Материальный баланс (МБ)

Рис.1.3. Схема контактного аппарата для окисления метилового спирта.
1 – катализатор; 2 – подконтактный холодильник (теплообменник);
3 – вход спирто-воздушной смеси; 4 – выход контактного газа.

Решение:

1. 
   расчет количества окисленного спирта.
   

В аппарат поступает M/μ = 100 / 32 = 3,125 кмоль СН₃ОН.
Из этого количества 60% спирта, т.е. 3,125  0,6 = 1,875 кмоль, окисляется в формальдегид, которого получено столько же (1,875 кмоль) (см. хим. реакцию). Следовательно, на образование побочных продуктов окисления израсходовано:
(3,125  0,82 – 1,875) = 0,688 кмоль СН₃ОН.
Осталось неокисленным в составе контактных газов
3,125 – (1,875 + 0,688) = 0,562 кмоль СН₃ОН.

2. 
   Количество О₂ и N₂, поступающих в контактный аппарат.
   

По условию на 100 кг (3,125 кмоль) спирта подается 100 нм³ воздуха, из них:
= 0,21  100/22,4 = 0,937 кмоль составляет кислород (О₂) и
= 0,79  100/22,4 = 3,527 кмоль – азот (N₂).

3. 
   Баланс углерода. Всего углерода (в составе СН₃ОН) поступило в аппарат 3,125 кгатом (приход). Из них
   

1. 
   израсходовано на образование НСНО – 1,875 кгатом С;
   
2. 
   осталось в составе неокисленного спирта – 0,562 кгатом С;
   
3. 
   остальные 3,125 – (1,875 +0,562) = 0,688 кгатом углерода пошло на образование углеродсодержащих побочных продуктов (НСООН, СО₂, СО, СН₄). Согласно соотношению этих продуктов, количество их в контактном газе
   

можно определить по следующим соотношениям ( ):
НСООН 0,688  5,2 / 7,2 = 0,496 кмоль;
СО₂ 0,688  1,6 / 7,2 = 0,153 кмоль;
СО 0,688  0,1 / 7,2 = 0,010 кмоль;
СН₄ 0,688  0,3 / 7,2 = 0,029 кмоль;

4. 
   Баланс кислорода.
   

Приход (кислород поступает в аппарат с воздухом и в составе СН₃ОН ):
с воздухом 0,937 кмоль;
в составе СН₃ОН 0,5  3,125 = 1,563 кмоль.
Итого: 2,500 кмоль.
Расход:
на образование НСНО 0,5  1,875 = 0,938 кмоль;
на образование НСООН 0,496 кмоль;
на образование СО₂ 0,153 кмоль;
на образование СО 0,5  0,010 = 0,005 кмоль;
осталось в составе неокисленного
спирта 0,5  0,562 = 0,281 кмоль;
Итого: 1,873 кмоль.
Остальные 2,500 – 1,873 = 0,627 кмоль кислорода пошли на образование водяного пара (Н₂+ 0,5О₂ = Н₂О ). Следовательно, в результате реакции окисления образуется 0,627  2 = 1,254 кмоль Н₂О.

5. 
   Баланс водорода.
   

Водород в контактный аппарат поступает в составе молекулы метилового спирта. Следовательно, приход водорода составит 2  3,125 = 6,250 кмоль ((3+1)/2=2).
Расход:
на образование НСНО 1,875 кмоль;
на образование НСООН 0,496 кмоль;
на образование СН₄ 0,029  2 = 0,058 кмоль;
на образование Н₂О 1,254 кмоль;
осталось в составе неокисленного
спирта 2  0,562 = 1,124 кмоль;
Итого: 4,807 кмоль.
Остальные 6,250 – 4,807 = 1,443 кмоль водорода содержатся в составе контактных газов в свободном состоянии.
Сведем полученные результаты в таблицу 1.3. МБ в массовых единицах пересчитывается с использованием молекулярных масс соответствующих элементов ( ).
Таблица 1.3.

приход							расход
№ п/п	Статья прихода	кмоль	кг	% мольн	% масс	№ п/п		Статья расхода	кмоль	кг	% мольн	% масс
1 2	Метиловый спирт Воздух, в т.ч. Азот Кислород	3,125 4,464 3,527 0,937	100 129,010 98,756 29,984	41,0 59,0 46,6 12,4	36 64 46 18	1 2 3 4 5		формальдегид пары спирта муравьиная кислота водяные пары неконденс. газы: СО2 СО СН4 Н2 N2	1,875 0,562 0,496 1,254 5,162 0,153 0,010 0,029 1,443 3,527	56,250 17,984 22,816 22,572 109,118 6,732 0,280 0,464 2,886 98,756	20,1 6,0 5,4 13,4 55,1 1,6 0,1 0,3 15,4 37,7	24,6 7,8 10,0 9,9 47,7 2,9 0,1 0,2 1,3 43,2
Итого:		7,589	228,740	100	100	Итого:			9,349	228,740	100	100