Введение

В современной химической технологии задача получения углеродных материалов с заданными структурно-сорбционными характеристиками требует перехода от эмпирического подбора параметров к строгому математическому планированию эксперимента. Процесс физической (паровой) активации лигноцеллюлозного сырья представляет собой сложную гетерогенную систему, в которой кинетика химической реакции осложняется внутридиффузионным и внешнедиффузионным торможением [1].

Целью данной работы является расчет и обоснование оптимальных режимов термохимической переработки различных видов растительного сырья (скорлупы кокоса, косточек абрикоса, древесины клена американского и биомассы борщевика Сосновского) на основе математического моделирования процессов тепломассообмена.

Методика оптимизации и математическое моделирование

Оптимизация процесса паровой активации проводилась путем решения многокритериальной задачи, где целевыми функциями выступали максимизация удельной поверхности (БЭТ) и объема целевых пор (микро- или мезопор в зависимости от типа сырья) при ограничении потерь массы (обгар не более 45–50 %).

Для описания процесса были разработаны математические модели, учитывающие аэродинамику потока активирующего агента (водяного пара) и тепловыделение в слое углеродного материала. В основу расчетов легла модель аппарата сушки и активации — шахтного реактора. Особое внимание уделялось формулировке краевых условий, определяющих тепло- и массоперенос на границе раздела фаз «поверхность частицы — парогазовая смесь» [2].

Поиск оптимальных параметров (скорости нагрева, температуры изотермической выдержки на каждой ступени, расхода пара) осуществлялся с использованием специализированных численных алгоритмов. Решение системы дифференциальных уравнений в частных производных позволило получить пространственно-временные профили температур и концентраций реагентов внутри реактора и определить зоны диффузионного голодания.

Результаты и их обсуждение

Результаты численного моделирования показали, что для плотных материалов (косточки абрикоса и скорлупа кокоса) традиционный изотермический режим активации при 850–900 °C является неоптимальным. Из-за высокого диффузионного сопротивления реакция газификации локализуется на внешней поверхности гранул. Оптимизированный режим, рассчитанный с помощью модели, представляет собой двухстадийный профиль: первая стадия — медленный прогрев до 750 °C (скорость 5 °C/мин) с умеренной подачей пара для вскрытия микропор; вторая стадия — кратковременный (15–20 мин) термический удар при 870 °C с увеличенным расходом реагента для расширения устьев пор [3].

Для прекурсоров с низкой насыпной плотностью и развитой макропористой структурой (американский клен, борщевик Сосновского) математическая модель показала иные оптимальные краевые условия. Для предотвращения проскока пара и неравномерной активации слоя в шахтном реакторе потребовалась корректировка гидродинамического режима. Оптимальная температура активации составила 800–820 °C при непрерывной подаче пара, что обеспечило развитие транспортных мезопор без разрушения углеродного каркаса стеблей борщевика.

Таблица 1

Оптимизированные режимы активации и характеристики материалов

Сравнение расчетных данных с результатами натурных экспериментов продемонстрировало высокую сходимость (ошибка не превышает 5–7 %). Применение разработанных численных алгоритмов позволило сократить время выхода на заданные сорбционные параметры и снизить энергозатраты на проведение процесса активации [4].

Заключение

В ходе работы решена задача оптимизации режимов паровой активации углеродных материалов растительного происхождения. Использование математического аппарата для моделирования тепло- и массопереноса в шахтном реакторе с учетом заданных краевых условий доказало свою эффективность. Рассчитанные с помощью численных алгоритмов технологические режимы (температурные профили и расходы пара) позволили направленно формировать микропористую структуру для плотных прекурсоров (абрикосовые косточки) и мезопористую — для рыхлой биомассы (борщевик, клен). Разработанная методология оптимизации может быть использована при масштабировании процессов получения активных углей в промышленности [5].

Благодарности

Работа выполнена за счет гранта, предоставленного Академией наук Республики Татарстан образовательным организациям высшего образования, научным и иным организациям на поддержку планов развития кадрового потенциала в части стимулирования их научных и научно-педагогических работников к защите докторских диссертаций и выполнению научно-исследовательских работ (Соглашение № 10/2025-ПД-КНИТУ от 22.12.2025)

Литература:

1. Safin, R. G. Thermophysical Justification of Slow Conductive Pyrolysis of Plant Raw Materials due to Internal Energy Sources of Thermal Decomposition / R. G. Safin, V. G. Sotnikov // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. — 2025. — Vol. 59, No. 4. — P. 954–961. — DOI 10.1134/S0040579525602547
2. Safin, R. G. Characteristics of Granular Activated Carbon Produced from a Mixture of Plant Waste Raw Materials / R. G. Safin, V. G. Sotnikov // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. — 2025. — Vol. 59, No. 4. — P. 962–969. — DOI 10.1134/S0040579525602559.
3. Сотников, В. Г. Безотходная технология получения гранулированного активированного угля из каменноугольной мелкодисперсной пыли и отходов органического происхождения / В. Г. Сотников // Уголь. — 2025. — № 11(1199). — С. 20–23. — DOI 10.18796/0041–5790–2025–11–20–23.
4. Сафин, Р. Г. Термическая переработка костры масличного льна в активированный уголь / Р. Г. Сафин, В. Г. Сотников // Химия растительного сырья. — 2024. — № 1. — С. 347–353. — DOI 10.14258/jcprm.20240112026.
5. Сафин, Р. Г. Характеристики гранулированного активированного угля из смеси отходов растительного сырья / Р. Г. Сафин, В. Г. Сотников // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. — 2024. — Т. 335, № 7. — С. 196–205. — DOI 10.18799/24131830/2024/7/4386.