Целью материального расчета является составление материальных балансов стадии образования спиртовоздушной смеси, контактирования, абсорбции и ректификации
Материальный расчет производства
Рисунок 3.2 – Блок – схема материальных потоков
Перечень оборудования:
I – смеситель – приготовление спиртовоздушной смеси;
II– Реактор – контактирование;
III – Абсорбционная колонна – поглощение формальдегида и метанола;
IV – Ректификационная колонна – обезметаноливание формалина.
Перечень оборудования материальных потоков:
1 – метанол – ректификат;
2 – метанол со склада;
3 – воздух;
4 – вода;
5 – абгазы;
6 – спиртовоздушная смесь;
7 – контактный газ;
8 – деминерализованная вода;
9 – метанольный формалин;
10 – безметанольный формалин.
| Изм. |
| Лист |
| № докум. |
| Подпись |
| Дата |
| Лист |
| ПФ Д 19 00 00 00 ПЗ |
Годовая мощность по изопрену составляет 95000 тонн в год.
Расходная норма формальдегида на 1 тонну изопрена – 0,843.
Годовой фонд рабочего времени 8400 ч.
Массовая доля формальдегида, % масс.:
в безметанольном формалине – не менее 37,0;
в метанольном формалине – 30-37.
Массовая доля метанола в продукционном формалине не более 0,6%.
Потери формальдегида на стадии ректификации 0,5% мас. Степень конверсии метанола 0,97.
Селективность по формальдегиду 0,87.
Состав технического метанола, % масс.:
метанол – 99,9;
вода – 0,1.
Состав метанольной шихты, % масс.:
метанол – 90;
вода – 10.
Массовое соотношение исходного метанола к абгазу: 1:0,9
Протекающие реакции:
СН3ОН → СН2О + Н2 СН3ОН + 0,5О2 → СН2О + Н2О
СН3ОН + 1,5О2 → СО2 + 2Н2О
СН3ОН → СО + 2Н2
| Изм. |
| Лист |
| № докум. |
| Подпись |
| Дата |
| Лист |
| ПФ Д 19 00 00 00 ПЗ |
по реакции I – 0,27;
по реакции II – 0,60;
по реакции III – 0,11;
по реакции IV – 0,02.
Расчет материального баланса стадии контактирования
Требуемая выработка формальдегида в год
тонн в год,
где 0,843 – расходная норма формальдегида на 1 тонну изопрена.
Часовая производительность установки по формальдегиду: 
или 317,80 кмоль/ч.
Потери формальдегида на стадии ректификации:
кг/ч или 1,59 кмоль/ч.
С учетом потерь необходимо получить в контактном аппарате формальдегида:
кг/ч или 319,39 кмоль/ч.
| Изм. |
| Лист |
| № докум. |
| Подпись |
| Дата |
| Лист |
| ПФ Д 19 00 00 00 ПЗ |
или 11747,56 кг/ч.
Количество поданного метанола с учетом конверсии:
или 12110,88 кг/ч.
Количество воды в техническом метаноле:
Количество поданного технического метанола:
12110,88 + 12,12 = 12123,00 кг/ч.
Количество абгазов, поданных на смешение:
12110,88 ∙ 0,9 = 10899,79 кг/ч.
Количество воды в шихте метилового спирта: 
или 74,76 кмоль/ч.
Количество непревращенного метанола:
378,47 – 367,11 = 11,36 кмоль/ч.
По реакции I расходуется метанола: 
или 3171,83 кг/ч;
образуется:
формальдегида: 99,12 кмоль/ч или 2973,59 кг/ч;
водорода: 99,12 кмоль/ч или 198,24 кг/ч.
По реакции II расходуется:
метанола: 
или 7048,51 кг/ч;
кислорода: 
или 3524,26 кг/ч;
образуется:
формальдегида: 220,27 кмоль/ч или 6607,98 кг/ч;
водяного пара: 220,27 кмоль/ч или 3964,79 кг/ч.
По реакции III расходуется метанола: 
или 1292,23 кг/ч;
кислорода: 
или 1938,34 кг/ч;
образуется:
диоксида углерода: 40,38 кмоль/ч или 1776,74 кг/ч;
водяного пара: 
или 1453,68 кг/ч.
По реакции IV расходуется метанола: 
или
234,95кг/ч;
| Изм. |
| Лист |
| № докум. |
| Подпись |
| Дата |
| Лист |
| ПФ Д 19 00 00 00 ПЗ |
оксида углерода: 7,34 кмоль/ч или 205,48 кг/ч;
водорода: 
или 29,37 кг/ч.
Всего образуется:
водорода: 113,80 кмоль/ч или 227,60 кг/ч;
водяного пара: 301,03 кмоль/ч или 5418,47 кг/ч.
Общий расход кислорода: 170,70 кмоль/ч или 5462,60 кг/ч.
Расход сухого воздуха: 
где 0,21 – объемная доля кислорода в сухом воздухе.
Количество азота в воздухе:
812,86 – 170,70 = 642,16 кмоль/ч или 17980,48 кг/ч.
Расход воздуха: 
Объемная доля водяных паров в воздухе:
| Изм. |
| Лист |
| № докум. |
| Подпись |
| Дата |
| Лист |
| ПФ Д 19 00 00 00 ПЗ |
0,12∙106 – общее давление воздуха, Па.
Количество водяных паров в воздухе:
Суммарное количество водяных паров:
в спиртовоздушной смеси: 
в контактном газе: 
В выхлопные газы абсорбционной колонны переходят оксид и диоксид углерода, азот, водород, суммарное количество которых составляет 803,68 кмоль/ч или 20190,30 кг/ч.
Объемная доля водяных паров в выхлопных газах: 
%,
где 1740 – парциальное давление водяных паров при температуре 15°С, Па;
0,13 ∙106 – общее давление выхлопных газов, Па.
Количество воды, поступающей на орошение абсорбционной колонны:
12123,00 ∙0,20 = 2424,60 кг/ч
где (1,0:0,2) – массовое соотношение метанол поданный : деминерализованная вода
Состав метанольного формалина :
формальдегид: 9581,60 кг/ч;
вода : 7047,54 + 2424,60 = 9472, 14 кг/ч;
метанол: 363,52 кг/ч;
Массовая доля формальдегида в метанольном формалине составляет 47,0 % , метанола – 2,8%
На стадии ректификации 2% масс. воды уносится в дистиллят, количество воды в метаноле-ректификате: 9472, 14 ∙ 0,02 = 189,44 кг/ч.
Согласно ГОСТ 1625-89 состав формалина безметанольного технического: формальдегид > 37,0 % масс. , метанол не > 0,6 % масс.
Решим систему уравнений:
GF = GD + Gw;
GF ∙ xF = GD∙ xD + Gw ∙ xw,
где, GF, GD, Gw – массовые расходы: питания, дистиллята и кубового остатка .
xF, xD, xw – содержание метанола в питании, дистилляте и кубовом остатке соответственно, %.
xF = 0,03;
xD = 0,55;
xw = 0,004;
GD = GF - Gw
GF ∙ xF = (GF - Gw) ∙ xD + Gw ∙ xw
GF ∙ xF = GF∙ xD - Gw∙ xD + Gw ∙ xw
GF ∙ xF - GF∙ xD = Gw∙ xw - Gw ∙ xD
GF (xF - xD) = Gw (xw - xD)
Gw = GF (xF - xD) / (xw - xD)
Gw = 18892,23 кг/ч;
GD = 525,03 кг/ч.
Количество метанола в безметанольном формалине:
Количество метанола в метаноле-ректификате:
363,52 – 75,60 = 287,92 кг/ч.
Количество воды в безметанольном формалине:
9472,14 – 189,44 = 9282,70 кг/ч.
Состав безметанольного формалина :
формальдегид: 9533, 93 кг/ч;
вода : 9282,70 кг/ч;
метанол: 75,60 кг/ч.
| Изм. |
| Лист |
| № докум. |
| Подпись |
| Дата |
| Лист |
| ПФ Д 19 00 00 00 ПЗ |
| Изм. |
| Лист |
| № докум. |
| Подпись |
| Дата |
| Лист |
| ПФ Д 19 00 00 00 ПЗ |
| Приход | кмоль/ч | кг/час | Расход | кмоль/ч | кг/час |
| Материальный баланс стадии контактирования | |||||
| Спиртовоздушная смесь: | Контактный газ: | ||||
| СН3ОН | 378,47 | 12110,88 | СН3ОН | 11,36 | 363,52 |
| О2 | 170,70 | 5462,60 | СН2О | 319,39 | 9581,60 |
| N2 | 642,16 | 17980,48 | СО | 7,34 | 205,48 |
| Н2О | 90,50 | 1629,00 | СО 2 | 40,38 | 1776,74 |
| абгазы: | 10899,79 | N2 | 642,16 | 17980,48 | |
| Н2 | 113,80 | 227,60 | |||
| Н2О | 391,53 | 7047,54 | |||
| абгазы: | 10899,79 | ||||
| Итого: | 48082,75 | 48082,75 | |||
| Материальный баланс стадии абсорбции | |||||
| Контактный газ: | Метанольный формалин: | ||||
| СН3ОН | 11,36 | 363,52 | СН3ОН | 11,36 | 363,52 |
| СН2О | 319,39 | 9581,60 | СН2О | 319,39 | 9581,60 |
| СО | 7,34 | 205,48 | Н2О | 526,23 | 9472,14 |
| СО 2 | 40,38 | 1776,74 | Выхлопные газы: | ||
| N2 | 642,16 | 17980,48 | СО | 7,34 | 205,48 |
| Н2 | 113,80 | 227,60 | СО 2 | 40,38 | 1776,74 |
| Н2О | 391,53 | 7047,54 | N2 | 642,16 | 17980,48 |
| Н2О (орош) | 134,70 | 2424,60 | Н2 | 113,80 | 227,60 |
| абгазы: | 10899,79 | Абгазы на рециркуляцию: | |||
| абгазы: | 10899,79 | ||||
| Итого: | 50507,35 | Итого: | 50507,35 | ||
| Материальный баланс стадии ректификации | |||||
| Метанольный формалин: | Безметанольный формалин: | ||||
| СН3ОН | 11,36 | 363,52 | СН3ОН | 2,36 | 75,60 |
| СН2О | 319,39 | 9581,60 | СН2О | 317,80 | 9533,93 |
| Н2О | 526,23 | 9472,14 | Н2О | 515,71 | 9282,70 |
| Метанол возвратный: | |||||
| СН3ОН | 8,99 | 287,92 | |||
| СН2О | 1,59 | 47,67 | |||
| Н2О | 10,52 | 189,44 | |||
| Итого: | 19417, 26 | Итого: | 19417, 26 |
Расчет основных расходных коэффициентов на 1 т. 100% формальдегида:
1. Расходный коэффициент по метанолу ( с учетом рецикла метанола):
2. Расходный коэффициент по воздуху:
| Изм. |
| Лист |
| № докум. |
| Подпись |
| Дата |
| Лист |
| ПФ Д 19 00 00 00 ПЗ |
