УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАНОЛА

Полезная модель относится к области органической химии, а именно к технологии производства метанола прямым окислением углеводородсодержащего газа (природного газа).
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 низким, 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, (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 СН. В расчете на полученный товарный метанол эта цифра очевидно будет еще ниже, порядка 30 г/м СН, что является крайне низким результатом. К тому же, низкое содержание кислорода в исходном газе (1-2,5 об.%), высокое давление в реакционной зоне (8МПа), необходимость рециркуляции отходящих газов, а также сложность управления процессом делают процесс получения метанола недостаточно эффективным с точки зрения экономических затрат.
Все элементы установки, составляющие газожидкостной тракт для движения реагирующей смеси и ее компонентов должны быть выполнены из нержавеющей стали, поскольку одним из конечных продуктов окисления является муравьиная кислота. Футеровка же внутренней поверхности реактора лишь частично защищает его внутреннюю поверхность от воздействия муравьиной кислоты. Все это ведет к значительному удорожанию реактора и всей установки в целом.
Наиболее близкой к предлагаемой является патент на полезную модель «Установка для производства метанола» (RU №86590, прототип), 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.
Недостатком установки является то, что большинство ее элементов выполнено из нержавеющей стали, что ведет к ее значительному удорожанию и как следствие к снижению экономической эффективности получения метанола. Кроме того, узкие пределы возможных геометрических характеристик реактора не позволяют получить достаточно большую производительность установки.
3
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является значительное увеличение выхода метанола в расчете на 1 м пропущенного метана, а также повышение эффективности процесса производства метанола.
Это достигается тем, что в установке для производства метанола, содержащей устройство 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, газовую горелку, ректификационный узел и систему экологической очистки, элементы установки, составляющие газожидкостной тракт, выполнены стальными, а все внутренние поверхности этих элементов покрыты термически и химически стойкой эмалью.
Отличием предлагаемой установки от известной является то, что оптимизированные геометрические параметры реакционной зоны и параметры рабочего процесса имеют следующие значения: длина единичной обогреваемой цилиндрической трубы - 800÷2000 мм; внутренний диаметр единичной цилиндрической трубы - 60÷100 мм; обогрев единичных цилиндрических труб реакционной зоны ведется продуктами горения газовой горелки, смешанными с воздухом, при этом горячий газ подается в межтрубное пространство теплообменника реакционной зоны со стороны ввода метановоздушной смеси в одном направлении с реакционным газовым потоком в единичных цилиндрических трубах.
p
p
Элементы установки, составляющие газожидкостной тракт для движения реагирующей смеси и ее компонентов, выполнены стальными, а все внутренние поверхности этих элементов покрыты термически и химически стойкой эмалью. Контроль за температурой реагирующей смеси осуществляется в точке, отстоящей от начала реактора на величину 0,618 l, где l - длина единичной обогреваемой цилиндрической трубы.
Геометрические размеры единичной цилиндрической трубы, обогреваемой газовой горелкой, определены экспериментальным путем для условий максимального выхода метанола. Этим размерам соответствуют параметры рабочего процесса, определенные также экспериментальным путем для условий максимального выхода метанола.
3
Таким образом, указанные выше значения геометрических характеристик единичной цилиндрической трубы (единичного реактора) и параметры рабочего процесса образуют оптимальное факторное поле. Экспериментально установлено, что выход за пределы этого факторного поля приводят к значительному снижению выхода метанола в расчете на 1 м пропущенного метана.
Предлагаемая установка для производства 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 установка поясняется чертежом, на котором фиг.1 изображает общий вид установки для производства метанола.
Установка для производства 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. 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.
Работа установки 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°С 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 производства метана. Пример дан для единичного реактора (единичная цилиндрическая труба) длиной - 1000 мм, внутренним диаметром 67 мм, расход исходной газовой смеси 186,4 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 - 600 г/м;
- содержание метанола в оксидате - 45 г/л;
- суточный выход метанола -111,8 кг/сутки.
Таким образом, выход метанола в предлагаемой установке примерно в два раз выше, чем в прототипе. Поскольку стоимость обычной стали примерно в 5 раз ниже, чем нержавеющей, то и стоимость предлагаемой установки будет примерно в 4-5 раз ниже, чем у прототипа.