СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАНОЛА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PRODUCING METHANOL AND PLANT TO THIS END

Изобретение относится к области органической химии, а именно к технологии производства метанола прямым окислением метансодержащего газа (природного газа).
Основная проблема создания малотоннажных установок для получения 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, двуокисью углерода и другими элементами.
Рециркуляция метана требует его отделения от реакционной смеси, что является весьма затруднительным. Поэтому выход метанола, в расчете на весь пропущенный метан, остается крайне низким, а рециркуляция метана практически невозможной, как и окисление всего 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 содержанием в получаемом оксидате).
Известна полезная модель «Установка для получения метанола» (RU №86590), содержащая установку комплексной подготовки газа, реактор для проведения газофазного окисления углеводородного газа, состоящий из теплообменника «газ-газ» реакционной зоны, набранного из единичных цилиндрических труб, 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 67-69 мм; внутренняя поверхность единичной цилиндрической трубы отшлифована; для обогрева единичных цилиндрических труб реакционной зоны предусмотрена газовая горелка.
Эффективность работы данной установки может быть повышена за счет введения в реакционную зону дополнительной порции метансодержащего газа, в том числе природного газа, а также за счет устранения недоокисленных продуктов в отходящих газах.
Известен способ производства метанола (RU 2162460 C1), включающий раздельную подачу последовательно сжатого и нагретого углеводородсодержащего газа и сжатого кислородсодержащего газа в смесительные зоны последовательно расположенных реакторов, последующее газофазное окисление углеводородсодержащего газа при начальной температуре до 500°C, давлении до 10 МПа и содержании кислорода не более 8 об.%, охлаждение реакционной смеси после каждой реакционной зоны реакторов на 70-150°C через стенку потоком холодного углеводородсодержащего газа, закалку реакционной смеси после последней реакционной зоны путем снижения температуры реакционной смеси не менее чем на 200°C за время, составляющее менее 0,1 времени ее пребывания в реакционной зоне, охлаждение и сепарацию охлажденной реакционной газожидкостной смеси на отходящий газ и жидкие продукты после каждого последовательно расположенного реактора, ректификацию жидких продуктов с выделением метанола, подачу отходящих газов в исходный углеводородсодержащий газ или на сжатие. Использование данного способа при термическом окислении шахтного метана неэффективно, вследствие накопления в реагирующем газе продуктов окисления метана и дополнительных затрат, возникающих при рециркуляции окисляемого газа и необходимости его компримирования. Необходимость рециркуляции газовой смеси снижает производительность способа по окисляемому метану.
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 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, A). Однако большое время пребывания реагентов в реакторе не позволяет обеспечить высокую производительность установки, что делает процесс окисления шахтного метана малоэффективным.
Известен способ получения метанола (RU 2049086, прототип), путем окисления метансодержащего газа, в том числе природного газа, кислородсодержащим газом, в том числе кислородом, при повышенных температуре и давлении, при раздельной подаче в реактор предварительно подогретого метансодержащего газа и кислородсодержащего газа и последующего отделения целевого продукта. При этом процесс осуществляют при химическом воздействии на одну или несколько последовательных стадий прямого неполного окисления метана при температуре 200-600°C и давлении 2,5-15 МПа.
3
Недостатком данного способа является невысокий выход метанола в расчете на 1 м пропущенного метана.
3
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение выхода метанола в расчете на 1 м пропущенного за один проход метана.
Это достигается способом получения метанола путем окисления метансодержащего газа, в том числе природного газа, кислородом воздуха при повышенных температуре и давлении, при подаче в реактор предварительно смешанного метана с воздухом и последующего отделения целевого продукта, при этом воздействие на процесс получения метанола осуществляют путем введения в реактор, в зону максимального разогрева реагирующей смеси, дополнительной порции холодного метансодержащего газа, в том числе природного газа.
Отличием предлагаемого способа является то, что исходный газ в своем составе содержит повышенное содержание кислорода, 50-75 об.%, позволяющее получить при окислении дополнительное количество метанола.
Изобретение также относится к установке для получения метанола, содержащей установку комплексной подготовки газа, реактор газофазного окисления метансодержащего газа, состоящий из теплообменника «газ-газ» реакционной зоны, набранного из единичных цилиндрических труб и теплообменника «газ-вода» зоны охлаждения, холодильник-конденсатор, ректификационный узел, систему экологической очистки, газовую горелку, отличающаяся тем, что в зоне максимального разогрева реагирующей смеси установлен дополнительный реактор в виде цилиндрической трубы с устройством ввода дополнительной порции холодного метансодержащего газа, в том числе природного газа, холодильник-конденсатор, соединенный через инжектор с одним из входов газовой горелки.
В дальнейшем предлагаемая установка поясняется чертежом, на котором фиг.1 изображает общий вид установки для получения метанола.
Установка для получения метанола содержит: 1 - реактор для проведения газофазного окисления метана; 2 - реакционная зона; 3 - трубный теплообменник «газ-вода»; 4 - вводное устройство; 5 - единичные цилиндрические трубы; 6 - трубные доски; 7 - газовая горелка; 8 - трубки; 9 - трубные доски; 10 - вводное устройство; 11 - выводное устройство; 12 - установка комплексной подготовки газа; 13 - холодильник-конденсатор; 14 - реакционная зона; 15 - устройство ввода дополнительной порции холодной метановоздушной смеси; 16 - инжектор. Реактор 1 состоит из трех зон 2, 3 и 14, две из которых 2 и 14 являются реакционными и снабжены вводным устройством для ввода исходного газа 4 и устройством ввода дополнительной порции холодной метано-воздушной смеси 15. 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, смешанными с воздухом и движущимися в межтрубном пространстве по ходу движения реакционной смеси.
Зона 14 представляет собой цилиндрическую трубку, в которой происходит реакция неполного окисления дополнительной порции метана, вводимого через устройство ввода дополнительной порции холодной метановоздушной смеси 15.
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 воздуха, поступающего через инжектор 16 в газовую горелку вместе с отходящими газами. Образующийся в теплообменнике 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.
Работа установки осуществляется следующим образом.
Из устройства комплексной подготовки газа 12 метано-воздушная смесь с заданной концентрацией метана, заданным расходом и давлением подается на вход реакционной части 2 реактора. В реакционной части метано-воздушная смесь нагревается до заданной температуры, после чего происходит газофазное окисление метана.
Далее реакционная смесь поступает в зону 14, где смешивается с дополнительной порцией метано-воздушной смеси, вводимой через устройство ввода дополнительной порции холодной метано-воздушной смеси 15. После прохождения реакции неполного окисления смесь поступает в зону охлаждения 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 жидких фазы, содержащей метанол, воду и другие продукты окисления.
Отходящие газы после их насыщения воздухом через инжектор 16 поступают на вход газовой горелки 7. В газовой горелке 7 происходит обезвреживание недоокисленных продуктов реакции. Изменением режима работы горелки 7 и изменением количества воздуха, подаваемого через инжектор 16, регулируется тепловой режим работы установки.
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
3
Пример, подтверждающий возможность реализации предлагаемой установки для получения метанола. Пример дан для единичного реактора (единичная цилиндрическая труба, основная и дополнительная зоны) основная 820 мм, дополнительная 510 мм, внутренний диаметр 67 мм, расход исходной газовой смеси 86,4 м/сутки, давление 2,0 МПа, концентрация метана в исходной газовой смеси 4,5 об.%. Расход дополнительного метана 3,9 м/сутки.
Выходные характеристики единичного реактора составили:
3
- выход метанола в расчете на пропущенный метан - 820 г/м;
- содержание метанола в оксидате - 460 г/л.
Таким образом, выход метанола в предлагаемой установке значительно превышает его выход и в прототипе, и аналогах.