в составе не прореагировавшего метанола – 372·16/32=186 кг/ч. Всего – 1005 кг/ч.

Остальное количество кислорода, равное 1516−1005=509 кг/ч, пошло на образование воды по реакциям (1), (4), (5) и (6). В результате расход воды равен – 509·18/16=572 кг/ч.

Таблица 7.2. Материальный баланс процесса получения формальдегида

	Приход				Расход
Статьи		кг/ч	%	Статьи	кг/ч	%
			(по массе)			(по массе)
Спирто-воздушная				Формальдегид	1220,0	27,89
смесь:				Метанол	372,0	8,58
метанол		1860	42,6	Водяной пар	572,0	13,12
кислород		586	13,4	НСООН	126,5	2,90
азот		1920	44,0	СО2	108,0	2,47
				СО	4,3	0,09
				Метан	7,3	0,16
				Водород	34,1	0,78
				Азот	1920,0	43,97
				Ошибки
				округления	1,8	0,04
Итого:		4366	100,0	Итого:	4366,0	100,00

В реактор поступает водорода – 1860·4/32=233 кг/ч. Водород расходуется:

на образование СН2О – 1220·22/30=81,5 кг/ч; на образование НСООН – 126,5·2/46=5,5 кг/ч; на образование СН4 – 7,3·4/16=1,82 кг/ч; на образование Н2О – 572·2/18=63,6 кг/ч;

в составе не прореагировавшего газа – 372·4/32=46,5 кг/ч. Всего – 198,9 кг/ч.

Количество водорода в свободном состоянии – 233−198,9=34,1 кг/ч. Результаты расчета сведены в табл. 7.2 материального баланса.

7.5. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Основная цель выполнения этого раздела – дать обоснование норм технологического режима в реакторе (концентраций, температуры, давления, степени превращения и т. д.).

Для обоснования норм технологического режима привлекаются данные по термодинамике, а также сведения по механизму и кинетике основных и побочных реакций.

185

Термодинамические данные используются для определения области значения параметров, в которой процесс протекает, а также для расчета степеней превращения исходных веществ, если процесс происходит в равновесных условиях.

Кинетические данные (константы скоростей химических реакций, константы равновесия, энергии активации реакций) необходимы как при определении норм технологического режима, так и при расчете размеров реакторов.

Следует напомнить, что нормы технологического режима определяются как кинетическими, так и технико-экономическими показателями. Так, например, повышение температуры ведет к увеличению скорости процесса и к повышению производительности единицы объема реактора, но с ростом температуры может, например, уменьшаться селективность процесса, т. е. увеличиваются затраты сырья. Кроме того, верхний предел температуры может определяться и термической устойчивостью перерабатываемых и получаемых веществ, а также свойствами и стоимостью конструкционных материалов, свойствами энергоносителей и катализаторов.

Давление в аппарате определяется не только исходя из конструкционных зависимостей для скорости процесса или константы равновесия, но и исходя из затрат на создание давления или вакуума, требований техники безопасности и т. п. Например, назначение в аппарате давления меньше атмосферного нецелесообразно там, где перерабатываются огнеили взрывоопасные вещества при температурах выше температур самовоспламенения. Подача воздуха в эти реакторы через фланцевые соединения или при появлении трещин в конструкционном материале за счет эрозии, коррозии и т. п. приводят к взрыву. Целесообразно в этом случае вместо вакуума работать при давлении выше атмосферного или применять инертные разбавители для снижения парциальных давлений перерабатываемых веществ. В аппаратах величина рабочего давления может определяться также гидравлическим сопротивлением в целом. Часто незначительное повышение давления позволяет использовать такие дешевые хладагенты, как промышленная оборотная вода или воздух вместо значительно более дорогого рассола.

Назначение степени превращения сырья, а, следовательно, и величина времени контакта определяется, в основном, зависимостью селективности от степени превращения, поэтому стремление к полному превращению сырья может привести иногда к неоправданному увеличению реакционного объема.

Концентрации реагентов определяются стремлением достичь не только высоких скоростей процесса, но также обеспечением высокой селективности с учетом кинетических порядков основной и побочных реакций. Выбираемые концентрации могут определяться величинами вязкости растворов, стремлением обеспечить требуемые режимы теплообмена и т. д. Иногда целесообразно для поддержания высоких скоростей процесса и больших степеней превращения поддерживать в реакторе избыток одного из реагентов. Обычно

186

выбирают для этого реагент дешевый и легко выделяемый в дальнейшем на стадии очистки. Такой прием при назначении норм технологического режима позволяет добиться более полного использования дорогого и дефицитного сырья за счет рационального соотношения реагентов в реакторе.

187

Г л а в а 8

_________________________________________________________________

8.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОСНОВНОЙ

ИВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ

_________________________________________________________________

8.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Задачей технологического расчета является определение размеров аппарата, обеспечивающих заданную производительность, и количества всех аппаратов, составляющих схему производства.

Принципы расчетов оборудования периодического и непрерывного действия различны, хотя конечная их цель сводится к нахождению, преимущественно, объема аппарата или поверхности теплообмена.

Геометрические размеры, например, реактора – это высота (H) и диаметр (D). При этом диаметр реактора можно определить из соотношения

	f =	V0	;	D =	4 f	,
		w			p

где V0 – объемная производительность, м3/с;

w – скорость движения реакционной смеси, м/с; f – площадь сечения реактора, м2.

Длина рабочей зоны реактора равна

l = Vfp = w × t ,

где Vp – объем реактора, м3;

t - среднее время пребывания реакционной смеси в аппарате, с. Объем реактора равен

Vp = t × V0 .

Исходными данными для технологического расчета химической аппаратуры являются:

-предварительная аппаратурно-технологическая схема, предусматривающая характер выбранных аппаратов и их взаимосвязь в материальном потоке;

-объемы перерабатываемого сырья, полупродуктов и готового продукта на каждой технологической стадии производства (в сутки, в час, в секунду). Количества перерабатываемых продуктов, полученных в материальном расчете, переводятся в соответствующие объемные величины;

-длительность каждой стадии технологического процесса.

188