Содержание
Составить материальный баланс реактора для каталитического окисления метанола в формальдегид
Составить материальный баланс реактора для каталитического окисления метанола в формальдегид. Производительность реактора 10000 т/год. CH2O. Степень превращения CH3OH в CH2O 0,7. Общая степень превращения метанола 0,8 (с учетом побочных реакций).
Содержание метанола в спирто-воздушной смеси – 40% (об.). Мольное соотношение побочных продуктов в продукционном газе НСООН; СО2; СО; СН4 равно 1,8; 1,6; 0,1; 0,3. Агрегат работает 341 день в году (с учетом планово-предупредительного ремонта и простоев).
Окисление ведется на твердом серебряном катализаторе при 600оС. Расчет ведется на производительность реактора в кг/час.
Решение.
Формальдегид получают главным образом окислением метанола воздухом. Процесс окисления проводят при 550-600оС на серебряном катализаторе. При этом одновременно протекают реакции дегидрирования метанола и его окисление:
CH3OH +1/2 O2 = CH2O +H2O +Q
CH3OH = CH2O +H2 –Q
Обычно на реакцию подают лишь около 80% воздуха от количества, соответствующего мольному отношению метанол: кислород = 2:1 и проводят процесс с неполным сгоранием образовавшегося водорода по реакции H2 +1/2 O2 = H2O +Q. Выходящие газы содержат 20-21% формальдегида, 36-38% азота и примеси в виде СО, СО2, СН4, Н2, СН3ОН, НСООН и др.
Образование примесей можно представить следующим образом:
СН3ОН = СО + 2Н2
СН3ОН +Н2 = СН4 + Н2О
СН3ОН + О2 = НСООН + Н2О
СН3ОН + 1,5О2 = СО2 + 2Н2О
Вся эта смесь после охлаждения до 60оС поступает в поглотительную башню, орошаемую водой. Полученный в результате раствор формалина содержит 10-12% метанола, который в данном случае является желательной примесью, так как препятствует полимеризации формальдегида.
Производительность реактора окисления метанола
10000/(341 • 24) = 1220 кг/ч или 1220/30 = 40,7 кмоль/ч
Для получения такого количества формальдегида необходимо метанола:
(1220 • 32)/(30 • 0,7) = 1860 кг или 1860/32 = 58,12 кмоль
Объем паров метанола составит:
(18600/32) • 22,4 = 1300 м3
Объем спирто-воздушной смеси:
(1300/0,4) = 3250 м3
С ней поступает воздуха 3250 – 1300 = 1950 м3. В том числе кислорода 1959 • 0,21 = 410 м3 или 586 кг, азота 1930 • 0,79 = 1540 м3 или 1920 кг.
В состав газовой продукционной смеси входит СН2О, неокисленный СН3ОН, азот и побочные продукты: НСООН, СО2, СО, СН4, Н2, а также водяной пар.
Образуется СН2О – 40,7 кмоль. На образование одного моля любого из побочных продуктов расходуется по 1 моль СН3ОН. Всего на образование побочных продуктов израсходовано метанола:
58,12 • 0,8 – 40,7 = 5,8 кмоль
Остается неокисленным в составе продукционных газов:
58,12 • 0,2 = 11,6 кмоль или 372 кг СН3ОН
Образовалось в соответствии с заданным мольным соотношением
НСООН; СО2; СО; СН4 = 1,8; 1,6; 0,1; 0,3 (всего 3,8)
НСООН (5,8 • 1,8)/3,8 = 2,75 кмоль или 126,5 кг
СО2 (5,8 • 1,6)/3,8 = 2,45 кмоль или 108 кг
СО (5,8 • 0,1)/3,8 = 0,158 кмоль или 4,3 кг
СН4 (5,8 • 0,3)/3,8 = 0,459 кг
Для определения количества водяного пара и водорода в газах синтеза составляется баланс по кислороду и водороду.
Баланс по кислороду
В реактор поступило кислорода (в кг):
С воздухом 586
В составе СН3ОН (1860 • 16)/32 = 930
Всего 1516 кг
Израсходовано кислорода:
На образование СН2О (1220 • 16)/30 = 650 кг
На образование НСООН (126,5 • 32)/46 = 88 кг
На образование СО2 (108 • 32)/44 = 78,6 кг
На образование СО (4,3 • 16)/28 = 2,45 кг
В составе неокисленного метанола:
(372 • 16)/32 = 186 кг
Всего израсходовано кислорода: 650 + 88 + 78,6 + 2,4 + 186 = 1005 кг
Остальное количество кислорода, равное 1516 – 1005 = 509 кг, пошло на образование воды.
В результате получено (509 • 18)/16 = 572 кг воды
Баланс по водороду
Количество водорода, поступающего в реактор:
(1860 • 4)/30 = 233 кг
Расходуется на образование:
СН2О (1220 • 2)/30 = 81,5 кг
НСООН (126,5 • 2)/46 = 5,5 кг
СН4 (7,3 • 4)/16 = 1,82 кг
Н2О (572 • 2)/18 = 63,6 кг
В составе неокисленного метанола:
(372 • 4)/32 = 46,5 кг
Всего расходуется водорода: 81,5 + 5,5 + 1,82 + 63,6 + 46,5 = 198,92 кг
Остальное количество водорода входит в состав контактных газов в свободном состоянии 233 – 198,92 = 34,08 кг
Результаты расчетов сведены в таблицу:
Приход Расход Исходное вещество кг продукт кг
Спирто-воздушная смесь: СН2О 1220 СН3ОН 1860 СН3ОН 372 О2 586 Н2О 572
N2: 1920 НСООН 126,5
СО2: 108
СО: 4,3
СН4: 7,3
Н2 34,08
N2: 1920
Итого: 4366 Итого: 4364,18
Вид работы: 
