3.5 Материальный расчет производства
.docx3.5 Материальный расчет производства
Целью материального расчета является составление материальных балансов стадии образования спиртовоздушной смеси, контактирования, абсорбции и ректификации.
Рисунок 3.2 – Блок – схема материальных потоков
Перечень оборудования:
I – смеситель – приготовление спиртовоздушной смеси;
II– Реактор – контактирование;
III – Абсорбционная колонна – поглощение формальдегида и метанола;
IV – Ректификационная колонна – обезметаноливание формалина.
Перечень оборудования материальных потоков:
1 – метанол – ректификат;
2 – метанол со склада;
3 – воздух;
4 – вода;
5 – абгазы;
6 – спиртовоздушная смесь;
7 – контактный газ;
8 – деминерализованная вода;
9 – метанольный формалин;
10 – безметанольный формалин.
Исходные данные:
Годовая мощность по изопрену составляет 95000 тонн в год.
Расходная норма формальдегида на 1 тонну изопрена – 0,843.
Годовой фонд рабочего времени 8400 ч.
Массовая доля формальдегида, % масс.:
в безметанольном формалине – не менее 37,0;
в метанольном формалине – 30-37.
Массовая доля метанола в продукционном формалине не более 0,6%.
Потери формальдегида на стадии ректификации 0,5% мас. Степень конверсии метанола 0,97.
Селективность по формальдегиду 0,87.
Состав технического метанола, % масс.:
метанол – 99,9;
вода – 0,1.
Состав метанольной шихты, % масс.:
метанол – 90;
вода – 10.
Массовое соотношение исходного метанола к абгазу: 1:0,9
Протекающие реакции:
СН3ОН → СН2О + Н2 СН3ОН + 0,5О2 → СН2О + Н2О
СН3ОН + 1,5О2 → СО2 + 2Н2О
СН3ОН → СО + 2Н2
Доля превращенного метанола, расходуемого:
по реакции I – 0,27;
по реакции II – 0,60;
по реакции III – 0,11;
по реакции IV – 0,02.
Расчет материального баланса стадии контактирования
Требуемая выработка формальдегида в год
тонн в год,
где 0,843 – расходная норма формальдегида на 1 тонну изопрена.
Часовая производительность установки по формальдегиду: или 317,80 кмоль/ч.
Потери формальдегида на стадии ректификации:
кг/ч или 1,59 кмоль/ч.
С учетом потерь необходимо получить в контактном аппарате формальдегида:
кг/ч или 319,39 кмоль/ч.
Количество превращенного метанола с учетом селективности:
или 11747,56 кг/ч.
Количество поданного метанола с учетом конверсии:
или 12110,88 кг/ч.
Количество воды в техническом метаноле:
Количество поданного технического метанола:
12110,88 + 12,12 = 12123,00 кг/ч.
Количество абгазов, поданных на смешение:
12110,88 ∙ 0,9 = 10899,79 кг/ч.
Количество воды в шихте метилового спирта: или 74,76 кмоль/ч.
Количество непревращенного метанола:
378,47 – 367,11 = 11,36 кмоль/ч.
По реакции I расходуется метанола: или 3171,83 кг/ч;
образуется:
формальдегида: 99,12 кмоль/ч или 2973,59 кг/ч;
водорода: 99,12 кмоль/ч или 198,24 кг/ч.
По реакции II расходуется:
метанола: или 7048,51 кг/ч;
кислорода: или 3524,26 кг/ч;
образуется:
формальдегида: 220,27 кмоль/ч или 6607,98 кг/ч;
водяного пара: 220,27 кмоль/ч или 3964,79 кг/ч.
По реакции III расходуется метанола: или 1292,23 кг/ч;
кислорода: или 1938,34 кг/ч;
образуется:
диоксида углерода: 40,38 кмоль/ч или 1776,74 кг/ч;
водяного пара: или 1453,68 кг/ч.
По реакции IV расходуется метанола: или
234,95кг/ч;
образуется:
оксида углерода: 7,34 кмоль/ч или 205,48 кг/ч;
водорода: или 29,37 кг/ч.
Всего образуется:
водорода: 113,80 кмоль/ч или 227,60 кг/ч;
водяного пара: 301,03 кмоль/ч или 5418,47 кг/ч.
Общий расход кислорода: 170,70 кмоль/ч или 5462,60 кг/ч.
Расход сухого воздуха:
где 0,21 – объемная доля кислорода в сухом воздухе.
Количество азота в воздухе:
812,86 – 170,70 = 642,16 кмоль/ч или 17980,48 кг/ч.
Расход воздуха:
Объемная доля водяных паров в воздухе:
где 3230 – парциальное давление водяных паров в воздухе при температуре 25°С, Па;
0,12∙106 – общее давление воздуха, Па.
Количество водяных паров в воздухе:
Суммарное количество водяных паров:
в спиртовоздушной смеси:
в контактном газе:
В выхлопные газы абсорбционной колонны переходят оксид и диоксид углерода, азот, водород, суммарное количество которых составляет 803,68 кмоль/ч или 20190,30 кг/ч.
Объемная доля водяных паров в выхлопных газах: %,
где 1740 – парциальное давление водяных паров при температуре 15°С, Па;
0,13 ∙106 – общее давление выхлопных газов, Па.
Количество воды, поступающей на орошение абсорбционной колонны:
12123,00 ∙0,20 = 2424,60 кг/ч
где (1,0:0,2) – массовое соотношение метанол поданный : деминерализованная вода
Состав метанольного формалина :
формальдегид: 9581,60 кг/ч;
вода : 7047,54 + 2424,60 = 9472, 14 кг/ч;
метанол: 363,52 кг/ч;
Массовая доля формальдегида в метанольном формалине составляет 47,0 % , метанола – 2,8%
На стадии ректификации 2% масс. воды уносится в дистиллят, количество воды в метаноле-ректификате: 9472, 14 ∙ 0,02 = 189,44 кг/ч.
Согласно ГОСТ 1625-89 состав формалина безметанольного технического: формальдегид > 37,0 % масс. , метанол не > 0,6 % масс.
Решим систему уравнений:
GF = GD + Gw;
GF ∙ xF = GD∙ xD + Gw ∙ xw,
где, GF, GD, Gw – массовые расходы: питания, дистиллята и кубового остатка .
xF, xD, xw – содержание метанола в питании, дистилляте и кубовом остатке соответственно, %.
xF = 0,03;
xD = 0,55;
xw = 0,004;
GD = GF - Gw
GF ∙ xF = (GF - Gw) ∙ xD + Gw ∙ xw
GF ∙ xF = GF∙ xD - Gw∙ xD + Gw ∙ xw
GF ∙ xF - GF∙ xD = Gw∙ xw - Gw ∙ xD
GF (xF - xD) = Gw (xw - xD)
Gw = GF (xF - xD) / (xw - xD)
Gw = 18892,23 кг/ч;
GD = 525,03 кг/ч.
Количество метанола в безметанольном формалине:
Количество метанола в метаноле-ректификате:
363,52 – 75,60 = 287,92 кг/ч.
Количество воды в безметанольном формалине:
9472,14 – 189,44 = 9282,70 кг/ч.
Состав безметанольного формалина :
формальдегид: 9533, 93 кг/ч;
вода : 9282,70 кг/ч;
метанол: 75,60 кг/ч.
Массовая доля формальдегида в безметанольном формалине составляет 50,5 % .
Таблица 3.2 - Таблица материального баланса
Приход |
кмоль/ч |
кг/час |
Расход |
кмоль/ч |
кг/час |
|
Материальный баланс стадии контактирования |
||||||
Спиртовоздушная смесь: |
Контактный газ: |
|||||
СН3ОН |
378,47 |
12110,88 |
СН3ОН |
11,36 |
363,52 |
|
О2 |
170,70 |
5462,60 |
СН2О |
319,39 |
9581,60 |
|
N2 |
642,16 |
17980,48 |
СО |
7,34 |
205,48 |
|
Н2О |
90,50 |
1629,00 |
СО 2 |
40,38 |
1776,74 |
|
абгазы: |
|
10899,79 |
N2 |
642,16 |
17980,48 |
|
|
|
|
Н2 |
113,80 |
227,60 |
|
|
|
|
Н2О |
391,53 |
7047,54 |
|
|
|
|
абгазы: |
|
10899,79 |
|
Итого: |
|
48082,75 |
|
|
48082,75 |
|
Материальный баланс стадии абсорбции |
||||||
Контактный газ: |
Метанольный формалин: |
|||||
СН3ОН |
11,36 |
363,52 |
СН3ОН |
11,36 |
363,52 |
|
СН2О |
319,39 |
9581,60 |
СН2О |
319,39 |
9581,60 |
|
СО |
7,34 |
205,48 |
Н2О |
526,23 |
9472,14 |
|
СО 2 |
40,38 |
1776,74 |
Выхлопные газы: |
|||
N2 |
642,16 |
17980,48 |
СО |
7,34 |
205,48 |
|
Н2 |
113,80 |
227,60 |
СО 2 |
40,38 |
1776,74 |
|
Н2О |
391,53 |
7047,54 |
N2 |
642,16 |
17980,48 |
|
Н2О (орош) |
134,70 |
2424,60 |
Н2 |
113,80 |
227,60 |
|
абгазы: |
|
10899,79 |
Абгазы на рециркуляцию: |
|||
|
|
|
абгазы: |
|
10899,79 |
|
Итого: |
|
50507,35 |
Итого: |
|
50507,35 |
|
Материальный баланс стадии ректификации |
||||||
Метанольный формалин: |
Безметанольный формалин: |
|||||
СН3ОН |
11,36 |
363,52 |
СН3ОН |
2,36 |
75,60 |
|
СН2О |
319,39 |
9581,60 |
СН2О |
317,80 |
9533,93 |
|
Н2О |
526,23 |
9472,14 |
Н2О |
515,71 |
9282,70 |
|
|
|
|
Метанол возвратный: |
|||
|
|
|
СН3ОН |
8,99 |
287,92 |
|
|
|
|
СН2О |
1,59 |
47,67 |
|
|
|
|
Н2О |
10,52 |
189,44 |
|
Итого: |
|
19417, 26 |
Итого: |
|
19417, 26 |
Расчет основных расходных коэффициентов на 1 т. 100% формальдегида:
-
Расходный коэффициент по метанолу ( с учетом рецикла метанола):
-
Расходный коэффициент по воздуху: