СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАНОЛА И МАЛОТОННАЖНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PRODUCTION METHOD OF METHANOL AND LOW-TONNAGE FACILITY FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к отрасли переработки нефти и газа и может быть использовано непосредственно на нефтяных и газовых месторождениях для получения из природного газа товарного метанола в небольших количествах (до 4 тыс. тонн в год) для обеспечения собственных нужд и нужд небольших химических предприятий.
В связи с выработкой крупных нефтяных и газоконденсатных месторождений и увеличением доли малых месторождений возрастает потребность в малотоннажном производстве метанола с минимальным выходом побочных продуктов, которые в крупнотоннажном производстве могут извлекаться как полезные продукты.
Малотоннажное производство метанола должно обладать рядом дополнительных свойств, которые отсутствуют у крупнотоннажного. Желательным готовым продуктом малотоннажного производства является монопродукт - метанол, поскольку остальные возможные продукты синтеза по существу будут отходами, утилизация которых приведет к загрязнению окружающей среды.
В малотоннажных установках должна быть небольшой номенклатура основных узлов, так как каждая единица дополнительного оборудования существенно влияет на срок окупаемости установки. На промысловых площадках часто нет достаточной электрической мощности, поэтому для достижения автономности малотоннажные установки могут быть оснащены собственной электрогенерацией. Преимущественный вариант - установки в блочно-модульном исполнении, что позволит снизить капитальные затраты на проектные и строительные работы.
2
Известны способы получения метанола и устройства для его осуществления, согласно которым метанол получают, в основном, в два этапа. На первом этапе в трубчатых печах риформинга на катализаторах паровой конверсией получают синтез-газ, т.е. смесь монооксида углерода (угарный газ) и водорода. На втором этапе очищенный и нормализованный синтез-газ подают в реактор синтеза метанола с получением метанола-сырца, который затем поступает в ректификационную колонну, в которой выделяют чистый метанол и набор дополнительных продуктов, имеющих самостоятельную ценность. Дополнительные продукты появляются вследствие того, что паровая конверсия дает синтез-газ, в котором соотношение CO:H варьируется от 1:3 до 1:5 (RU 2188790, опубл. 10.09.2009 г., RU 2252209, опубл. 20.05.2005 г.).
Для крупнотоннажных производств дополнительный набор продуктов синтеза не является проблемой, поскольку большинство продуктов производятся в больших количествах и имеют спрос. Однако на малотоннажных производствах сравнительно небольшие количества получаемых дополнительных продуктов с учетом дополнительных затрат на их выделение и плохую логистику являются существенным недостатком.
Существующие малотоннажные установки для получения метанола рассчитаны на производство не менее 50 тысяч тонн метанола в год. Однако высока потребность в установках с производительностью 1-4 тыс. тонн метанола в год.
Наиболее близким к заявляемому является способ получения метанола из газа газовых и газоконденсатных месторождений (RU 2254322, опубл. 20.06.2005 г.), включающий последовательную подачу углеводородсодержащего газа, впрыск химически очищенной воды, проведение предварительного парового риформинга получения синтез-газа, проведение окончательного риформинга образовавшегося газа с добавлением кислорода при давлении, равном давлению проведения синтеза метанола, обогрев реактора предварительного риформинга потоком полученного синтез-газа, выходящим из реактора окончательного риформинга, который подается в межтрубное пространство реактора предварительного риформинга. Далее осуществляют охлаждение синтез-газа, полученного в результате риформинга, парогазовой смесью и проведение синтеза метанола в 2-ступенчатом реакторе, причем охлаждением реакционной смеси для проведения изотермической реакции синтеза метанола в промежуточном выносном теплообменнике двухступенчатого реактора осуществляют парогазовой смесью, а охлаждение потока, выходящего из реактора синтеза метанола, осуществляют парогазовой смесью и химически очищенной водой.
Недостатком известного способа является выход готового продукта - метанола в количестве не более 60 об. %, остальные 40 об. % составляют побочные продукты.
Однако такой выход монопродукта является низким, что не позволяет указанный способ использовать при малотоннажном производстве метанола.
Наиболее близкой к заявляемой является установка для получения метанола из газа газовых и газоконденсатных месторождений (RU 2254322, опубл. 20.06.2005 г.), содержащая источник углеводородсодержащего газа, реактор предварительного парового риформинга, обогреваемый потоком, выходящим из реактора окончательного риформинга, двухступенчатый реактор синтеза метанола, теплообменники охлаждения синтез-газа, теплообменники охлаждения потока, выходящего из реактора синтеза метанола, сепаратор для разделения продуктов реакции на отходящие газы и метанол-сырец, а двухступенчатый реактор синтеза метанола, соединенный с теплообменником охлаждения синтез-газа парогазовой смесью, снабжен промежуточным выносным теплообменником охлаждения реакционной смеси парогазовой смесью и последовательно соединен с теплообменником охлаждения полученного в реакторе потока парогазовой смесью, теплообменником охлаждения химически очищенной водой и сепаратором для разделения продуктов реакции.
Основным недостатком известной установки является низкий процент выхода готового продукта - метанола, не превышающий 60 об. %, что не позволяет использовать ее для малотоннажного производства метанола.
Технической задачей является создание способа получения метанола и малотоннажной установки, обеспечивающих выход готового монопродукта - метанола в количестве не менее 80 об. %.
Техническим результатом является повышение выхода метанола до 80-84 об. %.
Указанный технический результат достигается группой изобретений.
Сущность изобретения по п. 1 заключается в том, что способ получения метанола включает комбинированную конверсию газообразных реагентов в синтез-газ и синтез метанола, дальнейший отбор готового продукта.
В отличие от прототипа в качестве газообразных реагентов используют смесь метан-этан, воздух и водяной пар, объемное соотношение смесь метан-этан / воздух / водяной пар поддерживают равным 1:2,36:(0-0,4), причем объемная часть водяного пара соответствует величине относительной концентрации этана в смеси метан-этан.
Газообразные реагенты раздельно нагревают до температур 700-720°C, перемешивают и подвергают парциальному окислению и комбинированной конверсии с получением синтез-газа, который подвергают быстрому охлаждению до 300-350°C с использованием теплообменников «газ-жидкость», блокируя процесс сажеобразования.
Затем синтез-газ дополнительно охлаждают, осуществляют компримирование и подачу сжатого и подогретого до температур 190-230°C синтез-газа в реактор синтеза метанола, в трубах трубного пучка которого размещен катализатор, поддерживают изотермический режим в указанном реакторе за счет кипения воды в межтрубном пространстве при давлении 2,4-4,0 МПа, нагретой теплом, выделяемым при протекании реакции синтеза метанола, а также теплом топочных газов.
Полученный газообразный метанол переводят в жидкую фазу, охлаждают до 30-40°C, и выводят жидкий продукт из процесса, при этом непрореагировавший синтез-газ подвергают многократному повторному синтезу метанола в дополнительных реакторах с последующим отбором готового продукта.
Способ осуществляется при использовании установки, описанной в п. 2 формулы изобретения.
Сущность изобретения заключается в том, что малотоннажная установка для получения метанола включает дозирующее устройство, модуль синтеза газа с реактором комбинированной конверсии, теплообменник синтез газа, модуль компрессии, модуль синтеза метанола с реактором и теплообменником стабилизации метанола.
Согласно п. 2 формулы к дозирующему устройству присоединен модуль газопламенного подогревателя, в корпусе которого закреплены три трубных пучка, на входе соединенных с тремя входными коллекторами подачи смеси метан - этан, воздуха и воды, а на выходе - со смесительной решеткой, трубы указанных трубных пучков выполнены в виде спиралей и вложены друг в друга.
Модуль синтеза газа снабжен пламегасящей насадкой, соединенной с теплоизолированным корпусом реактора комбинированной конверсии кожухотрубного типа и расположенной со смещением относительно центра указанного корпуса.
Коллектор синтез-газа реактора комбинированной конверсии соединен с теплообменником стабилизации синтез-газа типа «газ-жидкость», межтрубное пространство которого заполнено охлаждающей жидкостью и соединено с аппаратом воздушного охлаждения.
Модуль синтеза метанола включает реактор синтеза метанола кожухотрубного типа, в котором катализатор синтеза метанола размещен в трубах трубного пучка указанного реактора, а межтрубное пространство заполнено кипящей водой.
В межтрубное пространство корпуса реактора синтеза метанола встроен дополнительный теплообменник, соединенный через магистраль топочных газов с газопламенным подогревателем.
Модуль синтеза метанола оснащен теплообменником осаждения метанола спирального типа, соединенным с теплообменником стабилизации метанола кожухотрубного типа, при этом межтрубные пространства обоих теплообменников заполнены охлаждающей жидкостью и соединены последовательно с аппаратом воздушного охлаждения.
2
Способ получения метанола и устройство для его осуществления в отличии от известных технических решений основаны на том, что в процессе синтеза монопродукта - метанола они позволяют поддерживать соотношение CO:H в синтез -газе равным 1:2.
Известно, что процесс парциального окисления метана для получения синтез-газа состава, оптимально соответствующего синтезу метанола, осуществляют с целью введения в метанольный процесс необходимого количества кислорода.
Процесс проводят в соответствии со следующим уравнением:
(Розовский А.Я., Лин Г.И., Теоретические основы процесса синтеза метанола, М.: Химия, 1990, стр. 60-62).
В качестве окислителя (кислородсодержащего газа) используют воздух. В реальном газе кроме метана содержится и некоторое количество этана. С целью коррекции состава синтез-газа часть метана конвертируют в синтез-газ посредством соответствующего увеличения доли паровой конверсии в составе комбинированной конверсии.
В этом случае полное уравнение материального баланса имеет вид:
м
э
где K, K - концентрация метана и этана соответственно;
Q - расход углеводородного газа.
м
э
2
м
э
2
2
Первое выражение правой части уравнения - (K+2K)*(СO+2H) показывает, что при наличии этана выход синтез-газа пропорционален (K+2K), вторая скобка в этом выражении - (CO+2H) показывает, что результатом такой реакции является синтез-газ оптимального состава, в котором CO:H=1:2.
м
э
2
Второе выражение - [K+K)*1,86N правой части уравнения пропорционально объему проходящего через устройство азота.
м
э
Третье выражение правой части уравнения - (1-(K+K))*Q представляет собой расход не участвующих в реакции газов, содержавшихся в исходном углеводородном газе, выраженный через сумму парциальных расходов метана и этана.
2
Из этого уравнения следует, что соотношение смесь метан-этан / воздух / водяной пар необходимо поддерживать равным 1:2,36:(0-0,4). Только в этом случае синтез газ будет иметь оптимальный состав CO:H=1:2.
В реакторе комбинированной конверсии заявленной конструкции на начальном этапе комбинированной конверсии горячие газообразные продукты движутся противотоком по отношению к продуктам паровой и углекислотной конверсиям, идущим с поглощением тепла, поддерживая необходимую для них температуру.
В отличие от способа-прототипа, согласно которому в начале процесса проводят паровую конверсию (в атмосфере водяного пара), а затем парциальное окисление, в заявляемом способе на начальном этапе происходит парциальное окисление кислородом воздуха. Азот, занимающий 78% объема воздуха, не участвует в реакции, существенно снижая концентрацию кислорода в реагирующей смеси, что делает процесс окисления более безопасным.
2
При наличии в углеводородном газе этана соотношение CO:H, согласно группе изобретений поддерживают равным 1:2 путем добавления в процесс соответствующего количества водяного пара. В этом случае необходимо учитывать то, что в совокупности реакции парциального окисления, углекислотная и паровая конверсии, являющиеся конечным содержанием комбинированной конверсии, почти сбалансированы по теплу.
Увеличение доли паровой конверсии в составе комбинированной требует дополнительного подвода тепла для соблюдения температурного режима.
Кроме того, в малотоннажных установках в общем тепловом балансе возрастает роль теплоотдачи с поверхностей реакционных объемов, поскольку соотношение поверхностей теплоотдачи и объемного тепловыделения пропорционально , где d - характерный размер реакционного объема.
э
м
э
э
м
э
Экспериментально подтверждено, что объемное соотношение смесь метан-этан / воздух / водяной пар необходимо поддерживать равным 1:2,36: (K/(K+K)), причем объемная часть пара (выражение в скобках) может принимать значения от 0 до 0,4 в зависимости от содержания этана и соответствует величине относительной концентрации этана в смеси метан-этан (K/(K+K)).
С целью компенсации тепловых потерь, в том числе на дополнительную паровую конверсию, реакционные газы (смесь метан-этан, воздух, водяной пар) раздельно нагревают до температуры 700-720°C, тщательно перемешивают и подают в реакционный объем. Далее процесс идет в соответствии с приведенным выше уравнением.
Раздельный нагрев реакционных газов ниже 700°C нежелателен, так же как и перегрев выше 720°C, т.к. до начала реакции парциального окисления обеспечивается безопасность процесса благодаря тому, что нагретые до 700-720°C метан, этан и кислород, содержащийся в воздухе, вступают в реакцию окисления немедленно после смешения, предотвращая образование даже небольших объемов взрывоопасной смеси.
Полученный на выходе реактора комбинированной конверсии синтез-газ с температурой 750-800°C необходимо охлаждать до 300-350°C. Такая операция как правило выполняется с помощью теплообменных аппаратов разных типов. В способе-прототипе использованы теплообменники типа «газ-газ».
Для малотоннажных установок использование теплообменников типа «газ-газ» недопустимо. Причина заключается в том, что числа Нуссельта для противоположных сторон металлической стенки, разделяющей потоки, примерно одинаковы. Одинаковыми оказываются и коэффициенты теплоотдачи. Вследствие этого температура стенки теплообменника принимает среднее значение температур обменивающихся теплом потоков. Для выше указанного интервала температур эта величина составляет порядка 500°C. При такой температуре интенсивно протекает реакция Белла-Будуара (реакция сажеобразования), причем реакция идет с большим выделением тепла и поэтому является самоподдерживающейся:
2
CO+CO=CO+C+тепло (http://chem21.info/page/105079024068158033032124233069130012077244002078/)
2
В результате существенная доля монооксида углерода удаляется из синтез-газа, что нарушает соотношение CO:H в сторону увеличения доли водорода и снижения доли монооксида углерода вплоть до его почти полного исчезновения.
По заявляемому способу реакция Белла-Будуара блокируется, т.к. температура разделяющей потоки стенки поддерживается ниже 350°C, благодаря использованию теплообменника типа «газ-жидкость», который не использовался в малотоннажных установках для стабилизации ("закалки") синтез-газа. Это позволяет избежать процесса сажеобразования.
Число Нуссельта для разделяющей потоки стенки со стороны жидкого теплоносителя возрастает в десятки и более раз, соответственно возрастает и коэффициент теплоотдачи. Стенка теплообменника принимает температуру, близкую к температуре жидкого теплоносителя (Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача, изд-во "Высшая школа", Москва, 1969 г., стр. 411-446).
По способу-прототипу режим, в котором работает реактор синтеза метанола, является квазиизотермическим, который поддерживается с помощью выносного теплообменника, что влечет за собой переменный температурный режим вдоль реактора с риском выхода за его допустимые границы, что может привести к снижению выхода продукта, ухудшению его качества, а в некоторых случаях - к разрушению катализатора.
Согласно заявленному способу изотермический режим работы реактора синтеза метанола кожухотрубного типа обеспечивается за счет кипящей при давлении 2,4-4,0 МПа воды, заполняющей межтрубное пространство реактора, нагреваемой теплом, выделяемым в процессе работы реактора синтеза, а также теплом топочных газов, протекающих через дополнительные, встроенные в реактор синтеза метанола, теплообменники.
Преимущество заключается в том, что процесс кипения воды сопровождается поглощением скрытой теплоты парообразования, а дополнительный нагрев воды обеспечивает гарантированное кипение, превращая заполняющую межтрубное пространство воду практически в идеальный термостат.
Кроме того, с целью обеспечения равномерности поступления реагентов в реактор синтез-газа необходимо обеспечить одинаковые скорости газов в трубах трубных пучков газопламенного подогревателя. При этом площади сечений труб будут соотноситься так же, как парциальные объемы смеси метан-этан / воздух / водяной пар. Поскольку площади сечений труб пропорциональны квадратам диаметров, то диаметры соотносятся как квадратные корни соответствующих числовых значений.
Группа изобретений проиллюстрирована следующим образом.
На фиг. 1 представлена общая схема установки для получения метанола заявленным способом.
На фиг. 2 показан модуль газопламенного подогревателя, на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2, на фиг. 4 вид Б спирали трубного пучка на фиг. 3.
На фиг. 5 - модуль синтез-газа, а на фиг. 6 разрез В-В на фиг. 5.
На фиг. 7 представлен теплообменник стабилизации синтез-газа типа «газ-жидкость» кожухотрубной конструкции и аппарат воздушного охлаждения, а на фиг. 8 - модуль компрессии.
Фиг. 9 представляет собой реактор синтеза метанола модуля синтеза метанола, фиг.10 - теплообменник осаждения метанола спирального типа и теплообменник стабилизации метанола кожухотрубного типа.
Установка для получения метанола состоит из дозирующего устройства 1 и четырех основных модулей: модуля газопламенного подогревателя 2, модуля синтез-газа 3, модуля компрессии 4 и модуля синтеза метанола 5, соединенных последовательно трубопроводами (фиг. 1).
Модуль газопламенного подогревателя 2 включает корпус 6, в котором закреплены три трубных пучка 7, 8, 9, на входе соединенных с тремя входными коллекторами 10, 11 и 12, соответственно, для подачи трех реагентов, а именно - смеси метан-этан, воздуха и воды, которая превращается далее в водяной пар. На выходе трубные пучки 7, 8, 9 закреплены на смесительной решетке 13. При этом трубы каждого трубного пучка 7, 8, 9 закреплены в отверстиях смесительной решетки 13, равномерно распределенных по ее поверхности, как показано на фиг. 2. Смесительная решетка 13 соединена с входом модуля синтез-газа 3.
Трубы трубных пучков 7, 8, 9 выполнены в виде спиралей и вложены друг в друга, как показано на фиг. 3, 4. Диаметры спиралей труб 7, 8, 9, а также диаметры указанных труб соотносятся приблизительно как 1:1,5: 0,4.
Газовые горелки с запальным устройством 14 расположены в нижней части корпуса 6. Корпус 6 в верхней части соединен с магистралью топочных газов 15.
Модуль синтез-газа 3 снабжен пламягасящей насадкой 16, соединенной с реактором комбинированной конверсии 17 кожухотрубного типа (фиг.5).
Модуль  3 включает также теплообменник стабилизации синтез-газа типа «газ-жидкость» кожухотрубной конструкции 18 и аппарат воздушного охлаждения 19 (фиг. 7). Пламягасящая насадка 16 состоит из корпуса 20, оснащенного загрузочным окном 21 и заполненного пластинчатым корундовым протектором 22. Реактор комбинированной конверсии 17 выполнен в теплоизолированном жаропрочном корпусе 23 с несущими решетками 24, на которых сваркой закреплены трубные пучки 25. Под несущими решетками прикреплен коллектор синтез-газа 26 со съемной крышкой 27. Пламягасящая насадка 16 расположена со смещением относительно центра указанного корпуса 23 реактора 17 (фиг. 6). Такое расположение задает вихревое (спиралевидное) движение продуктов реакций в объеме катализатора, размещенного в межтрубном пространстве реактора 17, обеспечивая равномерное обтекание труб трубного пучка 25.
Межтрубное пространство реактора 17 заполнено двумя слоями катализаторов. Нижнюю часть занимает слой катализатора - протектора 28, высота слоя равна величине внутреннего радиуса реактора 17. Верхняя часть межтрубного пространства и трубы пучка 25 заполнены катализатором комбинированной конверсии 29.
Корпус 23 по линии раздела слоев катализаторов выполнен разъемным. На входе реактор 17 закрыт разделительной решеткой 30, к которой прикреплен конец пламягасящей насадки 16. Трубные пучки 25 закрыты съемными донными решетками 31. Коллектор 26 трубопроводом 32 соединен с нижним коллектором 33 теплообменника стабилизации синтез-газа 18 (фиг. 7).
Межтрубное пространство теплообменника 18 заполнено охлаждающей жидкостью и через штуцеры 34, 35 связано с аппаратом воздушного охлаждения 19. Верхний коллектор 36 теплообменника 18 соединен трубопроводом 37 с противоточным двухтрубным теплообменником 38 (фиг. 8) модуля компрессии 4.
Модуль 4 содержит компрессор 39 с паросиловым приводом (не показан). Вход компрессора 39 через межтрубное пространство соединен с теплообменником стабилизации синтез-газа 18, выход 41 компрессора 39 через внутреннюю трубу 42 теплообменника 38 соединен с модулем синтеза метанола 5.
Модуль 5 состоит из реактора синтеза метанола 43 (фиг. 9), теплообменника осаждения метанола 44 спирального типа, теплообменника стабилизации метанола 45 кожухотрубного типа и электромагнитного клапана 46 (фиг. 10).
В корпусе 47 реактора синтеза метанола 43 закреплены нижняя 48 и верхняя 49 трубные решетки, в которых сваркой закреплены трубы 50 трубного пучка, заполненные катализатором 51 синтеза метанола. Снизу трубы 50 закрыты съемными донными решетками 52 (фиг. 9).
В корпусе реактора синтеза метанола 43 в межтрубное пространство встроен дополнительный теплообменник 53, соединенный через магистраль топочных газов 15 с газопламенным подогревателем 2 через верхний коллектор дымовых газов 54 и трубопровод 55.
Верхний коллектор 56 реактора 43 соединен с внутренней трубой 42, межтрубное пространство реактора 43 заполнено кипящей водой, уровень которой поддерживают с помощью датчиков уровня и питающего устройства (не показаны). Паровой объем 57 трубопроводом 58 соединен с паросиловой установкой (не показана).
Нижний коллектор дымовых газов 59 соединен с трубопроводом 60, т.е. с магистралью отработанных газов (на фиг. 1 не обозначен). Нижний коллектор 52 реактора 43 трубопроводом 63 соединен с входным коллектором 64 теплообменника осаждения метанола 44 (фиг. 10). Нижний коллектор 65 теплообменника 44 соединен трубопроводом 66 с накопительной камерой 67 теплообменника стабилизации метанола 45, оснащенной датчиками уровня жидкой фазы 68, 69. Нижняя часть 70 теплообменника 45 образована двумя трубными решетками 71, 72 с закрепленным в них трубным пучком 73.
Межтрубное пространство теплообменников 44, 45 заполнено охлаждающей жидкостью, причем через патрубки 74, 75 трубопроводом 76 теплообменники 44 и 45 соединены между собой, а через патрубки 77, 78 - с аппаратом воздушного охлаждения 79.
Нижний коллектор 80 теплообменника 45 оснащен электромагнитным клапаном 46, соединенным трубопроводом 81 с емкостью хранения метанола (не показан). Трубопровод 82 может быть соединен с входным коллектором следующего модуля синтеза метанола 5 либо с устройством утилизации остаточных газов (азота) для крайнего модуля 5.
Заявляемый способ осуществляется с помощью заявляемой установки следующим образом.
От источников углеводородного газа, сжатого воздуха и водяного конденсата через раздельные трубопроводы (не показаны) реагенты - смесь метан-этан, воздух и вода поступают в дозирующее устройство 1, обеспечивающее материальный баланс компонентов в соответствии с уравнением материального баланса.
С выхода дозирующего устройства 1 через входные коллекторы 10, 11, 12 указанные реагенты раздельно подают в трубные пучки 7, 8, 9 соответственно модуля газопламенного подогревателя 2, где они обогреваются потоком топочных газов, возникающих в результате сжигания углеводородного газа в газовой горелке с запальным устройством 14 (фиг. 2). Топочные газы движутся противотоком по отношению к реагентам в трубных пучках 7, 8, 9, причем каждый реагент движется в собственном пучке, обеспечивая эффективный теплообмен, нагреваясь до температур 700-720°C. Реагенты равномерно распределены по сечению смесительной решетки 13, с помощью которой нагретые газообразные реагенты смешиваются и вступают в реакцию парциального окисления непосредственно в корпусе 20 пламягасящей насадки 16, заполненном пластинчатым корундовым протектором 22.
Через разделительную решетку 30 продукты реакции парциального окисления поступают в реактор комбинированной конверсии 17, заполненный двумя слоями катализаторов, в котором протекают реакции комбинированной конверсии (фиг. 5). Решетка 30 предотвращает смешение протектора и катализатора и возможное образование пустот. Пламягасящая насадка 16 закреплена со смещением относительно центра реактора синтез-газа 17, поэтому продукты реакции парциального окисления движутся в слое катализатора вверх спирально и затем противотоком в трубах трубного пучка 25 опускаются, при этом горячий поток на входе реактора 17 обогревает катализатор, заполняющий трубный пучок 25, с преимущественно эндотермическими реакциями комбинированной конверсии.
Собранный в коллекторе 26 синтез-газ через трубопровод 32 и коллектор 33 теплообменника стабилизации синтез-газа 18 поступает в трубное пространство теплообменника стабилизации синтез-газа 18, где «ударно» охлаждается до 300-350°C и через верхний коллектор 36 и трубопровод 37 поступает в межтрубное пространство противоточного двухтрубного теплообменника 38 (фиг. 8) модуля компрессии 4, соединенное со входом компрессора 39.
В теплообменнике 38 температура синтез-газа снижается до температур 80-123°C, необходимых для работы компрессора 39, и с помощью того же теплообменника 38 температура компримированного газа повышается до 190-230°C, необходимой для работы катализатора.
С выхода компрессора 39 сжатый до 5 МПа через внутреннюю трубу 42 противоточного двухтрубного теплообменника 38 синтез-газ поступает в верхний коллектор 56 (фиг. 9) реактора синтеза метанола 43, в котором путем контактирования с катализатором синтеза метанола в изотермических условиях протекает реакция синтеза метанола.
Изотермический режим работы реактора синтеза метанола 43 обеспечивается за счет кипения воды под давлением 2,4-4,0 МПа, заполняющей межтрубное пространство, которая нагревается теплом реакции синтеза метанола. А дополнительное тепло подводится через встроенные дополнительные теплообменники 53 теплом топочных газов, подаваемых через магистраль топочных газов 15 и трубопровод 55 и отводимых через трубопровод 60.
Газообразный метанол, непрореагировавший синтез-газ и азот через нижний коллектор 62 по трубопроводу 63 поступают во входной коллектор 64 теплообменника осаждения метанола 44. Затем жидкий метанол и газообразные продукты по трубопроводу 66 поступают в накопительную камеру 67 теплообменника стабилизации метанола 45. Нижняя часть теплообменника 45 представляет собой теплообменник кожухотрубного типа. Межтрубные пространства теплообменников 44, 45 заполнены охлаждающей жидкостью и сообщаются друг с другом через патрубки 74, 75 и трубопровод 76, а через патрубки 77 и 78 сообщаются с аппаратом воздушного охлаждения 79.
Охлажденный до 30-40°C жидкий метанол скапливается в накопительной камере 67. С помощью датчиков уровня жидкой фазы 68, 69 и электромагнитного клапана 46 через трубопровод 81 осажденный и охлажденный метанол направляется на склад готовой продукции.
Непрореагировавший синтез-газ и азот по трубопроводу 82 поступают в следующий один или несколько аналогичных модулей синтеза метанола 5. Такой порядок позволяет довести коэффициент конверсии синтез-газа в метанол до значений 0,80-0,84.
По трубопроводу 58 пар высокого давления (40 атм) может поступать в качестве рабочего тела в паросиловую установку (не показана), являющуюся приводом компрессора 39. Конденсат, образующийся в результате работы паросиловой установки, может быть использован в качестве реагента комбинированной конверсии и частично подаваться в межтрубное пространство реактора синтеза метанола 43.
Пример реализации заявляемого способа получения метанола с использованием заявленной малотоннажной установки
3
3
Предварительно осуществляли комплексную подготовку природного углеводородного газа, поступающего с месторождения. Расход природного газа составил 0,132 нм/сек (нормальные метры кубические/сек), причем 0,032 нм/сек был использован на нагрев газообразных реагентов и воды в реакторах синтеза метанола 5.
Анализ показал, что природный газ содержал 52, 47% метана, 19,29% этана, 11,33% азота, пропана, бутана, фракции легких углеводородов и другие газы. Комплексная подготовка включала очистку от сероводорода и меркаптанов, а также извлечение широкой фракции легких углеводородов и смеси пропана и бутана известными методами.
3
3
3
3
3
После очистки в дозирующее устройство 1 по раздельным трубопроводам подавали метан, этан и азот с расходами 0,0525 нм/сек, 0,0193 нм/сек и 0,0113 нм/сек соответственно, а также воздух с расходом 0,169 нм/сек и воду в пересчете на пар с расходом 0,0193 нм/сек (0,0155 кг/сек) под давлением 0,3 МПа.
Расчет материального баланса показал, что относительная концентрация этана в смеси метан-этан составила 0,27, поэтому объемная часть водяного пара составила также 0,27, а объемное соотношение смесь метан-этан / воздух / водяной пар соответствовало заявленному соотношению 1:2,36:0,27.
С выхода дозирующего устройства 1 эти реагенты в указанном объемном соотношении попадали в спиралевидные трубки трех трубных пучков 7, 8, 9 модуля газопламенного подогревателя 2. Диаметры спиралей труб для смеси метан-этан, воздуха и воды составляли 175:215:82 (мм), а условные диаметры этих труб составляли 15:20:6 (см) соответственно.
2
3
В результате теплообмена реагенты нагревались до 710°C. Проходя через смесительную решетку 13 нагретые реагенты перемешивались, в корпусе 20 пламягасящей насадки 16 они вступали в реакцию парциального окисления, создавая нагретые до 1050°C продукты для реакций комбинированной конверсии. Пламягасящая насадка 16 была заполнена пластинчатым корундовым протектором (AlO).
Затем продукты парциального окисления поступали в реактор 17, заполненный двумя слоями катализаторов. Верхний (основной) слой представлял собой катализатор марки K-905-D1, второй слой - катализатор марки НИАП 04-02. Газообразные продукты поднимались вверх по спиральной траектории в слоях катализаторов и затем опускались по трубам трубного пучка 25, в которых проходили эндотермические реакции комбинированной конверсии.
2
3
Образовался синтез-газ с соотношением CO:H=1:2, расход составил 0,273 нм/сек.
3
На выходе реактора 17 присутствовал не участвующий в реакциях комбинированной конверсии азот с расходом 0,144 нм/сек. На выходе реактора 17 поддерживали давление 0,25-0,28 МПа.
В теплообменнике 18 синтез-газ «ударно» охлаждался до 330°C, далее в двухтрубном теплообменнике 38 модуля компрессии 4 температура синтез-газа снижалась до 120°C, далее он компримировался до 4,5 МПа и в том же теплообменнике нагревался до 220°C. В реакторе синтеза метанола 43 при контактировании газа с медно-цинковым низкотемпературным катализатором СНМ-У в изотермических условиях (при 230°C) проходила реакция синтеза метанола.
Кипение воды в межтрубном пространстве реактора 43 шло при давлении 2,8 МПа. Топочные газы поступали туда с температурой 500°C, поддерживая процесс кипения воды.
Далее газообразный метанол, непрореагировавший синтез-газ и азот поступали в теплообменник осаждения метанола 44, затем - в теплообменник стабилизации метанола 45. В схеме было задействовано 4 последовательно установленных модуля синтеза метанола 5.
3
На выходе реактора 43 первого модуля 5 присутствовал газообразный метанол с расходом 0,019 нм/сек.
Охлажденный до 40°C жидкий метанол с расходом 96 кг/час направляли на склад готовой продукции, а непрореагировавший синтез-газ и азот - далее во 2-й и последующие модули синтеза метанола 5.
Использование четырех последовательно работающих модулей синтеза метанола 5 позволило конвертировать в метанол 82 объем. % синтез-газа.
Таким образом, при использовании заявленного способа и малотоннажной установки для его осуществления выход готового продукта - метанола составил 82 объем. %.