Фізико-хімічна характеристика вихідної сировини, матеріалів і продуктів

 

Таблиця 2.1

Фізико-хімічна характеристика вихідної сировини й матеріалів

Найменування речовини	Молекулярна формула	Молярна маса, г/моль	Характеристика деяких фізичних властивостей	Стандарт
1. Метанол технічний	СН3ОН	32	Щільність при 20 °С ρ = 0,791÷0,792	ДСТУ 3057 - 95
2. Конденсат паровий	Н2О	18	Зміст NH3 1 мг/дм3, хлорид-іонів 2 мг/л, рН = 7,9÷9,2	СТП 6 - 52 - 96 з изм. №1
3. Пара	Н2О	18	Тиск Ризб = 0,55 МПа	-
4. Вода зворотного циклу	Н2О	18	Тиск не менш 0,25 МПа температура не менш 28 °С	-
5. Азот газоподібний технологічний	N2	28	Тиск не менш 0,3 МПа частка кисню не більше 3 %	-
6. Повітря технологічне	-	29	Тиск 0,3÷0,5 МПа	-
7. Повітря СТОСІВ	-	29	Тиск 0,29÷0,31 МПа	СТП 3 - 161 - 2002
8. Розсіл	-	-	Тиск не більше 1,4 МПа, температура -10 ÷ -18 °С	-
9. Надсмольна вода	-	-	Масова частка СН2Про не більше 12 %, сухого залишку не більше 0,03, рН не менш 7	-
10. Масло індустріальне 40А	-	-	-	ДЕРЖСТАНДАРТ 20799 - 88

 

Таблиця 2.2

Фізико-хімічна характеристика продукту

Фізико-хімічна характеристика	Значення параметра
Марка	ФМ (стабілізований метанолом)
Зовнішній вигляд	Безбарвна прозора рідина, при зберіганні допускається утворення каламуті або білого осаду, розчинного при температурі вище 40°С (ДЕРЖСТАНДАРТ 1625 - 89)
Масова частка формальдегіду, %	ВР 37,2 ± 0,3 ПС 37,0 ± 0,5
Масова частка метанолу, %	ВР 4 ± 8 ПС 4 ± 8
Масова частка кислот у перерахуванні на мурашину, не більше %	ВР 0,02 ПС 0,04
Масова частка заліза, не більше %	ВР 0,0001 ПС 0,0005
Масова частка залишку після прожарювання, не більше %	ВР 0,008 ПС 0,008

 

Опис технологічного процесу та розробка технологічної схеми

 

Розробка технологічної схеми

Метанол з лінії нагнітання насосів безупинно подається по трубопроводу в спиртовипарювач СП з об'ємною витратою не більше 2200 л/г. У трубопровід подачі метанолу подається конденсат паровий з об'ємною витратою не більше 1200 л/г. Масова частка метанолу у метанольно-водній суміші, що надходить у спиртовипарювач, підтримується автоматично в межах від 60 до 80% і регулюється подачею конденсату в спиртовипарювач.

Спиртовипарювач являє собою вертикальний циліндричний апарат з камерою, що гріє, краплеотбійником і барботером [19].

Температура рідкої фази в спиртовипарювачі підтримується в межах від 72 до 82°С шляхом безперервної подачі циркуляційного конденсату в камеру, що гріє, спиртовипарювач й залежить від температури циркуляційного конденсату, що повинна бути від 74 до 95°С.

Циркуляційний конденсат, безупинно циркулюючи за схемою: теплообмінник спиртовипарювача - насос циркуляційного конденсату Н1 - підконтактний холодильник - теплообмінник циркуляційного конденсату АТ6 - теплообмінник спиртовипарювача, здійснює охолодження реакційних газів і нагріває рідку фазу в спиртовипарювачі до заданих температур.

Температура циркуляційного конденсату регулюється шляхом зміни кількості конденсату, що подається в теплообмінник і в байпас теплообмінника циркуляційного конденсату. Тому що кількість теплоти, що віддається реакційними газами, більше необхідного для підтримки робочого значення температури рідкої фази в спиртовипарювачі, то надлишок тепла знижується оборотною водою, що подається в теплообмінник циркуляційного конденсату [19].

Повітря з напірного колектора надходить у спиртовипарювач СП. Тиск повітря в напірному колекторі підтримується не більше 0,063 МПа. Об'ємна витрата повітря в спиртовипарювачі підтримується в межах від 1400 до 2000 м³/г. Барботируючи у спиртовипарювачі через метанольно-водну суміш, повітря насичується парами метанолу й води. Отримана парогазова суміш надходить у перегрівач АТ1, де нагрівається пором для попередження конденсації з її рідини до температури не менш 100°С [19].

Після перегрівача парогазова суміш крізь вогнеприпинувач ОП, призначений для запобігання проскакування полум'я з контактного апарата у спиртовипарювач при аварійній ситуації, надходить у контактний апарат РТ.

Контактний апарат являє собою вертикальний циліндричний апарат, змонтований на підконтактному холодильнику. На трубну дошку подконтактного холодильника укладається мідна (або нержавіюча) сітка, потім мідні перфоровані ґрати й мідна (або нержавіюча) сітка. На сітку засипається каталізатор. Висота шару каталізатора 76 мм, термін служби - не менш 120 доби. На верхній шар каталізатора укладається мідна (або нержавіюча) сітка.

Температура в зоні реакції підтримується в межах від 650 до 750°С.

На виході із зони контакту реакційні гази різко охолоджуються в підконтактному холодильнику до температури не більше 120°С и надходять у нижню частину поглинальної колони КЛ [19].

Проходячи знизу нагору по колоні, гази контактують із рідиною, що рухається протитоком. При цьому формальдегід і метанол поглинаються рідиною, а непоглинені гази з верхньої частини колони КЛ направляються на додаткове поглинання в скрубер АР системи вловлювання.

При поглинанні формальдегіду й метанолу водою й при їхній конденсації виділяється велика кількість тепла. Для відводу тепла передбачені примусова циркуляція й охолодження формаліну у виносних холодильниках з наступною його подачею в колону.

Поглинальна колона формаліну КЛ являє собою циліндричний вертикальний зварений апарат з нержавіючої сталі висотою 16,850 м і діаметром 1,812 м. По висоті колона має 37 ковпачкових тарілок і 3 (7, 22, 31) глухих [19].

Примусова циркуляція формаліну по колоні здійснюється в такий спосіб:

- формалін з кубової частини колони поглинання формаліну надходить на всос насосів Н2. З лінії нагнітання насосів формалін подається в холодильник АТ2, де охолоджується зворотною водою.

Охолоджений формалін подається на 21-у тарілку, а надлишок як готовий продукт направляється на склад.

- формалін із середньої (другий) глухої тарілки надходить на всос насосів Н3, прокачується крізь холодильник АТ3, де прохолоджується зворотною водою й подається на 30-у тарілку колони.

-  формалін з верхньої (третьої) глухої тарілки надходить на всос насосів Н4, потім прокачується крізь холодильник АТ4, де охолоджується зворотною водою й подається на 37-ю тарілку колони [19].

Надлишок рідини з кожної глухої тарілки крізь переливні пороги по зовнішніх переливах самопливом перетікає на нижче розташовану ковпачкову тарілку. Рідина, перетікаючи з тарілки на тарілку й насичуючись формальдегідом і метанолом, попадає у кубову частину поглинальної колони. Рівень у кубі колони підтримується шляхом відкачки частини формаліну на склад готової продукції. Температура в кубі колони повинна бути від 60 до 90°С [19].

У верхню частину колони подається охолоджена рідина системи вловлювання або охолоджений паровий конденсат з об'ємною витратою не більше 1200 л/г залежно від концентрації формаліну у кубовій частині колони.

Перехід газу з однієї частини колони в іншу здійснюється по зовнішніх газових трубопроводах, розташованим у глухих тарілках.

Скрубер АР являє собою вертикальний циліндричний апарат з десятьма ковпачковими тарілками по висоті. Уловлювання метанолу й формальдегіду з газу в скрубері здійснюється рідиною, що циркулює за схемою: збірник Е (-холодильник АТ5 - насос Н5 - скрубер [19].

З нижньої частини скрубера АР рідина по «качці» зливається в збірник Е. Рідина зі збірника Е подається на холодильник АТ5, де прохолоджується оборотною водою, і далі надходить на всас насосів Н5.

З лінії нагнітання насосів рідина подається на зрошення скрубера АР з об'ємною витратою 2-5 м³/г, а також на зрошення поглинальної колони КЛ.

Гази, що відходять, з температурою не більше 40°С надходять у циклон ВД, де відділяється краплинна волога, що втримується у газах, що відходять.

Гази, що відходять, після циклона ВД скидаються в атмосферу або подаються на утилізацію [19].

 

Нове технологічне рішення

В наш час для отримання формальдегіда методом окислювального дегідрування матанола використовуються каталізатори, які мають в якості активного компонента срібло. Промислове використання отримали як нанесені каталізатори, так і масивні каталізатори (кристали срібла, пористе срібло) [3].

Головною перевагою нанесених каталізаторів порівняно з масивними є мала разова загрузка срібла і простота у виготовленні. Нанесені каталізатори працюють на метанольно-водній суміші, яка складається з 60-85мас метанола, при цьому отримують формалін концентрацією не більше 40%.

Процес окислювального дегідрування метанолу на сріблоскладаних каталізаторах протікає у зовнішньо-дифузійній області, тому внутрішня поверхня пористого каталізатора, де обмін з потоком має ускладнення, є причиною утворення продуктів потовщення [4].

Спроби створення трегерних (нанесених) каталізаторів з низьким складом срібла (нижче 10% мас) призводять до результату тільки спочатку пробігу каталізатора. Довгий пробіг призводить к значному зниженню активності та селективності каталізаторів, причиною чого є відкриття поверхні носія внаслідок агретації часток срібла [4].

Існує спосіб отримання формальдегіду окислювальним дегідруванням метанолу на каталізаторі, який складається зі срібла або золота (склад активного компонента 0,5-10%) на твердому непористому носії. Частки каталізатора не мають пор і вкриті тонкою плівкою металу.

Внаслідок відсутності пор на каталізаторі знижується утворення продуктів потовщення, але в процесі експлуатації каталізатора тонка плівка металу ушкоджується в результаті агрегування активного компонента або розтріскування носія. Загальна площа каталізатора мала, тому мінімальне її ушкодження погано відтворюється на роботі каталізатора.

У даному дипломному проекті пропонується каталізатор окислювального дегідрування метанолу у формальдегід, який має у своєму складі срібло та алюмосилікатний носій, причому у якості носія він складається з непористого алюмосилікату з молярним співвідношенням окису кремнію до окису алюмінію від 1 до 10 і срібло у вигляді іона, зв’язане з алюмосилікатом у кількості від 0,01 до 1 моль на 1 моль алюмінію, який знаходиться в алюмосилікаті [4].

Запропонований каталізатор має наступні переваги:

висока дисперсність срібла, що дозволяє використовувати каталізатор зі зниженим його складом;

рівномірне розподілення срібла по об’єму;

стійкість часток срібла до агрегування, що виключає відкриття поверхні каталізатора впродовж тривалого строку роботи;

відсутність пор, в яких може відбуватись утворення потовщення.

Каталізатор наступного складу: SiO₂ 71,0, Al ₂O₃ 22,75, Ag 6,25, який має молярне співвідношення SiO₂/ Al ₂O₃ 5,3, маючий у своєму складі срібло у кількості 0,13моль/моль алюмінію в промисловому агрегаті синтезу формаліну при температурі 670-750⁰С має наступні результати: конверсія 60,4%, селективність 92,5%. У той час як каталізатор «срібло на пемзі», який використовується у промисловості має наступні показники: конверсія 60%, селективність 87%.

Порівняємо матеріальні баланси окислювального дегідрування метанолу при вищеназваних каталізаторах.

 

Таблиця 2.1

Матеріальний баланс з використанням каталізатора «срібло на пемзі»

Прихід	кмоль/г	кг/г	Витрата	кмоль/г	кг/г
Спиртоповітряна суміш			Котактний газ
СН3ОН	3,161	101,136	СН3ОН	1,422	45,511
О2	0,795	25,448	СН2О	1,512	48,394
N2	2,992	83,768	СО	0,035	0,973
Н2О	0,074	1,331	СО2	0,183	8,031
			N2	2,992	83,768
			Н2	0,539	1,078
			Н2О	1,496	23,929
Разом	7,021	211,684	Разом	8,178	211,684

 

Таблиця 2.2

Матеріальний баланс з використанням запропонованого каталізатора

Прихід	кмоль/г	кг/г	Витрата	кмоль/г	кг/г
Спиртоповітряна суміш			Котактний газ
СН3ОН	2,765	88,469	СН3ОН	1,094	34,995
О2	0,693	22,192	СН2О	1,512	48,394
N2	2,609	73,047	СО	0,033	0,936
Н2О	0,064	1,160	СО2	0,125	5,514
			N2	2,609	73,047
			Н2	0,568	1,136
			Н2О	1,158	20,845
Разом	6,131	184,868	Разом	7,09971	184,868

Виходячи з наведених даних таблиць, можна зробити висновки, що при використанні запропонованого каталізатора знижується витрата метанолу на 6%. Це дозволяє значно знизити собівартість продукційного формальдегіду.

У результаті впровадження нового каталізатора, річний економічний ефект при обсязі виробництва 43000 т/рік становить 2211920 грн.