Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Кафедра нефтехимии и химической технологии

 

 

РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО И ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ФОРМАЛЬДЕГИДА МЕТОДОМ ДЕГИДРИРОВАНИЯ МЕТАНОЛА

 

Курсовая работа

по дисциплине «Химический процесс»

 (профиль «Химическая технология органических веществ»)

 

 

Студент гр. ХТ-13-02 Руководитель канд.техн.наук

Байрамoва В.И. Кириллова Н.В.

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

• Описание химического процесса……………………………….......3
• Принципиальная схема процесса…………………………………..5
• Механизм химической реакции……………………………..…..….9
• Стехиометрические уравнения реакции…………………………...13
• Расчет материального баланса……………………………………..14
• Расчет теплового баланса……………………………………………19

Заключение………………………………………………………..….......23

Список использованных источников…………………………..….……24

 

 

 

 

1 Описание процесса дегидрирования метанола

В промышленности формальдегид получают из метанола. При нагревании смеси метанола и воздуха в присутствии меди (в виде сетки) или серебра (осажденного на пемзе) образуется формальдегид:

 

(1)

 

На 1 моль окислившегося метанола выделяется 155,6 кДж тепла.

При нагревании метанола в отсутствие воздуха на тех же катализаторах он дегидрируется:

 

 (2)  

 

На 1 моль прореагировавшего метанола поглощается 85,7 кДж тепла.

Это хорошо освоенный технологический процесс, и 80 % формальдегида получается именно по этому методу. Недавно разработан более перспективный способ, основанный на использовании железо-молибденовых катализаторов. При этом реакция проводится при 300 °C.

Можно совместить обе реакции, смешав метанол с таким количеством воздуха, чтобы тепла, выделяющегося при реакции (1), хватило для реакции (2).

Реакции (1) и (2) сопровождаются побочными превращениями: дегидрированием, гидрированием и более глубоким окислением метанола; образуются СО, СО₂, Н₂О, Н₂, СН₄ и другие вещества.

Проводя обе реакции совместно, не только получают газ с более высокой концентрацией формальдегида, но и уменьшают образование побочных продуктов, в особенности продуктов полного окисления метанола. Максимальный выход формальдегида (96 %) получается при температуре около 600 °С. При повышении давления выход НСНО уменьшается, так как равновесие реакции (2) смещается влево.

 

 

 

 

 

2 Принципиальная схема процесса

Таблица 2.1 – Перечень аппаратов и оборудования

Поз. обозначение	Наименование	Кол.
Е1	Напорный бак	1
И1	Испаритель	1
Т1	Перегреватель	1
Р1	Реактор	1
Х1	Подконтактный холодильник	1
Х2	Холодильник	1
К1	Абсорбер	1
К 2	Скруббер	1
Е 2	Сборник	1

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1 – Технологическая схема производства формальдегида методом дегидрирования метанола

 

Метанол, содержащий 10-12 % воды, из напорного бака Е1 не­прерывно поступает в испаритель И1. Туда же через распредели­тельное устройство подают воздух, очищенный от пыли и дру­гих загрязнений. Воздух барботирует через слой водного мета­нола в нижней части испарителя и насыщается его парами. В 1 л образующейся паровоздушной смеси должно содержаться приблизительно 0,5 г метанола. Поддержание такого состава смеси очень важно для обеспечения взрывобезопасности и нормального про­текания процесса. Поэтому работа испарительной системы пол­ностью автоматизирована: поддерживают постоянные уровень жидкости в испарителе, ее температуру (48-50°С) и скорость подачи воздуха, благодаря чему обеспечиваются необходимые температурный режим и степень конверсии в адиабатическом реакторе.

Паровоздушная смесь проходит брызгоуловитель, находя­щийся в верхней части испарителя, затем перегреватель Т1 и по­ступает в реактор Р1, в средней части которого находится ката­лизатор. Реакционные газы сразу же попадают в подконтактный холодильник Х1 (смонтирован вместе с реактором), где происхо­дит быстрое охлаждение смеси и предотвращается распад фор­мальдегида. В разных схемах охлаждение осуществляют про­точной водой или паровым конденсатом, когда холодильник иг­рает роль генератора пара низкого, среднего или даже высокого давления. Полученный пар (или горячая вода) служит для пе­регрева поступающей смеси в перегревателе Т1  и для обогрева испарителя И1.

Охлажденные реакционные газы поступают в абсорбер К1, вы­полненный в виде тарельчатой колонны; жидкость на тарелках охлаждают внутренними или выносными холодильниками (на схеме не изображены). Абсорбер орошают таким количеством воды, чтобы в кубе получился 36-37 процентный формалин. Стадии аб­сорбции и разделения продуктов оформляют двумя разными способами.

По одному из них в абсорбере поглощают как формальде­гид, так и непревращенный метанол, который содержится в про­дуктах реакции в количестве, как раз достаточном для стабили­зации формальдегида. В этом случае верхнюю тарелку абсорбера охлаждают рассолом, а колонна К2  служит лишь для сани­тарной очистки газа, в то время как для получения безметанольного формалина (требуемого иногда для различных целей) необходима установка для отгонки метанола.

При втором способе в абсорбере поглощают преимуществен­но формальдегид; тогда скруббер К2 служит для абсорбции ме­танола, который отгоняют от воды и возвращают на реакцию. В обоих случаях формалин из куба абсорбера К1 охлаждают в холодильнике Х2 и собирают в сборнике Е2.

 

 

 

 

 

3 Механизм химической реакции

Учитывая, что катализатор представляет собой молекулу Ag₂O, где на атоме кислорода  и происходит реакция, первая стадия в реакции дегидрирования метанола выглядит так:

 

 

После первой стадии идет цепная реакция:

 

 

Далее отрицательный заряд переходит с атома кислорода на атом углерода:

 

Большая часть отрицательного заряда концентрируется на атоме углерода, из-за валентности атома углерода такая частица не стабильна и разлагается на формальдегид и протон. Так же в этой стадии участвует вода, так как в конечных продуктах ее нет, а катализатор  в конечном итоге должен быть в таком же виде, в каком и вступал в реакцию:

 

Далее происходит переход молекулы формальдегида с поверхности катализатора в реакционную смесь. Протон с поверхности катализатора уходит в виде молекулы водорода:

 

 

 

Дегидрирование метанола протекает совместно с  реакцией окислительного дегидрирования и рядом других побочных реакций:

 

∆H = 147,4 кДж/моль

 

              ∆H = – 93,4кДж/моль

 

∆H = 575,1кДж/моль

 

              ∆H = 270,4кДж/моль

 

                 ∆H = 14,5кДж/моль

 

∆H = – 53,7кДж/моль

       ∆H = 122кДж/моль

 

                                           ∆H = 132,6кДж/моль

 

       ∆H = 241,8кДж/моль

 

     ∆H = 241,8кДж/моль

 

        ∆H = 238кДж/моль

 

             ∆H = 172,5кДж/моль

 

Константа равновесия реакции окислительного дегидрирования значительно выше, чем реакции простого дегидрирования. Это означает, что реакция может развиваться до практически полного исчерпания реагента - в данном случае, кислорода, взятого в недостаточном количестве. Степень превращения метанола по целевой реакции окислительного дегидрирования составляет~60 %, а по остальным реакциям – 10 %. Подавляющее большинство побочных реакций экзотермичны и поэтому суммарный тепловой эффект положителен. Реально процесс осуществляется без отвода тепла, т.е. в условиях адиабатического режима.

Рассмотрение приведенных выше реакций показывает, что ключевые превращения протекают с увеличением объема, а побочные – как с увеличением объема, так и с уменьшением объема реакционной смеси.

Активными центрами катализатора дегидрирования являются поверхностные оксиды серебра, на которых сорбируются метанол и кислород. В процессе хемосорбции кислорода осуществляется перенос заряда с атомов серебра наадсорбированный кислород, и поверхность заряжается отрицательно. При степени покрытия серебра кислородом до 0,10– 0,12 см³/м², т.е. в пределах покрытия поверхности монослоем кислорода, один атом кислорода связан с двумя поверхностными атомами серебра (Ag₂O). С увеличением степени окисления до 0,22– 0,26  см³/м²преобладают соединения, в которых атом кислорода связан с одним атомом поверхностного серебра.

При дальнейшем возрастании степени окисления образуются структуры с большим содержанием кислорода на один атом серебра. Структуры всех типов можно представить в виде:

 

 

4 Стехиометрические уравнения реакции

Операторная схема процесса:

где,  A – метанол, ключевой реагент;

B – формальдегид, целевой продукт;

С – водород.

 

 

 

 

 

5 Расчет материального баланса

Составим операторную схему процесса.

Рисунок 5.1 – Операторная схема для расчета материального баланса

Процесс получения формальдегида из метанола описывается следующей реакцией:

CH₃OH CH₂O + H₂ – кДж/кг.        

Определим расходную и приходную части материального баланса (таблица 5.1).

 

 

 

 

 

 

Таблица 5.1 – Материальный баланс производства формальдегида методом дегидрирования метанола (расчет на 25000 т/ч формальдегида)

Приход			Расход
Компонент	кг/ч	% масс.	Компонент	кг/ч	% масс.
1  Метанол технический, в том числе:			1 Формальдегид	1020,84	32,04
метанол чистый	3058,08	96	2 Водород	69,44	2,18
диметиловый эфир	127,42	4	3 Метанол	1947,93	61,13
			4 Диметиловый эфир	127,42	4
			5 Потери  формальдегида	20,83	0,65
Итого:	3185,5	100	Итого:	3186,46	100

 

Определим значение для Т = 510+273 = 783 К.

;

.

Массовый расход формальдегида в  кг/ч:

 = 1041,67 кг/ч.

Расход формальдегида с учетом потерь:

Найдем теоретический и фактический составы реакционной смеси на основании стехиометрии и значения константы равновесия. Предварительный расчет материального баланса будем вести на 100 кг/ч метанола.

Таблица 5.2 – Расчет теоретического состава равновесной смеси

Компонент	Исходная смесь		Реакционная смесь
	кг/ч	кмоль/ч	кмоль/ч	парциальное давление
	96		3 - X
	4		0,087	-
	0	0	X
	0	0	X
Итого	100	3,087	3,087 + X	P

 

,

где P = 1 атм.

Составим уравнение равновесия:

;

.

Решив данное квадратное уравнение, выбираем подходящий корень, исходя из условия X>0. В данном случае получаем корень .

         По условию степень равновесия достижения равна 0,9. Следовательно,

 1,089.

Далее определим фактический состав реакционной смеси (таблица 4.2).

Таблица 5.3 – Расчет фактического состава равновесной смеси

Компонент	Состав реакционной равновесной смеси
	кмоль/ч	кг/ч	масс.доли
	3 – 1,089 = 1,911		61,15/100,1 = 0,6115
	0,087		4/100,1 = 0,04
	1,089		32,76/100,1 = 0,327
	1,089		2,178/100,1 = 0,0218
Итого	4,176	100	1

 

Составим материальный баланс производства формальдегида на 100 кг/ч исходной смеси ( таблица 5.3).

Таблица 5.4 – Материальный баланс производства формальдегида методом дегидрирования метанола (расчет на 100 кг/ч метанола)

Приход			Расход
Компонент	кг/ч	% масс.	Компонент	кг/ч	% масс.
1  Метанол технический, в том числе:			1 Формальдегид	32,046	32,04
метанол чистый	96	96	2 Водород	2,18	2,18
диметиловый эфир	4	4	3 Метанол	61,15	61,13
			4 Диметиловый эфир	4	4
			5 Потери  формальдегида	0,654	0,65
Итого:	100	100	Итого:	100,03	100

 

Для пересчета материального баланса введем коэффициент пересчета:

Все значения  баланса (таблица 5.4) умножим на коэффициент пересчета, получим баланс в окончательной форме и заполним таблицу 5.1.

 

 

 

 

 

6 Расчет теплового баланса

Таблица 6.1 - Тепловой баланс производства формальдегида методом дегидрирования метанола (расчет на 25000 т/ч формальдегида)

Материальный поток и его компоненты	Масса потока, кг/ч	Температура, К	Теплоемкость продуктов,	Величина теплового потока, кДж/ч
1 Приход
Метанол чистый	3058,08	783	2,46	5890421,5
Диметиловый эфир	127,42	783	2,7	269378,6
Подвод тепла				7954298
Итого:	3185,5	783		14114089,1
2 Расход
Формальдегид	1020,84	783	1,84	1470744,6
Водород	69,44	783	14,79	804154,8
Метанол	230,81	783	2,46	3752063,8
Диметиловый эфир	55,91	783	2,7	269378,6
Потери	20,83	783	1,84	30010,2
Теплота химической реакции				7787737,1
Итого:	3186,46	783		14114089,1

 

 

 

Расчет теплоты будет производиться по следующей формуле:

Q = G_i · C_pi · T.

 

  Таблица 6.2 – Значения теплоемкостей веществ при температуре 783 К

Вещество
Метанол	2,46
Диметиловый эфир	2,7
Формальдегид	1,84
Водород	14,79

 

Таблица 6.3 – Значения энтальпий образования веществ при температуре 783 К

Вещество	кДж/кг
Метанол	-6645,94
Формальдегид	-4099,33
Водород	0

 

Рассчитаем теплоту реакции по формуле:

;

= (-4099,33+0) – (-6645,94) = 2546,61 кДж/кг.

 

Количество теплоты, которое выделилось в ходе реакции:

 = -2546,61  3058,08 = -2827119,1 кДж/ч.

 

Рассчитаем приход теплового баланса:

 = 2,46 3058,08 783 = 5890412,5 кДж/ч;

 = 2,7127,42783 = 269378,6 кДж/ч;

 = 5890412,5 + 269378,6 = 6159791,1 кДж/ч.

Рассчитаем расход теплового баланса:

 = 2,46  1947,93 783 = 3752063,8 кДж/кг;

 = 2,7  127,42  783 = 269378,6 кДж/ч;

 = 1,84  1020,84  783 = 1470744,6 кДж/кг;

 = 14,79 69,44  783 = 804154,8 кДж/ч;

Q(потери) = 1,84  20,83 783 = 30010,2 кДж/ч.

 3752063,8 + 269378,6 + 1470744,6 + 804154,8 + 30010,2 - 2827119,1 = 3499232,9  кДж/ч.

Расчет подвода тепла:

=  3499232,9   – 6159791,1 =  -2660558,2 кДж/ч.

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе курсовой работы был произведен расчет материального и теплового балансов процесса получения формальдегида методом дегидрирования метанола. Были рассмотрены описание процесса получения формальдегида, принципиальная схема процесса, механизм данной химической реакции

Ошибка расчетов материального баланса вследствие расчетов оказалась равной:

Ошибка расчетов теплового баланса:

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Лебедев Н.Н., Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза/Н.Н. Лебедев – М. Химия,1971

2 Платэ Н.А., Сливинский Е.В., Основы химии и технологии мономеров – М.Наука,2002

 

Скачать: kursovaya_rabota3.rar