УСТАНОВКА 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.
Основная проблема создания малогабаритных установок для производства метанола состоит в том, что все существующие на сегодня способы прямого окисления метана в метанол кислородом воздуха осуществляют при низкой концентрации кислорода в исходной газовой смеси и, следовательно, на выходе из реактора реакционная смесь будет обогащена метаном, азотом, окисью и двуокисью углерода и другими элементами.
Рециркуляция метана требует его отделения от реакционной смеси, что является весьма затруднительным. Поэтому выход метанола, в расчете на пропущенный метан, остается крайне низкой, а рециркуляция метана практически невозможной, как и окисление метана за один проход.
Однако экспериментальным путем могут быть найдены соотношения параметров рабочего процесса и геометрических характеристик обогреваемого реактора при которых данная задача становится разрешимой (весь поступающий на вход реактора метан окисляется за один проход с получением приемлемого выхода метанола и его содержания в получаемом оксидате).
Известна установка для производства метанола, содержащая последовательно установленные и соединенные трубопроводами смесительную камеру, подсоединенную к раздельным источникам углеводородсодержащего газа и воздуха или кислорода, реактор из инертного материала с нагревательными элементами для неполного окисления метана в смеси, подаваемой в реактор под избыточным давлением, конденсатор и сепаратор для выделения метанола из продуктов реакции, емкость для рециркулируемых газообразных продуктов реакции с трубопроводом для их подачи в исходный углеводородсодержащий газ или смесительную камеру (GB, 2196335, А). Однако большое время пребывания реагентов в реакторе не позволяет обеспечить высокую производительность установки, что делает процесс практически не применимым в промышленных условиях.
Известна установка для получения метанола, которая содержит источник углеводородсодержащего газа, компрессор и подогреватель для сжатия и нагрева газа, источник кислородсодержащего газа с компрессором, последовательно установленные реакторы с последовательно чередующимися смесительными и реакционными зонами с трубопроводами подачи углеводородсодержащего газа в первую смесительную зону реактора и кислородсодержащего газа в каждую смесительную зону, рекуперативные теплообменники для охлаждения реакционной смеси через стенку потоком холодного углеводородсодержащего газа, установленные около выходных торцов всех реакционных зон реактора с трубопроводами для последующей подачи нагретого углеводородсодержащего газа в подогреватель, холодильник-конденсатор, сепаратор для разделения отходящих газов и жидких продуктов с последующим выделением метанола и трубопровод для подачи отходящих газов в исходный углеводородсодержащий газ, и трубопроводом для подачи отходящих жидких кислородсодержащих продуктов в первую смесительную зону реактора (RU, А, 216260).
2
Невозможность быстрого съема тепла высокотермичной объемной реакции окисления углеводородсодержащего газа приводит к необходимости уменьшения количества подаваемого углеводородсодержащего газа и, следовательно, степени конверсии углеводородсодержащего газа. Кроме того, даже при использовании в качестве окислителя кислорода невозможна эффективная рециркуляция углеводородсодержащего газа из-за быстрого повышения в нем концентрации оксидов углерода. При этом значительная часть подаваемого кислорода расходуется на окисление CO в CO, приводя к дополнительному снижению степени конверсии исходного углеводородсодержащего газа и дальнейшему перегреву реакционной смеси. Установка также требует сжигания дополнительного количества исходного углеводородсодержащего газа для обеспечения паром стадии ректификации жидких продуктов. Необходимость охлаждения газожидкостной смеси после каждого реактора для сепарации жидких продуктов и ее последующего нагрева перед следующим реактором приводит к значительному усложнению технологической схемы, увеличению единиц оборудования и дополнительному расходу энергии.
В реакционной зоне целесообразно поддерживать концентрацию кислорода в пределах от 1 до 2,5%.
Известна установка для получения метанола, 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 (RU 2203261 С1).
3
3
3
4
4
Исходя из приведенного примера, установка для получения 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/м CH, 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.
Наиболее близкой к предлагаемой является установка для получения метанола, содержащая установку комплексной подготовки газа, 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 этом длина единичной обогреваемой цилиндрической трубы - 820÷850 мм; внутренний диаметр единичной цилиндрической трубы - 67÷69 мм; внутренняя поверхность единичной цилиндрической трубы отшлифована; для обогрева единичных цилиндрических труб реакционной зоны предусмотрена газовая горелка. (Патент на полезную модель №86590, прототип).
Основным недостатком данной установки является невысокая производительность по метанолу. Это является следствием недостаточно эффективного отвода тепла из зоны его выделения, а также достаточно большим временем подогрева исходного газа до температуры начала реакции.
Задача может быть решена снижением температуры в зоне окисления метана и изысканием возможностей передачи, выделяющегося в зоне реакции тепла, реакционному потоку в передней части реактора. Это позволит повысить расход реагирующего газа при сохранении заданной степени конверсии, что дает возможность повысить производительность установки по метанолу.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является значительное увеличение выхода метанола в расчете на 1 м площади проходного сечения реактора.
Это достигается тем, что в установке для получения метанола, содержащей установку комплексной подготовки газа, 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 кубового остатка и отходящих газов; для обогрева единичных цилиндрических труб реакционной зоны предусмотрена газовая горелка, согласно предлагаемой полезной модели по всей длине теплообменника «газ-газ» установлены дозаторы подачи холодного воздуха в зарубашечное пространство теплообменника, а каждый единичный цилиндрический реактор имеет вставку из семи соосных цилиндрических труб, предназначенных для передачи тепла, навстречу потоку реагирующего газа.
Предлагаемая установка для получения метанола позволяет проводить полное окисление поступающего в нее метана за один проход. При этом установка является экологически чистым производством, где полностью отсутствуют вредные выбросы.
В дальнейшем предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, на котором фиг.1 изображает общий вид установки для получения метанола.
Установка 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. Обогрев единичных цилиндрических труб 5 осуществляется продуктами горения газовой горелки 7, движущимися в межтрубном пространстве по ходу движения реакционной смеси.
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 подачи холодного воздуха через дозатор 16. Образующийся в зоне 3 пар покидает теплообменник через выводное устройство 11.
Исходный газ в реактор подается из установки 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.
2
На фиг.2 показано устройство единичного цилиндрического реактора. Он включает цилиндрическую трубу 17, в которой размещена вставка, состоящая из семи соосных цилиндрических труб 14, плотно прилегающих друг к другу. Движение газовой смеси осуществляется как внутри труб 14, так и в зазорах 15 между ними. Плотная установка труб 14 способствует равномерному распределению температуры по радиусу единичного реактора, а также передаче тепла навстречу потоку исходной газовой смеси, что вместе с увеличением площади теплопередачи внутри единичного реактора позволяет повысить расход исходной газовой смеси и производительность метанола в расчете на 1 м площади поперечного сечения единичного реактора.
Работа установки осуществляется следующим образом.
Из устройства комплексной подготовки газа 12 метановоздушная смесь с заданной концентрацией метана, заданным расходом и давлением подается на вход реакционной части 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 установки метана осуществляется за один проход.
3
Пример, подтверждающий возможность реализации предлагаемой установки для получения метана. Пример дан для единичного реактора (единичная цилиндрическая труба) длиной - 820 мм, внутренним диаметром 67 мм, расход исходной газовой смеси 260,0 м/сутки, давление 2,0 МПа, концентрация метана в исходной газовой смеси 4,5 об.%.
Выходные характеристики единичного реактора составили:
3
- выход метанола в расчете на пропущенный метан - 310 г/м;
- содержание метанола в оксидате - 284 г/л;
- суточный выход метанола - 3,6 кг/сутки.
Таким образом, производительность предлагаемой установки по метанолу при одной и той же проходной площади единичного реактора примерно в три раза выше.
При проведении экспериментов наблюдалось явление температурной автомодельности, при котором установка работала практически без подвода тепла от внешнего источника.