Анализ процесса получения N-метилциклогексиламина

Министерство образования и науки РФ

Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Волгоградский государственный  технический университет

Кафедра систем автоматизированного  проектирования и поискового конструирования

 

 

 

 

 

Семестровая работа

по дисциплине «Анализ  и синтез ХТС»

на тему: «Анализ процесса получения N-метилциклогексиламина»

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент группы ХТ-443

Дёмкин М.А.

Проверила:

Бутенко Л. Н.

 

 

Оценка работы ________ баллов

 

 

Волгоград 2013

Содержание

1. Концептуальное  описание процесса 3

2. Конструктивно-функциональный  анализ 5

3. Анализ  физических процессов реактора 7

4. Анализ  технологического процесса 8

5. Работа  с фондом эвристических приёмов 9

6. Постановка  задачи поиска нового технического  решения 11

Выводы 14

 

 

1. Концептуальное описание процесса

N-метилциклогексиламин (C₆H₁₃N) – вторичный амин, который используется как исходный реагент в синтезе лекарственного препарата "бромгексин", как ингибитор атмосферной коррозии и компонент антикоррозионных присадок к топливам, маслам, как компонент антикоррозионных покрытий металлических изделий, а также как компонент антидетонационных присадок к моторным топливам.

Свежий циклогексиламин поступают в расходную емкость, из которой насосом подается в испаритель, обогреваемый высокотемпературным органическим теплоносителем (ВОТ). Газообразный ЦГА после испарителя подается в подогреватель, где нагревается до температуры реакции 180 ⁰С. Метанол поступает в расходную емкость, из которой насосом метанол подается в испаритель, обогреваемый ВОТ. Газообразный метанол после испарителя подается в подогреватель, где нагревается до температуры реакции 180 ⁰С. Водород газодувкой подается в подогреватель, где нагревается до температуры реакции 180 ⁰С. Аммиак газодувкой подается в подогреватель, где нагревается до температуры реакции 180 ⁰С. Газообразный ЦГА, метанол, водород и аммиак смешиваются в трубопроводе перед входом в реактор. В изотермическом реакторе происходит контактирование смеси газообразных реагентов с катализатором НТК-4 (В). Контактные газы после реактора конденсируются в конденсаторе и подаются в сепаратор, где жидкая смесь ЦГА, N-МЦГА, ДЦГА и воды отделяется от газообразного водорода и аммиака, которые с помощью газодувки возвращаются в исходную смесь. Жидкая продуктовая смесь поступает на разделение во флорентийский сосуд, где отделяется вода, затем органическая составляющая поступает в ректификационную колонну, где отделяется метанол, далее жидкость поступает в ректификационную колонну, где отделяется ДЦГА. Далее смесь ЦГА и N-МЦГА поступают на разделение.

Технология, описанная выше, представлена на рисунке 1:

1,5 – сборник, 2,6 – насос, 3,7 – испаритель, 4,8,10,12 –  подогреватель, 9,11,16 – газодувка, 13 –реактор, 14 – конденсатор, 15 – сепаратор, 17 – флорентийский сосуд, 18,19 – ректификационная колонна.

Рис. 1 – Технологическая  схема производства N-метилциклогексиламина

 

2. Конструктивно-функциональный анализ

Главная полезная функция  изотермического реактора: получение N-метилциклогексиламина.

Таблица 1 – Конструктивно-функциональный анализ реактора

Элемент ТО		Функция элемента
Обозначение	Наименование	Обозначение	Вербальное описание
Е0	Пучок труб	Ф01	Создает реакционное пространство, внутри размещён катализатор
Е1	Входной патрубок	Ф11	Подает реакционную массу  в реактор
Е2	Выходной патрубок	Ф21	Выводит смесь продуктов из реактора
Е3	Подводящий патрубок	Ф31	Подает поток теплоносителя в межтрубное пространство
Е4	Отводящий патрубок	Ф41	Выводит теплоноситель из реактора
Е5	Корпус	Ф51	Обеспечивает теплоизоляцию  с окружающей средой

 

Таблица 2 – Недостатки элементов  реактора

Обозначение элемента ТО	Наименование элемента	Экспертная оценка элементов
		Оценка	Недостатки элемента	Причины возникновения недостатка
Е0	Пучок труб	7	Перегрев катализатора на входе в трубный пучок	Неравномерное распределение  температуры по длине труб
Е1	Входной патрубок	9	Неравномерное распределение  реакционной массы	Имеет один канал подачи реагента
Е2	Выходной патрубок	9	Не разделяет продукты реакции по отдельным веществам	Выпускной коллектор имеет  один канал отвода продуктов
Е3	Подводящий патрубок	8	Неравномерное распределение  теплоносителя	Имеет один канал подачи теплоносителя
Е4	Отводящий патрубок	8	Невысокая герметическая надежность объекта	Использование ненадёжных уплотнителей
Е5	Корпус	8	Потери тепла в окружающую среду	Недостаточная теплоизоляция

Вывод: целями совершенствования  является уменьшение расхода свежего катализатора, предотвращение его термической деструкции и увеличение срока службы, упрощение и снижение стоимости технологического процесса.

 

3. Анализ физических процессов реактора

Таблица 3 – Функционально-физический анализ реактора

Наим-е элемента	Физико-технический эффект			Математический закон, описывающий  ФТЭ и его формула
	Входное воздействие на элемент	Физический объект	Выходное воздействие элемента
Е0	Сила Р0 (вес)	Твердое тело	Сила реакции R0	Эффект равновесия сил, R0= - P0
	Поток реакционной массы; концентрация С01	Газ	Концентрация С02	Закон массопередачи: М=kFDС
Е1	Теплота Q1, Дж; температура Т11, 0 С	Твердое тело	Qвс ≥ 0, где Qвс – теплота, идущая в межтрубное пространство, Дж; температура Т12, Т12> Т11	Закон теплопроводности Фурье: T12=Q/k∙ξ-T11
	Поток теплоносителя W1; скорость V1, м/с; давление Р1, Па	Газ	Поток теплоносителя W1; скорость V1, м/с; давление Р1, Па	Массовый расход: М1=w1∙f∙r
	Сила Р1 (вес)	Твердое тело	Сила реакции R1	Эффект равновесия сил: R1 = -P1
Е2	Теплота Q2, Дж; температура Т21, 0 С	Твердое тело	Qвс ≥ 0, где Qвс – теплота, идущая в межтрубное пространство Дж; температура Т22	Закон теплопроводности Фурье: T22=Q/k∙ξ-T21
	Поток теплоносителя W2; скорость V2, м/с; давление Р2, Па	Газ	Поток теплоносителя W2; скорость V2, м/с; давление Р2, Па	Массовый расход: М2=w2∙f∙r
	Сила Р2 (вес)	Твердое тело	Сила реакции R2	Эффект равновесия сил: R2 = -P2
Е3	Поток теплоносителя W3; скорость, V3н, м/с; давление, Р3н ,Па	Жидкость, газ	Поток теплоносителя W3; скорость, V3н , м/с; давление, Р3н ,Па	Закон Бернулли 2/2p+p/rg+r=c, Массовый расход M=wfr
	Теплота Q3н, Дж., температура, С; температура,T31 С;	Твердое тело	Температура T32	Закон теплопроводности Фурье T32 =Q/k*x- T31
Е4	Поток теплоносителя W4; скорость, V4н , м/с; давление, Р4н ,Па	Газ	Поток теплоносителя W4; скорость, V4н , м/с; давление, Р4н ,Па	Закон Бернулли 2/2p+p/rg+r=c, Массовый расход M=wfr
	Теплота Q4н, Дж., температура, С; температура,T41 С;	Твердое тело	Температура T42	Закон теплопроводности Фурье T42 =Q/k*x- T41
Е5	Поток теплоносителя W5; скорость V5, м/с; давление Р5, Па	Газ, твёрдое тело	Поток теплоносителя W5; скорость V5, м/с; давление Р5, Па	Закон Бернулли 2/2р+р/r∙g+r=c

 

4. Анализ технологического процесса

Таблица 4 – Анализ технологического процесса производства N-метилциклогексиламина

Наим-е элемента	Функция	Механизм действия	Математическая модель	Экспертная оценка	Недостатки
Циклогексиламин	Реагент		r=k1*PЦГА*PMeOH где r –скорость реакции метилирования ЦГА в N-МЦГА; PЦГА и PMeOH - парциальные давления ЦГА и метанола;k1 - константа скорости реакции; k1=Ae(-E/RT), где A=3.2*109; E=58200 Дж/моль.; механизм реакции представлен ниже	4	Сложность разделения N-ЦГА и ДЦГА
Метиловый спирт	Реагент	CH3OH		3	Очень ядовитый
N-метилциклогексиламин	Продукт			4	Сложность разделения N-ЦГА и ДЦГА
НТК-4	Каталитический комплекс	CuO*ZnO* Cr2O3*Al2O3		4	Сложность активации катализатора

Механизм реакции  метилирования ЦГА в N-МЦГА будет следующим:

1. CH₃OH+Z→CH₃OH*Z
2. CH₃OH*Z+Z→CH₂=O*2Z+H₂
3. CH₂=O*2Z+C₆H₁₃N→CH₂=NC₆H₁₁*2Z+H₂O
4. CH₂=NC₆H₁₁*2Z+H₂→C₆H₁₁NHCH₃*Z+Z
5. C₆H₁₁NHCH₃*Z→ C₆H₁₁NHCH₃+Z

 

 

5. Работа с фондом эвристических  приёмов

Таблица 5 – Использование эвристических приемов

№ ЭП	Формулировка ЭП	Интерпретация ЭП	Пример использования  ЭП
26	Существенно изменить компоновку элементов, преобразовав ее или переставив элементы в другом порядке	Компоновка элементов, преобразованная добавкой другого элемента в объект	Дополнительный катализатор, размещенный в верхней и нижней крышках
64	Присоединить  к базовому объекту дополнительные специализированные орудия (элементы)	Присоединение к корпусу  реактора дополнительные элементы	Установка нескольких каналов подачи реагента
83	Разделить движущийся поток (вещества, энергии, информации и др.) на два или несколько	Разделение продуктов реакции по отдельным веществам	Установка нескольких параллельно  работающих сепараторов на выходе из реактора
90	Разделить объект на секции и сделать его секционным, ячеистым и т.п.	Разделение межтрубного  пространства на несколько секций	Установление перегородок  (изготовление многоходового реактора по межтрубному пространству)
51	Перейти от однородных материалов к композиционным. Инверсия приема	Изготовление реакторов  из композиционных материалов	Изготовление корпуса  реактора из композиционных материалов, имеющих более лучшие теплоизолирующие свойства

 

 

Таблица 2 – Синтез новых технических решений с использованием интерпретированных ЭП

№	Формулировка ЭП для объектов ХТС	Синтез нового решения  с использованием ЭП	Устраняемый недостаток прототипа
1	Разделить движущийся поток (вещества, энергии, информации и др.) на два или несколько (№83)	Установка нескольких параллельно  работающих сепараторов на выходе из реактора	Невозможность разделения продуктов реакции по отдельным веществам
2	Перейти от однородных материалов к композиционным. Инверсия приема (№51)	Изготовление корпуса  реактора из композиционных материалов, имеющих более лучшие теплоизолирующие свойства	Большие потери тепла в  окружающую среду
3	Существенно изменить компоновку элементов, преобразовав ее или переставив элементы в другом порядке (№26)	Дополнительный катализатор, размещенный в верхней и нижней крышках	Перегрев катализатора на входе в трубный пучок

 

6. Постановка задачи поиска нового технического решения

Для реактора:

 

1. Выбрать недостаток системы 

1а. Перегрев катализатора на входе в трубный пучок;

1б. Неравномерное распределение теплоносителя.

2. Выбрать элемент, ответственный за возникновение этого недостатка

2а. Трубный пучок;

2б. Корпус.

3. Выбрать  один из параметров этого элемента в номинальной шкале

3а. Высота;

3б. Диаметр;

3в. Форма;

3г. Число труб.

4. Определить качественные противоположные границы изменения параметра

4а. Высота: высокая – низкая;

4б. Диаметр: большой – маленький;

4в. Форма: постоянная – изменяющаяся, простая – усложненная;

4г. Число труб: маленькое – большое.

5. Предложить варианты синтезированного  нового элемента, использовав эвристические приемы

5а. Из приёма №3: Заменить пучок труб с малым числом пучком труб, состоящим из большого количества труб, каждая из которых характеризуется одним значением высоты, диаметра и формы.

5б. Из приёма №5: Использовать трубы в пучке, изменяя диаметр по длине трубы.

5в. Из приёма №8: Использование в качестве теплоносителя вещество, не претерпервающее фазовых переходов в процессе теплообмена.

5г. Из приёма №13: Использование труб в пучке двух различных диаметров.

6. Записать наименование показателя эффективности ТС, который при этом увеличился

6а. Удельная производительность катализатора;

6б. Коэффициент теплопередачи.

 

Для процесса:

 

1. Выбрать недостаток системы:

1а. недостаточная скорость процесса.

2. Выбрать элемент, ответственный за возникновение этого недостатка:

2а. катализатор.

3. Выбрать один из параметров этого элемента в номинальной шкале:

3а. селективность;

3б. диаметр пор;

3в. форма.

4. Определить качественные противоположные границы изменения параметра:

4а. селективность: высокая – низкая;

4б. диаметр пор: большой – маленький;

4в. форма пор: постоянная – изменяющаяся, простая – усложненная.

5. Предложить варианты синтезированного  нового элемента, использовав эвристические приемы: 

5а. Из приема № 2: использовать катализатор, состоящий из частиц разной формы (слой частиц круглого сечения, затем трилистник, затем эллипс и т.д.).

5б. Из приёма №3: Применить вместо катализатора Каталитический комплекс НТК-4, состоящий из CuO*ZnO*Cr₂O₃*Al₂O₃.

5в. Из приема № 7: использовать в качестве носителя для катализатора материал, расширяющийся при выделении тепла.

5г. Из приёма №6: Использование каталитических (регенерация вещества) и автотермических (регенерация тепла) процессов.

6. Наименование показателя эффективности ТС, который при этом увеличился:

6а. увеличение выхода целевого продукта;

6б. увеличение степени конверсии;

6в. увеличение скорости химической реакции.

 

 

Выводы

1. На основе системного подхода проведен функционально-физический анализ процесса получения N-метилциклогексиламина и реактора для его проведения. В результате были выявлены следующие недостатки: перегрев катализатора на входе в трубный пучок и неравномерное распределение теплоносителя.

 

2. Изучен метод эвристических приемов и с его помощью синтезированы новые технические решения:
1. для реактора:

• Заменить пучок труб с малым числом пучком труб, состоящим из большого количества труб, каждая из которых характеризуется одним значением высоты, диаметра и формы.

• Использовать трубы в пучке, изменяя диаметр по длине трубы.
• Использование в качестве теплоносителя вещество, не претерпервающее фазовых переходов в процессе теплообмена.
• Использование труб в пучке двух различных диаметров.

2. для химического процесса:

• Использовать катализатор, состоящий из частиц разной формы (слой частиц круглого сечения, затем трилистник, затем эллипс и т.д.).
• Применить вместо катализатора Каталитический комплекс НТК-4, состоящий из CuO*ZnO*Cr₂O₃*Al₂O₃.
• Использовать в качестве носителя для  катализатора материал, расширяющийся при выделении тепла.
• Использование каталитических (регенерация вещества) и автотермических (регенерация тепла) процессов.

 

3. Проведена постановка задачи для реактора и химического процесса. С помощью фонда приемов разрешения конфликтов в ХТС получены следующие решения:

• для реактора:

а) Удельная производительность катализатора;

б) Коэффициент теплопередачи.

• для химического процесса:

а) Увеличение выхода целевого продукта;

б) Увеличение степени конверсии;

в) Увеличение скорости химической реакции.