Производство метанола

 

Несмотря но то, что доля метанола используемого на производство моторного топлива в настоящее время еще не велика, использование его для топливно-энергетических целей стало весьма перспективным. Это обусловлено возможностью получения метанола из любого углеродсодержащего сырья и неограниченными запасами его, что позволяет использовать метанол в качестве полупродукта в производстве синтетического моторного топлива.

 

 

 

 

 

 

5. Влияние метанола на окружающую  среду, экология при производстве  метанола

 

Метанол –  очень токсичное вещество (сильный яд с ярко выраженным кумулятивным действием). При попадании через органы дыхания вызывает тяжелое отравление. Метиловый спирт вызывает тяжелое раздражение кожи, при попадании на нее. При попадании внутрь отравляющее действует на нервную и сосудистую системы. Предельно допустимая концентрации составляет 5 мг/м³. Прием внутрь 5-10 мл приводит к тяжелому отравлению, доза 30 мл и более может быть смертельной.

Серьезнейшей экологической проблемой  стали отходы промышленного производства метанола. Вы уже знаете, какой вред они наносят окружающей среде. В настоящее время делаются попытки уменьшить количество отходов, загрязняющих окружающую среду. С этой целью разрабатываются и устанавливаются сложнейшие фильтры, строятся дорогостоящие очистные сооружения и отстойники. Но практика показывает, что они хоть и снижают опасность загрязнения, все-таки не решают проблему. Известно, что даже при самой совершенной очистке, включая биологическую, все растворенные минеральные вещества и до 10% органических загрязняющих веществ остаются в очищенных сточных водах. Воды такого качества могут стать пригодными для потребления только после многократного разбавления чистой водой.

Очевидно, решение проблемы возможно при разработке и внедрении в  производство совершенно новых, замкнутых, безотходных технологий. При их применении вода не будет сбрасываться, а будет многократно использоваться в замкнутом цикле. Все побочные продукты будут не выбрасываться в виде отходов, а подвергаться глубокой переработке. Это создаст условия для получения дополнительной нужной человеку продукции и обезопасит окружающую среду.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Техника безопасности при производстве  метанола

 

Техникой безопасности считаются правила поведения, которые при условии их неукоснительного соблюдения сберегут жизнь и здоровье людей от возникновения чрезвычайных ситуаций.

Основными пунктами техники безопасности при производстве метанола служат:

1) соблюдение техники противопожарной безопасности (должны быть оборудованы специальные комнаты для курения и смонтирована пожарная сигнализация);

2) рабочие цехов должны быть  обеспечены спецодеждой (резиновые халаты, резиновые перчатки, прорезиненная обувь) и респираторами;

3) проведение профилактических мероприятий (за счет противопожарных и страховых фондов).

Опасными и вредными производственными  факторами являются:

1) Возможность разгерметизации  или разрушения используемого технологического оборудования или аппаратов с последующим неконтролируемым истечением горючих паров и газов из системы вследствие: повышения давления в аппаратах больше предельно допустимого значения, повышения температур нагрева метанола, коррозионного и механического износа.

2) Опасность травмирования обслуживающего персонала.

3) Газоопасность. В низких местах, углублениях, где могут образоваться  взрывоопасные смеси газов с  воздухом. Возможность удушения персонала от нехватки кислорода во время работ. С целью исключения образования взрывоопасных смесей на площадках производства устанавливаются сигнализаторы довзрывных концентраций газов с подачей звукового и светового сигналов.

4) Электроопасность, обусловленная  использованием в приводах холодильников  и насосов электродвигателей  напряжением питания 380В и выше, а также наличием сетей автоматики и сигнализации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Технологическая схема и краткое  описание процесса производства метанола

 

Реакция синтеза метанола из синтез-газа представляет гетерогенно-каталитическую обратимую экзотермическую реакцию, протекающую по уравнению:

СО+2Н₂→СН₃ОН                           (а)

Тепловой эффект реакции возрастает с повышением температуры и давления и для условий синтеза составляет 110,8 кДж.

При синтезе метанола параллельно  с основной реакцией протекают побочные реакции:

СО+3Н₂=СН₄+Н₂О                           (б)

2СО+2Н₂=СН₄+СО₂                          (в)

СО+Н₂=СН₂О                               (г)

а также продукционная  реакция образования метанола из содержащегося в синтез-газе оксида углерода (IV):

СО₂+3Н₂=СН₃ОН+Н₂О                       (д)

Кроме этого, образовавшийся метанол может подвергаться вторичным превращениям по реакциям:

2СН₃ОН=СН₃-О-СН₃+Н₂О

СН₃ОН+nСО+2nН₂=СН₃(СН₂)_n-OH

СН₃ОН+Н₂=СН₄+Н₂О

Реакции (а-д) протекают с выделением тепла  и уменьшением объема, но различаются величиной теплового эффекта и степенью контракции. Поэтому, хотя для всех этих реакций степень превращения возрастает с увеличением давления и понижением температуры, в наибольшей степени повышение давления влияет на равновесие основной реакции синтеза (а), для которой степень контракции максимальна и составляет 3:1.

Селективность процесса зависит от температуры, давления и свойств катализатора. Парогазовая смесь, выходящая из контактного аппарата, содержит от 5 до 20 % метанола. Чтобы сместить равновесие в сторону образования метанола, процесс проводят с избытком водорода против стехиометрического при соотношении СО:Н₂, равном 1:4.

Схема синтеза  метилового спирта представлена на рис.1. Смесь окиси углерода и водорода очищают от механических примесей, от Н₂S и других соединений серы, отравляющих катализатор. Очищенный газ сжимается в многоступенчатом компрессоре 1 до давления 25*10⁶ Н/м². После третьей ступени компрессора газ очищается от двуокиси углерода промывкой воды, дожимается далее до рабочего давления синтеза и смешивается с непрореагировавшими газами в смесителе 2. В фильтре 3, заполненном активированным углем, газовая смесь очищается от пентакарбонила железа Fe(CO)₅, образующегося при взаимодействии окиси углерода со стальной аппаратурой при высоких давлениях, и от машинного масла. Петакарбонил железа в колонне синтеза разлагается; на катализаторе отлагается дисперсное железо, ускоряющие побочные реакции образования метана. Далее газ поступает в теплообменник 4, где он в трубках нагревается до 320^оС горячими продуктами реакции, проходящими в межтрубном пространстве аппарата. Нагретый газ поступает в колонну синтеза 5, где в слое катализатора образуется метанол. Колонна синтеза метанола представляет собой контактый аппарат полочного типа. В верхней части колонны находится катализаторная коробка с полками для катализатора и электродвигателем для подогрева газа в период пуска, в нижней части – теплообменник. Основной поток газовой смеси, нагретый в теплообменнике 4, вводится в верхнюю часть колонны 5 и поступает в слой катализатора. Продукты реакции охлаждаются в трубках теплообменника и выводятся через нижнюю часть колонны. Продукты синтеза, выходящие из колонны, охлаждаются до 100^оС в теплообменнике 4, а затем в холодильнике-конденсаторе 6 до 25-30^оС, где пары метанола конденсируются. Образовавшейся жидкий метанол-сырец отделяется от непрореагировавших веществ в сепараторе 7 и собирается в сборнике 8, откуда направляется на ректификацию. Непрореагировавшие продукты, выходящие из сепаратора 7, дожимаются до рабочего давления 25*10⁶ Н/м² в циркуляционном компрессоре 9 и поступают в смеситель 2.

  Метанол-сырец подвергается многократной ректификации, которая в сочетании со специальной очисткой позволяет получить чистый продукт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1 Схема  производства метанола

1-компрессор, 2-смеситель, 3-фильтр, 4-теплообменник, 5-колонна синтеза, 6-холодильник-конденсатор, 7-сепаратор, 8-сборник, 9-циркуляционный  компрессор 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Исходные проектные данные

 

Исходные  проектные данные	Вариант №1
Производительность  по спирту-сырцу, т/сут Состав спирта-сырца, % масс СН3ОН (СН3)2О Н2О Состав поступающего синтез газа, % масс СО Н2 СО2 Выход метанола по данному СО, %	10   94,5 1,5 4     19 76 5   15

 

Протекают реакции:

1. СО+2Н₂=СН₃ОН+Q – основная
2. 2CH₃OH=(СН₃)₂О+Н₂О – побочная

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9 .Расчет и составление таблицы материального баланса

 

1. Строим диаграмму  материальных потоков:

 

 

2. Молекулярные  массы веществ:

М(СО)=28       М(Н₂)=2          М(СО₂)=44           М(Н₂О)=18

М(СН₃ОН)=32          М((СН₃)₂О)=46

3. Масса воды  в спирте сырце (кг/сут):

10000*0,04=400

4. Масса (СН₃)₂О в спирте-сырце (кг/сут):

10000*0,015=150

5. Масса метанола  в спирте-сырце:

10000*0,945=9450

6. Масса метанола  в побочной реакции (кг/сут):

                                  Х         150

2СН₃ОН=(СН₃)₂О+Н₂О

Х-150

64-46

Х=64*150/46=208,7

7. Общая масса метанола (кг/сут):

208,7+9554,35=9763,05

 

8.Масса вступившего  в реакцию СО (кг/сут):

                                    Х            9763,05

СО+2Н₂=СН₃ОН

Х-9763,05

28-32

Х=28*9763,05/32=8542,67

9. Общая масса  СО₂ (кг/сут):

Х-100

8542,67-15

Х=100*8542,67/15=56951,13

10. Масса синтез-газа:

56951,13-19

Х-100

Х=100*56951,13=299742,79

11. Масса водорода  в синтез-газе (кг/сут):

299742,79*0,76=227804,52

12. Масса углекислого  газа в синтез-газе (кг/сут):

299742,79*0,05=14987,14

13. Масса непрореагировавшего СО₂ (кг/сут):

56951,13-8542,67=48413,46

14. Масса воды  в побочной реакции (кг/сут):

                                  208,7                Х

2СН₃ОН=(СН₃)₂О+Н₂О

208,7-Х

64-18

Х=208,7*18/64=58,7

15.  Масса вступившего в реакцию водорода (кг/сут):

           Х     9763,05

СО+2Н₂=СН₃ОН

Х-9763,05

4-32

Х=9763,05*4/32=1220,38

16. Масса вступившего в реакцию СО₂ (кг/сут):

                                Х                        58,7 

СО₂+3Н₂=СН₃ОН+Н₂О

Х-58,7

44-18

Х=44*58,7/18=143,49

17. Масса вступившего  в реакцию Н₂ (кг/сут):

       Х               58,7

СО₂+3Н₂=СН₃ОН+Н₂О

Х-58,7

6-18

Х=6*58,7/18=19,57

18.Масса непрореагировавшего  СО₂ (кг/сут):

14987,14-143,49=14843,65

19. Масса непрореагировавшего  водорода (кг/сут):

227804,52-1220,38-19,57=226564,37

20. Масса воды на выходе из реактора (кг/сут):

400-58,7=341,3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10. Таблица материального баланса

 

№	Наименование	Кг/сут	%	№	Наименование	Кг/сут	%
1.	Синтез-газ: СО2 Н2 СО	14987,14 227804,52 56951,13	5 76 19	1. 2. 3. 4. 5. 6.	Метанол (СН3)2О Н2О СО2 СО Н2	9450 150 341,3 14843,65 48413,46 226564,37	3 0,05 0,1 5 16,25 75,6
	Итого	299742,79	100		Итого	299742,79	100