Розробка САПР трубчастих реакторів для виробництва малеїнового ангідриду

АНОТАЦІЯ

Тема: «Розробка САПР трубчастих реакторів для отримання малеїновогоангідриду ».

Розробив Кіл.

Керівник: Романенко.

Рік захисту: 2001.

Назва об'єкта проектування: трубчатий реактор .

Дана підсистема призначена для проектування реакторів синтезумалеїнового ангідриду каталітичним окисленням бензолу. При проектуваннівикористовуються методи математичного моделювання, що дозволяєзначно полегшити розрахунок математичної моделі й рішення завданняоптимізації. Використовувані методи дозволяють швидко і точно отримати бажанийрезультат.

Основні проектні рішення: для розрахунку математичної моделівикористовувався метод кінцевих різниць, на завдання оптимізації - метод
Ньютона.

Пояснювальна записка (ПЗ) містить 109 сторінок формату А4.

Графічна частина проекту містить 10 аркушів формату А1.

ПЗ містить: 5 малюнків.

ЗМІСТ

Вступ ................................... ......... 1 Аналіз предметної області .......................... 2 Постановка завдання .................................. 3 Загальний опис системи ............................ 4 Опис методики автоматизованогопроектування ....................................... 5 Забезпечення ........................................ 5.1 Математичне забезпечення ....................... 5.1.1 Прийняття припущень ............................. 5.1.2 Математична модель .......................... 5.1.3 Метод рішення рівнянь математічекой моделі ...
5.1.4 Вибір варьируемых параметрів і критерію оптимізації .................................... 5.1.5 Постановка задачі оптимального проектування ................................ 5.1.6 Опис методу оптимізації .................... 5.1.7 Результати оптимізації ......................... 5.2 Технічне забезпечення .......................... 5.3 Програмне забезпечення .......................... 5.3.1. Загальносистемне програмне забезпечення ......... 5.3.2. Прикладне програмне забезпечення ............ 5.4 Інформаційне забезпечення .......................

5.5 Лінгвістичне забезпечення .............. ........ 6. Охорона праці ..................................... 6.1 Загальні санітарно-гігієнічні вимоги до влаштування ВЦ ................................... 6.2 Несприятливі фактори та засоби захисту від них.
6.3 Аналіз потенційної небезпеки на проектований об'єкті .......................................... 6.4 Загальні вимоги безпеки до обладнання ВЦ ..
6.4.1 Огородження, блокувальні і запобіжні пристрої ................... 6.4.2 Розведення інформаційних і силових мереж ........ 6.5 Класифікація об'єкта за вибухової, вибухопожежної та пожежної небезпеки ............................. 6.6 Електробезпека .............................. 6.6.1 Характеристика використовуваної електроенергії ..... 6.6.2 Класифікація приміщення за небезпекою ураження електричним струмом .................. 6.6.3 Заходи електробезпеки, що використовуються в проекті ........................................ 6.6.4 Розрахунок заземлюючого контуру .................... 6.7 Виробниче освітлення ....................... 6.7.1 Розрахунок природного освітлення ................. 6.7.2 Розрахунок штучного освітлення ................ 6.8 Кондиціювання ................................ 6.9 Засоби пожежогасіння ........................... 7. Техніко-економічне обгрунтування проекту ......... Висновок ........................................... Список використаних джерел ....................... Додаток А - Текст програми ....................... Додаток Б - Схема САПР функціональна ............. Додаток В - Схема САПР структурна ................ Додаток Г - Результат оптимізації .................

ВСТУП

малеїновий ангідрид був вперше отриманий у 1919 році Вейсса і Даунс
(фірма «Баррет») парофазного окисленням бензолу над п'ятиокисом ванадію.

малеїновий ангідрид володіє великою реакційною здатністю ітому використовується у виробництві полімерів, фармацевтичних препаратах, присадок, сільськогосподарських хімікатів і т.д.

Найбільша частка його споживання припадає на виробництво пластмас.
Попит на поліефірні смоли обумовлює в основному розвиток виробництвамалеїнового ангідриду. Поліефірні пластмаси знаходять застосування в рядігалузей промисловості.

Наступним за важливістю споживачем малеїнового ангідриду євиробництво алкідних смол. Застосування малеїнового ангідриду дозволяєстворювати поверхневі алкидні покриття з підвищеною ударною в'язкістю,а також подовжує термін їх служби.

малеїновий ангідрид застосовується для синтезу ряду хімічнихпрепаратів для сільського господарства, таких як гідразіт малеїновий кислоти
- Регулятор росту бульб картоплі, дефоліантів - ендоталл, який застосовується дляприскорення опадання листа і коробочки бавовни та ін

малеїновий ангідрид також є сировиною для виробництва фумаровоїі яблучної кислот, які вигідно відрізняються в харчовій промисловості дорогулимонну кислоту, яка використовується в кондитерських виробах і при виробництвісоків і напоїв.

Хімічні продукти на основі малеїнового ангідриду застосовуються дляобробки папери, вони служать замінником натуральної каніфолі. На основімалеїнового ангідриду виробляються присадки і стабілізатори для палив.

Ізо всього вище сказаного можна відзначити, що малеїновий ангідридмає важливе народногосподарське значення.

1.АНАЛІЗ Предметні галузі

Для розробки виробництва малеїнового ангідриду каталітичнимокисленням бензолу доцільно використовувати методи математичногомоделювання. Математична модель процесу дозволяє визначитиоптимальні конструктивні і режимні параметри та розробитивисокоефективний промисловий реактор.

Основним промисловим методом отримання малеїнового ангідридує парофазного каталітичне окислення бензолу/1,2 /. Найбільшпоширеним видом сировини для виробництва малеїнового ангідридує бензол. Світове виробництво малеїнового ангідриду в 1998-1999 рр..становило 5,5 млн. т.

Більше 90% його обчислюються на основі використання в якості сировини бензол. Приокисленні безповітряною суміші над ванадієві каталізаторами вихідмалеїнового ангідриду становить 70% на пропущений бензол при повній йогоконверсії. Близько 30% бензолу перетворюється на продукти глибокого окислення
СО, СО2.

Окислення проводять у парової фазі на стаціонарному шарі каталізатора.
Залежно від використовуваного каталізатора змінюється температура реакціїв діапазоні 350-450 0С. Процес ведуть практично без тиску, воностановить 0,5 атм і обумовлюється опором технологічнихапаратів.

Ефективність процесу отримання малеїнового ангідриду парофазногоокисленням бензолу залежить від селективності застосовуваних для цьогокаталізаторів і від ступеня досконалості самого процесу - як стадіїокислення, так і стадій виділення цільового продукту.

У сучасних промислових процесах отримання малеїнового ангідридупарофазного окисленням бензолу вихід малеїнового ангідриду на стадіїокислення складає 72-74% при конверсії 98-100%

Отримання кисневмісних сполук прямим окисленнямвуглеводнів киснем - багатостадійний процес/3 /. Утворенікисневмісні з'єднання (альдегіди, кислоти, окису, ангідриди)є в свою чергу проміжними продуктами окислення, якідоокісляются потім у СО, СО2 і Н2О.

Вибір відповідного каталізатора та умов проведення реакціїпризводить до утворення продуктів неповного окислення. Висока селективністьреакції виходить при сприятливому співвідношенні швидкостей освіти іподальшого перетворення проміжних продуктів.

Реактори для парофазного каталітичного окислення бензолу.

Окислення проводять в апаратах, які називаються реакторами. Відомокілька типів реакторів, що відрізняються один від одного конструктивнимиособливостями і головним чином типом використовуваного каталізатора.
Застосовувані реактори можна розділити на дві основні групи: зстаціонарним і псевдозрідженим шаром каталізатора.

Спочатку розглянемо питання, які є загальними для обох груп:основні чинники, що визначають вибір конструкції реактора; холодоагенти,застосовуються для відводу тепла реакції; каталізатори.

До основних факторів, що визначають, конструктивні особливостіреакторів для виробництва малеїнового ангідриду, відносяться наступні:агрегатний стан речовин, які присутні в реакційній зоні;інтенсивність перемішування інгредієнтів; тиск; хімічні властивостіпереробляються речовин; тепловий ефект процесу; температура реакції іінтенсивність теплообміну.

Речовини, що присутні в реакційній зоні, знаходяться в різномуагрегатному стані: Газоподібна бензоловоздушная суміш окислюється вприсутності твердого каталізатора з утворенням парогазової сумішіпродуктів контактування. Таким чином, при отриманні малеїновогоангідриду парофазного каталітичне окислення ароматичних вуглеводнівздійснюється в гетерогенних системах газ-тверде тіло. Внаслідоквисокого теплового ефекту реакції для проведення процесів парофазногокаталітичного окислення ароматичних вуглеводнів практичноприйнятними виявилися трубчасті апарати і апарати з псевдозрідженим шаромкаталізатора.

У трубчастих апаратах твердий гранульований каталізатор перебуває втрубках, а Міжтрубний простір заповнюється холодоагентом, відводить теплореакції. Суміш повітря з парами бензолу рухається через шар твердогогранульованого каталізатора зі швидкістю, яка забезпечує необхіднутурбулентність потоку. Так як активність застосовуваних каталізаторіввелика, що досягається в даному випадку контакт фаз виявляється цілкомдостатнім для протікання реакцій окислення.

Дуже ефективна взаємодія парогазової і твердої фаз протікає вапаратах з псевдозрідженим шаром каталізатора. У цих апаратах газрухається з певною швидкістю знизу вгору через шар високодисперсноготвердого каталізатора, який при цьому наводиться в станпсевдозрідженим, що нагадує кипіння рідини. Для апаратів цього типухарактерні інтенсивне перемішування газу і дрібнозернистого каталізатора імала різниця температур між будь-якими точками псевдозрідженим шару.

Для успішного проведення екзотермічної каталітичного процесупарофазного окислення необхідна висока інтенсивність перемішуванняреагуючих речовин. В апаратах обох типів інтенсивне перемішуванняздійснюється шляхом створення відповідної швидкості руху парогазовоїсуміші, що забезпечує необхідну турбулентність потоку і відповіднийгідродинамічний режим в зоні каталізатора,

Тиск при промислових процесах парофазного каталітичногоокислення бензолу визначається в основному гідравлічним опоромапаратів і комунікацій і становить приблизно 0,5 ат (надлишковетиск). Настільки низький тиск значно полегшує конструювання іексплуатацію реакторів. Дослідження процесу парофазного каталітичногоокислення бензолу в малеїновий ангідрид при надмірному тиску до 6 ат іступенях перетворення 45, 60 і 75% показали, що вибірковістькаталізатора з підвищенням тиску збільшується незначно.

Одночасно спостерігалося помітне підвищення продуктивностікаталізатора для ступенів перетворення 45 і 60% при зростанні надлишковоготиску від 0,4 до 6 ат. Менша, не зростання продуктивності ззбільшенням тиску відбувалося при ступені перетворення 75%. Упромисловості процес отримання малеїнового ангідриду ведуть при 100%-номперетворення бензолу. Тому для вирішення питання про доцільністьпідвищення тиску потрібні додаткові кінетичні дослідження.

Процес окислення бензолу в псевдозрідженим шарі каталізатора інодіведуть при надлишковому тиску 1-2 ат. Це дозволяє при тих самих лінійнихшвидкостях газового потоку збільшити кількість газу, що проходить через шаркаталізатора, не зменшуючи час контактування. При атмосферному тискузбільшення витрати парогазової суміші може призвести до перевищеннямаксимально допустимої швидкості потоку і до руйнування структурипсевдозрідженим шару. Оптимальний тиск вибирається з урахуванням зростаннявитрати електроенергії на додаткове стиснення, повітря і підвищеннявартості апаратів, розрахованих на роботу під тиском.

Хімічні властивості переробляються речовин визначають дію їхна матеріал апаратури. Бензол і малеїновий ангідрид, перебуваючи в паровийфазі, практично не корродирует сталь. Сильне корозійне дію наметали надають розчин малеїновий кислоти. Однак в умовах парофазногокаталітичного окислення бензолу і про-ксилолу гідратації малеїновогоангідриду не відбувається. Тому, як підтвердив великий досвід роботиреакторів, хімічні властивості переробляються і одержуваних речовин неє визначальним фактором при виборі матеріалу апаратури.

Одним з найбільш істотних факторів, в значній мірівизначають конструкцію реактора, є тепловий ефект процесу.
Окислення ароматичних вуглеводнів у малеїновий ангідрид супроводжуєтьсявиділенням великої кількості тепла. При 100%-ном окисленні 1 кг бензолу вмалеїновий ангідрид виділяється 3503 ккал (теплота окислення, віднесена до
20 ° С, без урахування зміни теплового ефекту з температурою). Однак припромисловому проведенні процесу протікають ще побічні реакції, тежсупроводжуються виділенням тепла.

Таким чином, сумарний тепловий ефект значною мірою залежитьвід ступеня перетворення вихідного вуглеводню в різні продуктиокислення.

Якщо взяти ступінь перетворення бензолу в малеїновий в малеїновийангідрид-0, 02, а ступінь повного згорання бензолу 0,10, то тепловий ефектпроцесу окислення 1 кг бензолу в цих умовах, віднесений до стандартноїтемпературі 20 ° С, буде дорівнює 4111,7 ккал.

Суттєве значення має наявність домішок у вихідному бензолі. Приповному згорянні 1 кг домішок в середньому виділяється 10000 ккал тепла. Якщодомішкою до бензолу є метилбензол, то кількість виділяється теплазбільшується, тому що при окисленні 1 моль метилбензол в малеїновийангідрид виділяється в 1,13 рази більше тепла, ніж при окисленні 1 мольбензолу.

З цим фактом необхідно враховувати при з'ясуванні можливостізастосування у виробництві малеїнового ангідриду інших вуглеводнів, у томучислі і багатокомпонентних продуктів кам'яновугільного або нафтовогопоходження. Досвід застосування бензолу, що містить як домішкиметилбензол, показав, що в цьому випадку для забезпечення повноти окисленнявихідної сировини температуру процесу доводиться підтримувати на 5-60С вище,ніж при окисленні бензолу, що не містить, домішки метилбензол.

Основний домішкою товарного бензолу марки В згідно з ГОСТ 10204-62 єметилбензол. Для визначення теплового ефекту процесу окислення бензолумарки В в малеїновий ангідрид приймаємо наступні допущення:

1) склад вихідного продукту: бензол - 92%, метилбензол - 7%,інші органічні домішки - 1%;

2) при окисленні 50% метилбензол перетворюється на малеїновий ангідриді 50% згорає;

3) інші органічні домішки, присутні у вихідному бензолі,повністю згоряють;

4) теплота згоряння органічних домішок дорівнює 10000 ккал/кг.

Звідси тепловий ефект процесу окислення 1 кг бензолу марки В вмалеїновий ангідрид (розрахунок при стандартній температурі 20 ° С) буде дорівнює:
4111,7 * 0,92 +4067 * 0,07 * 0,5 +9317 * 0,07 * 0,5 +10000 * 0,01 = 4349ккал Це в 1,05 разибільше, ніж при окисленні 1 кг 100%-ного бензолу.

При ступені перетворення бензолу в малеїновий ангідрид, що дорівнює 0,85,з 1 кг 100%-ного бензолу утворюється малеїнового ангідриду:
148.12/128.17 * 85 = 0,98 кг, де 148,12 і 128,17 - відповідно молекулярніваги малеїнового ангідриду і бензолу.

При окисленні 1 кг бензолу марки В при тій же мірі перетвореннябензолу і при ступені перетворення метилбензол під малеїновий ангідрид,рівною 0,5, утворюється малеїнового ангідриду 0.94 кг.

Тому для отримання того ж кількості малеїнового ангідриду приперехід від 100%-ного бензолу до бензолу марки В доведеться витратитисировини більше в 0,98:0,94 = 1,04 рази.

Отже, сумарний тепловий ефект у перерахунку на одиницюкількості малеїнового ангідриду при окисленні бензолу марки В буде в
1,05.1,04 = 1,1 рази більше, ніж при окисленні 100%-ного бензолу.

Також необхідно враховувати ступінь перетворення вихідної речовини врізні продукти окислення. Якщо у сировині є будь-які домішки, неутворюють при окисленні малеїновий ангідрид, то процес ведуть такимчином, щоб добитися, можливо, більш повного згоряння їх. В іншомуразі не окислені або окислені не повністю домішки будуть забруднюватиготовий продукт і ускладнювати його очістку.

При зростанні молекулярної ваги вихідного, вуглеводню тепловоїефект реакції окислення збільшується.

Тепловий ефект реакції впливає на продуктивністьконтактного апарата при проведенні процесу в стаціонарному шарікаталізатора. У цьому випадку відносно низький коефіцієнт тепловіддачі відгазового потоку до стінки труби обмежує швидкість відводу тепла. Томупри переробці сировини, окислювання якого протікає з виділенням великоїкількості тепла, доводиться знижувати навантаження по сировині. Це даєможливість підтримувати задану температуру процесу, але тягне за собоюзниження продуктивності апарата. При проведенні процесу впсевдозрідженим шарі каталізатора знижувати навантаження по сировині не доводиться,оскільки відвід тепла із зони каталізатора не становить труднощів.
Температура процесу парофазного каталітичного окислення ароматичнихвуглеводнів у значній мірі залежить від природи вихідноговуглеводню і типу застосовуваного каталізатора. У промислових реакторахпарофазного каталітичне окислення ароматичних вуглеводнів вмалеїновий ангідрид проводять при З80-435 ° С. Більш висока температурапроцесу контактування підтримується при використанні плавленоїп'ятиокису ванадію (425-435 ° С). Більш низька температура (250-285 ° С)характерна для ванадій-калій-сульфатного каталізатора.

Температура реакції в значній мірі визначає вибір не тількихладагента, а й матеріалу апарата. До 400 ° С стійка звичайна сталь. Дляроботи при більш високій температурі деталі реакторів, які стикаються зреакційної парогазової сумішшю, слід виготовляти з легованихсталей типу хромоникельовой.

Внаслідок високої екзотермічності процесу окислення бензолу вмалеїновий ангідрид однією з основних проблем при конструюванніконтактних апаратів є максимальна інтенсифікація відводу тепла ззони каталізатора і забезпечення ізотермічності в ній.

Холодоагенти.

Холодоагенти, що застосовуються в реакторах для відводу тепла, що виділяється впроцесі окислення, повинні мати певні властивості. Потрібно,щоб вони були стабільними при температурі реакції, не корродіроваліматеріал апарату, були вогне-та вибухобезпечними. У практиці промисловоговиробництва малеїнового ангідриду в даний час визначилися наступніхолодоагенти: розплав солей, яке кипить ртуть, вода, свинець або його сплави,повітря. Кожен з цих холодоагентів має недоліки, з якими доводитьсярахуватися. Проте всі вони відповідають зазначеним необхідним вимогам. Більшедокладно властивості перерахованих холодоагентів розглядаються нижче.

Найбільш часто для відводу тепла реакції використовують розплав солей,що представляє собою суміш нітритів і нітратів калію і натрію, наприкладсуміш, що складається з 7% NaNO3, 40% NaNO2 і 53% KNO3. Застосовують також суміш
45% NaNO2 і 55% КNО3, що має температуру плавлення 141,6 ° С. Нітрити приконтакті з киснем повітря при високій температурі окислюються зутворенням нітратів. Збільшення вмісту нітратів призводить до підвищеннятемператури плавлення суміші до 160 ° С і вище. Практично при досягненніцієї температури плавлення суміш солей слід замінювати. Для зменшенняшвидкості окислення розплав солей відокремлюють від повітря за допомогою «подушки» зазоту або водяної пари. У цих умовах розплав може експлуатуватисябез заміни протягом двох років. У присутності розплаву вуглецева сталькорродирует лише при температурі, що перевищує 450 ° С. При температурах,близьких до температури процесу контактування, в'язкість розплавувідносно низька. Це дає можливість перекачувати його насосами потрубопроводами.

За кордоном як холодоагент досить широко застосовують киплячуртуть. Її суттєвою перевагою є сталість температури івідносно високий коефіцієнт тепловідводу від охолоджуваної стінки. Цічинники дозволяють інтенсифікувати процес відведення тепла з каталізаторногопростору. Для збільшення коефіцієнта тепловідводу в ртуть додаютьнатрій. Утвориться, амальгама натрію має кращу змочуютьсяздатністю. При атмосферному тиску ртуть кипить при 356,9 ° С. Дляпідвищення температури кипіння ртуті ємність з холодоагентом заповнюють азотом,що знаходяться під деяким тиском. Змінюючи тиск азоту в системі,регулюють температуру кипіння ртуті. До переваг киплячій ртуті слідвіднести також можливість відводу великої кількості тепла щодоневеликою кількістю холодоагенту за рахунок використання прихованої теплотипаротворення. Широке застосування ртуті обмежується її токсичністю івисокою вартістю.

У деяких реакторах як холодоагент застосовують воду. У цьомуразі отримують пар, який потім можна використовувати. Перевагивикористання води як холодоагент загальновідомі і не потребуютьрозгляді. Деяким недоліком застосування води є необхідністьрозташовувати теплообменівающіе елементи, що працюють під тиском,безпосередньо всередині реактора.

У реакторах старої конструкції для відводу тепла реакції якхладагента застосовували свинець (або його сплави). У цього хладагента єряд істотних недоліків: висока температура плавлення (щоускладнює його завантаження і перекачування); токсичність; здатністьокислюватися на повітрі при високій температурі з утворенням оксидів,переходять у верхні шари розплаву і зменшують і без того низькийкоефіцієнт тепловідводу від охолоджуваної поверхні до хладагента; високавартість. У сучасних системах свинець не застосовують.

Як холодоагент використовують також повітря, що пропускаютьчерез трубки, занурені в розплав солей. У деяких конструкціяхзастосовують обдування. повітрям зовнішніх стінок реакторів. Охолодженняповітрям не забезпечує інтенсивного відводу тепла з реактора внаслідокнизького коефіцієнта тепловіддачі від стінок каталізаторних камер або трубокдо повітря і низькою теплоємності цього холодоагенту.

Каталізатори.

В якості каталізаторів парофазного каталітичного окисленнябензолу в малеїновий ангідрид вивчалися різні речовини, в тому числіоксиди багатьох металів (V2O5, МоО3, MgО, Аl203, SiO2, TiO2, ZnO)/4 /. Однакнайбільш виборчих та досить активним каталізатором виявилася тількип'ятиокис ванадію V2O5. В даний час в промисловості застосовують абоп'ятиокис ванадію, або складні каталізатори, до складу яких якосновного активного компоненту входить п'ятиокис або солі ванадію.

п'ятиокис ванадію V2O5 є ромбічні кристаличервоного або червоно-жовтого кольору, що плавляться при 690 ° С. При температурівище 700 ° С п'ятиокис ванадію помітно випаровується з частковою дисоціацією пореакції:

2V2O5 -> 4VO2 + O2

Водний розчин її пофарбований у жовтий колір і має кислу реакцію.
П'ятиокис ванадію легко розчиняється в лугах з утворенням ванадати.
При відновленні п'ятиокису ванадію утворюються двоокис ванадію VO2 (синьо -блакитні кристали, т. пл. 1545 ° С) і трехокісь ванадію V2O3 (блискучічорні кристали; т. пл. 1970 ° С).

п'ятиокис ванадію отримують розкладанням вандата амонію при високійтемпературі 400 ° С з подальшим нагріванням до 690 ° С. П'ятиокис ванадіювипускається трьох марок відповідно до ТУЦМ 4566-55: «хімічно чиста»
(Х. ч.), "чиста для аналізу» (ч. д. а.) і «чиста» (ч.).

Каталізатор, призначений для завантаження в реактори, готуютьнаступним чином. Свіжу або відпрацьовану п'ятиокис ванадію розплавляють вграфітових тиглях. Розплав виливають на сталеві листи розміром 20х10х2см, де він застигає щільним шаром. Товщину шару вибирають залежно віднеобхідних розмірів часток каталізатора. Застиглу масу подрібнюють дочастинок розміром 5-7 мм. Отримані таким чином шматочки просівають черездва сита з близькими за розміром отворами (в першу ситі отворибільше). Залишок на перше ситі і фракцію, просіяти через друге сито,збирають окремо і піддають вторинної переплавки і подрібнення. Частинки,не пройшли через друге сито, мають досить близькі лінійні розміриможуть застосовуватися для заповнення контактних трубок.

Перевагою плавленої п'ятиокису ванадію як каталізатора єїї висока продуктивність, що досягає 275 г бензолу на годину на 1 кгкаталізатора, а недоліком - відносно низький вихід малеїновогоангідриду - порядку 72-73% (на 10-15% нижче виходу на змішаних ванадієвихкаталізаторах). Тому в даний час майже скрізь відмовилися відзастосування чистого п'ятиокису ванадію і віддають перевагу каталізатором,забезпечує більший вихід продукту.

Ступінь перетворення бензолу в побічні продукти в стаціонарному шаріплавленої п'ятиокису ванадію характеризується наступними цифрами: у 1,4 --бензохінон перетворюється 2,5-4% вихідного бензолу, в малеїновий ангідрид
9-11%; згорає і переходить в інші продукти 3-5%.

Відомо також застосування каталізатора, що представляє собоюп'ятиокис ванадію (приблизно 10%), оточену на носії (корунд,кизельгур, пемза).

Для приготування такого каталізатора носій, просочений воднимрозчином вандата амонію, прожарюють на повітрі при 400-500 ° С. Урезультаті термічного розкладання вандата амонію в присутності киснюповітря утворюються п'ятиокис ванадію, аміак і вода. Аміак і пари водивипаровуються, а п'ятиокис ванадію залишається на носії.

Цей каталізатор також відрізняється високою продуктивністю, але завиходу малеїнового ангідриду істотно поступається змішаного каталізатора.

Змішаний ванадій-калій-сульфатний каталізатор має значноменшу продуктивність у порівнянні з плавленої п'ятиокисом ванадію, алезабезпечує вихід малеїнового ангідриду порядку 85-88% (у розрахунку наочищений продукт вихід складає 83-84%). Тому каталізатори такоготипу широко застосовуються в промисловості. Каталізатор являє собоюсилікагель, просочений розчином суміші сульфатів ванадію і калію.
Змішаний ванадій-калій-сульфатний каталізатор готують, наприклад, наступнимчином. Попередньо отримують вихідні компоненти: силікагель і розчинсульфату ванадію. Для приготування силікагелю розчин силікату каліюзмішують з сірчаною кислотою. Отриману масу розмелюють в млині іподщелачівают аміаком до рН 8,5. Виділився осад крем'яної кислотифільтрують і сушать при 100-110 ° С. Суху крем'яні кислоту розмелюютьна дезинтегратора і змішують з розчином сульфату ванадію, якийотримують взаємодією сірчистого газу з п'ятиокисом ванадію в водномурозчині сірчаної кислоти Пасту формують у вигляді циліндриком діаметром 4 мм ізаввишки 4 мм і сушать їх при 50-60 ° С. Потім температуру сушіння підвищують до
130 ° С, після чого каталізатор прожарюють в струмі повітря при 430 ° С.
Отриманий таким чином каталізатор містить 10% V2O3, 60-65% SiО2 і 20 -
25% K2SO4.

Сульфат ванадію VOSO4 * H2O являє собою кристали блакитногокольору, розчинні у воді, В промисловості відповідно до ЦМТУ 2112-49випускають два сорти сульфату ванадію: «чистий для аналізу» (ч. д. а.) і
«Чистий» (ч.).

При роботі на змішаному ванадій-калії-сульфатно каталізаторі ступіньперетворення бензолу характеризується наступними показниками: в малеїновийангідрид перетворюється 87% в 4-нафтохінон 1-2,5%, в малеїновий ангідрид
2,8-3,3%, згорає і переходить в інші продукти 2,0-4,1% вихідного бензолу.
Продуктивність ванадій-калій-сульфатного каталізатора 65-70 гмалеїнового ангідриду з 1 кг каталізатора на годину, або 40-42 г малеїновогоангідриду з 1 л каталізатора на годину (при виході 86-91% від теоретичного настадії контактування). Термін служби каталізатора більше 5 років.
Передбачається, що сульфат калію відіграє роль інгібітора, що знижуєвисоку активність каталізатора (одержуваного при застосуванні високопорістійсилікагелю) і підвищує його вибірковість.

Істотним показником каталізатора є механічнаміцність. Пропонується вважати каталізатор дійсно міцним, якщо дляруйнування таблетки потрібно зусилля 5-10 кгс, а при обертанні таблеток укульовий млині кількість утвориться за 1 год пилу складає не більше 3%від маси каталізатора. Для підвищення механічної міцності силікагелюпропонують просочувати гідрогель 1-10%-вим розчином віннокіслой солілужного металу з наступним промиванням, сушінням і активацією силікагелю.

Основним завданням подальшого вдосконалення каталізаторівє підвищення їх вибірковості та продуктивності. Для поліпшенняпоказників роботи ванадій-калій-сульфатного каталізатора пропонуєтьсявводити в нього різні добавки, головним чином з'єднання Ag, Li, Се, Rbта ін Досягненням є розробка каталізатора, стійкого по відношенню досрібла (у кількості до 1%, вважаючи на вихідна сировина), і каталізатора,придатного для роботи на бензолі, о-ксилолі або суміші бензолу з о-ксилолом.
При роботі на таких каталізаторах значно підвищується економічнаефективність процесу.

В установках з псевдозрідженим шаром застосовують каталізатори восновному того ж складу, що і в установках зі стаціонарним шаром.
Відмітною особливістю перших каталізаторів є високадисперсність і підвищена міцність. Спочатку в промислових агрегатахз псевдозрідженим шаром каталізатора застосовували плавлення п'ятиокис ванадію,але надалі її замінили ванадій-калій-сульфатною каталізатором,що забезпечує більш високі виходи малеїнового ангідриду. Один із зразківподібного каталізатора (насипна маса 0,7-0,95 кг/л) характеризуєтьсянаступним складом (%): металеве залізо і оксиди (у перерахунку на Fe) -
1-2, сульфат ванадію (у перерахунку на V2О5) - 6-9, лужні метали (уперерахунку на К2О) - 11-13, сірчана кислота (у перерахунку на SO4) - 19-22,оксид кремнію - 54-65.

Розмір часток каталізатора і співвідношення між різними фракціями вньому визначаються його щільністю та обраної швидкістю потоку парогазовоїсуміші в поперечному перерізі реактора. Як правило, основна маса частиноккаталізатора в псевдозрідженим шарі має розміри в межах від декількохдо 300 мк.

Відомості про продуктивність каталізатора в псевдозрідженим шарідуже мізерні. Є дані, що навантаження на каталізатор становила 22-26г бензолу на 1 кг каталізатора на годину, але ця цифра видаєтьсязаниженою.

Високу селективність і продуктивність каталізатора можназабезпечити, замінюючи частину відпрацьованої пилу свіжою. За одними даними витратакаталізатора у цьому випадку буде дорівнює 10% на рік, а за іншими - 1 кгкаталізатора на 1000 кг переробленого бензолу.

Ці дані близькі один до одного, як видно з такого конкретногорозрахунку. Якщо взяти навантаження на каталізатор 25 г бензолу на 1 кгкаталізатора на годину і продуктивність системи по бензолу 8000 т/рік, томаса каталізатора в системі при 8000 робочих годин на рік буде дорівнює:
8000 * 1000 * 1000/8000/25 = 40000кг.

Якщо витрата каталізатора дорівнює 10% на рік, тобто 400 кг/рік, або 0,5кг/год, то це складе 0,5 кг каталізатора на 1000 кг переробленогобензолу.

Таким чином, можна вважати, що для забезпечення високоїселективності і продуктивності каталізатора слід в процесі роботичастина відпрацьованої каталізаторной пилу замінювати свіжої в кількості 0,1-1,0кг на 1000 кг переробленого бензолу. Цей витрати можна зменшити за рахунокпідвищення селективності і продуктивності каталізатора, а також узначною мірою-шляхом зниження швидкості стирання каталізатора, тобто врезультаті збільшення його міцності. Видаляти небажані фракціїкаталізатора так само, як і довантажувати нові порції, можна без зупинкисистеми. Плинність псевдозрідженим каталізатора дозволяє оперувати зним майже так само просто, як і з рідиною.

З відпрацьованої каталізаторной пилу, як і з відпрацьованогостаціонарного каталізатора, можна виділити його найбільш дорогіактивні компоненти і використовувати їх для приготування нових порційкаталізатора. Ванадій можна отримати в такий спосіб. Водну суспензіюкаталізатора, попередньо підкислену сірчаною кислотою, нагрівають до
80-85 ° С, після чого обробляють щавлевої кислотою. При цьому вищі оксидиванадію переходять у нижчі, розчинні у воді:

V2O5 + HООC-СООН + 2H2SO4 -> 2VOSO4 2 CO2 +3 H2O

Цим методом виділяється до 85% активних речовин у вигляді розчинних уводі сульфатів ванадію і калію, які можуть бути використані дляприготування нових порцій ванадій-калій-сульфатного каталізатора. У томувипадку, коли розчин виходить з концентрацією нижче необхідної, в ньомудодатково розчиняють відповідну кількість сульфатів ванадію ікалію або упарюють розчин. Дослідження були проведені як у лабораторномумасштабі, так і на укрупненій установці.

В сталевий емальований чашу, забезпечену сорочкою для обігрівупором, завантажували 15 л чистої води і така ж кількість промивної водипісля попередньої операції, 7,6 кг відпрацьованого каталізатора і 200 млкупоросні олії. Масу ретельно розмішували і нагрівали, після чогоневеликими порціями при розмішуванні додавали 0,5 кг щавлевої кислоти.
Припинивши обігрів, масу додатково розмішували протягом 10-15 хв івідстоювали. Розчин декантіровалі, а осад промивали водою, яку потімвикористовували для обробки свіжих порцій каталізатора.

Лабораторні випробування зразка каталізатора, отриманого звикористанням розчинів регенерованої суміші активних компонентів,показали, що такий каталізатор не відрізняється від каталізатора,приготованого з вихідних реактивів.

Реактори зі стаціонарним шаром каталізатора.

Спочатку промисловий синтез малеїнового ангідриду бувздійснений у стаціонарному шарі каталізатора. При цьому були створеніреактори відносно невеликій продуктивності - приблизно 20 кгмалеїнового ангідриду на годину. Процес подальшого вдосконаленняреакторів характеризується прагненням до створення апаратів великийпотужності. Основною проблемою при створенні високопродуктивних агрегатівє необхідність відведення тепла, що виділяється при окисленні великихкількостей бензолу. Тому для конструкцій реакторів виробництвамалеїнового ангідриду найбільш важливим є метод відводу тепла.

Реактори зі стаціонарним шаром гранульованого каталізаторавиконуються у вигляді вертикальних трубчастих апаратів. Реактор являєсобою вертикальний апарат, у якому є велика кількість трубок,заповнених каталізатором. У міжтрубному просторі апарата перебуваєрозплав солей. Для інтенсифікації відводу тепла і вирівнювання температурирозплав перемішується пропелерним мішалкою, що приводиться в обертанняелектродвигуном з індивідуальним приводом.

Для відводу тепла від розплаву солей в центральній трубі розміщеніохолоджуючі елементи, по конструкції аналогічні трубках Фільда. Підвнутрішні трубки охолоджувальних елементів знизу надходить повітря, а нагрітеповітря виводиться з зовнішніх трубок через камеру. Охолоджує повітряподається також в сорочку. Температура в зоні каталізатора вимірюєтьсятермопарами, встановленими в гільзах. Перед початком процесуконтактування апарат розігрівають, продуваючи каталізатор гарячим повітрям.
Бензоловоздушная суміш, що надходить в реактор, проходить через трубки,заповнені каталізатором, а контактні гази, що містять пари малеїновогоангідриду, видаляються з апарату через нижній боковий штуцер.

У деяких реакторах циркуляція розплаву солей через Міжтрубнийпростір здійснюється насосом. При цьому гарячий розплав можнанаправляти в котли-утиль