Для ускорения основной реакции необходимо проводить процесс с участием катализатора. Наиболее активными в реакции дегидрирования метанола являются медные катализаторы. Известно, что активность медьсодержащих катализаторов в определенной мере зависит от размеров медных кристаллитов. При повышенной температуре кристаллиты агрегируются на поверхности носителя, что приводит к снижению активности контакта. Изучение свойств каталитической системы в зависимости от соотношения компонентов позволило сделать вывод о том, что оптимальный состав катализатора следующий: СuО -40% масс.; ZnO - 30% масс.; ZrO2 - 4% масс., носитель - 26%масс. Исследовав зависимости селективности и конверсии от температуры при различном составе катализатора, можно сделать вывод, что синтез целесообразно проводить, используя в качестве катализатора медь, при температуре, равной 220-280°C. Поскольку медь - низкотемпературный катализатор и чувствительна к перегреву, при более низких температурах(<220°C, будет мала скорость реакции, а при более высоких увеличивается доля побочных реакций, так как они имеют более высокую энергию активации. [7]

Так же приведем функциональную схему процесса каталитического дегидрирования метанола в метилформиат (рисунок 1).

Рисунок 1. Функциональная схема получения метилформиата каталитическим дегидрированием.

4. Описание технологической схемы

На рисунке 2 представлена принципиальная технологическая схема дегидрирования метанола в газовой фазе. Процесс осуществляется в реакторе (1) трубчатого типа с наружным обогревом, в трубках которого находится катализатор. Выходящий поток охлаждается и поступает в сепаратор (2). В абсорбере (3) происходит отделение лишних газов. Газ, полученный из абсорбера, содержит 90-92% H₂ и 8-10% CO.

Жидкие продукты из сепаратора (2) и абсорбера (3) поступают в ректификационную колонну (4), где отделяется чистый метилформиат.

1-реактор; 2 -сепаратор; 3 - абсорбер; 4 -ректификационная колонна

Рисунок 2 - Принципиальная технологическая схема дегидрирования метанола.

Промышленная реализация процесса должна осуществляться при давлении, близком к атмосферному. С повышением температуры выход метилформиата увеличится, но при этом возрастет и скорость его разложения.

При дегидрировании СН₃ОН на медном катализаторе, модифицированном элементами IV А группы (Ir, Ti) или лантаноидами, происходит образование метилформиата с селективностью < 97%, при степени превращения CH₃ОН 20-70% в присутствии карбонатов Сu, Zn. Наряду с основной реакцией дегидрирования метанола могут протекать и побочные реакции, такие как дальнейшее декарбонилирование метилформиата:

HCOOCH₃>CH₃OH + CO

Степень протекания побочных реакций зависит от условий проведения процесса и от типа активного компонента катализатора. [8]

По принципиальной схеме процесса строим опеаторную схему, приведенную на рисунке 3.

Рисунок 3. Операторная схема производства каталитическим дегидрированием метилформиата.

5. Расчет материального баланса

Строим структурную схему процесса, опираясь на сборник заданий [8] (Рисунок 4) и находим исходные данные для расчета материального баланса (Таблица 3).

01 - метанол

41 - рецикл метанола с содержанием метилформиата

12 - смесь реагента и рецикла

23 - смесь оставшегося реагента и образовавшегося продукта

30 - отдуваемый газ (оксид углерода и водород)

34 - смесь метанола и образовавшегося метилформиата

40 - метилформиат

1 - блок смешения

2 - блок синтеза

3 - блок разделения, очистки

4 - блок ректифкации

Рисунок 4. Структурная схема процесса производства каталитическим дегидрированием метилформиата.

Таблица 3. Исходные данные для расчета.

Молярныемассывеществ:

Ммф=60кг/кмоль

Мм=32 кг/кмоль

МСО=28 кг/кмоль

МН2=2кг/кмоль

Уравнения реакций:

2????3????>????????????3+2??2(5)

????????????₃>????₃????+???? (6)

Выполним перевод массового содержания метилформиата в рецуркулирующем потоке метанола в мольное.

Составим систему уравнений:

Смешение свежего метанола с рециркуляционным в первом блоке.

В блоке синтеза (2) происходит химическое превращение метанола, в блоке разделения (3) газообразные продукты отделяются от жидких. Часть непрореагировавшего метанола будет содержаться в целевом продукте.

В то же время идет процесс образования метилформиата (целевого продукта), который, в свою очередь, расходуется на образование угарного газа.

По основной реакции образуется водород

Обозначим неизвестные через Х и запишем в таблицу 4.

Таблица 4. Наименования потоков и результаты решения.

На основе составленных уравнений, запишем матрицу.

Решаем систему через уравнение:

Запишем полученные результаты в таблицу 4.

Расчет масс, участвующих в химико-технологическом процессе получения метилформиата из метанола.

Приход:

Расход:

Занесем полученные данные в таблицу 5.

Таблица 5. Материальный баланс.

6. Расчет технологических параметров

1. Расходные коэффициенты по сырью

2. Выход метилформиата

3. Селективность

Заключение

химический сырье метилформиат метанол

Принципом наилучшего использования сырья будет являться определенное соотношение исходных веществ, а также повторное использование непрореагировавших веществ.

Принцип наилучшего использования энергии определяется посредством уменьшения затрат на электроэнергию проведением одностадийным процессом и изначальным подогревом исходных компонентов.

Принципы технологической соразмерности заключаются в том, чтобы процесс был наиболее экономичен, он должен проходить возможно быстрее на всех этапах при максимальном использовании сырья, минимальных затратах энергии и как можно более высоком выходе с единицы объема оборудования.

Принцип экологической безопасности выполняется за счет безотходной технологии организации производства, рациональным использованием всех компонентов сырья.

Список литературы

1.Метилформиат [Электронный ресурс]

2.Метанол [Электронный ресурс]

3.ГОСТ 2222-95. Метанол технический.

4.Инструкция Порядок получения, перевозки, хранения и применения метанола на объектах ООО «Газпром трансгаз Самара» И-01-419-2016

5.Паспорт безопасности в соответствии с постановлением (EU)No.1907/2006.

6. ТУ 6-09-11-2166-2002

7. Егорова Е.В. Получение метилформиата каталитическим дегидрированием метанола. //Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 1998

8. Бокарев Д.А. Получение метилформиата и ацетальдегида дегидрированием низших алифатических спиртов. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук. -М.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2015

9. Сборник заданий и методических указаний по расчету материального баланса химико-технологических производств. - М.: ИПЦ МИТХТ им. М. В. Ломоносова, 2008.