Курсовая работа
по дисциплине «Общая химическая технология»
на тему: Производство формальдегида. Составление материального и теплового балансов реактора окисления метанола.
Исполнитель:
Руководитель:
2010
Содержание
1 Теоретическая часть
1.1 Введение……………………………………………………………………..3
1.2 Физико-химические, технологические свойства формальдегида ……….4
1.3 Производство формальдегида
1.3.1 Производство формальдегида окислительным дегидрированием
метанола…………………………………………………………………………7
1.3.2 Производство формальдегида окислением метанола…………………..9
1.4 Применение формальдегида……………………………………………….11
1.5 Мировой рынок формальдегида…………………………………………...12
2 Расчетная часть
2.1 Материальный баланс процесса получения формальдегида
из метанола………………………………………………………………………14
2.2 Тепловой баланс реактора окисления метанола в формальдегид………..18
3 Заключение…………………………………………………………………….22
4 Список использованных источников………………………………………...23
1 Теоретическая часть
1.1 Введение
Среди многих сотен тысяч органических соединений, известных в настоящее время, формальдегиду бесспорно принадлежит особая роль.
Различными исследователями доказана возможность образования формальдегида в условиях, близких к природным. Так, зарегистрировано образование формальдегида при фотохимическом окислении метана или метанола, при атмосферном давлении в отсутствие катализаторов.
Термодинамически возможно получение формальдегида гидрированием оксида и диоксида углерода. Хорошо известно, что гидрирование легко протекает в присутствии металлов, распространенных в земной коре,- хрома, меди и т.д.
Формальдегид реагирует с представителями подавляющего большинства классов органических веществ, за исключением лишь насыщенных углеводородов и эфиров. Рассматривая эти превращения, нетрудно убедиться, что исходя из формальдегида можно сравнительно просто перейти к соединениям практически любых классов – кислотам, спиртам, аминам, нитрилам и т.д.
Как и все летучие органические вещества, чистый формальдегид может находиться в одном из трех состояний- твердом, жидком или газообразном. Однако в этих состояниях фактически формальдегид может присутсвовать в виде целого ряда модификаций, принципиально различающихся и по химическим, и тем более по физическим свойствам.
Во всем мире производится около 8 млн. тонн формальдегида в год. Формальдегид применяется в медицине, косметологии, но наиболее широкое применение он получил в промышленности, в частности для производства полимерных материалов. Формальдегид играет большую роль в фундаментальных реакциях и промышленном органическом синтезе, поэтому производство формальдегида является актуальной темой, требующей изучения и развития.
1.2 Физико-химические, технологические свойства формальдегида
Формальдегид (СН2=О) (метаналь, муравьиный альдегид) − бесцветный
газ с резким раздражающим запахом, хорошо растворим в воде, метаноле,
этаноле и других полярных растворителях. При низких температурах
смешивается в любых соотношениях с толуолом, диэтиловым эфиром,
этилацетатом, хлороформом. Формальдегид − горючий и токсичный газ.
Предел взрываемости смесей с воздухом 7-73% (по объему). Формальдегид
оказывает раздражающее действие на слизистые оболочки глаз, верхние
дыхательные пути, вызывает дерматит. Формальдегид оказывает также
общетоксическое, аллергическое и мутагенное действие на организм человека.
Смертельная доза 37% водного раствора формальдегида (формалина)
составляет 10-50 г.
Основные физико-химические константы формальдегида приведены в
таблице 1.
Таблица 1-Физико-химические характеристики формальдегида
Формальдегид является крайне реакционным химическим соединением, и
в чистом молекулярном виде он практически недоступен. [1]
Легко полимеризуется, особенно при нагревании и в присутствии полярных примесей, образуя твердый полимер линейного строения (пара-форм) с оксиметиленовыми звеньями:
nНСНО + Н20 = Н—(— О—СН2—)n — ОН
где: n = 8—100.
Процесс полимеризации обратим, поэтому параформ легко деполимеризуется под воздействием щелочных и кислотных реагентов, что используется на практике для хранения и транспортировки формальдегида. Токсичен, ПДК составляет 0,05 мг/м3.
Товарный продукт выпускается обычно в виде 37% -ного водного раствора (формалин), в котором формальдегид содержится в форме гидрата НСНОН20 и низкомолекулярных полимеров — полиоксиметиленгликолей. Для предотвращения более глубокой полимеризации формальдегида и выпадения осадка, который может отлагаться в аппаратуре, в формалин добавляется 6—15% объема метанола. [2]
Поскольку мономерный формальдегид из-за его высокой реакционной
способности трудно хранить и транспортировать, он обычно используется в
химически связанной форме и может быть легко выделен непосредственно в
момент реакции. Наиболее часто употребляют водный раствор формальдегида -
формалин. Кроме этого применяют параформальдегид − низкомолекулярный
твердый полимер формальдегида, а также гексаметилентетрамин – уротропин и
карбамидоформальдегидный концентрат (КФК). В небольших масштабах
производят α-полиоксиметилен − более высокомолекулярный, чем
параформальдегид, линейный полимер формальдегида и триоксан.
Перспективно применение формалина с концентрацией до 55%, выпуск
которого в России начался в 2006 году.
Исключительная реакционная способность сделали формальдегид
ценным полупродуктом для различного рода синтезов. Формальдегид находит
широкое применение в промышленности и сельском хозяйстве для самых
разнообразных целей. Формальдегид широко применяется при изготовлении
пластмасс (таких, как фенопласты и аминопласты), искусственных волокон, он
является одним из компонентов, необходимых для производства бутадиена.
Методом конденсации с ацетальдегидом из него получают пентаэритрит (сырьё для производства взрывчатых веществ и пластификаторов), при
взаимодействии с аммиаком – уротропин. Формальдегид свёртывает белки,
поэтому он применяется для дубления желатина при производстве
кинофотоплёнки, для консервации биологических материалов, а также как
антисептик. Основная часть формальдегида используется для получения
карбамидоформальдегидных смол (КФС), которые применяются для
изготовления древесностружечных материалов.
КФК имеет всего два направления использования – производство КФС и
обработка карбамида против слеживаемости.
В области производства карбамидоформальдегидных смол КФК более
перспективен в плане транспортировки, времени производственного цикла,
экологии, чем формалин. Однако активное внедрение КФК не означает, что от
формалина в скором времени в производстве КФС полностью откажутся,
однако, в ближайшее время произойдут дальнейшие структурные изменения, в
процессе которых объем использования формалина сократится. Формалин с
концентрацией 37% будет замещаться, с одной стороны, КФК в производстве
карбамидоформальдегидных смол, с другой – формалином более высокой
концентрации в большинстве остальных направлений использования. [1]
Формальдегид широко используется в различных областях органического синтеза, а также в качестве дезинфицирующего и дезинсекционного средства.
Формальдегид может быть получен окислением метана и его гомологов или из метанола. При окислении метана в газовой фазе воздухом или кислородом при атмосферном давлении последовательно протекают реакции:
СH4 + 0,5 O2 = СН3ОН - ∆Н (а)
СН3ОН + 0,5 O2 = НСНО + Н2O- ∆Н (б)
Реакция (б) селективно ускоряется катализаторами на основе соединений меди и серебра. Однако достаточная для промышленного использования селективность процесса по формальдегиду может быть достигнута только при очень малой степени окисления метана и недостатке кислорода, то есть при весьма большой кратности циркуляции метанола. В противном случае образовавшийся формальдегид подвергается дальнейшему окислению:
НСНО +0,5 O2 = НСООН (в)
НСООН +0,5 O2 = СO2 + Н2O (г)
Вследствие этого и, следовательно, малого выхода формальдегида технологический процесс прямого окисления метана становится экономически невыгодным. Основная масса формальдегида производится поэтому из метанола по двум методам: окислительным дегидрированием и окислением. [2]