Проект производства формалина (стр. 17 из 23)
Рис.17.1 – Схема теплового баланса контактного аппарата.
Qпр = G1Cp1t + G2Cp2t + G3Cp3t + G4Cp4t + G5Cp5t; (17.1)
Qрасх = G6Cp6t + G7Cp7t + G8Cp8t + G9Cp9t + G10Cp10t + G11Cp11t + G12Cp12t 17.2)
1. Стадия синтеза
Приход:
а) теплота реакции дегидрирования;
б) теплота реакции окисления;
в) теплосодержание спирто-воздушной смеси.
Расход:
а) теплосодержание реакционных газов на входе из зоны контактирования;
б) теплопотери в окружающую среду.
Приход:
а) на реакцию дегидрирования расходуется CH3OH = 5787,88 кг/ч;
1) CH3OH → CH2O + H2.
б) на реакцию окисления расходуется CH3OH = 7074,84 кг/ч;
2) CH3OH + ½O2 → CH2O + H2O.
Тепловой эффект реакции при 20оС (293К):
реакции (1) – (-9791,18 Вт);
реакции (2) – 492840Вт [1 с. 448];
Определим тепловой эффект реакции при 650оС (923К):
Q923 = Q923 + ά(T – 293) + β(T2 – 2932) + j(T3 – 2933);(17.3)
где, Т – температура реакции;
β – алгебраическая сумма коэффициентов деленная пополам;
ά – алгебраическая сумма коэффициентов из выражений молярных теплоносителей веществ;
j – алгебраическая сумма коэффициентов деленная на три [1 с. 450].
Тепловой эффект реакции дегидрирования – (-12782,14 Вт).
Тепловой эффект реакции окисления – 24837901,83 Вт.
в) теплосодержание спирто-воздушной смеси при 100°С определяем из уравнения:
(17.4)где, Ср – теплоемкость, [Дж/кг К] [1 с. 471];
G – массовый расход, кг/ч [таблица 13].
Qс.в.с. = 3299796 Вт.Расход:
а) теплосодержание контактных газов при 650оС
(17.5)где, Ср – теплоемкость, Дж/кг К;
Qк.г. = 26505323 Вт.
б) материальный баланс стадии контактирования:
Qс.в.с. + Qp = Qк.г. + Qпот;(17.6)
Qp = -12782,14 + 24837901,83 = 24825119,69 Вт.
Теплопотери определяются по разности:
Qпот = Qс.в.с. + Qр – Qк.г;. (17.7)
Qпот = 3299796 + 24825119,69 – 26505323 = 1619592,69 Вт;
что, составит:
от прихода тепла.
2. Количество воды на охлаждение контактных газов в подконтактном холодильнике: теплосодержание газов на входе в холодильник, Qк.г. = 26505323 Вт.
Температуру газов на входе из холодильника принимаем 180оС, определяем теплосодержание газов при 180оС.
Всего: i = 5416347,534 Вт.
Количество теплоты, принятой водой в холодильнике составляет:
Qохл = 26505323 – 5416347,534 = 21088975,47 Вт.
Отсюда определяем расход воды на охлаждение:
tвх = 90оС (конденсат);
tвых = 123оС (пар Р = 0,2МПа).
(17,8) 
GH2O = 37966,56 кг/ч = 10,5 кг/с.
3. Абсорбция
Приход:
а) количество тепла приходящего с контактными газами:
Qк.г. = 5416347,53 Вт;
б) тепло приходящее с оросительной водой при 20°С:
(17.9)где, Ср – теплоемкость воды (кДж/кг К).
в) количество тепла процесса абсорбции:
(17.10) 
Расход
а) количество тепла, уходящее с выхлопными газами, при 20°С:
(17.11)где, G – массовый расход (кг/ч);
Ср – удельная теплоемкость (кДж/кг К); t – температура (° С).
б) количество тепла, уходящее в окружающую среду (принимаем 2 % от прихода тепла):
в) количество теплоты, принятое хладоагентом теплообменников (встроенных и выносных)
(17.12)где, Qф.с. – количество тепла, уходящее с формалином-″сырцом″ и рассчитывается по формуле:
(17.13) 
4. Ректификация
Тепловой баланс:
(17.14)где, Qф.с. – тепло формалина-″сырца″;
Q8 – тепло формалина стандартного;
Q9 – тепло формалина-″сырца″; Qрект. – тепло процесса ректификации.
17. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОСНОВНОГО АППАРАТА
17.1 Технологический расчет реактора
Главной целью технологического расчета секции контактирования является определение высоты слоя катализатора, при которой может быть обеспечена новая производительность. Расчеты будем проводить согласно методике, предложенной в [9], где рассматривается аналогичный случай.
Процесс каталитического окислительного дегидрирования метанола в формальдегид происходит в реакторе поверхностного контакта при Р = 0,76 105 Па.
Реактор (контактный аппарат) предназначен для окислительного дегидрирования метанола в формальдегид в газовой фазе на пемзосеребряном катализаторе. Для расчета выбран вертикальный стальной цилиндрический аппарат, смонтированный непосредственно над верхней трубной решеткой подконтактного холодильника. В нижней части аппарата на свободно лежащую решетку, покрытую двумя слоями сеток, засыпан катализатор. Над слоем катализатора предусмотрено распределительное устройство, имеющее 24 щели размером 200
500 мм для равномерного распределения потока спиртовоздушной смеси. Разогрев катализатора производят двумя нихромовыми электроспиралями (d = 0,4 м, U = 220 В).Аппарат снабжен штуцером входа спиртовоздушной смеси Dy = 600 мм, Рy = 0,6 МПа, одним предохранительным устройством Dy = 350 мм, Рy = 0,6 МПа, люком-лазом Dy = 500 мм, Рy = 1,6 МПа.
Определяющим эталоном является диффузия.
Состав исходного газа [таблица 16.3]
CH3OH –50,84%; O2 –13,84%;
CH2O – 0,09%; N2 –34,07%.
H2O – 1,16 %;
Состав контактного газа:
CH3OH –22%; СО – 0,33%;
CH2O – 23,24%; Н2 – 0,58% ;
H2O – 12,76 %; N2 – 37,9%.
СО2 – 3,19%;
Плотности и вязкости компонентов смеси в таблице 18.1.
Таблица 18.1 – Плотности и вязкости компонентов смеси
| t, oC | константа | Компоненты газовой смеси | |||||||
| CH3OH | CH2O | O2 | H2O | N2 | H2 | CO | CO2 | ||
| 100 | ρ | 1,04 | 0,925 | 1,04 | 0,588 | 0,913 | |||
| μ | 0,864 | 0,104 | 0,0028 | 0,0748 | |||||
| 650 | ρ | 0,4216 | 0,3952 | 0,237 | 0,368 | 0,026 | 0,368 | 0,605 | |
| μ | 0,082 | 0,0926 | 0,107 | 0,131 | 0,0658 | 0,131 | 0,13 | ||
Вязкости взяты [4, с. 294, таб. 10] и [7, с. 596, рис. 5]
Плотности веществ определяются по формуле:
(18.1)Среднее значение молекулярных масс М и плотностей газов определяют по правилу аддитивности:
(18.2) 
(18.3)где, n – доли компонентов смеси;
М'см = 0,5084 32 + 0,0009 30 + 0,016 18 + 0,1384 32 + 0,3407 28 = 16,27 + 0,027 + 0,288 + 4,4288 + 9,5396 = 30,53;
М"см = 0,22 32 + 0,2324 30 + 0,1276 18 + 0,0319 44 + 0,0033 28 + 0,0058 2 + 0,379 28 = 7,04 + 6,972 + 2,2968 + 1,4036 + 0,0924 + 0,0116 + 10,612 = 28,43;
ρ'см = 0,5084 1,04 + 0,0009 0,925 + 0,016 0,588 + 0,1384 1,04 + 0,3407 0,913 = 0,5271 + 0,0008325 + 0,009408 + 0,143936 + 0,3110591 = 0,9923 [кг/м3];
ρ"см = 0,22 0,4216 + 0,2324 0,3952 + 0,1276 0,237 + 0,0319 0,605 + 0,0033 0,368 + 0,0058 0,026 + 0,379 0,368 = 0,092752 + 0,09184448 + 0,0302412 + 0,0192995 + 0,0012144 + 0,0001508 + 0,139472 = 0,3749 [кг/м3].
На входе (100оС): М = 30,53;
ρ100 = 0,9923.
На выходе (650оС): М = 28,43;
ρ650 = 0,3749.
Степень превращения метанола в формальдегид 0,9067.
Температура исходной смеси 100оС, температура выхода смеси в подконтактный холодильник 650оС.