ИСТИНА

Цель: Теоретическое и экспериментальное исследование процессов тепло- и массопереноса в суб- и сверхкритических условиях с целью их совмещения и интенсификации на примере технологии получения аэрогелей

The creation of modern high-tech manufacturing, especially associated with the use of equipment under high pressure, requires a deep understanding of the phenomena of heat and mass transfer. Moreover, for such processes, it is often necessary to consider multicomponent and multiphase systems. Within the framework of the present project, these phenomena are studied using as the example the process of aerogels production, namely its two main stages: solvent exchange and supercritical drying. In addition, the possibility of combining these processes under pressure in one apparatus is investigated in order to intensify it. The development of production in general and the production of aerogels in particular, is impossible without the use of methods of mathematical modeling. Therefore, during the project will be developed a mathematical description of the kinetics of phase transitions in a three-component system "carbon dioxide-water-organic solvent" under high pressure, based on the positions of the continuum and heterogeneous mechanics and nonequilibrium thermodynamics. The mathematical description will be used to study local transport phenomena that takes place within the apparatus during the study of solvent exchange. Obtained results will be used to study the possibility of intensification in the implementation of the combination of solvent exchange and supercritical drying processes under pressure in one apparatus. Theoretical and experimental studies of phase equilibrium and kinetics of phase transitions in various multicomponent systems under high pressure will be carried out. For this, an experimental setup of its own design will be created. Based on the results of the project, using a developed mathematical description and the results of the investigation of the phenomena of heat and mass transfer under pressure, a software will be created. It will allow calculating the progress of the combined processes of solvent exchange and supercritical drying, depending on the initial conditions and external parameters of these processes. With its help, it will be possible to determine the most effective parameters.

1. Теоретические и/или эмпирические зависимости физико-химических свойств, фазового равновесия и кинетики фазовых переходов в трехкомпонентной системе «диоксид углерода – вода – органический растворитель» под высоким давлением от внешних параметров (температура, давления) и состава. Рекомендации по выбору указанных зависимостей для различных диапазонов внешних параметров, температуры и давления, а также для различных органических растворителей. Полученные данные позволят выявить основные теоретические закономерности процессов, определить наиболее подходящие критерии подобия, выявить критические точки и пределы применимости различных уравнений в многокомпонентных системах под давлением. Такие выводы позволят определять наиболее эффективные параметры проведения различных процессов под давлением в среде диоксида углерода. В рамках исследования полученные данные будут использованы при разработке математического описания и программы для ЭВМ. 2. Экспериментальная установка для изучения процессов тепло- и массопереноса в многокомпонентных системах под высоким давлением. Такая установка позволит исследовать фазовое равновесие и кинетику фазовых переходов в многокомпонентных системах под давлением для чего она будет снабжена смотровыми стеклами, набором датчиков температуры и давления. Экспериментальные исследования на данной установке помогут решить целый ряд задач при реализации различных процессов под давлением: сверхкритической сушки, замены растворителя под давлением, сверхкритической адсорбции, экстракции и хроматографии. В рамках планируемой работы экспериментальные исследование с использованием данной установки позволят определить коэффициенты процессов массопереноса в сложной многокомпонентной системе, предельные значения составов фаз, эмпирические уравнения для их расчета при различных параметрах. Полученные данные будут использованы при разработке математического описания и программы для ЭВМ. 3. Результаты экспериментального исследования явлений тепло- и массопереноса в трехкомпонентной многофазной системе под высоким давлением на примере реализации одного из этапов получения аэрогелей – замены растворителя. Данные исследования позволят выявить закономерности явлений тепло- и массопереноса в ходе замены растворителя, в том числе внутри пористого тела, определить эффективные коэффициенты диффузии, массопереноса. Полученные результаты позволят выбрать наиболее эффективные параметры проведения процесса замены растворителя, они будут использованы при разработке математического описания и программы для ЭВМ. 4. Результаты экспериментального исследования совмещения процессов замены растворителя и сверхкритической сушки под высоким давлением в одном аппарате. Будет изучена кинетика указанных процессов при различных внешних параметрах, определены коэффициенты массопереноса, выбран наиболее эффективный режим проведения совмещенных процессов. Такие экспериментальные исследования позволят расширить понимание явлений тепло- и массопереноса в сложных многокомпонентных и многофазных системах под высоким давлением находящихся в состояниях близких и далеких от равновесия. 5. Математическое описание кинетики фазовых переходов в трехкомпонентной системе «диоксид углерода – вода – органический растворитель», которая будет основана на положениях механики сплошных и гетерогенных сред, неравновесной термодинамики. Для расчета уравнений модели будет использован метод вычислительной гидродинамики в программном пакете Ansys Fluent. Математическое описание может быть использовано для расчета фазовых переходов в многокомпонентных многофазных системах под давлением при резком изменении внешних параметров и составов исследуемой системы с произвольными начальными и граничными условиями. В рамках данной работы математическое описание будет использовано для расчета одного их этапов получения аэрогелей – замены растворителя. Такие расчеты позволят определить свойства в каждой локальной точке исследуемой системы, что, в свою очередь, будет использовано для уточнения закономерностей процессов тепло- и массопереноса в многокомпонентной многофазной системе «диоксид углерода – вода – органический растворитель» в ходе этапа замены растворителя. Кроме того, результаты расчета позволят выбрать наиболее эффективные пределы параметров совмещения процессов замены растворителя и сверхкритической сушки под высоким давлением в одном аппарате. 6. Предложения по интенсификации, ресурсо- и энергосбережению при совмещении процессов в одном аппарате на примере технологии получения аэрогелей, а именно двух ее основных этапов: замены растворителя и сверхкритической сушки. Будут предложены режимы изменения внешних параметров, применение которых позволит снизить время ресурсо- и энергозатраты, необходимые на проведения совмещенных процессов под высоким давлением в одном аппарате. 7. Программа для ЭВМ, которая позволит рассчитывать физико-химические свойства, фазовое равновесие, кинетику фазовых переходов, кинетику процесса замены растворителя и сверхкритической сушки, обобщать полученные результаты и выдавать рекомендуемый режимы работы установки при реализации совмещенных процессов замены растворителя и сверхкритической сушки. Данная программа может быть использована для выбора параметров совмещенных процессов замены растворителя и сверхкритической сушки на различных масштабах, от лабораторного до промышленного уровня.

Коллектив много лет работает в области технологий сверхкритических флюидов, а также в области имитационного моделирования, что подтверждается многочисленными выступлениями на международных конференциях, наличием значительного числа публикаций. Коллектив обладает научным заделом по предполагаемому проекту, полученным в рамках проведения ряда научных работ, подтверждаемым публикациями по тематике проекта. Руководителем разработана математическая модель кинетики сверхкритической сушки, которая позволяет рассчитывать гидродинамику, тепло- и массоперенос, время процесса. В рамках проекта планируется использовать некоторые допущения и положения данной модели как исходные данные, для создания математического описания кинетики фазовых переходов в трехкомпонентной системе «диоксид углерода – вода – органический растворитель» под высоким давлением. С непосредственным участием коллектива были разработаны методики получения неорганических и органических аэрогелей с заданными структурными свойствами.

1. Теоретические и/или эмпирические зависимости физико-химических свойств, фазового равновесия и кинетики фазовых переходов в трехкомпонентной системе «диоксид углерода – вода – органический растворитель» под высоким давлением от внешних параметров (температура, давления) и состава. Рекомендации по выбору указанных зависимостей для различных диапазонов внешних параметров, температуры и давления, а также для различных органических растворителей. Полученные данные позволят выявить основные теоретические закономерности процессов, определить наиболее подходящие критерии подобия, выявить критические точки и пределы применимости различных уравнений в многокомпонентных системах под давлением. Такие выводы позволят определять наиболее эффективные параметры проведения различных процессов под давлением в среде диоксида углерода. В рамках исследования полученные данные будут использованы при разработке математического описания и программы для ЭВМ. 2. Экспериментальная установка для изучения процессов тепло- и массопереноса в многокомпонентных системах под высоким давлением. Такая установка позволит исследовать фазовое равновесие и кинетику фазовых переходов в многокомпонентных системах под давлением для чего она будет снабжена смотровыми стеклами, набором датчиков температуры и давления. Экспериментальные исследования на данной установке помогут решить целый ряд задач при реализации различных процессов под давлением: сверхкритической сушки, замены растворителя под давлением, сверхкритической адсорбции, экстракции и хроматографии. В рамках планируемой работы экспериментальные исследование с использованием данной установки позволят определить коэффициенты процессов массопереноса в сложной многокомпонентной системе, предельные значения составов фаз, эмпирические уравнения для их расчета при различных параметрах. Полученные данные будут использованы при разработке математического описания и программы для ЭВМ. 3. Результаты экспериментального исследования явлений тепло- и массопереноса в трехкомпонентной многофазной системе под высоким давлением на примере реализации одного из этапов получения аэрогелей – замены растворителя. Данные исследования позволят выявить закономерности явлений тепло- и массопереноса в ходе замены растворителя, в том числе внутри пористого тела, определить эффективные коэффициенты диффузии, массопереноса. Полученные результаты позволят выбрать наиболее эффективные параметры проведения процесса замены растворителя, они будут использованы при разработке математического описания и программы для ЭВМ. 4. Результаты экспериментального исследования совмещения процессов замены растворителя и сверхкритической сушки под высоким давлением в одном аппарате. Будет изучена кинетика указанных процессов при различных внешних параметрах, определены коэффициенты массопереноса, выбран наиболее эффективный режим проведения совмещенных процессов. Такие экспериментальные исследования позволят расширить понимание явлений тепло- и массопереноса в сложных многокомпонентных и многофазных системах под высоким давлением находящихся в состояниях близких и далеких от равновесия. 5. Математическое описание кинетики фазовых переходов в трехкомпонентной системе «диоксид углерода – вода – органический растворитель», которая будет основана на положениях механики сплошных и гетерогенных сред, неравновесной термодинамики. Для расчета уравнений модели будет использован метод вычислительной гидродинамики в программном пакете Ansys Fluent. Математическое описание может быть использовано для расчета фазовых переходов в многокомпонентных многофазных системах под давлением при резком изменении внешних параметров и составов исследуемой системы с произвольными начальными и граничными условиями. В рамках данной работы математическое описание будет использовано для расчета одного их этапов получения аэрогелей – замены растворителя. Такие расчеты позволят определить свойства в каждой локальной точке исследуемой системы, что, в свою очередь, будет использовано для уточнения закономерностей процессов тепло- и массопереноса в многокомпонентной многофазной системе «диоксид углерода – вода – органический растворитель» в ходе этапа замены растворителя. Кроме того, результаты расчета позволят выбрать наиболее эффективные пределы параметров совмещения процессов замены растворителя и сверхкритической сушки под высоким давлением в одном аппарате. 6. Предложения по интенсификации, ресурсо- и энергосбережению при совмещении процессов в одном аппарате на примере технологии получения аэрогелей, а именно двух ее основных этапов: замены растворителя и сверхкритической сушки. Будут предложены режимы изменения внешних параметров, применение которых позволит снизить время ресурсо- и энергозатраты, необходимые на проведения совмещенных процессов под высоким давлением в одном аппарате. 7. Программа для ЭВМ, которая позволит рассчитывать физико-химические свойства, фазовое равновесие, кинетику фазовых переходов, кинетику процесса замены растворителя и сверхкритической сушки, обобщать полученные результаты и выдавать рекомендуемый режимы работы установки при реализации совмещенных процессов замены растворителя и сверхкритической сушки. Данная программа может быть использована для выбора параметров совмещенных процессов замены растворителя и сверхкритической сушки на различных масштабах, от лабораторного до промышленного уровня.