Помощь студентам в учебе
Моделирование технологии алкилирования бензола низшими олефинами с использованием методов вычислительной гидродинамики
|
Введение 12
1 Современное состояние технологий алкилирования бензола низшими
олефинами и средств моделирования движения жидкости и газов 14
1.1 Современное состояние технологии алкилирования бензола этиленом 14
1.1 Современное состояние технологии алкилирования бензола
пропиленом 17
1.2 Обзор современных компьютерных программ для моделирования движения
жидкости и газа 19
2 Объекты и методы исследования 24
2.1 Технологическая схема отделения алкилирования бензола этиленом 24
2.2 Технологическая схема отделения алкилирования бензола пропиленом 25
3. Исследование гидродинамики реактора алкилирования бензола пропиленом 29
3.2 Задание физической модели реактора алклирования бензола пропиленом . 29
3.3 Г енерация расчетной сетки 31
3.4 Проверка расчетной сетки на сходимость 32
3.5 Результаты исследования гидродинамики реактора алкилирвоания бензола
пропиленом 33
4 Исследование гидродинамики смесительного устройства реактора алкилирования бензола этиленом 36
4.1 Задание физической модели смесительного устройства 37
4.5 Результаты исследования гидродинамики смесительного устройства 39
4.5.1 Моделирование ввода катализатора в первый патрубок, бензола
во второй 40
4.5.2 Моделирование ввода бензола в первый патрубок, катализатора
во второй 42
5. Исследование гидродинамики реактора алкилирования бензола этиленом... 44
5.1 Задание физической модели реактора алкилирования бензола этиленом .... 44
5.1 Г енерация расчетной сетки 44
5.2 Проверка расчетной сетки на сходимость 44
5.3 Результаты исследования гидродинамики реактора алкилирования бензола этиленом 45
6 Финансовый менеджмент и ресурсоэффективность 48
6.1 Потенциальные потребители результатов исследования 48
6.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения 48
6.3 Диаграмма Исикавы 50
6.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации 52
6.5 Методы коммерциализации результатов научно-технического исследования 53
6.6 Инициация проекта 53
6.7 Планирование управления научно-техническим проектом 55
6.8 Иерархическая структура работ проекта 56
6.9 Контрольные события проекта 56
6.10 План проекта 57
6.11 Бюджет научного исследования 61
6.12 Организационная структура проекта 63
6.13 Матрица ответственности 64
6.14 План управления коммуникациями проекта 64
6.15 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования 65
6.16 Оценка абсолютной эффективности исследования 65
6.17 Оценка сравнительной эффективности исследования 69
7 Социальная ответственность 72
7.1 Введение 72
7.2 Анализ опасных и вредных факторов 73
7.2.1 Вредные вещества 73
7.2.2 Освещение 75
7.2.3 Вибрации и шум 75
7.2.4 Микроклимат помещений 76
7.3 Анализ опасных факторов производственной среды 76
7.3.1 Термические опасности 76
7.3.2 Электробезопасность 77
7.3.3 Пожаровзрывоопасность 77
7.4 Охрана окружающей среды 78
7.4.1 Воздействие на атмосферу 78
7.4.2 Воздействие на гидросферу 79
7.4.3 Воздействие на литосферу 80
7.5 Защита в чрезвычайных ситуациях 80
7.6 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 81
Заключение 82
Список публикаций студента 84
Список литературы 88
Приложение А Реактор алкилирования бензола пропиленом 95
Приложение Б Реактор алкилирования бензола этиленом 96
Приложение В 98
1 Современное состояние технологий алкилирования бензола низшими
олефинами и средств моделирования движения жидкости и газов 14
1.1 Современное состояние технологии алкилирования бензола этиленом 14
1.1 Современное состояние технологии алкилирования бензола
пропиленом 17
1.2 Обзор современных компьютерных программ для моделирования движения
жидкости и газа 19
2 Объекты и методы исследования 24
2.1 Технологическая схема отделения алкилирования бензола этиленом 24
2.2 Технологическая схема отделения алкилирования бензола пропиленом 25
3. Исследование гидродинамики реактора алкилирования бензола пропиленом 29
3.2 Задание физической модели реактора алклирования бензола пропиленом . 29
3.3 Г енерация расчетной сетки 31
3.4 Проверка расчетной сетки на сходимость 32
3.5 Результаты исследования гидродинамики реактора алкилирвоания бензола
пропиленом 33
4 Исследование гидродинамики смесительного устройства реактора алкилирования бензола этиленом 36
4.1 Задание физической модели смесительного устройства 37
4.5 Результаты исследования гидродинамики смесительного устройства 39
4.5.1 Моделирование ввода катализатора в первый патрубок, бензола
во второй 40
4.5.2 Моделирование ввода бензола в первый патрубок, катализатора
во второй 42
5. Исследование гидродинамики реактора алкилирования бензола этиленом... 44
5.1 Задание физической модели реактора алкилирования бензола этиленом .... 44
5.1 Г енерация расчетной сетки 44
5.2 Проверка расчетной сетки на сходимость 44
5.3 Результаты исследования гидродинамики реактора алкилирования бензола этиленом 45
6 Финансовый менеджмент и ресурсоэффективность 48
6.1 Потенциальные потребители результатов исследования 48
6.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения 48
6.3 Диаграмма Исикавы 50
6.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации 52
6.5 Методы коммерциализации результатов научно-технического исследования 53
6.6 Инициация проекта 53
6.7 Планирование управления научно-техническим проектом 55
6.8 Иерархическая структура работ проекта 56
6.9 Контрольные события проекта 56
6.10 План проекта 57
6.11 Бюджет научного исследования 61
6.12 Организационная структура проекта 63
6.13 Матрица ответственности 64
6.14 План управления коммуникациями проекта 64
6.15 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования 65
6.16 Оценка абсолютной эффективности исследования 65
6.17 Оценка сравнительной эффективности исследования 69
7 Социальная ответственность 72
7.1 Введение 72
7.2 Анализ опасных и вредных факторов 73
7.2.1 Вредные вещества 73
7.2.2 Освещение 75
7.2.3 Вибрации и шум 75
7.2.4 Микроклимат помещений 76
7.3 Анализ опасных факторов производственной среды 76
7.3.1 Термические опасности 76
7.3.2 Электробезопасность 77
7.3.3 Пожаровзрывоопасность 77
7.4 Охрана окружающей среды 78
7.4.1 Воздействие на атмосферу 78
7.4.2 Воздействие на гидросферу 79
7.4.3 Воздействие на литосферу 80
7.5 Защита в чрезвычайных ситуациях 80
7.6 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 81
Заключение 82
Список публикаций студента 84
Список литературы 88
Приложение А Реактор алкилирования бензола пропиленом 95
Приложение Б Реактор алкилирования бензола этиленом 96
Приложение В 98
Бурное развитие отечественного нефтехимического производства происходило во второй половине двадцатого века, и к началу 90-х годов пик российской нефтехимии сменился продолжительной рецессией. Если представить уровень технологичности отечественного производства в виде графика, по горизонтальной оси представить временную шкалу, а по вертикали индекс химического производства в % к 1991 году, то из графика будет видно, что рецессия 90-х годов сменяется продолжительным ростом.
Обеспечить рост химического производства возможно двумя путями:
- применение прогрессивных технологий;
- оптимизация действующих производств.
Очевидно, что оптимизация действующих производственных фондов наиболее актуальна для предприятий, выпускающих нефтехимическую продукцию более 40 лет на изношенных производственных мощностях.
В данной работе рассматриваются две технологических установки производства алкилароматических соединений, это установка получения этилбензола ОАО «Ангарского завода полимеров» и установка получения изопропилбензола ОАО «Омский каучук».
Этилбензол широко используется в нефтехимической промышленности в качестве промежуточного продукта при получении стирола, сырья для производства полистирола, АБС-пластиков и синтетических каучуков. В настоящее время мощность мирового производства этилбензола достигает 45 млн. т в год [1].
Изопропилбензол используется в качестве промежуточного продукта в процессах получения ацетона и фенола, только для этих целей производится свыше 8,5 млн. т в год изопропилбензола.
Численное исследование гидродинамики процесса смешения с применением методов вычислительной гидродинамики позволит сделать вывод о целесообразности реконструкции смесительного оборудования реакторного блока установки получения этилбензола, а определить оптимальную конструкцию реактора алкилирования.
Целью данной работы стало численное моделирование и сравнительный анализ конструкций реакторов различных установок алкилирования с помощью методов вычислительной гидродинамики.
Обеспечить рост химического производства возможно двумя путями:
- применение прогрессивных технологий;
- оптимизация действующих производств.
Очевидно, что оптимизация действующих производственных фондов наиболее актуальна для предприятий, выпускающих нефтехимическую продукцию более 40 лет на изношенных производственных мощностях.
В данной работе рассматриваются две технологических установки производства алкилароматических соединений, это установка получения этилбензола ОАО «Ангарского завода полимеров» и установка получения изопропилбензола ОАО «Омский каучук».
Этилбензол широко используется в нефтехимической промышленности в качестве промежуточного продукта при получении стирола, сырья для производства полистирола, АБС-пластиков и синтетических каучуков. В настоящее время мощность мирового производства этилбензола достигает 45 млн. т в год [1].
Изопропилбензол используется в качестве промежуточного продукта в процессах получения ацетона и фенола, только для этих целей производится свыше 8,5 млн. т в год изопропилбензола.
Численное исследование гидродинамики процесса смешения с применением методов вычислительной гидродинамики позволит сделать вывод о целесообразности реконструкции смесительного оборудования реакторного блока установки получения этилбензола, а определить оптимальную конструкцию реактора алкилирования.
Целью данной работы стало численное моделирование и сравнительный анализ конструкций реакторов различных установок алкилирования с помощью методов вычислительной гидродинамики.
Современные компьютерные программы для моделирования движения жидкостей и газа позволяют оценить эффективность аппаратов химической технологии уже на стадии проектирования.
Моделирование реакторов алкилирования бензола этиленом и бензола пропиленом с применением методов вычислительной гидродинамики показало, что применение смесительных устройств для перемешивания реагентов, а также использование барботера в качестве оборудования для подачи этилена в реактор достаточно эффективно с точки зрения равномерного распределения газообразных веществ в жидкой фазе.
Для повышения эффективности работы смесительного устройства перед реактором алкилирования требуется более равномерное распределение концентраций по сечению смесительного устройства, что достигается путем установки дополнительных смесительных элементов.
В исследуемом смесителе, на основании проведенных гидродинамических расчетов, предпочтительнее будет следующий вариант ввода реагентов: ввод катализатора в первый патрубок, бензола - во второй. Обоснованием данного выбора является более равномерное распределение реагентов по сечению смесителя, мольная доля катализатора 0,1 - 0,15 (при другом варианте 0,060,08). Результаты исследования обуславловлены физическими свойствами жидкостей, а также большим массовым расходом бензола относительно расхода катализаторного комплекса.
Реактор алкилирования бензола пропиленом характеризуется отсутствием дополнительных смесительных устройств на входе в реактор, поэтому в результате проведенных численных исследований получено градиентное распределение мольных долей реагентов по сечению реактора из-за подачи пропилена не через барботер, а через трубопровод. Критерий Рейнольдса потока, проходящего через трубопровод подачи пропилена, равен 1489,3, что соответствует ламинарному режиму движения в трубопроводе, но близко к переходному значению.
По результатам работы вынесены следующие рекомендации по оптимизации конструкции реакторов: 1) для реактора алкилирования бензола пропиленом требуется увеличение диаметра подводящего пропилен трубопровода; 2)подача пропилена через барботер; 3) необходимо предусмотреть дополнительную смесительную камеру для интенсификации процесса смешения реагентов и катализаторного комплекса; 4) для реактора алкилирования бензола этиленом наиболее эффективным является ввод катализатора в первый патрубок, бензола - во второй; 5) необходимо сместить барботер ниже устройства ввода реагентов.
Моделирование реакторов алкилирования бензола этиленом и бензола пропиленом с применением методов вычислительной гидродинамики показало, что применение смесительных устройств для перемешивания реагентов, а также использование барботера в качестве оборудования для подачи этилена в реактор достаточно эффективно с точки зрения равномерного распределения газообразных веществ в жидкой фазе.
Для повышения эффективности работы смесительного устройства перед реактором алкилирования требуется более равномерное распределение концентраций по сечению смесительного устройства, что достигается путем установки дополнительных смесительных элементов.
В исследуемом смесителе, на основании проведенных гидродинамических расчетов, предпочтительнее будет следующий вариант ввода реагентов: ввод катализатора в первый патрубок, бензола - во второй. Обоснованием данного выбора является более равномерное распределение реагентов по сечению смесителя, мольная доля катализатора 0,1 - 0,15 (при другом варианте 0,060,08). Результаты исследования обуславловлены физическими свойствами жидкостей, а также большим массовым расходом бензола относительно расхода катализаторного комплекса.
Реактор алкилирования бензола пропиленом характеризуется отсутствием дополнительных смесительных устройств на входе в реактор, поэтому в результате проведенных численных исследований получено градиентное распределение мольных долей реагентов по сечению реактора из-за подачи пропилена не через барботер, а через трубопровод. Критерий Рейнольдса потока, проходящего через трубопровод подачи пропилена, равен 1489,3, что соответствует ламинарному режиму движения в трубопроводе, но близко к переходному значению.
По результатам работы вынесены следующие рекомендации по оптимизации конструкции реакторов: 1) для реактора алкилирования бензола пропиленом требуется увеличение диаметра подводящего пропилен трубопровода; 2)подача пропилена через барботер; 3) необходимо предусмотреть дополнительную смесительную камеру для интенсификации процесса смешения реагентов и катализаторного комплекса; 4) для реактора алкилирования бензола этиленом наиболее эффективным является ввод катализатора в первый патрубок, бензола - во второй; 5) необходимо сместить барботер ниже устройства ввода реагентов.