Результаты экспериментальных исследований процесса получения метанола

Вершинин Н.Н. , Кордон М.Я., Ананьев В.М. , Гравшенкова Е.О. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАНОЛА

Определение состава реакционного газа и метанольного конденсата проводилось хроматографическим методом при следующих условиях эксперимента: внутренний диаметр реактора - 25 и 67 мм; длина обогреваемой части реактора - 500 и 820 мм; давление в реакторе - 5,0 и 3 МПа; температура стенки реактора - 425 и 450°С.

Результаты экспериментальных исследований при различных концентрациях компонентов в исходной газовой смеси сведены в табл. 1.

Анализ данных эксперимента, представленных в табл. 1, показывает, что реакционный газ после отделения метанольного конденсата содержит кроме метана, внесенный азот, остаточный кислород и продукты реакции СО и СО2 в газообразном состоянии.

Метанольный конденсат включает, в основном, воду и метанол, в небольших количествах формальдегид, примерно до 30 г/л, и муравьиную кислоту не более 3 г/л.

Таблица 1 Результаты экспериментов

№ опыта На входе, % об. На выходе реактора, % об. Конденсат

О2 СН 4 N 2 О2 СН 4 N2 СО СО2 См, г/л Вм , г/м" Н2О, г/м3

1 4,4 81,1 14,5 0,5 83,3 15,3 0,5 0,2 328 20 29,2

2 4,8 77,4 17,8 0,8 78,2 19,7 0,9 0,4 302 23 37,5

3 4,9 76,1 19,0 2,2 77,2 19,5 0,8 0,3 330 31 32,3

4 6,6 69,4 0 4 2 2,7 70,0 25,8 1,0 0,5 299 35 47,9

5 7,0 65,0 28,0 2,5 66,0 29,0 1,7 0,8 219 37 64,1

Увеличение концентрации кислорода в исходной газовой смеси приводит к значительному увеличению выхода метанола и воды.

Эксперименты по определению влияния расхода газовой смеси на выходные параметры реактора проводились при концентрации кислорода в исходной газовоздушной смеси равной 6,5 объемных процента, давлении 5 МПа, темпера-

Результаты обработки опытных данных сведены в табл. 2. При увеличении расхода от 29 до 60 л/мин наблюдается рост удельного выхода метанола (рис. 1), а концентрация метанола в конденсате остается практически постоянной, следовательно, рост ЬРМ обусловлен увеличением расхода газовой смеси Учитывая, что

на процесс окисления метана оказывают два основных фактора: кинетика и газодинамика, можно предположить, что решающая роль принадлежит кинетическим процессам в области умеренных скоростей прохождения газовоздушной смеси через проходное сечение реактора.

Таблица 2 Зависимость выходных параметров реактора от расхода газовой смеси

туре стенки 440 С, dp = 67 мм, 1р = 820 мм.

№ опыта GCM, л/мин СМ, г/л ВМ, г/м3 К , кг/м2ч bVM , кг/м3ч

1 28,8 240,0 25,6 8,7 10,6

2 31,2 241,0 31,2 11,4 13,9

3 33,6 242,0 29,8 11,8 14,4

4 36,0 239,0 31,7 13,4 16,3

5 38,4 239,0 31,8 14,4 17,5

6 40,8 240,0 38,1 18,3 22,3

7 43,2 240,0 30,6 15,5 18,9

8 45,6 240,0 31,7 17,0 20,7

9 48,0 238,0 34,7 19,6 23,9

10 56,2 243,0 33,1 21,9 26,7

11 61,6 237,0 2 1 3 22,6 27,5

12 64,0 240,0 28,8 21,6 26,4

13 68,0 241,0 27,5 22,0 26,8

14 72,0 243,0 26,0 22,0 26,8

15 72,0 236,0 26,0 21,8 26,6

16 84,0 238,0 18,5 18, 2 22,2

, кг/м2ч

20

10

о 1-----------1-----------^----------1-----------1

20 40 60 80 Осм, л/м

Рис.1. Зависимость ЪМ = I

При достижении максимального выхода метанола роль двух факторов уравновешивается, затем при увеличении расхода (скорости) реакции окисления не успевают завершиться и удельный выход метанола уменьшается.

Эксперименты по определению влияния соотношения концентрации метана и кислорода в газовоздушной смеси на выходные параметры реактора проводились при изменении концентраций компонентов газовоздушной смеси в пределах, обеспечивающих безопасное протекание окислительных реакций (табл. 3).

Таблица 3 Зависимость выходных параметров реактора от соотношения концентрации метана и кислорода в газовоздушной смеси

№ опыта О2 N2 СН 4 СМ, г/л СН4 О2 ьМ, кг/м2ч

1 1,7 6,3 92 360 54,0 6,9

2 3,1 11,9 85 350 27,4 14,7

3 3,5 13,5 83 343 23,7 16,1

4 5,0 19,0 76 342 15,2 20,3

5 6,5 24,5 69 240 10,6 19,6

6 7,1 26,9 6 6 221 9,3 18,1

7 7,6 28,4 64 213 8,4 15,4

8 8,8 35,2 56 155 6,4 13,6

9 10,0 38,0 52 96 5,2 8,9

Соотношение реагирующих исходных компонентов СН4 /О2 изменялось от 54,0 до 5,2, т.е. более чем в 10

раз. Характер изменения удельного выхода метанола Ь1^ в зависимости от соотношения концентраций СН 4 / О2 представлено на рис. 2.

Ькг/м2-ч________________________________________

20 10

0

5 15 25 35 45 СН4/О2

Рис. 2. Зависимость ьМ = /

Увеличение удельного выхода метанола в интервале (5-15) изменения отношения СН4 /О2 обусловлено ростом содержания метанола в конденсате См (рис. 3). При этом концентрация кислорода уменьшалась в 2 раза, а метана увеличивалась примерно в 1,5 раза.

См,г/л

зоо

200

100

5 15 25 35 45 СН4/О2

Рис. 3. Зависимость См = /

Выход См увеличился в 3,56 раза (рис. 3) и при дальнейшем увеличении СН4/ О2 практически изменялся

незначительно.

Уменьшение удельного выхода метанола в интервале соотношений концентрации СН4 / О2 =15... 54 можно объяснить уменьшением концентрации кислорода в 2,94 раза и ростом концентрации метана в 1,2 раза, что

приводит к сдвигу окислительного процесса в область низких значений Ь^ •

Оценка влияния температуры стенки реактора на выходные параметры процесса окисления метана кислородом воздуха проводилась на реакторе с внутренним диаметром 67 мм, длиной 820 мм при давлении в реакторе 5,0 МПа. Эксперименты проводились в интервале температуры стенки от 380 до 440°С при концентрации кислорода в исходной газовоздушной смеси равной 10 объемных процентов и в интервале 400-450°С при концентрации газовоздушной смеси равной 5 объемных процентов. Результаты опытных данных сведены в табл. 4.

Таблица 4

Зависимость выходных параметров реактора от температуры стенки реактора

№ опыта Gcм, л/мин О2 % об. ^СТ г 0С СМ, г/л ВМ, г/м3

1 45,5 10,0 440 100 21,9

2 45,6 10,0 430 87 20,5

3 45,6 10,0 420 92 21,3

4 45,6 10,0 410 97 22,4

5 45,6 10,0 400 104 23,7

6 45,6 10,0 390 82 18,0

7 45,6 10,0 380 96 8,0

8 49,2 5,0 450 332 32,3

9 49,2 5,0 440 342 31,8

10 49,2 5,0 430 325 30,6

11 49,2 5,0 420 325 5 8 2

12 49,2 5,0 410 264 17,2

13 49,2 5,0 400 272 11,6

На рис. 3.5 представлена зависимость выхода метанола от температуры стенки реактора. Виу г/м___________________________________

е, - -7Е-06Г4 + 0,0112г3 - 7,1714т3 + 2036,91 - 216725

/с Ох і

с ) / \ / 1

2

м = -0,0092/2 + 8,21 )5г - 1804,8

1 /

380 400 420 440 t„, °С

Рис. 5. Зависимость выхода метанола Вм от температуры в реакторе tCr«

1 - 02 = 5% об.; 2 - 02 = 10% об.

Характер изменения кривых на графике (рис. 5) показывает, что выход метанола при постоянном

расходе газовоздушной смеси сильно зависит при малых концентрациях кислорода (5 %) в интервале

температуры от 400 до 430°С, а при средних значениях концентрации кислорода (10 %) в интервале

температур от 380 до 400°С. Возможные причины этого влияния рассмотрим ниже.

Эксперименты по определению влияния давления в реакторе на выходные параметры процесса проводились на реакторе диаметром dp = 67 мм, длиной 1р = 820 мм при постоянных входных величинах: 02

= 6,6 %,G=48 л/мин и температуре стенки реактора t^ = 440°С. Результаты экспериментов сведены в табл. 5.

Таблица 5

Результаты экспериментальной оценки влияния давления в реакторе на выходные параметры реактора

№ опыта Рр, МПа СМг Г/л Вм, г/м3 02ОСТ , %

1 1,5 188,0 14,6 3,0

2 2,0 217,0 25,3 1,0

3 3,0 230,0 29,9 0

4 4,0 240,0 29,7 0

5 5,0 243,0 29,8 0

На характер изменения величины выхода метанола Вм оказывают два фактора: с одной стороны, содержание метанола в конденсате, и, с другой стороны, наличие на выходе из реактора остаточного кислорода.

Зависимость Вм(рр) и См(Рр) представлены на рис. 6 и 7.

выу г/м3___________________________________________

10 -------------------------------------------

1,5 2,5 3,5 4,5 рР, МПа

Рис. 6. Зависимость Вм=f

При малых давлениях в реакторе 1,5...20 МПа на выходе снижается содержание метанола в конденсате См и увеличивается остаточный кислород, а при давлениях свыше 2 МПа выход метанола практически остается постоянным при его изменении от 3,0 до 5,0 МПа. При этом наблюдается полное срабатывание кислорода в реакторе (табл. 5).

С„, г/л

>

175 --------------------------------------------

1,5 2,5 3,5 4,5 Рр, МПа

Рис. 7. Зависимость CM=f