Синтез метанола

Снабжение предприятия водой  осуществляется из  Широковского водохранилища. Его воды наиболее мягкие в этой местности. Это является очень важной характеристикой в производственном процессе, так как упрощается стадия подготовки воды, а так же такая вода в меньшей степени вредит оборудованию. 

Электроснабжение предприятия  осуществляется от березниковских электрических сетей.

На производстве метанола для обеспечения воздухом КИП  имеется автономная установка, состоящая  из двух компрессоров, двух ресиверов  воздуха КИП низкого давления и установки осушки воздуха КИП. Для обеспечения производства аварийным  запасом воздуха КИП предусмотрен ресивер высокого давления.

Для снабжения предприятия  азотом для целей пожаротушения, продувок и создания «инертных подушек», «азотного дыхания» в емкостях с  ГЖ и ЛВЖ служит отделение по производству азота и кислорода ЦПП. По двум коллекторам: по первому  азот подается на производства метанола для создания «инертных подушек»  в емкостях с метанолом, продувок оборудования и целей пожаротушения; по второму - на сухие газовые уплотнения компрессоров.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Выбор и обоснование способа производства

Полное наименование: производство метанола.

Метод производства.

Исходным сырьем для производства метанола является природный газ.

В состав природного газа входят метан, этан и  другие высшие углеводороды, азот, а  также примеси сернистых соединений.

Сернистые соединения, как органические, так  и неорганические, являются ядами  для катализаторов, используемых в  процессе конверсии углеводородов  и синтеза метанола. Поэтому природный  газ подвергается тщательной очистке  от сернистых соединений.

Органические сернистые соединения сначала подвергаются гидрированию водородом в присутствии катализатора. При этом органические соединения серы превращаются в сероводород, который  затем поглощается активированной окисью цинка. Оба процесса проводятся в одном аппарате на комбинированном  катализаторе-поглотителе, в состав которого входят соединения никеля, железа и оксид цинка.

Процесс получения конвертированного  газа, необходимого для синтеза метанола, основан на каталитической конверсии  природного газа с водяным паром  в трубчатых печах в присутствии  никелевого катализатора.

Синтез  метанола проводится под давлением  не более 8,5 МПа и температуре 200¸300 °°C в присутствии медьсодержащего катализатора. Помимо температуры, давления и катализатора на процесс синтеза оказывает влияние объемная скорость прохождения газовой смеси через колонну синтеза. На увеличение выхода продута также оказывает влияние состав смеси. При конверсии метана водяным паром получается оптимальное соотношение H₂:CO как 5:1.

Также нужно  учитывать по какой схеме протекает  процесс синтеза. Так как степень  превращения конвертированного газа за один проход мала, то используют схему с рециркуляцией исходного газа, то есть с возвращением не прореагировавшей части обратно в процесс синтеза с помощью циркуляционного насоса. Для увеличения мощности производства параллельно с циркуляционной схемой работает схема проточного синтеза.

Отгонка примесей, содержащихся в  метаноле-сырце, происходит в последовательных колоннах предварительной и основной ректификации без давления.

Описанный метод получения метанола, помимо указанных основных стадий, включает в себя ряд вспомогательных. В состав производства метанола также входят:

узел приёма и замера расхода природного газа;

вспомогательный котел;

установка деминерализации  речной воды;

водооборотный цикл;

факельная установка;

склад метанола с насосной и наливной эстакадой.

 

В качестве приводов компрессоров, вентиляторов воздуха и дымовых газов трубчатых  печей, большинства рабочих насосов  установлены паровые турбины, которые  работают на паре, вырабатываемом в  производстве метанола.

Пар, используемый для проведения процесса конверсии  углеводородов и ректификации, а  также для привода паровых  турбин, получается, в основном, за счет использования тепла конвертированного  и дымовых газов. Недостающее  количество пара предусматривается  получать в специальном вспомогательном  котле, работающем на природном газе.

К питательной воде котлов-утилизаторов, вспомогательного котла и блока  проточного синтеза предъявляются  особые требования, и для подготовки воды предусмотрена специальная  установка деминерализации.

Для охлаждения технологических потоков, а также  для конденсации водяного пара после  паровых турбин предусмотрены аппараты воздушного охлаждения (АВО).

Управление технологическим процессом  производства метанола централизовано и осуществляется из центрального пункта управления (ЦПУ).

 

Выбор  данного способа производства обоснован наличием источника основного сырья для производства - природного газа. Раннее было сказано что использование природного газа в отличии от коксового позволяет не только увеличить мощность производства, но и упрощает ряд некоторых производственных стадий, связанных с очисткой сырья. Кроме огромной мощности данного производства, достигаемой при использовании двух параллельно работающих схем, можно выделить его относительно низкую себестоимость, малую продолжительность во времени, а также меньшие энергетические затраты и высокий выход целевого продукта, то есть наиболее полное использование исходного сырья, уменьшение затрат на очистку готового продукта, связанное с предупреждением образования побочных продуктов реакций . Немаловажную роль играет использование катализатора, позволяющего проводить процесс при низком давлении и температуре. Еще можно выделить  экологичность  данного способа  производства в отличие от других. Она обусловлена использованием побочных продуктов в качестве вторичных энергоресурсов (ВЭР), применением водооборотного цикла, очисткой сточных вод, а также предотвращением выбросов в окружающую среду.

 

 

 

 

5. Изучение технологической схемы, конструкции основных

аппаратов

 

Технологическая схема.

 

В целом производство метанола состоит  из следующих стадий:

 

1.Очистка природного газа от сернистых соединений (гидрирование сернистых соединений и поглощение образовавшегося сероводорода). Она происходит в отделении сероочистки. В состав блока входят огневой подогреватель и реактор сероочистки. Перед нагревателем природный газ смешивается с водородсодержащим газом , в качестве которого используются продувочные газы цикла синтеза метанола от сепаратора. Нагреваясь в подогревателе до температуры зажигания комбинированного катализатора, природный газ поступает в реактор сероочистки. В нем сернистые соединения гидрируются водородом в присутствии железно-никелевого катализатора, а образовавшийся сероводород поглощается оксидом цинка.

 

    Реакции гидрирования:

 

C₂H₅SH + H₂ «« H₂S + C₂H₆

CS₂ + 4H₂ «« 2H₂S + CH₄

2(C₂H₅)S + 3H₂ «« 2H₂S + 2C₂H₆

C₄H₄S + 4H₂ «« H₂S + C₄H₁₀

 

Реакция адсорбции:

 

  H₂S + ZnO «« ZnS + H₂O

2.Реформинг или каталитическая конверсия углеводородов с водяным паром в трубчатой печи при давлении 1,96 МПа и температуре 888 °°C на выходе из реакционных труб. В состав блока входят два агрегата конверсии природного газа. Предварительно нагревшись после отделения сероочистки, газ смешивается с водяным паром среднего давления и насыщенным водяным паром среднего давления. Затем он поступает в реакционные трубы печей конверсии, заполненные никелевым катализатором. В трубках протекает реакция:

   

          CH₄ + H₂O «« CO + 3H₂ – Q

   

          Наряду с основной реакцией  протекает ряд побочных:

 

         CO+H₂O «« CO₂+H₂+Q

         CO₂+CH₄ «« 2CO+2H₂-Q.

         2CO «« C+CO₂+Q

         CH₄ «« C+2H₂-Q

         Для того, чтобы получилась исходная смесь с определенным соотношением компонентов, природный газ и водяной пар тоже должны реагировать в определенном соотношении. Оно должно быть CH₄:H₂O как 2,8:1.

 

         3.Компремирование полученного конвертированного газа с давления 1,65 МПа до 8,1 МПа центробежным компрессором с подачей его на всас циркуляционного компрессора цикла синтеза метанола. Оно происходит в  блоке компрессии. В состав блока входят компрессор конвертированного газа и циркуляционный компрессор, а также компрессор азота, два компрессора воздуха КИП низкого давления и один воздушный компрессор высокого давления. Получившийся синтез-газ охлаждается в теплообменниках и проходит через ряд сепараторов. При этом из него конденсируется влага и удаляются механические примеси, которые могут привести к поломке компрессоров. Затем охлажденный газ поступает на ступень низкого давления компрессора, где сжимается до давления 4,0 МПа. После этого он проходит еще через ряд теплообменников и сепаратор, в которых удаляется оставшаяся влага, и поступает в область высокого давления компрессора. Здесь он сжимается до давления 8,1 МПа и поступает на всас циркуляционного компрессора. Между областью высокого давления основного компрессора и всасом циркуляционного происходит отбор части конвертированного газ в отделение проточного синтеза. В циркуляционном компрессоре газ дожимается до давления 8,7 МПа и поступает в колонны основного синтеза.

 

           4.Синтез метанола при давлении не более 8,5 МПа и температуре 205-255°°C в двух колоннах основного синтеза и блоке проточного синтеза (БПС) над медьсодержащим катализатором.

Процесс синтеза метанола характеризуется  следующими основными реакциями:

CO + H₂O « CO₂ + H₂ + Q

CO₂ + 3H₂ « CH₃OH + H₂O + Q

CO + 2H₂ « CH₃OH + Q

Кроме основной реакции в реакторе синтеза протекает ряд побочных реакций:

 

CO + H₂O ® CO₂ + H₂     

CO + 3H₂ ® CH₄ + H₂O     

2CO + 4H₂ ® (CH₃)₂O + H₂O              диметиловый эфир

CH₃OH ® (CH₃)₂O + H₂O     диметиловый эфир

nCO + 2nH₂ ® C_nH_2n+1OH + (n-1)H₂O    спирты

CO + H₂ ® HCOH       альдегиды

nCO + (2n+1)H₂ ® CnH_(2n+2) + nH₂O    парафины

 

          Основной синтез:

          Реактор синтеза представляет собой цилиндрический аппарат с внутренним диаметром 4,38 м и высотой 17,5 м. Колонна синтеза метанола выполнена из низколегированной стали. Циркуляционный газ поступает в колонну сверху через распределительное устройство. Внутри реактора находятся четыре катализаторных полки, на которых расположен медьсодержащий катализатор марок KATALCO^TM 51-2, KATALCO^TM 51-6, KATALCO^TM 51-8. Его состав таков:

         CuO – 52-54%

         ZnO – 26-28%

         Al₂O₃ – 5-6%

        В реакторах синтеза метанола расположены также три полки со смесителями, которые и делят катализатор на четыре слоя.

        Этот катализатор позволяет проводить реакцию синтеза метанола при низких давлениях и температуре. На каждой полке катализатор закреплен инертными керамическими шарами. Это сделано для предотвращения распыления катализатора по колонне.

         Так как реакции синтеза метанола экзотермичны, необходимо ограничивать повышение температуры в зоне реакции. Это достигается подачей холодного циркуляционного газа по холодным байпасам.  С каталитической полки газ через тороидальные распределители поступает в смесители, в которых происходит смешение горячего газа, вышедшего из слоя катализатора, и холодного газа, поступающего по байпасным линиям.             После смесителей газ направляется на следующий слой катализатора. Смешение холодного и горячего газов происходит после 1,2 и 3 каталитических полок. Для наиболее полного перемешивания горячего и холодного газа перед второй полкой установлен смеситель типа «труба в трубе».

             После четвертой каталитической полки циркуляционный газ, содержащий в себе пары метанола, выходит из колонны с температурой 260¸290 °C. После этого он проходит ряд теплообменников для охлаждения и утилизации тепла. На этой стадии  из общего потока второй раз циркуляционный газ отбирается на блок проточного синтеза. При охлаждении из газа начинает конденсироваться метанол, и газ превращается в газожидкостную смесь.

             Она поступает в сепаратор метанола-сырца, в котором происходит отделение сконденсировавшегося метанола от циркуляционного газа. Он представляет собой вертикальный сосуд. Отделение основного количества метанола-сырца от не сконденсировавшихся газов происходит за счёт увеличения объёма газа на входе в сепаратор и изменения направления движения потока газа внутри сепаратора. В верхней части его находится отбойная сетка, при помощи которой происходит дополнительное отделение метанола-сырца. В камерах на выходе после отбойных сеток в нижней части вмонтированы воронки, где собирается метанол-сырец и по опускным трубам сливается в нижнюю часть сепаратора.

               Пройдя сепаратор, циркуляционный газ отправляется на всас циркуляционного компрессора, а метанол-сырец из сепаратора через фильтры высокого давления  поступает в сборник жидкого метанола-сырца, предварительно смешиваясь с потоком метанола-сырца от БПС. В сборнике за счет понижения давления из метанола десорбируются растворенные газы H₂, CH₄, CO₂, CO, CH₃OH. Понижение давления осуществляется за счет их отвода.

            Затем метанол поступает в расширительный сосуд, где происходит вторичная десорбция растворенных газов.  После нее  газы поступают на утилизацию. Они сжигаются в печах конверсии.

Метанол-сырец из расширительного  сосуда самотеком отводится в  емкость  базисного склада метанола.

 

            Блок проточного синтеза:

            Часть конвертированного газа с линии нагнетания компрессора и циркуляционный газ, отбираемый в теплообменниках после синтеза, объединяются в один поток, а затем смешивается с конвертированным газом в определенном соотношении, зависящем от активности (срока службы) катализатора, загруженного в реактор проточного синтеза. Затем газ подогревается в теплообменнике до температуры 220¸280 °C и поступает в реактор проточного синтеза.

             В реактор проточного синтеза загружен катализатор KATALCO 51-8 в количестве 44 т. Он находится в пространстве между пластинами для поддержания изотермического протекания реакции. Часть катализатора (~ 25 % от общего объема) работает в   адиабатическом режиме, остальная часть (~ 75 % от общего объема) – в изотермических условиях. Разделения между адиабатическим и изотермическим слоями нет. Внутри слоя катализатора расположен внутренний теплообменник с плоскими теплообменными каналами для съема тепла реакции синтеза метанола.

            При такой конструкции реактора создаются:

            равномерные радиальные температуры по слою катализатора;