Файл: Производство метилового спирта.docx

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«МИРЭА — Российский технологический университет»

Институт тонких химических технологий им. М. В. Ломоносова

Кафедра общей химической технологии

ДОМАШНЯЯ РАСЧЁТНАЯ РАБОТА

на тему:

«Производство метилового спирта»

Вариант 3

Выполнила: До Т. М. Л.

Группа: ХЕБО-07-20

Преподаватель: Устюгов А. В.

Москва 2023

Оглавление

1. Введение

Метанол (метиловый спирт) — CH₃OH, это простейший одноатомный спирт, бесцветная ядовитая жидкость. Относится к первому представителю в гомологическом ряде одноатомных спиртов.

Метанол может смешиваться с водой при разных объёмных соотношениях, а также с большим количеством органических растворителей. При контакте с воздухом в концентрации 6,98-35,5% образует взрывоопасные смеси.

По значению и масштабам производства относится к одним из важнейших многотоннажных продуктов, выпускаемым химической промышленностью. Применяется для получения пластических масс, синтетических волокон, синтетического каучука, в качестве растворителя и т.д.

Метанол впервые обнаружили в 1661 г. в древесном спирте, но только в 1834 г. он был выделен Ж.Б.Дюмой и Э.М.Пелиго из продуктов сухой перегонки древесины. Тогда же и была установлена его химическая формула. [1]

Области применения метанола:

•Химическая промышленность

В области химической промышленности метиловый спирт применяют как полупродукт большого числа промышленных синтезов. Он может вступать в реакции с различными органическими соединениями, следовательно, на его основе производят полимеры и органические соединения. Примерно половина всего метанола идёт на производство формальдегида. Метиловый спирт является метилирующим агентом при производстве метилметакрилата и некоторых пестицидов; является источником сырья для получения метиламина. Высоким спросом метанол пользуется на аммиачных установках. Также его используют при производстве лекарственных средств, добавляют в топливо, заменяют бензин, либо же в качестве примеси к нему, входит в состав антифризов. Не менее востребован метанол и для получения лекарственных препаратов и химикатов (карбофос, хлорофос, бромистый и хлористый метил)

---

•Нефтеперерабатывающая промышленность

В отрасли нефтепереработки метиловый спирт используют в качестве селективного растворителя для очистки бензина от меркаптанов. В процессах ректификации является азеотропным реагентом для выделения толуола. Для экстракции используют смесь метанола с этиленгликолем.

•Прочие отрасли промышленности

Не менее важными являются другие отрасли промышленности, где применяется метанол. Например, около 10% от общего объёма метанола идёт на производство уксусной кислоты, карбамидных смол и синтетических каучуков. С помощью метанола очищают сточные воды от соединений азота, которые являются вредными. Некоторые производства проводят исследования в областях применения метилового спирта в качестве источника энергии, топлива (газового и моторного) и как дополнительного компонента автомобильного бензина, который благодаря метанолу обладает лучшими антидетонационными свойствами. [2]

Масштабы производства метанола в России и мире:

На Россию приходится 5% мирового объема производства метанола. По данным Минпромторга РФ, в 2019 году российские компании произвели 4,52 млн тонн метилового спирта, это на 4,6% больше объемов 2018 года.

В России самые многочисленные запасы основного сырья для производства метанола – природного газа. Наши предприятия способны полностью закрывать потребность в метиловом спирте на внутреннем рынке, поэтому необходимости в его импорте нет, напротив, почти половину выпускаемого метанола Россия экспортирует – 2,1 млн тонн в 2019 году на сумму 517,5 $ млн, это на 15-20% больше, чем годом ранее.

Половину всего метилового спирта в России производят в Пермском крае ПАО «Метафракс» и в Самарской области (ПАЛ «Тольяттиазот». В 2018 запустил новую установку мощностью 450 тыс. тонн в год «Щекиназот», расположенный в Тульской области, тем самым получил возможность большого производственного потенциала.

Несмотря на пандемию, только в первой половине 2020 года в России выпустили метанола примерно 3,33 млн тонн. [3]

В настоящее время крупнейшим производителем метанола в мире является США. В числе крупных производителей, помимо России, находятся Саудовская Аравия, Новая Зеландия, Чили и Китай. В перспективе, мощности в регионах с дешёвым природным газом будут расти. [4]

2. Исходное сырье

---

При производстве метилового спирта можно использовать практически любой газ, который содержит водород и оксиды углерода. В самых первых производствах в качестве сырья использовали твёрдые виды топлива, такие как каменный уголь и кокс. Но с освоением и улучшением химической промышленности исходное сырьё для получения метилового спирта стали выделять крекингом нефтепродуктов и конверсией метансодержащих газов.

В настоящее время используют углеводороды – как жидкие, так и газообразные, а также бытовые отходы. Самым распространённым сырьём являются природный газ и газы нефтепереработки.

Отношение водорода к монооксиду углерода должно составлять 2:1, т.е. в теории необходимо, чтобы газ содержал 66,66 об. % водорода и 33,34 об. % монооксида углерода. В условиях производства синтез метилового спирта осуществляют по схеме в соотношении 1:1 выше стехиометрии. Следовательно, необходимо в исходном газе иметь водород в избытке, т.е. в отношении 1,5 : 2,25.

При содержании значительных количеств двуокиси углерода в исходном газе отношение реагирующих компонентов целесообразно выражать соотношением (H₂—CO₂):(CO+CO₂). Это соотношение учитывает расход водорода на реакции восстановления окиси и двуокиси углерода. В исходном газе оно должно быть несколько выше стехиометрического для обеих реакций и равно 2,15—2,25. Величина соотношения (H₂—CO₂) :(СО+СО₂) не определяет концентрации CO в исходном газе. Количество СО₂ может быть различным в зависимости от метода получения газа, а также от условий синтеза (t, P, состав катали­затора) и изменяется от 1,0 до 15,0 об.%. Природный и попутный газы представляют сильный интерес как с точки зрения экономики, так и с точки зрения конструк­тивного оформления процесса подготовки исходного газа (конвер­сия, очистка и компримирование). Такие газы содержат меньше нежелательных примесей, чем газы, которые получены газифика­цией твердого топлива.

Большая часть крупных производств метилового спирта основана на ис­пользовании природного газа. Для того, чтобы получить исходный газ, углеводородное сырье подвергают конверсии разнообразными окислителями —кислородом, водяным паром, двуокисью углерода и их смесями.

В качестве сырья так­же используют синтез-газ после производства ацетилена методом окислительного пиролиза. Он содержит водород и окись углерода в соотношениях, близких к стехиометрическому для реакции синтеза метанола. Метан остаточный, и является нежелательной примесью, поэтому до вступления в синтез он подвергается каталитической конверсии.

---

При использовании в качестве сырья твёрдого топлива (кокса и полукокса) их подвергают газификации водяным паром. Также газификации подвергаются антрацит, сланцы, бурые угли, мазут и нефть. Такой процесс газификации проводят при атмосферном или при повышенном давлении. Практически при любом режиме газификации отношение Н₂ : СО в конвертированном газе меньше теоретического. Поэтому часть газа после очистки от примесей направляют на конверсию монооксида углерода водяным паром. [5]

3. Характеристика целевого продукта

Физические свойства

Метиловый спирт относится к предельным одноатомным спиртам, который редко встречается в природе в свободном состоянии. Его производные, напротив, содержатся в растительных маслах, природных красителях и алкалоидах. При стандартных условиях метиловый спирт бесцветная летучая жидкость, горючая, с запахом, похожим на запах этанола. Для человека метанол сильнейший яд, вызывающий потерю зрения, и приводящий к смерти при употреблении в больших дозах. [5]

Физические характеристики метанола при нормальных условиях:

Молекулярный вес, г/моль – 32,04

Плотность, г/см³ – 0,8100

Вязкость, мПа*с – 0,793

Температура кипения, °С – 64,65

Температура плавления, °С – —97,70

Теплота парообразования, ккал/моль – 8,94

Теплота сгорания, кДж/кг, 22331

Химические свойства

Гидроксильный водород при взаимодействии метанола с щелочными металлами замещается этими металлами:

2CH₃OH + 2Na → 2CH₃ONa + H₂

Реагирует с карбоновыми кислотами с образованием сложных эфиров:

CH₃OH + CH₃COOH → CH₃COOCH₃ + H₂O

Реагирует с галогенидами фосфора, галогенводородными кислотами:

CH₃OH + HCl→ CH₃Cl + H₂O

Метанол при взаимодействии с аммиаком образует метиламины:

СН₃ОН + NH₃ → CH₃NH₂ + Н₂О

СН₃ОН + СН₃NН₂ → (CH₃)_2­NH + Н₂О

CH₃OH + (СН₃)₂NH → (СН₃)₃N + Н₂О [5]

4. Физико-химическое обоснование основных процессов производства целевого продукта и экологической безопасности производства

Синтез метанола можно описать обратимыми уравнениями реакции:

СО + 2Н₂ = СН₃ОН; ΔН = -90,8 кДж

СО₂ + ЗН₂ = СН₃ОН + Н₂

---

О; ΔН = -49,6 кДж

Реакции экзотермичны, обратимы, протекают с уменьшением объёма. Следовательно, чтобы получить максимальный выход метилового спирта необходимо проводить процесс при низкой температуре и высоком давлении. Но следует учесть, что скорость реакции при низкой температуре будет меньше, чем если бы синтез проводился при высокой температуре.

Синтез метанола осложнён побочными реакциями, следовательно, это сложный процесс:

СО + 3Н₂ = СН₄ + Н₂О

СО₂+4H₂ = CH₄ + 2H₂O

nСО + (2n+1)Н₂ = C_nH_2n+2 + nH₂O

nCO+2nH₂ = C_nH_2n+1OH+ (n-1)H₂O

2СО +4Н₂ = (СН₃)₂О + Н₂О

2СО = СО₂ + С

Катализатор: требование к катализатору при синтезе метанола – обладание высокой селективностью для максимального ускорения его образования, при этом для подавления протекания побочных реакций. Из большого числа катализаторов лучшими считаются катализаторы, содержащие оксид цинка или медь в качестве основных компонентов.

Из-за высокой чувствительности к каталитическим ядам катализаторы синтеза метанола на первой стадии процесса подвергают очистке газа от сернистых соединений. Также необходима хорошая очистка от карбонила железа, который образуется при взаимодействии железа аппарата с оксидом углерода. На катализаторе карбонил железа разлагается.

Зависимость стандартной константы равновесия от температуры при постоянном давлении:



Рис. Изобара Вант-Гоффа

Температура: процесс синтеза метанола в зависимости от температурного режима работы катализатора может быть осуществлен в двух вариантах:

1) Высокотемпературный (катализатор 2,5ZnO*ZnCr₂O₄, температура 370-420 °С, давление 20-35 МПа);

2) Низкотемпературный (катализатор ZnO*CuO*Al₂O₃ или ZnO*CuO*Cr₂O₃, температура 250-300 °С, давление 5-10 МПа)

Давление: При повышении давления и понижении температуры равновесие сдвигается в сторону увеличения выхода метанола. В промышленных условиях синтез метанола осуществляется из газовой смеси, содержащей кроме водорода и окиси углерода так­же двуокись углерода.

При повышении давления выход метанола почти прямо пропорционально увеличивается и резко возрастает степень превращения окиси/и двуокиси углерода

Следует заметить, что с увеличением давления более резкий рост равновесного выхода метанола наблюдается при повышенных температурах.[5]

---