Помощь студентам в учебе
Разработка математической модели твердофазного реактора получения этилбензола
|
Введение 11
1. Химизм и механизм процесса алкилирования 13
2. Литературный обзор 23
2.1 Обзор катализаторов процесса алкилирования 23
2.1.1 Г омогенные катализаторы алкилирования 25
2.1.2 Гетерогенные катализаторы алкилирования 27
2.1.2.1 Цеолитные катализаторы 27
2.1.2.2 Нецеолитные катализаторы 30
2.1.2.3 Катализаторы с микромезопористой структурой 31
2.2 Обзор технологий алкилирования бензола этиленом 32
2.3 Реакторы алкилирования бензола этиленом 36
2.4 Математические модели процесса алкилирования бензола этиленом 38
3. Экспериментальная часть 42
3.1 Технологическое оформление процесса алкилирования бензола этиленом
42
3.2 Составление формализованной схемы химических превращений в ходе
процесса алкилирования 47
3.3 Составление кинетической модели процесса алкилирования бензола
этиленом 49
3.4 Составление математической модели процесса алкилирования бензола
этиленом 51
3.5 Программная реализация математической модели 54
4 Анализ результатов проведенного исследования 57
5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 64
5.1 Предпроектный анализ 64
5.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 64
5.1.2 Анализ конкурентов технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения 65
5.1.3 SWOT-анализ 66
5.1.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации 67
5.2 Структура работ в рамках научного исследования 68
5.3 План проекта 68
5.4 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 70
5.4.1 Расчет материальных затрат НТИ 70
5.4.2 Затраты на оборудование 71
5.4.3 Расчет основной заработной платы 71
5.4.4 Накладные расходы 74
5.4.5 Формирование бюджета затрат НИР 74
5.5 Определение эффективности исследования 75
6 Социальная ответственность 77
6.1 Производственная безопасность 77
6.1.1 Анализ вредных факторов 78
6.1.1.1 Вредные вещества 78
6.1.1.2 Повышенный уровень шума и вибрации 79
6.1.1.3 Недостаточная освещенность рабочей зоны 80
6.1.2 Анализ опасных факторов 81
6.1.2.1 Механические опасности 81
6.1.2.2 Т ермические опасности 81
6.1.2.3 Электрический ток 82
6.1.2.4 Пожаровзрывоопасность 83
6.2 Экологическая безопасность 84
6.2.1 Воздействие на атмосферу 84
6.2.2. Воздействие на гидросферу 84
6.2.3 Воздействие на литосферу 85
6.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 85
6.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 89
Заключение 89
Список публикаций 90
Список используемой литературы 92
Приложение А 97
Приложение Б 115
Приложение В 117
1. Химизм и механизм процесса алкилирования 13
2. Литературный обзор 23
2.1 Обзор катализаторов процесса алкилирования 23
2.1.1 Г омогенные катализаторы алкилирования 25
2.1.2 Гетерогенные катализаторы алкилирования 27
2.1.2.1 Цеолитные катализаторы 27
2.1.2.2 Нецеолитные катализаторы 30
2.1.2.3 Катализаторы с микромезопористой структурой 31
2.2 Обзор технологий алкилирования бензола этиленом 32
2.3 Реакторы алкилирования бензола этиленом 36
2.4 Математические модели процесса алкилирования бензола этиленом 38
3. Экспериментальная часть 42
3.1 Технологическое оформление процесса алкилирования бензола этиленом
42
3.2 Составление формализованной схемы химических превращений в ходе
процесса алкилирования 47
3.3 Составление кинетической модели процесса алкилирования бензола
этиленом 49
3.4 Составление математической модели процесса алкилирования бензола
этиленом 51
3.5 Программная реализация математической модели 54
4 Анализ результатов проведенного исследования 57
5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 64
5.1 Предпроектный анализ 64
5.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 64
5.1.2 Анализ конкурентов технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения 65
5.1.3 SWOT-анализ 66
5.1.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации 67
5.2 Структура работ в рамках научного исследования 68
5.3 План проекта 68
5.4 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 70
5.4.1 Расчет материальных затрат НТИ 70
5.4.2 Затраты на оборудование 71
5.4.3 Расчет основной заработной платы 71
5.4.4 Накладные расходы 74
5.4.5 Формирование бюджета затрат НИР 74
5.5 Определение эффективности исследования 75
6 Социальная ответственность 77
6.1 Производственная безопасность 77
6.1.1 Анализ вредных факторов 78
6.1.1.1 Вредные вещества 78
6.1.1.2 Повышенный уровень шума и вибрации 79
6.1.1.3 Недостаточная освещенность рабочей зоны 80
6.1.2 Анализ опасных факторов 81
6.1.2.1 Механические опасности 81
6.1.2.2 Т ермические опасности 81
6.1.2.3 Электрический ток 82
6.1.2.4 Пожаровзрывоопасность 83
6.2 Экологическая безопасность 84
6.2.1 Воздействие на атмосферу 84
6.2.2. Воздействие на гидросферу 84
6.2.3 Воздействие на литосферу 85
6.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 85
6.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 89
Заключение 89
Список публикаций 90
Список используемой литературы 92
Приложение А 97
Приложение Б 115
Приложение В 117
Объектом исследования является процесс твердофазного алкилирования бензола этиленом.
Цель работы заключается в создании адекватной математической модели процесса алкилирования бензола этиленом, реально описывающий технологический процесс.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Теоретическое исследование промышленного процесса твердофазного алкилирования бензола этиленом и установление зависимостей показателей выхода и качества целевого продукта от состава сырья (мольного соотношения бензол : этилен) и технологических условий (температуры).
2. Проведение термодинамического и кинетического анализа реакций, протекающих в процессе алкилирования бензола этиленом на цеолитсодержащих катализаторах.
3. Составление формализованной схемы превращения процесса твердофазного алкилирования.
4. Разработка математической модели процесса алкилирования бензола и этиленом.
5. Программная реализация математической модели и проверка ее на адекватность.
Основной метод, применяемый в работе - метод математического моделирования.
Результаты работы показали, что построенная математическая модель адекватно описывает реальный процесс алкилирования и может быть применена для качественной оценки влияния различных технологических параметров и состава сырья на эффективность процесса.
Областью применения модели является нефтехимическая промышленность.
Дипломная работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft® Office Word 2010.
Этилбензол является основным сырьем в производстве стирола. Основной способ его получения - это алкилирование бензола этиленом. Кроме этого возможно получение этилбензола путем сверхчеткой ректификацией из ароматических углеводородов С8 нефтяного происхождения. Примерно 1 % мировых мощностей основано на выделении этилбензола из потоков ксилолов. Этот процесс носит название суперфракционирование. Для его реализации требуются ректификационные колонны с более чем 300 тарелками, следовательно, процесс является дорогостоящим и не имеет распространения в зависимости от алкилирования. Реакция алкилирования может протекать как в жидкой, так и в газовой фазах.
Первым используемым для процесса жидкофазного алкилирования бензола катализатором являлся хлорид алюминия, но с 1958 года на замену ему пришел новый катализатор — фтороводород. Данный катализатор получил широкое распространение в мире благодаря своей высокой эффективности и качеству получаемого продукта, но не решил проблемы больших затрат на производство и утилизацию продуктов нейтрализации. Данная технология используется и в настоящее время. Также в качестве катализатора в процессе применяют концентрированную серную кислоту, но в этом случае возникают проблемы коррозии. В связи с этим необходимо сырье, очищенное от примесей (влаги, диенов, меркаптанов), интенсивное перемешивание реагирующих веществ и катализатора, вследствие их малой взаимной растворимости и др. Кроме того для сернокислотного алкилирования, проводимого при температурах 10-12 °С (в отличие от 20-30 °С при фтористоводородном алкилировании), требуются специальные системы теплообмена, что существенно увеличивает энергетические расходы. Эти недостатки обусловили интенсивный поиск новых каталитических систем [1].
С открытием новых катализаторов, изменяются и технологии производств. В России, начиная с 2003 года, современные твердые цеолитсодержащие катализаторы вытесняют процессы алкилирования с использованием жидкофазных катализаторов. Нефтеперерабатывающие заводы, имеющие установки алкилирования, ставят перед собой задачи по повышению эффективности производства алкилата. Для оптимизации процессов широко используют метод математического моделирования, позволяющий экономить средства и время, а также обладает высокой параметрической чувствительностью. Разработанная модель реактора для достижения прогнозирующей способности должна учитывать все физикохимические особенности процесса.
Для построения компьютерной реализации модели необходимо проанализировать и структурировать имеющуюся информацию. Это, в свою очередь, позволяет четко понять, какие показатели влияют на выходные данные процесса. Получаемые при этом модели используются для сравнительного анализа производительности, а также для отслеживания и поддержания важных показателей.
Цель работы заключается в создании адекватной математической модели процесса алкилирования бензола этиленом, реально описывающий технологический процесс.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Теоретическое исследование промышленного процесса твердофазного алкилирования бензола этиленом и установление зависимостей показателей выхода и качества целевого продукта от состава сырья (мольного соотношения бензол : этилен) и технологических условий (температуры).
2. Проведение термодинамического и кинетического анализа реакций, протекающих в процессе алкилирования бензола этиленом на цеолитсодержащих катализаторах.
3. Составление формализованной схемы превращения процесса твердофазного алкилирования.
4. Разработка математической модели процесса алкилирования бензола и этиленом.
5. Программная реализация математической модели и проверка ее на адекватность.
Основной метод, применяемый в работе - метод математического моделирования.
Результаты работы показали, что построенная математическая модель адекватно описывает реальный процесс алкилирования и может быть применена для качественной оценки влияния различных технологических параметров и состава сырья на эффективность процесса.
Областью применения модели является нефтехимическая промышленность.
Дипломная работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft® Office Word 2010.
Этилбензол является основным сырьем в производстве стирола. Основной способ его получения - это алкилирование бензола этиленом. Кроме этого возможно получение этилбензола путем сверхчеткой ректификацией из ароматических углеводородов С8 нефтяного происхождения. Примерно 1 % мировых мощностей основано на выделении этилбензола из потоков ксилолов. Этот процесс носит название суперфракционирование. Для его реализации требуются ректификационные колонны с более чем 300 тарелками, следовательно, процесс является дорогостоящим и не имеет распространения в зависимости от алкилирования. Реакция алкилирования может протекать как в жидкой, так и в газовой фазах.
Первым используемым для процесса жидкофазного алкилирования бензола катализатором являлся хлорид алюминия, но с 1958 года на замену ему пришел новый катализатор — фтороводород. Данный катализатор получил широкое распространение в мире благодаря своей высокой эффективности и качеству получаемого продукта, но не решил проблемы больших затрат на производство и утилизацию продуктов нейтрализации. Данная технология используется и в настоящее время. Также в качестве катализатора в процессе применяют концентрированную серную кислоту, но в этом случае возникают проблемы коррозии. В связи с этим необходимо сырье, очищенное от примесей (влаги, диенов, меркаптанов), интенсивное перемешивание реагирующих веществ и катализатора, вследствие их малой взаимной растворимости и др. Кроме того для сернокислотного алкилирования, проводимого при температурах 10-12 °С (в отличие от 20-30 °С при фтористоводородном алкилировании), требуются специальные системы теплообмена, что существенно увеличивает энергетические расходы. Эти недостатки обусловили интенсивный поиск новых каталитических систем [1].
С открытием новых катализаторов, изменяются и технологии производств. В России, начиная с 2003 года, современные твердые цеолитсодержащие катализаторы вытесняют процессы алкилирования с использованием жидкофазных катализаторов. Нефтеперерабатывающие заводы, имеющие установки алкилирования, ставят перед собой задачи по повышению эффективности производства алкилата. Для оптимизации процессов широко используют метод математического моделирования, позволяющий экономить средства и время, а также обладает высокой параметрической чувствительностью. Разработанная модель реактора для достижения прогнозирующей способности должна учитывать все физикохимические особенности процесса.
Для построения компьютерной реализации модели необходимо проанализировать и структурировать имеющуюся информацию. Это, в свою очередь, позволяет четко понять, какие показатели влияют на выходные данные процесса. Получаемые при этом модели используются для сравнительного анализа производительности, а также для отслеживания и поддержания важных показателей.
В результате проделанной работы были изучены термодинамические и кинетические закономерности процесса алкилирования бензола этиленом в присутствии цеолитного катализатора, были детально изучены механизмы реакций, рассчитаны основные кинетические параметры, составлена кинетическая модель процесса.
Положенная в основу модели схема превращений углеводородов в достаточной степени детализирована, то есть обеспечивает чувствительность модели к составу перерабатываемого сырья и не усложняет расчетов благодаря агрегированию компонентов в группы по реакционной способности и строению.
Разработанная компьютерная программа позволяет проводить оценку и уточнение кинетических параметров модели реактора, выполнять мониторинг текущей работы установки алкилирования, проводить исследования по влиянию различных технологических параметров на эффективность процесса (в том числе, с целью обучения производственного персонала), осуществлять оптимизацию технологических режимов работы реактора при различном составе сырья.
Проведение процесса алкилирования бензола этиленом при оптимальных условиях позволит более рационально и эффективно использовать ресурсы промышленных предприятий и производственные мощности установок, что, безусловно, положительно отразится на финансовых показателях деятельности предприятий.
Положенная в основу модели схема превращений углеводородов в достаточной степени детализирована, то есть обеспечивает чувствительность модели к составу перерабатываемого сырья и не усложняет расчетов благодаря агрегированию компонентов в группы по реакционной способности и строению.
Разработанная компьютерная программа позволяет проводить оценку и уточнение кинетических параметров модели реактора, выполнять мониторинг текущей работы установки алкилирования, проводить исследования по влиянию различных технологических параметров на эффективность процесса (в том числе, с целью обучения производственного персонала), осуществлять оптимизацию технологических режимов работы реактора при различном составе сырья.
Проведение процесса алкилирования бензола этиленом при оптимальных условиях позволит более рационально и эффективно использовать ресурсы промышленных предприятий и производственные мощности установок, что, безусловно, положительно отразится на финансовых показателях деятельности предприятий.