Тема №12: Производство метанола

1. Каковы основные, перспективные области применения метанола? Какие виды сырья используют для его синтеза?

Метанол широко применяется для получения пластических масс, синтетического волокна, синтетического каучука, в качестве растворителя и т. д.

Области применения метанола все расширяются: он является, в частности, перспективным продуктом для транспорта энергии на дальние расстояния, возможным компонентом автомобильных бензинов, сырьем для микробиологического синтеза и т. д.

Основным источником сырья в настоящее время является природный газ. В то же время определенное значение в качестве сырья сохраняет и твердое топливо. Разработка процесса газификации угля с целью получения синтез-газа, содержащего Н2, С02, СО, может изменить структуру сырьевой базы производства метанола и таким образом неудобный для транспортирования уголь будет превращен в удобный для хранения, транспортирования и использования метанол.

2. Составьте функциональную схему получения газа для синтеза метанола. Что ее отличает от схемы получения технологического газа для синтеза аммиака?

3. Составьте функциональную схему синтеза метонола, учитывающую реакции образования побочных соединений.

Основная реакция процесса

Одновременно, особенно при уменьшении давления или увеличении температуры сверх оптимальной, могут протекать и следующие побочные реакции:

Количество тех или иных побочных соединений в продукционной смеси зависит не олько от температуры и давления, но и от состава исходной газовой смеси, селективности и состояния катализатора. Наиболее существенной примесью, как правило, является метан.

4. Какими свойствами должны обладать катализаторы синтеза метанола?

Применяемый для синтеза метанола катализатор должен обладать высокой селективностью, т. е. максимально ускорять образование метанола при одновременном подавлении побочных реакций. Лучшие оказались катализаторы, основными компонентами которых является оксид цинка или медь.

Катализаторы синтеза метанола весьма чувствительны к каталитическим ядам, поэтому первой стадией процесса является очистка газа от сернистых соединений. Сернистые соединения отравляют цинк – хромовые катализаторы обратимо, медьсодержащие катализаторы – необратимо. Необходима также тщательная очистка газа от карбонила железа, который образуется в результате взаимодействия оксида углерода с железом аппаратуры. На катализаторе карбонил железа разлагается с выделением элементарного железа, что способствует образованию метана.

5. Обоснуйте оптимальные условия синтеза метанола. Проанализируйте влияние температуры, давления, объемной скорости газа на выход метанола. Чем вызвано ограничение повышения давления?

С возрастанием объемной скорости газа выход метанола падает. Такая закономерность основана на том, что с увеличением объемной скорости уменьшается время контакта газа с катализатором и, следовательно, концентрация метанола в газе, выходящим из реактора.

Однако за счет большего объема газа, приходящегося в единицу времени через одинаковый объем катализатора, производительность последнего увеличивается.

По сравнению со всеми побочными процессами получение метилового спирта идет с максимальным уменьшением объема, поэтому в соответствии с принципом Ле-Шателье повышение давления сдвигает равновесие в сторону образования метилового спирта. Так как процесс экзотермичен, то при повышении температуры равновесие сдвигается влево и равновесная степень превращения синтез-газа в метиловый спирт уменьшается. В то же время при недостаточно высоких температурах скорость процесса чрезвычайно мала. Поэтому в промышленности процесс ведут в узком интервале температур с колебаниями в 20—30° С.

6. Чем обусловлена циркуляционная схема синтеза метанола?

При увеличении объемной скорости до 100 000 ч^-1степень 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

7. Почему необходимо часть циркуляционного газа удалять из цикла?

При циркуляции в синтез-газе накапливаются инертные примеси (метан, азот, аргон) и их концентрацию регулируют частичной отдувкой газа.

8. Составьте функциональную схему синтеза метанола. Нарисуйте эскиз колонны синтеза.

В теплообменнике 1 газ нагревается до 330-340 ^оС и по центральной трубе, в которой размещен электроподогреватель 3, поступает в верхнюю часть колонны и проходит последовательно пять слоев катализатора 4. После каждого слоя катализатора, кроме последнего, в колонну вводят определенное количество холодного циркуляционного газа 2 для поддержания необходимой температуры. После пятого слоя катализатора газ направляется в теплообменник, где охлаждается с 300-385 до 130 ОС, а затем в холодильник-конденсатор типа “труба в трубе” 4. Здесь газ охлаждается до 30-35 ^оС и продукты синтеза конденсируются.

9. В чем состоят особенности производства метанола при низком давлении?

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

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

Концентрация и изготовление реакторов для проведения процесса при давлении проще благодаря более мягким условиям синтеза. При этом применяют реакторы как шахтные, так и трубчатые. В реакторах для синтеза при низком давлении особое внимание уделяют теплосъему, так как медьсодержащие катализаторы по сравнению с цинк – хромовыми значительно более чувствительны к колебаниям температуры. В шахтных реакторах температурный режим регулируют с помощью байпасов, холодный газ вводят через специальные распределительные устройства. В трубчатых реакторах катализатор находится в трубках, охлаждаемых кипящей водой. Температуру катализатора поддерживают постоянной по всей длине реактора с помощью регуляторов давления, причем перегревы катализатора практически исключены. Выгрузка отработанного катализатора протекает путем снятия колосниковых решеток. Диаметр реакторов достигает 6 м при длине 8 – 16 м.

10. В каких направлениях происходит совершенствование производства метанола?

Существенно расширяется использование метанола для получения уксусной кислоты, очистки сточных вод от вредных соединений азота, для производства кормового белка. В последнее время предполагают, что метанол найдет широкое применение в качестве источника энергии, газового топлива для тепловых электростанций, моторного топлива и как компонент автомобильных бензинов. Благодаря добавке метанола улучшаются антидетонационные свойства бензина, повышается КПД двигателя и уменьшается со

держание вредных веществ в выхлопных газах. Расширение сферы применения метанола требует энергичных мер по совершенствованию его производства. Можно выделить несколько основных направлений: укрупнение мощности единичного оборудования, использование бесконверсионной переработки синтез-газа, комбинирование синтеза метанола с производством других продуктов азотной промышленности, применение центробежных компрессоров. Надежность работы центробежных компрессоров, как наиболее сложного и ответственного машинного оборудования технологической линии, является в то же время критерием надежности и стабильности работы агрегата синтеза в целом.

11. Охрана окружающей среды в производстве метанола.

Газовые выбросы в производстве метанола подразделяют на две категории: постоянные и периодические. К постоянным относятся отходящие газы и пары, выделяющиеся из емкостей. Основной категорией выбросов в атмосферу являются периодические, которые возникают при остановках 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 надежности всех узлов систем, сведение количества остановок и пусков агрегатов до минимума, удлинение пробегов между ремонтами.

Второй источник загрязнения биосферы в производстве метанола – сточные воды. В них содержится до 0,3% метанола и других кислородсодержащих соединений углерода. В основном это воды от промывки шлаков 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,

17