Рентабельность процесса производства характеризуется следующими ТЭП: степень превращения, выход продукта, селективность, производительность, мощность и интенсивность аппаратуры, практический и теоретический расходный коэффициент.
В этом разделе рассматриваются задачи следующих типов:
1. Задачи, в которых обращается внимание на получение вещества или на применение его в производственных условиях.
2. Задачи на определение выхода получаемого вещества по отношению к теоретическому.
3. Задачи, вскрывающие химическую сторону технологии производства и требующие составления уравнения реакции по которой оно протекает.
4. Задачи, в которых обращается внимание на масштабы производства или размеры аппаратуры (башен, камер, колонок) и т. п.
Степень превращения () — это отношение количества вещества, вступившего в реакцию, к его исходному количеству вещества. Допустим, протекает простая необратимая реакция типа А > В. Если обозначить через исходное количество вещества А, а через — количество вещества А в данный момент, то степень превращения реагента А составит
10 класс. Химия. Промышленное получение этилового спирта. 13.05.2020.
Чем выше степень превращения, тем большая часть исходного сырья вступила в реакцию и полнее прошел процесс химического превращения.
Выход продукта (з) является показателем совершенства процесса и показывает отношение количества фактически полученного количества того или иного продукта к его теоретическому количеству.
Производительность аппарата (П) определяет количество готового продукта m фактически вырабатываемый в единицу времени t при заданных условиях процесса производства. Измеряется т/сут, тыс.т/год, кг/ч, нм 3 /сут.
Интенсивность аппарата — производительность, отнесенная к единице полезного объема или к единице полезной площади. Измеряется кг/м 3 и кг/м 2
Максимально возможная производительность аппарата при оптимальных условиях процесса производства называется его мощностью W
Селективность — отношение массы целевого продукта к общей массе продуктов, полученных в данном процессе, или к массе превращенного сырья за время t.
Если А > В, А > С, где В — целевой продукт, С — побочный продукт, то уравнение имеет следующий вид:
Это отношение скорости превращения вещества А в целевой продукт к общей скорости расхода вещества А.
Расходный коэффициент Кр определяет расходы сырья, воды, топлива, электроэнергии пара на единицу произведенной продукции
Формальдегид. Химические свойства.
Gисх — затраты сырья, топлива, энергии при производстве продукта в количестве G. Измеряется в т/т, нм 3 /т, нм 3 / нм 3 , кВт*ч/т.
Примеры решения задач
1. Сколько теоретически можно получить чугуна, содержащего 3% углерода и 3% других элементов, из 1 т железной руды, содержащей 80% железа?
Из каждой тонны железной руды, содержащей в среднем 80% магнитного железняка, выплавляют 570 кг чугуна, содержащего 95% железа. Каков был выход железа от теоретического?
Записываем формулу определения з(Fе):
Обеих величин в условии нет. Но m(Fе)пр можно рассчитать по массе чугуна и массовой доле железа в нем:
m(Fе)пр = 570 кг * 0,95 = 541,5 кг.
Сразу теоретическую массу железа по условию не вычислить. Можно найти массу магнитного железняка по массе руды и содержанию в ней массовой доли железняка:
По вычисленной массе магнитного железняка и его формуле найдем массу железа в нем:
800 > 232 в 3,45 раза => m(Fе) будет > 168 (56 * 3) тоже в 3,45 раза, т. е.
M(Fе) = 168 * 3,45 = 579,6 (кг).
Подставляя полученные значения практической и теоретической массы железа в первоначальную формулу, получим выход железа:
2. Для получения формальдегида метиловый спирт необходимо окислить на серебряном катализаторе: СН3ОН + 0,5О2 = СН2О + Н2О. Кроме основных реакций протекают и побочные. Предположим, что на окисление подается 3,2 кмоль метилового спирта.
Их них образовалось 1,8 кмоль формальдегида, 0,8 моль — побочных продуктов (суммарно) и остались неокисленными 0,6 кмоль метилового спирта. Необходимо найти степень превращения метилового спирта, выход формальдегида и селективность.
Определим степень превращения. Для этого количество непрореагировавшего спирта, оставшегося после реакции, 0,6 кмоль необходимо вычесть из его начального количества 3,2 кмоль. Подставив данные значения в формулу (2.1) получим:
Рассчитаем селективность по формальдегиду. Общее количество полученных продуктов равно сумме количества формальдегида 1,8 кмоль и количества продуктов 0,8 кмоль.
Найдем выход продукта формальдегида.
Ответ: = 0,81, ц(НСНО)= 0,69, з(НСНО)= 56%
Задачи для самостоятельного решения
1. Рассчитать основные технико-экономические показатели получения синтетического аммиака:
а) расходный коэффициент сырья по Н2 и N2 (в м 3 ) на 1т аммиака.
Б) выход аммиака
в) производительность завода.
Г) интенсивность процесса синтеза аммиака в т/м 3 полезного объема колонки в сутки. На 1т аммиака практически расходуется 3000 нм 3 азотоводородной смеси, теоретически 2635 нм 3 . 5 колонок с высотой 0,36 м.
2. Вычислить расходный коэффициент на 1т СН3СООН для СаС2, содержит 65% СаС2, если выход С2Н2 97%, уксусного альдегида 95% и СН3СООН 96%.
3. Вычислить количество аммиака и СО2 (в кг) израсходованных на производство мочевины. Потери мочевины 5% избыток аммиака 100%, степень превращения карбомата аммония мочевину 75%
4. При окислительном дегидрировании метилового спирта протекают одновременно две реакции: дегидрирование и окисление метанола. Выход формальдегида 90% при степени конверсии метанола 65%. Вычислите расход метанола на 1т формальдегида.
6. Печь для варки стекла, производящая в сутки 300т стекломассы имеет ванну длиной 60м, шириной 10м и глубиной 1,5 м. Определить:
а) годовую производительность, если 15 суток печь находится на ремонте
б) интенсивность печи за сутки работы.
В) количество листов оконного стекла за из свариваемой стекломассы (стандарт. Лист 1250 * 700 * 2 мм и плотность 2500 г/м 3 )
7. При прямой гидратации этилена наряду с основной реакцией присоединения Н2О протекают побочные реакции. Так 2% (от массы) этилена расходуется на образование простого диэтилового эфира, 1% ацетальдегида, 2% низкомолекулярного жидкого полимера. Общий выход спирта при многократной циркуляции сост. 95%.
Напишите уравнению химической реакции образовавшихся выше перечисленных соединений и подсчитайте расход этилена на 1т этилового спирта, и сколько диэтилового эфира может при этом получится.
8. Шахтная печь для получения оксида кальция имеет в среднем высоту
14 м и диаметр 4 м; выход оксида кальция составляет 600- 800 кг на 1 м 3 печи в сутки. Определите суточный выход оксида кальция.
9. Производительность печи для обжига колчедана составляет 30 т колчедана в сутки. Колчедан содержит 42,2% серы. Воздух расходуется на 60% больше теоретического. Выход сернистого газа составляет 97,4%.
10. Протекают две параллельные реакции 2А > С и А > 3В. Определите выход продукта С, степень превращения реагента А и селективность по продукту В, если на выходе из реактора известно количество веществ н(А) = 2 моль, н(С)=н(В)=3 моль.
Источник: studbooks.net
Получение формальдегида из метанола
(полиметиленоксид, полиоксиметилен) [-СН2-О-]П — полимер со степенью полимеризации выше 1000, Тпл. = 175-180 °С, Тстекл- = -60 °С. Он растворяется только в моногидрате гексафторацетона и гексафторацетоноксиме. Полиформальдегид применяют, главным образом, как литьевой конструкционный материал в машино-, автомобиле- и приборостроении, для выработки полиформальдегидных волокон, которые используются для производства фильтровальных тканей, рыболовных изделий, канатов и швейных ниток.
Более 40% производимого метанола идет на получение формальдегида. Производство формальдегида в крупных масштабах обусловлено использованием его для получения ценных веществ, прежде всего, формальдегидных смол, находящих широкое применение в промышленности полимеров: фенолформальдегидных, мочевиноформальдегидных и др. На это расходуется более 60% производимого формальдегида. Следует упомянуть использование формальдегида в качестве промежуточного вещества для получения изопрена, гексаметилентетрамина (уротропина), пентаэритрита и других ценных продуктов. Переработка метанола в формальдегид осуществляется двумя основными каталитическими способами -окислением его воздухом и дегидрированием:
Окисление метанола в формальдегид проводится с использованием серебряного катализатора при температуре 650 °С и атмосферном давлении. Это хорошо освоенный технологический процесс (BASF), и 80 % формальдегида получается именно по этому методу.
Рассмотрим технологическую схему производства формальдегида на катализаторе «серебро на пемзе» (рис. 7.1).
Рис. 7.1. Схема производства формальдегида окислительной конверсией метилового спирта на катализаторе «серебро на пемзе»: 1 — испаритель; 2 — перегреватель; 3 — реактор; 4 — подконтактный холодильник; 5 — абсорбер; 6 — сборник формалина; 7 — скруббер; I
- — воздух; II — водный метиловый спирт; III — вода; IV — формалин; V
- — газы
В аппарате 1 70-90 %-ный водный метиловый спирт при 74 °С испаряется в токе воздуха, и спиртовоздушная смесь, перегретая в аппарате 2 до 110 °С, пропускается в реакторе 3 со скоростью 1,5- 1,6 м/с через слой катализатора. В зоне контактирования за счет теплоты реакции устанавливается температура 650-690 °С.
Реакционный газ пропускается через подконтактный трубчатый холодильник 4, где охлаждается до 140 °С за счет испарения воды в межтрубном пространстве. Полученный пар используется для испарения спиртоводной смеси в аппарате 1. В абсорбере 5 формальдегид и непревращенный метиловый спирт поглощаются водой, а отходящие газы, пройдя промывку в скруббере 7, выбрасываются в атмосферу. Теплота абсорбции снимается внутренними холодильниками, установленными в абсорбере 5. Товарный формалин содержит обычно 10-11 % мае. метилового спирта и до 0,04-0,06 % мае. муравьиной кислоты.
На выходе из реактора 3 газ практически не содержит кислорода. Степень превращения метилового спирта за проход не превышает 85-86 %, выход альдегида на превращенный спирт составляет 82-84 %. Расход метилового спирта на получение 1 т 100 %-ного формальдегида равен 1,23-1,27 т.
На поверхности серебряного катализатора протекает не только реакция окисления метанола, но и реакция окислительного дегидрирования:
Источник: bstudy.net
Производство формальдегида на серебряном катализаторе
Основной производственный метод получения формальдегида во всем мире уже много лет — каталитическое взаимодействие метанола с кислородом воздуха.
В 20-х годах многими исследователями было показано, что серебро и его сплавы более эффективны в качестве катализаторов, чем медь.
Как известно, смеси метанола с кислородом или воздухом взрывоопасны. При атмосферном давлении область распространения пламени в смесях метанол — воздух находится в диапазоне объемного содержания метанола от 6,7 до 36,4 %. При добавлении инертного газа (азот) пределы взрывных концентраций сужаются, также аналогичный эффект оказывает добавление паров воды (рисунок 1.1). С повышением температуры указанные пределы несколько расширяются.
Рисунок 1.1 — Влияние воды на размеры области распространения пламени в смесях метанола с воздухом
Окислительная конверсия метанола на серебре (рисунок 1.2) проводится при соотношении метанол : воздух выше верхнего предела взрывной концентрации, то есть при большом избытке метанола по отношению к кислороду.
Образование формальдегида осуществляется в результате протекания параллельных реакций простого и окислительного дегидрирования метанола (тепловые эффекты найдены на основе данных [17, стр. 33], ?Q298 = — ?Н298):
СН3ОН + 0,5О2 > СН2О + Н2О + 147,4 кДж/моль, (1.4.1)
СН3ОН > СН2О + Н2 — 93,4 кДж/моль. (1.4.2)
Наряду с этими реакциями в системе протекает ряд побочных превращений:
СН3ОН + 3/2О2 > СО2 + 2Н2О + 575,1 кДж/моль, (1.4.3)
СН2О + 0,5О2 > НСООН + 270,4 кДж/мол, (1.4.4)
НСООН + 0,5О2 > СО2 + Н2О + 14,5 кДж/моль, (1.4.5)
СН2О > СО +Н2 + 1,9 кДж/моль. (1.4.6)
Рисунок 1.2 — Технологическая схема производства формальдегида на серебряном катализаторе
1 — испаритель; 2 ,7- теплообменник; 3 — реактор; 4 — катализатор; 5 — подконтактный холодильник; 6 — абсорбер; 8 — сборник формалина; а -воздух, б — метанол, в — вода, г — метанольный формалин.
Технологическая схема рассматриваемого процесса приведена на рисунке 1.2. Она состоит из следующих узлов: Испарителя 1; четырех теплообменников 2 и 7; реактора 3, в который входят катализатор 4 и подконтактный холодильник 5; абсорбера 6; сборника формалина 8.
На схеме производства формальдегида на катализаторе серебро на носителе метанол, содержащий 20 — 25 % воды, поступает в испаритель 1, где испаряется в токе воздуха. Паровоздушная смесь перегревается до 110 °С в теплообменнике 2 и подается в верхнюю часть реактора 3. При пуске системы слой катализатора 4 в реакторе разогревается до 250 — 300 °С с помощью специального электроподогревателя, а после «зажигания» слоя температура катализатора поддерживается на заданном уровне за счет тепла реакции. Пройдя с высокой скоростью через слой катализатора, реакционная смесь охлаждается в подконтактном холодильнике 5. Далее газообразные продукты реакции поступают в абсорбер 6, где из них извлекаются формальдегид и не прореагировавший метанол. Абсорбер, представляющий собой тарельчатую колонну, разделен на три секции. Нижняя секция орошается формалином, средняя — раствором, содержащий 15 — 20 % формальдегида, а верхняя — чистой водой. Из низа абсорбера выходит товарный формалин г.
Превращение метанола в формальдегид происходит в результате контакта молекул спирта с кислородом, хемосорбированных на атомах серебра, то есть активными центрами катализатора являются поверхностные окислы серебра.
В условиях технического процесса значение ?Q составляет 90 — 100 кДж. Исходная смесь, попадая в реактор, нагревается более, чем на 500 оС, процесс осуществляется без отвода тепла — адиабатический режим. С учетом большого разбавления азотом, система в целом малочувствительна к изменению давления. Изменение общего давления от 0,01 до 1 МПа практически не влияет на состав продуктов.
При температуре около 300 оС происходит «зажигание» катализатора, то есть переход от изотермического к адиабатическому режиму. Этот момент характеризуется быстрым и самопроизвольным повышением температуры «горячей точки» катализатора до 600 — 700 оС, соответствующей заданному мольному отношению кислород : метанол.
Разбавление спиртовоздушной смеси инертными газами — один из способов повышения общей конверсии метанола [18]. Оптимальным разбавлением является отношение инерт : метанол = 1,5 : 1 ч 2 : 1. В этих пределах разбавления лежат рекомендации патентов [20]. В качестве разбавителя рекомендуется применять абгазы, азот, аргон, гелий [18, 19], диоксид углерода [20].
В таблице 1.8 приведены показатели процесса получения формальдегида с рециркуляцией отходящего газа по данным фирмы BASF [17, стр. 44].
Добавление к исходному метанолу воды, помимо уменьшения взрывоопасности процесса, благоприятно сказывается на таких показателях, как селективность, стабильность работы катализатора.
Таблица 1.8 — Показатели процесса получения формальдегида
Мольная селективность образования формальдегида, %
Источник: vuzlit.com