3.2. Моделирование химико-технологических процессов с противоположностями

В данном разделе даются методологические и математические основы исследования ряда химико-технологических процессов, в которых, по мнению автора, работает закон единства и борьбы противоположностей. Вначале дается описание химико-технологических процессов с противоположностями. Все материалы данного раздела взяты из кандидатской диссертации Сенотовой С.А., руководителем которой являлся автор данной монографии [20].

Получение ацетилена.

Получение ацетилена в генераторе по методу "сухого газообразования" заключается в разложении карбида кальция при небольшом избытке воды. Избыток воды при работе генератора практически полностью испаряется, что способствует созданию большей безопасности при эксплуатации генератора.

Превращение воды в пар сопровождается поглощением большого количества тепла.

На испарение расходуется часть реакционного тепла, поэтому получаемый ацетилен не перегревается. Он насыщен водяными парами, вследствие чего значительно менее взрывоопасен. Это является одним из важных преимуществ генераторов по методу "сухого газообразования".

Получение ацетилена осуществляется по следующей реакции:

CaC₂ + 2H₂O C₂H₂ + Ca(OH)₂ + 30,4 ккал

или

0.5 CaC₂ + H₂O  0.5 C₂H₂ + 0.5 Ca(OH)₂ + 15.2 ккал.

То есть в данном технологическом процессе вода как бы имеет два взаимно противоположных свойства: с одной стороны она способствует реакции, с другой стороны - препятствует этой реакции.

Процесс получения ацетилена является хорошим примером, иллюстрирующим гомеостатическую природу этого процесса.

С одной стороны с помощью воды выделяется тепло, с другой стороны вода поглощает тепло. В начале при разработке математической модели этот фактор не учитывался, что приводило к значительному расхождению результатов моделирования с экспериментальными данными. Когда предположили, что существует как бы две части воды, с взаимно противоположными свойствами, то получили математическую модель, результаты моделирования по которой удивительно близки к экспериментальным данным.

Полимеризация винилхлорида.

Полимеризация - это процесс образования высокомолекулярного вещества (полимера) путем взаимного соединения большого числа молекул исходного вещества (мономера).

Один из видов полимеризации - радикальная полимеризация, характеризующаяся тем, что растущая молекула имеет свободную валентность, т.е. является свободным радикалом.

Радикальная полимеризация протекает по цепному механизму. Процесс образования молекулы полимера состоит из следующих стадий: инициирование - образование первичного свободного радикала из валентно насыщенной молекулы мономера; рост цепи - последовательное присоединение к радикалу молекул мономера с сохранением свободной валентности на конце растущей молекулы; обрыв цепи - прекращение роста молекулы.

Полимеризация винилхлорида проходит в реакторах при непрерывной подаче винилхлорида и эмульсионной воды и непрерывном отборе латекса поливинилхлорида из реактора.

Количество выводимого латекса из реактора должно соответствовать суммарному количеству винилхлорида и водной фазы, поступающих в реактор.

При постоянном соотношении эмульсионной воды и винилхлорида и неизменном составе эмульсионной воды степень превращения и скорость полимеризации винилхлорида находятся в прямой зависимости от температуры полимеризации. При повышении температуры ускоряются процессы образования первичных радикалов и обрыва, что приводит к снижению молекулярного веса полимера. При понижении температуры процессы обрыва цепи и образования первичных радикалов замедляются, что способствует повышению молекулярного веса полимера.

В этом примере используется физико-химический переход: возникновение-исчезновение радикалов за счет реакций инициирования и обрыва цепи.

То есть налицо наличие взаимно противоположных сторон: с одной стороны рост цепи и образование первичных радикалов, с другой стороны замедление роста и обрыв цепи.

Процесс получения хлорноватистой кислоты.

Хлорноватистую кислоту можно получить растворением газообразного хлора при обычной температуре. Гидролиз хлора идет по следующему уравнению:

Cl₂ + H ₂O HOCl +HCl .

Реакция гидролиза хлора является хорошим примером системы с противоположностями, в которой устанавливается равновесие между прямой и обратной реакцией. В этом примере используются три системных перехода:

сочетание системы с антисистемой;

объединение неоднородных систем в надсистему;

системный переход 1в: вся система находится в равновесии, а ее части в движении.

Очевидно, можно высказать предположение, что для многих аналогичных систем подобного рода наблюдается интересное явление малого выхода продукта в состоянии равновесия. Удается путем смещения равновесия увеличить выход продукта при сохранении условий устойчивости.

Для увеличения выхода продукта равновесие необходимо смещать в сторону образования хлорноватистой кислоты. При этом возникает интересное явление: в одном и том же процессе имеют место реакции с разными масштабами скорости. Следует отметить, что это является одним из характерных признаков сложных систем.

Сдвинуть равновесие вправо в направлении образования HOCl можно, выводя из реакции любое из веществ, в правой части уравнения гидролиза хлора. Большинство действующих в промышленности производств получают хлорноватистую кислоту нужной концентрации, связывая соляную кислоту. Добиться этого проще всего прибавлением к реакционной смеси какой-нибудь щелочи. Применяя, например, NaOH, имеем:

HCl + NaOH = NaCl + H₂O.

В ответ на удаление соляной кислоты из реакционной зоны, система стремится восстановить недостаток соляной кислоты и снова выйти на положение равновесия. Это яркая демонстрация известного принципа Ле Шателье.