Разработка САПР трубчатых реакторов для производства малеинового ангидрида

паром, загружали 15 л чистой воды и такое же количество промывной воды

после предыдущей операции, 7,6 кг отработанного катализатора и 200 мл

купоросного масла. Массу тщательно размешивали и нагревали, после чего

небольшими порциями при размешивании добавляли 0,5 кг щавелевой кислоты.

Прекратив обогрев, массу дополнительно размешивали в течение 10—15 мин и

отстаивали. Раствор декантировали, а осадок промывали водой, которую потом

использовали для обработки свежих порций катализатора.

Лабораторные испытания образца катализатора, полученного с

использованием растворов регенерированной смеси активных компонентов,

показали, что такой катализатор не отличается от катализатора,

приготовленного из исходных реактивов.

Реакторы со стационарным слоем катализатора.

Первоначально промышленный синтез малеинового ангидрида был

осуществлен в стационарном слое катализатора. При этом были созданы

реакторы относительно небольшой производительности — примерно 20 кг

малеинового ангидрида в час. Процесс дальнейшего совершенствования

реакторов характеризуется стремлением к созданию аппаратов большой

мощности. Основной проблемой при создании высокопроизводительных агрегатов

является необходимость отвода тепла, выделяющегося при окислении больших

количеств бензола. Поэтому для конструкций реакторов производства

малеинового ангидрида наиболее важным является метод теплоотвода.

Реакторы со стационарным слоем гранулированного катализатора

выполняются в виде вертикальных трубчатых аппаратов. Реактор представляет

собой вертикальный аппарат, в котором имеется большое количество трубок,

заполненных катализатором. В межтрубном пространстве аппарата находится

расплав солей. Для интенсификации отвода тепла и выравнивания температуры

расплав перемешивается пропеллерной мешалкой, приводимой во вращение

электродвигателем с индивидуальным приводом.

Для отвода тепла от расплава солей в центральной трубе размещены

охлаждающие элементы, по конструкции аналогичные трубкам Фильда. Во

внутренние трубки охлаждающих элементов снизу поступает воздух, а нагретый

воздух выводится из наружных трубок через камеру. Охлаждающий воздух

подается также в рубашку. Температура в зоне катализатора измеряется

термопарами, установленными в гильзах. Перед началом процесса

контактирования аппарат разогревают, продувая катализатор горячим воздухом.

Бензоловоздушная смесь, поступающая в реактор, проходит через трубки,

заполненные катализатором, а контактные газы, содержащие пары малеинового

ангидрида, удаляются из аппарата через нижний боковой штуцер.

В некоторых реакторах циркуляция расплава солей через межтрубное

пространство осуществляется насосом. При этом горячий расплав можно

направлять в котлы-утилизаторы и расходовать тепло реакции для получения

водяного пара, который используют в самом производстве малеинового

ангидрида. По расчету количество пара, получаемого в процессе окисления

бензола (6 т/год), вполне достаточно для обеспечения нужд всего цеха

малеинового ангидрида. Равномерное распределение исходной парогазовой смеси

по сечению реактора достигается при помощи перфорированной тарелки,

расположенной под входным штуцером. Температура в аппарате измеряется

термопарами, установленными на разной глубине в гильзах, которые выведены

наружу через штуцеры. Герметичность достигается установкой в штуцерах

сальников.

Через межтрубное пространство реактора прокачивается расплав солей.

Продукты реакции выводятся через нижний боковой штуцер. Чтобы предотвратить

окисление нитрита, содержащегося в расплаве, в межтрубное пространство

аппарата вводят водяной пар, а лучше азот.

Особенно важным конструктивным узлом реакторов со стационарным слоем

катализатора является место соединения труб с трубными решетками. Известны

случаи, когда из-за не плотности стыков расплав из межтрубного пространства

проникал под нижние трубные решетки. Контакт расплава с парами органических

веществ, содержащихся в паровогазовой смеси продуктов контактирования,

приводил к воспламенению и взрывам. При этом выбивало предохранительные

мембраны на газоходах ангидридной смеси, и систему приходилось

останавливать для ремонта и чистки. С целью возможно более тщательного

уплотнения концы труб развальцовывают в трубных решетках и затем

дополнительно проваривают. Перед сдачей в эксплуатацию межтрубное

пространство реакторов проверяют на герметичность. Для сохранения плотности

стыков в процессе эксплуатации необходимо плавно нагревать и охлаждать

реактор при пусках и остановках системы.

Задача уплотнения соединений труб с трубными решетками сильно

усложняется по мере увеличения числа труб в реакторе. В значительной

степени эту задачу удается решить путем создания высококачественных сварных

швов.

Контактные трубки реактора заполняют катализатором с особой

тщательностью, так как от равномерности распределения катализатора по

сечению и по длине трубок зависит успешное проведение процесса. При

неравномерном заполнении трубок реагенты будут проходить через слой

катализатора с разной скоростью, что приведет нарушению нормального течения

процесса.

Весьма важно чтобы гидравлическое сопротивление газовому потоку во

всех контактных трубках было одинаковым, так как в противном случае через

трубки будут протекать неравные количества газа с разными скоростями.

Поэтому перед пуском реактора через трубки продувают воздух для изменения и

регулирования сопротивление слоя катализатора.

«Закрепление» катализатора, загруженного в контактную трубку,

осуществляется различными способами.

Часто используют способ, схематически показанный на рисунке 1. На

рисунке изображены нижние участки двух контактных трубок 1. В них вставлены

пружинки 2, нижние витки которых плотно прижимаются к стенкам трубок,

препятствуя «стеканию» катализатора вниз.

В реакторах для получения малеинового ангидрида регулирование

температуры и зоне катализатора можно осуществлять при помощи кипящей бани

или автоматических регуляторов, изменяющих количество поступающего

хладагента в зависимости от изменения температуры в зоне катализатора.

Автоматическое регулирование температуры контактирования без применения

обычных терморегуляторов основано на использовании высококипящих жидкостей,

в которые погружены катализаторные трубки. Жидкости кипят при температуре,

определяемой давлением, при котором находится хладагент. При постоянном

давлении температура кипения сохраняется неизменной независимо от

возможного повышения температуры в зоне катализатора. В качестве хладагента

применяют кипящую ртуть.

Рисунок 1 – Схема закрепления катализатора в контактных трубках.

Производительность реакторов со стационарным слоем катализатора

составляет в большинстве случаев 3000—7000т малеинового ангидрида в год, а

иногда достигает 9000 и даже 15800 т в год. Созданию аппаратов столь

большой мощности способствовало, в частности, значительное

усовершенствование методов сварки. Число трубок в одном аппарате достигает

5400 и более. По мере роста производительности реакторов увеличивалось и

число трубок в одном аппарате.

До последних лет реакторы устанавливали внутри производственных

помещений. Однако развитие техники автоматического и дистанционного

контроля и регулирования технологических процессов обеспечило возможность

установки реакторов вне зданий. Управление реакторами производится с

центрального щита, монтируемого в закрытом помещении. При установке

реакторов вне здания сокращаются затраты на их монтаж, а также улучшаются

санитарно-гигиенические условия труда вследствие быстрого рассеивания

тепла, отдаваемого реакторами в окружающую среду. При увеличении мощности

аппаратов повышается их тепловая инерция и уменьшается чувствительность к

изменениям температуры окружающего воздуха, что особенно важно при

установке аппаратов вне здания.

Чтобы сократить потери тепла в окружающую среду и ускорить разогрев

системы, реакторы и газоходы тщательно изолируют.

От вредного влияния атмосферных осадков термоизоляцию защищают

кожухами из кровельной стали, лучше оцинкованной, Фланцы аппаратов и

коммуникаций являются источниками значительных потерь тепла, поэтому при

установке аппаратов вне здания фланцы также тщательно термоизолируют и

защищают от атмосферных осадков.

Реакторы монтируют на отдельно стоящих фундаментах. Для обслуживания

аппаратов на различных уровнях имеются легкие площадки, соединенные

лестницами.

Непременным условием, обеспечивающим возможность установки реакторов

вне здания, является тщательная отработка технологического процесса и

высококачественное изготовление оборудования. Это обеспечивает безаварийную

работу и исключает необходимость в частых ремонтах. При соблюдении этих

условий нет никакой надобности в создании кровли или какого-либо шатра над

реакторами.

При установке реакторов вне здания должна быть обеспечена высокая

герметичность аппаратов и коммуникаций. В противном случае малеиновый

ангидрид при контакте с атмосферными осадками будет гидратироваться до

соответствующих кислот. Последние отличаются высокой химической

агрессивностью по отношению к черным металлам и могут вызывать коррозию

материала аппаратуры, коммуникаций и строительных конструкций.

Технологический процесс получения малеинового ангидрида.

Технологический процесс начинается с приготовления бензоловоздушной

смеси, которая нагревается в теплообменнике до температуры 380-435С0 и

поступает в реактор, в присутствии катализатора и давлении 0,2 атм.

Установлено, что в процессе эксплуатации катализатор медленно

изменяет свои свойства. Рабочий цикл при этом составляет 2-3 года.

Продукты реакции проходят котел-утилизатор, теплообменник, который

используется для подогрева бензоловоздушной смеси, и холодильник, попадают

в конденсатор-сепаратор, где происходит конденсация большей части

малеинового ангидрида. Газы, содержащие остаточное количество малеинового

ангидрида и другие продукты реакции, подвергаются мокрой очистке в водном

скруббере, где практически полностью улавливается малеиновый ангидрид.

Раствор мелеиновой кислоты доводится в скруббере до концентрации

40%(масс.), затем подается на дегидратацию, где выделяется ангидрид-сырец.

Схема технологических стадий показана в приложении А.

Наиболее важным аппаратом технологического процесса является

химический реактор. В реакторе происходит образование целевого продукта,

продолжительность рабочего цикла, зависящая от состояния катализатора, и

производительность всего технологического процесса полностью определяются

этим аппаратом.

2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

В ходе разработки САПР должны быть решены следующие задачи:

- Построение структурной схемы САПР

- Построение функциональной схемы САПР

- Разработка математической модели трубчатого

реактора для получения малеинового ангидрида

- Постановка задачи оптимального проектирования и выбор метода ее

решения

- Создание программы, реализующей решение задачи оптимального

проектирования

- Разработка подсистемы ввода-вывода

- Разработка подсистемы выбора вспомогательного оборудования

- Разработка подсистемы визуализации

- Разработка подсистемы выбора катализатора

- Разработка подсистемы выбора хладагента

- Разработка подсистемы формирования документации

- Разработка информационно-поисковой подсистемы

3 ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ

Структуру разрабатываемой подсистемы САПР (приложение Б) можно

представить в виде совокупности взаимодействующих друг с другом подсистем,

каждая из которых выполняет строго определенную функцию.

- Подсистема ввода-вывода.

Диалог с пользователем осуществляется двумя системами: системой

"заполнение бланка", которая служит для ввода необходимой информации и

системой "меню", которая предлагает пользователю выбрать необходимый

параметр. Пользовательский интерфейс осуществляет программа ввода-вывода.

Подсистема ввода-вывода функционирует на одном компьютере вместе с

подсистемой формирования документации, подсистемой визуализации и

информационно-поисковой подсистемой.

- Подсистема формирования документации.

Эта подсистема служит для создания технической документации.

Техническая документация разрабатывается с использованием таких программных

продуктов как AutoCad 2000 и MicroSoft Office 2000.

- Подсистема визуализации.

Подсистема визуализации необходима для графического отображения

полученной информации. Непосредственно визуализацией данных занимается

пакет прикладных программ визуализации.

Выбор компьютера для этих подсистем был основан на основе требований

пакетов AutoCad, MS Office и операционной системы Windows 2000, которая в

свою очередь выбрана из соображений безопасности и устойчивости. Поэтому

для функционирования данных подсистем необходимы компьютер Pentium III 600

с винчестером 10 Gb и 128 Мбайт оперативной памяти, монитор SVGA 17”,

источник бесперебойного питания Smart-UPS 420, CD-ROM Samsung 52x, мышь

Genius Net Mouse 3x, клавиатура Mitsumi PS/2, принтер LaserJet 2100 и

плоттер HP Disign Jet 430c.

- Информационно-поисковая подсистема.

Информационно-поисковая подсистема находится на одном компьютере с

подсистемой решения задачи оптимального проектирования.

Эта подсистема предназначена для хранения и извлечения необходимой

информации. Для реализации данной подсистемы необходим описанный выше

компьютер, применяемый в диалоговой подсистеме.

Работа с базами данных осуществляет система управления базами данных

Borland Interbase 5.0. Программа требует установку на данный компьютер

администратора баз данных Borland Interbase 5.0 Server.

СУБД обеспечивает доступ к следующим базам данных:

- БД готовых проектов;

- БД насосов;

- БД фильтров;

- БД катализаторов;

- БД теплоносителей;

В данной СУБД применяются диалог типа "заполнение бланка" . Диалог

данного вида применяется для заполнения соответствующей базы данных.

БД хранятся в распространенном формате dBase for Windows.

- Подсистема подбора вспомогательного оборудования.

Работа данной и последующих подсистем происходит на компьютере

Pentium III-600, 10Gb, 128Мb RAM. Для создания подсистем также необходимы:

монитор SVGA 15”, источник бесперебойного питания Smart-UPS 420, мышь

Genius Net Mouse 3x, клавиатура Mitsumi PS/2. Выбор данной конфигурации

компьютера обуславливается также, как и было описано выше, требованиями

операционной системы и программных приложений.

Эта подсистема предназначена для подбора пользователем оптимальных

элементов вспомогательного оборудования.

Она реализуется с помощью следующего пакета прикладных программ:

- программа подбора фильтра;

- программа подбора электродвигателя.

В работе подсистемы применяется диалог типа "меню" и типа "заполнение

бланка"

- Подсистема выбора теплоносителя.

Данная подсистема необходима для выбора теплоносителя для реактора

получения малеинового ангидрида посредством каталитического окисления

бензола. Выбор теплоносителя обеспечивает программа выбора теплоносителя.

Математическим обеспечением ей служит алгоритм выбора теплоносителя.

Применяемый диалог с пользователем - диалог типа "меню" и типа "заполнение

бланка".

- Подсистема выбора катализатора.

Данная подсистема предназначена для выбора катализатора для

трубчатого реактора производства малеинового ангидрида. Это осуществляется

с помощью программы выбора катализатора. Эта программа использует алгоритм

выбора катализатора. Лингвистическое обеспечение для этой подсистемы служит

- диалог типа "меню" ,а также диалог типа "заполнение бланка".

- Подсистема решения задачи оптимизации.

Данная подсистема реализуется с помощью следующих программ:

- программа для решения математической модели;

- программа для решения задачи оптимизации.

Данные программы написаны на объектно ориентированном языке

программирования С++. При работе данная подсистема применяет диалог "вопрос-

ответ" для утверждения полученного результата у пользователя и системы

"заполнения бланков" и "меню" для коррекции исходных данных.

В данной подсистеме для решения поставленных задач применяются

следующие методы решения:

метод конечных разностей, который используется для решения

математической модели ;

метод Ньютона для систем нелинейных дифференциальных уравнений,

который используется для решения задачи оптимального проектирования.

4 ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Функциональная схема САПР представлена в приложении В.

На начальном этапе пользователю предлагается ввести исходные данные с

помощью диалога типа "заполнения бланков" (для ввода необходимых данных) и

диалога типа меню (для выбора необходимой точности). Эти данные проверяются

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8