Реферат: Разработка САПР трубчатых реакторов для производства малеинового ангидрида

АННОТАЦИЯ

Тема: «Разработка САПР трубчатых реакторов для получения малеиновогоангидрида».

Разработал: Кругов.

Руководитель: Романенко.

Год защиты: 2001.

Название объекта проектирования: трубчатый реактор.

Данная подсистема предназначена для проектирования реакторов синтезамалеинового ангидрида каталитическим окислением бензола. При проектированиииспользуются методы математического моделирования, что позволяет значительнооблегчить расчет математической модели и решение задачи оптимизации.Используемые методы позволяют быстро и точно получить желаемый результат.

Основные проектные решения: для расчета математической моделииспользовался метод конечных разностей, для задачи оптимизации – метод Ньютона.

Пояснительная записка (ПЗ) содержит 109 страниц формата А4.

Графическая часть проекта содержит 10 листов формата А1.

ПЗ содержит: 5рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................

1Анализ предметной области..........................

2 Постановказадачи..................................

3 Общее описание системы............................

4 Описание методикиавтоматизированного

проектирования.......................................

5 Обеспечения........................................

5.1 Математическоеобеспечение.......................

5.1.1 Принятие допущений.............................

5.1.2 Математическая модель..........................

5.1.3 Метод решения уравнений математичекой модели...

5.1.4 Выбор варьируемых параметров и критерия

оптимизации....................................

5.1.5 Постановка задачи оптимального

проектирования................................

5.1.6 Описание метода оптимизации....................

5.1.7 Результатыоптимизации.........................

5.2 Техническоеобеспечение..........................

5.3 Программноеобеспечение..........................

5.3.1. Общесистемное программноеобеспечение.........

5.3.2. Прикладное программноеобеспечение............

5.4 Информационноеобеспечение.......................

5.5 Лингвистическое обеспечение......................

6.Охрана труда .....................................

6.1Общие санитарно-гигиенические требования к

устройствуВЦ ...................................

6.2Неблагоприятные факторы и средства защиты от них.

6.3Анализ потенциальной опасности на проектируемом

объекте..........................................

6.4Общие требования безопасности к оборудованию ВЦ..

6.4.1Ограждения, блокировочные и

предохранительныеустройства...................

6.4.2Разводка информационных и силовых сетей........

6.5Классификация объекта по взрывной, взрывопожарной

ипожарной опасности.............................

6.6Электробезопасность..............................

6.6.1Характеристика используемой электроэнергии.....

6.6.2 Классификация помещенияпо опасности

пораженияэлектрическим током..................

6.6.3 Мерыэлектробезопасности, используемые в

проекте........................................

6.6.4 Расчет заземляющегоконтура....................

6.7Производственное освещение.......................

6.7.1 Расчёт естественногоосвещения.................

6.7.2 Расчет искусственногоосвещения................

6.8Кондиционирование................................

6.9Средства пожаротушения...........................

7.Технико-экономическое обоснование проекта.........

Заключение...........................................

Список используемыхисточников.......................

Приложение А– Текстпрограммы.......................

Приложение Б – Схема САПРфункциональная.............

Приложение В — Схема САПРструктурная................

Приложение Г – Результатоптимизации.................

ВВЕДЕНИЕ

Малеиновый ангидрид был впервые получен в 1919 годуВейссом и Даунсом (фирма «Баррет») парофазным окислением бензола над пятиокисьюванадия.

Малеиновый ангидридобладает большой реакционной способностью и поэтому используется в производствеполимеров, фармацевтических препаратах, присадок, сельскохозяйственных химикатов и т.д.

Наибольшая доля его потребления приходится на производствопластмасс. Спрос на полиэфирные смолы обуславливает в основном развитиепроизводства малеинового ангидрида. Полиэфирные пластмассы находят применение вряде отраслей промышленности.

Следующим по важности потребителем малеинового ангидрида является  производство алкидных смол. Применениемалеинового ангидрида позволяет создавать поверхностные алкидные покрытия сповышенной ударной вязкостью,  а такжеудлиняет срок их службы.

Малеиновый ангидрид применяется для синтеза рядахимических препаратов для  сельского хозяйства,таких как гидразит малеиновой кислоты – регулятор роста клубней картофеля,дефолиант – эндоталл, применяемый для ускорения опадания листа и коробочкихлопка и др.

Малеиновый ангидрид также является сырьем для производствафумаровой и яблочной кислот, заменяющих в пищевой промышленности дорогостоящуюлимонную кислоту, используемую в кондитерских изделиях и при производстве сокови напитков.

Химические продукты на основе малеинового ангидридаприменяются для обработки бумаги, они служат заменителем натуральной канифоли.На основе малеинового ангидрида вырабатываются присадки и стабилизаторы длятоплив.

Изо всего выше сказанного можно отметить, что малеиновыйангидрид имеет важное народнохозяйственное значение.

1.АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ

Для разработки производства малеинового ангидридакаталитическим окислением бензола целесообразно использовать методыматематического моделирования. Математическая модель процесса позволяетопределить оптимальные конструктивные и режимные параметры и разработать высокоэффективныйпромышленный реактор.

Основным промышленным методом получения малеиновогоангидрида является парофазное каталитическое окисление бензола/1,2/.      Наиболеераспространенным видом сырья для производства малеинового ангидрида являетсябензол. Мировое производство малеинового ангидрида в 1998-1999 гг. составляло 5,5 млн. т.

Более 90% его получают, используя в качестве сырья бензол.При окислении безвоздушной смеси над ванадиевыми катализаторами выходмалеинового ангидрида составляет 70% на пропущенный бензол при полной егоконверсии. Около 30% бензола превращается в продукты глубокого окисления СО, СО2.

Окисление проводят в паровой фазе на стационарном слоекатализатора. В зависимости от используемого катализатора изменяетсятемпература реакции в диапазоне 350-450 0С. Процесс ведутпрактически без давления, оно составляет 0,5атм и обуславливаетсясопротивлением технологических аппаратов.

Эффективность процесса получения малеинового ангидридапарофазным окислением бензола зависит от селективности применяемых для этогокатализаторов и от степени совершенства самого процесса – как стадии окисления,так и стадий выделения целевого продукта.

В современных промышленных процессах получения малеиновогоангидрида парофазным окислением бензола выход малеинового ангидрида на стадииокисления составляет 72-74% при конверсии 98-100%

Получение кислородосодержащих соединений прямым окислениемуглеводородов кислородом – многостадийный процесс/3/. Образующиеся кислородосодержащиесоединения (альдегиды, кислоты, окиси, ангидриды) являются в свою очередьпромежуточными продуктами окисления, которые доокисляются затем в СО, СО2и Н2О.

Выбор соответствующего катализатора и условий проведенияреакции приводит к образованию продуктов неполного окисления. Высокаяселективность реакции получается при благоприятном соотношении скоростейобразования и дальнейшего превращения промежуточных продуктов.

Реакторы для парофазногокаталитического окисления бензола.

Окисление проводят в аппаратах, называемых реакторами.Известно несколько типов реакторов, отличающихся друг от друга конструктивнымиособенностями и главным образом типом используемого катализатора. Применяемыереакторы можно разделить на две основные группы: со стационарным ипсевдоожиженным слоем катализатора.

Вначале рассмотрим вопросы, являющиеся общими для обеихгрупп: основные факторы, определяющие выбор конструкции реактора; хладагенты,применяемые для отвода тепла реакции; катализаторы.

К основным факторам, определяющим, конструктивныеособенности реакторов для производства малеинового ангидрида, относятсяследующие: агрегатное состояние веществ, присутствующих в реакционной зоне;интенсивность перемешивания ингредиентов; давление; химические свойстваперерабатываемых веществ; тепловой эффект процесса; температура реакции иинтенсивность теплообмена.

Вещества, присутствующие в реакционной зоне, находятся вразном агрегатном состоянии: газообразная бензоловоздушная смесь окисляется вприсутствии твердого катализатора с образованием парогазовой смеси продуктовконтактирования. Таким образом, при получении малеинового ангидрида парофазноекаталитическое окисление ароматических углеводородов осуществляется вгетерогенных системах газ—твердое тело.Вследствие высокого теплового эффекта реакции для проведения процессов парофазногокаталитического окисления ароматических углеводородов практически приемлемымиоказались трубчатые аппараты и аппараты с псевдоожиженным слоем катализатора.

В трубчатых аппаратах твердый гранулированный катализаторнаходится в трубках, а межтрубное пространство заполняется хладагентом, отводящим тепло реакции. Смесь воздуха спарами бензола движется через слой твердого гранулированного катализатора соскоростью, обеспечивающей необходимую турбулентность потока. Так как активностьприменяемых катализаторов большая, достигаемый в данном случае контакт фазоказывается вполне достаточным для протеканияреакций окисления.

Очень эффективно взаимодействие парогазовой и твердой фазпротекает в аппаратах с псевдоожиженным слоем катализатора. В этих аппаратахгаз движется с определенной скоростью снизу вверх через слой высокодисперсного твердого катализатора, который приэтом приводится в состояние псевдоожижения,напоминающее кипение жидкости. Для аппаратов этого типа характерны интенсивноеперемешивание газа и мелкозернистого катализатора и малая разность температурмежду любыми точками псевдоожиженного слоя.

Для успешного проведения экзотермического каталитическогопроцесса парофазного окисления необходима высокаяинтенсивность перемешивания реагирующих веществ. В аппаратах обоих типовинтенсивное перемешивание осуществляется путем создания соответствующейскорости движения парогазовой смеси, обеспечивающей необходимую турбулентностьпотока и соответствующий гидродинамический режим в зоне катализатора,

Давление при промышленных процессах парофазного каталитического окисления бензолаопределяется в основном гидравлическим сопротивлением аппаратов и коммуникацийи составляет примерно 0,5 ат (избыточное давление). Столь низкое давлениезначительно облегчает конструирование и эксплуатациюреакторов. Исследования процесса  парофазного каталитического окисления бензола вмалеиновый ангидрид при избыточном давлении до6ат и степенях превращения45, 60 и 75% показали, что избирательность катализаторас повышением давления увеличивается незначительно.

Одновременно наблюдалось заметное повышениепроизводительности катализатора для степенейпревращения45 и60% при возрастании избыточногодавления от0,4 до 6 ат. Меньшее, не возрастание производительности с увеличением давленияпроисходило при степени превращения75%. В промышленности процесс получения малеинового ангидрида ведут при100%-ном превращении бензола.Поэтому для решения вопроса о целесообразностиповышения давления требуются дополнительные кинетическиеисследования.

Процесс окисления бензола в псевдоожиженномслое катализатора иногда ведут при избыточном давлении1—2 ат. Это позволяет при тех желинейных скоростях газового потока увеличить массу газа, проходящую через слойкатализатора, не уменьшая время контактирования. При атмосферном давленииувеличение расхода парогазовой смеси может привести к превышению максимальнодопустимой скорости потока и к разрушению структуры псевдоожиженногослоя. Оптимальное давление выбирается с учетом возрастания расхода электроэнергиина дополнительное сжатие, воздуха и повышениястоимости аппаратов, рассчитанных на работу под давлением.

Химические свойства перерабатываемых веществ определяютдействие их на материал аппаратуры. Бензол и малеиновыйангидрид, находясь в паровой фазе, практически не корродируют сталь. Сильноекоррозионное действие на металлы оказывают раствор малеиновойкислоты. Однако в условиях парофазногокаталитического окисления бензола и о-ксилолагидратации малеинового ангидрида не происходит.Поэтому, как подтвердил большой опыт работы реакторов, химические свойстваперерабатываемых и получаемых веществ не являются определяющим фактором привыборе материала аппаратуры.

Одним из наиболее существенных факторов, в значительнойстепени определяющих конструкцию реактора, является тепловой эффект процесса.Окисление ароматических углеводородов в малеиновый ангидрид сопровождаетсявыделением большого количества тепла. При100%-номокислении1 кг бензола в малеиновыйангидрид выделяется3503 ккал (теплота окисления, отнесенная к20 °С, без учета изменения теплового эффекта стемпературой). Однако при промышленном проведении процесса протекают ещепобочные реакции, тоже сопровождающиеся выделением тепла.

Таким образом, суммарный тепловой эффект в значительноймере зависит от степени превращения исходного углеводорода в различные продуктыокисления.

Если принять степень превращения бензола в малеиновый вмалеиновый ангидрид—0,02, а степеньполного сгорания бензола0,10, тотепловой эффект процесса окисления1 кгбензола в этих условиях, отнесенный к стандартной температуре20 °С, будет равен 4111,7 ккал .

Существенное значение имеет наличие примесей в исходномбензоле. При полном сгорании1 кгпримесей в среднем выделяется10000 ккал тепла. Если примесью к бензолу является метилбензол, то количество выделяющегося теплаувеличивается, так как при окислении1 мольметилбензола в малеиновый ангидрид выделяется в1,13 раза больше тепла, чем при окислении 1 моль бензола.

С этим фактомнеобходимо считаться при выяснении возможности применения в производствемалеинового ангидрида других углеводородов, в том числе и многокомпонентныхпродуктов каменноугольного или нефтяного происхождения. Опыт применениябензола, содержащего в качестве примесей метилбензолы,показал, что в этом случае для обеспечения полноты окисления исходного сырьятемпературу процесса приходится поддерживать на5—60С выше, чем при окислении бензола, не содержащего, примеси метилбензолов.

Основной примесью товарного бензола марки В по ГОСТ10204—62 являются метилбензолы. Дляопределения теплового эффекта процесса окисления бензола марки В в малеиновыйангидрид принимаем следующие допущения:

1)состав исходного продукта : бензол – 92%, метилбензолы – 7%, прочие органические примеси – 1%;

2) при окислении50% метилбензолов превращается в малеиновыйангидрид и 50% сгорает;

3)прочие органические примеси, присутствующие в исходном бензоле, полностьюсгорают;

4)теплота сгорания органических примесей равна10000 ккал/кг.

Отсюда тепловой эффект процесса окисления1 кг бензола марки В в малеиновый ангидрид(расчет при стандартной температуре20°С)будет равен:

4111,7*0,92+4067*0,07*0,5+9317*0,07*0,5+10000*0,01=4349ккал Это в1,05 раза больше, чем при окислении1кг 100%-ного бензола.

При степени превращения бензола в малеиновый ангидрид,равной0,85, из1 кг 100%-ного бензола образуется малеинового ангидрида: 148.12/128.17*85=0,98кг, где148,12 и128,17— соответственно молекулярные веса малеинового ангидрида и бензола.

При окислении1 кгбензола марки В при той же степени превращения бензола и при степенипревращения метилбензолов во малеиновый ангидрид,равной0,5, образуется малеинового ангидрида 0.94 кг.

Поэтому для получения того же количества малеиновогоангидрида при переходе от100%-ногобензола к бензолу марки В придется израсходовать сырья больше в 0,98:0,94 = 1,04 раза.

Следовательно, суммарный тепловой эффект в пересчете наединицу количества малеинового ангидрида при окислении бензола марки В будет в 1,05.1,04=1,1раза больше, чем при окислении100%-ногобензола.

Также  необходимоучитывать степень превращения исходного вещества в различные продуктыокисления. Если в сырье имеются какие-либо примеси, не образующие при окислениималеиновый ангидрид, то процесс ведут таким образом, чтобы добиться, возможно,более полного сгорания их. В противном случае не окисленные или окисленные неполностью примеси будут загрязнять готовый продукт и затруднять его очистку.

При возрастании молекулярного веса исходного, углеводородатепловой эффект реакции окисления увеличивается.

Тепловой эффект реакции оказывает влияние напроизводительность контактного аппарата при проведении процесса в стационарномслое катализатора. В этом случае относительно низкий коэффициент теплоотдачи отгазового потока к стенке трубы ограничивает скорость теплоотвода. Поэтому припереработке сырья, окисление которого протекает с выделением большогоколичества тепла, приходится снижать нагрузку по сырью. Это дает возможностьподдерживать заданную температуру процесса, но влечет за собой снижениепроизводительности аппарата. При проведении процесса в псевдоожиженном слоекатализатора снижать нагрузку по сырью не приходится, поскольку отвод тепла иззоны катализатора не представляет затруднений. Температура процесса парофазногокаталитического окисления ароматических углеводородов в значительной степенизависит от природы исходного углеводорода и типа применяемого катализатора. Впромышленных реакторах парофазное каталитическое окисление ароматическихуглеводородов в малеиновый ангидрид проводят при З80—435°С.Более высокая температура процесса контактирования поддерживается прииспользовании плавленой пятиокиси ванадия(425—435°С). Более низкая температура (250-285°С) характерна для ванадий-калий-сульфатного катализатора.

Температура реакции в значительной степени определяетвыбор не только хладагента, но и материала аппарата. До400°С устойчива обычная сталь. Для работы при более высокойтемпературе детали реакторов, соприкасающиеся с реакционной парогазовой смесью,следует изготавливать из легированных сталей типа хромоникелевых.

Вследствие высокой экзотермичности процесса окислениябензола в малеиновый ангидрид одной из основных проблем при конструированииконтактных аппаратов является максимальная интенсификация отвода тепла из зоныкатализатора и обеспечение изотермичности в ней.

Хладагенты.

Хладагенты, применяемые в реакторах для отвода тепла,выделяющегося в процессе окисления, должны обладать определенными свойствами.Требуется, чтобы они были стабильными при температуре реакции, не корродировалиматериал аппарата, были огне- и взрывобезопасными. В практике промышленногопроизводства малеинового ангидрида в настоящее время определились следующиехладагенты: расплав солей, кипящая ртуть, вода, свинец или его сплавы, воздух.Каждый из этих хладагентов имеет недостатки, с которыми приходится считаться.Однако все они отвечают указанным необходимым требованиям. Более подробносвойства перечисленных хладагентов рассматриваются ниже.

Наиболее часто для отвода тепла реакции используют расплавсолей, представляющий собой смесь нитритов и нитратов калия и натрия, напримерсмесь, состоящую из7%NaNO3, 40%NaNO2 и53%KNO3.Применяют также смесь45%NaNO2 и55% КNО3, имеющую температуру плавления 141,6°С. Нитритыпри контакте с кислородом воздуха при высокой температуре окисляются собразованием нитратов. Увеличение содержания нитратов приводит к повышениютемпературы плавления смеси до 160°С и выше. Практически при достижении этойтемпературы плавления смесь солей следует заменять.Для уменьшения скорости окисления расплав солейотделяют от воздуха с помощью «подушки» из азота или водяного пара. В этихусловиях расплав может эксплуатироваться без замены в течение двух лет. Вприсутствии расплава углеродистая сталь корродирует  лишь при температуре, превышающей450° С. При температурах, близких ктемпературе процесса контактирования, вязкость расплава относительно низкая.Это дает возможность перекачивать его насосами по трубопроводам.

За рубежом в качестве хладагента довольношироко применяют кипящую ртуть. Ее существенным преимуществом являетсяпостоянство температуры и относительно высокий коэффициент теплоотвода отохлаждаемой стенки. Этифакторы позволяют интенсифицировать процесс отвода тепла из катализаторного пространства. Для увеличениякоэффициента теплоотвода в ртуть добавляют натрий. Образующаяся амальгаманатрия обладает лучшей смачивающей способностью. При атмосферном давлении ртутькипит при356,9° С. Для повышениятемпературы кипения ртути емкость с хладагентом заполняют азотом, находящимсяпод некоторым давлением. Изменяя давление азота в системе, регулируюттемпературу кипения ртути. К преимуществам кипящей ртути следует отнести такжевозможность отвода большого количества тепла относительно небольшим количествомхладагента за счет использования скрытой теплоты парообразования. Широкоеприменение ртути ограничивается ее токсичностью и высокой стоимостью.

В некоторых реакторах в качестве хладагента применяютводу. В этом случае получают пар, который потом можно использовать.Преимущества использования воды в качестве хладагента общеизвестны и ненуждаются в рассмотрении. Некоторым недостатком применения воды являетсянеобходимость располагать теплообменивающие элементы, работающие под давлением,непосредственно внутри реактора.

В реакторах старой конструкции для отвода тепла реакции вкачестве хладагента применяли свинец (или его сплавы). У этого хладагентаимеется ряд существенных недостатков: высокая температура плавления( что затрудняет его загрузку иперекачивание); токсичность; способность окисляться на воздухе при высокойтемпературе с образованием окислов, переходящих в верхние слои расплава иуменьшающих и без того низкий коэффициент теплоотвода от охлаждаемойповерхности к хладагенту; высокая стоимость. В современных системах свинец неприменяют.

В качестве хладагента используют также воздух, которыйпропускают через трубки, погруженные в расплав солей. В некоторых конструкцияхприменяют обдувание. воздухом наружных стенок реакторов. Охлаждение воздухом необеспечивает интенсивного отвода тепла из реактора вследствие низкогокоэффициента теплоотдачи от стенок катализаторных камер или трубок к воздуху инизкой теплоемкости этого хладагента.

Катализаторы.

В качестве катализаторов парофазного каталитическогоокисления бензола в малеиновый ангидрид изучались различные вещества, в томчисле окислы многих металлов(V2O5, МоО3,MgО, Аl203,SiO2,TiO2, ZnO)/4/.Однако наиболее избирательным и достаточно активным катализатором оказаласьтолько пятиокись ванадияV2O5. В настоящее времяв промышленности применяют либо пятиокись ванадия, либо сложные катализаторы, всостав которых в качестве основного активного компонента входит пятиокись илисоли ванадия.

Пятиокись ванадияV2O5 представляет собой ромбические кристаллы красного иликрасно-желтого цвета, плавящиеся при690°С.При температуре выше700°С пятиокисьванадия заметно испаряется с частичной диссоциацией по реакции:

2V2O5—>4VO2+O2

Водный раствор ее окрашен в желтый цвет и имеет кислуюреакцию. Пятиокись ванадия легко растворяется в щелочах с образованиемванадатов. При восстановлении пятиокиси ванадия образуются двуокись ванадияVO2 (сине-голубые кристаллы; т. пл. 1545°С)и трехокись ванадияV2O3 (блестящие черные кристаллы; т. пл.1970°С).

Пятиокись ванадия получают разложением вандата аммония привысокой температуре400°С с последующимнагреванием до690°С. Пятиокись ванадиявыпускается трех марок в соответствии с ТУЦМ4566—55: «химически чистая» (х. ч.), «чистая для анализа» (ч. д. а.) и«чистая» (ч.).

Катализатор, предназначенный для загрузки в реакторы,готовят следующим образом. Свежую или отработанную пятиокись ванадиярасплавляют в графитовых тиглях. Расплав выливают на стальные противни размером20х10х2 см, где он застывает плотным слоем.Толщину слоя выбирают в зависимости от требуемых размеров частиц катализатора.Застывшую массу измельчают до частиц размером5—7 мм. Полученные таким образом кусочки просеивают через два сита сблизкими по размеру отверстиями (в первом сите отверстия крупнее). Остаток напервом сите и фракцию, просеявшуюся через второе сито, собирают отдельно иподвергают вторичной переплавке и измельчению. Частицы, не прошедшие черезвторое сито, имеют достаточно близкие линейные размерили могут применяться длязаполнения контактных трубок.

Преимуществом плавленой пятиокиси ванадия как катализатораявляется ее высокая производительность, достигающая275 г бензола в час на1 кгкатализатора, а недостатком— относительно низкий выход малеиновогоангидрида—порядка72—73% (на10—15% ниже выхода на смешанных ванадиевыхкатализаторах). Поэтому в настоящее время почти везде отказались от применениячистой пятиокиси ванадия и отдают предпочтение катализаторам, обеспечивающимбольший выход продукта.

Степень превращения бензола в побочные продукты встационарном слое плавленой пятиокиси ванадия характеризуется следующимицифрами: в 1,4-бензохинон превращается2,5—4% исходногобензола, в малеиновый ангидрид9—11%;сгорает и переходит в другие продукты3—5%.

Известно также применение катализатора, представляющегособой пятиокись ванадия (примерно10%), осажденнуюна носителе (корунд, кизельгур, пемза).

Для приготовления такого катализатора носитель,пропитанный водным раствором вандата аммония, прокаливают на воздухе при400—500°С. В результате термическогоразложения вандата аммония в присутствии кислорода воздуха образуются пятиокисьванадия, аммиак и вода. Аммиак и пары воды улетучиваются, а пятиокись ванадияостается на носителе.

Этот катализатор также отличается высокойпроизводительностью, но по выходу малеинового ангидрида существенно уступаетсмешанному катализатору.

Смешанный ванадий-калий-сульфатный катализатор имеетзначительно меньшую производительность по сравнению с плавленой пятиокисьюванадия, но обеспечивает выход малеинового ангидрида порядка85—88% (в расчете на очищенный продукт выходсоставляет83—84%). Поэтому катализаторытакого типа широко применяются в промышленности. Катализатор представляет собойсиликагель, пропитанный раствором смеси сульфатов ванадила и калия. Смешанныйванадий-калий-сульфатный катализатор готовят, например, следующим образом. Предварительно получают исходные компоненты:силикагель и раствор сульфата ванадила. Для приготовления силикагеля растворсиликата калия смешивают с серной кислотой. Полученную массу размалывают вмельнице и подщелачивают аммиаком до рН8,5.Выделившийся осадок кремневой кислоты отфильтровывают и сушат при100-110° С. Сухую кремневую кислотуразмалывают на дезинтеграторе и смешивают с раствором сульфата ванадила,который получают взаимодействием сернистого газа с пятиокисью ванадия в водном растворесерной кислоты Пасту формуют в виде цилиндриков диаметром 4 мм и высотой4мм и сушат их при50—60°С. Затемтемпературу сушки повышают до130°С,после чего катализатор прокаливают в токе воздуха при430°С. Полученный таким образом катализатор содержит10%V2O3,60-65% SiО2и20-25% K2SO4.

Сульфат ванадилаVOSO4*H2O представляет собой кристаллыголубого цвета, растворимые в воде, В промышленности в соответствии с ЦМТУ2112—49 выпускают два сорта сульфата ванадила:«чистый для анализа» (ч. д. а.) и «чистый» (ч.).          

При работе на смешанном ванадий-калии-сульфатномкатализаторе степень превращения бензола характеризуется следующимипоказателями: в малеиновый ангидрид превращается87% в 4-нафтохинон1—2,5%, в малеиновый ангидрид2,8—3,3%, сгораети переходит в другие продукты2,0—4,1%исходного бензола. Производительность ванадий-калий-сульфатного катализатора65—70 г малеинового ангидрида с1 кг катализатора в час, или 40-42 гмалеинового ангидрида с1 л катализаторав час (при выходе86—91% оттеоретического на стадии контактирования). Срок службы катализатора более5 лет.Предполагается, что сульфат калия играет роль ингибитора, снижающего высокуюактивность катализатора (получаемого при применении высокопористого силикагеля)и повышающего его избирательность.

Существенным показателем катализатора являетсямеханическая прочность. Предлагается считать катализатор действительно прочным,если для разрушения таблетки требуется усилие5-10 кгс, а при вращении таблеток в шаровой мельнице количество образующейсяза1 ч пыли составляет не более3% от массы катализатора. Для повышениямеханической прочности силикагеля предлагают пропитывать гидрогель1—10%-ным раствором виннокислой соли щелочногометалла с последующей промывкой, сушкой и активацией силикагеля .

Основной задачей дальнейшего усовершенствованиякатализаторов является повышение их избирательности и производительности. Дляулучшения показателей работы ванадий-калий-сульфатного катализаторапредлагается вводить в него различные добавки, главным образом соединенияAg, Li, Се,Rb и др. Достижением являетсяразработка катализатора, стойкого по отношению к сере (в количестве до1%, считая на исходное сырье), и катализатора, пригодного для работы набензоле, о-ксилоле или смеси бензола с о-ксилолом. При работе на таких катализаторах значительно повышаетсяэкономическая эффективность процесса.

В установках с псевдоожиженным слоем применяюткатализаторы в основном того же состава, что и в установках со стационарнымслоем. Отличительной особенностью первых катализаторов является высокаядисперсность и повышенная прочность. Первоначально в промышленных агрегатах спсевдоожиженным слоем катализатора применяли плавленую пятиокись ванадия, но вдальнейшем ее заменили ванадий-калий-сульфатным катализатором, обеспечивающимболее высокие выходы малеинового ангидрида. Один из образцов подобногокатализатора (насыпная масса 0,7—0,95кг/л) характеризуется следующим составом(%): металлическоежелезо и окислы (в пересчете наFe) - 1-2, сульфат ванадила (впересчете наV2О5) — 6-9,щелочные металлы (в пересчете на К2О) — 11—13, серная кислота (в пересчете наSO4) — 19—22, окись кремния — 54—65.

Размер частиц катализатора и соотношения между различнымифракциями в нем определяются его плотностью и выбранной скоростью потокапарогазовой смеси в поперечном сечении реактора. Как правило, основная массачастиц катализатора в Псевдоожиженном слое имеет размерыв пределах от нескольких до 300мк.

Сведения о производительности катализатора впсевдоожиженном слое очень скудны. Имеются данные, что нагрузка на катализаторсоставляла22—26 г бензола на1 кг катализатора в час, но эта цифрапредставляется заниженной.

Высокую селективность и производительность катализатораможно обеспечить, заменяя часть отработанной пыли свежей. По одним даннымрасход катализатора в этом случае будет равен 10%в год, а по другим — 1 кг катализатора на1000 кг переработанного бензола.

Эти данные близки друг к другу, как видно из следующегоконкретного расчета. Если принять нагрузку на катализатор25 г бензола на1 кг катализатора в час и производительность системы по бензолу8000 т/год, то масса катализатора в системепри8000 рабочих часов в год будет равна:8000*1000*1000/8000/25=40000кг.

Если расход катализатора равен10% в год, т. е.400 кг/год,или0,5 кг/ч, то это составит0,5 кг катализатора на1000 кг переработанного бензола.

Таким образом, можно считать, что для обеспечения высокойселективности и производительности катализатора следует в процессе работы частьотработанной катализаторной пыли заменять свежей в количестве0,1—1,0 кг на1000 кг переработанного бензола. Этот расход можно уменьшить за счетповышения селективности и производительности катализатора, а также взначительной мере—путем снижения скоростиистирания катализатора, т. е. в результате увеличения его прочности. Удалятьнежелательные фракции катализатора так же, как и догружать новые порции, можнобез остановки системы. Текучесть