Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский Государственный Университет тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова

Кафедра общей химической технологии.

Курсовая работа

на тему: Производство метилового спирта

Студентка:

Алленова М.С.

Группа: Х-33

Преподаватель:

Чабан Н.Г.

Москва 2015



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ИСХОДНОЕ СЫРЬЕ

2. ХАРАКТЕРИСТИКА ЦЕЛЕВОГО ПРОДУКТА

3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА ЦЕЛЕВОГО ПРОДУКТА

4. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПРОЦЕССА

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ



ВВЕДЕНИЕ

Одним из важнейших органическим продуктом по значению и масштабам производства является метиловый спирт, выпускаемым химической промышленностью. Впервые метанол был найден в древесном спирте в 1661 г., но лишь в 1834 г. был выделен из продуктов сухой перегонки древесины Думасом и Пелиготом. В это же время была установлена его химическая формула. Способы получения метилового спирта могут быть различны: сухая перегонка древесины, термическое разложение формиатов, гидрирование метилформиата, омыление метилхлорида, каталитическое неполное окисление метана, каталитическое гидрирование окиси и двуокиси углерода.

До промышленного освоения каталитического способа метанол получали в основном сухой перегонкой древесины. «Лесохимический метиловый спирт» загрязнен ацетоном и другими трудноотделимыми примесями. В настоящее время этот метод получения метанола практически не имеет промышленного значения. По причинам технического и главным образом экономического характера промышленное развитие получил метод синтеза метанола из окиси углерода и водорода.

В 1913 г. был разработан синтетический способ получения метанола из окиси углерода и водорода на цинк-хромовом катализаторе при давлении 250--350 кгс/см2. Позднее, в 1923 г. этот процесс был осуществлен в Германии в промышленном масштабе и в дальнейшем интенсивно развивался и совершенствовался.

История развития отечественного промышленного синтеза метанола началась в 1934 г. выпуском ~30 т/сут. метанола на двух небольших агрегатах Новомосковского химического комбината. Сырьем для производства метанола служил водяной газ, полученный газификацией кокса. В настоящее время основное количество метанола вырабатывается на базе природного газа. Процесс синтеза осуществляется при 250--300 кгс/см2 и 380 °С.

Предприятия по выпуску метанола размещены в различных экономических районах страны, поэтому и виды используемого сырья различны. Наиболее дешевый метанол получают при использовании в качестве сырья природного газа. Это и стимулирует перевод предприятий метанола на природный газ.

Несмотря на достигнутые успехи, производство метанола продолжает совершенствоваться. Разрабатываются более активные и селективные катализаторы, а также совершенствуются цинк-хромовые катализаторы, методы получения и подготовки исходного технологического газа, аппаратурное оформление процесса. Более полно используется тепло, выделяющееся при синтезе метанола. Разрабатываются технологические схемы на основе прогрессивной техники. Новые мощные агрегаты синтеза метанола производительностью до 30 тыс. т/г в энергетическом отношении будут автономны-- для ведения процесса практически не потребуется подводить извне энергию и пар. Одновременно с созданием крупных одноагрегатных установок с использованием низкотемпературных катализаторов в мировой практике имеются примеры создания крупных агрегатов, работающих при высоком давлении (250-- 350 кгс/см2). Однако в мировой и отечественной практике ввиду технико-экономических преимуществ намечается развитие схем производства метанола при низком давлении 50--150 кгс/см2.



1. ИСХОДНОЕ СЫРЬЕ

Технологический исходный газ для синтеза метанола получается в результате конверсии (превращения) углеводородного сырья : природного газа, синтез - газа после производства ацетилена, коксового газа, жидких углеводородов (нефти, мазута, легкого каталитического крекинга) и твердого топлива (угля, сланцев).

Исходный газ для синтеза метанола можно получить почти из всех видов сырья, которые используют при получении водорода, например в процессах синтеза аммиака и гидрирования жиров. Поэтому производство метанола может базироваться на тех же сырьевых ресурсах, что и производство аммиака. Использование ого или иного вида сырья для синтеза метанола определяется ядом факторов, но прежде всего его запасами и себестоимостью в выбранной точке строительства. В соответствии с реакцией образования метанола

СО + 2Н2- CH3OH

В исходном газе отношение водорода к окиси углерода должно составлять 2:1, то есть теоретически необходимо, чтобы газ содержал 66,66 объемн.% H2 и 33, 34 объемн.% СО. В производственных условиях синтез метанола осуществляют по циркуляционной схеме при отношении H2 :СО в цикле выше стехиометрического. Поэтому необходимо иметь избыток водорода в исходном газе, т. е. отношение H2: CO в нем обычно поддерживают в пределах 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 двуокиси углерода в исходном газе. Количество СО2 может быть различным в зависимости от метода получения газа, а также условий синтеза (давление, температура, состав катализатора синтеза метанола) и изменяет я от 1,0 до 15,0 объемн.%. Природный и попутный газы представляют наибольший интерес, как с экономической точки зрения, так и с точки зрения конструктивного оформления процесса подготовки исходного газа (конверсия, очистка). Кроме того, они содержат меньше нежелательных примесей, чем газы, полученные газификацией твердого топлива.

Состав природного газа в зависимости от месторождения различен. Основным компонентом природного газа является метан, наиболее значительно меняется содержание гомологов метана (этан, пропан, бутан) и инертных газов.

Большинство крупных производств метанола базируется на использовании природного газа. Для получения исходного газа, углеводородное сырье подвергают конверсии различными окислителями: кислородом, водяным паром, двуокисью углерода и их смесями. В зависимости от используемых видов окислителей или их смесей различают следующие способы конверсии: паро-углекислотная при атмосферном или повышенном давлениях, паро-углекислотная с применением кислорода, высокотемпературная и паро-углекислородная газификация жидких или твердых топлив. Выбор окислителя или их комбинации определяется назначением получаемого исходного газа (для синтеза метанола на цинк-хромовом или медьсодержащем катализаторах) и технико-экономическими факторами.

В качестве сырья для производства метанола используют также синтез-газ после производства ацетилена методом окислительного пиролиза (на 1 т ацетилена обычно образуется до 10000 м3 газа). Этот газ содержит водород и окись углерода в соотношениях, близких к стехиометрическому соотношению для реакции синтеза метанола. Остаточный, метан является нежелательной примесью, поэтому до поступления в отделение синтеза газ проходит и каталитическую конверсию.

При использовании в качестве сырья для получения исходного газа твердого топлива (кокса и полукокса) последнее подвергают с газификации водяным паром. Кроме кокса, газификации могут подвергаться антрацит, сланцы, бурые угли, мазут и нефть. Процессы газификации проводят при атмосферном или при повышенном давлении. По технологическим принципам процессы газификации разделяют на циклические и непрерывные. Получение исходного газа таким способом в настоящее время устарело. Отметим лишь, что практически при любом режиме газификации отношение Н2: СО в конвертированном газе меньше теоретического. Поэтому часть газа после очистки от примесей направляют на конверсию окиси углерода водяным паром.

Коксовый газ, получаемый в процессе коксования каменных углей, содержит значительное количество метана (до 19--25%). У непредельных соединений и большое количество различных примесей. От некоторых из них (смолы, аммиак, бензол, нафталин и др.) газ очищают на коксохимических заводах.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА ЦЕЛЕВОГО ПРОДУКТА

Метиловый спирт, метанол СНзОН является простейшим представителем предельных одноатомных спиртов. В свободном состоянии в природе встречается редко и в очень небольших количествах (например, в эфирных маслах). Его производные, наоборот, содержатся во многих растительных маслах (сложные эфиры), природных красителях, алкалоидах (простые эфиры) и т. д. При обычных условиях это бесцветная, легколетучая, горючая жидкость, иногда с запахом, напоминающим запах этилового спирта. На организм человека метанол действует опьяняющим образом и является сильным ядом, вызывающим потерю зрения и, в зависимости от дозы, смерть.

Физические характеристики метанола при нормальных условиях следующие:

Молекулярный вес ............ 32,04

Плотность, г/см3 ............. 0,8100

Вязкость, мПа-с ............. 0,817

Температура кипения, °С ......... 64,7

Температура плавления, °С ........ --97,68

Теплота парообразования, ккал/моль .... 8,94

Теплота сгорания, ккал/моль

жидкого ............... 173,65

газообразного............. 177,40

Плотность и вязкость метанола уменьшаются при повышении температуры таким образом:

-40 °С -20 °С О °С 20 °С 40 °С 60 °С

Плотность, г/см3 ....... 0,8470 0,8290 0,8100 0,7915 0,7740 0,7555.

Вязкость, мПа.с. ...... 1,750 1,160 0,817 0,597 0,450 0,350

Метанол при стандартных условиях имеет незначительное давление насыщенных паров. При повышении температуры давление насыщенных паров резко увеличивается. Так, при увеличении температуры с 10 до 60 °С давление насыщенных паров повышается от 54,1 до 629,8 мм рт. ст., а при 100 °С оно составляет 2640 мм рт. ст. Он хорошо поглощает пары воды, двуокись углерода и некоторые другие вещества.

Следует указать на способность метанола хорошо растворять большинство известных газов и паров. Так, растворимость гелия, неона, аргона, кислорода в метаноле при стандартных условиях выше, чем растворимость их в ацетоне, бензоле, этиловом спирте, циклогексане и т. д. Растворимость всех этих газов при разбавлении метанола водой уменьшается. Высокой растворимостью газов широко пользуются в промышленной практике, применяя метанол и его растворы в качестве поглотителя для извлечения примесей из технологических газов.

Свойства растворов метанола в смеси с другими веществами значительно отличаются от свойств чистого метилового спирта. Интересно рассмотреть изменение свойств системы метанол--вода. Температура кипения водных растворов метанола закономерно увеличивается при повышении концентрации воды и давления. Температура затвердевания растворов по мере увеличения концентрации метанола понижается: -54 °С при содержании 40% СНзОН и --132°С при 95% СНзОН.

Плотность водных растворов метанола увеличивается при понижении температуры и почти равномерно уменьшается с увеличением концентрации метанола от плотности воды до плотности ''спирта при измеряемой температуре. Зависимость вязкости от концентрации метанола имеет при всех исследованных температурах максимум при содержании СНзОН около 40%. В точке максимума вязкость раствора больше вязкости чистого метанола.

Метанол смешивается во всех отношениях со значительным числом органических соединений. Со многими из них он образует азеотропные смеси -- растворы, перегоняющиеся без изменения состава и температуры кипения, т. е. без разделения. К настоящему времени известно свыше 100 веществ, в числе которых имеются и соединения, обычно присутствующие в метаноле-сырце. К этим веществам, например, относятся ацетон, метилацетат, метилэтилкетон, метилпропионат и некоторые другие. Необходимо отметить, что азеотропные смеси с содержанием таких соединений, как метилэтилкетон, метилпропионат, пропилформиат, изобутилформиат и ряд других имеют температуру кипения, близкую к температуре кипения чистого метанола (62--64,6 °С).

Метанол сочетает свойства очень слабого основания и еще более слабой кислоты, что обусловлено наличием алкильной и гидроксильной групп. При окислении метанола кислородом в присутствии катализатора образуется формальдегид:

СНзОН + 0,5О2 - НСНО + Н2О

На этой реакции основан широко применяемый в промышленности метод получения формальдегида, который используют в производстве пластических масс. При действии щелочных металлов, водород гидроксильной группы метанола замещается с образованием алкоголята

2СНзОН + 2Na ----> 2CH3ONa + 2Н2

который стоек только в отсутствие воды, так как вода омыляет его до метанола и щелочи:

СНзОNa + Н2О СНзОН + NaOH

С аммиаком метанол образует метиламины:

СНзОН + NH3 --> CH3NH2 + Н2О

СНзОН + СНзNН2 --> (CH3)2NH2 + Н2О

CH3OH + (СНз)2NH2 --> (СН3)3NH2 + Н2О

Эти реакции протекают в паровой фазе в присутствии катализаторов при 370--400 °С и повышенных давлениях..

Дегидратацией на катализаторе при повышенных температурах получают диметиловый эфир:

2СН3ОН --> (СНз)2О + Н2О

При взаимодействии метанола и минеральных кислот образуются сложные эфиры. Этот процесс называется этерификацией, и его широко используют в промышленной практике для получения различных метиловых эфиров -- метилхлоридов, метилбромидов, метилнитратов, метилсульфатов и др.:

СНзОН + H2SO4 -->- СНзSОзОН + Н2О

Органические кислоты также реагируют с метанолом с образованием сложных эфиров:

СНзОН + СНзСООН --> СНзСООСНз + Н2О

3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА ЦЕЛЕВОГО ПРОДУКТА

Давление. В технических расчетах обычно пользуются выражением константы равновесия через парциальное давление компонентов.

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. Поэтому при расчете равновесия синтеза метанола из смеси газов Н2--СО необходимо учитывать следующую реакцию:

СО2 + Н2( г)-СО + Н2О -- 9,8 ккал

При повышении давления выход метанола почти прямо пропорционально увеличивается и резко возрастает степень превращения окиси и двуокиси углерода (при 380°С):

Давление, кгс/см2 .......... 50 100 200 300 400

Выход СНзОН, объемн. %...... 0,37 1,56 5,54 9,31 11,68

Следует заметить, что с увеличением давления более резкий рост равновесного выхода метанола наблюдается при повышенных температурах. Так, при изменении давления от 50 до 300 кгс/см5 равновесный выход метанола при 280 °С увеличивается в 2,4 раза а при 380 °С -- в 2,3 раза (отношение H2 : СО =4 : 1).

Температура. С повышением температуры равновесный выход метанола понижается. Наиболее резкое понижение наблюдается при температурах выше 340°С. В этих условиях (при 300 кгс/см2) начинает снижаться степень превращения окиси и двуокиси угле рода в метанол, причем более резко окиси углерода:

Температура, °С ....... 250 300 340 360 380 400

Выход метанола, объемн. %. . 15,44 14,81 12,88 11,37 9,31 7,40

Степень превращения, %

СО ........... 99,75 97,20 87,52 78,96- 66,19 53,29

СО2 ........... 98,00 89,80 77,00 71,50 66,61 64,00

При давлении 50 кгс/см2 и повышении температуры от 180 до 300 °С равновесный выход метанола снижается более чем в 7 paз.

При 300 кгс/см2 и 380 °С равновесный выход метанола и степень превращения окислов углерода в зависимости от отношения Н2: СО меняются следующим образом:

Отношение Н2:СО . ......... 2 4 8 10 14

Выход СНзОН, объемн. %,..... 17,25 13,80 8,39 7,05 5,40

Степень превращения, %

СО ............... 44,50 60,39 66,85 67,80 67,97

СО2 .............. 19,50 45,71 70,52 76,15 82,39

При увеличении содержания окиси углерода в газе, т. е. уменьшении отношения Н2: СО, равновесный выход метанола возрастает пропорционально .Так, при 8 объемн. % СО, равновесный выход метанола составляет 5,71 объемн. %, при 16 объемн. % СО--11,41 объемн. %, а при 24 объемн, % СО--16,82 объемн. % СНзОН.

Двуокись углерода. Реакция восстановления двуокиси углерода водородом до окиси углерода в промышленных условиях синтеза метанола протекает практически до равновесного состояния, и пренебрегать ею при расчете равновесных выходов метанола нельзя. При повышении содержания двуокиси углерода в газе равновесный выход метанола меняется незначительно. Степень превращения оксидов углерода в метанол при этом снижается с 42,2% при 6 обьемн.% СО2 до 32,7% при 12 объемн.% СО2.

Инертные компоненты. В промышленных условиях синтез метанола протекает в присутствии инертных к данному процессу газов (метан, азот). Они в реакции не участвуют и не оказывают прямого влияния на равновесие реакции образования метанола. Однако наличие их в газе снижает парциальное (эффективное) давление реагирующих веществ, что ведет к уменьшению равновесного выхода метанола. Поэтому концентрацию инертных компонентов необходимо поддерживать на минимальном уровне.

На основании изложенного следует отметить, что синтез метанола на цинк-хромовом катализаторе, который работает при 360--380 °С, целесообразно проводить только при давлениях выше 200 кгс/см2. На низкотемпературных катализаторах, эксплуатируемых в температурном интервале 220--280°С, возможна работа при давлениях ниже 100 кгс/см2, причем, чем ниже температура, тем ниже может быть и давления синтеза.

Кинетика синтеза метанола. В гомогенных условиях (без катализатора) скорость взаимодействия окиси углерода и водорода ничтожно мала, и получить метанол в больших количествах невозможно. Для увеличения скорости реакции взаимодействия исходных компонентов используют вещества, которые, способствуя ускорению процесса, сами к концу реакций остаются химически неизменными. Для оценки этого ускорения, или иначе активности катализатора, необходимо знать скорость химического взаимодействия реагирующих компонентов. Если реакция протекает в гомогенных условиях, то скорость ее зависит от температуры, давления и концентрации реагирующих веществ. В гетерогенном, каталитическом процессе скорость реакции будет определяться также типом катализатора и состоянием его поверхности. Синтез метанола является гетерогенным каталитическим процессом, протекающим на границе раздела твердой (поверхность катализатора) и газообразной (смесь окиси углерода и водорода) фаз. До начала реакции окись углерода и водород концентрируются на поверхности катализатора (происходит адсорбция СО и H2). Суммарный процесс синтеза метанола состоит из следующих стадий:

диффузия исходных веществ к поверхности катализатора;

адсорбция этих веществ да поверхности катализатора;

химическое взаимодействие адсорбированных молекул СО и Н2 до метанола;

удаление (десорбция) образовавшегося метанола с поверхности катализатора.

При взаимодействии окиси углерода и водорода качественный состав продуктов реакции определяется видом используемого катализатора. Так, в зависимости от состава катализатора из окна углерода и водорода при соответствующих условиях (температура, давление и концентрация) можно получить метанол, высшие спирты, углеводороды, альдегиды и кислоты.

При синтезе метанола, кроме основных реакций, протекают следующие процессы: газ метиловый спирт химический

2CO + 4H2 - (CH3)2O+H2O

nCO+2nH2-CnH2n+1(OH)+(n-1)H2O и др.

Метанол может также реагировать с окисью углерода и водородом, образуя ряд побочных веществ.

Основные требования, предъявляемые к катализатору синтеза метанола: высокая активность и селективность (направлять процесс в сторону преимущественного образования метанола), стабильность в работе, стойкость к колебаниям температуры и большая механическая прочность. Катализаторы для синтеза метанола подразделяются на две группы: цинк-хромовые и медьсодержащие (цинк-медь-алюминиевые и цинк-медь-хромовые). На отечественных производствах метанола в основном используют активный / цинк-хромовый катализатор при 250--400 кгс/см2 и 380--400 °С. ' Цинк-хромовый катализатор состоит из окиси цинка и хромита цинка. Химический состав .его следующий: ZnO-ZnCrzO, 3ZnO-ZnCr204, 3,3ZnO-ZnCr20.

В настоящее время внедряется катализатор CMC-4 (Северодонецкий метанольный среднетемпературный). Этот катализатор более активен, чем обычный промышленный цинк-хромовый катализатор; технико-экономические показатели работы на нем предпочтительнее: снижается * расход исходного газа, увеличивается степень превращения окиси и двуокиси углерода, на 5--10 °С снижается температура процесса синтеза.

В последнее время в связи с изменением сырьевой базы (переход на природный газ), совершенствованием методов очистки газа и развитием техники в ряде стран используют цинк-медь-алюминиевые и цинк-медные катализаторы. Катализаторы, имеющие в своем составе медь, более активны, чем цинк-хромовые, причем максимальная активность их наблюдается при 220--260 °С. В силу этой особенности катализаторы на основе меди обычно называют низкотемпературными. Высокая активность их при низких температурах позволяет проводить процесс при давлении ниже 200 кгс/см2, что значительно упрощает аппаратурное оформление. Разработан и освоен в промышленном масштабе катализатор СНМ-1 (Северодонецкий низкотемпературный метанольный). Химический состав невосстановленного образца следующий: 52--54% CuO, 26--28% ZnO, 5--6% AlaOs, насыпная масса* 1,3--1,5 кг/м3, удельная поверхность 80--90 м^г, пористость ~50%.

Необходимо отметить, что медьсодержащие катализаторы по сравнению с цинк-хромовыми обладают малой термостойкостью и более чувствительны к каталитическим ядам. Медьсодержащий катализатор быстро снижает активность при перегревах, а в присутствии сернистых соединений образуется неактивный сульфид меди.

Сырье, используемое для производства низкотемпературных катализаторов, должно содержать минимальное количество примесей, поскольку наличие последних снижает селективность контакта и ухудшает качество метанола-сырца (особенно жесткие требования предъявляют к содержанию мышьяка, серы и железа). Поэтому при использовании сырья, загрязненного различными примесями, в том числе и сернистыми соединениями, медьсодержащие катализаторы практически не могут быть применены.

Условия проведения процесса. Исходя из термодинамики и кинетики процесса, выбирают условия его проведения на соответствующих катализаторах.

Так, в промышленных условиях на цинк-хромовых катализаторах процесс ведут под давлением 25--70 мПа, при температуре 370--420 °С, объемной скорости подачи газовой смеси и мольном соотношении Н2:СО=(1,5--2,5):1. Обычно исходный газ содержит 10--15% инертных примесей. В связи с этим требуется непрерывный вывод части рецикла газовой смеси (»10%) из системы. В этих условиях конверсия СО за один проход составляет 5--20% при выходе метанола 85--87% от стехиометрического. Непревращенный газ возвращается в реактор после конденсации метанола и воды. Одновременно с метанолом образуется ряд побочных продуктов: диметиловый эфир, высшие спирты и др.

При работе на низкотемпературных медьсодержащих катализаторах давление поддерживается в пределах 3--5 мПа, температура--230--280 °С, объемная скорость 8000--12000 ч, мольное соотношение Н2:СО==(5--7) : 1. Обязательным условием успешной работы низкотемпературных катализаторов является присутствие в газовой смеси 4--5% (об.) диоксида углерода. Он необходим для поддержания активности таких катализаторов. Срок службы катализатора при выполнении этого условия достигает 3--4 лет.



4. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПРОЦЕССА

Основным аппаратом в синтезе метанола служит реактор -- контактный аппарат, конструкция которого зависит, главным образом, от способа отвода тепла и принципа осуществления процесса синтеза. В современных технологических схемах используются реакторы трех типов: трубчатые реакторы, в которых катализатор размещен в трубах, через которые проходит реакционная масса, охлаждаемая водным конденсатом, кипящим в межтрубном пространстве;

адиабатические реакторы, с несколькими слоями катализатора, в которых съем тепла и регулирование температуры обеспечивается подачей холодного газа между слоями катализатора;

реакторы, для синтеза в трехфазной системе, в которых тепло отводится за счет циркуляции жидкости через котел-утилизатор или с помощью встроенных в реактор теплообменников.

Вследствие большого объема производства и весьма крупных капитальных затрат в производстве метанола сейчас используют все три типа технологических процессов.

На рис. 1 представлена технологическая схема производства метанола при низком давлении на цинк-медь-алюминиевом катализаторе из синтез-газа состава: H2-- 67%, СО -- 22%, С02 -- 9% -объемных, полученного конверсией метана, производительностью 400 тыс. т в год.

Очищенный от сернистых соединений синтез-газ сжимается в компрессоре 1 до давления 5--9 МПа, охлаждается в холодильнике 3 и поступает в сепаратор 4 для отделения сконденсировавшейся воды. Пройдя сепаратор, синтез-газ смешивается с циркуляционным газом, который поджимается до рабочего давления в компрессоре 2. Газовая смесь проходит через адсорбер.



Рис. 1. Технологическая схема производства метанола

Высшие спирты при низком давлении:

1 -- турбокомпрессор, 2 -- циркуляционный компрессор, 3, 7 --холодильники, 4 -- сепаратор, 5 -- адсорбер, 6 -- реактор адиабатического действия, б -- теплообменник, 9 -- котел-утилизатор, 10 -- сепаратор, 11 -- дроссель, 12 -- сборник метанола-сырца, 13, 14 -- ректификационные колонны

Циркуляционый газ 5, где очищается от пентакарбонила железа, образовавшегося при взаимодействии оксида углерода (II) с материалом аппаратуры, и разделяется на два потока. Один поток подогревают в теплообменнике 8 и подают в верхнюю часть реактора 6, а другой поток вводят в реактор между слоями катализатора для отвода тепла и регулирования температуры процесса. Пройдя реактор, реакционная смесь при температуре около 300°С также делится на два потока. Один поток поступает в теплообменник 8, где подогревает исходный синтез-газ, другой поток проходит через котел-утилизатор 9, вырабатывающий пар высокого давления. Затем,потоки объединяются, охлаждаются в холодильнике 7 и поступают в сепаратор высокого давления 10, в котором от циркуляционного газа отделяется спиртовой конденсат. Циркуляционный газ дожимается в компрессоре 2 и возвращается на синтез. Конденсат метанола-сырца дросселируется в дросселе 11 до давления близкого к атмосферному и через сборник 12 поступает на ректификацию. В ректификационной колонне 13 от метанола отгоняются газы и диметиловый эфир, которые также сжигаются. Полученный товарный метанол с выходом 95% имеет чистоту 99,95%.

На рис. 2. приведена технологическая схема производства метанола по трехфазному методу на медь-цинковом катализаторе из синтез-газа, полученного газификацией каменного угля, производительностью 650 тыс. т в год.

Очищенный от соединений серы синтез-газ сжимается в компрессоре 1 до давления 3--10 МПа, подогревается в теплообменнике 5 продуктами синтеза до 200-- 280°С, смешивается с циркуляционным газом и поступает в нижнюю часть реактора 4.' Образовавшаяся в реакторе парогазовая смесь, содержащая до 15% метанола, выходит из верхней части реактора, охлаждается последовательно в теплообменниках 5 и б и через холодильник-конденсатор 7 поступает в сепаратор 8, в котором от жидкости отделяется циркуляционный газ. Жидкая фаза разделяется в сепараторе на два слоя: углеводородный и метанольный. Жидкие углеводороды перекачиваются насосом 9 в реак-

Циркуляционный газ

Рис. 2. Технологическая схема производства метанола в трехфазной системе:

1 -- компрессор, 2 -- циркуляционный компрессор, 3,9 -- насосы, 4 * реактор кипящего слоя, 5,6 -- теплообменники, 7 -- холодильник-конденсатор, 8 -- сепаратор, 10 -- котел-утилизатор.

тор, соединяясь с потоком углеводородов, проходящих через котел-утилизатор 10. Таким образом, жидкая углеводородная фаза циркулирует через реактор снизу вверх, поддерживая режим кипящего слоя тонкодисперсного катализатора в нем, и одновременно обеспечивая отвод реакционного тепла. Метанол-сырец из сепаратора 8 поступает на ректификацию или используется непосредственно как топливо или добавка к топливу.

Разработанный в 70-х годах трехфазный синтез метанола используется в основном, для производства энергетического продукта. В качестве жидкой фазы в нем применяются стабильные в условиях синтеза и не смешивающиеся с метанолом углеводородные фракции нефти, минеральные масла, полиалкилбензолы. К указанным выше преимуществам трехфазного синтеза метанола следует добавить простоту конструкции реактора, возможность замены катализатора в ходе процесса, более эффективное использование теплового эффекта реакции. Вследствие этого установки трехфазного синтеза более экономичны по сравнению с традиционными двухфазными как высокого, так и низкого давления. В табл. 12.2 приведены показатели работы установок трех- и двухфазного процесса одинаковой производительности 1800 т/сут.

РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ХТС «Производство метилового спирта»

1.Структурная блок - схема.

1-подготовка (блок смешения сырья)

2-хим. превращения (блок синтеза)

3-разделение (блок конденсации и сепарации)

Производство метанола основано на реакции:

СО + 2Н2 СН3ОН

Побочные реакции:



2СО + 4Н2 (СН3)2О +Н2О

CO+3H2-CH4+H2O

Таблица № 1 Исходные данные из расчета

№	показатель	условное обозначение	единица измерения	принятое значение
1	Содержание инертных примесей в свежем газе	01CH4	Мольные доли	0,02
2	Содержание CO в циркуляционном газе	302CO	Мольные доли	0,12
3	Содержание Н2 в циркуляционном газе	302H2	Мольные доли	0,72
4	Содержание инертных примесей в циркуляционном газе	302CH4	Мольные доли	0,16
5	Конверсия СО - селективность образования метанола на СО -доля СО,превратившегося в эфир -доля СО,превратившегося в метан	k h1 h2	Доли Доли Доли доли	0,2 0,95 0,03 0,02
6	Базис расчета СН3ОН- сырца	П	кг	1000

Узел 1:

1) N01CO + N31 31CO = N12CO

2) N01H2 + N31 31H2 = N12H2

(N01CO + N01H2 ) - 1-01CH4

N01 CH4 - 01CH4

3) N01CH4=01CH4

Узел 2:

4) N23CH3OH=N12COk

5) N23(CH3)2O=N12COk0.5h1

6) N23CH4=N12COkh2

7) N23H2O=N12COkh10.05+N12COkh2

8) N12COk(32+46h10.5+18h10.5+18h2)=1000

Узел 3:

9) N0101CH4+N12k-h2=N302302CH4

10) N01CO=N12COk+N302302

11) N012H2=2N12COk+3N12COkh2+2N12COkh10.5+N302302H2

12) N01CH4+N23CH4=N302302CH4

Узел 4

13) N0101CH4+N12k-h2=N302302CH4

14) N01CO=N12COk+N302302

15) N012H2=2N12COk+3N12COkh2+2N12COkh10.5+N302302H2

16) N01CH4+N23CH4=N302302CH4

Таблица №2 Соответствие переменных потокам.

Поток	Переменная	Значения
N01CO	X1	33,6
N23СН4	X2	0,63
N12CO	X3	157,6
N01H2	X4	75,5
N01СН4	X5	2,84
N302	X6	17,8
N402	X7



Таблица №3 Материальный баланс химико-технологической системы производства метанола на 1000кг метанола.

Приход	масса	%масс.	Расход	масса	%масс.
Синтез-газ:			СН3ОН(сырец)	1000
СО	941	82,76	(СН3)2О	20	1,8
Н2	151	13,28	Н2О	20	1,8
СН4(инерт)	45	3,96	СН3ОН(чист.)	958	84,7
			Отдув. газы	132	11,7
			Невязка	7	0,6
Всего	1137	100	Всего	1130	100

Расчеты:

X3k(32*0,95+46*0,03*0,5+18*0,03*0,5+18*0,02)=1000

X3k=31,5

X3=157,6

X5=((X3*0,2+0,12X6)+(2X3k+3X3kh2+2X3kh2*0,5+X6302H2)* 0,02/0,98

X5=

X5=1,92+0,017X6

X2=31,5*0,02=0,63

X5+X2=0,16X6

0,63+1,92+0,017X6=0,16X6

2,55=0,143X6

X6=17,8

X1=31,5+17,8*0,12=33,6

X4=62,68+17,8*0,72=75,5

X5=17,8*0,16=2,84

G01=33,6*28+75,5*2+2,84*16=1137 кг

G302=17,8*0,12*28+17,8*0,72*2+17,8*0,16*16=131 кг

Приход:

mCO=N01CO MCO=941 кг

mH2=N01H2MH2=151 кг

mCH4=N01CH4MCH4=45 кг

Расход:

m(CH3)2O=0,5N12COkh1M(CH3)2O= 20 кг

mCH3OH=N12CO kMCH3OH= 958 кг

mH2O=N12COk(0,5h1MH2O+h2MH2O)=20 кг

Отдувочные газы:

m= mCO+mH2+mCH4

mCO=N302302COMCO=60 кг

mH2=N302302H2MH2=25 кг

mCH4=N302302CH4MCH4=46 кг

m=60+26+46=132 кг



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1) Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г. Общая химическая технология. - М.Высш. шк., 1990. - 520 с.

2) Мухлёнов И.П., Авербух А.Я., Кузнецов Д.А. и др. Под ред. И.П. Мухлёнова. Общая химическая технология: учебник для химико-технологических специальностей. Т.2. Важнейшие химические производства. - М.Высш. шк., 1984. - 264 с.

3) Атрощенко В.И., Каргин С.И. Технология азотной кислоты. - М.Химия, 1970. - 496 с.

Размещено на Allbest.ru