3.5 Материальный расчет производства

3.5 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:

G_F = G_D + G_w;

G_F ∙ x_F = G_D∙ x_D + G_w ∙ x_w,

где, G_F, G_D, G_w – массовые расходы: питания, дистиллята и кубового остатка .

x_F, x_D, x_w – содержание метанола в питании, дистилляте и кубовом остатке соответственно, %.

x_F = 0,03;

x_D = 0,55;

x_w = 0,004;

G_D = G_F - G_w

G_F ∙ x_F = (G_F - G_w) ∙ x_D + G_w ∙ x_w

G_F ∙ x_F = G_F∙ x_D - G_w∙ x_D + G_w ∙ x_w

G_F ∙ x_F - G_F∙ x_D = G_w∙ x_w - G_w ∙ x_D

G_F (x_F - x_D) = G_w (x_w - x_D)

G_w = G_F (x_F - x_D) / (x_w - x_D)

G_w = 18892,23 кг/ч;

G_D = 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:

1. Расходный коэффициент по метанолу ( с учетом рецикла метанола):

2. Расходный коэффициент по воздуху: