Синтез и анализ ХТС (химическая, структурная, операторная, технологическая схемы).

Химическая схема:

Образование формальдегида происходит при прохождении метаноло -воздушной смеси через слой катализатора "серебро на носителе" при температуре в зоне контактирования:(550 - 600)°С при работе в "мягком" режиме, и (660 - 700)°С при работе в "жестком" режиме.

Образование формальдегида осуществляется в результате протекания параллельных реакций простого и окислительного дегидрирования метанола:

СН₃ ОН → СН₂ О + Н₂ - 93,4 кДж/моль (1)

СН₃ ОН + 1/2 О₂ → СН₂ О + Н₂ О + 147,4 кДж/моль (2)

Наряду с этими реакциями в системе протекает целый комплекс побочных превращений.

СН₃ ОН + 2/3 О₂ → СО₂ + 575,1 кДж/моль(3)

СН₂ О + 1/2 О₂ → НСООН + 270,4 кДж/моль(4)

НСООН + 1/2 О₂ → СО₂ + Н₂ О + 14,5 кДж/моль(5)

НСООН → СО + Н₂О - 53,7 кДж/моль(6)

СН₂ О → СО + Н₂ + 1,9 кДж/моль (7)

2 СН₂ О + Н₂ О → СН₃ ОН + НСООН + 122,0 кДж/моль(8)

Н₂+ 1/2 О₂ → Н₂ О + 241,8 кДж/моль(9)

2 СН₃ ОН → СН₂ (ОСН₃)₂ + Н₂ О + 131,0 кДж/моль(10)

СО + 1/2 О₂ → СО₂ + 283,0 кДж/моль(11)

2 СО → СО₂ + С + 172,5 кДж/моль (12)

Реакции (3) и (4) являются равновесными. Доля метанола израсходованного по реакции (4) составляет около 60 %, а остальное, по реакции (3).

Превращение метанола в формальдегид происходит в результате контакта молекул спирта с кислородом, хемосорбированным на атомах серебра, т.е. активными центрами катализатора являются поверхностные окислы серебра. Процесс получения формальдегида в целом сопровождается выделением тепла, за счет которого поддерживается необходимая температура в зоне контактирования и равновесие реакции дегидрирования смещается вправо.

Побочные реакции снижают выход формальдегида и определяют состав выхлопных газов.

Механизм процесса

Ключевые превращения осуществляются на поверхности катализатора. Метанол адсорбируется на поверхности окисленного серебра. На поверхности свободного неокисленного серебра метанол адсорбируется очень слабо, причем с ростом температуры, количество поглощенного продукта уменьшается. Превращение поглощенного продукта уменьшается молекул спирта с кислородом, химсорбированным на атомах серебра, т.е. активными центрами катализатора являются поверхностные окислы серебра. В процессе хемосорбции кислорода на атомах серебра на адсорбированный кислород, происходит его диссоциация на атомные ионы (атомарная адсорбция). Выделяют 3 типа (области) адсорбции в зависимости от степени окисления серебра. При степени окисления до 0,1 - 0,12 см³ О₂/м² Ag, т.е. в пределах покрытия поверхности монослоем кислорода, один атом кислорода связан с двумя поверхностными атомами серебра (Ag₂^SО)

С увеличением степени окисления до (0,22-0,26) см³ О₂/м²Ag преобладает соединение, в котором атом кислорода связан с одним атомом поверхностного серебра (Ag^SO или Ag₂^SO₂):

 или  

При дальнейшем окислении возникает структура с большим содержанием кислорода на атом серебра:

Каталитическая специфичность серебра обуславливается особым состоянием кислорода на серебре. В то время как на других металлах при активированной адсорбции кислорода образуется только атомные ионы О^- или О^2-, вызывающие сгорание исходного продукта до углекислого газа, на серебре образуются поверхностные молекулярные ионы типа О₂^- или О₂^2-. Поверхностный ион в состав поверхностного оксида Ag²⁺O^2-. Атомные ионы, образующие с серебром активные центры при адсорбции метанола на них ослабляют или полностью разрывают химические связи в адсорбированной молекуле. Дальнейшие взаимодействия протекают между двумя хемосорбированными частицами, находящихся на соседних активных центрах или между хемосорбированной частицей и физически адсорбированной или налетающей из объема молекулой.

Структурная схема:

Данная схема дает изображение всех элементов ХТС в виде блоков, имеющих несколько входов и выходов, показывает технологические связи между блоками. Структурная схема не содержит информации об отдельных типах элементов, но зато технологические связи в ней указывают направление движения материальных и технологических потоков системы

Операторная схема:

В отличие от структурной схемы, операторная схема, дает наглядное представление о физико-химической сущности технологических процессов системы. Для этого каждый элемент ХТС изображают в виде определенного типового оператора, который качественно или количественно преобразует физические параметры, входных материальных и энергетических потоков

Описание технологической схемы:

Метанол, содержащий 35% воды, из напорного бака 1 поступает в испари­тель 2, обогреваемый горячей водой или паром из холодильника реактора 6. В испаритель подается также очищенный от пыли воздух, барботирующий через слой метанола. Образовавшаяся паровоздушная смесь освобождается от брызг в брызгоуловителе 3 и через перегреватель 4, обогреваемый также горячей водой из подконтактного холодильника реактора, проходит огнепреградитель 4а, который препятствует попаданию огня из реактора в перегреватель, и подается в реактор 5, в нижней части которого находится катализатор. Продукты реакции быстро охлажда­ются для предотвращения распада формальдегида в подконтактном холо­дильнике 6 и направляются в абсорбер 7, орошаемый водой. Образовавшийся в абсорбере 37% -ньй раствор формальдегида (формалин), содержащий для стабилизации 6— 11% метанола, охлаждается в холодильнике 8и поступает в сборник формалина 9. Эта примесь является желательной, так как она пре­пятствует полимеризации формальдегида в процессе его хранения. Непоглощенные газы, проходящие санитарную башню 10 и вакуум-компрессором 11, подаются в водоотделитель 12, после чего выбрасываются в атмосферу.