Получение формальдегида
Подождите немного. Документ загружается.
№6
Рассчитайте и составьте материальный баланс процесса
получения CHOH.
В условиях проведения процесса осуществляются реакции:
основные
CH
3
OH+0,5O
2
→HCOH+H
2
O +Q; (1)
CH
3
OH→HCOH+H
2
-Q; (2)
побочные
CH
3
OH+1,5O
2
=CO
2
+2H
2
O+Q; (3)
CH
3
OH+H
2
=CH
4
+H
2
O+Q. (4)
Общие данные для расчета:
Производительность цеха по формальдегиду, т/год-15840.
Состав метанола, масс. %: CH
3
OH-98%; H
2
O-2%.
Индивидуальные данные для расчета
Таблица 1
Вариант
Общая
конверсия
K
общ
Полезная
конверсия
K
пол
Расход
CH
3
OH на
реакцию (2) в
%
Отношение (в
молях) CO
2
/CH
4
в
продуктах реакции
4 92,51 89,71 35,12 6,7:1
Методика выполнения контрольной работы
1.База для составления материального расчета – часовая
производительность CHOH.
2.Исходя из заданной производительности по HCOH, рассчитайте
массу CH
3
OH, расходуемую на реакции (1) и (2).
3.С учетом К
пол
и К
общ
определите массу CH
3
OH, подаваемую в
контактный аппарат.
4.Рассчитайте расход CH
3
OH на побочные реакции (3) и (4) и
«проскок» метанола.
5.Доля участия CH
3
OH на реакции (3) и (4) определите из заданного
соотношения CO
2
/CH
4
(см.табл. 1).
6.Далее расчет ведите по уравнениям химических реакций.
РЕШЕНИЕ
I. Рассчитаем часовую производительность СНОН:
1980
8000
15840000
1
G
кг/час, – производительность по формальдегиду,
где 8000 – количество рабочих часов в год.
11
II. Рассчитаем массу СН
3
ОН, расходуемую на получение целевого
продукта, реакции (1,2):
)(
)()(
)(
3
3
2,1
HCOHM
OHCHMHCOHm
OHCHG
,
.
3
2,1
2112
30
321980
)(
час
кг
кмоль
кг
кмоль
кг
час
кг
OHCHG
где М(HCOH)-молярная масса формалина,
где М(CН
3
OH)-молярная масса метанола.
,734,741
%100
%12,352112
)(
3
2
час
кг
час
кг
OHCHG
.3,1370734,7412112)(
3
1
час
кг
OHCHG
На (1) реакцию расходуется 64,88% - 1370,3 кг/час,
На (2) реакцию расходуется 35,12% - 741,734 кг/час.
III. Рассчитаем массу СН
3
ОН, подаваемую в контактный аппарат:
,2283
9251,0
2112
)(
3
41
час
кг
час
кг
OHCHG
- количество метанола подаваемое в
контактный аппарат, с учетом К
общ
, идущего на реакции (1-4)
,25,2354
8971,0
2112
)(
3
2,1
час
кг
час
кг
OHCHG
- количество метанола идущего на
реакции (1,2), с учетом К
пол
.
0,9251 – общая конверсия на загрузку метанола,
0,8971 – полезная конверсия на загрузку метанола.
IV. Рассчитаем расход СН
3
ОН на побочные реакции (3,4) и «проскок»
метанола:
,25,71228325,2354)(
3
4,3
час
кг
час
кг
час
кг
OHCHG
- количество метанола
расходуемого на реакции (3,4).
,17121122283)(
3
41
час
кг
час
кг
час
кг
OHCHG
- количество метанола
которое не вступило в реакцию (1-4) – «проскок».
V. Доля участия СН
3
ОН на реакции(3,4):
По соотношению СО
2
:СН
4
как 6,6:1, рассчитаем количество метанола
расходуемого на реакцию (3) и реакцию (4)
,25,71
1
7,6
4
3
3
3
4
2
час
кг
ОНСН
ОНСН
СН
СО
,253,9
7,7
25,71
)(
3
4
час
кг
час
кг
OHCHG
- расход СН
3
ОН
4
идущий на реакцию
(4), тогда расход СН
3
ОН
3
идущий на реакцию (3) равен
.997,61253,925,71)(
3
3
час
кг
час
кг
час
кг
OHCHG
12
VI. Определим расход остальных компонентов исходя из уравнений
реакций:
Расход технического воздуха на реакцию:
)(
)()(
)(
3
23
2
OHCHM
OMnOHCHG
ОG
.
,/150,685
32
325,03,1370
)(
2
1
часкгОG
кмоль
кг
кмоль
кг
час
кг
./996,92
32
325,1997,61
)(
2
3
часкгОG
кмоль
кг
кмоль
кг
час
кг
./146,778996,92150,685 часкг
.
Количество образовавшейся воды:
,/794,770
32
183,1370
)(
2
1
часкгОНG
кмоль
кг
кмоль
кг
час
кг
,/749,69
32
182997,61
)(
2
3
часкгОНG
кмоль
кг
кмоль
кг
час
кг
./206,5
32
18255,9
)(
2
4
часкгОНG
кмоль
кг
кмоль
кг
час
кг
часкг /75,845206,5749,69794,770
.
Количество образовавшегося водорода:
./3337,46
32
2734,741
)(
2
2
часкгНG
кмоль
кг
кмоль
кг
час
кг
Количество затраченного водорода:
./5783,0
32
2253,9
)(
2
4
часкгНG
кмоль
кг
кмоль
кг
час
кг
Т.к. метанол подается в контактный аппарат в разбавленном состоянии
Н
2
О, то:
,/617,52)98,0(
4141
часкгGG
- количество воды в метаноле по условию.
VII. Полученные расчеты сведем в таблицу материального баланса:
Приход расход
вещество % масс кг/час вещество % масс кг/час
СН
3
ОН 71,925 2112 HCOH 69,3 1980
H
2
O 1,555 52,617 СО
2
0,2 9,253
О
2
26,5 778,146 СН
4
1 61,997
H
2
0,2 0,5783 H
2
1,7 46,337
H
2
O 27,8 845,75
ИТОГО: 100 2943,337 100 2943,337
13
Работа над ошибками.
I. Рассчитаем часовую производительность СНОН:
149,1970
8040
15840000
1
G
кг/час, – производительность по формальдегиду,
где (365-30)24=8040 ч – количество рабочих часов в год, т.к. 365 дней в
году, 30 дней ремонт установки.
II. Рассчитаем массу СН
3
ОН, расходуемую на получение целевого
продукта, реакции (1,2):
)(
)()(
)(
3
3
2,1
HCOHM
OHCHMHCOHm
OHCHG
,
.
3
2,1
492,2101
30
32149,1970
)(
час
кг
кмоль
кг
кмоль
кг
час
кг
OHCHG
где М(HCOH)-молярная масса формалина,
где М(CН
3
OH)-молярная масса метанола.
,044,738
%100
%12,35492,2101
)(
3
2
час
кг
час
кг
OHCHG
.448,1363044,738492,2101)(
3
1
час
кг
OHCHG
На (1) реакцию расходуется 64,88% - 1363,448 кг/час,
На (2) реакцию расходуется 35,12% - 738,044 кг/час.
III. Рассчитаем массу СН
3
ОН, подаваемую в контактный аппарат:
2101,492 кг/час СН
3
ОН расходуется на получение целевого продукта, а
т.к. реакции 1,2, а конверсия по условию К
пол
=89,71%, тогда
,539,2342
8971,0
492,2101
)(
3
41
час
кг
час
кг
OHCHG
- количество метанола
идущего на реакции (1,2), с учетом К
пол
.
Т.к. 2342,539 – расходуется на получение целевых , а конверсия
mmm
условию К
общ
=92,51%, тогда
,201,2532
9251,0
539,2342
)(
3
час
кг
час
кг
общ
OHCHG
- количество метанола
подаваемое в контактный аппарат, с учетом К
общ
, идущего на реакции (1-4)
0,9251 – общая конверсия на загрузку метанола,
0,8971 – полезная конверсия на загрузку метанола
IV. Рассчитаем расход СН
3
ОН на побочные реакции (3,4) и «проскок»
метанола:
,047,241492,2101539,2342)(
3
4,3
час
кг
час
кг
час
кг
OHCHG
- количество
метанола расходуемого на побочные реакции (3,4).
14
,662,189539,2342201,2532)(
3
час
кг
час
кг
час
кг
проскок
OHCHG
- количество
метанола которое не вступило в реакцию (1-4) – «проскок».
V. Доля участия СН
3
ОН на реакции(3,4):
По соотношению СО
2
:СН
4
как 6,7:1, рассчитаем количество метанола
расходуемого на реакцию (3) и реакцию (4)
,047,241
1
7,6
4
3
3
3
4
2
час
кг
ОНСН
ОНСН
СН
СО
,305,31
7,7
047,241
)(
3
4
час
кг
час
кг
OHCHG
- расход СН
3
ОН
4
идущий на
реакцию (4), тогда расход СН
3
ОН
3
идущий на реакцию (3) равен
.742,209305,31047,241)(
3
3
час
кг
час
кг
час
кг
OHCHG
VI. Определим расход остальных компонентов исходя из уравнений
реакций:
Расход технического воздуха на реакцию:
)(
)()(
)(
3
23
2
OHCHM
OMnOHCHG
ОG
.
,/724,681
32
325,0448,1363
)(
2
1
часкгОG
кмоль
кг
кмоль
кг
час
кг
./613,341
32
325,1742,209
)(
2
3
часкгОG
кмоль
кг
кмоль
кг
час
кг
./337,996613,314724,681 часкг
.
Количество образовавшейся воды:
,/939,766
32
18448,1363
)(
2
1
часкгОНG
кмоль
кг
кмоль
кг
час
кг
,/959,235
32
182742,209
)(
2
3
часкгОНG
кмоль
кг
кмоль
кг
час
кг
./609,17
32
18305,31
)(
2
4
часкгОНG
кмоль
кг
кмоль
кг
час
кг
Т.к. метанол подается в контактный аппарат в разбавленном состоянии
Н
2
О, то:
,/644,50)98,0( часкгGG
общобщ
- количество воды в метаноле по условию.
часкг /151,1071644,50609,17959,235939,766
.
Количество образовавшегося водорода:
./128,46
32
2044,738
)(
2
2
часкгНG
кмоль
кг
кмоль
кг
час
кг
Количество затраченного водорода:
15
./956,1
32
2305,31
)(
2
4
часкгНG
кмоль
кг
кмоль
кг
час
кг
Количество образовавшегося углекислого газа:
,/395,288
32
44742,209
)(
2
3
часкгCOG
кмоль
кг
кмоль
кг
час
кг
Количество образовавшегося метана:
./653,15
32
16305,31
)(
4
4
часкгCHG
кмоль
кг
кмоль
кг
час
кг
VII. Полученные расчеты сведем в таблицу материального баланса:
Приход расход
вещество % масс кг/час вещество % масс кг/час
СН
3
ОН 70,71 2532,201 HCOH 55,01 1970,149
H
2
O 1,41 50,644 СО
2
8,05 288,395
О
2
28,82 996,337 СН
4
0,44 15,653
H
2
0,06 1,956 H
2
1,29 46,128
H
2
O 29,91 1071,151
проскок 5,30 189,662
ИТОГО: 100 3581,138 100 3581,138
VIII. Рассчитаем технологические показатели:
Конверсия - технологический показатель, отражающий степень
использования (долю) исходного реагента на химические превращения, который
может быть выражен:
%51,92%100
13,79
93,513,79
%100
0.
0.
j
jj
n
nn
Х
где
0.j
n
- количество сырья вошедшего в реактор
j
n
- количество непрореагировавшего сырья в реакционной смеси
мольn
j
13,79
32
201,2532
0.
мольn
j
93,5
32
662,189
Селективность – это отношение количества исходного реагента,
расходуемого на целевую реакцию, к общему количеству исходного реагента,
пошедшего на все реакции (целевые и побочные):
%71,89%100
20,73
67,65
,,
,
Аn
n
целA
где
целА
n
,
- количества исходного реагента, расходуемого на целевую
реакцию
,А
n
- общему количеству исходного реагента, пошедшего на все
реакции (целевые и побочные).
мольn
целА
67,65
32
492,2101
,
16
мольn
А
20,73
32
539,2342
,
Выход целевого продукта (НСОН) - отношение реально полученного
количества продукта к максимально возможному выходу.
max,R
R
n
n
Ф
где
R
Ф
- выход продукта;
max,R
n
- зависит от типа химической реакции.
AR
xФ
(для необратимых химических реакций).
%99,82%1008971,09251,0
R
Ф
или
%99,82%100
1
1
13,79
67,65
0,
a
r
n
n
Ф
A
R
где
R
n
- количества реально полученного продукта
мольn
R
67,65
30
149,1970
Расходные коэффициенты на получение 1 тонны продукта:
Различают теоретические и практические расходные коэффициенты.
Теоретические рассчитывают по уравнению реакции:
основные
CH
3
OH+0,5O
2
→HCOH+H
2
O +Q;
CH
3
OH→HCOH+H
2
-Q;
побочные
CH
3
OH+1,5O
2
=CO
2
+2H
2
O+Q;
CH
3
OH+H
2
=CH
4
+H
2
O+Q.
Тогда
07,1
130
132
сМ
аМ
С
А
53,0
130
5,032
сМ
вМ
С
В
где
А
М
- молекулярная масса метанола;
В
М
- молекулярная масса кислорода;
С
М
- молекулярная масса формальдегида;
а,в,с – стехиометрические коэффициенты.
Практические расходные коэффициенты рассчитываются из данных
материального баланса как отношение массы затраченного сырья (А или В) к
массе полученного целевого продукта (С):
По метанолу расходный коэффициент:
кгкг
m
mm
m
m
c
OHA
C
A
/2748,1
149,1970
644,50201,2532
2
где
А
m
- масса метанола 100%;
OH
m
2
- масса воды в метаноле;
C
m
- масса формальдегида.
По кислороду расходный коэффициент:
17
кгкг
m
m
m
m
c
В
C
В
/5057,0
149,1970
337,996
ЛИТЕРАТУРА
1. И. И. Юкельсон. Технология основного органического синтеза. М.,
Издательство «Химия», 1968г. 848с.
2. Химическая энциклопедия в пяти томах. Научное издательство
«Большая Российская энциклопедия», Москва 1998г.
3. «Нефтепереработки и нефтехимия». Научно-техническое достижение и
передовой опыт. Москва.- 2004г, №10.
4. Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартек М.Г. Общая химическая
технология. Учебник для технических ВУЗов. М., Высш. шк., 1990.
5. С.К. Огородников. Формальдегид. Л.,Химия,1984г.
18