tech-2019_06(63)

№ 8 (29) январь, 2019 г. АННОТАЦИЯ Предложен способ каталитического винилирования бутин-3-ола-2 ацетиленом в присутствии высокоосновной системы КОН-ДМСО, исследованы кинетические параметры данного процесса. Проведён синтезы ацетиленовых диолов взаимодействием уксусного альдегида и диметилкетона с бутин-3-ола-2. ABSTRACT A method for the catalytic vinylation of butyn-3-ol-2 with acetylene in the presence of the highly basic KOH-DMSO system is proposed, the kinetic parameters of this process are investigated. Acetylenic diols were synthesized by the interaction of acetic aldehyde and dimethyl ketone with butyn-3-ol-2. Ключевые слова: Ацетилен, гомологи, ацетиленовые спирты, виниловые эфиры, бутин-3-ола-2, диметил- сульфоксид, тройная связь. ИК-спектроскопия Keywords: Acetylene, homologue, acetylenic alcohol, vinyl ether, butyn-3-ola-2, dimethyl sulfoxide, triple bond, IR spectroscopy. _______________________________________________________________________________________________ Известно, что на основе ацетиленовых соедине- Низкий выход винилового эфира можно объяс- ний, в том числе ацетиленовых спиртов синтезиру- нить образованием побочных соединений за счет ются соединения, который применяются в различ- участия в реакции подвижного водорода при трой- ных областях. В качестве растворителей, биологиче- ной связи в молекуле ацетиленового спирта, а также ски активных соединений и др. 1-3. за счет обратимости реакции, так как при нагрева- нии ацетиленовые спирты в присутствии щелочи На их основе можно получить ацетиленовые расщепляются на исходные компоненты-ацетилено- диолы, а также их виниловые эфиры 4-6. Виниловые вые и карбонильные соединения. Причем вторичные эфиры широко используются для получения полиме- ацетиленовые спирты распадаются легче, чем пер- ров с различными эксплуатационными свойствами, вичные. а также в качестве медицинских препаратов. Известно, что распад ацетиленового спирта за- Ацетилен и его монозамещенные гомологи со висит от строения его молекулы, природы и количе- многими соединениями, в том числе и ацетиленовыми ства применяемой щелочи, а также температуры спиртами, дают простые виниловые эфиры типа: процесса. В связи с этим реакция бутин-3-ола-2 с ацетиленом изучалась при различных температурах R–C≡CH + ROH → R–CH=CH–O –R (от 85 до 1150С) и при этом показано, что выход ви- нилового эфира сильно зависит от нее. В табл. 1 при- В данной работе исследовали реакцию винили- ведены экспериментальные данные по исследова- рования вторичного ацетиленового спирта бутин-3- нию реакции винилирования при различных темпе- ола-2, синтезированного по методу Гриньяра-Ио- ратурах. цича из ацетилена и уксусного альдегида. В качестве катализатора использовали (КОН 10 масс.% от Таблица 1. массы ацетиленового спирта), растворителем слу- жил диметилсульфоксид. При этом, в основном, об- Зависимость выхода винилового эфира разуется виниловый эфир бутин-3-ол-2 за счет водо- бутин-3-ола-2 от температуры рода гидроксильной группы исходного ацетилено- вого спирта: Температура, 0С Выход продукта, % 60 17,6 HC C HC CH3 +HC CH DMCO HC 85 37,6 KOH 45,2 C HC C9H53 56,7 OH 105 26,6 O C1H1=5CH2 H DMCO HC C HC CH3 Из полученных данных следует, что темпера- KOH тура существенно влияет на протекание реакции, а O CH=CH2 также на выход при этом образующегося винило- вого эфира. С возрастанием температуры в интер- Синтезированный эфир перегоняется при 81-82 0С вале 60-105 0 С выход винилового эфира бутин-3- согласно схемы: ола-2 соответственно увеличивается от 17,6 до 56,7%. Дальнейшее повышение температуры отри- + HC CH H2C=CH C C CH CH3 цательно сказывается на его образование – при OH 1150С его выход составляет лишь 26,6%. Это объясня- ется тем, что при более высоких температурах в при- сутствии щелочей ацетиленовые спирты разлага- ются на исходные карбонильные и ацетиленовые со- единения, при этом наблюдается увеличение обра- зования смолистых веществ. Кроме этого, с увели- чением температуры уменьшается растворимость ацетилена в реакционной среде. По видимому, при 100

№ 8 (29) январь, 2018 г. этой температуре растворимость ацетилена, т.е. его Структура синтезированных соединений подтвер- концентрация в реакционной среде будет недоста- ждена данными ПМР-и ИК-спектроскопии. Также точной. был исследован синтез ацетиленового диола на основе бутин-3-ола-2 его дальнейшим взаимодей- Таким образом, для синтеза винилового эфира ствием молекулой уксусного альдегида и диметил- из ацетилена и бутин-3-ола-2 в присутствии системы кетона. КОН-ДМСО оптимальной температурой является 1050С. В процессе этой реакции бутин-3-ола-2 с уксус- ным альдегидом и выбранным кетоном в интервале При проведении, а также обсуждении реакций температур от -5 до +200С удалось синтезировать одним из важных факторов являются значения энер- двувторичный и вторично-третичные ацетиленовые гии активации-параметра кинетики данного про- диолы с повышенными выходами. Причем, опти- цесса. Исходя из этого исследована кинетика гомо- мальными условиями получения двувторичный аце- генно-каталитического винилирования бутин-3-ола- тиленового диола являются: соотношение исход- 2 ацетиленом в присутствии катализатора КОН. ного бутин-ола-3 и КОН 1:3-4, температура 8-100С Процесс проводили при температурах 85, 95, 105, При синтезе вторично-третичного ацетиленового 1150С и при продолжительности реакции 3, 4, 5 часов. диола оптимальными условиями помимо указанного При этом полученные данные приведены в табл. 2. соотношения спирта и щелочи оказалась сравни- тельно высокая температура (+20). Резултаты показали, что максимальный выход Зависимость выхода образовавшихся гексин-3- винилового эфира бутин-3-ола-2 наблюдается при диола-2,5 и 2-метилгексин-3-диола-2,5 от темпера- 1050С при продолжительности реакции 5 часов. При туры и продолжительности реакции представлена этом выход продукта составляет 57,3% или 6,69 мол/л. в табл. 3 и 4. Значение средней скорости реакции при 1050С и продолжительности реакции 3 часа составляет Таблица 2. 14,4%/час. Кинетические данные каталитического винилирования бутин-3-ола-2 (количество катализатора –КОН 10 % от массы спирта) Продолжи- Количество Количество про- Выход винилового Скорость реакции катализата, эфира бутин-3-ола-2 Температура, тельность дукта средняя lgW 0С реакции, г % моль/л г моль %/час моль/л.час -0,076 час 10-2 25,8 2,54 (W) -0,022 37,6 3,80 -0,076 3 5,2 1,15 1,21 40,5 4,20 8,6 0,84 -0,093 36,9 3,74 -0,068 85 4 5,2 1,73 1,82 44,2 4,71 9,4 0,95 -0,022 45,8 4,77 -0,190 5 5,1 1,87 1,96 43,2 4,67 8,1 0,84 -0,199 56,7 6,34 -0,124 3 5,2 1,70 1,77 57,3 6,69 12,3 1,24 - 0,046 25,4 2,71 -0,131 95 4 5,0 2,05 2,15 26,6 2,97 11,05 1,17 -0,284 23,2 2,61 5 5,1 2,12 2,21 9,16 0,95 3 4,9 2,01 2,08 14,4 1,65 105 4 4,8 2,65 2,77 14,17 1,58 5 4,6 2,67 2,80 11,46 1,33 3 4,8 1,14 1,20 8,46 0,90 115 4 4,6 1,20 1,26 6,65 0,74 5 4,5 1,04 1,09 4,64 0,52 Примечание: *- масса. Оставщаяся после отгонки диэтилового эфира из экстракции Таблица 3. Данные по реакции бутин-3-ола-2 с уксусным альдегидом в среде ДЭЭ в присутствии катализатора КОН Продолжительность реакции, ч Выход АД % Средняя скорость реакции (W) %/ч Моль/л.ч 1 Температура -50С 2 14,4 14,40 1,06 3 25,1 12,55 1,00 31,4 10,46 0,86 1 2 Температура -00С 22,6 1,80 3 22,6 18,25 1,55 36,5 16,8 1,41 1 50,4 2 32,2 2,64 3 Температура +100С 23,8 2,00 32,2 20,13 1,71 47,6 60,4 101

№ 8 (29) январь, 2018 г. Температура +200С 1 32,7 32,7 2,77 2 41,8 20,9 1,74 3 42,4 14,13 1,18 Таблица 4. Данные по реакции бутин-3-ола-2 с диметилкетоном в среде диэтилового эфира в присутствии катализатора КОН Продолжительность реакции, ч Выход АД % Средняя скорость реакции (W) %/ч Моль/л.ч 1 Температура -50С 2 12,4 12,4 0,80 3 19,3 9,65 0,67 23,5 7,83 0,56 1 2 Температура 00С 20,6 1,44 3 20,6 13,7 0,99 27,4 10,6 0,78 1 31,8 2 25,7 1,84 3 Температура +100С 19,6 1,45 25,7 15,6 1,17 1 39,2 2 46,8 35,2 2,58 3 27,65 2,08 Температура +200С 25,26 1,92 1 35,2 2 55,3 41,9 3,11 3 75,8 24,15 1,81 16,8 1,26 Температура +300С 41,9 48,3 50,4 Как видно из приведенных данных, в первом рично-третичные АД с достаточно высокими выхо- случае при +20, а во втором при +300С после продол- дами (до 50%). Однако, при этом проведение экспе- жительности реакции 3 ч. наблюдается резкое умень- риментов связано с рядом существенных трудно- шение скорости процесса. Это явления, в основном, стей и прежде всего и особыми требованиями к чи- обусловлено протеканием самоконденсации исполь- стоте используемого исходного бутин-3-ола-2. зованных исходных альдегида и кетона. Идентификация синтезированного винилового При проведении реакции бутин-3-ола-2 с уксус- эфира и ацетиленовых диолов осуществлена мето- ным альдегидом и взятым кетоном в среде жидкого дом ГЖХ, элементного анализа, а также примене- аммиака не дало ожидаемого результата. При этом нием ИК и ПМР – спектроскопии. из-за повышенной основности реакционной среды и под каталитическим действием образующегося Таким образом исследованы реакции винилирова- амида калия в условиях реакции Фаворского, в ос- ния бутин-3-ола-2 с ацетиленом в присутствии ще- новном, протекает самоконденсация использован- лочных катализаторов, а также синтез ацетиленовых ных карбонильных соединений. диолов на его основе. Изучена кинетика процесса винилирования бутин-3-ола-2 и рассчитана энергия Применением реакции Иоцича на основе бутин- активации данной реакции. 3-ола-2 удалось, синтезировать двувторичный и вто- Список литературы: 1. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. М. Химия, 1971, 840 с. 2. Трофимов Б.А. Успехи химия, 1981, т.50, вып 2, с.248-172. 3. Тургунов Э. Исследования процессов синтеза и свойств ацетиленовых гетероциклических амино-производных и продуктов на их основе. Дисс. канд. хим. наук. Ташкент, 1990, 210 с. 4. Нурманов С.Э., Кучкарова М.М., Рашидова С.Ш.. Синтез виниловых соединений в присутствии системы КОН-ДМСО. Журн. ХПС, 2000, спец. вып., с. 30-33. 5. Жураев В.Н., Сирлибаев Т.С., Нурманов С.Э. Каталическое винилирование моноэтаноламина. Журн.ХПС, 2000, спец. вып., с. 50-52. 6. Махсумов А.Г. Синтез, свойства, применение пропаргиловых эфиров и их производных. Автореф. дис… докт. хим. наук. - М.: 1985. – 43 с. 102

№ 8 (29) январь, 2019 г. ГЕТЕРОГЕННО-КАТАЛИТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ БУТИН-3-ОЛ-2 И ГЕКСИН-3-ДИОЛ-2,5 Вапоев Хуснитдин Мирзоевич заведующий кафедрой «Химическая технология» Химико-металлургического факультета Навоийского государственного горного института, Узбекистан, г. Навои Мухиддинов Баходир Фахриддинович проф. кафедры «Химическая технология» Химико-металлургического факультета Навоийского государственного горного института, Узбекистан, г. Навои Жураев Илхом Икромович доц. кафедры «Химическая технология» Химико-металлургического факультета Навоийского государственного горного института, Узбекистан, г. Навои Хусенов Кахрамон Шайимович доц. кафедры «Химическая технология» Химико-металлургического факультета Навоийского государственного горного института, Узбекистан, г. Навои HETEROGENEOUS CATALYTIC SYNTHESIS BUTIN-3-OL-2 AND HEXIN-3-DIOL-2.5 Khusnitdin Vapoyev Chairman of department «Chemical technology», Chemical and metallurgical faculty of Navoi State Mining Institute, Uzbekistan, Navoi Bahodir Muhiddinov professor of «Chemical technology», Chemical and metallurgical faculty of Navoi State Mining Institute, Uzbekistan, Navoi Ilkhom Juraev Chairman of department «Chemical technology», Chemical and metallurgical faculty of Navoi State Mining Institute, Uzbekistan, Navoi Kahramon Husenov Chairman of department «Chemical technology», Chemical and metallurgical faculty of Navoi State Mining Institute, Uzbekistan, Navoi АННОТАЦИЯ В статье приводятся результаты исследования гетерогенно-каталитического взаимодействия ацетилена и ук- сусного альдегида с образованием бутин-3-ол-2 и гексин-3-диол-2,5 с использованием медь-кадмий-каолиновых и медь-кадмий-силикогелевых катализаторов. Показано, что с увеличением содержания оксида кадмия в составе катализатора возрастает выход ацетиленовых спиртов и диолов. ABSTRACT In the article presented results of a study of heterogeneous-catalytic interaction of acetylene and acetic aldehyde with the formation of butyn-3-ol-2 and hexin-3-diol-2.5 using copper-cadmium-kaolin and copper-cadmium-silica gel-cata- lysts. It is shown that with an increase in the content of cadmium oxide in the composition of the catalyst, the yield of acetylene alcohols and diols increases. __________________________ Библиографическое описание: Гетерогенно-каталитический синтез бутин-3-ола-2 и гексин-3-диола-2,5 // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. Вапоев Х.М. [и др.]. 2019. № 6(63). URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/7550

№ 8 (29) январь, 2019 г. Ключевые слова: ацетилен, ацетальдегид, бутин-3-ол-2, гексин-3-диол-2,5, оксиды меди, оксиды кадмия, каолин, гетероген, катализатор, реактор. Keywords: acetylene, acetaldehyde, copper complex, butyn-3-ol-2, hexyn-3-diol-2.5, copper oxides, cadmium ox- ides, kaolin, heterogeneous catalyst, reactor. _______________________________________________________________________________________________ Введение. Ацетиленовые спирты, диолы и их и цеолит, а в качестве активных компонентов ката- производные широко применяются в качестве дефо- лизатора – оксиды меди и кадмия. лиантов хлопчатника и стимуляторов роста расте- ний в сельском хозяйстве, в медицине в качестве ле- После исследования влияния температуры, карственных препаратов, в химической промышлен- природы и содержания катализаторов на выход ности в качестве ингибиторов коррозии металлов, а бутин-3-ол-2 и гексин-3-диол-2,5 установлено, что также в других отраслях реальной экономики. увеличение содержания оксида меди и кадмия в катализаторе приводит к увеличению скорости В работах [1; 6] жидкофазным методом синтези- образования бутин-3-ол-2 и гексин-3-диол-2,5 в 1,5 рованы бутин-3-ол-2 и гексин-3-диол-2,5, которые раза. содержат в своей структуре ненасыщенные тройные связи, которые в процессе синтеза олигомеризуются Ресурс действия предлагаемых катализаторов до и полимеризуются, образуя смолообразные и твер- регенерации оценивается не менее чем в 85 часов. дые продукты, поэтому для исключения этих неже- лательных процессов синтез бутин-3-ол-2 и гексин- При обработке оксида меди и ацетальдегида с 3-диол-2,5, необходимо проводить гетерогенно- нагреванием оксида меди последний каталитическим методом [1, 2]. восстанавливается до закиси меди, которая при подаче ацетилена переходит в ацетиленид меди [2]: Бутин-3-ол-2 и гексин-3-диол-2,5 являются весьма ценным сырьем для получения органических Ацетиленид меди образует с ацетиленом веществ. Синтез и исследование этих веществ активный медный комплекс типа Cu2C2 х С2Н2 по недостаточно изучены. схеме Поэтому данная работа посвящена синтезу и ис- 2CuO + CH3CHO ↔ Cu2O + CH3COOH следованию свойств бутин-3-ол-2 и гексин-3-диол- Cu2O + C2H2 ↔ Cu-C≡C-Cu + H2O 2,5 из ацетилена и ацетальдегида в присутствии Cu-C≡C-Cu + H-C≡C-H ↔ H-Cδ+≡Cδ—HCu+1 медь-кадмий-каолиновых (МНК) и медь-кадмий-си- H-C≡C-HCu + Me+(2+) ↔ H-C≡C-H ↔ H-C≡C- ликагелевых (МНС) катализаторов при H*K атмосферном давлении, температурах -10оС – +20оС где Me+(2+)= Cu+; Сd2+ по методу Реппе [3, 4]. Исследован [5] гетерогенно- каталитический синтез 2,5-диметилгексин-3-диола- Объекты и методы исследования. 2,5 медь-висмут-никель-каолинового катализатора, Объектами исследования являются ацетилен, в присутствии которого относительно мал выход ос- ацетальдегид, медь-кадмий-каолиновые и медь-кад- новного продукта. мий-силикагелевые катализаторы, бутин-3-ол-2 и гексин-3-диол-2,5. С учетом вышеизложенного нами приготовлено Синтез ацетиленовых спиртов и диолов осуще- несколько катализаторов, в которых в качестве но- ствили гетерогенно-каталитическим методом на ла- сителей использовали каолин, бентонит, силикагель бораторной установке, показанной на рис. 1. 4 1 3 1 1 2 5 7 9 8 11 Т 12 6 10 Примечание: 1 – краны (4 шт.); 2 – ловушка; 3 – реометр; 4 –дозатор-капельная воронка; 5 – реактор; 6 –трансформатор; 7 – термо-пара; 8 – потенциометр; 9 – электрообогреватель; 10 – воздушный холодильник; 11 – холодильник Либбиха; 12 – поглотители (4 шт.) последовательно Рисунок 1. Принципиальная схема лабораторной установки для синтеза ацетиленовых спиртов и диолов 104

№ 8 (29) январь, 2019 г. Через кран 1, ловушку 2, реометр 3 в реактор 5 Для проведения синтеза в реактор загружали подавался ацетилен с азотом. К этой смеси через до- определенное количество катализатора и нагревали затор 4 приливали с определенной скоростью аце- его в токе азота. По достижении температуры 10- тальдегид. В верхнюю и нижнюю части реактора по- 20ºС открывали вентиль на линии ацетилена, а вен- мещали около 100 см3 крошки битого фарфора, вы- тиль на линии азота закрывали. Для насыщения пара полняющего функцию испарителя, и между ними уксусным альдегидом его пропускали через испари- помещали катализатор, высота слоя катализатора тель уксусного альдегида, помещенный в водяную составляла 100 мм. Нагрев осуществляли с помо- баню с температурой ≈ 20ºС. Пар, насыщенный ук- щью электрообогревателя. Температуру процесса сусным альдегидом, поступал в реактор, где при регулировали трансформатором 6, измеряли термо- температуре от -10ºС до +20ºС протекала реакция парой 7 и фиксировали потенциометром 8. Образо- взаимодействия с ацетиленом. В результате образо- вавшуюся парогазовую смесь охлаждали сначала в вывался бутин-3-ол-2 и гексин-3-диол-2,5. воздушном 10, а затем в водяном холодильнике 11 и собирали в поглотителях (4 шт.) 12. Через 85 часов Результаты и их обсуждение. Исследована за- подачу ацетилена в систему прекращали, ее проду- висимость выхода бутин-3-ол-2 и гексин-3-диол-2,5 вали азотом, а катализатор регенерировали при тем- от природы и состава катализатора при температуре пературе 425-450оС в течение 12 часов до тех пор, 10оС в течение 6 часов, результаты представлены в пока в отходящих газах содержание диоксида угле- табл. 1. рода не превысит 0,4%. После вытеснения ацети- лена из системы подавали азото-воздушную смесь. Таблица 1. Влияние природы и состава катализаторов на выход бутин-3-ол-2 и гексин-3-диол-2,5 при температуре 10оС в течение 6 часов Катализатор Состав катализатора, % Выход продукта, % МКК-1 МКК-2 CuO-40 Бутин-3-ол-2 Гексин-3-диол-2,5 МКК-3 CdO-1 МКК-4 Каолин-59 7,63 52,52 МКК-5 CuO-40 МКК-6 CdO-2 8,23 57,82 МКК-7 Каолин-58 9,53 61,75 CuO-40 CdO -4 10,54 64,33 Каолин-56 CuO-40 11,32 66,55 CdO -6 Каолин-54 12,75 68,63 CuO-40 CdO -8 11,33 67,92 Каолин-52 CuO-40 CdO -10 Каолин-50 CuO-40 CdO-12 Каолин-48 Анализ результатов исследования показывает содержания оксида кадмия приводит к снижению (табл. 1), что с увеличением содержания оксида кадмия в составе катализатора возрастает выход выхода основного продукта. бутин-3-ол-2 и гексин-3-диол-2,5 до 12,75% и Также исследована зависимость выхода бутин- 68,63% соответственно, а дальнейшее повышение 3-ол-2 и гексин-3-диол-2,5 от природы носителя при температуре 20оС в течение 6 часов, результаты представлены в табл. 2. 105

№ 8 (29) январь, 2018 г. Таблица 2. Влияние природы носителя на выход бутин-3-ол-2 и гексин-3-диол-2,5 при температуре 20оС в течение 6 часов Катализатор Состав катализатора, % Выход продукта, % МКК-6 МКС-6 CuO-40 Бутин-3-ол-2 Гексин-3-диол-2,5 МКБ-6 CdO-10 МКЦ-6 Каолин-50 14,65 69,62 CuO-40 CdO-10 12,63 67,55 Силикагель-50 CuO-40 10,24 65,42 CdO-10 Бентонит-50 11,32 65,72 CuO-40 CdO-10 Цеолит-50 Как видно из табл. 2, выход бутин-3-ол-2 и гек- Также исследована зависимость выхода гексин- син-3-диол-2,5 также зависит от природы носителя. 3-диол-2,5 от продолжительности реакций при раз- Выяснилось, что среди использованных носителей – личных температурах, результаты приведены на каолина, бентонита, силикагеля и цеолита – наиболь- рис. 3. шая каталитическая активность проявляется в присут- ствии каолина. Это обусловлено тем, что в составе 70 4 каолина содержатся такие оксиды, как AI2O3, Fe2O3 и 60 3 FeO, играющие роль промотора, усиливающие ката- 50 2 литическую активность катализатора. Исследована зависимость выхода бутин-3-ол-2 от продолжительности реакций, результаты пред- ставлены на рис. 2. Выход продукта, % 40 1 Выход продукта, % 20 70 5 10 60 0 24 6 4 0 50 Продолжительность реакции, ч 40 Температура: 1-(-5оС); 2-0оС; 3-10оС; 4-20оС. 3 Рисунок 3. Зависимость выхода гексин-3-диол-2,5 20 2 от продолжительности реакции при различных 10 1 температурах 0 24 6 Анализ результатов исследования (рис. 3) пока- 0 зывает, что с увеличением температуры процесса возрастает выход гексин-3-диол-2,5. В гомогенно- Продолжительность реакции, ч каталитическом методе [7] с увеличением темпера- туры выход гексин-3-диол-2,5 резко уменьшается, Температура: 1-10оС; 2-5оС; 3-0оС; 4-(-5оС) 5-(-10оС). что обусловлено протеканием самоконденсации ис- ходного ацетальдегида. Рисунок 2. Зависимость выхода бутин-3-ол-2 от продолжительности реакций при различных Заключение. Проведено исследование процесса температурах гетерогенно-каталитического синтеза бутин-3-ол-2 и гексин-3-диол-2,5. Показана зависимость выхода Как видно из рис. 2, с увеличением продолжи- целевого продукта от природы и состава катализато- тельности реакции и с уменьшением температуры ров на основе оксида меди и кадмия, являющихся выход бутин-3-ол-2 возрастает. Это обусловлено основным активным компонентом каталитической тем, что с уменьшением температуры раствори- системы. Установлено, что с увеличением содержа- мость ацетилена в ацетальдегиде возрастает, что ния оксида кадмия в составе катализатора возрас- приводит к увеличению количества соударений мо- тает выход ацетиленовых спиртов. лекул ацетилена и ацетальдегида. Это однозначно приводит к возрастанию выхода бутин-3-ол-2 с од- новременным увеличением скорости реакций. 106

№ 8 (29) январь, 2019 г. Список литературы: 1. Кинетика синтеза винилового эфира бутин-1-ола-3 / Х.М. Вапоев, Т.С. Сирлибоев, Б.Ф. Мухиддинов, С.Э. Нурмонов // Ўзбекистон миллий университети кимё факультети профессор-ўқитувчилари ва ёш олимларининг илмий-амалий конференцияси материаллари. – Тошкент, 2008. – Б. 58-59. 2. Получение бутин-2-диола-1,4 из ацетилена и формальдегида при атмосферном давлении / Д. Юсупов, А.У. Каримов, И. Тиркашев, А.В. Коротаев // Хим. пром. – 1998. – № 7. – С. 387-390. 3. Темкин О.Н. Химия ацетилена. «Ацетиленовое дерево» в органической химии XXI века // Соросовский об- разовательный журнал. – 2001. – Т. 7. – № 6. – С. 35-38 4. Темкин О.Н., Шестаков Т.К., Трегер Ю.А. Ацетилен. Химия, механизмы реакции, технология. – М.: Химия, 1991. – С. 212. 5. Гетерогенно-каталитический синтез 2,5-диметилгексин-3-диола-2,5 // Universum: Технические науки: элек- трон. научн. журн. Умрзоков А.Т. [и др.]. 2018. № 11(56). URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/ item/6577. 6. Технологические параметры синтезов на основе бутин-1-ола-3 / Х.М. Вапоев, С.Э. Нурманов, Ж.Р. Умарова, Б.Ф. Мухиддинов // Химическая промышленность сегодня. – 2009. – № 6. – С. 12-16. 7. Umrzoqov A.T., Muhiddinov B.F., Vapoyev H.M., Nurmonov S.E., Umarova J.R. Hetrogeneous-Catalytic Synthesis 3,6-Dimethylotine-4-Diol-3,6. International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology. May 2018. Vol. 5. Issue 5. Р. 5751-5776. 107

№ 8 (29) январь, 2019 г. ЭНЕРГЕТИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОДУЛЬНОЙ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ В РАЗЛИЧНЫХ ПОГОДНЫХ УСЛОВИЯХ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ УГЛА ПАДЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ЛУЧЕЙ Завойкин Владислав Анатольевич магистрант, Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет, РФ, г. Москва E-mail: [email protected] Феофанов Сергей Александрович канд. техн. наук, доц., Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет, РФ, г. Москва E-mail: [email protected] EXPERIMENTAL RESEARCHES OF A MODULAR SOLAR POWER PLANT IN DIFFERENT AMBIENT CONDITIONS WITH A CHANGE IN THE ANGLE OF INCIDENCE OF SUNLIGHT Vladislav Zavoykin master student, Moscow automobile and road construction state technical university, Russia, Moscow Sergey Feofanov associate professor, Moscow automobile and road construction state technical university, Russia, Moscow АННОТАЦИЯ Расчётно-экспериментальные исследования модульной солнечной электростанции, как актуального направ- ления развития эффективного использования потенциала солнечной энергетики независимо относительно электросетей. Вопросы изменения эксплуатационных характеристик солнечных станций мощностью до 5 кВт мало освещены и настоящая работа призвана частично заполнить существующий пробел. В работе проводится анализ влияния климатических условий, степени загрязнения и угла падения солнечных лучей на работу фото- электрического модуля. Представлены результаты исследования работы экспериментальной установки в г.Москве. ABSTRACT Calculated and experimental researches of a modular solar electrical generating station, as an actual direction for the development of the effective use of the potential of solar energy, independently of electrical grids. The operating charac- teristics of solar stations with a power of up to 5 kW are not well research and this article is intended to partially fill the existing gap. This paper analyzes the influence of climatic conditions, the degree of pollution and the angle of incidence of sunlight on the operation of a photovoltaic module. The results of the study of the experimental installation in Moscow are presented. Ключевые слова: автономная фотоэлектрическая станция, солнечная энергетика, энергоэффективность, возобновляемые источники энергии, солнечная батарея. Keywords: autonomous photovoltaic station, solar energy, energy efficiency, renewable energy, photovoltaic panel. ______________________________________________________________________________________________ Преобразование солнечного излучения фотоэлек- к централизованному энергоснабжению [6]. С разви- трическими элементами одно из самых перспектив- тием эффективности и снижении себестоимости пре- ных направлений в области общей электроэнерге- образования солнечной энергии в электрическую тики. Около 2 млрд. людей в мире не имеют доступа солнечная энергетика будет постоянно развиваться, __________________________ Библиографическое описание: Завойкин В.А., Феофанов С.А. Экспериментальные исследования модульной солнеч- ной электростанции в различных погодных условиях при изменении угла падения солнечных лучей // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2019. № 6(63). URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/7540

№ 8 (29) январь, 2018 г. в том числе благодаря близости к потребителю и ав- /DC 24 V), работающий под управлением контрол- тономности от линий электропередач. лера с функцией поиска точки максимальной мощ- ности; 3 - выходной инвертор (DC / AC 4 кВт); Развитию солнечной энергетики в РФ способ- 4 - накопитель энергии, например, блок аккумуля- ствует её территориальное расположение. Согласно торных батарей – АБ (2*200 Aч), и соединительный количественной оценке центрального диспетчер- провод (рис 2.) [7]. ского управления топливно-энергетического ком- плекса (ЦДУ ТЭК), уровень солнечной радиации ва- 1 - Модуль солнечных, 2 - солнечный контроллер, рьируется от 810 до 1400 кВт*час/м2 в год начиная с 3- инвертор 4 кВт; 4 - аккумуляторная батарея VRLA северных и заканчивая южными широтами [9]. Ко- личество солнечной энергии поступающей на по- Рисунок 2. Схема автономной верхность Земли зависит от состояния атмосферы, фотоэлектрической станции продолжительности солнечного дня и сезонных ко- лебаний погоды, но в первую очередь от облачно- Были выбраны монокристаллические панели, сти. Перепады солнечной активности для г.Москвы как одни из наиболее долговечных (до 30 лет экс- варьируются от 1.69 кВт*ч/м2 в январе и до 11.41 плуатации) и эффективных промышленно выпуска- кВт*ч/м2 в июле [9]. Поэтому изучение влияния по- емых. годных условий, оптимальной ориентации, угла наклона панелей и т.д. на параметры работы солнеч- Контроллер мощности для солнечных пане- ной батареи в естественных условиях их эксплуата- лей - ключевой элемент, определяющий эффектив- ции является актуальной задачей, способствующей ность всей системы в целом. В настоящее время повышению эффективности разрабатываемых мо- наиболее эффективный алгоритм управления – сле- дульных солнечных электростанций и алгоритмов жение за точкой максимальной мощности (эффек- управления ими. тивнее ШИМ алгоритмов до 30%). Отличительная особенность алгоритма заключается в изменении На диаграмме (рис.1.) представлены усреднен- внутреннего входного сопротивления, в следствии ные значения потенциальной выработки солнечной чего изменяется напряжение солнечной установки. энергетики ПВт*ч в год, на территории РФ [2]: Происходит расчет и сравнение мощности относи- тельно прошлой итерации и контроллер сдвигает ра- Рисунок 1. Потенциал солнечной энергетики бочую точку в направлении к точке максимальной России, (ПетаВт*ч) в год мощности [7]. В настоящей работе, проводится анализ взаимо- Все ключевые элементы цепи: «солнечный мас- связи основных параметров на эффективность сол- сив — контроллер — аккумуляторная батарея — ин- нечной электрогенераторной установки на основа- вертор» соединены между собой проводами разных нии экспериментальных исследований в Москов- сечений, выбор которых производился в соответ- ском регионе. ствии с ГОСТ 22483-2012 [4]. Описание испытательной установки Фактическая инсоляция на произвольном участке Солнечные электростанции функционируют поверхности зависит от её ориентации относительно благодаря фотовольтаическому эффекту при воз- юга, угла наклона к горизонту, конфигурации искус- действии света на поверхность вещества, электроны ственных теней (сооружения, деревья и т.п.), темпера- начинают перемещаться между анодом и катодом туры, и самое главное — географической широты [10]. внутри панели [3], состоящей обычно из нескольких Ключевая характеристика ФЭС - количество элек- слоёв полупроводниковых материалов. троэнергии, выработанной за период. На рис. 3 пред- Для проведения экспериментальных исследова- ставлена расчетная выработка электроэнергии раз- ний была спроектирована и собрана фотоэлектриче- работанной ФЭС, за каждый месяц года в соответ- ская установка (ФЭС). Основные элементы авто- ствии со значениями солнечной инсоляции для номной ФЭС: 1 - солнечные батареи (3 шт по 330 Вт), г. Москва. состоящие из набора последовательно - параллельно соединенных фотоэлектрических модулей; 2 - пре- образователь постоянного напряжения (DC 135V 109

№ 8 (29) январь, 2018 г. Рисунок 3. Предполагаемая суточная выработка Ниже приведены полученные графики зависимо- электроэнергии по месяцам сти тока в точке максимальной мощности от угла наклона фотоэлектрического модуля относительно На графике также приведена среднегодовая вы- горизонтального положения в ясный и пасмурный работка электроэнергии 3 кВт*ч в сутки в период с день (рис.4 и 5) марта по сентябрь. Преимущество эксперименталь- ной ФЭС её масштабируемость примерно кратностью Наибольшая эффективность составляла при 1 кВт. наклоне панели 45° в южном направлении. Экспери- ментально подтвердилось, что чем чище рабочая по- Из анализа рис.3 следует, что эффективность по- верхность панели, тем больше коэффициент преоб- лучения энергетических потоков в зимние месяцы разования световой энергии в электрическую [11]. нецелесообразна (только в случае отсутствия аль- тернативных источников получения электроэнер- Согласно полученным данным для угла наклона гии). Также к замедляющим факторам развития сол- солнечной панели 45° запыленной поверхностью ра- нечной энергетики относят: бочий ток составил 7,3 А, а после очистки ток соста- вил 9А: 1. Высокую стоимость АБ и проблемами их ути- лизации; ������ = ������чист−������гряз ∗ 100% = 9−7,3 ∗ 100% = 18,9% (1) ������чист 9 2. Загрязнение природных сред при производ- стве фотопанелей; Результаты для других углов наклона см. на рис. 4. 3. Влияние времени суток и погодных условий Рисунок 4. Зависимость тока в точке на широкий диапазон колебаний выходной мощно- максимальной мощности от угла наклона сти и напряжения ФЭС, что повышает технические требования к солнечному контроллеру и системам солнечного модуля в ясный день химического резервирования электроэнергии; Рисунок 5. Зависимость тока в точке 4. Большие площади поглощения солнечной максимальной мощности от угла наклона энергии, что может приводить к проблемам: отчуж- солнечного модуля в ясный и пасмурный день дения земель, изменение теплового баланса и влаж- ности из-за воздействия на растительность и почвы Известно, что повышение температуры и нагрев (затенение и поверхностный нагрев воздуха над па- солнечных элементов в солнечных модулях оказы- нелями). вает отрицательное влияние на работу солнечных батарей снижая фотоэффект и выработку электро- В настоящее время, возобновляемые источники энергии. энергии находят применение преимущественно в ав- тономных системах энергоснабжения небольшой мощности расположенных в отдаленных районах, где подключение дополнительных мощностей за- труднено. Экспериментальные исследования Рассчитанная испытательная установка была установлена в г. Москве. Рабочая поверхность СБ была ориентирована на юг, измерения проводились при различных углах наклона солнечной панели к поверхности Земли в сентябре 2018 года в полдень ясного и пасмурного дня. Экспериментальная оценка влияния освещенности и температуры на эф- фективность работы солнечных батарей проводи- лась при изменении угла наклона солнечного мо- дуля относительно горизонтального положения с интервалом 15 ⁰ . 110

№ 8 (29) январь, 2018 г. По результатам испытаний была рассчитана вы- ходная мощность солнечного модуля в реальных условиях эксплуатации и сопоставлен с номиналь- ными заводскими показателями при стандартных условиях испытаний (СУИ) (рис. 8). Рисунок 6. Пирометрические картины солнечного модуля: а) в ясный день; б) в пасмурный день Как видно из пирометрических диаграмм, темпе- ратура на поверхности ФЭП в ясный день (рис.6.а.) составила 36⁰ С (окружающей среды 18 ⁰ С), а в пасмурный 12⁰ С (окружающей среды 8 С) (рис.6.б) при этом напряжение увеличилось со значения 104 В до 116 В. Полученная характеристика пред- ставленная на рис. 7 имеет линейную зависимость напряжения модуля от температуры в соответствии с температурным коэффициентом выбранной сол- нечной панели -0,5 В/⁰ С. Рисунок 8. Удельная поверхностная мощность массива при разном наклоне солнечной панели Рисунок 7. Зависимость напряжения на массиве Заключение от температуры поверхности солнечных батарей Экспериментальные исследования модуля сол- нечной электростанции в различных погодных усло- Разность температур внутри отдельных ячеек в виях после аналитической обработки результатов ясный день вызвана более плотным прилеганием алюминиевой подложки к поверхности самих моно- позволили сделать следующие выводы: кристаллических пластин, обеспечивая тем самым 1. Рабочий ток солнечной панели в ясный день лучший теплоотвод от поверхности. Для повышения общей эффективности целесообразно устанавливать увеличивается в ⁓ 6 раз, вне зависимости от угла солнечные панели в продуваемых местах (с хорошим наклона панели; естественным охлаждением). 2. Отклонения от оптимального угла наклона (до 5 градусов) снижают производительность моду- лей не более чем на 2%; 3. В пасмурную погоду солнечный модуль имеет наибольший ток отдачи при значении угла наклона панелей 30⁰ в связи с большим рассеиванием сол- нечных лучей в атмосфере; 4. Эффективность преобразования солнечного излучения в электроэнергию зависит от освещенности, и изменения температуры на поверхности панелей; 5. Загрязнение солнечной панели в сентябре сильнее влияет на выходные показатели солнечной панели нежели угол наклона батареи. Список литературы: 1. Базилевский А.Б., Лукьяненко М.В. Анализ энергетических возможностей солнечной батареи при различных условиях эксплуатации // Авиационная и космическая техника. – 2004. – № ? – С. 100-103. 2. Баринова В.А., Ланьшина Т.А. Особенности развития возобновляемых источников энергии в России и в мире // Российское предпринимательство. – 2016. – Т. 17. – № 2. – С. 259-270. 3. Бубенчиков А.А., Молодых В.О. Солнечная энергия как источник электрической энергии // International research journal. – 2016. – Т. 47. – № 5. – C. 59-62. 4. ГОСТ 22483-2012 (IEC 60228:2004) Жилы токопроводящие для кабелей, проводов и шнуров (с поправкой). 5. Дубинин Д.В., Лаевский В.Е. Энергетическая эффективность работы солнечных батарей в реальных режимах эксплуатации // Известия Томского политехнического университета. – 2015. – Т. 326. – № 3. – C. 58-62. 111

№ 8 (29) январь, 2018 г. 6. Исследование: около миллиарда жителей Земли не имеют доступа к электричеству // ТАСС [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://tass.ru/obschestvo/5172029 (Дата обращения 21.02.2019). 7. Обухов С.Г., Плотников И.А. Имитационная модель режимов работы автономной фотоэлектрической станции с учетом реальных условий эксплуатации // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2017. – Т. 328. – № 6. – С. 38-51. 8. Саврасов Ф.В., Ковалев И.К. Исследование эффективности работы солнечной батареи в полевых условиях // Энергетика. – 2012. – № ? – С. 165-168. 9. Солнце на службе человека // Центральное диспетчерское управление топливно-энергетического комплекса [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.cdu.ru/tek_russia/articles/6/41/ (Дата обращения: 20.02.2019). 10. Chiantore P.V., Watson J. Operation & Maintenance. Best Practices Guidelines / Version 3.0. 2018. Р. 96. 11. George A.М. Utility-scale solar photovoltaic power plants. International Finance Corporation. 2015. Р. 206. 112

ДЛЯ ЗАМЕТОК

ДЛЯ ЗАМЕТОК

ДЛЯ ЗАМЕТОК

Научный журнал UNIVERSUM: ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ № 6(63) Июнь 2019 Свидетельство о регистрации СМИ: ПИ № ФС 77 – 66236 от 01.07.2016 Свидетельство о регистрации СМИ: ЭЛ № ФС 77 – 54434 от 17.06.2013 Подписано в печать 25.06.19. Формат бумаги 60х84/16. Бумага офсет №1. Гарнитура Times. Печать цифровая. Усл. печ. л. 7,25. Тираж 550 экз. Издательство «МЦНО» 125009, Москва, Георгиевский пер. 1, стр.1, оф. 5 E-mail: [email protected] www.7universum.com Отпечатано в полном соответствии с качеством предоставленного оригинал-макета в типографии «Allprint» 630004, г. Новосибирск, Вокзальная магистраль, 3 16+