Задание 1. При газофазном дегидрировании метанола до формальдегида в присутствии твердого катализатора на основе меди протекает одна химическая реакция: \( \text{CH}_3\text{OH} \rightleftharpoons \text{CH}_2\text{O} + \text{H}_2 \) \( \Delta H = 50 \text{ кДж/моль} \) Материальный баланс представлен в таблице:
| № | Приход | кг/час | № | Расход | кг/час |
| 1 | Технический метанол: | 1 | Формальдегид | 1146 | |
| метанол | 1250 | ||||
| вода | 26 | ||||
| 3 | Водород | 80 | |||
| 4 | Метанол | 24 | |||
| 5 | Вода | 26 | |||
| Итого | 1276 | Итого | 1276 |
А. Дайте технологическую классификацию процесса. Б. Укажите, что является сырьем, реагентом, примесью, целевым продуктом, побочным продуктом. В. Схематично (рисунок) изобразите материальные потоки на входе и на выходе из системы. Г. Рассчитайте конверсию реагентов и фактические расходные коэффициенты по сырью. Д. Рассчитайте пропускную способность и производительность установки в размерности «тонн/год».
Решение:
А. Технологическая классификация процесса:
Данный процесс является:- Химическим, так как происходит превращение одних веществ в другие.
- Каталитическим, поскольку протекает в присутствии твердого катализатора на основе меди.
- Газофазным, так как реагенты и продукты находятся в газообразном состоянии.
- Эндотермическим, поскольку \( \Delta H = 50 \text{ кДж/моль} > 0 \), то есть реакция протекает с поглощением тепла.
- Дегидрированием, так как происходит отщепление водорода от молекулы метанола.
- Необратимым (в рамках данного описания, хотя в реальности многие реакции дегидрирования обратимы, но для упрощения задачи и отсутствия данных об обратной реакции, будем считать ее прямой).
- Непрерывным, так как в таблице указаны потоки в кг/час, что характерно для непрерывных процессов.
Б. Определение компонентов процесса:
- Сырье: Технический метанол (смесь метанола и воды).
- Реагент: Метанол (\( \text{CH}_3\text{OH} \)).
- Примесь: Вода (\( \text{H}_2\text{O} \)), которая поступает вместе с техническим метанолом.
- Целевой продукт: Формальдегид (\( \text{CH}_2\text{O} \)).
- Побочный продукт: Водород (\( \text{H}_2 \)).
В. Схематичное изображение материальных потоков:
(Представьте себе прямоугольник, обозначающий "Реактор".
Слева к нему подходит стрелка с надписью "Вход: Технический метанол (1250 кг/час метанола, 26 кг/час воды)".
Справа от него отходят три стрелки:
1. "Выход: Формальдегид (1146 кг/час)"
2. "Выход: Водород (80 кг/час)"
3. "Выход: Непрореагировавший метанол (24 кг/час)"
4. "Выход: Вода (26 кг/час)"
Над прямоугольником можно указать "Катализатор на основе меди".
Под прямоугольником можно указать "Поглощение тепла (\( \Delta H = 50 \text{ кДж/моль} \))".
Г. Расчет конверсии реагентов и фактических расходных коэффициентов по сырью:
1. Расчет конверсии реагента (метанола):
Масса метанола на входе (приход) = 1250 кг/час. Масса метанола на выходе (расход, непрореагировавший) = 24 кг/час. Конверсия (\( X \)) рассчитывается по формуле: \[ X = \frac{\text{Масса реагента на входе} - \text{Масса реагента на выходе}}{\text{Масса реагента на входе}} \times 100\% \] \[ X = \frac{1250 \text{ кг/час} - 24 \text{ кг/час}}{1250 \text{ кг/час}} \times 100\% \] \[ X = \frac{1226 \text{ кг/час}}{1250 \text{ кг/час}} \times 100\% \] \[ X = 0.9808 \times 100\% \] \[ X = 98.08\% \]2. Расчет фактических расходных коэффициентов по сырью:
Расходный коэффициент показывает, сколько сырья требуется для получения единицы продукта. В данном случае, сырьем является технический метанол (метанол + вода). Общая масса технического метанола на входе = 1250 кг/час (метанол) + 26 кг/час (вода) = 1276 кг/час. Целевой продукт – формальдегид, его выход = 1146 кг/час. Расходный коэффициент по сырью (техническому метанолу) на формальдегид: \[ \text{РК}_{\text{тех. метанол/формальдегид}} = \frac{\text{Масса технического метанола на входе}}{\text{Масса формальдегида на выходе}} \] \[ \text{РК}_{\text{тех. метанол/формальдегид}} = \frac{1276 \text{ кг/час}}{1146 \text{ кг/час}} \] \[ \text{РК}_{\text{тех. метанол/формальдегид}} \approx 1.113 \text{ кг тех. метанола / кг формальдегида} \] Расходный коэффициент по реагенту (метанолу) на формальдегид: \[ \text{РК}_{\text{метанол/формальдегид}} = \frac{\text{Масса метанола на входе}}{\text{Масса формальдегида на выходе}} \] \[ \text{РК}_{\text{метанол/формальдегид}} = \frac{1250 \text{ кг/час}}{1146 \text{ кг/час}} \] \[ \text{РК}_{\text{метанол/формальдегид}} \approx 1.091 \text{ кг метанола / кг формальдегида} \]Д. Расчет пропускной способности и производительности установки в размерности «тонн/год»:
1. Пропускная способность установки:
Пропускная способность – это количество сырья, которое установка может переработать за единицу времени. В данном случае, это общий приход технического метанола. Пропускная способность = 1276 кг/час. Переведем в тонны/год: 1 тонна = 1000 кг 1 год = 365 дней = 365 * 24 часа = 8760 часов \[ \text{Пропускная способность} = 1276 \frac{\text{кг}}{\text{час}} \times \frac{1 \text{ тонна}}{1000 \text{ кг}} \times \frac{8760 \text{ часов}}{1 \text{ год}} \] \[ \text{Пропускная способность} = \frac{1276 \times 8760}{1000} \frac{\text{тонн}}{\text{год}} \] \[ \text{Пропускная способность} = \frac{11190960}{1000} \frac{\text{тонн}}{\text{год}} \] \[ \text{Пропускная способность} = 11190.96 \frac{\text{тонн}}{\text{год}} \]2. Производительность установки:
Производительность – это количество целевого продукта, которое установка производит за единицу времени. В данном случае, это выход формальдегида. Производительность = 1146 кг/час. Переведем в тонны/год: \[ \text{Производительность} = 1146 \frac{\text{кг}}{\text{час}} \times \frac{1 \text{ тонна}}{1000 \text{ кг}} \times \frac{8760 \text{ часов}}{1 \text{ год}} \] \[ \text{Производительность} = \frac{1146 \times 8760}{1000} \frac{\text{тонн}}{\text{год}} \] \[ \text{Производительность} = \frac{10060560}{1000} \frac{\text{тонн}}{\text{год}} \] \[ \text{Производительность} = 10060.56 \frac{\text{тонн}}{\text{год}} \]Ответы:
А. Технологическая классификация процесса:
Процесс является химическим, каталитическим, газофазным, эндотермическим дегидрированием, непрерывным.Б. Определение компонентов процесса:
- Сырье: Технический метанол.
- Реагент: Метанол.
- Примесь: Вода.
- Целевой продукт: Формальдегид.
- Побочный продукт: Водород.
В. Схематичное изображение материальных потоков:
(См. описание схемы выше)Г. Расчет конверсии реагентов и фактических расходных коэффициентов по сырью:
- Конверсия метанола: \( 98.08\% \)
- Фактический расходный коэффициент по техническому метанолу на формальдегид: \( \approx 1.113 \text{ кг тех. метанола / кг формальдегида} \)
- Фактический расходный коэффициент по метанолу на формальдегид: \( \approx 1.091 \text{ кг метанола / кг формальдегида} \)
Д. Расчет пропускной способности и производительности установки:
- Пропускная способность установки: \( 11190.96 \text{ тонн/год} \)
- Производительность установки: \( 10060.56 \text{ тонн/год} \)