Математическое моделирование пиролиза резиновых отходов в горизонтальном цилиндрическом реакторе
М.Е. Соловьев, М.И. Маркин
Вестник ИГЭУ, 2024 г. выпуск 2, сс. 92—99
Скачать PDF
Состояние вопроса. Переработка амортизованных резиновых изделий представляет собой важную экологическую и технико-экономическую проблему. Среди различных способов переработки таких отходов одним из наиболее эффективных является процесс пиролиза, поскольку позволяет получать топливо и энергию, а также обеспечивает возможность вторичного использования технического углерода и металла. Математическое моделирование данного процесса необходимо для решения задач оптимизации и автоматизированного управления. В связи с этим моделирование процесса пиролиза в горизонтальных цилиндрических реакторах периодического типа, которые в настоящее время получают все большее распространение, является актуальной задачей.
Материалы и методы. Для математического описания процесса используется модель с распределенными параметрами в виде двумерного уравнения теплопроводности и системы уравнений химической кинетики реакций термодеструкции полимера. Решение поставленной задачи осуществляется численно методом конечных элементов.
Результаты. В результате численного решения уравнений математической модели получены нестационарные распределения температуры и степени превращения углеводородов по сечению реактора при неоднородном его заполнении. Исследована кинетика реакции термодеструкции полимера в реакторах разного диаметра.
Выводы. Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования кинетики деструкции материала при заданных условиях нагрева реактора, что может быть полезным при конструировании реакторов и автоматизации управления процессом пиролиза.
1. An Overview of Rubber Recycling / S. Bandyopadhyay, S.L. Agrawal, R. Ameta, et al. // Progress in Rubber, Plastics and Recycling Technology. – 2008. – Vol. 24, No. 2. – P. 73–112. DOI.org/10.1177/147776060802400201.
2. Kaminsky W., Mennerich C., Zhang Z. Feedstock recycling of synthetic and natural rubber by pyrolysis in a fluidized bed // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. – 2009. – Vol. 85, No. 1–2. – P. 334–337. DOI.org/10.1016/j.jaap.2008.11.012.
3. Waste tyre pyrolysis – Impact of the process and its products on the environment / D. Czajczyńska, K. Czajka, R. Krzyżyńska, H. Jouhara // Thermal Science and Engineering Progress. – 2020. – Vol. 20. – Р. 100690. DOI.org/10.1016/j.tsep.2020.100690.
4. Хожиева Р.Б., Хайитов Р.Р. Исследование процесса получения углеводородов из резиновых отходов // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. – 2021. – Вып. 6(87). – URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11903
5. Чич С.К. Пиролиз как оптимальный метод утилизации отработанных автомобильных шин // Новые технологии. – 2009. – № 3. – С. 23–27.
6. Папин А.В., Игнатова А.Ю., Макаревич Е.А. Пути утилизации отработанных автошин и анализ возможности использования технического углерода пиролиза отработанных автошин // Вестник КузГТУ. – 2015. – № 2(108). – C. 96–100.
7. Исследование физико-химических характеристик твердого остатка пиролиза резинотехнических изделий / О.В. Касьянова, Д.С. Шапранко, Ю.Н. Дудникова, З.Р. Исмагилов // Вестник КузГТУ. – 2019. – № 2(132). – C. 101–110.
8. The Development of a Waste Tyre Pyrolysis Production Plant Business Model for the Gauteng Region, South Africa / N. Nkosi, E. Muzenda, T.A. Mamvura, et al. // Processes. – 2020. – Vol. 8, No. 7. – P. 766–774. DOI.org/10.3390/pr8070766.
9. Rani S., Agnihotri R. Recycling of scrap tyres // International Journal of Materials Science and Applications. – 2014. – Vol. 3, No. 5. – P. 164–167. DOI.org/10.11648/j.ijmsa.20140305.16.
10. Opportunities and barriers for producing high quality fuels from the pyrolysis of scrap tires / I. Hita, M. Arabiourrutia, M. Olazar, et al. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2016. – Vol. 56. – P. 745–759. DOI.org/10.1016/j.rser.2015.11.081.
11. Демьянова В.С., Камбург В.Г., Дярькин Р.А. Моделирование процесса утилизации продуктов переработки изношенных автомобильных шин в промышленности строительных материалов // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2012. – № 2/10(56). – C. 50–52.
12. Гусев А.Д., Петухова Н.А., Карпухин Г.А. К вопросу переработки изношенных автомобильных шин // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2014. – № 6. – C. 11–14.
13. Моделирование процесса переработки изношенных автомобильных шин при их утилизации / И.В. Лучин, И.Н. Кравченко, М.Ю. Конкин, И.А. Золотов // Современные наукоемкие технологии. – 2014. – № 6. – C. 20–24.
14. Собкалов А.В., Пименова М.А., Ивахнюк Г.К. Математическое моделирование окислительного пиролиза автошин в барабанных печах // Вестник Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России. – 2013. – № 4. – C. 49–58.
15. Попов С.К., Ванюшкин В.Д., Валинеева А.А. Моделирование и исследование процесса охлаждения твердых продуктов пиролиза отработанных шин // Вестник МЭИ. – 2020. – № 6. – С. 18–28. DOI: 10.24160/1993-6982-2020-6-18-28.
16. Суханов О.И., Жагфаров Ф.Г., Ишмурзин А.A. Моделирование процесса утилизации отходов // НефтеГазоХимия. – 2021. – № 3–4. – С. 66–73. DOI:10.24412/2310-8266-2021-3-4-66-73.
17. Моделирование процесса пиролиза резин на основе нейросетей / Т.Б. Минигалиев, В.П. Дорожкин, О.А. Коробейникова, С.Н. Гусев // Вестник Казанского технологического университета. – 2010. – № 11. – С. 195–200.
18. Липанов А.М., Болкисев А.А. О моделировании термического разложения полибутадиена с учетом образования полимерного каркаса // Химическая физика и мезоскопия. – 2013. – Т. 15, № 2. – С. 236–241.
19. Моделирование кинетики термодеструкции резин при пиролизе резиновых отходов / М.Е. Соловьев, В.Ф. Каблов, С.Л. Балдаев, М.О. Федорова // От химии к технологии шаг за шагом. – 2023. – Т. 4, вып. 1. – С. 70–85. – URL: http://chemintech.ru/index.php/tor/2023-4-1
20. Kinetic study of the effect of the heating rate on the waste tyre pyrolysis to maximise limonene production / N.M. Mkhize, B. Danon, P. van der Gryp, J.F. Görgens // Chemical Engineering Research and Design. – 2019. – Vol. 152. – P. 363–371. DOI.org/10.1016/j.cherd.2019.09.036.
21. Dick D.T., Agboola O., Ayeni A.O. Pyrolysis of waste tyre for high-quality fuel products: A review // AIMS Energy. – 2020. – No. 8(5). – P. 869–895. DOI: 10.3934/energy.2020.5.869.
22. A Review on the Thermochemical Recycling of Waste Tyres to Oil for Automobile Engine Application / M.I. Jahirul, F.M. Hossain, M.G. Rasul, A.A. Chowdhury // Energies. – 2021. – No. 14(13). – P. 3837. DOI.org/10.3390/en14133837.
23. Lewandowski W.M., Januszewicz K., Kosakowski W. Efficiency and proportions of waste tyre pyrolysis products depending on the reactor type – A review // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. – 2019. – Vol. 140. – P. 25–53. DOI.org/10.1016/j.jaap.2019.03.018.