Основы проектирования химических производств

ПРАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС

Практический материальный баланс учитывает составы исходного сырья и готовой продукции, избыток одного из компонентов сырья, степень преврашения реагентов, потери сырья и готового продукта и т. д.

Исходными данными для составления такого баланса являются:

— технологическая схема, отражающая вид и последовательность стадий производства;

— годовая производительность поданному продукту или данному спектру продуктов;

— производственная рецептура загрузки компонентов на каждой технологической стадии;

— потери сырья и готового продукта на каждой технологической стадии производства.

Все эти величины определяются поданным научно-исследователь­ских разработок, по результатам расчетов теоретического материаль­ного баланса или же по данным, подученным при обследовании ана­логичных производств во время производственной практики.

В зависимости от характера требований материальный баланс периодических процессов может составляться в трех вариантах: во-пер­вых, исходя из суточной производительности вещества; во-вторых, на единицу массы готового продукта (чаще всего на 1 т); в-третьих, на ко­личество готового продукта, полученного за один цикл работы. В этом случае наиболее целесообразен суточный материальный баланс.

Для непрерывных процессов материальный баланс составляется с учетом выработки в единицу времени (т/год, т/сут, т/ч, кг/ч, кг/мин, кг/с и т. д.).

В любом случае баланс делится на две основные части — это общий и пооперационный (постадийный) материальный балансы.

При общем балансе материальные расчеты связаны с определением расходов всех видов сырья. В большинстве случаев такие расчеты за­вершаются определением расходных коэффициентов всех компонен­тов процесса па единицу массы готового продукта (например, на 1 т) и сравнением их с расходными коэффициентами аналогичного сущест - вуюшего производства (по материалам производственной практики).

Первым этапом будет определение рабочего времени в цехе. Его величина зависит от характера производства. Для периодических про - цессов

Д= 365 -(Р+В),

Где Д — количество рабочих дней в году; Я — количество дней в году, отведенных на все виды ремонта; В — количество праздничных и вы­ходных дней в году.

Для непрерывных процессов

Д =365-Р.

В этом случае величина Р включает в себя и время на все виды гемонтов, и время периодических остановок на чистку оборудования,

— чену катализатора и т. п.

Далее необходимо определить производительность готового про - кта. Вначале рассчитывается его производительность без учета потерь

С Д'

■де Ясг> — суточная производительность готового продукта без учета ".отерь, т/сут; N — годовой выход готового продукта, т.

Производительность с учетом потерь продукта по стадиям

Я6

Я" = —— с 1-а’

Где а — общая доля потерь продукта на всех стадиях процесса.

Общая величина потерь по всем стадиям

Я = Я* - Яс".

Определяя доли потерь по стадиям как можем найти их коли­чество из соотношения

Я/1 = в,- • Я.

При этом

Далее определяется расход каждого вида сырья с учетом потерь, исходя из рецептуры загрузки компонентов реакционной смеси. При этом предварительно рассчитывается рецептура в процентах на содер­жание каждого компонента, полагая за 100% всю реакционную смесь. Потери реакционной смеси на каждой стадии в равной степени отно­сятся к каждому из компонентов, если нет отгона одного из продуктов, выделения его в осадок и др.

К полученным расходам сырьевых компонентов добавляются их возможные потери до получения реакционной смеси при транспорти­ровке, загрузке и т. д.

Окончательно производят расчет расходных коэффициентов сырье­вых компонентов на тонну готового продукта. Кроме расходных коэф­фициентов сырья рассчитываются аналогичные величины, характери­зующие расход воды, пара, топлива, электроэнергии и т. д. Естественно, чем меньше расходные коэффициенты, тем экономичнее технологи­ческий процесс.

Особое значение имеют расходные коэффициенты по сырью, так как для большинства химических производств львиная доля себестои­мости продуктов приходится на эту статью.

Результаты расчета расходных коэффициентов оформляются в виде табл. 7.1.

Постадийный материальный баланс составляется в виде таблиц на каждой стадии, исходя из результатов расчета общего материального баланса. Рассмотрим составление такого баланса на примере.

Пример 7.4. Составить материальный баланс реактора каталитического окисления метанола в формальдегид. Производительность реактора по фор­мальдегиду І0 000 т/год. Степень превращения метанола в формальдегид —

0, 7; общая степень превращения метанола (с учетом побочных реакций) — 0,8. Содержание метанола в снирто-воздушной смеси — 40% по объему. Мольные соотношения побочных продуктов на выходе из реактора

НСООН : СО,: СО : СН, = 1,8 : 1,6 :0,1 : 0,3.

Аппарат работает 341 день в году с учетом времени ПП Р (планово-предуп­редительных ремонтов) и простоев.

Решение: Формальдегид получается в результате окисления паров метано­ла кислородом воздуха при температур« 550—600 °С на серебряном катализа­

Торе, где протекают следующие реакции:

TOC o "1-5" h z СН3ОН + 1/20, = СНг0+ Н,0, (I)

СН,0Н = СН,0+ Н3, (2)

СН5ОН = СО + 2Н,, (3)

СНрН + Н, = СН4 + Н,0. (4)

СН, ОН + О, = НСООН + Н?0, (5)

СН3ОН + 1 ,50; = СО, + 2Н,0. (6)

Возможная реакция Н, + 1/20, = Н-,0 стех и о метрически зависима, так как она п сумме с реакцией (2) дает реакцию (1), поэтому ее нужно из балансовых расчетов исключить.

На реакцию подается лишь около 80% воздуха от мольного соотношения метанол : кислород = 2 : I и процесс проводится с неполным сгоранием водо­рода, образующегося по реакции (3).

Отходящие газы содержат 20-21 % формальдегида, 36-38% азота и приме­си п виде СО, СО,, СН4, СН3ОН, НСООН и др. Вся эта смесь после охлажде­ния в котле-утилизаторе и холодильнике до 60 “С подается в поглотительную башню, орошаемую водой. Полученный раствор формалина содержит 10—12% метанола, который в данном случае является желательной примесью, так как препятствует полимеризации формальдегида. Молекулярные массы: формали­на — 30; метанола — 32; кислорода — 16.

Производительность реактора по формальдегиду

10 ООО • 1000/341/24 - 1220 кг/ч или 1220/30 = 40,7 кмиль/ч.

Так как по реакциям (I) и (2) на образование I моля формальдегида расхо­дуется 1 моль метанола, то, при 70% степе и и превращения метанола в фор­мальдегид, имеем расход метанола в этом случае

40,7/0,7 = 58,12 кмоль/ч или 58,12 • 32 = 1860 кг/ч.

Определим объемные расходы исходных веществ при нормальных ус­ловиях.

Метанол — 58,12 • 22,4 = 1300 м5/ч.

Спирто-воздушная смесь — 1300/0,4 = 3250 мя/ч.

Воздух — 3250 - 1300 = 1950 м’/ч, в нем:

Кислорода — 1950 0,21 =410 м’/ч или 410 • 32/22,4 — 586 кг/ч; азота — 1950 • 0,79 = 1540 м-’/ч или 1540 ■ 28/22,4 = 1920 кг/ч.

Определим расход метанола, пошедшего на образование побочных про­дуктов по реакциям (3)-(6). При общей степени превращения метанола 80% имеем расход метанола по побочным реакциям

58,12 (0,8 — 0,7) = 5,81 кмоль/ч.

Не прореагировало метанола 58,12 0,2 = 11,6 кмоль/ч или 11,6 32 = = 372 кг/ч.

Сумма долей побочных продуктов 1,8 + 1,6 + 0,1 + 0,3 = 3,8.

Тогда расходы побочных продуктов в отходящих газах будут равны:

Уксусная кислота (НСООН) — 5,8 • 1,8/3,8 = 2,75 кмоль/ч или 2,75 ■ 46 = = 126,5 кг/ч.

Диоксид углерода (С02) — 5,8- 1,6/3,8 = 2,45 кмоль/ч или 2,45 -44 = = 108,0 кг/ч.

Оксид углерода (СО) — 5,8 • 0,1/3,8 = 0,158 кмоль/ч или 0,158 28 = = 4,3 кг/ч.

Метан (СН4) — 5,8 • 0,3/3,8 = 0,459 кмоль/ч или 0,459 • 16 = 7,3 кг/ч.

Для определения расходов водяного пара и водорода составим баланс по кислороду и водороду. В реактор поступает кислорода: с воздухом — 586 кг/ч; в составе метанола — 1860 ■ 16/32 = 930 кг/ч.

Всего: 586+ 930 = 1516 кг/ч.

Расходуется кислорода:

На образование формальдегида — 1220 • 16/30 = 650 кг/ч; на образование НСООН — 126,5 • 32/46 = 88 кг/ч; на образование СО, — 108 ■ 32/44 = 78,6 кг/ч; на образование СО — 4,3 ■ 16/28 = 2,45 кг/ч; в составе не прореагировавшего метанола — 372 16/32 = 186 кг/ч. Всего: 1005 кг/ч.

Остальное количество кислорода, равное 1516 — 1005 = 509 кг/ч, пошло на образование воды по реакциям (I), (4), (5) и (6). В результате расход воды равен — 509 ■ 18/16 = 572 кг/ч.

В реактор поступает водорода — 1860 4/32 = 233 кг/ч.

Водород расходуется:

На образование СН,0 — 1220 • 22/30 = 81,5 кг/ч;