Производство формальдегида

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение                                                                                                                      4

1 Аналитический обзор

1.1 Производство формальдегида окислительным дегидрированием     метанола                                                                                                                5

    1.2 Производство формальдегида окислением метанола                                    9

    1.3 Применение формальдегида                                                                          9

2 Технологическая часть                                                                                        12

    2.1 Физико-химические свойства протекания процесса                                    12

          2.1.1 Химизм процесса                                                                             12

          2.1.2 Механизм процесса                                                                           13

          2.1.3 Термодинамика реакции                                                                  14

          2.1.4 Кинетика реакции                                                                             15

     2.2 Технологическая  схема процесса                                                              17

     2.3 Основной  аппарат в производстве формальдегида                                  19

     2.4 Материальный баланс процесса производства формальдегида               21

     2.5 Расчет теплового баланса контактного аппарата                                     25

     2.6 Расчет реактора                                                                                         29

3 Экологическая часть                                                                                           30

   3.1 Образование газовых  выбросов, сточных вод и твердых  отходов

         3.1.1 Образование газовых выбросов                                                      31

         3.1.2 Образование сточных вод                                                                33

3.1.3 Образование твердых отходов                                                          34

3.1.4 Токсические вещества, образующиеся в производстве

         формальдегида                                                                                       35

Заключение                                                                                                         38

Список используемых источников                                                                     39

 

 

Введение

 

Формальдегид — наиболее простое соединение из группы альдегидов. Широко применяется в производстве различных строительных материалов и пластмасс (прессованный картон, древесно-стружечные плиты, изолирующие материалы, карбамид-формальдегидные смолы, клеи, текстильные материалы и др.). Упомянутые материалы широко применяются в строительстве, мебельной промышленности. Путем испарения (эксгаляции) попадает в воздушную среду помещений, особенно в первые месяцы после изготовления этих предметов. Помимо этого, формальдегид образуется в процессе сгорания различных материалов (табака, природного газа, при пользовании открытыми отопительными приборам) [1].

Целью курсовой работы является получение общих сведений о процессе, способах получения и использования. Важной задачей также является рассмотрение основной технологической схемы получения формальдегида. Расчетная часть включает задание на курсовую работу, материальный, тепловой баланс процесса получения формальдегида; а также включает расчет основного аппарата реактора.

Основой экологической часть является описание отходов, образующихся в процессе получения формальдегида – газообразных, жидких и твердых отходов.

 

 

 

 

 

 

1 Аналитический обзор

 

Формальдегид (СН2=О) − бесцветный газ с резким раздражающим запахом, хорошо растворим в воде, метаноле, этаноле и других полярных растворителях. При низких температурах смешивается в любых соотношениях с толуолом, диэтиловым эфиром, этилацетатом, хлороформом. Формальдегид − горючий и токсичный газ. Предел взрываемости смесей с воздухом 7-73 % (по объему). Формальдегид оказывает раздражающее действие на слизистые оболочки глаз, верхние дыхательные пути, вызывает дерматит. Формальдегид оказывает также общетоксическое, аллергическое и мутагенное действие на организм человека. Смертельная доза 37 % водного раствора формальдегида (формалина) составляет 10-50 г.

Формальдегид является крайне реакционным химическим соединением, и в чистом молекулярном виде он практически недоступен. Легко полимеризуется, особенно при нагревании и в присутствии полярных примесей, образуя твердый полимер линейного строения (параформ) с оксиметиленовыми звеньями:

 

nНСНО + Н2О = Н—(— О—СН2—)n — ОН.

 

где: n = 8-100. Процесс полимеризации обратим, поэтому параформ легко деполимеризуется под воздействием щелочных и кислотных реагентов, что используется на практике для хранения и транспортировки формальдегида. Токсичен, ПДК составляет 0,05 мг/м3. Товарный продукт выпускается обычно в виде 37 % ного водного раствора (формалин), в котором формальдегид содержится в форме гидрата НСНОН2О и низкомолекулярных полимеров полиоксиметиленгликолей. Для предотвращения более глубокой полимеризации формальдегида и выпадения осадка, который может отлагаться в аппаратуре, в формалин добавляется 6-15 % объема метанола. Поскольку мономерный формальдегид из-за его высокой реакционной способности трудно хранить и транспортировать, он обычно используется в химически связанной форме и может быть легко выделен непосредственно в момент реакции. Наиболее часто употребляют водный раствор формальдегида − формалин. Перспективно применение формалина с концентрацией до 55 %, выпуск которого в России начался в 2006 году. Исключительная реакционная способность сделалась формальдегидным полупродуктом для различного рода синтезов. Формальдегид находит широкое применение в промышленности и сельском хозяйстве для самых разнообразных целей. Формальдегид широко применяется при изготовлении пластмасс (таких, как фенопласты и аминопласты), искусственных волокон. Он является одним из компонентов, необходимых для производства бутадиена. Методом конденсации с ацетальдегидом из него получают пентаэритрит (сырьё для производства взрывчатых веществ и пластификаторов), при взаимодействии с аммиаком – уротропин. Формальдегид свёртывает белки, поэтому он применяется для дубления желатина при производстве кинофотоплёнки, для консервации биологических материалов, а также как антисептик. Основная часть формальдегида используется для получения карбамидо формальдегидных смол (КФС), которые применяются для изготовления древесных стружечных материалов. КФК имеет всего два направления использования – производство КФС и обработка карбамида. В области производства карбамидо формальдегидных смол КФК более перспективен в плане транспортировки, времени производственного цикла, экологии, чем формалин. Однако активное внедрение КФК не означает, что от формалина в скором времени в производстве КФС полностью откажутся, однако, в ближайшее время произойдут дальнейшие структурные изменения, в процессе которых объем использования формалина сократится. Формалин концентрацией 37 % будет замещаться, с одной стороны, КФК в производстве карбамидоформальдегидных смол, с другой – формалином более высокой концентрации в большинстве остальных направлений использования. Формальдегид широко используется в различных областях органического синтеза, а также в качестве дезинфицирующего и дезинсекционного средства.

Формальдегид может быть получен окислением метана и его гомологов или из метанола. При окислении метана в газовой фазе воздухом или кислородом при атмосферном давлении последовательно протекают реакции:

 

СH4 + 0,5O2 = СН3ОН                                                (1)

СН3ОН + 0,5O2 = НСНО + Н2O.                                     (2)

 

Реакция (2) селективно ускоряется катализаторами на основе соединений меди и серебра. Однако недостаточная для промышленного использования селективность процесса по формальдегиду может быть достигнута только при очень малой степени окисления метана и недостатке кислорода, то есть при весьма большой кратности циркуляции метанола. В противном случае образовавшийся формальдегид подвергается дальнейшему окислению:

 

НСНО +0,5O2 = НСООН,                                         (3)

НСООН +0,5O2 = СO2 + Н2O.                                       (4)

 

Вследствие этого и, следовательно, малого выхода формальдегида технологический процесс прямого окисления метана становится экономически невыгодным. Основная масса формальдегида производится, поэтому из метанола по двум методам: окислительным дегидрированием и окислением [1].

 

 

 

 

1.1 Производство формальдегида окислительным дегидрированием

           метанола

 

Окислительное дегидрирование метанола представляет гетерогенно-каталитический процесс, протекающий в газовой фазе на твердом катализаторе. В этом процессе совмещены экзотермическая реакция окисления метанола:

 

СН3 ОН + 0,5O2 = НСНО + Н2O.                                       (5)

и эндотермическая реакция его дегидрирования:

 

СН3ОН = НСНО + Н2..                                            (6)

 

При соотношении реакций (5) и (6) равным 0,55:0,45 тепловой эффект процесса достаточен для возмещения потерь тепла системы в окружающую среду и для нагревания исходных продуктов до нужной температуры. Если это отношение соблюдается, а в исходной паровоздушной смеси содержится около 45 % об. метанола, что лежит за верхним пределом взрываемости ее (34,7 %), процесс можно проводить в реакторах адиабатического типа, не имеющих поверхностей теплообмена.

В качестве катализаторов процесса окислительного дегидрирования используют медь (в виде сетки или стружки) и серебро, нанесенное на пемзу. Одновременно с основными реакциями (5, 6) протекают побочные реакции глубокого окисления (3, 4), а также реакции дегидрирования и гидрирования, приводящие к образованию смеси продуктов

 

СН3ОН

НСНО СО; СН3ОН + Н2 СН4 + Н2O.

 

для подавления которых в метанол вводится до 10 % воды. Во избежание глубокого окисления метанола процесс окислительного дегидрирования проводится при недостатке кислорода. В то же время реакция дегидрирования (6) инициируется кислородом, что позволяет уменьшить удельный вес побочных реакций. Процесс окислительного дегидрирования проводится при температуре 500-600 °С и времени контактирования около 0,02 с. В этих условиях выход формальдегида в расчете на пропущенное сырье составляет 80-85 % при степени контактирования 0,85-0,90 [2].

 

1.2 Производство формальдегида окислением метанола

 

В этом методе, метанол окисляется в избытке воздуха при температуре 350-430 °С и атмосферном давлении на окисном железо-молибденовом катализаторе состава Мо3∙Fе 2(МоO4) 3. Этот катализатор имеет высокую активность и малочувствителен к каталитическим ядам.

Технологический процесс прямого окисления отличается от ранее описанного процесса окислительного дегидрирования высокой степенью конверсии метанола (0,99), селективностью по формальдегиду, достигающей 96 % и высокой экзотермичностью. Поэтому для окисления метанола в нем используют трубчатые реакторы с интенсивным охлаждением циркулирующей в межтрубном пространстве водой или другими хладагентами. К достоинствам метода относятся также низкие расходные коэффициенты по сырью и энергии [2].

 

1.3 Применение формальдегида

 

Производство полимеризационных материалов и поликонденсационных продуктов бесспорно является наиболее важным направлением использования формальдегида. Получают следующие материалы: мочевиноформальдегидные смолы и концентрат, фенолоформальдегидные смолы, полиформальдегид (полиацетальные смолы), меламинные смолы, пентаэритрит, уротропин (гексамин), этиленгликоль, 1,4-бутандиол, 4,4-дифенилметаидиизоцианат (MDI). При получении этих материалов формальдегид может применяться либо непосредственно в виде мономера (сополимера), либо в качестве сырья для синтеза полимеризующего продукта. Значительная часть формальдегида используется и непосредственно, в виде водно-метанольного раствора или низкомолекулярного полимера (параформ), в качестве консерванта, дубителя, инсектицида и т.п.

Традиционно одним из наиболее массовых потребителей формальдегида является производство пластических масс и смол. Различают следующие типы этих материалов на основе формальдегида: фенолоформальдегидные (продукт конденсации с фенолом); амидоформальдегидные (конденсация с карбамидом или меламином); полиформальдегид и т.д.

С учетом назначения выпускаемого изделия широко практикуется введение в рецептуру небольших добавок различных реагентов, придающих основному продукту те или иные эксплуатационные свойства – спиртов, кислот, эфиров, аминов и т.д. Поэтому подлинный механизм образования многих материалов весьма сложен и не всегда полностью изучен. Специфичны и многообразны также технология и аппаратурное оформление синтеза полимерных смол и пластмасс, в связи с чем это производство, по существу, выделяется в самостоятельную отрасль промышленности.