1. Товарні і визначають технологію властивості метанолу, області застосування в хімічній технології.
Метанол являє собою безбарвну рідину (т. кип. 64,7 0 С, т. пл. - 97,8 0 С, щільність 0,79 г / см 3, теплота випаровування 263 ккал / кг, критична температура 240 0 С) з запахом, подібним запахом етилового спирту. Він горючий, дає з повітрям вибухонебезпечні суміші (6 - 34,7% об'ємно.) Температура займання його пари у повітрі 535 0 С. Теплота розчинення у воді при нескінченному розведенні 64,4 ккал / кг. Змішується у всіх відносинах з водою, спиртами, бензолом, ацетоном і мнгімі іншими рідинами, але не змішується з аліфатичними вуглеводнями З деякими органічними рідинами (наприклад, з ацетоном, бензолом, дихлоретаном) утворює азеотропниє суміші.
Метанол являє собою велику небезпеку через свою високу токсичність. Є сильним нервовим і судинною отрутою кумулятивного дії; володіє також слабким наркотичною дією. Гранично допустима концентрація парів метилового спирту в повітрі виробничих приміщень 50 мг / м 3.
У хімічній промисловості метанол застосовується як напівпродукт для багатьох промислових синтезів. У найбільших кількостях метанол використовується для отримання формальдегіду, а також в якості метіліруют агента у виробництві таких важливих продуктів, як діметілтерефталат, метилметакрилат, деякі пестициди.
У нафтопереробної промисловості метиловий спирт служить селективним розчинником для очищення бензинів від меркаптанів та азеотропниє реагентом при виділенні толуолу ректифікацією. У суміші з етиленгліколем метиловий спирт застосовується для екстракції толуолу з бензинів.
Також метанол застосовується для виробництва карбамідних смол, оцтової кислоти, синтетичних каучуків, полівінілового спирту та ацеталей, антифризів, денатуруючих добавок. Значно зріс інтерес до метанолу як до важливого і економічно ефективному сировини для одержання водню і синтез-газу, які широко застосовують в металургії, у виробництві аміаку. Істотно розширюється використання метанолу для очищення стічних вод від шкідливих сполук азоту, для виробництва кормового білка. Останнім часом передбачається, що метанол знайде широке застосування в якості джерела енергії, газового палива для теплових електростанцій моторного палива і як компонент автомобільних бензинів. Завдяки добавці метанолу поліпшуються антіденотаціонние властивості бензинів, підвищується ККД двигуна і зменшується вміст шкідливих речовин у вихлопних газах.
2. Сировинні джерела отримання метанолу. Перспективи використання різних видів сировини.
Раніше метанол отримували сухою перегонкою деревини (деревний спирт), але цей метод повністю витіснений синтезом з окису вуглецю і водню, який здійснений у великих масштабах в усіх передових країнах. Тверде паливо зберігає як сировини певне значення. Розробка процесу газифікації вугілля з метою отримання синтез-газу, що містить Н 2, СО 2, СО, може змінити структуру сировинної бази виробництва метанолу і таким чином незручний для транспортування вугілля буде перетворений в зручний для зберігання, транспортування та використання метанол. Перспективним способом отримання метанолу є неповне окислення метану та його гомологів.
3. Сучасні промислові способи отримання метанолу.
а) Синтез метанолу з оксиду вуглецю і водню здійснюють частіше всього на промислових установках при 20 - 35 МПа, 370 - 420 0 С і об'ємної швидкості
10 000 - 35 000 год -1 (час контакту 10 - 40 с). У цих умовах фактична ступінь конверсії становить 10 - 20%. Більш високій температурі відповідають більш високі тиск і об'ємна швидкість.
Останнім часом з метою зниження енергетичних витрат розроблені та реалізовані в промисловості способи синтезу метанолу при більш низьких тисках (5 - 10 МПа) і температурі (300 - 350 0 С). Цього вдалося досягти шляхом застосування нових, більш активних гетерогенних каталізаторів і поліпшення очищення синтез-газу від сірчистих сполук, дезактивуючих ці каталізатори.
б) З метану метиловий спирт одержують при високому тиску і великому надлишку метану в газовій суміші. Для того, щоб основним продуктом окислення метану був метанол, необхідний тиск 106 атм. і темпреатура реакції 340 0 С. У цих умовах і співвідношенні метан: кисень = 9: 1 ступінь окислення метану становить 22%, причому 17% прореагировавшего метану перетворюється на спирт, 0,75% - у формальдегід, а решта повністю окислюється до двоокису вуглецю і води.
Гомологи метану окислюються легше, але при окисленні їх утворюється багато побічних продуктів, що ускладнює їх розділення.
Таким чином, найбільш зручним і економічним є спосіб отримання метанолу з окису вуглецю і водню.
4. Фізико-хімічні властивості системи, покладеної в основу процесу виробництва метанолу з синтез-газу.
Синтез метанолу заснований на оборотних реакціях, що описуються рівняннями:
СО + 2Н 2 ↔ СН 3 ОН + 90,8 кДж (1)
СО 2 + 3Н 2 ↔ СН 3 ОН + 49,6 кДж (2)
Ці реакції екзотермічну і протікають з зменшенням обсягу. З цього випливає, що для досягнення максимальних значень виходу метанолу та ступеня перетворення синтез-газу необхідно проведення процесу при низьких температурах і високих тисках.
Константа рівняння (1) може бути обчислена по рівнянню:
У табл. 1 наведені значення констант рівноваги реакції (1) при різних тисках і температурах:
Як видно, ступінь перетворення суміші СО + 2Н 2 в метанол (ступінь конверсії) збільшується з підвищенням тиску і зменшується з підвищенням температури. Однак для збільшення швидкості реакції необхідне підвищення температури. При цьому, вибираючи оптимальний температурний режим, необхідно враховувати утворення побічних сполук: метану, вищих спиртів, кислот, альдегідів, кетонів та ефірів. Ці реакції зумовлюють даремний витрата синтез-газу і здорожують очищення метанолу.
Оптимальний інтервал температур, відповідних найбільшому виходу продукту, визначається активністю каталізатора, об'ємною швидкістю газової суміші і тиском. Процеси низького тиску (5 - 10 МПа) на медьсодержащих каталізаторах здійснюють при температурі 220 - 280 0 С. Для цинк-хромового каталізатора характерні більш високі тиск (20 - 30 МПа) і температури (350 - 400 0 С). У промислових синтезах високого тиску підвищення тиску обмежена величиною 40 МПа, оскільки вище цього значення прискорюються побічні реакції і, крім того, збільшення витрат на компресію газу погіршують економічні показники процесу. У синтезах низького тиску підвищення тиску обмежено термічною стабільністю мідних каталізаторів.
5. Промисловий синтез метилового спирту включає три основні стадії:
1) отримання суміші окису вуглецю і водню (синтез-газ);
2) отримання метилового спирту-сирцю;
3) виділення і очищення метилового спирту.
Розглянемо технологічну схему виробництва метанолу при низькому тиску.
Природний газ стискається турбокомпресором 1 до тиску 3 МПа, підігрівається в подогревателе 2 за рахунок спалювання у міжтрубному просторі природного газу і спрямовується на сіркоочистки в апарати 3 та 4, де послідовно здійснюється каталітичне гідрування органічних сполук сірки і поглинання утворюється сірководню адсорбентом на основі оксиду цинку. Після цього газ змішується з водяною парою і діоксидом вуглецю в співвідношенні СН 4: Н 2 О: СО 2 = 1: 3,3: 0,24. Суміш направляється в трубчастий конвектор 5, де на нікелевому каталізаторі відбувається паро-углекислотная конверсія при 850 - 870 0 С. Теплоту, необхідну для конверсії, отримують в результаті спалювання природного газу у спеціальних пальниках. Конвертований газ надходить в котел-утилізатор 6, де охолоджується до 280 - 290 0 С. Потім теплоту газу використовують в теплообміннику 7 для підігріву живильної води, що направляється в котел-утилізатор. Пройшовши повітряний холодильник 8 і сепаратор 9, газ охолоджується до 35 - 40 0 С. Охолоджений конвертований газ стискають до 5 МПа в компресорі 10, змішують з циркуляційним газом і подають в теплообмінники 11, 12, де він нагрівається до температури 220 - 230 0 С. Нагріта газова суміш надходить у колону синтезу 13, температурний режим у якої регулюють за допомогою холодних байпасів. Теплоту реакційної суміші використовують в теплообмінниках 11, 12 для підігріву надходить у колону газу. Далі газова суміш охолоджується в холодильнику-конденсаторі 14, сконденсировавшейся метанол-сирець відокремлюється в сепараторі 15 і вступає у збірник 16. Циркуляційний газ повертають на синтез, продувні і танкові гази передають на спалювання в трубчасту піч.
Внаслідок зниження температури синтезу при низькому тиску процес здійснюється в умовах, близьких до рівноваги, що дозволяє збільшити продуктивність агрегату.
Конструкція і виготовлення реакторів для проведення процесу при низькому тиску простіше завдяки більш м'яким умовами синтезу. При цьому застосовують реактори як шахтні, так і трубчасті. У реакторах для синтезу при низькому тиску особлива увага приділяється знімання тепла, так як медьсодержащие каталізатори чутливі до коливань температури. У шахтних реакторах температурний режим регулюють за помощ'ю байпасів, холодний газ вводять через спеціальні розподільні пристрої. У трубчастих реакторах каталізатор перебуває в трубках, охолоджуваних киплячою водою. Температуру каталізатора підтримують постійною по всій довжині реактора за допомогою регуляторів тиску, причому перегріви каталізатора практично виключені. Вивантаження отработанноготкатализатора протікає теж досить просто - шляхом зняття колосникових решіток. Діаметр реакторів досягає 6 м при довжині 8 - 16 м .
6. Розрахунок матеріального балансу процесу отримання метанолу, інтенсивності роботи каталізатора, годинної продуктивності установки (варіант 1.1).
У результаті процесу відбуваються такі процеси:
1) З + 2Н 2 = СН 3 ОН + Q
2) З + 3Н 2 = СН 4 + Н 2 О
3) 2СО + 2Н 2 = СН 4 + СО 2
4) 2СО = СО 2 + З
5) З + Н 2 = НСНО
6) 2СН 3 ОН = (СН 3) 2 О + Н 2 О
7) СН 3 ОН + Н 2 = СН 4 + Н 2 О
Дані для розрахунку:
1. Робочий об'єм каталізатора - 24 м 3 .
2. Витрата окису вуглецю та метанолу на побічні продукти:
СО СН 3 Про
Реакція 2 - 3,8 Реакція 6 - 1,9
Реакція 3 - 4,1 Реакція 7 - 0,5
Реакція 4 - 2,5
Реакція 5 - 0,7
Температура Т = 643 До
Тиск Р = 36,5 МПа
Об'ємна швидкість
Мольне співвідношення Н 2: СО = 6,2: 1
3. База для розрахунку - 1 година роботи установки.
Рішення:
1. Розрахуємо обсяг синтез-газу, що подається за 1 годину в реактор.
Перерахуємо обсяг газу з нормальних умов в умови реактора:
де р, V, Т - відповідно тиск, об'єм при даній температурі,
р 0, V 0 - тиск та об'єм при нормальних умовах.
Звідси
Тоді враховуючи обсяг каталізатора, обсяг синтез-газу буде дорівнює:
2. Знаючи молярний відносини, визначимо маси Н 2 і СО 2, що подаються в реактор за 1 годину.
Знаючи, що при нормальних умовах 1 моль будь-якого газу займає об'єм 22,4 л (0, 224 м 3 ), Визначимо кількість молей водню та оксиду вуглецю:
Тоді кількості молей газів складуть:
Масова витрата водню складе
3. Витрата окису вуглецю на побічні і пряму реакції складе:
На реакцію 2 m (СО) = 120000 · 0,038 = 4560 кг / год
На реакцію 3 m (СО) = 120000 · 0,041 = 4920 кг / год
На реакцію 4 m (СО) = 120000 · 0,025 = 3000 кг / год
На реакцію 5 m (СО) = 120000 · 0,007 = 840 кг / год
Тоді на пряму реакцію буде витрачено СО:
m (СО) = 120000 - 4560 - 4920 - 3000 - 840 = 106 680 кг / год
4. Розрахуємо масу метанолу виходячи з рівняння реакції (1):
5. Розрахуємо масу метанолу, що реагує по побічних реакцій та метанолу, отриманого у вигляді продукту:
На реакцію 6 m (СН 3 ОН) = 121 920 0,019 = 2316,5 кг / год
На реакцію 7 m (СН 3 ОН) = 121 920 0,005 = 609,6 кг / год
Тоді в якості продукту буде отримано метанолу:
m (СН 3 ОН) = 121 920 - 2316,5 - 609,6 = 118993,9 кг / год
6.Проведем балансові розрахунки по основній і побічних реакцій:
Реакція 1:
Витрата водню складе:
Реакція 2:
Витрата водню складе:
буде отримано метану:
буде отримано води:
Реакція 3:
Витрата водню складе:
Буде отримано метану:
Буде отримано діоксиду вуглецю:
Реакція 4:
Буде отримано діоксиду вуглецю:
Буде отримано вуглецю:
Реакція 5:
Витрачено водню:
Буде отримано формальдегіду:
Реакція 6:
Буде отримано диметилового ефіру:
Буде отримано води:
Реакція 7:
Буде витрачено водню:
Буде отримано метану:
Буде отримано води:
Маса непрореагировавшеговодорода складе:
m (Н 2) = 53 140 - 15 240 - 977,1 - 351,4 - 60 - 38,1 = 36 473,4 кг / год
7. Результати розрахунків зведемо в таблицю матеріального балансу:
Складемо баланс по метанолу:
2) Селективність - частка (або відсоток) перетвореного сировини, витрачена на освіту цільового продукту:
Так як в реактор надходить 120 000 кг / год оксиду вуглецю, а на освіту метанолу витратиться 106 680 кг / год СО, то селективність процесу складе:
Так як витрати водню на основну реакцію складе 15 240 кг / год, то селективність за воднем складе:
3) Витратні коефіцієнт - витрата сировини на отримання однієї тонни цільового продукту. Витратний коефіцієнт з урахуванням селективності розраховується за рівнянням:
Таким чином, видатковий коефіцієнт оксиду вуглецю на отримання 1 тонни метанолу складе:
Сумарні втрати водню в% мас. на всіх стадіях буде дорівнює:
Витратний коефіцієнт за воднем з урахуванням втрат складе:
4) Конверсія вихідної сировини - кількість перетвореного сировини, віднесене до завантаження реактора, виражене у відсотках або частках одиниці. Конверсія характеризує ступінь перетворення сировини в цільові та побічні продукти і, в кінцевому рахунку, кількість сировини, що підлягає рециркуляції. Конверсію визначаємо за формулою:
де
Конверсія по оксиду вуглецю СО складе:
Конверсія по водню складе:
Метанол являє собою безбарвну рідину (т. кип. 64,7 0 С, т. пл. - 97,8 0 С, щільність 0,79 г / см 3, теплота випаровування 263 ккал / кг, критична температура 240 0 С) з запахом, подібним запахом етилового спирту. Він горючий, дає з повітрям вибухонебезпечні суміші (6 - 34,7% об'ємно.) Температура займання його пари у повітрі 535 0 С. Теплота розчинення у воді при нескінченному розведенні 64,4 ккал / кг. Змішується у всіх відносинах з водою, спиртами, бензолом, ацетоном і мнгімі іншими рідинами, але не змішується з аліфатичними вуглеводнями З деякими органічними рідинами (наприклад, з ацетоном, бензолом, дихлоретаном) утворює азеотропниє суміші.
Метанол являє собою велику небезпеку через свою високу токсичність. Є сильним нервовим і судинною отрутою кумулятивного дії; володіє також слабким наркотичною дією. Гранично допустима концентрація парів метилового спирту в повітрі виробничих приміщень 50 мг / м 3.
У хімічній промисловості метанол застосовується як напівпродукт для багатьох промислових синтезів. У найбільших кількостях метанол використовується для отримання формальдегіду, а також в якості метіліруют агента у виробництві таких важливих продуктів, як діметілтерефталат, метилметакрилат, деякі пестициди.
У нафтопереробної промисловості метиловий спирт служить селективним розчинником для очищення бензинів від меркаптанів та азеотропниє реагентом при виділенні толуолу ректифікацією. У суміші з етиленгліколем метиловий спирт застосовується для екстракції толуолу з бензинів.
Також метанол застосовується для виробництва карбамідних смол, оцтової кислоти, синтетичних каучуків, полівінілового спирту та ацеталей, антифризів, денатуруючих добавок. Значно зріс інтерес до метанолу як до важливого і економічно ефективному сировини для одержання водню і синтез-газу, які широко застосовують в металургії, у виробництві аміаку. Істотно розширюється використання метанолу для очищення стічних вод від шкідливих сполук азоту, для виробництва кормового білка. Останнім часом передбачається, що метанол знайде широке застосування в якості джерела енергії, газового палива для теплових електростанцій моторного палива і як компонент автомобільних бензинів. Завдяки добавці метанолу поліпшуються антіденотаціонние властивості бензинів, підвищується ККД двигуна і зменшується вміст шкідливих речовин у вихлопних газах.
2. Сировинні джерела отримання метанолу. Перспективи використання різних видів сировини.
Раніше метанол отримували сухою перегонкою деревини (деревний спирт), але цей метод повністю витіснений синтезом з окису вуглецю і водню, який здійснений у великих масштабах в усіх передових країнах. Тверде паливо зберігає як сировини певне значення. Розробка процесу газифікації вугілля з метою отримання синтез-газу, що містить Н 2, СО 2, СО, може змінити структуру сировинної бази виробництва метанолу і таким чином незручний для транспортування вугілля буде перетворений в зручний для зберігання, транспортування та використання метанол. Перспективним способом отримання метанолу є неповне окислення метану та його гомологів.
3. Сучасні промислові способи отримання метанолу.
а) Синтез метанолу з оксиду вуглецю і водню здійснюють частіше всього на промислових установках при 20 - 35 МПа, 370 - 420 0 С і об'ємної швидкості
10 000 - 35 000 год -1 (час контакту 10 - 40 с). У цих умовах фактична ступінь конверсії становить 10 - 20%. Більш високій температурі відповідають більш високі тиск і об'ємна швидкість.
Останнім часом з метою зниження енергетичних витрат розроблені та реалізовані в промисловості способи синтезу метанолу при більш низьких тисках (5 - 10 МПа) і температурі (300 - 350 0 С). Цього вдалося досягти шляхом застосування нових, більш активних гетерогенних каталізаторів і поліпшення очищення синтез-газу від сірчистих сполук, дезактивуючих ці каталізатори.
б) З метану метиловий спирт одержують при високому тиску і великому надлишку метану в газовій суміші. Для того, щоб основним продуктом окислення метану був метанол, необхідний тиск 106 атм. і темпреатура реакції 340 0 С. У цих умовах і співвідношенні метан: кисень = 9: 1 ступінь окислення метану становить 22%, причому 17% прореагировавшего метану перетворюється на спирт, 0,75% - у формальдегід, а решта повністю окислюється до двоокису вуглецю і води.
Гомологи метану окислюються легше, але при окисленні їх утворюється багато побічних продуктів, що ускладнює їх розділення.
Таким чином, найбільш зручним і економічним є спосіб отримання метанолу з окису вуглецю і водню.
4. Фізико-хімічні властивості системи, покладеної в основу процесу виробництва метанолу з синтез-газу.
Синтез метанолу заснований на оборотних реакціях, що описуються рівняннями:
СО + 2Н 2 ↔ СН 3 ОН + 90,8 кДж (1)
СО 2 + 3Н 2 ↔ СН 3 ОН + 49,6 кДж (2)
Ці реакції екзотермічну і протікають з зменшенням обсягу. З цього випливає, що для досягнення максимальних значень виходу метанолу та ступеня перетворення синтез-газу необхідно проведення процесу при низьких температурах і високих тисках.
Константа рівняння (1) може бути обчислена по рівнянню:
У табл. 1 наведені значення констант рівноваги реакції (1) при різних тисках і температурах:
| Константа рівноваги До | Температура, 0 С | Мольна частка СН 3 ОН, | ||
| 1 атм | 100 атм | 300 атм | ||
| 0,34 0,0011 0,000018 | 200 300 400 | 12.10 -4 5.10 -4 8 · 10 -6 | 0,95 0,66 0,07 | 0,98 0,85 0,33 |
Оптимальний інтервал температур, відповідних найбільшому виходу продукту, визначається активністю каталізатора, об'ємною швидкістю газової суміші і тиском. Процеси низького тиску (5 - 10 МПа) на медьсодержащих каталізаторах здійснюють при температурі 220 - 280 0 С. Для цинк-хромового каталізатора характерні більш високі тиск (20 - 30 МПа) і температури (350 - 400 0 С). У промислових синтезах високого тиску підвищення тиску обмежена величиною 40 МПа, оскільки вище цього значення прискорюються побічні реакції і, крім того, збільшення витрат на компресію газу погіршують економічні показники процесу. У синтезах низького тиску підвищення тиску обмежено термічною стабільністю мідних каталізаторів.
5. Промисловий синтез метилового спирту включає три основні стадії:
1) отримання суміші окису вуглецю і водню (синтез-газ);
2) отримання метилового спирту-сирцю;
3) виділення і очищення метилового спирту.
Розглянемо технологічну схему виробництва метанолу при низькому тиску.
Природний газ стискається турбокомпресором 1 до тиску 3 МПа, підігрівається в подогревателе 2 за рахунок спалювання у міжтрубному просторі природного газу і спрямовується на сіркоочистки в апарати 3 та 4, де послідовно здійснюється каталітичне гідрування органічних сполук сірки і поглинання утворюється сірководню адсорбентом на основі оксиду цинку. Після цього газ змішується з водяною парою і діоксидом вуглецю в співвідношенні СН 4: Н 2 О: СО 2 = 1: 3,3: 0,24. Суміш направляється в трубчастий конвектор 5, де на нікелевому каталізаторі відбувається паро-углекислотная конверсія при 850 - 870 0 С. Теплоту, необхідну для конверсії, отримують в результаті спалювання природного газу у спеціальних пальниках. Конвертований газ надходить в котел-утилізатор 6, де охолоджується до 280 - 290 0 С. Потім теплоту газу використовують в теплообміннику 7 для підігріву живильної води, що направляється в котел-утилізатор. Пройшовши повітряний холодильник 8 і сепаратор 9, газ охолоджується до 35 - 40 0 С. Охолоджений конвертований газ стискають до 5 МПа в компресорі 10, змішують з циркуляційним газом і подають в теплообмінники 11, 12, де він нагрівається до температури 220 - 230 0 С. Нагріта газова суміш надходить у колону синтезу 13, температурний режим у якої регулюють за допомогою холодних байпасів. Теплоту реакційної суміші використовують в теплообмінниках 11, 12 для підігріву надходить у колону газу. Далі газова суміш охолоджується в холодильнику-конденсаторі 14, сконденсировавшейся метанол-сирець відокремлюється в сепараторі 15 і вступає у збірник 16. Циркуляційний газ повертають на синтез, продувні і танкові гази передають на спалювання в трубчасту піч.
Внаслідок зниження температури синтезу при низькому тиску процес здійснюється в умовах, близьких до рівноваги, що дозволяє збільшити продуктивність агрегату.
Конструкція і виготовлення реакторів для проведення процесу при низькому тиску простіше завдяки більш м'яким умовами синтезу. При цьому застосовують реактори як шахтні, так і трубчасті. У реакторах для синтезу при низькому тиску особлива увага приділяється знімання тепла, так як медьсодержащие каталізатори чутливі до коливань температури. У шахтних реакторах температурний режим регулюють за помощ'ю байпасів, холодний газ вводять через спеціальні розподільні пристрої. У трубчастих реакторах каталізатор перебуває в трубках, охолоджуваних киплячою водою. Температуру каталізатора підтримують постійною по всій довжині реактора за допомогою регуляторів тиску, причому перегріви каталізатора практично виключені. Вивантаження отработанноготкатализатора протікає теж досить просто - шляхом зняття колосникових решіток. Діаметр реакторів досягає
6. Розрахунок матеріального балансу процесу отримання метанолу, інтенсивності роботи каталізатора, годинної продуктивності установки (варіант 1.1).
У результаті процесу відбуваються такі процеси:
1) З + 2Н 2 = СН 3 ОН + Q
2) З + 3Н 2 = СН 4 + Н 2 О
3) 2СО + 2Н 2 = СН 4 + СО 2
4) 2СО = СО 2 + З
5) З + Н 2 = НСНО
6) 2СН 3 ОН = (СН 3) 2 О + Н 2 О
7) СН 3 ОН + Н 2 = СН 4 + Н 2 О
Дані для розрахунку:
1. Робочий об'єм каталізатора -
2. Витрата окису вуглецю та метанолу на побічні продукти:
СО СН 3 Про
Реакція 2 - 3,8 Реакція 6 - 1,9
Реакція 3 - 4,1 Реакція 7 - 0,5
Реакція 4 - 2,5
Реакція 5 - 0,7
Температура Т = 643 До
Тиск Р = 36,5 МПа
Об'ємна швидкість
Мольне співвідношення Н 2: СО = 6,2: 1
3. База для розрахунку - 1 година роботи установки.
Рішення:
1. Розрахуємо обсяг синтез-газу, що подається за 1 годину в реактор.
Перерахуємо обсяг газу з нормальних умов в умови реактора:
де р, V, Т - відповідно тиск, об'єм при даній температурі,
р 0, V 0 - тиск та об'єм при нормальних умовах.
Звідси
Тоді враховуючи обсяг каталізатора, обсяг синтез-газу буде дорівнює:
2. Знаючи молярний відносини, визначимо маси Н 2 і СО 2, що подаються в реактор за 1 годину.
Знаючи, що при нормальних умовах 1 моль будь-якого газу займає об'єм
Тоді кількості молей газів складуть:
Масова витрата водню складе
3. Витрата окису вуглецю на побічні і пряму реакції складе:
На реакцію 2 m (СО) = 120000 · 0,038 = 4560 кг / год
На реакцію 3 m (СО) = 120000 · 0,041 = 4920 кг / год
На реакцію 4 m (СО) = 120000 · 0,025 = 3000 кг / год
На реакцію 5 m (СО) = 120000 · 0,007 = 840 кг / год
Тоді на пряму реакцію буде витрачено СО:
m (СО) = 120000 - 4560 - 4920 - 3000 - 840 = 106 680 кг / год
4. Розрахуємо масу метанолу виходячи з рівняння реакції (1):
5. Розрахуємо масу метанолу, що реагує по побічних реакцій та метанолу, отриманого у вигляді продукту:
На реакцію 6 m (СН 3 ОН) = 121 920 0,019 = 2316,5 кг / год
На реакцію 7 m (СН 3 ОН) = 121 920 0,005 = 609,6 кг / год
Тоді в якості продукту буде отримано метанолу:
m (СН 3 ОН) = 121 920 - 2316,5 - 609,6 = 118993,9 кг / год
6.Проведем балансові розрахунки по основній і побічних реакцій:
Реакція 1:
Витрата водню складе:
Реакція 2:
Витрата водню складе:
буде отримано метану:
буде отримано води:
Реакція 3:
Витрата водню складе:
Буде отримано метану:
Буде отримано діоксиду вуглецю:
Реакція 4:
Буде отримано діоксиду вуглецю:
Буде отримано вуглецю:
Реакція 5:
Витрачено водню:
Буде отримано формальдегіду:
Реакція 6:
Буде отримано диметилового ефіру:
Буде отримано води:
Реакція 7:
Буде витрачено водню:
Буде отримано метану:
Буде отримано води:
Маса непрореагировавшеговодорода складе:
m (Н 2) = 53 140 - 15 240 - 977,1 - 351,4 - 60 - 38,1 = 36 473,4 кг / год
7. Результати розрахунків зведемо в таблицю матеріального балансу:
| Компонент | Завантаження, кг / год | Не вступило в реакцію, кг / год | Продукти реакції, кг / год |
| СО Н 2 СН 3 ОН СН 4 СО 2 Н 2 О НСНО З (СН 3) 2 Про | 120 000 53 140 | 36473,4 | 118 993,9 4316,2 6222,8 3925,8 900 642,9 1665 |
| Разом: | 173140 | 36473,4 | 136666,6 |
| Прихід | кг / год | т / добу | Витрата | кг / год | т / добу | |
| Синтез-газ, в т. ч. Н 2 СО | 53 140 120 000 | 1275,36 2880 | СН 3 ОН (СН 3) 2 Про Н 2 О СН 4 СО 2 НСНО З Н 2 | 118 993,9 1 665 3 925,8 4 316,2 6 222,8 900 642,9 36473,4 | 2855,85 39,96 94,22 103,59 149,35 21,6 15,43 875,36 | |
| РАЗОМ | 173 140 | 4155,36 | РАЗОМ | 173 140 | 4155,36 | |
Так як в реактор надходить 120 000 кг / год оксиду вуглецю, а на освіту метанолу витратиться 106 680 кг / год СО, то селективність процесу складе:
Так як витрати водню на основну реакцію складе 15 240 кг / год, то селективність за воднем складе:
3) Витратні коефіцієнт - витрата сировини на отримання однієї тонни цільового продукту. Витратний коефіцієнт з урахуванням селективності розраховується за рівнянням:
Таким чином, видатковий коефіцієнт оксиду вуглецю на отримання 1 тонни метанолу складе:
Сумарні втрати водню в% мас. на всіх стадіях буде дорівнює:
Витратний коефіцієнт за воднем з урахуванням втрат складе:
4) Конверсія вихідної сировини - кількість перетвореного сировини, віднесене до завантаження реактора, виражене у відсотках або частках одиниці. Конверсія характеризує ступінь перетворення сировини в цільові та побічні продукти і, в кінцевому рахунку, кількість сировини, що підлягає рециркуляції. Конверсію визначаємо за формулою:
де
Конверсія по оксиду вуглецю СО складе:
Конверсія по водню складе: