АННОТАЦИЯ

Тема: «Разработка САПР трубчатых реакторов для получения малеинового ангидрида».

Разработал: Кругов.

Руководитель: Романенко.

Год защиты: 2001.

Название объекта проектирования: трубчатый реактор.

Данная подсистема предназначена для проектирования реакторов синтеза малеинового ангидрида каталитическим окислением бензола. При проектировании используются методы математического моделирования, что позволяет значительно облегчить расчет математической модели и решение задачи оптимизации. Используемые методы позволяют быстро и точно получить желаемый результат.

Основные проектные решения: для расчета математической модели использовался метод конечных разностей, для задачи оптимизации – метод Ньютона.

Пояснительная записка (ПЗ) содержит 109 страниц формата А4.

Графическая часть проекта содержит 10 листов формата А1.

ПЗ содержит: 5 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ............................................

1 Анализ предметной области..........................

2 Постановка задачи..................................

3 Общее описание системы ............................

4 Описание методики автоматизированного

проектирования.......................................

5 Обеспечения........................................

5.1 Математическое обеспечение.......................

5.1.1 Принятие допущений.............................

5.1.2 Математическая модель..........................

5.1.3 Метод решения уравнений математичекой модели...

5.1.4 Выбор варьируемых параметров и критерия

оптимизации....................................

5.1.5 Постановка задачи оптимального

проектирования ................................

5.1.6 Описание метода оптимизации....................

5.1.7 Результаты оптимизации.........................

5.2 Техническое обеспечение..........................

5.3 Программное обеспечение..........................

5.3.1. Общесистемное программное обеспечение.........

5.3.2. Прикладное программное обеспечение............

5.4 Информационное обеспечение.......................

5.5 Лингвистическое обеспечение......................

6. Охрана труда .....................................

6.1 Общие санитарно-гигиенические требования к

устройству ВЦ ...................................

6.2 Неблагоприятные факторы и средства защиты от них.

6.3 Анализ потенциальной опасности на проектируемом

объекте..........................................

6.4 Общие требования безопасности к оборудованию ВЦ..

6.4.1 Ограждения, блокировочные и

предохранительные устройства...................

6.4.2 Разводка информационных и силовых сетей........

6.5 Классификация объекта по взрывной, взрывопожарной

и пожарной опасности.............................

6.6 Электробезопасность..............................

6.6.1 Характеристика используемой электроэнергии.....

6.6.2 Классификация помещения по опасности

поражения электрическим током..................

6.6.3 Меры электробезопасности, используемые в

проекте........................................

6.6.4 Расчет заземляющего контура....................

6.7 Производственное освещение.......................

6.7.1 Расчёт естественного освещения.................

6.7.2 Расчет искусственного освещения................

6.8 Кондиционирование................................

6.9 Средства пожаротушения...........................

7. Технико-экономическое обоснование проекта.........

Заключение...........................................

Список используемых источников.......................

Приложение А – Текст программы.......................

Приложение Б – Схема САПР функциональная.............

Приложение В - Схема САПР структурная................

Приложение Г – Результат оптимизации.................

ВВЕДЕНИЕ

Малеиновый ангидрид был впервые получен в 1919 году Вейссом и Даунсом (фирма «Баррет») парофазным окислением бензола над пятиокисью ванадия.

Малеиновый ангидрид обладает большой реакционной способностью и поэтому используется в производстве полимеров, фармацевтических препаратах, присадок, сельскохозяйственных химикатов и т.д.

Наибольшая доля его потребления приходится на производство пластмасс. Спрос на полиэфирные смолы обуславливает в основном развитие производства малеинового ангидрида. Полиэфирные пластмассы находят применение в ряде отраслей промышленности.

Следующим по важности потребителем малеинового ангидрида является производство алкидных смол. Применение малеинового ангидрида позволяет создавать поверхностные алкидные покрытия с повышенной ударной вязкостью, а также удлиняет срок их службы.

Малеиновый ангидрид применяется для синтеза ряда химических препаратов для сельского хозяйства, таких как гидразит малеиновой кислоты – регулятор роста клубней картофеля, дефолиант – эндоталл, применяемый для ускорения опадания листа и коробочки хлопка и др.

Малеиновый ангидрид также является сырьем для производства фумаровой и яблочной кислот, заменяющих в пищевой промышленности дорогостоящую лимонную кислоту, используемую в кондитерских изделиях и при производстве соков и напитков.

Химические продукты на основе малеинового ангидрида применяются для обработки бумаги, они служат заменителем натуральной канифоли. На основе малеинового ангидрида вырабатываются присадки и стабилизаторы для топлив.

Изо всего выше сказанного можно отметить, что малеиновый ангидрид имеет важное народнохозяйственное значение.

1.АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ

Для разработки производства малеинового ангидрида каталитическим окислением бензола целесообразно использовать методы математического моделирования. Математическая модель процесса позволяет определить оптимальные конструктивные и режимные параметры и разработать высокоэффективный промышленный реактор.

Основным промышленным методом получения малеинового ангидрида является парофазное каталитическое окисление бензола /1,2/. Наиболее распространенным видом сырья для производства малеинового ангидрида является бензол. Мировое производство малеинового ангидрида в 1998-1999 гг. составляло 5,5 млн. т.

Более 90% его получают, используя в качестве сырья бензол. При окислении безвоздушной смеси над ванадиевыми катализаторами выход малеинового ангидрида составляет 70% на пропущенный бензол при полной его конверсии. Около 30% бензола превращается в продукты глубокого окисления СО, СО₂.

Окисление проводят в паровой фазе на стационарном слое катализатора. В зависимости от используемого катализатора изменяется температура реакции в диапазоне 350-450 ⁰С. Процесс ведут практически без давления, оно составляет 0,5атм и обуславливается сопротивлением технологических аппаратов.

Эффективность процесса получения малеинового ангидрида парофазным окислением бензола зависит от селективности применяемых для этого катализаторов и от степени совершенства самого процесса – как стадии окисления, так и стадий выделения целевого продукта.

В современных промышленных процессах получения малеинового ангидрида парофазным окислением бензола выход малеинового ангидрида на стадии окисления составляет 72-74% при конверсии 98-100%

Получение кислородосодержащих соединений прямым окислением углеводородов кислородом – многостадийный процесс /3/. Образующиеся кислородосодержащие соединения (альдегиды, кислоты, окиси, ангидриды) являются в свою очередь промежуточными продуктами окисления, которые доокисляются затем в СО, СО₂ и Н₂О.

Выбор соответствующего катализатора и условий проведения реакции приводит к образованию продуктов неполного окисления. Высокая селективность реакции получается при благоприятном соотношении скоростей образования и дальнейшего превращения промежуточных продуктов.

Реакторы для парофазного каталитического окисления бензола.

Окисление проводят в аппаратах, называемых реакторами. Известно несколько типов реакторов, отличающихся друг от друга конструктивными особенностями и главным образом типом используемого катализатора. Применяемые реакторы можно разделить на две основные группы: со стационарным и псевдоожиженным слоем катализатора.

Вначале рассмотрим вопросы, являющиеся общими для обеих групп: основные факторы, определяющие выбор конструкции реактора; хладагенты, применяемые для отвода тепла реакции; катализаторы.

К основным факторам, определяющим, конструктивные особенности реакторов для производства малеинового ангидрида, относятся следующие: агрегатное состояние веществ, присутствующих в реакционной зоне; интенсивность перемешивания ингредиентов; давление; химические свойства перерабатываемых веществ; тепловой эффект процесса; температура реакции и интенсивность теплообмена.

Вещества, присутствующие в реакционной зоне, находятся в разном агрегатном состоянии: газообразная бензоловоздушная смесь окисляется в присутствии твердого катализатора с образованием парогазовой смеси продуктов контактирования. Таким образом, при получении малеинового ангидрида парофазное каталитическое окисление ароматических углеводородов осуществляется в гетерогенных системах газ—твердое тело. Вследствие высокого теплового эффекта реакции для проведения процессов парофазного каталитического окисления ароматических углеводородов практически приемлемыми оказались трубчатые аппараты и аппараты с псевдоожиженным слоем катализатора.

В трубчатых аппаратах твердый гранулированный катализатор находится в трубках, а межтрубное пространство заполняется хладагентом, отводящим тепло реакции. Смесь воздуха с парами бензола движется через слой твердого гранулированного катализатора со скоростью, обеспечивающей необходимую турбулентность потока. Так как активность применяемых катализаторов большая, достигаемый в данном случае контакт фаз оказывается вполне достаточным для протекания реакций окисления.

Очень эффективно взаимодействие парогазовой и твердой фаз протекает в аппаратах с псевдоожиженным слоем катализатора. В этих аппаратах газ движется с определенной скоростью снизу вверх через слой высокодисперсного твердого катализатора, который при этом приводится в состояние псевдоожижения, напоминающее кипение жидкости. Для аппаратов этого типа характерны интенсивное перемешивание газа и мелкозернистого катализатора и малая разность температур между любыми точками псевдоожиженного слоя.

Для успешного проведения экзотермического каталитического процесса парофазного окисления необходима высокая интенсивность перемешивания реагирующих веществ. В аппаратах обоих типов интенсивное перемешивание осуществляется путем создания соответствующей скорости движения парогазовой смеси, обеспечивающей необходимую турбулентность потока и соответствующий гидродинамический режим в зоне катализатора,

Давление при промышленных процессах парофазного каталитического окисления бензола определяется в основном гидравлическим сопротивлением аппаратов и коммуникаций и составляет примерно 0,5 ат (избыточное давление). Столь низкое давление значительно облегчает конструирование и эксплуатацию реакторов. Исследования процесса парофазного каталитического окисления бензола в малеиновый ангидрид при избыточном давлении до 6 ат и степенях превращения 45, 60 и 75% показали, что избирательность катализатора с повышением давления увеличивается незначительно.

Одновременно наблюдалось заметное повышение производительности катализатора для степеней превращения 45 и 60% при возрастании избыточного давления от 0,4 до 6 ат. Меньшее, не возрастание производительности с увеличением давления происходило при степени превращения 75%. В промышленности процесс получения малеинового ангидрида ведут при 100%-ном превращении бензола. Поэтому для решения вопроса о целесообразности повышения давления требуются дополнительные кинетические исследования.

Процесс окисления бензола в псевдоожиженном слое катализатора иногда ведут при избыточном давлении 1—2 ат. Это позволяет при тех же линейных скоростях газового потока увеличить массу газа, проходящую через слой катализатора, не уменьшая время контактирования. При атмосферном давлении увеличение расхода парогазовой смеси может привести к превышению максимально допустимой скорости потока и к разрушению структуры псевдоожиженного слоя. Оптимальное давление выбирается с учетом возрастания расхода электроэнергии на дополнительное сжатие, воздуха и повышения стоимости аппаратов, рассчитанных на работу под давлением.

Химические свойства перерабатываемых веществ определяют действие их на материал аппаратуры. Бензол и малеиновый ангидрид, находясь в паровой фазе, практически не корродируют сталь. Сильное коррозионное действие на металлы оказывают раствор малеиновой кислоты. Однако в условиях парофазного каталитического окисления бензола и о-ксилола гидратации малеинового ангидрида не происходит. Поэтому, как подтвердил большой опыт работы реакторов, химические свойства перерабатываемых и получаемых веществ не являются определяющим фактором при выборе материала аппаратуры.

Одним из наиболее существенных факторов, в значительной степени определяющих конструкцию реактора, является тепловой эффект процесса. Окисление ароматических углеводородов в малеиновый ангидрид сопровождается выделением большого количества тепла. При 100%-ном окислении 1 кг бензола в малеиновый ангидрид выделяется 3503 ккал (теплота окисления, отнесенная к 20 °С, без учета изменения теплового эффекта с температурой). Однако при промышленном проведении процесса протекают еще побочные реакции, тоже сопровождающиеся выделением тепла.

Таким образом, суммарный тепловой эффект в значительной мере зависит от степени превращения исходного углеводорода в различные продукты окисления.

Если принять степень превращения бензола в малеиновый в малеиновый ангидрид—0,02, а степень полного сгорания бензола 0,10, то тепловой эффект процесса окисления 1 кг бензола в этих условиях, отнесенный к стандартной температуре 20 °С, будет равен 4111,7 ккал .

Существенное значение имеет наличие примесей в исходном бензоле. При полном сгорании 1 кг примесей в среднем выделяется 10000 ккал тепла. Если примесью к бензолу является метилбензол, то количество выделяющегося тепла увеличивается, так как при окислении 1 моль метилбензола в малеиновый ангидрид выделяется в 1,13 раза больше тепла, чем при окислении 1 моль бензола.