ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ. И ОБОРУДОВАНИЯ

Практический материальный баланс

Практический материальный баланс учитывает составы исходного сырья и готовой продукции, избыток одного из компонентов сырья, сте­пень превращения 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 по данному 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 по данным научно - исследовательских разработок, по результатам расчетов теоретического материального баланса или же по данным, полученным 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 тонну); 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 ИТ. 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 на единицу массы готового продукта (например, на 1 тонну) и сравнением их с расходными коэффициентами аналогичного сущест­вующего производства (по материалам производственной практики).

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

Д = 365-(Р + В),

где Д - количество рабочих дней в году; Р - количество дней в году, от­веденных на все виды ремонта; В - количество праздничных и выход­ных дней в году.

непрерывных процессов

Д = 365-Р.

В этом случае величина Р включает в себя и время на все виды ремонтов, и время периодических остановок на чистку оборудования, замену катализатора и т. п.

Далее необходимо определить производительность готового про­дукта. Вначале рассчитывается его производительность без учета потерь: где П® - суточная производительность готового продукта без учета по­терь, т/сут; N - годовой выход готового продукта, т.

Производительность с учетом потерь продукта по стадиям

где а - общая доля потерь продукта на всех стадиях процесса.

Общая величина потерь по всем стадиям

п=п^-п:.

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

При этом

I>,■ = !■

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. 7.3.

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

Пример 7.10. Составить материальный баланс реактора каталити­ческого окисления метанола в формальдегид. Производительность реак­тора по формальдегиду 10 000 т/год. Степень превращения метанола в формальдегид - 0,7; общая степень превращения метанола (с учетом по­бочных реакций) - 0,8. Содержание метанола в спирто-воздушной смеси - 40 % по объему. Мольные соотношения побочных продуктов на выходе из реактора

НСООН : С02: СО : СН4 = 1,8 : 1,6 : 0,1 : 0,3.

Аппарат работает 341 день в году с учетом времени ППР (планово­предупредительных ремонтов) и простоев.

Решение. Формальдегид получается в результате окисления паров

На реакцию подается лишь около 80 % воздуха от мольного соот­ношения метанол: кислород = 2 : 1, и процесс проводится с неполным сгоранием водорода, образующегося по реакции (3). Отходящие газы содержат 20...21 % формальдегида, 36...38% азота и примеси в виде СО, С02, 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. Моляр­ные массы: формалина - 30; метанола - 32; кислорода - 16.

Производительность реактора по формальдегиду 10000-1000/341/24 = 1220 кг/ч или 1220/30 = 40,7 кмоль/ч.

Так как по реакциям (1) и (2) на образование 1 моля формальдеги­да расходуется 1 моль метанола, то при 70%-й степени превращения ме­танола в формальдегид имеем расход метанола

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 м3/ч;

о

• спирто-воздушная смесь: 1300/0,4 = 3250 м /ч;

• воздух: 3250 - 1300 = 1950 м3/ч, в нем:

кислорода - 1950-0,21 =410 м3/ч или 410-32/22,4 = 586 кг/ч; азота - 1950-0,79 = 1540 м3/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 кислород:

• с воздухом - 586 кг/ч;

• в составе метанола - 1860-16/32 = 930 кг/ч.

Всего: 586 + 930 = 1516 кг/ч.

Кислород расходуется:

• на образование формальдегида - 1220-16/30 = 650 кг/ч;

• образование НСООН - 126,5-32/46 = 88 кг/ч;

• образование С02 - 108-32/44 = 78,6 кг/ч;

• 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 L 516 — 1005 = 509 кг/ч, пошло на образование воды по реакциям (1), (4), (5) и (6). В результате расход воды равен: 509-18/16 = 572 кг/ч.

В реактор поступает водород - 1860-4/32 = 233 кг/ч.

Водород расходуется:

• на образование СН20 - 1220-22/30 = 81,5 кг/ч;

• образование НСООН - 126,5-2/46 = 5,5 кг/ч;

• образование СН4 - 7,3-4/16 = 1,82 кг/ч;

• образование Н20 - 572-2/18 = 63,6 кг/ч;

• в составе не прореагировавшего газа - 372-4/32 = 46,5 кг/ч. Всего - 198,9 кг/ч.

Количество водорода в свободном состоянии - 233 - 198,9 = 34,1 кг/ч. Результаты расчета сведены в табл. 7.4 материального баланса.