УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАНОЛА

Полезная модель относится к области органической химии, а именно к технологии производства метанола прямым окислением углеводородсодержащего газа (природного газа).
Природный газ, по прогнозам, будет основным углеводородным ресурсом для энергетики и химической промышленности XXI века. Основные месторождения добычи газа и газового конденсата расположены в труднодоступных районах крайнего Севера, 87% добычи производится на севере Тюменской области.
Развитие малых ТЭК (топливно-энергетических комплексов) сдерживается отсутствием транспортных схем по доставке реагентов и ингибиторов. Основным ингибитором в борьбе с гидратообразованием в добыче газа является метанол, доставка которого до отдаленных месторождений представляет огромные затраты, в несколько раз превышающие цену на покупку метанола с нефтехимических заводов.
Создание малогабаритных установок получения метанола способом конверсии природного газа непосредственно на месторождениях в составе установок комплексной подготовки газа (УКПГ) позволило бы решить выше перечисленные проблемы для газовой промышленности. С учетом того, что дальнейший прирост добычи газа будет производиться за счет многочисленных мелких месторождений, находящихся на крайнем Севере, а при добыче газа в Северных морях метанол вообще хранить негде, данный процесс приобретает приоритетное значение.
Одной из проблем создания малогабаритных установок для производства метанола является нагрев единичных труб теплообменника продуктами горения газовой горелки, единичные трубы нагреваются неравномерно. Неравномерный нагрев труб и выделение тепла при экзотермической реакции окисления метана приводит к снижению эффективности процесса получения метанола.
Этот недостаток может быть устранен при обогреве единичных труб реакционного теплообменник парами веществ, имеющих заданную температуру кипения. При этом излишки тепла могут быть отведены за счет конденсации пара в дополнительном теплообменнике. Изменяя давление, в обогревающем реактор тракта, можно регулировать температуру нагрева единичных реакторов и тем самым оптимизировать выход метанола в установке.
Известна установка для производства метанола, (RU 2203261 С1) содержащая источник углеводородного газа, реактор для проведения газофазного окисления углеводородного газа, состоящий из реакционной зоны и зоны охлаждения, устройство для окончательного охлаждения реакционной смеси перед сепарацией для разделения отходящих газов и жидких продуктов, ректификационный узел для разделения метанола и других жидких продуктов. Источником углеводородного газа является установка комплексной подготовки газа. Зона охлаждения представляет собой трубчатую часть реактора, при этом реакционная зона и зона охлаждения снабжены устройством для ввода исходного углеводородного газа, нагретого в теплообменнике «газ-газ» до температуры, позволяющей проводить охлаждение реакционной смеси в два этапа: охлаждения путем ее смешения непосредственно в реакционной зоне со вторым потоком и охлаждение в трубчатой части через стенку трубок, а устройство для окончательного охлаждения реакционной смеси перед сепарацией выполнено в виде последовательно установленных теплообменника «газ-жидкость», соединенного с реактором, сепаратором и ректификационным узлом, и теплообменника «газ-газ», соединенного с реактором и установкой комплексной подготовки газа.
Внутренняя стенка реакционной зоны может быть футерована материалом, инертным к реакционной смеси. Реактор обычно снабжен термокарманами и вводными устройствами для контроля и регулирования температуры в реакционной зоне.
3
3
3
4
4
Исходя из приведенного примера, установка для производства метанола имеет выход метанола сырца в расчете на 1 м, пропущенного за один проход метана порядка 60 г/м CH. В расчете на полученный товарный метанол эта цифра очевидно будет еще ниже, порядка 30 г/мCH, что является крайне низким результатом. К тому же, низкое содержание кислорода в исходном газе (1-2,5 об.%), высокое давление в реакционной зоне (8 МПа), необходимость рециркуляции отходящих газов, а также сложность управления процессом делают процесс получения метанола недостаточно эффективным с точки зрения экономических затрат.
Близкой к предлагаемой является патент на полезную модель «Установка для производства метанола» (RU №86590), содержащий установку комплексной подготовки газа, подогреваемый с помощью газовой горелки реактор для проведения газофазного окисления углеводородного газа, состоящий из теплообменника «газ-газ» реакционной зоны, набранного из единичных цилиндрических труб и теплообменника «газ-вода» зоны охлаждения, холодильник-конденсатор для окончательного охлаждения реакционной смеси и разделения отходящих газов и жидких продуктов, ректификационный узел для разделения метанола и других жидких продуктов и систему экологической очистки для очистки кубового остатка и отходящих газов.
При обогреве теплообменника «газ-газ» реакционной зоны продуктами горения газовой горелки наблюдается неравномерный нагрев, как различных частей одной и той же трубы, вследствие чего снижается эффективность работы установки.
Наиболее близкой к предлагаемой является патент на полезную модель «Устройство для получения метанола» (RU №99352, прототип), содержащее установку комплексной подготовки газа, подогреваемый с помощью газовой горелки реактор для проведения газофазного окисления углеводородного газа, состоящий из теплообменника «газ-газ» реакционной зоны, набранного из единичных, отшлифованных изнутри, цилиндрических труб и теплообменника «газ-вода» зоны охлаждения, холодильник-конденсатор для окончательного охлаждения реакционной смеси и разделения отходящих газов и жидких продуктов, ректификационный узел для разделения метанола и других жидких продуктов и систему экологической очистки для очистки кубового остатка и отходящих газов. При этом в межтрубном герметическом пространстве теплообменника «газ-газ» реакционной зоны располагается рабочее вещество в виде расплава солей, имеющее температуру кипения 400-450°C, а само межтрубное пространство соединено с герметическим межтрубным пространством теплообменника «газ-газ».
Эффективность работы данной установки может быть за счет увеличения возможностей по регулированию температуры нагрева единичных реакторов установки.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение эффективности процесса получения метанола.
Это достигается обеспечением равномерного нагрева и регулировкой температуры поверхностей единичных труб теплообменника «газ-газ» реакционной зоны в установке для получения метанола, содержащей установку комплексной подготовки газа, подогреваемый с помощью газовой горелки реактор для проведения газового окисления углеводородного газа, состоящий из теплообменника «газ-газ» реакционной зоны, набранного из единичных, отшлифованных изнутри, цилиндрических труб и теплообменника «газ-вода» зоны охлаждения, холодильник-конденсатор для окончательного охлаждения реакционной смеси и разделения отходящих газов и жидких продуктов, ректификационный узел для разделения метанола и других жидких продуктов и систему экологической очистки для очистки кубового остатка и отходящих газов.
При этом в межтрубном герметическом пространстве теплообменника «газ-газ» реакционной зоны располагается рабочее вещество (например, расплав солей), имеющее температуру кипения 400-450°C, а само межтрубное пространство соединено с герметическим межтрубным пространством теплообменника «газ-газ», обеспечивающего отвод излишков тепла, поступающего от газовой горелки и в результате экзотермической реакции окисления метана.
Отличием предлагаемого устройства от известного является то, что герметичное межтрубное пространство теплообменника «газ-газ» соединено с устройством, позволяющим регулировать в нем давление.
В дальнейшем предлагаемое устройство поясняется чертежом, на котором фиг.1 изображает общий вид устройства для получения метанола.
Устройство для получения метанола содержит реактор (фиг.1) для проведения газофазного окисления метана. Реактор 1 состоит из двух зон 2 и 3, одна из которых 2 является реакционной и снабжена вводным устройством 4 для ввода исходного газа, а другая зона 3 предназначена для предварительного охлаждения реакционного газа, поступающего из реакционной зоны.
Зона 2 представляет собой трубчатый теплообменник «газ-газ», набранный из единичных цилиндрических труб 5, вмонтированных в трубные доски 6 на входе и выходе реакционной смеси.
Внутри герметического межтрубного пространства зоны 2 расположено рабочее вещество (например, расплав солей), которое при нагревании превращается в жидкость и затем в пар при температуре 400-450°C. Обогрев внешнего кожуха межтрубного пространства зоны 2 осуществляется с помощью газовой горелки 7. Обогрев единичных цилиндрических труб 5 теплообменника «газ-газ» осуществляется парами испаренного рабочего вещества.
Излишки тепловой энергии, вместе с парами рабочего вещества через выводные устройства 15 и магистрали 16 поступают в герметическое межтрубное пространство дополнительного теплообменника «газ-газ» 14, где они охлаждаются поступающим в теплообменник воздухом. Пары рабочего вещества после охлаждения и конденсации стекают (через магистраль 16) в межтрубное герметическое пространство теплообменника «газ-газ» и зоны 2.
Зона 3 представляет собой трубчатый теплообменник «газ-вода» для предварительного охлаждения реакционных газов через стенку трубок 8, вмонтированных в трубные доски 9 на входе и выходе реакционной смеси. Кроме того, реактор 1 снабжен устройствами для контроля и регулирования температуры в реакторе (на схеме не показаны). Регулирование температурного режима реактора осуществляется путем изменения режима работы газовой горелки 7 и расхода воды через вводное устройство 10, а также путем изменения расхода исходного газа через устройство ввода 4.
Образующийся в зоне 3 пар покидает теплообменник через выводное устройство 11.
Исходный газ в реактор подается из устройства комплексной подготовки газа 12. Окончательное охлаждение реакционного газа и отделение отходящих газов от жидкой фазы осуществляется в холодильнике-конденсаторе 13. Узел ректификации и система экологической очистки на схеме не показаны.
Дополнительный теплообменник 14 соединен с устройством регулировки давления 17, позволяющим регулировать в нем давление, например, с помощью подачи азота) либо по заданной программе, либо в зависимости от выхода метанола. От величины зависит температура обогревающего пара. Уменьшая, например, температуру единичного реактора, в известных пределах, можно получить увеличение выхода метанола.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Из устройства комплексной подготовки газа 12 метановоздушная смесь с заданной концентрацией метана, заданным расходом и давлением подается на вход зоны 2 реактора. В реакционной части метановоздушная смесь нагревается до заданной температуры, после чего происходит газофазное окисление метана. В дальнейшем реакционная смесь поступает в зону 3 реактора, где происходит ее предварительное охлаждение до температуры 150-200°C с целью закалки, выделяющийся при этом в теплообменнике пар может быть использован для работы узла ректификации и других нужд.
Далее реакционный газ поступает в холодильник-конденсатор 13, где происходит его окончательное охлаждение до температуры 20-30°C и разделение отходящих газов и жидкой фазы, содержащей метанол, воду и другие продукты окисления.
Отходящие газы поступают далее в систему экологической очистки, и после проведения необходимой очистки выбрасываются в атмосферу.
Жидкая фаза поступает в узел ректификации, где происходит отделение метанола от других жидких продуктов. Кубовый остаток поступает в систему экологической очистки, и после проведения необходимой очистки отводится в канализацию. Получаемые в холодильнике-конденсаторе пар и теплофикационная вода используются для работы узла ректификации и других нужд.
Полное окисление поступающего на вход устройства метана, осуществляется за один проход.
Экспериментально установлено, что увеличение равномерности нагрева единичных цилиндрических труб реакционного теплообменника при окислении метана до метанола повышает эффективность ведения процесса на 10-12%.