МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АЭРОГЕЛЕЙ
Аннотация
Проведен анализ технологий получения неорганических аэрогелей на основе диоксида кремния, используемых для производства теплоизоляционных материалов. Приведено описание процесса сверхкритической сушки для получения высокоэффективных теплоизоляционных материалов на основе неорганических аэрогелей, приведены основные технологические параметры Описана технологическая схема основного этапа получения аэрогелей - процесса сверхкритической сушки. Промышленная установка, в разработке которой принимали участие авторы, находится в ООО «Ниагара», г. Щелково. Для данного производства разработана математическая модель с использованием программного пакета CHEMCAD, позволяющего строить материальный и тепловой балансы как отдельных аппаратов, так и технологической схемы в целом. Технологическая схема процесса сушки в среде сверхкритического диоксида углерода включает следующие аппараты: автоклавы высокого давления (70 л), компрессор, сепаратор, теплообменник, насос хладагента, конденсатор. В статье приведены основные уравнения для расчета параметров работы вышеперечисленного оборудования (мощность, энтальпия, давление и пр.), а также уравнения, используемые при расчете экономических затрат (на сырье, электрическую энергию и пр.). Были проведены расчеты по уравнениям модели, построенной в среде CHEMCAD, и исследовано влияние различных параметров на энерго- и ресурсосбережение процесса. Проведен расчет влияния изопропилового спирта на расход диоксида углерода. Построена зависимость температуры после дросселирования потока сверхкритического диоксида углерода от содержания в нем растворителя (изопропилового спирта), иллюстрирующая возможность снижения количества подводимого тепла на начальных этапах ведения процесса сушки. По полученным данным проведен анализ энергетических и экономических затрат на проведение процесса сверхкритической сушки. На основе математической модели определен энерго- и ресурсоэффективный способ технологического оформления процесса сверхкритической сушки. Установлено уменьшение энергетических и экономических затрат технологической схемы с использованием тепла после компримирования.
Для цитирования:
Шиндряев А.В., Лебедев А.Е., Меньшутина Н.В. Моделирование технологической схемы при получении теплоизоляционных материалов на основе аэрогелей. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2022. Т. 65. Вып. 12. С. 87-95. DOI: 10.6060/ivkkt.20226512.6646.
Литература
Mohammad S. Al-Homoud. Performance characteristics and practical applications of common building thermal insulation materials. Build. Environ. 2012. V. 40 (3). P. 353–366. DOI: 10.1016/j.buildenv.2004.05.013.
Abdou A., Budaiwi I. The variation of thermal conductivity of fibrous insulation materials under different levels of moisture content. Construct. Build. Mater. 2013. V. 43. P. 533-534. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2013.02.058.
Bahadori Alireza. Thermal Insulation Handbook for the Oil, Gas, and Petrochemical Industries. Lismore, NSW, Austral-ia: School of Environment, Science & Engineering, Southern Cross University. 2015. 416 p.
Mulder C.A.M., Van Lierop J.G. Aerogels. Berlin: Springer. 1986. 68 p. DOI: 10.1007/978-3-642-93313-4_8.
Hajar Maleki, Luisa Durães, António Portugal. An over-view on silica aerogels synthesis and different mechanical reinforcing strategies. J. Non-Cryst. Solids. 2014. 385. P. 55–74. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2013.10.017.
Hailong Yang, Xiangming Kong, Yanrong Zhang, Chunchao Wu, Enxiang Cao. Mechanical properties of polymer-modified silica aerogels dried under ambient pressure. J. Non-Cryst. Solids. 2014. 357 (19). P. 3447–3453. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2011.06.017.
Dylan J. Boday, Beatrice Muriithi, Robert J. Stover, Douglas A. Loy. Polyaniline nanofiber–silica composite aerogels. J. Non-Cryst. Solids. 2012. 358 (12). P. 1575–1580. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2012.04.020.
Bo Yuan, Shuqiang Ding, DongdongWang, Gang Wang, Hongxia Li. Heat insulation properties of silica aero-gel/glass fiber composites fabricated by press forming. Mater. Lett. 2012. 75. P. 204–206. DOI: 10.1016/j.matlet.2012.01.114.
Kyung Wha Oh, Duk Ki Kim, Seong Hun Kim. Ultraporous flexible PET/Aerogel blanket for sound absorption and thermal insulation, Fibers Polym. 2018. 10 (5). P. 731–737. DOI: 10.1007/s12221-010-0731-3.
René Pirard, Arnaud Rigacci, J.C. Marechal, D. Quenard, Br Chevalier, Patrick Achard, Jean-Paul Pirard. Characterization of hyperporous polyurethane-based gels by nonintrusive mercury porosimetry. Polymer. 2003. 44 (17). P. 4881–4887. DOI: 10.1016/S0032-3861(03)00481-6.
Gangqiang Geng, Suqing Wen, Huan Wang. Study on dispersion polymerization process of silica aero-gel/polystyrene coreshell composite particles. Res. Mater. Sci. 2013. 2 (2). P. 16–22.
Hyung Min Kim, Ye Ji Noh, Jaesang Yu, Seong Yun Kim, Jae Ryoun Youn. Silica aerogel/polyvinyl alcohol (PVA) insulation composites with preserved aerogel. Compos. Pt. A: Appl. Sci. Manufact. 2015. V. 75. P. 39-45. DOI: 10.1016/j.compositesa.2015.04.014.
Cabot Corporation. Cabot Corporation. URL: http://www.cabotcorp.com/.
Aspen Aerogels Industrial Aerogel Insulation. URL: http://www.aerogel.com/.
Koebel M., Rigacci A., Achard P. Aerogel-based thermal superinsulation: an overview. J Sol-Gel Sci Technol. 2012. V. 63 (3). P. 315–339. DOI: 10.1007/s10971-012-2792-9.
Akimov Y.K. Fields of application of aerogels (Review). Instrum. Experim. Techn. 2003. V. 46. N 3. P. 287-299. DOI: 10.1023/A:1024401803057.
Dorcheh A.S., Abbasi M.H. Silica aerogel; synthesis, properties and characterization. J. Mater. Proc. Technol. 2016 V. 199. N 1-3. P. 10-26. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2007.10.060.
Karanevskaya T.N., Shumikhin A.G. Modeling of technological processes for algorithmization of problem of management of oil field treatment facilities. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 2. P. 84-90 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20206302.6100.
Gumerova G.I., Nuretdinov R.R., Rezhevsky P., Kopitovski E., Gumerov F.M. Technical and economic optimiza-tion of the process of separation of an aqueous solution of ethylene oxide by supercritical extraction. Vestn. Kazan. Tekhnol. Univ. 2003. V. 2. P. 391-397 (in Russian).
Ryzhov D.A., Shakirova A.M., Koshkina L.Yu. Optimization of operating modes of a biodiesel fuel production unit in ChemCad. Vestn. Kazan. Tekhnol. Univ. 2016. V. 18. P. 160-163.
Torres-Ramón E., García-Rodríguez C.M., Estévez-Sánchez K.H., Ruiz-López I.I., Rodríguez-Jimenes G.C., Romero de la Vega G., García-Alvarado M.A. Optimization of a coconut oil extraction process with supercritical CO2 considering economical and thermal variables. J. Supercrit. Fluids. 2021. V. 170. P. 105160. DOI: 10.1016/j.supflu.2020.105160.
Yong-qiang Feng, Wei Zhang, Hassan Niaz, Zhi-xia He, Shuang Wang, Xin Wang, Yu-zhuang Liu. Parametric analysis and thermo-economical optimization of a Supercritical-Subcritical organic Rankine cycle for waste heat utilization. Energy Conversion Management. 2021. V. 212. P. 112773. DOI: 10.1016/j.enconman.2020.112773.
