Файл: Производство метилового спирта.docx

Соотношение H2 и СО



В равновесной газовой системе метиловый спирт достигает максимальной концентрации в результате увеличения отношения H₂:CO в исходном сырье и соответствие его стехиометрическому соотношению. С увеличением данного значения возрастает степени превращения оксидов углерода, причем для диоксида более интенсивно.

Снижение данного соотношения снижает ступень превращения оксида и диоксида углерода в метиловый спирт, но увеличивает степень превращения водорода. [5]

Объёмная скорость

В производстве процесс синтеза осуществляется при объемных скоростях 20 000-40 000 ч^-1 и выход метанола составляет около 4 % за один проход. При увеличении объемной скорости до 100 000 ч^-1 степень превращения исходной смеси за один проход уменьшается, но при циклической схеме с рециркуляцией газов количество полученного метилового спирта возрастает, так как степень превращения снижается медленнее, чем увеличивается объемная скорость. [5]

Охрана окружающей среды в производстве метанола

Газовые выбросы в производстве метанола подразделяют на две категории: постоянные и периодические. К постоянным относятся отходящие газы и пар, выделяющиеся из метанола-сырца на стадии дистилляции, а также продувочные газы из ёмкостей. Основной категорией выбросов в атмосферу являются периодические, которые возникают при остановках из агрегатов, отдельных машин, аппаратов, узлов технологической линии. Из остановленных систем выбрасываются при продувке оставшиеся в них газы и пары. Основным направлением уменьшения периодических выбросов газов в окружающий воздушный бассейн является повышение влажности надёжности всех узлов системы, сведение количества остановок и пусков агрегатов до минимума, удлинение пробегов между ремонтами. Источником загрязнения биосферы в производстве метанола являются сточные воды. В них содержится до 0,3% метанола и других кислородсодержащих соединений углерода. В основном это воды от промывки шламов и емкостей вместе с отходами со стадии очистки метанола. Практически полная очистка сточных вод достигается только при их биологической обработке. Биологическое окисление проводят в аэротенках с активным илом. Предельно допустимая концентрация метанола в сточных водах, поступающих на биохимическую очистку до 200 мг/л. Как правило, до поступления на биологические очистные сооружения сточные воды производства метанола многократно разбавляются сточными водами других производств и хозяйственно бытовыми водами. [1]

---

5. Описание технологической схемы процесса

Рассмотрим два варианта производства метанола

Процесс при 32 МПа:

Технологический процесс получения метанола из оксида углерода и водорода включает ряд операций, обязательных для любой технологической схемы синтеза. Газ предварительно очищается от карбонила железа, сернистых соединений, подогревается до температуры начала реакции и поступает в реактор синтеза метанола. По выходе из зоны катализа из газов выделяется образовавшийся метанол, что достигается охлаждением смеси, которая затем сжимается до давления синтеза и возвращается в процесс.



Рис 1. Технологическая схема получения метанола при давлении 32 Мпа.1,2 – фильтры (масляный и угольный), 3 – колонна синтеза, 4 – холодильник-конденсатор, 5 – сепараторы, 6 – компрессор, 7 – сборник метанола-сырца.

Сжатый до 32 МПа синтез-газ проходит очистку в масляном фильтре 1 и в угольном фильтре 2, после чего смешивается с циркуляционным газом и поступает в колонну синтеза 3. Из колонны синтеза выходят метанол-сырец и непрореагировавший синтез газ (Н₂ + СО). Смесь направляется в холодильник-конденсатор 4, где охлаждается до 30^°С и продукты синтеза конденсируются. Метанол-сырец отделяют в сепараторе 5, направляют в сборник 7 и выводят на ректификацию. Газ проходит второй сепаратор 5 для выделения капель метанола, компримируется до давления синтеза турбоциркуляционным компрессором 6 и возвращается на синтез. Продувочные газы выводят перед компрессором и используют в качестве топлива.

Смешанный газ, пройдя кольцевой зазор между катализаторной коробкой и корпусом колонны 3, поступает в межтрубное пространство теплообменника, расположенного в нижней части колонны. В теплообменнике газ нагревается до 330^°С и по центральной трубе, в которой размещен электроподогреватель, поступает в верхнюю часть колонны и проходит последовательно пять слоев катализатора.

Колонны синтеза метанола

Рис 2. Колонна синтеза метанола при 32 МПа: 1 – теплообменник; 2 – холодный байпас; 3 –электроподогреватель; 4 - катализатор	Рис 3. Колонна синтеза метанола при 5 МПа: 1- фарфоровые шары; 2 – катализатор

---

После каждого слоя катализатора, кроме последнего, в колонну вводят определенное количество холодного циркуляционного газа для поддержания необходимой температуры. После пятого слоя катализатора газ направляется в теплообменник, где охлаждается до 130^°С и выходит из колонны.

Размещение теплообменника внутри корпуса колонны, подача смешанного газа в колонну синтеза метанола через кольцевой зазор между катализаторной коробкой и корпусом колонны, значительно снижает потери тепла в окружающую среду (принцип наилучшего использования энергии).

Процесс производства метанола при низком давлении включает практически те же стадии, но имеет некоторые особенности.

Процесс при 5 МПа:



Рис 4. Технологическая схема получения метанола при давлении 5 МПа.1, 10 –турбокомпрессоры, 2 –подогреватель природного газа, 3 –реактор гидрированиясернистых соединений, 4 –адсорбер, 5 –трубчатый конвектор, 6 –котел-утилизатор, 7, 11, 12 –теплообменники, 8, 14 –холодильники-конденсаторы, 9, 15 –сепараторы, 13 –колонна синтеза,16 –сборник.

Природный газ сжимается турбокомпрессором 1 до давления 3 МПа, подогревается в подогревателе 2 за счет сжигания в межтрубном пространстве природного газа и направляется на сероочистку в аппараты 3 и 4, где последовательно осуществляется каталитическое гидрирование органических соединений серы и поглощение образующегося сероводорода адсорбентом на основе оксида цинка. После этого газ смешивается с водяным паром и диоксидом углерода в соотношении СН₄ : Н₂О : СО₂ = 1:3,3:0,24. Смесь направляют в трубчатый конвектор 5, где на никелевом катализаторе происходит паро-углекислотная конверсия при температуре 850-870^°С. Теплоту, необходимую для конверсии, получают в результате сжигания природного газа в специальных горелках. Конвертированный газ поступает в котел-утилизатор 6, где охлаждается до 280-290^°С. Затем теплоту газа используют в теплообменнике 7 для подогрева питательной воды, направляемой в котел-утилизатор. Пройдя воздушный холодильник 8 и сепаратор 9, газ охлаждается до 35-40^°С. Охлажденный конвертированный газ сжимают до 5 МПа в компрессоре 10, смешивают с циркуляционным газом и подают в теплообменники 11, 12

---

, где он нагревается до 220-230^°С. Нагретая газовая смесь поступает в колонну синтеза 13, температурный режим в которой регулируют с помощью холодных байпасов. Далее газовая смесь охлаждается в холодильнике-конденсаторе 14, сконденсировавшийся метанол-сырец отделяется в сепараторе 15 и поступает в сборник 16. Циркуляционный газ возвращается на синтез, продувочные газы отдают на сжигание в трубчатую печь.

Вследствие снижения температуры синтеза при низком давлении процесс осуществляется в условиях, близких к равновесию, что позволяет увеличить производительность агрегата. [5]

Функциональная схема синтеза метанола

Как и любой технологический процесс синтез метанола из оксида углерода и водорода включает ряд стадий. Для начала газ очищают от карбонила железа и сернистых соединений. Затем его нагревают до температуры при которой начнётся реакция, и подают его в реактор.

Образовавшийся метанол выделяется при выходе из зоны катализа. Это происходит из-за охлаждения смеси, которую затем сжимают до давления синтеза.



Рис 5. Функциональная схема получения метанола

Химическая схема синтеза метанола

1. Получение синтез-газа паро-углекислой конверсией метана с целью получения определенного соотношения Н₂:СО. 

2. Возврат непрореагировавшего синтез-газа. 

3. Смешение, нагрев и сжатие до соответствующих параметров в зависимости от используемого катализатора. 

4. Охлаждение газа после синтеза с целью выделения метанола и при этом нагрев входящих в реактор потоков. 

5. Разделение непрореагировавших газов и жидкой фазы. 

6. Отделение метанола от побочных продуктов.



Рис 6. Химическая схема получения метанола

6. Расчёт материального баланса ХТС

Рис 7. Структурная блок-схема синтеза метанола

Потоки: 01 - свежий газ; 12 - Смесь газов; 23,34 – смесь продуктов; 31 – циркуляционный газ; 30 – отдувочный газ; 401 – метанол-ректификат; 402 – вода; 403 – эфир

---

Блоки: 1 – смешение; 2 – синтез; 3 – конденсация и сепарация; 4 – ректификация



Рис 8. Операторная схема синтеза метанола

Исходные данные для расчёта

Показатель	Кол-во	Обозначение
Содержание инертных примесей в свежем газе, мольн.доли	0,04
Содержание СО в циркуляционном газе, мольн.доли	0,12
Содержание H2 в циркуляционном газе, мольн.доли	0,74
Содержание инертных примесей в циркуляционном газе, мольн.доли	0,14
Конверсия СО, доли:	0,2	X
- селективность образования метанола на СО, доли	0,95
- доля СО, превратившегося в эфир	0,03
- доля СО, превратившегося в метан	0,02
Базис расчёта, кг. СH3ОН:
- сырца	1500
- ректификата	-	-

Производство метанола основано на реакции:

СО + 2Н₂  СН₃ОН +Q

Одновременно протекают побочные реакции:

СО +3Н₂  СН₄ +Н₂О

2СО + 4Н₂  (СН₃)₂О +Н₂О

4СО + 8Н₂  С₄Н₉ОН + 3Н₂О [6]

Составляем уравнения материального баланса:

---