Описание химико-технологической схемы

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: Hg — 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 при низком давлении: Высшие спирты1 — турбокомпрессор, 2 — циркуляционный компрессор, 3, 7 —холодильники, 4 — сепаратор, 5 — адсорбер, 6 — реактор адиабатического действия, б — теплообменник, 9 — котел-утилизатор, 10 — сепаратор, 1 1 — 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 °C 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 °C, 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: — 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 трехи двухфазного процесса одинаковой производительности 1800.

Таблица 1. Показатели работы установок синтеза метанола.

5. Расчет материального баланса ХТС.

Таблица 2 Составы потоков.

1. Структурная блок — схема.

Рис. 4.

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

Составляем уравнения материального баланса:

Таблица 3 Соответствие переменных потокам.

Производим замену переменных и записываем линейные уравнения следующим образом:

X1 — X2 — 0.12X3 = 0.

X4 — X5 — 0.74X3 = 0.

X4 — 0.4X1 — 0.74X3 — 0.74X6 = 0.

• 0.8 X1 — 0.12X3 — 0.12X6 = 0
• 0.04 X2 + 0.04X5 — 0.14X6 = 0
• 6.4 X1 = 1500

Матрица коэффициентов.

Таблица 4.

Таблица 5 Материальный баланс химико-технологической системы производства метанола на 1500 т метанола.

Расчет:

M=M*N.

Приход:

Расход:

Расчёт технологических показателей:

Степень превращения.

X = (1580,6 — 198,95)/ 1580,6 * 100% = 87,4%.

Селективность.

= 46,88 Ммоль * 28 г/моль / (1580,6 т — 198,95т) * 100% = 95,0%.

Выход целевого продукта.

= 1500 т / (56,45 Ммоль * 32 г/моль) *100% = 83,1%.

Расходный коэффициент.

= 1580,6 т / 1500 т = 1,05.

Теоретический расходный коэффициент.

= 1380,4 т / 1500 т = 0,92.

Рис. 5.

Поточная диаграмма.

Рис. 6.