На правах рукописи
05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССА СИНТЕЗА АНИЛИНА
КЛИМОВА ЕЛЕНА ВЛАДИМИРОВНА
Тамбов 2011
Диссертация выполнена на кафедре «Технологические машины и оборудование» Волжского политехнического института (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет».
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Тишин Олег Александрович
Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Килимник Александр Борисович
доктор технических наук, профессор Голованчиков Александр Борисович
Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие Государственный научно-исследовательский институт органи-ческой химии и технологии (ФГУП ГосНИИОХТ), г. Москва
Защита состоится « » 2011 года в час на заседании диссертационного совета Д 212.260.02 при ФГБОУ ВПО ТГТУ по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, 1, ауд. 60.
Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская 106, ФГБОУ ВПО ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.02.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО ТГТУ по адресу: 392032, г. Тамбов, ул. Мичуринская, 112, с авторефератом диссертации дополнительно - на официальном сайте ФГБОУ ВПО ТГТУ
Автореферат разослан « » __________ 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доцент В.М. Нечаев
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. С каждым годом во всем мире растет спрос на анилин, а соответственно и мощности его производства. На 2010 год мировая мощность производства составляла 5,3 млн. т/год. Области потребления данного продукта различны: производство изоцианатов, используемых в промышленности строительных материалов (пены, декоративные детали, утеплители труб и др.), в обувной промышленности, производстве транспортных средств, в мебельной промышленности; в качестве добавки к резине (ускорители вулканизации, антиоксиданты, антиозонанты); добавки к моторным топливам; производство фармацевтических препаратов; органических красителей и пигментов; гербицидов.
В основном анилин производится восстановлением нитробензола водородом в газовой фазе на неподвижном или в псевдоожиженном слое катализатора (в том числе и в России).
На ОАО «Волжский Оргсинтез» функционируют две линии производства анилина: высокотемпературного и низкотемпературного синтеза. Срок эксплуатации катализаторов, используемых в обоих производствах, намного меньше срока, предусмотренного по технологическому паспорту, что приводит к частым регенерациям катализатора и необходимости его досрочной замены. Причинами могут являться существенный перепад температур в зоне реакции и образование тяжёлых смол. Смолы также загрязняют оборудование технологической линии производства.
Диссертация обобщает результаты научно-исследовательских работ в области расчета и проектирования реактора синтеза анилина, выполненных в период 2004 - 2011 гг. Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ, финансируемых по заданию Федерального агентства по образованию, и хоздоговорами с промышленными предприятиями г. Волжского.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы являлось совершенствование процесса синтеза анилина с использованием математической модели.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
- проведены исследования и предложены параметры уравнений, описывающих скорость образования анилина, разработана математическая модель кинетики синтеза анилина на промышленных катализаторах;
- экспериментально подтверждена адекватность математической модели кинетики синтеза анилина на лабораторных установках;
- проведена оценка порозности слоя катализатора, используемого в производстве анилина: в штатных трубках и трубках с термопарами;
- определено влияние температуры и расхода нитробензола на образование тяжёлых смол;
- определено влияние разбавления слоя катализатора инертным материалом на показатели процесса;
- разработана математическая модель промышленного синтеза анилина, учитывающая значительные изменения температуры в зоне реакции;
- подтверждена адекватность математической модели промышленного реактора контрольными промышленными экспериментами;
- проведены вычислительные эксперименты на компьютерной модели и оценено влияние различных конструктивных и технологических параметров на интегральные показатели процесса;
- разработаны рекомендации для проектирования реакторов синтеза анилина на основе результатов численного моделирования и выдвинуты предложения по совершенствованию действующего производства, позволяющие осуществлять синтез в более мягких температурных условиях и повысить срок эксплуатации катализатора и мощность производства.
Научная новизна:
- определены параметры уравнений, описывающих скорость процесса синтеза анилина в производственных условиях;
- проведены экспериментальные исследования, позволившие подтвердить адекватность математической модели при разбавлении слоя катализатора инертным материалом;
- разработана математическая модель промышленного реактора с учетом сильной экзотермичности реакции образования анилина;
- подобраны уравнения для расчета порозности слоя катализатора в штатных трубках и трубках с термопарой для катализаторов синтеза анилина.
Практическая ценность:
- разработана компьютерная модель реактора синтеза анилина, адекватность которой подтверждена экспериментально, позволяющая определять значения выходных характеристик в широком диапазоне изменения технологических и конструкционных параметров;
- установлено различие в показаниях температур в трубках с термопарами и в штатных трубках, заполненных катализатором;
- определены функциональные зависимости образования примесей от температуры в реакционной зоне и от расхода нитробензола;
- изучено влияние технологических и конструктивных параметров на процесс синтеза анилина;
- сформулированы предложения по совершенствованию процесса синтеза анилина (проводить процесс высокотемпературного синтеза при следующих условиях: , т/ч, _С, что позволит снизить температуру на 25 _С, повысить производительность на 3.2 тыс. т анилина в год, прибыльность на 10.6 %; для низкотемпературного синтеза рекомендовано: т/ч, _С, что позволит снизить температуру на 25 _С, повысить производительность на 1.5 тыс. т анилина в год, прибыльность на 12.5 % без потери качества), приняты к внедрению ОАО «Волжский Оргсинтез»;
- разработан программный комплекс, позволяющий исследовать технологические режимы работы кожухотрубного вертикального каталитического реактора для различных химических процессов, протекающих в газовой фазе, используемый в учебной программе специальности «Машины и аппараты химических производств» на лабораторных занятиях по дисциплине «Системный анализ» и для научных исследований.
Апробация работы. Результаты работы доложены на Межвузовских научно-практических конференциях молодых ученых и студентов, на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ВПИ и ВолгГТУ, на Международной научно-методической конференции «Инновационные технологии организации обучения в техническом вузе: на пути к новому качеству образования», на Межрегиональных научно-практических конференциях «Взаимодействие научно-исследовательских подразделений промышленных предприятий и вузов по повышению эффективности управления и производства», на Международном конгрессе по инженерной химии, проектированию и автоматизации химико-технологических процессов («CHISA-2008», Чехия, г. Прага).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых публикуются основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, есть 2 свидетельства о регистрации в Отраслевом фонде алгоритмов и программ (ОФАП) г. Москва.
Объем работы. Диссертация изложена на 172 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа содержит 145 страниц основного текста, 44 рисунка, 25 таблиц, 142 библиографические ссылки и 7 приложений.
2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований. Обозначены научная новизна и практическая ценность результатов работы.
В первой главе рассмотрены тенденции развития производства анилина, проведен сравнительный анализ промышленных способов синтеза анилина. Результаты показали, что восстановление нитробензола водородом в газовой фазе на стационарном слое катализатора один из распространенных промышленных способов. Стадия контактирования осуществляется в кожухотрубчатом каталитическом реакторе. Катализатор расположен в трубном пространстве реактора. В межтрубном пространстве движется энергоноситель.
Инструментом исследований в данной работе является математическая модель. Основной проблемой при создании модели каталитического процесса является описание кинетики процесса. Анализ кинетики синтеза анилина велся на основе литературных данных, в которых эксперименты проводились при более высоких соотношениях компонентов смеси, в разных температурных диапазонах и на катализаторах, различных по составу активного компонента. За основу выбраны данные по катализаторам, состав которых наиболее близок к промышленным катализаторам синтеза анилина: НТК-4 (медь, хром, цинк, алюминий) и ЛОК-4 (никель, медь, свинец, алюминий).
Были рассмотрены: теория математического моделирования кожухотрубных каталитических реакторов, динамика газового потока в слое катализатора, расчет порозности катализатора в цилиндрической трубке, процессы теплопереноса в трубном и межтрубном пространствах, процессы массопереноса в трубном пространстве реактора и влияние диффузии на показатели химического процесса.
Обзор литературных источников позволил установить, что отсутствует математическое описание промышленного реактора синтеза анилина, возможно, это вызвано высокой экзотермичностью основной реакции:
Также выявлен недостаток информации для расчета порозности катализатора при малых соотношениях диаметра трубки и эквивалентного диаметра зерна катализатора.
Анализ процесса восстановления нитробензола водородом показал, что проблемными сторонами производства анилина гидрированием нитробензола в газовой фазе являются образование тяжёлых смол и отравление катализатора. Выход анилина очень высок (около 97 %), но сопровождается образованием смол при любых условиях эксплуатации (особенно при высоких температурах).
На основе проведенного анализа определены направления исследования, поставлены задачи и определены пути их решения.
Во второй главе приведены результаты анализа кинетики восстановления нитробензола на катализаторах промышленного типа, на основе которого построена математическая модель кинетики синтеза анилина и разработаны математические модели процессов тепло- и массопередачи в промышленном реакторе.
По литературным кинетическим параметрам процесса синтеза анилина, предварительным результатам вычислительных экспериментов и эмпирическим данным были определены показатели степеней при концентрациях реагентов, значения энергии активации и предэкспоненциальный множитель для промышленных катализаторов синтеза анилина:
НТК-4
ЛОК-4 ,
,.
Так как не менее 97% нитробензола расходуется на образование анилина, то из соображений расхода сырья и тепловыделений расчет можно вести по одной реакции (1):
, , .
В математической модели было принято допущение о том, что во всех трубках реактора процесс протекает одинаково. Загрузку катализатора производят таким образом, чтобы сопротивление слоя во всех трубках было одинаковым, на входе в реактор установлено распределительное устройство для равномерного распределения газовой смеси по трубкам.
Для межтрубного пространства принята модель квазиидеального вытеснения. Температура теплоносителя изменяется не более чем на 15 _С благодаря высокому расходу теплоносителя и за счет многократного изменения направления потока, обусловленного наличием перегородок. Возможность использования данного упрощения подтверждалась в предыдущих работах на кафедре «Технологические машины и оборудование». Для расчета средней теплоотдачи при поперечном обтекании пакетов труб использованы уравнения:
В данных уравнениях уже учтен коэффициент влияния угла атаки, равный 0.6 для кожухотрубных теплообменников с поперечными перегородками.