Материальный баланс хлоратора бензола (1т хлорбензола)

Пример 3.6.Составить материальный баланс реактора для каталитического окисления метанола в формальдегид. Производительность реактора G = 10000 т/год СН₂О. Степень превращения СН₂ОН в СН₂О х₁ = 0,7. Общая степень превращения метанола х₂ = 0,8 (с учетом побочных реакций). Содержание метанола в спирто-воздушной смеси w – 40% (об.). Мольное соотношение побочных продуктов в продукционном газе НСООН : СО₂ : СО : СН₄ равно с₁ : с₂ : с₃ : с₄ = 1,8 : 1,6 : 0,1 : 0,3. Агрегат работает n = 341 день в году (с учетом планово-предупредительного ремонта и простоев). Окисление ведется на твердом серебряном катализаторе при 600°С. Расчет ведется на производительность реактора в кг/ч.

Решение. Чрезвычайная реакционная способность формальдегида обусловливает его широкое применение в качестве полупродукта в органических синтезах, особенно в производстве синтетических смол и других веществ.

Формальдегид получают главным образом окислением метанола воздухом. Процесс окисления проводят при 550 – 600°С на серебряном катализаторе. При этом одновременно протекают реакции дегидрирования метанола и его окисления:

СН₃ОН + ½О₂ ® СН₂О + Н₂О + Q (1)

СН₃ОН ® СН₂О + Н₂ – Q (2)

Обычно на реакцию подают лишь около 80% воздуха от количества, соответствующего мольному отношению СН₃ОН : О₂ = 2 : 1 и проводят процесс с неполным сгоранием образовавшегося водорода по реакции

Н₂ + ½О₂ = Н₂О + Q (3)

Выходящие из контактного аппарата газы содержат 20 – 21% формальдегида, 36 – 38% азота и примеси в виде СО, СО₂, СН₄, Н₂, СН₃ОН, НСООН и др.

Образование примесей можно представить следующим образом:

СН₃ОН ® СО + 2Н₂ (4)

СН₃ОН + Н₂ ® СН₄ + Н₂О (5)

СН₃ОН + О₂ ® НСООН + Н₂О (6)

СН₃ОН + 1,5О₂ ® СО₂ + 2Н₂О (7)

Вся эта смесь после охлаждения в холодильнике до 60°С поступает в поглотительную башню, орошаемую водой. Полученный в результате поглощения раствор формалина содержит 10 – 12% метанола, который в данном случае является желательной примесью, так как препятствует полимеризации формальдегида.

Производительность реактора окисления метанола

= 1220 кг/ч СН₂О или = 40,7 кмоль/ч СН₂О

Для получения такого количества формальдегида необходимо метанола [по реакции (1) и (2) на 1 моль формальдегида расходуется 1 моль метанола]:

= 1860 кг или = 58,12 кмоль

где 30 и 32 – мол. массы формальдегида и метанола соответственно; 0,7 – степень превращения метанола в формальдегид.

Объем паров метанола составит: = 1300 м³.

Объем спирто-воздушной смеси: = 3250 м³.

С ней поступает воздуха 3250 – 1300 = 1950 м³. В том числе кислорода 1950 · 0,21 = 410 м³ или 586 кг, азота 1930 · 0,79 = 1540 м³ или 1920 кг.

В состав газовой продукционной смеси входит СН₂О, неокисленный СН₃ОН, азот и побочные продукты: НСООН, СО, СО₂, СН₄, Н₂, а также водяной пар.

Образуется СН₂О – 40,7 кмоль. Определим какое количество метанола расходуется на образование побочных продуктов СО, СН₄, НСООН и СО₂. На образование одного моля любого из этих побочных продуктов по реакциям (4) – (7) расходуется по 1 моль СН₃ОН.

Всего на образование побочных продуктов израсходовано метанола

58,12 · 0,8 – 40,7 = 5,8 кмоль

Остается неокисленным в составе продукционных газов:

58,12 · 0,2 = 11,6 кмоль СН₃ОН или 372 кг