Синтез метанола из оксида углерода и водорода

Размещение теплообменника внутри корпуса колонны значительно  снижает теплопотери в окружающую среду, что улучшает условия автотермичной  работы агрегата, исключает наличие  горячих трубопроводов, т.е. делает эксплуатацию более безопасной и  снижает общие капиталовложения. Кроме того, за счет сокращения длины  трубопроводов снижается сопротивление  системы, что позволяет использовать турбоциркуляционные компрессоры  вместо поршневых.

 

Рис. 1. Схема синтеза метанола.

1 – масляный  фильтр; 2 – угольный фильтр; 3 –  колонна синтеза; 4 – холодильник-конденсатор; 5 – сепараторы; 6 – компрессоры; 

7 – сборник.

 

Основным аппаратом производства метилового спирта из окиси углерода и водорода является колонна синтеза. Колонны обычно изготавливают из высоколегированной стали, хорошо сопротивляющейся коррозионному действию Н₂ и СО, или из низколегированных конструкционных сталей с футеровкой стенок медью или ее сплавами. Производительность колонны синтеза метанола в большой степени зависит от конструкции насадки. В промышленности применяются колонны с насадками разнообразных конструкций.

На рис. 2 схематически изображена колонна синтеза с полочной насадкой (внутренний диаметр колонны 800 мм, высота 12 м, толщина стенок корпуса 90 мм). В верхней части колонны размещается катализаторная коробка 1 с полками 3 для катализатора и электроподогревателем для подогрева газа в пусковой период, в нижней части колонны имеется теплообменник 4. Основной поток синтез-газа вводится сверху и проходит вниз по кольцевому пространству между корпусом колонны и корпусом катализаторной коробки. Далее газ поступает в межтрубное пространство теплообменника 4 и подогревается за счет тепла продуктов реакции, проходящих по трубкам. В межтрубном пространстве теплообменника имеются перегородки, направляющие часть газового потока поперек труб, благодаря чему значительно увеличивается коэффициент теплоотдачи.

Из теплообменники 4 газ через центральную трубу 2 поступает в катализаторное пространство, где протекает реакция образования метилового спирта. Продукты реакции проходят по трубкам теплообменники, охлаждаясь поступающим свежим газом, и через тройник в нижней крышке выводятся из колонны синтеза. Для предотвращения перегрева катализаторной массы в колонну подают холодный («байпасный») газ. Для этого на каждую полку аппарата подведены трубки, изогнутые но окружности и имеющие мелкие отверстия, через которые холодный газ поступает в контактную массу. Количество поступающего холодного газа регулируется клапанами, установленными на подводящих трубках.

Рис. 2. Колонна синтеза метилового спирта:

1 – корпус катализаторной коробки;

2 – труб для электроподогревателя;

3 – полки катализатора;

4 – теплообменник;

5 – трубки подвода байпасного газа.

 

6. Расчет материального  баланса и основных технологических  показателей процесса получения  метанола. 

 

Данные для расчета:

Основная реакция:

                                                           (1)

Побочные реакции:

                                                      (2)

                                                     (3)

                                                                 (4)

                                                              (5)

                                                      (6)

                                                     (7)

Рабочий объем катализатора – 24 м³.

Расход оксида углерода и  метанола на побочные продукты с учетом рецикла, %(масс.):                  

 СО                                          СН₃ОН        

 Реакция 2 – 3,8                      реакция 6 – 1,9        

 Реакция 3 – 4,1                      реакция 7 – 0,5        

 Реакция 4 – 2,5        

 Реакция 5 – 0,7

Итого:                 11,1                                        2,4

Температура – 655 К – 382 ^оС.

Давление – 38,8 МПа.

Объемная скорость газа – 22,2·10³ .

Мольное соотношение Н₂ : СО – 7,5.

База для расчета – 1 час работы установки.

1) Объем синтез-газа подаваемого  в реактор за 1 час (учетом рецикла)

расход при нормальных условиях

V₀=22,2·10³·24=532,8·10³ нм³/ч;

при условиях реактора (по формуле  Менделеева-Клайперона)

.

2) Массы водорода и  оксида углерода, подаваемые в  реактор

количество кмоль синтез-газа:

532,8∙10³·1000/(22,4∙1000)=23785,7 кмоль/ч;

количество моль водорода:

;

количество кмоль СО

23786-20988=2798 кмоль/ч.

, ;

, .

3) Расход оксида углерода

на целевую реакцию:

78344·(100 - 11,1)/100=69648 кг/час;

на побочные:

78344-69648=8696 кг/час.

4) Масса образующегося  метанола

масса водорода на целевую  реакцию

             ;

Масса метанола

69648+9950=79598 кг/ч.

5) Расход метанола на  побочные реакции

на реакцию (6)

79598·1,9/100=1512 кг/ч;

на реакцию (7)

79598·0,5/100=398 кг/ч.

Часовая производительность установки на 100% метанол:

79598-1512-398=77688 кг/ч.

6)Балансовый расчет по  реакциям

реакция (2)

СО:   78344·3,8/100=2977 кг/ч;

Н₂:      ;

СН₄:     ;

Н₂О:     ;

реакция(3)

СО: 78344·4,1/100=3212 кг/ч;

Н₂:              ;

СН₄:            ;

СО₂:            ;

реакция(4)

СО: 78344·2,5/100=1959 кг/ч;

С:                ;

СО₂:            ;

реакция(5)

СО:   78344·0,7/100=548 кг/ч;

Н₂:                  ;

НСНО:   ;

реакция(6)

СН₃ОН:      1512 кг/ч;

(СН₃)₂О:     ;

Н₂О:           ;

реакция(7)

СН₃ОН:      398 кг/ч

Н₂:         ;

СН₄:       ;

Н₂О:       ;

Масса непрореагировавшего  водорода

41976-9950-638-229-39-25=31095 кг/ч.

Всего образовалось:

∑СН₄ = 1701+918+199=2818 кг/ч;

∑Н₂О = 1914+425+224=2563 кг/ч;

∑СО₂ = 2524+1539=4063 кг/ч.

Основные технологические  показатели процесса:

Конверсию исходного сырья  рассчитываем как отношение количества израсходованного сырья (СО+Н₂) – (G_н - G_к), где G_к – количество непрореагировавшего водорода, к общему количеству сырья в начале процесса G_н:

Селективность нахожу как  отношение готового продукта G_п к прореагировавшему сырью G_c (на 100 % метанол)

Выход целевого продукта.

Если количество целевого (товарного) продукта G_п, то выход продукта Р в расчете на сырье G_з составит

Интенсивность работы катализатора рассчитываем как отношение производительности установки по метанолу на объем катализатора:

где П=79598 кг/ч – количество метанола, полученного в результате реакции (1).

7) Материальный баланс  процесса

Таблица 3.

Материальный баланс реактора

№ п/п	Приход	кг/ч	№ п/п	Расход	кг/ч
1	СО	78344	1	СН3ОН	77688
2	Н2 (с учетом рецикла)	41976	2	Н2О	2563
			3	СО2	4063
			4	СН4	2818
			5	С	419
			6	НСНО	587
			7	(СН3)2О	1087
			8	Н2 (на рецикл)	31095
	ИТОГО:	120320		ИТОГО:	120320

 

РАБОТА НАД ОШИБКАМИ

Селективность нахожу как  отношение готового продукта G_п к прореагировавшему сырью G_c (на 100 % метанол)

где G_П=77688 кг/ч – расход метанола (по материальному балансу);

G_с – расход прореагировавшего сырья:

78344 кг/ч – расход СО, 9950 кг/ч – расход водорода на  целевую реакцию (1).

Интенсивность работы катализатора рассчитываем как отношение производительности установки по метанолу на объем катализатора:

где П=77688 кг/ч – количество полученного метанола (по материальному  балансу).