № 1. P. 167.
  7. Гумеров Ф.М. Сверхкритические Флюидные Технологии. Экономическая Целесообразность. К.: ООО “Инновационно-издательский дом “Бутлеровское наследие”, 2019.
  8. Vorobei A.M., Pokrovskiy O.I., Ustinovich K.B., Parenago O.O., Savilov S.V., Lunin V.V., Novotortsev V.M. Preparation of polymer – multi-walled carbon nanotube composites with enhanced mechanical properties using supercritical antisolvent precipitation // Polymer. 2016, V. 95. P. 77.
  9. Gavrikov A.V., Loktev A.S., Ilyukhin A.B., Mukhin I.E., Bykov M.A., Vorobei A.M. et al. Partial oxidation of methane to syngas over SmCoO3-derived catalysts: the effect of the supercritical fluid assisted modification of the perovskite precursor // Int. J. Hydrogen Energy. 2023. V. 48. № 8. P. 2998.
  10. Alekseev E.S., Alentiev A.Yu., Belova A.S., Bogdan V.I., Bogdan T.V., Bystrova A.V. et al. Supercritical fluids in chemistry // Russian Chemical Reviews. 2020. V. 89. № 12. P. 1337.
  11. Pokrovskiy O., Vorobei A., Zuev Y., Kostenko M., Lunin V. Investigation of precipitation selectivity and particle size concentration dependences in supercritical antisolvent method via online supercritical fluid chromatography // Adv. Powder Technol. 2020. V. 31. № 6. P. 2257.
  12. Vorobei A.M., Pokrovskiy O.I., Ustinovich K.B., Parenago O.O., Lunin V.V. A method for measuring solubility in multi-component sub- and supercritical fluids using an online hyphenation of supercritical antisolvent precipitation and supercritical fluid chromatography // J. Mol. Liquids. 2019. V. 280. P. 212.
  13. McHugh M., Krukonis V. Supercritical fluid extraction: principles and practice. Supercritical Fluid Extraction. Elsevier, 2013.
  14. Martín A., Cocero M.J. Micronization processes with supercritical fluids: fundamentals and mechanisms: drug delivery applications of supercritical fluid technology // Adv. Drug Delivery Rev. 2008. V. 60, Micronization processes with supercritical fluids, № 3. P. 339.
  15. Menshutina N., Tsygankov P., Khudeev I., Lebedev A. Intensification methods of supercritical drying for aerogels production // Drying Technol. 2022. V. 40. № 7. P. 1278–1291.
  16. Carvalho V.S., Dias A.L.B., Rodrigues K.P., Hatami T., Mei L.H.I., Martínez J., Viganó J. Supercritical fluid adsorption of natural extracts: Technical, practical, and theoretical aspects // J. CO2 Utilization. 2022. V. 56. P. 101865.
  17. Perrut M. Sterilization and virus inactivation by supercritical fluids (a review): special edition on the occasion of Gerd Brunner’s 70th Birthday // J. Supercritical Fluids. 2012. V. 66. P. 359.
  18. West C. Current trends in supercritical fluid chromatography // Analytical Bioanalytical Chem. 2018. V. 410. № 25. P. 6441.
  19. Brunner G. Supercritical fluids as solvents and reaction media. 1st ed. Amsterdam Boston: Elsevier, 2004.
  20. Di Maio E., Kiran E. Foaming of polymers with supercritical fluids and perspectives on the current knowledge gaps and challenges: 30th Year Anniversary Issue of the Journal of Supercritical Fluids // J. Supercritical Fluids. 2018. V. 134. P. 157.
  21. Khudeev I., Lebedev A., Mochalova M., Menshutina N. Modeling and techno-economic optimization of the supercritical drying of silica aerogels // Dry. Technol. 2024. V. 42. P. 1–24.
  22. Özbakır Y., Erkey C. Experimental and theoretical investigation of supercritical drying of silica alcogels // J. Supercritical Fluids. 2015. V. 98. P. 153–166.
  23. Quiño J., Ruehl M., Klima T., Ruiz F., Will S., Braeuer A. Supercritical drying of aerogel: In situ analysis of concentration profiles inside the gel and derivation of the effective binary diffusion coefficient using Raman spectroscopy // J. Supercritical Fluids. 2016. V. 108. P. 1–12.
  24. Griffin J.S., Mills D.H., Cleary M., Nelson R., Manno V.P., Hodes M. Continuous extraction rate measurements during supercritical CO2 drying of silica alcogel // J. Supercritical Fluids. 2014. V. 94. P. 38-47.
  25. Bueno A., Selmer I., S.P R., Gurikov P., Lölsberg W., Weinrich D., Fricke M., Smirnova I. First evidence of solvent spillage under subcritical conditions in aerogel production // Indust. Eng. Chem. Res. 2018. V. 57. № 26. P. 8698–8707.
  26. Nita L.E., Ghilan A., Rusu A.G., Neamtu I., Chiriac A.P. New trends in bio-based aerogels // Pharmaceutics. 2020. V. 12. № 5. P. 449.
  27. Smirnova I., García-González C.A., Gurikov P. Pharmaceutical applications of aerogels // Springer Handbook of Aerogels: Springer Handbooks / eds. M.A. Aegerter, N. Leventis, M. Koebel, S.A. Steiner III. Cham: Springer International Publishing, 2023. P. 1489.
  28. Vignes A. Diffusion in Binary Solutions. Variation of Diffusion Coefficient with Composition // Indust. Eng. Chem. Fundamentals. 1966. V. 5. № 2. P. 189–199.
  29. Tyn M.T., Calus W.F. Diffusion coefficients in dilute binary liquid mixtures // J. Chem. Eng. Data. 1975. V. 20. № 1. P. 106–109.
  30. He C.-H., Yu Y.-S. New equation for infinite-dilution diffusion coefficients in supercritical and high-temperature liquid solvents // Indust. Eng. Chem. Res. 1998. V 37. № 9. P. 3793–3798.
  31. Кафаров В., Дорохов И., Жаворонков Н. Системный анализ процессов химической технологии: основы стратегии 2-е изд., пер. и доп. Монография. Системный анализ процессов химической технологии. М.: Litres, 2018.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences