Математическое моделирование процесса получения анилина из нитробензола в трубчатом реакторе - Курсовая работа

Развитие химической промышленности невозможно без внедрения новых технологий, направленных на увеличение выпуска продукции, экономного расходования сырья и всех видов энергии, создания малоотходных производств. Одной из характерных черт начала третьего тысячелетия являются интеграционные процессы в мировой экономике и, одновременно, устойчивые тенденции роста цен на энергетические, материальные и другие природные ресурсы, необходимые для различных производственных процессов. В мире основная часть производимого анилина используется для производства метилдиизоцианатов, используемых затем для производства полиуретанов. В России в основном он применяется в качестве полупродукта в производстве красителей, взрывчатых веществ и лекарственных средств, но в связи с ожидаемым ростом производства полиуретанов возможно значительное изменение картины в среднесрочной перспективе.В условиях парофазного процесса анилин испаряется, смешивается с избытком водорода и пропускается через контактный аппарат, заполненный твердым катализатором. Катализаторами этого процесса являются активные сплавы никеля, алюминия, вольфрама, медь, нанесенная на оксидкремния. Наиболее подходящим катализатором для восстановления нитробензола в анилин является медь, так как ее действие распространяется только на нитрогруппу, не затрагивая ароматического ядра. Медь, полученная восстановлением гидроксида меди (II), более активна как катализатор восстановления, чем полученная из нитрата меди (II). В промышленности катализатором служит карбонат меди, нанесенный в виде суспензии в растворе силиката натрия на пемзу с восстановленным водородом.Процесс получения анилина осуществляется в трубчатом реакторе. Реакторы химические (от лат. re-приставка, означающая обратное действие, и actor - приводящий в действие, действующий), пром. аппараты для осуществления химических реакций. Конструкция и режим работы реакторов химических определяются типом реакции, фазовым состоянием реагентов, характером протекания процесса во времени (периодический, непрерывный, с изменяющейся активностью катализатора), режимом движения реакционной среды (периодический, полупроточный, с рециклом), тепловым режимом работы (адиабатический, изотермический, с теплообменом), типом теплообмена, видом теплоносителя.Разработанная модель позволит повысить эффективность (качества, оперативности) решения задач и анализа проектных решений для производства анилина. Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи: формализованное описание объекта моделирования;Формализованное описание процесса представлено на рисунке 1. Рисунок 1 - Формализованное описание процесса X= {F0; FA0; FA; S; d; U; Tx;Hr; cp; l } - вектор входных параметров, ГДЕF0; FA0; FA - общий и мольный расход нитробензола во входном потоке, текущий расход нитробензола, моль/час; S - площадь поперечного сечения реактора, см2;Процесс химического превращения нитробензола до анилина протекает в трубчатом реакторе в присутствии катализатора (порозность слоя катализатора ?=0.424) при температуре 450 К и атмосферном давлении. Уравнения математического описания имеют следующий вид [4]: Граничные условия: на входе в реактор при l=0, T=Твв, ХА=0. Здесь приняты следующие обозначения: Скорость реакции определяется по формуле: Таблица 1 - Спецификация принятых обозначений и размерность параметровНаиболее простой численный метод решения (систем) обыкновенных дифференциальных уравнений. Впервые описан Леонардом Эйлером в 1768 году в работе «Интегральное исчисление». Метод Эйлера является явным, одношаговым методом первого порядка точности, основанном на аппроксимации интегральной кривой кусочно-линейной функцией, т. н. ломаной Эйлера. Пусть дана задача Коши для уравнения первого порядка Методы Рунге - Кутты второго порядка имеют общий видДля решения заданной системы дифференциальных уравнений был выбран метод Рунге - Кутты 4 порядка.Конфигурация аппаратного обеспечения, на котором проводилось тестирование программного комплекса, приведена в таблице 2. Системное ПО Операционная система Windows XP - операционная система семейства Windows NT корпорации Microsoft, Среда разработки Visual Studio - комплект разработчика приложений на языке C#, включающий в себя компилятор C#, стандартные библиотеки классов C#, компоненты DEVEXPRESS Dxperience 2011, примеры, документацию, различные утилиты, Прикладное ПО Microsoft Office Word 2007 - текстовый процессор, предназначенный для создания, просмотра и редактирования текстовых документов, с локальным применением простейших форм таблично-матричных алгоритмов.Среда разработки Visual Studio С# 2010 Расширение исполняемого файла .exeПри запуске программы появляется главное окно (рисунок 2). В главном окне предусмотрены поля для ввода данных (рисунок 3). После нажатия на кнопку “Вычисления”, открывается, в отдельном окне, графики зависимостей (рисунок 4), и таблица с расчетами (рисунок 5).Сравним результаты моделирования в пакете Mathcad [3] (рисунок 7),и полученные в разработанном программном ком

Оглавление

Введение

1. Аналитический обзор

1.1 Общие сведения получения анилина из нитробензола в трубчатом реакторе

1.2 Аппаратурное оформление процесса

1.3 Процесс получения анилина осуществляется в трубчатом реакторе

2. Цель и задачи

3. Технологическая часть

3.1 Формализованное описание процесса получения анилина из нитробензола как объекта моделирования

3.2 Математическая модель

3.3 Обзор методов расчета обыкновенных дифференциальных уравнений

3.3.1 Метод Эйлера

3.3.2 Методы Рунге ? Кутты второго порядка

3.3.3 Метод Рунге-Кутты четвертого порядка

3.4 Выбор оптимального метода расчета

4. Экспериментальная часть

4.1 Характеристика программного обеспечения и технических средств

4.2 Тестовый пример

4.3 Результаты расчетов

Заключение

Список использованной литературы

Приложение

Развитие химической промышленности невозможно без внедрения новых технологий, направленных на увеличение выпуска продукции, экономного расходования сырья и всех видов энергии, создания малоотходных производств.

Одной из характерных черт начала третьего тысячелетия являются интеграционные процессы в мировой экономике и, одновременно, устойчивые тенденции роста цен на энергетические, материальные и другие природные ресурсы, необходимые для различных производственных процессов. Для химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, газоперерабатывающей и многих других смежных отраслей промышленности задача снижения затрат на получение требуемых продуктов является первостепенной [2]. В частности рассмотрим процесс получения анилина.

В мире основная часть производимого анилина используется для производства метилдиизоцианатов, используемых затем для производства полиуретанов. Анилин также используется при производстве искусственных каучуков, гербицидов и красителей. В России в основном он применяется в качестве полупродукта в производстве красителей, взрывчатых веществ и лекарственных средств, но в связи с ожидаемым ростом производства полиуретанов возможно значительное изменение картины в среднесрочной перспективе. Анилин является очень сильным ядом, оказывает негативное воздействие на центральную нервную систему. Поэтому при работе с такими токсичными веществами крайне необходимо соблюдать правила безопасности.

Традиционные методы расчета ХТП, основанные на учете при вычислениях упрощенных механизмов их протекания, абсолютно не удовлетворяют современным требованиям. Только компьютерное моделирование дает возможность учесть наибольшее число факторов и явлений, влияющих на протекание реальных процессов, и обеспечить высокую точность предсказания их поведения при расчетах. В результате коэффициенты запаса, которые необходимо было вводить раньше при проектировании для обеспечения надежности оборудования химических производств, могут быть существенно уменьшены, что должно привести к требуемой экономии энергетических, материальных и других ресурсов.

Математическое моделирование открыло перед исследователями большие возможности в разработке математических описаний и моделей химико-технологических процессов и их применения для расчета и оптимизации ХТС.