Расчет материального баланса процесса получения метанола, интенсивности работы катализатора, часовой производительности установки (вариант 1.1)

6.         Расчет материального баланса процесса получения метанола, интенсивности работы катализатора, часовой производительности установки (вариант 1.1).

В результате процесса происходят следующие процессы:

1)         СО + 2Н₂ = СН₃ОН + Q

2)         СО + 3Н₂ = СН₄ + Н₂О

3)         2СО + 2Н₂ = СН₄ + СО₂

4)         2СО = СО₂ + С

5)         СО + Н₂ = НСНО

6)         2СН₃ОН = (СН₃)₂О + Н₂О

7)         СН₃ОН + Н₂ = СН₄ + Н₂О

Данные для расчета:

1.         Рабочий объем катализатора – 24 м³.

2.         Расход окиси углерода и метанола на побочные продукты:

СО  СН₃О

Реакция 2 – 3,8 Реакция 6 – 1,9

Реакция 3 – 4,1 Реакция 7 – 0,5

Реакция 4 – 2,5

Реакция 5 – 0,7

Температура Т = 643 К

Давление Р = 36,5 МПа

Объемная скорость

Мольное соотношение Н₂ : СО = 6,2 : 1

3.         База для расчета – 1 час работы установки.

Решение:

1.         Рассчитаем объем синтез-газа, подаваемый за 1 час в реактор.

Пересчитаем объем газа из нормальных условий в условия реактора:

где р, V, Т – соответственно давление, объем при данной температуре,

р₀, V₀ – давление и объем при нормальных условиях.

Отсюда

Тогда учитывая объем катализатора, объем синтез-газа будет равен:

 м³/ч

2.         Зная мольные отношения, определим массы Н₂ и СО₂, подаваемые в реактор за 1 час.

Зная, что при нормальных условиях 1 моль любого газа занимает объем 22,4 л (0, 224 м³ ), определим количество молей водорода и оксида углерода:

 моль

Тогда количества молей газов составят:

моль/ч

моль/ч

Массовый расход водорода составит

26,57 · 10⁶ · 2 = 53,14 · 10⁶ г/ч = 53,14 · 10³ кг/ч

4,29 · 10⁶ · 28 = 120 · 10⁶ г/ч = 120 · 10³ кг/ч

3.         Расход окиси углерода на побочные и прямую реакции составит:

На реакцию 2 m (СО) = 120000 · 0,038 = 4560 кг/ч

На реакцию 3 m (СО) = 120000 · 0,041 = 4920 кг/ч

На реакцию 4 m (СО) = 120000 · 0,025 = 3000 кг/ч

На реакцию 5 m (СО) = 120000 · 0,007 = 840 кг/ч

Тогда на прямую реакцию будет израсходовано СО:

m (СО) = 120000 - 4560 – 4920 – 3000 – 840 = 106 680 кг/ч

4. Рассчитаем массу метанола исходя из уравнения реакции (1):

 кг/ч

5. Рассчитаем массу метанола, реагирующего по побочным реакциям и метанола, полученного в виде продукта:

На реакцию 6 m(СН₃ОН) = 121 920 · 0,019 = 2316,5 кг/ч

На реакцию 7 m(СН₃ОН) = 121 920 · 0,005 = 609,6 кг/ч

Тогда в качестве продукта будет получено метанола:

m(СН₃ОН) = 121920 – 2316,5 - 609,6 = 118993,9 кг/ч

6.Проведем балансовые расчеты по основной и побочным реакциям:

Реакция 1:

Расход водорода составит:

 кг/ч

Реакция 2:

Расход водорода составит:

977,1 кг/ч

будет получено метана:

 кг/ч

будет получено воды:

Реакция 3:

Расход водорода составит:

 кг/ч

Будет получено метана:

 кг/ч

Будет получено диоксида углерода:

 кг/ч

Реакция 4:

Будет получено диоксида углерода:

 кг/ч

Будет получено углерода:

 кг/ч

Реакция 5:

Израсходовано водорода:

 кг/ч

Будет получено формальдегида:

 кг/ч

Реакция 6:

Будет получено диметилового эфира:

 кг/ч

Будет получено воды:

 кг/ч

Реакция 7:

Будет израсходовано водорода:

 кг/ч

Будет получено метана:

 кг/

Будет получено воды:

кг/ч

Масса непрореагировавшеговодорода составит:

m(Н₂) = 53 140 – 15 240 – 977,1 – 351,4 – 60 – 38,1 = 36 473,4 кг/ч

7.         Результаты расчетов сведем в таблицу материального баланса:

Компонент	Загрузка, кг/ч	Не вступило в реакцию, кг/ч	Продукты реакции, кг/ч
СО Н2 СН3ОН СН4 СО2 Н2О НСНО С (СН3)2О	120 000 53 140	36473,4	118 993,9 4316,2 6222,8 3925,8 900 642,9 1665
Итого:	173140	36473,4	136666,6

Составим баланс по метанолу:

Приход	кг/ч	т/сут		Расход	кг/ч	т/сут
Синтез-газ, в т. ч. Н2 СО	53 140 120 000	1275,36 2880		СН3ОН (СН3 )2О Н2О  СН4 СО2 НСНО С Н2	118 993,9 1 665 3 925,8 4 316,2 6 222,8 900 642,9 36473,4	2855,85 39,96 94,22 103,59 149,35 21,6 15,43 875,36
ИТОГО	173 140	4155,36	ИТОГО		173 140	4155,36

2) Селективность – доля (или процент) превращенного сырья, израсходованная на образование целевого продукта:

Так как в реактор поступает 120 000 кг/ч оксида углерода, а на образование метанола израсходуется 106 680 кг/ч СО, то селективность процесса составит:

Так как расход водорода на основную реакцию составит 15 240 кг/ч, то селективность по водороду составит:

3) Расходный коэффициент - расход сырья на получение одной тонны целевого продукта. Расходный коэффициент с учетом селективности рассчитывается по уравнению:

Таким образом, расходный коэффициент оксида углерода на получение 1 тонны метанола составит:

 т/т

Суммарные потери водорода в % масс. на всех стадиях будет равна:

Расходный коэффициент по водороду с учетом потерь составит:

 т/т

4) Конверсия исходного сырья – количество превращенного сырья, отнесенное к загрузке реактора, выраженное в процентах или долях единицы. Конверсия характеризует степень превращения сырья в целевые и побочные продукты и, в конечном счете, количество сырья, подлежащего рециркуляции. Конверсию определяем по формуле:

где  - количество компонента А в загрузке реактора, кг/ч

 - количество компонента А в продуктах реакции, кг/ч.

Конверсия по оксиду углерода СО составит:

Конверсия по водороду составит: