CC BY
17
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
DOI: 10.32743/UniChem.2021.80.2.42-49
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СИНТЕЗА ИЗО-БУТАНОЛА
Абдуллаев Джахонгир Урозалиевич
базовый докторант Национального университета Узбекистана, Республика Узбекистан, г. Ташкент
Нурмонов Сувонкул Ерханович
профессор
Национального университета Узбекистана, Республика Узбекистан, г. Ташкент
Кодиров Ориф Шарипович
доцент
Национального университета Узбекистана, Республика Узбекистан, г. Ташкент
Зиядуллаев Анвар Эгамбердиевич
преподаватель
Чирчикского государственного педагогического института,
Республика Узбекистан, г. Чирчик
Носиров Акром Худайбердиевич
магистрант
Национального университета Узбекистана Республика Узбекистан, г. Ташкент
МATHEMATICAL MODELATION OF ISO-BUTANOL SYNTHESIS
Abdullaev Jakhongir Urozalievich
basic doctoral student at National University of Uzbekistan
Uzbekistan, Tashkent
Nurmonov Suvonkul Erkhanovich
Professor of National University of Uzbekistan Uzbekistan, Tashkent
Qodirov Orif Sharipovich
Associate Professor of National University of Uzbekistan
Uzbekistan, Tashkent
Ziyadullaev Anvar Egamberdievich
Lecturer of Chirchik State Pedagogical Institute
Uzbekistan, Chirchik
Nosirov Akrom Khudaiberdievich
Master's degree from National University of Uzbekistan,
Uzbekistan, Tashkent
Библиографическое описание: Математическое моделирование процесса синтеза изо-бутанола // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Абдуллаев Д.У. [и др.]. 2021. 2(80). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/11203 (дата обращения: 05.02.2021).
АННОТАЦИЯ
Синтез насыщенных спиртов, содержащих четыре и более атомов углерода, теломерация на основе этилена и этанола, подбор оптимальных условий, обеспечивающих высокий выход продукта.
ABSTRACT
Synthesis of saturated alcohols containing four or more carbon atoms by telomerization on the base of ethylene and ethanol, selection of optimal conditions providing high product yield.
Ключевые слова: этилен, этанол, пероксид водорода, пероксид бензоила, синтез при высоком давлении, определение оптимальных условий, растворитель, поверхностно-активные вещества, теломерация, каталитические реакции.
Keywords: ethylene, ethanol, hydrogen peroxide, benzoyl peroxide, synthesis at high pressure, optimal conditions, solvent, surfactants, telomerization, catalytic reactions.
Насыщенные алифатические спирты широко используются в различных отраслях промышленности; в частности изо-бутиловый спирт - в качестве растворителя, добавки к нитроцеллюлозе и каучукам, компонента печатных красок [1] и лаков, смывки краски, компонента порфюмерии, гидравлических жидкостей [2], промежуточного продукта при производстве изо-пентанольного растворителя и других химикатов; спирты С6-Сц в основном используются в качестве пластификаторов поливинил-хлорида; а высшие спирты, содержащие С12-С18, широко используются в качестве детергентов [3]. Бутанол и высшие насыщенные спирты могут быть синтезированы на основе этилена и этилового спирта [4].
Одним из нетрадиционных способов производства спиртов, необходимых для промышленности, является их получение из низкомолекулярных спиртов посредством теломеризации. В этом методе используются низкомолекулярные спирты метанол, этанол, пропанол и бутанол в качестве телогена, а этилен как мономер при производстве высокомолекулярных спиртов. В этом случае в соответствии с исходным
спиртом образуются разные теломеры. В качестве катализаторов используются пероксид водорода или органические пероксиды [5, 6].
Актуальной проблемой является разработка технологии производства изо-бутанола в промышленном масштабе. Оптимизация технологических процессов методом математического моделирования - это современный, быстрый, недорогой, мало экспериментальный способ достижения цели, быстрое проектирование.
Математическое моделирование синтеза изо-бу-танола позволяет определить условия его образования, а также оптимальные технологические параметры.
В данной работе метод наименьших квадратов был использован в математическом моделировании на основе результатов экспериментов, проведенных по получению изо-бутанола. Полученные экспериментальные результаты и результаты расчетов оказались близкими друг к другу. В целом проблему можно сформулировать следующим образом. Наличие определенной корреляции в экспериментальных результатах показано в табл. 1.
Таблица 1.
X Х1 хп
У Ух У2 Уз Уп-1 Уп
Это требует создания аналитического отношения, которое максимально точно освещает экспериментальные результаты. Чтобы создать такие параметры, использован метод небольшого количества следующих квадратов [[х} йу^, —, В этом про-
3(а1} а2,ак) = - У{]2 =
цессе функция f{x, dyd^...j G^} должна быть установлена у, f(x,&1,&2, —| Gfc) так, чтобы результирующие квадраты были сдвигами в единицах измерения в Fj = f(x, f&2fGfc) и должны быть меньше размеров смещения (рис. 1).
1;=Л\ - /(.г.- ?iii?i (1)
Рисунок 1. Аналитическая зависимость выхода продукта от температуры
Математическое моделирование и обработка результатов синтеза состоит из двух этапов:
1. определение внешнего вида выбранной взаимосвязи по результатам эксперимента;
2. выбор коэффициента зависимости от технологических параметров У = f{xy alf CL2i ... j
определяемый с помощью Cii и других.
Условие достаточного минимума функции S(cLlla2l... j G^) (1) объясняется тем, что она равна нулю по всем своим производным. Таким образом, поиск минимальной функции определяется решением этого алгебраического уравнения.
(2)
Если параметры линейны с зависимостью функции У = [(х1 а1г а21 — I из линейного уравнения к с неизвестным к, получится следующая система (3):
-Г, (3)
В общем, в системе уравнений для расчета параметров является множественным числом и принимает вид У = 21=1 я^1-1 на уровне к — 1 — и задается системой (4):
Тогда (4) система записывается в виде матрицы.
Са = g, (5)
i+j-2
Матрица С и элемент вектора g вычисляются по формулам:
C(j — ^ j i — ljk + ljj — к + 1,
(6) (7)
На основе системы (4) был математически смоделирован процесс синтеза изо-бутанола при высоком давлении на основе этилена и этанола с использованием параметров зависимости
Г = - .V- - ■■ - [7, 8].
Результаты по синтезу изо-бутанола и его выходу при различных температуры математически смоделированы и обработаны (табл. 2).
Таблица 2.
Продукт синтеза и его выход при различных температурах
г[1] =40; г[2] =50; г[3] =60; г[4] =70 у[1]=22.8; у[2] =34.5; у[3]=53.5; у[4]=45.4
1[1] = 40 у[1] = 22.8
1[2] = 50 у[2] = 34.5
1[3] = 60 у[3] = 53.5
1[4] = 70 у[4] = 45.4
Математические расчеты синтеза изо-бутанола проводились на основе полученных результатов, представленных в табл. 3.
Таблица 3.
Полученные результаты для математической обработки
Температура, оС Продолжительность реакции, ч. Выход продукта, % Средняя скорость реакции, %/час
40 3 22,8 7,33
50 4 34,5 8,5
60 5 53,5 10,6
70 6 45,4 7,5
Модель математической обработки выходов, полученных при синтезе изо-бутанола из этилена и этанола:
Модель 1
40 50 60 70
Щ 22,8 34,5 53,5 45,4
где: ^ - температура, ^ - выход изо-бутанола.
Используя заданные значения и функцию формируется следующая система линейных уравнений:
1{гиа1}а1}аЪ}аА) = + а21{ + а2г{2 + а^
Решается система линейных уравнений (А, В, С) с использованием метода матриц:
/184026000000 2873200000 45780000 748000\ 4 = [ 2873200000 45780000 748000 12600 |
\ 45780000 V 748000
7480000 12600
12600 220
220 /
4 /
Следовательно, чтобы найти значения а21 , Я4} матрицы С, необходимо знать А~1:
1 9 5447 2703 \
1800000 40000 180000 2000
9 1823 -981 54781
40000 20000 80 100
5447 981 594053 1474773
180000 ~~80~ 360 20
-2703 5478 1474773 3296021 у
■ 2000 100 20
С = .- " " 5 позволяет найти значение матрицы С на основе формулы, и эта матрица
и следующие будут иметь значения
а1 =-0,0023668, а2 = 9270, а3 = -119,71, а4 = 5173
Исходя из полученных результатов с учетом этих значений образование изо-бутанола зависит от температуры и скорости реакции и результаты математических расчетов и экспериментов выражаются следующими функциями.
А := а^ 403 + а2 *402 + 40*а3 Н-а^ := 22,798240
f,
= а * SO3 + b * SO2 -f 50 * с -Ь d; f2 = а * 603 + b * 602 -f 60 * с -Ь d; f3 = a* 703 + b* 702 + 70 *c + d;f4
= 34,497500 = 53,496560 = 45,395380
/ = a*t3 + b*t2 + c*t + d функция и t — 40...7 0, f= 20 ...58;
На основании полученных результатов построены диаграммы образования изо-бутанола с помощью программы Maple 2018 (рис. 2).
Рисунок 2. Температурная зависимость синтеза изо-бутанола: (а-экспериментально, б - математическим моделированием)
Проведенные расчеты показывают, что при математической обработке выход продукта, имеет точность 98%, что близко к экспериментальным данным.
Следовательно, экспериментальные результаты также основывались на скорости реакции. В этом
процессе Модель 2 была получена на основе данные табл. 1:
Модель 2.
и 40 50 60 70
А 7,6 8,62 10,7 7,56
щ 22,8 34,5 53,5 45,4
где: ^ - температура, - скорость реакции, Щ - выход изо-бутанола.
На основе этих результатов разработано несколько функций.
/С^Л, а^а^аз^) = а^ н- а2Ь(2 н- +
Используя заданные значения этих функций сформулирована следующая система линейных
уравнений, и если ее упростить, то она выглядит следующим образом:
На основе линейных систем для процесса формируют матрицы К, Ь и и, которым задаются следующие значения:
К =
12600 748000
748000 45780000
109274.00 6.46818000 * 10Л6 16895.7720 970393.6400
109274.00 16895.7720
6.46818000* 10л6 970393.6400
970393.6400 153332.5015
153332.5015 25231.85555.
Используя формулу I = К'1 * и, находят пределы матрицы Ь (а^С^йз,^) и при этом получаются следующие результаты:
а1 = -142979756350144, а2 = 0.284994001094674е - 2, а3 = 0.0750329624543156, = 0.0364723829334253
На основании полученных значений с использованием этой функции f{ti}dif &у&2проведенные
экспериментальные химические эксперименты показывают, что точность достигает 97%.
Ji != Й! * 40 + а2 * 402 + 40 * 7.33 * а3 + 7. ЗЗ2 * а4; ^ •= 22.80000098 f2 := а! * 50 + а2 * 502 + 50 * 8,5 * а3 + 8.132 * а4; f2 ! = 34,49999863 f3 := а: *60 + а2 *60 + 60* 10,6* а3 + 10,б2 *a4;f3 := 53,50000040 f4 := ai * 70 4- а2 * 702 + 70 * 7,5 * а3 + 7,52 * а4; f4 := 45,40000014
На основании полученных результатов была создана температурно-зависимая иконограмма синтеза изо-бутанола (рис. 3).
Рисунок 3. Иконограммы температурной зависимости синтеза изо-бутанола: (а - на практике, б - математическим моделированием)
Выполненные расчеты показали, что точность полученных экспериментальных результатов составляет 98%, при их математической обработке на основе данных по выходу продукта и скорости реакции.
Таким образом, определены альтернативные условия и оптимальные технологические параметры производства продукта математической обработкой и моделированием результатов, полученных при синтезе изо-бутанола на основе этилена под высоким
давлением. Математическое моделирование результатов по средней скорости реакции, анализ кинетических параметров синтеза изо-бутанола, графиков аналитических функций и кинетических параметров позволили осуществить его синтез с максимальным выходом 53,5% при продолжительности реакции 5 ч и температуре 60 °C.
Список литературы:
1. Hahn H.-D., Dambkes G., Rupprich N., Bahl H., Frey G.D. Butanols // Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. - Wiley. - 2013.
2. Gangolli S. (1999), The Dictionary of Substances and Their Effects, 5 (2 ed.), London: Royal Society of Chemistry, p. 523, ISBN 978-0-85404-828-1, retrieved 2010-01-17
3. Falbe Jürgen; Bahrmann, Helmut; Lipps, Wolfgang; Mayer, Dieter. "Alcohols, Aliphatic". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley-VCH.
4. В.В. Лисицкий, З.Г. Расулев, А.С. Лапонов, И.М. Борисов, Х.С. Вахитов. //Способ получения алифатических спиртов, содержащих три и более атомов углерода. 10.01.2004
5. Abdullaev J.U., Nurmanov S.E., Parmanov A.B., Mirkhamitova D.X. Synthesis of aliphatic alcohols on the base on ethylene//National Association of Scientists. Yekaterinburg, Russia, -2020, № 60. P. 34-36.
6. A.B. Parmanov, S.E. Nurmonov, Sh. Djumagulov, J. Isomiddonov. Synthesis of divinyl ester of adipic acid // European Journal of Molecular & Clinical Medicine. ISSN: 2515-8260. Vol. 07, Iss. 07, 2020. P. 909-920.
7. Н.В. Ушева, О.Е. Мойзес, О.Е. Митянина, Е.А. Кузьменко. Математическое моделирование химико-технологических процессов: учебное пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. - Ст. 135.
8. Ziyadullayev A.E., Nurmonov S.E., Parmonov A.B., Jumartova U.U.,Mavloniy M.I. Mathematical processing of the results of synthesis of vinyl ethers of cyanuric acid. Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe Poland (East European Scientific Journal) № 3(55), 2020.
