ChE 455 Otoño 2006 Major 1 La formalina Producción Fondo Usted se ha unido recientemente una empresa química. Entre los productos químicos que esta empresa produce es metanol, principalmente para el consumo interno. Un uso importante de metanol interna es producir formalina, que es una solución al 37% en peso de formaldehído en agua. El formaldehído y urea se utilizan para hacer las resinas de ureaformaldehído que posteriormente se utilizan como adhesivos y aglutinantes para tableros de partículas y madera contrachapada.
Recientemente hemos recibido un memorándum de un cliente que compra nuestra formalina, que indica que hay problemas periódicos, sobre todo en el verano, con el formol que reciben de nosotros. Afirman que la formalina contiene inaceptablemente altas cantidades de ácido fórmico con respecto al formaldehído. Parece que esto altera las propiedades de la resina de urea-formaldehído de forma que el tablero de partículas y madera contrachapada fabricado posteriormente no tiene la tracción apropiada y la fuerza de carga. Están amenazando con acciones legales a menos que este problema sea rectificado inmediatamente. El formaldehído Producción La Unidad 800 produce formalina (37% en peso de formaldehído en agua) a partir de metanol utilizando catalizador de plata en proceso. La Figura 1 ilustra el proceso actual. Tablas 1 y 2 son las tablas de flujo y el resumen de servicios públicos, respectivamente. Tabla 3 es un resumen equipos parcial.
El aire se comprime y se calienta previamente, metanol fresco y reciclado se bombea y son precalentadas, y estas dos corrientes se mezclan para proporcionar la alimentación al reactor. La mezcla de alimentación es de aproximadamente 39% en moles metanol en el aire, lo cual está por encima del límite superior de inflamabilidad del metanol. (Para el metanol, UFL = 36% en moles . LFL = 6% en moles) en el reactor, las dos reacciones siguientes ocurren:
El reactor es una configuración única, en la que el catalizador de plata es en la forma de una tela metálica, suspendido por encima de un banco de tubos de intercambiador de calor. Debido a que la reacción neta es muy exotérmica, el calor generado en la sección de reactor adiabático debe ser removido rápidamente, por lo tanto, la estrecha proximidad de los tubos del intercambiador de calor. El intercambiador de calor se asemeja a una caldera de la piscina, con una piscina de agua en el lado de la carcasa. Si la temperatura del efluente es demasiado alta, el punto de consigna en un líquido controlador de nivel se ajusta. El regulador de nivel se alimenta de nuevo a la entrada del agua de alimentación de calderas que aumenta la velocidad del agua de alimentación de calderas que entra en el intercambiador de calor para aumentar el agua
Tabla 3 Resumen Equipo Parcial Intercambiadores de Calor E-801 A = 405 m2 1-2 intercambiador, cabeza flotante, acero al carbono corriente de proceso con coraza Q = 4.111 MJ / h Rango de presión máxima de 350 kPa E-804 A = 37,3 m2 1-2 intercambiador, hervidor kettle, de acero inoxidable corriente de proceso con coraza. Q = 37.755 MJ / h Rango de presión máxima de 250 kPa E-802 A = 4,62 m2 1-2 intercambiador, la cabeza flotante, acero al carbono corriente de proceso en tubos Q = 76,75 MJ / h Rango de presión máxima de 350 kPa E-805 A = 269 m2 1-2 intercambiador, la cabeza flotante, acero inoxidable Corriente de proceso con cáscara Q = 32.456 MJ / h Rango de presión máxima de 250 kPa E-803 A = 28.16 m2 1-2 intercambiador, cabeza flotante, acero al carbono corriente de proceso con coraza Q = 983,23 MJ / h Rango de presión máxima de 350 kPa E-806 A = 41 m2 1-2 intercambiador, la cabeza flotante, acero inoxidable corriente de proceso en tubos Q = 1.169,7 MJ / h Rango de presión máxima de 400 kPa Reactores R-801 - Intercambiador de calor de las porciones A = 140,44 m2 intercambiador en contracorriente, cabeza flotante, acero al carbono corriente de proceso en tubos Q = 8.928 MJ / h Rango de presión máxima de 350 kPa R-801 - Porción Reactor Finas capas de tela metálica de plata suspendido sobre el calor de tubos del intercambiador.
Bombas y compresores C-801 acero carbono Potencia = 658 MJ / h 70% de eficiencia P-801 A / B Acero carbono Potencia = 1 MJ / h 80% de eficiencia P-803 A / B Acero inoxidable Potencia = 1,52 MJ / h 75% de eficiencia Towers T-801 Acero carbono 10 m de empaque (packing) 2 pulgadas sillas cerámica Berl 20 etapas teóricas 1,00 kPa /m caída de presión Diámetro = 0,86 m Factor de empaque = 45 Rango de presión máxima de 300 kPa T-802 Acero carbono 31 platos perforados más rehervidor y condensador parcial 70% bandejas (trays) eficientes Alimentar en la bandeja (feed on tray) 18 Relación de reflujo (reflux ratio) = 37.34 Espaciamiento bandeja de 0,6096 m, 0,091 m vertederos (weirs) Altura de la columna 19 m Diámetro = 2,5 m Rango de presión máxima de 200 kPa
Velocidad de vaporización para eliminar más calor. El efluente del reactor entra en un absorbedor en el que la mayor parte de el metanol y el formaldehído se absorben en agua, con la mayor parte de los gases ligeros restantes purgado en la corriente de gas de escape. El metanol, el formaldehído, y el agua entran en una destilación columna, en el que se recicla la sobrecarga de metanol, y el producto de fondo es un mezcla de formaldehído / agua que contiene ≤ 1% en peso de metanol como un inhibidor . Esta mezcla es enfriado y se envía a un tanque de almacenamiento, que está dimensionado a los cuatro días de abastecimiento. Este tanque de almacenamiento está esencial, ya que algunos de los procesos posteriores son lotes.
La composición en el almacenamiento tanque excede 37% en peso de formaldehído, por lo que se añade la cantidad apropiada de agua cuando el proceso de aguas abajo se basa en el tanque de almacenamiento. Esto no se muestra en el PFD. El almacenamiento de mezclas de formaldehído / agua es difícil. A altas temperaturas, la indeseable polimerización de formaldehído se inhibe, pero la formación de ácido fórmico se ve favorecida. A baja temperaturas, la formación de ácido se inhibe, pero la polimerización se ve favorecida. Hay estabilizadores que inhiben la polimerización, pero que son incompatibles con la formación de resina. El metanol, a concentraciones entre 5 y 15% en peso, también puede inhibir la polimerización, pero ningún equipo de separación para el metanol existe actualmente en el lugar, y metanol por encima del 1% en peso también causa la producción de resina defectuosa. Con ≤ 1% en peso de metanol, el contenido del tanque de almacenamiento debe ser mantenido entre 35 ° C y 45 ° C
Observaciones Ha realizado giras por la planta, comprobar los libros de registro, que se habla a los ingenieros y operarios, hemos reunido la siguiente información:
• El catalizador se reemplaza una vez por año, y durante unos cinco días después de la puesta en marcha, se libera un alivio de la válvula de presión en el reactor (R-801). • Durante el mismo período de tiempo, el consumo bfw en I-801 no se ha visto aumentar más allá, las fluctuaciones normales del día a día de ± 1%, y la temperatura de salida del reactor no se ha visto aumentar significativamente. • El exceso de acidez se produce principalmente en el verano. • Todo el equi po existente está hecho de acero al carbono. • Hace un año, un imprevisto, emergencia apagará estaba obligada a sustituir un control sistema entre la torre (T-802) y la bomba posterior (P-803 A / B). Debido a sobre la disponibilidad y las limitaciones de tiempo, "se utilizó tubería cédula 40, en lugar de 1,5" 1 Clase 40 tubería. • Durante los períodos de clima caliente, l a temperatura de entrada del agua de refrigeración se ha observado que aumentar hasta en un 5 ° C. • Durante estos períodos de clima caliente, la presión en la columna de destilación se ha observado que aumenta ligeramente, pero la operación durante un largo período de tiempo muestra ninguna fuga o la seguridad problemas asociados con este cambio en la presión. • Bomba 803 A / B se encuentra una altura de 5 m por debajo de la torre (T-802) de salida. Hay un total de 30 metros equivalentes de tubería, codos y válvulas en la línea.
• Una inspección de la válvula de alivio de presión en el reactor (R -801) indica que tiene una potencia de 1115 kPa manométricos, es decir, se abrirá en o por encima de que la presión. • Durante largos períodos de tiempo después de la sustitución del catalizador, la presión de vapor de media presión dejando R-801 es 1110 kPa. • Durante el clima caliente, el volumen de gas dejando los absorbedores se incrementa en 1%. Sin embargo, el aumento de formaldehído es de aproximadamente 22%, y el incremento en agua es de aproximadamente 3%. • Bomba (P-803 A / B) constantemente hace ruido, y cada bomba ha sido sustituido en el último año.
Otra Información Otra información pertinente se adjunta, que incluye una nota de catalizador de I + D, una Lista de equipamiento y de servicios públicos y de equipos. Asignación Su misión es proporcionar recomendaciones en cuanto a las causas del ácido periódico problema de formación y formas de remediar la situación. También debe recomendar cualquier otra se deben hacer los cambios que usted cree para mejorar el rendimiento en la Unidad 800. Desde nuestra planta es prevista para el apagado anual en unos pocos meses, queremos recomendaciones específicas en cuanto a lo que debe hacerse en ese momento, y el costo de estas alteraciones y / o modificaciones.
Específicamente, usted es para preparar el siguiente a las 9:00 am del lunes 6 de noviembre de 2006: 1. Un informe escrito detallando su diagnóstico, las acciones recomendadas y los costos asociados con fijación en la unidad 800. Esto debe incluir: a. Un diagnóstico de todos los problemas observados en la Unidad 800. b. Una metodología para mantener la temperatura de entrar en el tanque y en el depósito entre 35 ° C y 45 ° C todo el año. c. Una evaluación económica incrementales (EAOC antes de impuestos a una tasa de interés del 15%, 10 curso de la vida el año) de los cambios necesarios requeridos. d. Sugerencias para las modificaciones adicionales a largo plazo para el proceso que haría proporcionar un antes de impuestos, DCFROR incremental del 15% (vida útil 5 años). e. Un PFD que ilustre cualquier / todas las modificaciones recomendadas para el proceso. 2. Una lista de los nuevos equipos para comprar, incluyendo el tamaño, el costo y los materiales de construcción
Entregables Específicamente, usted es para preparar el siguiente a las 9 :00 am del lunes 6 de noviembre de 2006: 1. Preparar un informe escrito, conforme a las directrices, que d etalla la información de los puntos 1, 2, y 3, más arriba. 2. Incluir un conjunto legible, organizada de cálculos que justifican sus recomendaciones, incluidas las hipótesis formuladas. 3. Adjunte una copia firmada de la declaración de confidencialidad adjunto. Formato de informe Este informe debe ser breve y debe ajustarse a las directrices. Debería obligarse en un carpeta que no es de gran tamaño en relación con el número de páginas del informe. Figuras y tablas debería incluir, según proceda. Un apéndice deberá adjuntarse que incluye elementos tales como los cálculos solicitados. Estos cálculos deben ser fáciles d e seguir. La confidencialidad declaración debe ser la última página del informe. El informe escrito es una parte muy importante de la asignación. Los informes que no se ajustan a las directrices recibirán deducciones severos y tendrán que ser reescritos para recibir crédito. Informes escritos pobremente escritas y / u organizados también pueden requerir volver a escribir. Asegúrese de seguir el modelo establecido en las directrices para los informes escritos. Presentación Oral Se espera presentar y defender sus resultados en algún momento entre el 6 de noviembre 2006 y el 9 de noviembre de 2006. Su presentación debe ser de 15-20 minutos, seguido por alrededor de una Cuestión de 30 minutos y el período de respuesta. Asegúrese de que usted se prepara para esta presentación desde que es una parte importante de su misión. Usted debe traer por lo menos una copia impresa de las diapositivas a la presentación y entregarlo antes de comenzar la presentación. Otras Reglas Usted no puede discutir este importante con nadie más que a los instructores. Discusión, colaboración, o cualquier otro tipo de interacción con nadie más que los instructores está prohibido. Los infractores estarán sujetos a las sanciones y los procedimientos descritos en los Procedimientos de la Universidad para la tramitación de casos de deshonestidad académica (comienza en la p. 47 de 2005-07 Pregrado Catálogo).
Consulting está disponible en los instructores. Consultoría CHEMCAD, es decir., Preguntas sobre cómo utilizar CHEMCAD, no la forma de interpretar los resultados, que es ilimitada y gratuita, pero sólo a partir de los instructores. Cada persona puede recibir cinco minutos gratuitos de asesoría de los instructores. Después de cinco minutos de la consultoría, la tasa es 2,5 puntos deducidos por 15 minutos o cualquier fracción de 15 minutos, sobre una base acumulativa. El período inicial de 15 minutos incluye los 5 minutos de conexión consultoría. Los informes finales de los años Informes tardíos son inaceptables. Se aplicarán las siguientes sanciones graves:
• Tarde informe sobre la fecha de vencimiento antes del mediodía: una letra de calificación (10 puntos) • Tardía informe después del mediodía fecha de vencimiento: dos calificaciones con letras (20 puntos) • Tarde reportar un día tarde: tres grados de la letra (30 puntos) • Cada día adicional finales: 10 puntos adicionales por día
Apéndice 1 Consejos CHEMCAD Las soluciones de formaldehído y agua son muy no-ideal. Individualmente, las volatilidades son, desde más volátil a menos volátiles, formaldehído, metanol, agua. Sin embargo, el formaldehído asociados con el agua de modo que cuando esta mezcla de tres componentes se destila, el metanol es la luz llave y el agua es la clave pesado. El formaldehído se "seguir" al agua. El ESDK valor K paquete en CHEMCAD simula este apropiadamente. El calor latente se debe utilizar para entalpía cálculos. El sistema experto recomendará estas opciones. Al simular todo un proceso, se recomienda el uso de la columna de destilación de acceso directo, dentro del proceso para la destilación metanol-agua/formaldehido. SCDS Entonces deberían usarse como punto separado para simular la columna en función de los resultados obtenidos a partir de la columna de acceso directo. Sin embargo, debido a la no idealidad de la termodinámica, la simulación real de la columna utilizando SCDS probablemente requerirán muchas más etapas que las predichas por la simulación de acceso directo, posiblemente el doble.
Apéndice 2 Los cálculos y otra información pertinente
Shell=carcasa desubcooling= subenfriamiento
boiling=ebullición superheating= sobrecalentamiento
T-801
Uso lecho de empaque desde CHEMCAD: L = 3000 kg / h, G = 5750 kg / h ρ L = 925 kg / m3 ρG = 1,15 kg / m3 (L/G) ( ρG/ ρ L )0.5 = 0,018 Cerámica sillas Berl de 2 pulgadas Factor de empaque es de 45 Caída de presión de empaque es 1 kPa / m De las inundaciones (P. Wankat, Equilibrium Staged Separaciones, Prentice Hall, 1988, p. 421.) Parámetro en inundaciones = 0,2 Parámetro en un 75% las inundaciones = 0.1125 G = 0,555 libras / pie2-s 2 2 A = (5750 kg/3600 s) / (0,555 libras / pie -s) (2,2 lb / kg) = 6.32 m D = 2,84 m = 0,86 m
T-802 De CHEMCAD, 22 bandejas ideales, más rehervidor parcial y condensador parcial 71,6% de eficiencia general en columna (O'Connell correlación) ⇒ 22 bandejas (la columna es de 19 m de altura con 18 pulgadas = 0,6096 m de espaciamiento de la bandeja) Δ P = ρ ghN 20000 Pa = (725 kg/m3) (9.8 m/s2) (H azud )(31) hazud = 0,091 m ≈ 3,6 pulgadas Por encima de la alimentación: L = 21.000 kg/h, G = 21.000 kg /h 3 ρ L= 750 kg / m ρG = 1 kg/m3 (L /G) (ρG/ ρ L)0.5 = 0.0.0365 Inunde gráfica para el 18 en el espaciamiento de la bandeja (P. Wankat, Equilibrium Staged Separaciones, Prentice Hall, 1988, p. 387.) Csb = 0.29 u fl = 7.93 ft / s uact = 1.81 m / s (75% de las inundaciones) Si el 75% de área activa A = (V / 3600) / [(0.75) (ρG ) (Uact )] = 4,29 m2 D = 2.34 m Debajo alimento: L = 27.000 kg / h, G = 23.000 kg / h ρ L = 690 kg / m3
ρG= 1 kg / m3 (L / G) (ρG/ ρ L)0.5 = 0.0447 Inunde gráfica para el 18 en el espaciamiento de la bandeja (P. Wankat, Equilibrium Staged Separaciones, Prentice Hall, 1988, p. 387.) Csb = 0.28 u fl = 7.35 ft / s uact = 1.68 m / s (75% de las inundaciones) Si el 75% de área activa A = (V / 3600) / [(0.75) (ρT ) (Uacto )] = 5,07 m2 D = 2.54 m Usaremos con 2,5 m de diámetro No hay información disponible para: P-801 A / B, P-802 A / B, C-801, V-801
Precios: metanol $ 0.29/lb, formalina $ 0.40/lb
