Электронный научный журнал
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ДИАМЕТРА ТРУБ РЕАКТОРА СИНТЕЗА АНИЛИНА

Климова Е.В. 1 Бирюкова А.А. 1
1 Волжский политехнический институт филиал ВолгГТУ
1. Тишин О.А. Выбор диаметра труб реактора восстановления нитробензола водородом в газовой фазе / О.А. Тишин, Е.В. Климова // Естественные и технические науки. – М.: ООО «Издательство «Спутник+», 2011. – № 3(53). – C. 502–504.
2. Тишин О.А. Моделирование промышленного процесса синтеза анилина / О.А. Тишин, Е.В. Климова, Т.В. Рудакова и др. // Известия ВолгГТУ. Реология, процессы и аппараты химической технологии. – Волгоград: РПК «Политехник», 2009. – №1 (49). – С. 32–35.
3. Тишин О.А. Экспериментальное определение пористости слоя катализатора / О.А. Тишин Е.В. Климова // Известия ВолгГТУ. Реология, процессы и аппараты химической технологии. – Волгоград: РПК «Политехник», 2011. – № 1 (74). – С. 61–65.
4. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник. 3-е изд., стер. – М.: Альянс, 2008. – 752 с.
5. Тишин О.А. Влияние образования побочных продуктов на функционирование производственной линии процесса восстановления нитробензола водородом в газовой фазе / О.А. Тишин, Е.В. Климова, Т.В. Рудакова, В.А. Иванов // Вестник ТГТУ. – 2011. – Т. 17. – №3. – С. 720–725. 
6. Айнштейн В.Г. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии.Учебник в 2-х кн. Кн.1 / В.Г. Айнштейн, М.К. Захаров, Г.А. Носов / под ред. Айнштейна В.Г. – Москва: Логос, 2003. – 872 с.

На сегодняшний день потребность в производстве анилина очень высока. Области применения данного продукта очень обширны: производство изоцианатов для конструкционных материалов и прочной тепло- и звукоизоляции, получение химических добавок для резины, как ускоритель при вулканизации, в производстве искусственных смол, также анилин используется в текстильной, анилино-красочной и фармацевтической промышленности.

В настоящее время широко распространенным в производстве методом синтеза анилина является восстановление нитробензола в газовой фазе. Реактор представляет собой кожухотрубный теплообменник, трубное пространство которого заполнено катализатором. В реакционной зоне возникают значительные перепады температуры в связи с высокой экзотермичностью реакции синтеза, что приводит к образованию смолистых продуктов, вследствие чего возможно механическое разрушение катализатора, а так же его старение.

Ранее было установлено [1], что уменьшение диаметра трубы реактора с 26 мм (9650 труб) до 20 мм (15160 труб) практически в два раза снижает перепад температуры в реакционной зоне. Что позволит продлить срок службы катализатора и уменьшит образование побочных продуктов. При этом может увеличиться гидравлическое сопротивление слоя катализатора, что увеличит энергетические затраты. Таким образом, необходимо оценить эффективность данного решения с экономической точки зрения, когда все расходы и доходы сведены под одним критерием. для этого нужно учесть:

• количество загружаемого в реактор катализатора (зависит от количества труб реактора и порозности в трубе определенного диаметра), что влияет на расходы по закупке катализатора;

• частоту смены катализатора (зависит от образовывающихся побочных продуктов), что также влияет на расходы по закупке катализатора;

• гидравлического сопротивления слоя катализатора (зависит от диаметра трубы, количества труб и порозности катализатора), что влияет на расходы потребляемой энергии.

С учетом выше сказанного был выбран следующий критерий относительной экономии материальных затрат:

tehc32.wmf (1)

где B – производительность процесса, т продукта/год; dт – диаметр труб реактора, м; sc – стоимость сырья, израсходованного в производстве, руб/год; sк – стоимость катализатора, используемого в производстве, руб./год; sэ+ – стоимость энергии, получаемой при рекуперации, руб/год; sэ– – стоимость энергии, затрачиваемой на преодоление гидравлического сопротивления слоя руб./год.

Для расчета производительности процесса использована математическая модель реактора синтеза анилина [2], которая включает уравнения материального и теплового баланса, а также уравнения для расчета теплофизических свойств сред.

Изменение диаметра трубы реактора влечет за собой изменение порозности слоя катализатора [3], а так же изменение количества труб в трубной решетке. Величина минимального шага между трубами составляет 1,3dт, при dт>20 мм и 1,25dт, при dт>30  мм. Величина простенка между трубами при развальцовке должна быть больше 4 мм [4]. Таким образом, максимальное количество труб в реакторе рассчитывается исходя из количества труб, приходящихся на диаметр реактора D (20<dт<30):

tehc33.wmf,

где tehc34.wmf. (2)

Для расчета частоты замен катализатора в реакторе использовалось время межрегенерационного периода:

tehc35.wmf, (3)

где T – пиковая температура в зоне реакции при d=26 мм; T′ – пиковая температура в зоне реакции реактора с трубками другого диаметра; tehc36.wmf – время межрегенерационного периода при d=26 мм; tehc37.wmf– регрессионная зависимость выхода примесей от температуры реакционной смеси [5].

Гидравлическое сопротивление неподвижного слоя как для ламинарного, турбулентного, так и для переходного режимов рассчитывается по формуле [6]

tehc38.wmf, (4)

где H0 – высота слоя, м; w – скорость потока в свободном сечении трубы, м/с; d – эквивалентный диаметр зерна катализатора, м; εo – порозность; m – коэффициент динамической вязкости потока, Па∙с; r – плотность потока, кг/м3.

В результате проделанной работы было установлено, что уменьшение диаметра труб реактора уменьшает гидравлическое сопротивление слоя, за счет увеличения порозности и как следствие уменьшает энергетические затраты, что дает положительный экономический эффект.


Библиографическая ссылка

Климова Е.В., Бирюкова А.А. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ДИАМЕТРА ТРУБ РЕАКТОРА СИНТЕЗА АНИЛИНА // Международный студенческий научный вестник. – 2015. – № 3-1.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=12008 (дата обращения: 24.10.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074