CC BY
10С.Г. Низельник
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СЕЛЕКТИВНОГО ГИДРИРОВАНИЯ НИТРОБЕНЗОЛА
В статье рассматриваются вопросы моделирования процесса селективного гидрирования нитробензола и влияние его параметров на удельную производительность реактора.
Ключевые слова: анилин, нитробензол, водород, гидрирование гетерогенный катализ.
Анилин является ценным сырьем, применяемым в качестве промежуточного продукта в производстве красителей, фармацевтических препаратов, взрывчатых веществ, ускорителей вулканизации каучука, в текстильной промышленности при черно-анилиновом крашении, в производстве пластических масс, ок-таноповышающих добавок к бензинам.
Для моделирования процесса гидрирования нитробензола в анилин, было принято решение использовать максимально близкие к промышленности исходные данные, взятые из научно-патентной литературы [1].
Таблица 1
Исходные данные (базовый опыт) для моделирования в программе COMSOL [1]
Соотношение реагентов НБ : водород : азот 1:20:10
Температура процесса, °С 166
Конверсия ха, % 99,99
Выход £ % 94,99
Селективность Ф, % 95
Давление процесса 1 атм
Парциальное давление компонентов газовой смеси, атм Нитробензол 0,05
Водород 0,45
Азот 0,5
Мольные потоки, моль/с Нитробензол 9,37
Водород 187,41
Азот 93,7
Константа скорости основной реакции к, моль-с '-м3 1 При 166 °С 0,0073
При 176 °С 0,021
При 186 °С 0,045
Энергия активации, Дж/моль 3000
Предэкспоненциальный множитель ко, моль/ч-кг 90000
В качестве основного реактора был выбран реактор идеального вытеснения со стационарным слоем медьхромцинкового катализатора [4].
Синтез анилина проходит с выделением тепла по основной реакции [3]:
C6H5NO2 + 3H2^C6H5NH2 + 2H2O + АН0298
© Низельник С.Г., 2021.
Научный руководитель: Небыков Денис Николаевич - кандидат химических наук, доцент, Волгоградский государственный технический университет, Россия.
ЛН0298 = -465,15 кДж/моль
Так же протекает побочная реакция разложения анилина:
C6H5NH2 + И2^СбИб + NH3
Моделирование процесса будем осуществлять, с помощью программного комплекса Comsol Reaction Engineering Lab 1.5 для этого необходимо использовать более формализованную схему процесса:
C6H5NO2 + 3H2^CeH5NH2 + 2H2O А Y B Z
C6H5NH2 + H2^C6H6 + NH3
В Y F С
+ 3Y + Y А -- В -- F
-2Z
-С
Кинетическое уравнение, описывающие взаимодействие водорода и нитробензола на активных центрах медьхромцинкового катализатора, следующее [4]:
г =
^ • аНБ • ^нб • (аН2 • ^н2)0'5
(1 + «нб ^нбЫ1 + («н2 ^т)°'5]
k = кп • е RT
чиб
нб
0 0
■ е RT
ЧИ2
«н2 = «н2 ^ е R T
Побочная реакция:
Кинетическое уравнение:
C6H5NH2 + H2^C6H6 + NH3
Г = • ^c6h5nm • Рн2 __
k1= А^е R-T
Б
Одним из важных показателей для химической промышленности является зависимость удельной производительности аппарата и селективности процесса. Рассмотрим зависимость удельной производительности реактора идеального вытеснения при различной вариации исходных веществ, а именно при изменении соотношения водорода к нитробензолу, и при изменении температуры процесса. Для того чтобы это осуществить, необходимо изменять соотношение всех реагентов таким образом, чтобы общее количество молей оставалось постоянным и необходимо фиксированное значение начального компонента. Таким образом, для установления влияния водорода на удельную производительность мы будем изменять значения потока водорода и изменять значение потока азота, так как он является инертным по отношению к процессу.
Для определения зависимости удельной производительности РИВ от избытка и недостатка второго реагента (водорода) выберем значения мольного потока и парциального давления реагента Y, при которых будем определять значение производительности:
1) Б а = 9,37 моль/с, FY = 234,26 моль/с, Бш = 46,34 моль/с;
Ра = 0,045 атм, РY = 0,5 атм, Рш = 0,45 атм.
2) 9,37 моль/с, FY = 187,41 моль/с, Бш = 93,7 моль/с (базовый опыт);
Ра = 0,045 атм, РY = 0,45 атм, Рш = 0,5 атм (базовый опыт).
3) Бд = 9,37 моль/с, FY = 137,41 моль/с, Бш = 143,7 моль/с;
Ра = 0,045 атм, РY = 0,35 атм, Рш = 0,55 атм.
Рис. 1. Зависимость удельной производительности РИВ от избытка водорода (У) 1-избыток водорода, 2- базовый опыт, 3- недостаток водорода
Из полученной зависимости видно, что удельная производительность РИВ для реакций при прочих равных условиях прямо пропорциональна начальным концентрациям или парциальным давлениям реагентов. А поскольку увеличение мольного потока реагента У (парциального давления) уменьшает мольный поток реагента А (парциальное давление), который участвует только в основной реакции, то удельная производительность уменьшается при увеличении избытка второго реагента.
Определим влияние температуры на удельную производительность РИВ.
Для определения зависимости удельной производительности РИВ от температуры выберем значения температуре, при которых будем определять значение производительности:
T = 449K;
T = 439K;
T = 429K.
°0 0.1 0.3 0.3 0.4 05 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Рис. 2. Зависимость удельной производительности РИВ от температуры. Зеленая линия- удельная производительность РИВ, при Т=449К, синяя линия - УП, при Т=439К, красная линия - УП, при Т=429К.
Удельная производительность реактора РИВ сильно зависит от температуры. Кроме очень редких реакций с отрицательной величиной эффективной энергии активации, во всех остальных случаях необратимых реакций константы скорости, а тем самым и производительность реакторов растут с повышением температуры.
Определим влияния избытка или недостатка нитробензола, аналогично, определению влияния водорода.
Для определения зависимости удельной производительности РИВ от начальной концентрации нитробензола (реагента А) выберем значения мольного потока и парциального давления реагента А, при которых будем определять значение производительности:
1)Ба = 13,39 моль/с, Бу = 187,41 моль/с, Бш = 89,7 моль/с;
Ра = 0,05 атм, Ру = 0,5 атм, Р№ = 0,4 атм.
2)Fa = 9,37 моль/с, Fy = 187,41 моль/с, Fn2 = 93,7 моль/с (базовый опыт); Ра = 0,045 атм, Py = 0,45 атм, Pn2 = 0,5 атм (базовый опыт).
3)Fa = 5,6 моль/с, Fy = 187,41 моль/с, Fn2 = 97,7 моль/с; Ра = 0,04 атм, Py = 0,35 атм, Pn2 = 0,6 атм.
0.5 --—" —--'- ' -'-—-:- 1 -:-——1--
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 О.б 0.7 0.8 0,9 1
Рис. 3. влияния парциального давления нитробензола на удельную производительность РИВ. 1- избыток нитробензола, 2- базовый опыт, 3 - недостаток нитробензола.
Для простых необратимых реакций удельная производительность прямо пропорциональна парциальным давлениям реагента А, следовательно, при увеличении парциального давления (концентрации) реагента А удельная производительность увеличивается.
Определим влияние температура процесса на селективность данного процесса.
Для определения зависимости селективности РИВ от температуры выберем значения температуре, при которых будем определять значение производительности:
T = 449K;
T = 439K;
T = 429K.
Рис. 4. влияние температуры процесса гидрирования нитробензола на селективность. Красная линия - селективность при Т=429, синяя линия - селективность при Т=449К, зеленая линия- селективность при Т=439К.
На основании данного графика можно сделать вывод о том, что селективность процесса гидрирования нитробензола зависит от температуры, следующим образом: при повышении температуры, селективность процесса снижается, что объясняется смещением равновесия в сторону образования побочного продукта.
Адекватность данного моделирования в Comsol Reaction Engineering Lab 1.5 проверялось построением первичных кинетических кривых для реактора РИВ, затем совершался переход от реактора РИВ к реактору РПС (реактор полного смешения). Модель прошла проверку на адекватность, так как при 100% открытии потоков в реакторе РПС, первичные кинетические кривые полностью совпали с кривыми, построенными в реакторе идеального вытеснения.
Вывод: в результате проделанной работы было определено влияния соотношения исходных реагентов на удельную производительность РИВ, также было установлено влияние температуры процесса на селективность, на основании чего, можно сделать вывод, что проведение процесса гидрирования нитробензола при более низкой температуре, увеличивает выход целевого продукта.
Библиографический список
1. Пат. РФ 2006126746/04, Низкотемпературный способ получения анилина гидрированием нитробензола / Горбунов Б. Н., Утробин А. Н.; заявл. 21.07.2006; опубл. 10.11.2008.
2. Лебедев Н.Н., Манаков М.Н., Швец В.Ф. Теория химических процессов основного органического и нефтехимического синтеза. - М.: Химия, 1984. - 376 с.
3. Латышова С.Е. Совершенствование процесса синтеза анилина / И.А. Горбунов, С.Е. Латышова // Молодой ученый. - 2018. - №19 (205), ч. 2. - с. 97 - 99.
4. Пат. РФ 2001121052/04, Способ получения анилина и катализатор для получения анилина и других аминов / Старовойтов М. К., Белоусов Е. К., Рудакова Т. В., Батрин Ю. Д., Качегин А. Ф., Фокин Н. С., Крякунов М. В., Тихановский В. И., Сафронов С. А.; заявл. 27.06.2003; опубл. 27.11.2003.
НИЗЕЛЬНИК СЕРГЕЙ ГЕННАДИЕВИЧ - магистрант, Волгоградский государственный технический университет, Россия.
