chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2019-14-1-39-46chemicallytech-186Research ArticleTHEORETICAL BASIS OF CHEMICAL TECHNOLOGYТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИFUNCTIONAL MODELING OF CARBON SORBENTS SYNTHESIS CONTROLФУНКЦИОНАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УПРАВЛЕНИЯ СИНТЕЗОМ УГЛЕРОДНЫХ СОРБЕНТОВБурляевВ. В.BurlyaevV. V.

кандидат технических наук, профессор кафедры информационных систем в химической технологии 

119571, Россия, Москва, пр. Вернадского, д. 86

Ph.D. (Engineering), Professor, Chair of Information Systems in Chemical Technology,

86, Vernadskogo pr., Moscow, 119571, Russia

noemail@neicon.ruБурляеваЕ. В.BurlyaevaE. V.

доктор технических наук, профессор кафедры информационных систем в химической технологии

119571, Россия, Москва, пр. Вернадского, д. 86

D.Sc. (Engineering), Professor, Chair of Information Systems in Chemical Technology,

86, Vernadskogo pr., Moscow, 119571, Russia

burlyaeva@mirea.ruНиколаевА. И.NikolaevA. I.

доктор технических наук, профессор кафедры технологии нефтехимического синтеза и искусственного жидкого топлива им. А.Н. Башкирова

119571, Россия, Москва, пр. Вернадского, д. 86

D.Sc (Engineering), Professor, A.N. Bashkirov Chair of Petrochemical Synthesis and Synthetic Liquid Fuel Technology,

86, Vernadskogo pr., Moscow, 119571, Russia

noemail@neicon.ruПешневБ. В.PeshnevB. V.

доктор технических наук, профессор кафедры технологии нефтехимического синтеза и искусственного жидкого топлива им. А.Н. Башкирова

119571, Россия, Москва, пр. Вернадского, д. 86

D.Sc (Engineering), Professor, A.N. Bashkirov Chair of Petrochemical Synthesis and Synthetic Liquid Fuel Technology,

86, Vernadskogo pr., Moscow, 119571, Russia

noemail@neicon.ruМИРЭА - Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова)РоссияMIREA - Russian Technological University (M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies)Russian Federation2019280220191413946Copyright © Burlyaev V.V., Burlyaeva E.V., Nikolaev A.I., Peshnev B.V., 20192019Бурляев В.В., Бурляева Е.В., Николаев А.И., Пешнев Б.В.Burlyaev V.V., Burlyaeva E.V., Nikolaev A.I., Peshnev B.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/186

The formalized model of carbon sorbent synthesis control based on the methodology for functional modeling is constructed. The correlations between the directions of use and the properties of carbon sorbents are revealed. The characteristics that are essential regardless of the direction of use of the sorbent, in particular, sorption properties and strength are identified. The technologies based on the gas-phase method of obtaining carbon material are considered, the analysis of individual stages of the process of obtaining carbon sorbents is carried out. The analysis of the influence of the technological parameters of the synthesis on the properties of sorbents is carried out. On the basis of the established relationships, a functional model has been built that provides a hierarchically ordered, structured, visual description of the management of carbon sorbent synthesis. The simulation is performed “from top to bottom” from the most general description to the detail. The resulting model is a set of interrelated graphical diagrams. At the initial stage, the synthesis of carbon sorbent is considered as a single process, the input parameters of which are hydrocarbon gas, the activating agent and the material form factor, the output - carbon sorbent, and the control parameters are the requirements for strength and sorption properties. Then the synthesis process is decomposed. The control processes (analysis of raw material properties and matrix selection), technological processes (raw material preparation) and mixed processes are distinguished as a result of decomposition. The model includes a consistent description of the technological parameters selection (temperature, gas flow and time) for both stages of the synthesis process. The model is the base for information support providing for the production of carbon sorbents with the required properties.

В рамках методологии функционального моделирования построена формализованная модель управления синтезом углеродных сорбентов. Выявлены взаимосвязи между направлениями использования и свойствами углеродных сорбентов. Выделены характеристики, которые являются существенными независимо от направления использования сорбента, в частности, сорбционные свойства (удельная адсорбционная поверхность, сорбционная активность) и прочность. Рассмотрены технологии, базирующиеся на газофазном способе получения углеродного материала, выполнен анализ отдельных стадий процесса получения углеродных сорбентов. Сформировано описание влияния технологических параметров синтеза на свойства сорбентов. На основе установленных взаимосвязей построена функциональная модель, которая обеспечивает иерархически упорядоченное, структурированное, наглядное описание управления синтезом углеродных сорбентов. Моделирование выполнено «сверху вниз» - от наиболее общего описания к детализации. Результирующая модель представляет собой совокупность взаимосвязанных графических диаграмм. На начальном этапе синтез углеродного сорбента рассматривается как единый процесс, входными параметрами которого являются углеводородный газ, активирующий агент и фактор формы материала, выходным - углеродный сорбент, а управляющими - требования к прочности и сорбционным свойствам. Далее процесс синтеза декомпозируется. В результате декомпозиции выделены процессы управления (анализ свойств сырья и выбор матрицы), технологические процессы (подготовка сырья) и смешанные процессы. Модель включает в себя последовательное описание подбора технологических параметров (температуры, расхода газа и времени) для обеих стадий процесса синтеза. Модель является основой обеспечения информационной поддержки производства углеродных сорбентов с требуемыми свойствами.

углеродные сорбентыфункциональное моделированиепироуплотнениеактивацияуправление синтезом углеродных сорбентовcarbon sorbentsfunctional modelingpyrolytic carbon coatingactivationcarbon sorbents synthesis controlReferencesБурляева Е.В., Разливинская С.В., Трегубов А.В. Разработка и применение обобщенной функциональной модели одностадийного химического производства // Прикладная информатика. 2016. Т. 11. № 1 (61). С. 64-70.Burlyaeva E.V., Razlivinskaya S.V., Tregubov A.V. Development and application of the generalized functional model of one-stage chemical manufacturing. Prikladnaya informatika (Journal of Applied Informatics). 2016; 11(1): 64-70. (in Russ.)Рекомендации по стандартизации. Информационные технологии поддержки жизненного цикла продукции. Методология функционального моделирования. М.: Госстандарт России. 2001. 19 с.Recommendations for standardization. Information support technology of the life cycle product. Functional modeling methodology. Moscow: Gosstandart Publ., 2001. 19 p. (in Russ.).Бурляев В.В., Бурляева Е.В., Николаев А.И., Пешнев Б.В., Разливинская С.В. Функциональное моделирование управления синтезом углеродных нановолокон // Вестник МИТХТ. 2014. Т. 9. № 3. С. 9 8-104.Burlyaev V.V., Burlyaeva E.V., Nikolaev A.I., Peshnev B.V., Razlivinskaya S.V. Functional modeling of carbon nanotubes synthesis control. Vestnik MITHT (Fine Chemical Technologies). 2014; 9(3): 98-104. (in Russ.)Ерушева К.И., Колыбанов К.Ю., Тишаева И.Р. Функциональное моделирование процесса выбора наилучшей доступной технологии // Тонкие химические технологии. 2017. Т. 12. № 4. С. 98-105.Erusheva K.I., Kolybanov K.Yu., Tishaeva I.R. Process functional modeling of the best available technique choosing. Tonkie khimicheskie tekhnologii (Fine Chemical Technologies). 2017; 12(4): 98-105. (in Russ.)Мухин В.М., Тарасов А.В., Клушин В.Н. Активные угли России. Под общ. ред. проф. А.В. Тарасова. М.: Металлургия, 2000. 352 с.Mukhin V.M., Tarasov A.V., Klushin V.N. Active carbons of Russia. Moscow: Metallurgiya Publ. 2000. 352 p. (in Russ)Кривонос О.И., Плаксин Г.В. Пористые углерод-минеральные материалы на основе сапропелевого сырья // Химия твердого топлива. 2015. № 1. С. 39-42.Krivonos O.I., Plaksin G.V. Porous carbonmineral materials based on sapropels. Solid Fuel Chemistry (Khimiya tverdogo topliva). 2015; 49(1): 36-40.Передерий М.А., Носкова Ю.А., Карасёва М.С., Коновалов П.Н. Новые углеродные сорбенты // Химия твердого топлива. 2009. № 6. С. 36-46.Perederiy M.A., Noskova Yu.A., Karaseva M.S., Konovalov P.N. New carbon sorbents. Khimiya tverdogo topliva (Solid Fuel Chemistry). 2009; 6: 36-46. (in Russ.)Плаксин Г.В., Бакланова О.Н., Лавренов А.В., Лихолобов В.А. Углеродные материалы семейства сибунит и некоторые методы регулирования их свойств // Химия твердого топлива. 2014. № 6. С. 26-32.Plaksin G.V., Baklanova O.N., Lavrenov A.V., Likholobov V.A. Carbon materials from the sibunit family and methods for controlling their properties. Solid Fuel Chemistry (Khimiya tverdogo topliva).. 2014; 48(6): 349-355.Суровикин Ю.В., Лихолобов В.А., Сергеев В.В., Макаров И.В. Применение новых углерод-углеродных сорбентов для очистки технологических растворов от органических примесей в гидрометаллургии кобальта // Химия твердого топлива. 2014. № 6. С. 47-56.Surovikin Y.V., Likholobov V.A., Sergeev V.V., Makarov I.V. Application of new carbon-carbon sorbents for technological solutions purifying from organic impurities in hydrometallurgy cobalt. Solid Fuel Chemistry (Khimiya tverdogo topliva). 2014; 48(6):Пьянова Л.Г., Бакланова О.Н., Лихолобов В.А., Лавренов А.В., Седанова А.В. Модифицированные углеродные сорбенты: синтез, свойства и применение // Материалы 10-й Междунар. конф. «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология». Россия, Москва, г. Троицк. 6-9 июня 2016 г. С. 359.371-381.Суровикин В.Ф., Суровикин Ю.В., Цеханович М.С. Новые направления в технологии получения углерод-углеродных материалов. Применение углерод-углеродных материалов // Российский химический журнал. 2007. Т. 51. № 4. С. 111-119.P’yanova L.G., Baklanova O.N., Likholobov V.A., Lavrenov A.V., Sedanova A.V. Modified carbon sorbents: Synthesis, properties and application. Proceedings of the 10th Int. Conf. «Carbon: Fundamental Problems of Science, Materials Science, Technology»). Russia, Moscow, Troitsk. 6–9 June 2016. P. 359. (in Russ.).Плаксин Г.В. Пористые углеродные материалы типа сибунита // Химия в интересах устойчивого развития. 2001. Т. 9. № 5. С. 609-620.Surovikin V.F., Surovikin Yu.V., Tsekhanovich M.S. New trends in the technology of carbon-carbon materials obtaining. Application of carbon-carbon materials. Russian J. General Chemistry. 2007; 77(12): 2301-2310.Поляков Н.С., Петухова Г.А., Суровикин В.Ф. Адсорбционные свойства и пористая структура новых углеродных материалов // Известия Академии наук. Серия химическая. 1993. № 8. С. 1377-1380.Plaksin G.V. Porous carbon materials as sibunit. Khimiya v interesah ustojchivogo razvitiya (Chemistry for Sustainable Development). 2001; 9(5): 609-620. (in Russ.).Суровикин Ю.В., Суровикин В.Ф., Цеханович М.С., Лихолобов В.А. Новый углеродный катализатор для химических процессов // Российский химический журнал. 2006. Т. 50. №1. С. 58-59.Polyakov N.S., Petukhova G.A., Surovikin V.F. Adsorption properties and porous structure of new carbon materials. Izvestiya Akademii nayk (Proceedings of the Academy of Sciences. Chemical series). 1993; 8: 1377-1380. (in Russ.)Гаврилов В.Ю., Фенелонов В.Б., Чувилин А.Л., Плаксин Г.В., Суровикин В.Ф., Ермаков Ю.И., Семиколенов В.А. Изучение морфологии и пористой структуры композиционных углерод-углеродных материалов // Химия твердого топлива. 1990. № 2. С. 125-129.Surovikin Yu.V., Surovikin V.F., Tsekhanovich M.S., Lykholobov V.A. New carbon catalyst for chemical processes. Rossijskij khimicheskij zhurnal (Russian Chemical Journal). 2006; 50(1): 58-59. (in Russ.)Николаев А.И. Получение углерод-углеродных композиционных материалов на основе углеродных нановолокон газофазным способом // Тонкие химические технологии. 2015. Т. 10. № 2. С. 61-66.Gavrilov V.Yu., Fenelonov V.B., Chuvilin A.L., Plaksin G.V., Surovikin V.F., Ermakov Yu.I., Semikolenov V.A. The morphology and porous structure study of composite carbon-carbon materials. Khimiya tverdogo topliva (Solid Fuel Chemistry). 1990; 2: 125-129. (in Russ.)Сырьева А.В., Суровикин Ю.В. Влияние температуры синтеза пироуглеродной матрицы на её активацию водяным паром // «Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства». Материалы 7-й Междунар. науч.-техн. конф. 2017. С. 158-159.Nikolaev A.I. The production of carbon-carbon composite materials based on carbon nanofibers by the gas-phase method. Tonkie himicheskie tehnologii (Fine Chemical Technologies). 2015; 10(2): 61-66. (in Russ.)Нгуен В.Х., Филимонов А.С., Пешнев Б.В., Николаев А.И. Окисление дисперсных углеродных материалов // Тонкие химические технологии. 2018. Т. 13. № 3. С. 57-63.Syrieva A.V., Surovikin Y.V. Influence of the synthesis temperature of pyrocarbon matrix on its activation with water vapor. «Technique and technology of petrochemical and oil and gas production». Proceed. of the 7th International Scientific and Technical Conference. 2017. P. 158-159. (in Russ.)Пешнев Б.В., Филимонов А.С., Гаврилова Н.Н., Николаев А.И., Нгуен В.Х. Получение углеродных материалов с заданной пористостью // Химия твердого топлива. 2018. № 3. С. 35-40.Nguyen V.H., Filimonov A.S., Peshnev B.V., Nikolaev A.I. Oxidation of disperse carbon materials. Tonkie khimicheskie tekhnologii (Fine Chemical Technologies). 2018; 13(3): 57-63. (in Russ.)Пешнев Б.В., Филимонов А.С., Баулин С.В., Следзь О.С., Асилова Н.Ю. Механизм образования пироуглерода в процессе пиролиза углеводородного сырья // Тонкие химические технологии. 2017. Т. 12. № 4. С. 36-42.Peshnev B.V., Filimonov A.S., Gavrilova N.N., Nikolaev A.I., Nguyen V.Kh. Carbon materials production with a given porosity. Khimiya tverdogo topliva (Solid Fuel Chemistry). 2018; 3: 35-40. (in Russ.)Peshnev B.V., Filimonov A.S., Baulin S.V., Sledz O.S., Asilova N.Yu. The pyrocarbon formation mechanism during the hydrocarbon pyrolysis process. Tonkie khimicheskie tekhnologii (Fine Chemical Technologies). 2017: 12(4): 36-42. (in Russ.).Peshnev B.V., Filimonov A.S., Baulin S.V., Sledz O.S., Asilova N.Yu. The pyrocarbon formation mechanism during the hydrocarbon pyrolysis process. Tonkie khimicheskie tekhnologii (Fine Chemical Technologies). 2017: 12(4): 36-42. (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.