Математичне моделювання та оптимізація об'єктів хімічної технології

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти та науки України Технологічний інститут

Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля

(м. Сєвєродонецьк)

Кафедра ТОРПП

Реферат

Математичне моделювання та оптимізація об'єктів хімічної технології

Напрям: 6.051301 - хімічна технологія та інженерія

Виконав: ст. Булгакова Дар'я Олександрiвна

Перевірив: доц. Шаповалова Iрина Миколаївна

Сєвєродонецьк 2015

Р Е Ф Е Р А Т

Пояснювальна записка:18 сторінок, 2табл., 5 використаних джерел.

Об'єкт дослідження: установка виробництва поліетилену.

Мета роботи: зробити математичне моделювання та програмування за допомогою ЕОМ виробництва поліетилену потужністю 50 тис. т/рік з, що виявляється у розрахунку матеріального та теплового балансу процесу.

Основні технологічні показники:в представленому курсовому проекті на тему: «Виробництво поліетилену потужністю 50 тис. т/рік» зроблений огляд сучасного стану процесу, характеристика отримуємих продуктів, були розглянутi особливості проведення процесу, а також призначення основного і допоміжного обладнання, умови експлуатації.

Ключові слова: етилен, каталізатор, захисні покриття, поліетилен, полімеризація, плівка.

ЗМІСТ РОБОТИ

ВСТУП

1. ЗАГАЛЬНІ СКЛАДОВІ ПРО РОБОТУ

1.1 Сировина для виробництва поліетилену

1.2 Хімізм і механізм реакцій

1.3 Використання основного продукту

2. ОПИС ТЕХНОЛОГІЧНОЇ СХЕМИ

ВИСНОВКИ

ЛІТЕРАТУРА

ВСТУП

Математичне моделювання хіміко-технологічних процесів використовується для вибору оптимальних режимів їх роботи, побудови автоматичних систем керування та обчислення оптимальних параметрів регуляторів. Структура системи регулювання та параметри регуляторів визначаються властивостями технологічного процесу як об'єкту керування. Завдяки цьому застосування ЕОМ для контролю процесу та його керування, а також створення математичних моделей для рішення важких технологічних задач збільшують усе більше значення ЕОМ [1].

Полімерами називають високомолекулярні речовини, молекули яких складаються з багаторазово повторюваних елементарних ланок однакової структури. Ці елементарні ланки з'єднані між собою ковалентними зв'язками в довгі ланцюги різної будови або ж утворюють жорсткі і пластичні просторові решітки.

Полімери різноманітні за своїм складом, методам отримання і властивостями. Виробництво полімерів є однією з великих підгалузей нафтохімічної промисловості. Основні завдання підгалузі пов'язані з виробництвом широкої гами продуктів органічного синтезу: поліетилену, поліпропілену, полістиролу, полівінілхлориду і т.п. Виробництвом даної продукції займаються нафтопереробні заводи, а також спеціалізовані заводи органічного синтезу в складі НПЗ [2].

Такий продукт як поліетилен є досить актуальним та споживаємим. Основна частина його використовується в виробництві плівок та листів. Інша частина йде на вироби, які отримуються виливанням під тиском, покриття, ізоляційні матеріали для кабельної промисловості та ін.

1. ЗАГАЛЬНІ СКЛАДОВІ ПРО РОБОТУ

1.1 Сировина для виробництва поліетилену

Поліетилен виробляється з етилену, який, у свою чергу може бути отриманий різними методами, зокрема термічним розкладанням вуглеводнів та пиролизом рідкого нафтової сировини . Ці два методи - найважливіші.

Термічне розкладання вуглеводнів, найчастіше суміші етану пропану, проводять при -800 °С в трубчастих печах або в апаратах рухомим зернения теплоносієм. При зазначеній температурі етан дегидрирующей, а пропан піддається розщеплення і дегидрированию:

СН3 - СН3 - СН2 = СН2 + Н2

СН3 - СН2- СН3 > СН2 = СН2 + СН4

СН3 - СН2- СН3 - СН3 - СН = СН2 + Н2

Крім етилену утворюються також пропілен, бутилен, бутадієн, ацетилен і інші гази. У промисловості для розділення газових сумішей застосовуються абсорбційний, адсорбційний методи, ректифікація при низьких температурах (глибоке охолодження) і комбіновані методи . Але для отримання індивідуальних сполук високої чистоти, необхідної для хімічної переробки, потрібно ректифікація вуглеводнів. Тому етилен виділяють в чистому вигляді методом глибокого охолодження на установці зі спеціальним апаратом для гідрування ацетилену і діолефіни.

Етилен - газ при звичайній температурі, Зріджується при -103,8 °С. До 350 °С стійкий ,але при більш високих температурах розкладається на метан, водень і вуглець.

Етилен придатний для синтезу різних хімічних речовин , багато з яких застосовуються у виробництві пластичних мас.

Поліетилен отримують полімеризацією етилену в газовій фазі , в емульсії або в розчиннику.

1.2 Хімізм і механізм реакцій

Поліетилен в промисловості виробляють трьома способами: при високому тиску (поліетилен низької щільності), при середньому тиску і при низькому тиску (поліетилен високої щільності). .

Отримання поліетилену при високому тиску. Поліетилен низької щільності (0,92-0,93 г/см3) отримують полімеризацією етилену безперервним методом при 150-250 МПа і 180 - 270 °С. Ініціаторами процесу є кисень і органічні перокоіди (пероксид лауроіла або капрілу, трет-бутілпероксід та ін.)

У загальному вигляді 'полімеризація етилену може бути представлена схемою:

Процес протікає по ланцюговому механізму і складається з трьох основних стадій: утворення вільних радикалів, зростання ланцюга і обриву ланцюга.

Вільні радикали утворюються за рахунок розкладу ініціаторів під дією температури і високого тиску. При використанні кисню він взаємодіє з етиленом і утворює пероксидні сполуки, які розкладаються на вільні радикали:

Концентрація кисню при виробництві поліетилену складає 0,002-0,006 % (об.). При використанні пероксидних ініціаторів вільні радикали утворюються за рахунок розриву слабких пероксидних звґязків О-О. Найбільш частіше в якості ініціатору використовують трет-бутилпероксид, який розкладається на радикали:

Обрив ланцюга йде за рахунок рекомбинації (з'єднання двох радикалів):

Процес при високому тиску має ряд особливостей, що впливають на властивості одержуваного поліетилену. Особливо істотний вплив роблять домішки до етилену. Такі домішки, як ацетиле , бутадієн -1,3, сірководень і діоксид вуглецю, можуть викликати побічні реакції або обрив ланцюга. Тому до чистоти етилену висуваються жорсткі вимоги: етилен повинен мати концентрацію не менше 99,90 - 99,99 %.

Полімеризація етилену протікає з виділенням великої кількості тепла, яке необхідно відводити, бо інакше може статися розкладання етилену і навіть вибух.

Процес проводять в реакторах двох типів: у трубчастих змієвикових апаратах або в автоклавах з мішалками.

Регулювання молекулярної маси полімеру в газофазного процесі здійснюється (як і у випадку полімеризації в розчиннику) зміною мольного відносини ЛОС:ТіС14 і воднем. Більш плавний характер залежності молекулярної маси полімеру від ставлення ЛОС: ТіС14 спостерігається при проведенні полімеризації етилену в газовій фазі на модифікованій системі А1(С2Н5)3-ТіС14.

Підвищення в реакційному обсязі концентрації водню-регулятора молекулярної маси - в газофазному процеса, як і в рідкофазному, супроводжується зниженням швидкості полімеризації і виходу продукту [5].

1.3 Використання основного продукту

Комплекс фізико-механічних, хімічних і діелектричних властивостей поліетилену дозволяє широко застосовувати цей матеріал в багатьох галузях промисловості (кабельної, радіотехнічної, легкої, медицині та ін.). З поліетилену готують ізоляцію електричних проводів, труби, плівки, нитки, захисні покриття, формовані вироби різних типів, пінопласти.

Ізоляція електричних проводів.

Високі діелектричні властивості поліетилену і його сумішей з поліізобутиленом, мала проникність для парів води дозволяють широко використовувати його для ізоляції електропроводів і кабелів, застосовуваних у різних засобах зв'язку (телефонного, телеграфного), сигнальних пристроях, системах диспетчерського телеуправління, високочастотних установках, в техніці високої напруги, для обмотки проводів двигунів, що працюють у воді, а також для підводних і коаксіальних кабелів.

Труби.

З усіх типів пластмас поліетилен знайшов найбільше застосування для виготовлення труб. Поліетиленові труби характеризуються легкістю, корозійної стійкістю, незначним опором руху рідини, простотою монтажу, гнучкістю, морозостійкістю, легкістю зварювання. Поліетилен високої щільності має в 1,5 рази більшу міцність в порівнянні з поліетиленом низької щільності. Застосування його дозволяє зменшити товщину стінок труб.

Труби з поліетилену можуть бути приготовані як екструзією, так і відцентровим литтям . Перший метод має більш широке поширення.

Поліетиленові труби внаслідок їх хімічної стійкості та еластичності застосовуються для транспортування води, розчинів солей і лугів, кислот, різних рідин і газів. Їх широко застосовують в хімічній промисловості, для спорудження внутрішньої і зовнішньої водопровідної мережі, для подачі молока, соків, вина і пива, в іригаційних системах і дощувальних установках.

Труби з поліетилену низької щільності можуть працювати при температурах до 60 °С , а з поліетилену високої щільності до 100 °С. Такі труби не руйнуються при низьких температурах (до -60 °С) і при замерзанні води; вони не схильні грунтової корозії від блукаючих струмів. В даний час при виготовленні штучних крижаних полів застосовують поліетиленові труби. поліетилен тиск молекулярний полімер

У ряді країн створені спеціальні агрегати, що включають канавокопач і машину для виготовлення труб. По ходу канавокопача відбувається витискування готової труби з шнек-машини і укладання її в канаву. При використанні такого агрегату, що обслуговується всього лише двома робітниками, за годину можна виготовити й укласти до 40 погонних метрів труб .

Плівки та листи .

Плівки та листи можуть бути виготовлені з поліетилену будь-якої щільності. При отриманні тонких і еластичних плівок більше застосовується поліетилен низької щільності, так як поліетилен щільності володіє підвищеною жорсткістю.

Плівки можуть бути виготовлені екструзією розплавленого полімеру через кільцеву або плоску щілину. При отриманні плівок методом екструзії через кільцеву щілину найбільш широко застосовується метод видавлювання розплавленого поліетилену через кутову головку шнек-машини. Труба пластику направляється вертикально вниз і при цьому роздувається стислим повітрям в рукав. Потім рукав, просуваючись від головки до тягнутим валикам, охолоджується, стискається в плоску подвійну стрічку, витягується і намотується на приймальну гільзу.

Захисні покриття.

Поліетилен застосовується для захисту металевих поверхонь від корозії, проникнення вологи і водяної пари а також від дії електричного струму. Особливо хороші результати виходять при товщині плівки 0,3 - 3 мм. Для нанесення захисного шару на метал найбільш доцільний метод газополум'яного напилення. Проходячи через повітряно-ацетиленове полум'я, поліетилен розм'якшується і утворює захисну плівку на нагрітій до 175 - 200 °С металевої поверхні. Розплавлений полімер міцно прилипає до металу; адгезія його до сталі складає в середньому 30 кгс/см І.

Формовані вироби.

З поліетиленових листів, отриманих екструзією або пресуванням, можна виготовити різні, вироби штампування, згинанням за шаблоном або вакуум-формуванням. Найбільш сприятлива для формування за шаблоном температура, на 10 -15 °С перевищує температуру розм'якшення поліетилену. Час прогріву листової заготовки перед формуванням 3 хв на 1мм товщини виробу. Нагріта заготовка повинна бути зафіксована і охолоджена у формі до 40 - 50 °С, після чого виріб знімається з форми. Великогабаритні вироби (човни, ванни, баки тощо) також можуть бути виготовлені з порошку поліетилену шляхом його спікання на нагрітої формі.

2. ОПИС ТЕХНОЛОГІЧНОЇ СХЕМИ

Процес отримання ПЕНД включає наступні операції: приготування каталітичного комплексу, форполімеризація, вигрузка суспензії і сушка форполімеру, полімеризація етилену в газовій фазі, додаткова активація процесу.

Каталітичний комплекс із комплексоутворювача 1 подається у форполімеризатор 3. Форполімеризація протікає при 65 - 70 оС в середовищі легкокиплячого вуглеводневого розчинника. Перемішування реакційної маси здійснюється барботажем циркулюючого етилену, а знімання тепла - в результаті випаровування розчинника. Після конденсації розчинник самотьоком повертається в форполімеризатор 3.

Відтиснута маса форполімеру подається на сушку в сушилку 4, куди газодувкою 6 через теплообмінник 5 направляється циркуляційний газ. Висушені частки полімеру за допомогою циклона 7 подаються в полімеризатор 9, а парогазова суміш поступає в скрубер 2.

Полімеризація етилену в газовій фазі здійснюється в полімеризаторі 9 в режимі киплячого шару. Теплота реакції знімається циркулюючим етиленом, який охолоджується в теплообміннику 11 і газодувкою 6 знову подається в полімеризатор 9.

На стадії полімеризації передбачена додаткова активація каталітичного комплексу шляхом подачі свіжої порції компонентів. При цій умові форполімеризація проводиться як разова операція для отримання поліетилену - носія каталізатора.

При апаратурному оформленні процесу з реактором, який працює в режимі киплячого шару, перевагу віддають гетерогенним каталізаторам, які адсорбовані або хемосорбовані на носії, висока насипна щільність яких обумовлює різке зниження їх виносу з реакційного середовища з циркулюючим газом. Використання «однокомпонентного» каталізатору, який в готовому вигляді поступає до реактору сприяє його рівномірному розподіленню в реакційному об'ємі. Каталізатори, які застосовуються в газофазному процесі, повинні відрізнятися високою активністю і не викликати обростання полімером внутрішніх поверхонь реакторного вузла [5].

ВИСНОВКИ

Завданням курсової роботи було здійснення математичного моделювання та програмування розрахунку матеріального та теплового балансу процесу полімерізації етилену з використанням програмного забезпечення ЕОМ.

Для розрахунку матеріального та теплового балансів процесу полімеризацї використовували програму Microsoft Excel. Також для написання пояснювальної записки та створення алгоритму використовували програму Word. Для розробки принципової технологічної схеми використовували графічний редактор AutoCAD.

У результаті здійснення розрахунків процесу полімерізації етилену виявили, що отриманий алгоритм дозволяє отримувати аналогічні виробництва потрібної потужності.

ЛІТЕРАТУРА

1. Методичні вказівки до виконання курсової роботи для студентів за напрямком 051301 «Хімічна технологія та інженерія» / Склали: І.М. Глікіна, С.О. Кудрявцев. - Сєвєродонецьк: вид-во СТІ СНУ ім. В. Даля, 2012. - 40 стор.

2. Воробьев, В. А. Технология полимеров: Учебник для вузов [Текст] / В. А. Воробьев. - М.: Высшая школа, 1980. - 303 с.

3. Кузнецов, Е.В. Альбом технологических схем производства полимеров и пластмасс на их основе [Текст] / Е.В. Кузнецов, И.П. Прохорова. - М.: Химия, 1969. - 76 с.

4. Капкін В.Д., Савінецька Г.А., Чапурін В.И. Технологія органічного синтезу: М.: Хімія, 1987. - 400 с.

5. Архипова З.В., Григорьев В.А., Веселовская Е.В. и др. Полиэтилен низкого давления Л.: Химия, 1980. - 240 с.

Размещено на Allbest.ru