Производство формальдегида

 

2.4 Материальный  баланс процесса производства  формальдегида

 

Часовая производительность установки по формалину

59500∙1000/8120 = 7328 кг/ч.

По формальдегиду

7328∙37,2/100 = 2726 к/ч или 2726/30 = 90,867 кмоль/ч.

С учетом потерь на стадии ректификации необходимо получить в контактном аппарате формальдегида

90,867∙1,029 = 93,502 кмоль/ч или 2805 кг/ч.

Протекающие реакции

OH « O + ,                                                    (1)

OH +0.5 « O + O,                                           (2)

OH + 1.5 « + 2 O,                                            (3)

OH « CO + 2 .                                                   (4)

 

Расход метанола по реакциям (1) и (2)

93,502 кмоль/ч или 2992 кг/ч.

Расход метанола по реакциям (1-4)

93,502/ (0,28+0,59) = 107,474 кмоль/ч или 3439 кг/ч.

где 0,28 и 0,59 – доля метанола, превращенного в формальдегид по реакциям (1-20).

Подают метанола с учетом степени конверсии

107,474/0,57=188,551 кмоль/ч или 6034 кг/ч.

Количество воды в техническом метаноле

6034∙0,08/99,92=5 кг/ч или 0,278 кмоль/ч.

Остается метанола в контактном газе

188,551-107,474=81,077 кмоль/ч или 2594 кг/ч.

По реакции (1) расходуется метанола

107,474∙0,28=30,093 кмоль/ч или 963 кг/ч.

Образуется:

Формальдегида 30,093 кмоль/ч или 903 кг/ч,

Водорода 30,093 кмоль/ч или 60 кг/ч.

По реакции (2) расходуется

Метанола: 107,474∙0,59=63,410 кмоль/ч или 2029 кг/ч,

Кислорода: 63,410∙0,5=31,705 кмоль/ч или 1015 кг/ч.

Образуется:

Формальдегида: 63,410 кмоль/ч или 1902 кг/ч,

Водяного пара: 63,410 кмоль/ч или 1141 кг/ч.

По реакции (3) расходуется:

Метанола: 107,474∙0,10=10,747 кмоль/ч или 341 кг/ч,

Кислорода: 10,747∙1,5=16,121 кмоль/ч или 516 кг/ч.

Образуется:

Диоксида углерода: 10,747 кмоль/ч или 451 кг/ч,

Водяного пара: 10,747∙2=21,494 кмоль/ч или 387 кг/ч.

По реакции (4) расходуется:

Метанола: 107,474∙0,03=3,224 кмоль/ч или 103 кг/ч.

Образуется:

Оксида углерода: 3,224 кмоль/ч или 90 кг/ч,

Водорода: 3,224∙2=6,448 кмоль/ч или 13 кг/ч.

Всего образуется:

Водорода: 30,093+6,448=36,541 кмоль/ч или 73 кг/ч.

Водяного пара: 63,410+21,494=84,904 кмоль/ч или 1528 кг/ч.

Общий расход кислорода

31,705+16,121=47,826 кмоль/ч или 1530 кг/ч.

Молярное отношение кислород-метанол равно

47,826/188,551=0,254 кмоль/ч.

Расход сухого воздуха:

47,826/0,21=227,743 кмоль/ч,

где 0,21 – объемная (молярная) доля кислорода в сухом воздухе.

Массовое количество азота в воздухе

227,743-47,826=179,917 кмоль/ч или 5038 кг/ч.

Объемная доля водяных паров в воздухе

2720∙100/(0,17∙106 )=1,60 %,

где 2720 – парциальное давление паров в воздухе при температуре 22°С, Па;

         0,17∙106 – общее давление воздуха, Па.

Массовое количество водяных паров в воздухе

227,743∙1,6/(100,0-1,6)=3,703 кмоль/ч или 67 кг/ч.

Суммарное количество водяных паров:

В спиртовоздушной смеси: 0,2778+3,703=3,981 кмоль/ч или 72 кг/ч,

В контактном газе: 3,981+84,904=88,885 кмоль/ч или 1600 кг/ч.

Объемная (молярная) доля метанола в спиртовоздушной смеси составляет 44,6 % соответствует оптимальному технологическому режиму.

В выхлопные газы абсорбционной колонны переходят полностью оксид и диоксид углерода, азот, водород, суммарное количество которых составляет 230,429 кмоль/ч.

В таблице 1 представим материальный баланс контактирования.

Таблица 1 – Материальный баланс контактирования

Входит:	кмоль/ч	кг/ч	Выходит:	кмоль/ч	кг/ч
Спиртовоздушная смесь: CH3OH O2 N2 H2O	188,551 47,826 179,917 3,981	6034 1530 5038 72	Контактный газ: CH3OH CH2O CO CO2 N2 H2 H2O	81,077 93,502 3,224 10,747 179,917 36,541 88,885	2594 2805 90 451 5038 73 1600
Всего:	420,275	12674	Всего:	493,893	12651

 

Объемная доля водяных паров в выхлопных газах

1740∙100/0,13∙106 = 1,34 %,

где 1740-парциальное давление водяных паров при температуре 15°С, Па;

                0,13∙106 –общее давление выхлопных газов.

Массовое количество водяных паров в выхлопных газах

230,429∙1,34/(100,00-1,34)=3,130 кмоль/ч или 56 кг/ч.

Массовое количество формалина-сырца

2805/0,288=9740 кг/ч,

где 0,288 – массовая доля формальдегида в формалине-сырце.

Массовое количество воды в формалине-сырце

9740-2805-2594=4341 кг/ч или 241,167 кмоль/ч.

Следовательно, на орошение абсорбционной колонны необходимо подать воды 4341+60-1600=2801 кг/ч.

Составим таблицу 2 состава формалина-сырца и выхлопных газов на выходе из абсорбционной колонны.

 

 

 

Таблица 2 - состав формалина-сырца и выхлопных газов на выходе из абсорбционной колонны

	nt, кмоль/ч	Xi, %	mt, кг/ч	wi, %
Формалин-сырец: CH3OH CH2O H2O	81,077 93,502 241,167	19,50 22,49 58,01	2594 2805 4341	26,63 28,8 44,57
Сумма:	415,746	100,00	9740	100,00
Выхлопные газы: CO CO2 N2 H2 H2O	3,224 10,747 179,917 36,541 3,130	1,38 4,60 77,03 15,65 1,34	103 451 5037 73 56	1,8 7,88 88,06 1,28 0,98
Сумма:	233,559	100,00	5720	100,00

 

Полученный состав выхлопных газов соответствует оптимальному технологическому режиму.

Степень конверсии метанола в формальдегиде принята 90 %. Для проверки правильности выполненного расчета определяют степень конверсии метанола по формуле

 

 

Что практически совпадает с принятой степенью превращения.

Расчет основных расходных коэффициентов

Расходные коэффициенты:

По метанолу: 107,474∙32/7328∙0,9992=0,470 кг/кг,

где 107,474 – расход метанола по реакциям 1-4, кмоль/ч,

                7328 – часовая производительность агрегата по формалину, кг,

0,9992 – массовая доля  метанола в техническом метаноле.

По воздуху: (12673-6034)/7328=0,906 кг/кг или 906/1,29=702 м3/т,

где 1,29 – плотность воздуха в нормальных условиях, кг/м3

По воде: 2801/7328=0,382 кг/кг,

где 2801 – расход воды на орошение, кг/ч [4].

 

2.5 Расчет теплового баланса  контактного аппарата

 

Исходные данные:

Расход спиртовоздушной смеси

420,275/3600=0,1167 кмоль/с.

Мольное количество контактного газа

493,893/3600=0,1372 кмоль/с.

Температура:

на входе в аппарат 100-120 °С;

на выходе из аппарата 680°С.

Цель расчета – уточнение температуры спиртовоздушной смеси на входе в контактный аппарат .

Уравнение теплового баланса в общем виде:

 

Ф1+Ф2=Ф3+ФПОТ,

 

где Ф1, Ф3 – тепловые потери спиртовоздушной смеси и контактного газа соответственно, кВт,

     Ф2 – теплота выделяющаяся за счет химических реакций, кВт,

              ФПОТ. – теплопотери в окружающую среду, кВт.

Для определения значений Ф1, Ф3 рассчитывают средние молярные теплоемкости спиртовоздушной смеси при температуре

tср. = (100+120)/2=110 °С, то есть (T1=110+273=383 К).

и контактного аппарата при

Т3=680+273=953 К.

Состав спиртовоздушной смеси и контактного газа представлен в таблице 3.

Таблица 3 – Состав спиртовоздушнной смеси и контактого газа

	Xi, %	Ci, Дж/(моль∙К)	Ci∙ Xi/100, Дж/(моль∙К)
Спиртовоздушная смесь: CH3OH O2 N2 H2O	44,86 11,38 42,81 0,95	51,02 30,19 29,52 34,32	22,8876 3,4356 12,6375 0,3260
Всего:	100,00	-	39,2867
Контактный газ: CH3OH CH2O CO CO2 N2 H2 H2O	16,41 18,93 0,65 2,18 36,43 7,40 18,00	87,35 60,28 32,27 51,82 31,95 30,45 40,25	14,3341 11,4110 0,2098 1,1297 11,6394 2,2533 7,2450
Всего:	100,00	-	48,2223

 

Тепловой поток спиртовоздушной смеси

Ф1=0,1167∙39,2867∙tх=4,5848∙tx, кВт.

Определяют теплоты реакций (1-4) (в кДж/моль), представленные в таблице 4.

Таблица 4 - химические реакции процесса

Реакция:	H°298=S   H°298 (кон) - S  H°298(исх)
CH3OH(г)«CH2O + H2	-115,90-(-201,00)=85,1
CH3OH(г)+0.5O2 « CH2O+H2O(г)	-115,90+(-241,81)-(201,00)= - 156,71
CH3OH(г)+1.5O2 « CO2 + 2 H2O(г)	-393,51+2(-241,81)-(-201,00)= -673,13
CH3OH(г) « CO + 2H2	-110,53-(-201,00)=90,47

 

Рассчитывают теплоту Ф2, выделяющуюся за счет химических реакций

Ф2=1000(30,093∙(-85,1)+63,410∙156,71+10,747∙673,13+3,224(-90,47))/3600=3977,37 кВт.

Тепловой поток контактного газа

Ф3=0,1372∙48,2223∙680=4498,948 кВт.

Принимают, что теплопотери в окружающую среду составляют 3% от общего прихода (расхода) теплоты

Фпот.= 4498,948∙3/(100-3)=139,143 кВт.

Общий расход теплоты

Фрасх=Ф3+Фпот=4498,948+139,143=4638,091 кВт.

Температуру спиртовоздушной смеси находят из уравнения теплового баланса:

4,5848 tх+3977,37=4638,091,

tх

144°C.

что соответствует принятому интервалу температур.

Составляют тепловой баланс контактного аппарата.

Минимальная температура спиртовоздушной смеси на входе в контактный аппарат должна быть на 20-25 °С выше температуры кипения метанола  в спиртоиспарителе. Температура кипения метанола при нормальном давлении равна 64,7 °С; при 0,2 МПа – 84 °С; при 0,5 МПа -112 °С

Тепловой баланс контактного аппарата приведен в таблице 5.

Таблица 5 -Тепловой баланс аппарата

приход	кВт	%	Расход	кВт	%
Тепловой поток спиртовоздушно смеси   Теплота, выделяющаяся за счет химических реакций	527,752       3977,37	11,7       88,3	Тепловой поток контактного газа   Теплопотери в окружающую среду	4498,948         139,143	97         3
Всего:	4505,122	100,00	Всего:	4638,091	100,00