Пример расчета

Составить материальный баланс реактора каталитического окисления метанола в формальдегид. Производительность реактора по фор­мальдегиду 10 000 т/год. Степень превращения метанола в формальдегид - 0,7; общая степень превращения метанола (с учетом побочных реакций) - 0,8. Содержание метанола в спирто-воздушной смеси - 40% по объему. Мольные соотношения побочных продуктов на выходе из реактора

НСООН: СО₂: СО: СН₄ = 1,8: 1,6: 0,1: 0,3.

Аппарат работает 341 день в году с учетом времени ППР (планово-предуп­редительных ремонтов) и простоев.

Решение: Формальдегид получается в результате окисления паров метано­ла кислородом воздуха при температуре 550—600°С на серебряном катализа­торе, где протекают следующие реакции:

СН₃ОН + 1/2О₂ = СН₃О + Н₂О, (1)

СН₃ОН = СН₂0 + Н₂, (2)

СН₃ОН = СО + 2Н₂, (3)

СН₃ОН + Н₂ = СН₄ + Н₂О, (4)

СН₃ОН+О₂ = НСООН+ Н₂О, (5)

СН₃ОН + 1,5О₂ = СО₂ + 2Н₂О. (6)

Возможная реакция Н₂ + 1/2О₂ = Н₂О стехиометрически зависима, так как она в сумме с реакцией (2) дает реакцию (1), поэтому ее нужно из балансовых расчетов исключить.

На реакцию подается лишь около 80% воздуха от мольного соотношения метанол: кислород = 2: 1 и процесс проводится с неполным сгоранием водо­рода, образующегося по реакции (3).

Отходящие газы содержат 20-21 % формальдегида, 36-38% азота и приме­си в виде СО, СО₂, СН₄, СН₃ОН, НСООН и др. Вся эта смесь после охлажде­ния в котле-утилизаторе и холодильнике до 60⁰ С подается в поглотительную башню, орошаемую водой. Полученный раствор формалина содержит 10-12% метанола, который в данном случае является желательной примесью, так как препятствует полимеризации формальдегида. Молекулярные массы: формали­на - 30; метанола - 32; кислорода - 16.

Производительность реактора по формальдегиду

10 000 • 1000/341/24= 1220 кг/ч или 1220/30 = 40,7 кмоль/ч.

Так как по реакциям (1) и (2) на образование 1 моля формальдегида расхо­дуется 1 моль метанола, то, при 70% степени превращения метанола в фор­мальдегид, имеем расход метанола в этом случае

40,7/0,7 = 58,12 кмоль/ч или 58,12 • 32 = 1860 кг/ч.

Определим объемные расходы исходных веществ при нормальных ус­ловиях.

Метанол - 58,12 • 22,4 = 1300 м³/ч.

Спирто-воздушная смесь - 1300/0,4 = 3250 м³/ч.

Воздух - 3250 - 1300 = 1950 м³/ч, в нем:

кислорода - 1950 • 0,21 =410 м³/ч или 410 • 32/22,4 = 586 кг/ч;

азота - 1950 • 0,79 = 1540 м³/ч или 1540 • 28/22,4 = 1920 кг/ч.

Определим расход метанола, пошедшего на образование побочных про­дуктов по реакциям (3) - (6). При общей степени превращения метанола 80% имеем расход метанола по побочным реакциям

58,12 • (0,8 - 0,7) = 5,81 кмоль/ч.

Не прореагировало метанола 58,12 • 0,2 = 11,6 кмоль/ч или 11,6• 32 = 372 кг/ч.

Сумма долей побочных продуктов 1,8 + 1,6 + 0,1 + 0,3 = 3,8.

Тогда расходы побочных продуктов в отходящих газах будут равны:

Уксусная кислота (НСООН) - 5,8 • 1,8/3,8 = 2,75 кмоль/ч или 2,75 • 46 = = 126,5 кг/ч.

Диоксид углерода (СО₂) - 5,8 • 1,6/3,8 = 2,45 кмоль/ч или 2,45 • 44 = 108,0 кг/ч.

Оксид углерода (СО) - 5,8 • 0,1/3,8 = 0,158 кмоль/ч или 0,158 • 28 = 4,3 кг/ч.

Метан (СН₄) - 5,8 • 0,3/3,8 = 0,459 кмоль/ч или 0,459 • 16 = 7,3 кг/ч.

Для определения расходов водяного пара и водорода составим баланс по кислороду и водороду. В реактор поступает кислорода:

с воздухом - 586 кг/ч;

в составе метанола - 1860 • 16/32 = 930 кг/ч.

Всего: 586 + 930 = 1516 кг/ч.

Расходуется кислорода:

на образование формальдегида - 1220 • 16/30 = 650 кг/ч;

на образование НСООН - 126,5 • 32/46 = 88 кг/ч;

на образование СО₂ - 108 • 32/44 = 78,6 кг/ч;

на образование СО - 4,3 • 16/28 = 2,45 кг/ч;

в составе не прореагировавшего метанола - 372 • 16/32 = 186 кг/ч.

Всего: 1005 кг/ч.

Остальное количество кислорода, равное 1516 - 1005 = 509 кг/ч, пошло на образование воды по реакциям (1), (4), (5) и (6). В результате расход воды равен - 509 18/16 = 572 кг/ч.

В реактор поступает водорода - 1860 • 4/32 = 233 кг/ч.

Водород расходуется:

на образование СН₂О - 1220 • 22/30 = 81,5 кг/ч;

на образование НСООН - 126,5 • 2/46 = 5,5 кг/ч;

на образование СН₄ - 7,3 • 4/16 = 1,82 кг/ч;

на образование Н₂О - 572 • 2/18 = 63,6 кг/ч;

в составе не прореагировавшего газа - 372 • 4/32 = 46,5 кг/ч.

Всего: 198,9 кг/ч.

Количество водорода в свободном состоянии — 233 - 198,9 = 34,1 кг/ч. Результаты расчета сведены в таблице материального баланса.

Таблица – Материальный баланс процесса получения формальдегида

Дата добавления: 2014-01-04