Автореферат: Математическое моделирование, совершенствование и аппаратурное оформление процесса синтеза анилина

Рассматривался стационарный режим работы реактора. Учитывалось изменение температуры и концентрации компонентов реакционной смеси вдоль трубы реактора и по радиусу, так как тепловой эффект реакции синтеза (1) огромный. Слой катализатора рассматривался как квазигомогенная среда с эффективными коэффициентами диффузии и теплопроводности. На основе вышесказанного и дифференциальных уравнений материального и теплового балансов общего вида, была принята следующая двумерная математическая модель процесса синтеза в цилиндрической системе координат:

,

,

Граничные условия:

,

,

, .

Скорость движения среды в трубном пространстве определялась из условия равенства гидравлического сопротивления слоя. Для каждого сечения реактора была принята средняя величина скорости реакции.

Система дифференциальных уравнений (9-11) была дополнена системой уравнений для расчета теплофизических свойств сред в зависимости от состава и температуры, а также данными по свойствам индивидуальных компонентов и геометрии объекта. Также были включены уравнения (9, 10) для трубок, в которых установлены термопары, используемые для определения продольного профиля температур реакционной смеси. Данная математическая модель позволяет рассчитать профиль температур для труб любого диаметра с термопарой и без нее.

Для расчета уравнения (9-11) заменялись конечно-разностной двухслойной неявной схемой второго порядка точности.

Рис. 1 Температурный профиль вдоль трубы реактора: 1, 4 - в трубе с термопарой расчетная и экспериментальная; 2 - в штатной трубе; 3, 5 - в межтрубном пространстве расчетная и экспериментальная

Достоверность модели и значений констант скоростей проверены контрольными экспериментами, проведенными на лабораторной установке и промышленном реакторе, а также результатами иссле-дований из литературных источников. Сопоставление расчетных данных и экспе-риментальных значений пока-зало хорошее соответствие, при доверительной вероят-ности 0.95 подтвердилась значимость коэффициента кор-реляции. Адекватность моде-ли, с учетом высокой экзотер-мичности процесса, также подтверждается совпадением положения температурного максимума вдоль трубы реактора (рис. 1). Оценивалось и количество тепла, затрачиваемое на образование пара в рекуператоре тепла (рис. 3). Расчеты показали соответствие переданного теплоносителю тепла значению, рассчитанному по формуле:

Все вышеперечисленное говорит о хорошем соответствии модели промышленному объекту.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований на лабораторной установке и промышленном реакторе.

Для построения математической модели процесса синтеза анилина был проведен анализ продуктов реакции на участие анилина в образовании побочных веществ, также осуществлена проверка возможности моделирования работы разбавленного катализатора, оценено влияние температуры на образование смол. Лабораторный эксперимент (рис. 2) проводили в интегральном адиабатическом реакторе. Реактор (рис. 2 поз. 4) диаметром 26 мм и высотой 600 мм изготовлен из нержавеющей стали Х18Н9Т, снабжен защитным чехлом для термопары (рис. 2 поз. 5). Применялся нитробензол, используемый в промышленном синтезе (ТУ 6-36-0204208-107-89). Чтобы осуществить проверку возможности моделирования разбавленного катализатора, верхнюю одну третью часть слоя катализатора разбавляли неактивным катализатором в соотношении (активный/неактивный) 1:3. Общий объем катализатора составлял 24 см3. В лабораторных экспериментах оценивали состав катализата и температуру в лобовой части.

С увеличением начальной температуры на 20 _С наблюдалось увеличение количества примесей на ? 40 %. При температурах 180..200 _С расход нитробензола оказывал незначительное влияние на образование тяжёлых смол, при 220 _С влияние существенное. Мольное соотношение воды и анилина в катализате равно 2:1, что соответствует стехиометрии процесса и говорит о том, что тяжелые смолы образуются из нитробензола.

Подтвердилась возможность моделирования работы катализатора, разбавленного неактивными частицами путём домножения на процентную составляющую активных частиц:

Промышленный эксперимент проводили для проверки адекватности математической модели трубчатого реактора и оценки влияния технологических параметров на образование побочных продуктов. В качестве эксперимента в цехе были проведены несколько опытных циклов синтеза с изменением температуры теплоносителя и расхода сырья.

Все эксперименты проводились в установившемся режиме работы технологической линии. В ходе экспериментов отбирались пробы жидкого катализата (рис. 3 т. 1), фиксировались температуры реакционной смеси (рис. 3 т. 2, 3), температуры теплоносителя (рис. 3 т. 4, 5), температура и расход полученного пара (рис. 3 т. 6, 7).

Рис. 3 Технологическая схема процесса синтеза анилина

Эксперименты показали, что с ростом температуры возрастает количество побочных продуктов. Также было установлено различие профиля температуры в штатной трубке и в трубке с термопарой. Измерение температуры вдоль трубы реактора осуществлялось термопарами (чехол Ш 8 мм), помещенными в трубы диаметром 28 мм (рис. 4). При этом штатные трубки Ш 26 мм. Для возможности моделирования процессов, протекающих в трубках с термопарой и без, были проведены эксперименты по определению порозности катализатора. Эксперименты проводились с трубами различного внутреннего диаметра, наличие термопары имитировалось соосной установкой внутри трубы металлического стержня. В качестве насыпного материала использовались зерна катализаторов производства анилина.

В результате проведенных исследований было подтверждено влияние наличия чехла под термопару на порозность катализатора в трубе реактора. Определены функциональные зависимости порозности катализатора от эквивалентного диаметра катализатора и трубы реактора для двух видов катализаторов: порозность катализатор анилин нитробензол

,

,

,

.

По результатам экспериментов с помощью регрессионного анализа были получены зависимости выхода примесей от температуры реакционной смеси и от количества нитробензола, пропускаемого через объем катализатора в единицу времени для высоко- и низкотемпературного синтеза:

;

.

Был проведен анализ зависимости количества замен катализатора и увеличения срока эксплуатации реактора от межрегенерационного периода за счет понижения температуры синтеза. Моделирование изменения срока службы катализатора основывалось на количестве образовывающихся тяжёлых смол при тех или иных условиях эксплуатации (23, 24):

Увеличить время межрегенерационного периода можно уменьшив температуру в зоне реакции.

В четвертой главе с помощью вычислительных экспериментов оценено влияние технологических параметров на температуру в реакционной зоне. Одним из критериев поиска нового технологического решения была оценка потерь энергии, так как вторым продуктом процесса синтеза анилина является энергия. Было установлено, что увеличение расхода сырья оказывает незначительное влияние на максимальное значение температуры в трубном пространстве, но при этом потери энергии значительные. Понижение температуры теплоносителя позволяет снизить температуру в зоне реакции с сохранением количества получаемой энергии приблизительно на том же уровне. Уменьшение активности катализатора выравнивает температурный профиль и значительно снижает значение перепада температур в трубном пространстве. Снижение активности катализатора моделировалось уменьшением предэкспоненциального множителя, возможность такого расчета проверено на лабораторных экспериментах. Добавление холостых участков в слой катализатора не дает существенных изменений, так как основная часть продукта образуется в лобовой части.

С учетом специфики процесса для совершенствования производства был выбран следующий экономический критерий оптимальности:

при выполнении ограничений на изменение варьируемых параметров в соответствии с технологической схемой действующего производства:

Также оценивалась эффективность новых технических решений с помощью расчета относительной экономии материальных затрат по формуле:

С учетом показателей максимальной температуры в зоне реакции, количества серы, экономии материальных затрат (рис. 6а) и прибыльности производства эксплуатацию производственной линии предлагается осуществлять при расходе нитробензола: 3.4..3.6 т/ч, температуре теплоносителя на входе: 208..210 _С; активности катализатора - 1. При этом время работы реактора в среднем увеличится на 1300 ч/год, а количество замен катализатора уменьшится на 1 замену за год. Без учета потерь времени на очистку оборудования от смол, оплаты рабочим за замену катализатора прибыль производства увеличится на 12.5 %.

Рис. 5 Результаты вычислительных экспериментов влияния технологических параметров на экономию материальных затрат:

а) низкотемпературный синтез; б) высокотемпературный синтез

По результатам вычислительных экспериментов для высокотемпературного синтеза выявлено, что понижение активности катализатора на 15..20 % (путем разбавления неактивными частицами), уменьшение температуры теплоносителя на 5 _С и увеличение расхода нитробензола на 0.5 т/ч увеличит прибыльность производства на 11 %, при этом температура реакционной смеси уменьшится на 25 _С. Как следствие сократится количество замен катализатора, увеличится межрегенерационный период, увеличится продолжительность работы реактора на 1536 ч/год. Выход анилина останется на прежнем уровне.

С помощью математической модели также были произведены эксперименты по изменению внутреннего диаметра трубки с 28 до 20 мм. Максимальная температура в зоне реакции упала на 45 _С, при сохранении условий теплоотвода, производительность уменьшилась на 8 %.

1. Подбор диаметра труб для измерения температуры в зоне реакции

В таблице 1 приведены диаметры труб под термопару, которые позволяют отображать реальную температуру в штатной трубе указанного размера.

В пятой главе представлена методика формирования математической модели конкретного процесса из обобщенной модели реактора по данным полученным от пользователя. Выбор объекта моделирования обусловлен универсальностью данного аппарата, он широко используется в промышленности для проведения многих химико-технологических процессов.

Представлены этапы создания компьютерной модели химико-технологического процесса. Структура базы данных системы. Принципы работы студентов с программным комплексом.

Разработан алгоритм расчета строковых формул (скорость превращения задается пользователем) методом переноса-свертки, интерполяции табличных данных физических параметров газов, алгоритм формирования и расчета уравнений модели трубчатого реактора (по количеству веществ, участвующих в протекающих реакциях).

Комплекс предназначен для обучения студентов и персонала производств химической промышленности. На основе компьютерной модели предлагается изучение работы трубчатого реактора со стороны обслуживающего персонала, также возможность поиска путей совершенствования производства с использованием существующего оборудования, разработки нового оборудования для каталитического процесса.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложены уравнения для расчета скорости образования анилина для промышленных катализаторов низко- и высокотемпературного синтеза и на их основе создана математическая модель кинетики, отражающая его особенности и позволяющая оценить влияние температуры, концентрации реагирующих веществ на интегральные характеристики процесса.

2. На основании результатов лабораторных экспериментов получена функциональная зависимость выхода тяжелых смол от температуры и расхода нитробензола на объем катализатора, а также подтверждена возможность моделировать разбавление катализатора отработанным катализатором, уменьшая скорость реакции соответственно пропорции разбавления.

3. Проведены эксперименты по определению порозности слоя катализаторов синтеза анилина при малых значениях соотношений диаметра трубы и эквивалентного диаметра зерна катализатора для полых труб и труб с кольцевым сечением.

4. Разработана математическая модель реактора синтеза анилина с учетом высокой экзотермичности реакции образования основного продукта, позволяющая проводить расчеты выходных характеристик в новых условиях эксплуатации реактора, а также с новыми значениями конструкционных параметров. В модели для задания порозности слоя в штатной трубе и в трубе под термопару использовались экспериментальные данные.

5. Проведены экспериментальные исследования на промышленном реакторе, подтвердившие адекватность математической модели.

6. Разработана методика расчета диаметра труб, предназначенных для проведения корректных измерений температуры в зоне реакции.

7. Приняты к внедрению ОАО «Волжский Оргсинтез» 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).