CC BY
513
УДК 661.53
Г. В. Мещеряков, А. И. Казаков
Колонны синтеза метанола с повышенным выходом продукта
Новомосковский институт Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева 301650, Россия, Тульская обл., г. Новомосковск, ул. Дружбы, 8 тел.: (48762) 7-88-28, факс: (48762) 4-85-92
Приведены описания двух реакторов синтеза метанола с повышенным выходом метанола: реактор насадочного типа и реактор типа «матрешка».
Ключевые слова: движущая сила, катализатор, колонна синтеза, метанол, насадка, синтез-газ, теплообменники.
В последние годы наблюдается бурный рост производства метанола. Это связано с тем, что помимо его традиционного использования для получения формальдегида, синтетического каучука, различных смол и др. метанол используется для получения бензинов, уксусной кислоты, очистки сточных вод, для топливно-энергетических целей.
Одним из основных аппаратов в процессе получения метанола является колонна синтеза.
Синтез метанола проводится при низком, среднем и высоком давлении.
При высоком давлении используется колонна насадочного типа. Полочная насадка несовмещенного типа проста по конструкции. Газ после теплообменника через центральную трубу насадки поступает на катализатор и проходит последовательно все полки с катализатором. После каждой полки, кроме последней, предусмотрен ввод холодного газа для регулирования и поддержки оптимальной температуры в колонне 1. Более эффективной является колонна с полочной насадкой совмещенного типа. Газ до температуры реакции подогревается непосредственно в одной поковке с ката-лизаторной коробкой. Оптимальную температуру поддерживают подачей холодного газа. Температурный режим в данном варианте более стабильный 1.
Для производства низкого и среднего давления используются колонны шахтного типа. Конструкции колонн синтеза метанола при низком давлении имеют свои отличия. Вследствие снижения температуры синтеза до 220—280 оС колонна не имеет насадки. Температурный режим поддерживается подачей холодного газа. В технологических схемах используют колонны синтеза шахтного типа.
Размеры аппаратов зависят от производительности одного агрегата. Для регулирования температуры в слое катализатора по высоте колонны предусмотрен ввод холодного газа. Смешение холодного газа с основным потоком осуществляется в специальных газораспределителях. Для поддержания оптимального температурного режима в колоннах предусмотрен ввод холодных байпасов после каждого слоя катализатора 1.
В настоящее время разработаны реакторы
с более сложной конструкцией: горизонталь-2 3
ный реактор 2' 3, когда колонна расположена горизонтально; реакторы с радиальной насадкой 4.
Для поддержания температурного профиля, более близкого к изотермическому, разработаны реакторы со встроенными теплообменниками различной конструкции: трубчатые, пластинчатые 5.
В настоящее время современные схемы синтеза метанола проектируются для низкого давления. Это связано с разработкой высокоактивных и селективных медьцинковых катализаторов, использование которых позволило резко снизить экономические затраты.
Все перечисленные реакторы используются в циклических технологических схемах. Свежий газ сжимается компрессором до рабочего давления, смешивается с циркуляционным газом, подогревается в рекуперативном теплообменнике отходящими из колонны газами до температуры начала реакции и поступает на вход колонны. Оптимальный температурный режим поддерживается либо подачей холодного синтез-газа через холодные байпасы, расположенные между слоями катализатора, либо во встроенные теплообменники. Газ после колонны проходит рекуперативный теплообменник, холодильник, где охлаждается до 40 оС, сепараторы, где отделяется метанол. Циркуляционный газ, освобожденный от метанола, поступает на дожимающий компрессор, далее смешивается со свежим газом, и процесс повторяется.
Дата поступления 07.05.07
Башкирский химический журнал. 2007. Том 14. №4
Недостатком колонн, используемых в циклических схемах, является низкий выход метанола за один проход — от 3 до 5 % (об.), причем 5% (об.) получены только в одной колонне, разработанной фирмой «КАЗАЛЕ IMC», за счет поддержания квазиизотермического режима встроенными пластинчатыми теплообменниками.
Низкий выход метанола связан с тем, что конструкции колонн не позволяют снимать выделяющееся тепло при более высоких выходах метанола.
Использование реакторов, позволяющих получить более высокий выход метанола, улучшит их экономические показатели в циклических схемах. В результате уменьшится цикличность и расход циркуляционного газа, что приведет к сокращению затрат на его
перекачку, уменьшению размеров аппаратов и объема используемого катализатора.
В результате проведенных исследований разработаны две колонны синтеза с повышенным до 10% (об.) выходом метанола. В обеих колоннах для снижения движущей силы процесса на первом слое катализатора в исходный газ впрыскивается метанол в количестве, обеспечивающем концентрацию метанола 5% (об.). Движущая сила процесса — это разница между равновесной концентрацией метанола и текущим значением его концентрации. Состав исходного синтез-газа поддерживается таким, чтобы равновесная концентрация метанола не превышала 10% (об.).
Колонна синтеза метанола насадочного типа представлена на рис. 1. Синтез-газ подогревается в рекуперативном циркуляционном
Рис. 1. Колонна синтеза метанола насадочного типа: 1, 2, 3, 4 — слои катализатора со встроенными пластинчатыми теплообменниками; 5 — рекуперативный теплообменник; 6 — холодильник
теплообменнике до 150—170 оС выходящим из колонны синтез-газом и поступает во встроенный пластинчатый теплообменник четвертого слоя катализатора, где нагревается до 215 оС. После теплообменника газ делится на два потока. Меньший, с расходом, равным 0.125 от общего расхода G синтез-газа, смешивается с метанолом и поступает на вход первого слоя. Больший поток направляется в холодильник, где остывает до 150—170 оС и поступает во встроенные пластинчатые теплообменники первого, второго и третьего слоев катализатора с расходами соответственно 0.125, 0.25 и 0.5 G. Газ на выходе первого слоя с концентрацией около 10% (об.) смешивается с газом, поступающим из встроенного теплообменника первого слоя. Газ, поступающий на вход второго слоя, будет иметь расход 0.25G, концентрацию метанола — 5% (об.) и температуру 230 оС. Газ, выходящий из второго и третьего слоев катализатора, смешивается с газом, выходящим из встроенных пластинчатых теплообменников соответственно второго и третьего
слоев, за счет чего поддерживается необходимая концентрация метанола и температура синтез-газа последующих слоев. Таким образом, на каждом слое катализатора образуется до 5% (об.) метанола. Концентрация метанола в синтез-газе, выходящем из колонны, составляет 10% (об.).
Колонна синтеза метанола типа «матрешка» представлена на рис. 2. Каждая катализа-торная коробка представляет собой два цилиндра различного диаметра. Цилиндр с меньшим диаметром установлен внутри цилиндра с большим диаметром. Катализатор засыпается между стенками цилиндров. Катализатор-ные коробки всех четырех слоев катализатора установлены в корпусе реактора по типу «матрешки», расстояние между стенками ката-лизаторной коробки составляет 0.2—0.3 м. Ка-тализаторные коробки охлаждаются холодным синтез-газом, проходящим между стенок катализаторных коробок. Циркуляционный синтез-газ подогревается в рекуперативном теплообменнике 5 до 120—150 оС и поступает
Рис. 2. Колонна синтеза метанола типа «матрешка»: 1 — реактор; 2 — рекуперативный теплообменник; 3 — холодильник; 4 — первый слой катализатора; 5 — второй слой катализатора; 6 — третий слой катализатора; 7 — четвертый слой катализатора
в пространство между внешней стенкой ката-лизаторной коробки четвертого слоя катализатора и стенкой корпуса, где нагревается до 215 оС. Газ, выходящий из этого пространства, разделяется на два потока. Меньший, с расходом 0.125G, смешивается с метанолом и с концентрацией 5% (об.) метанола поступает на первый слой катализатора. Больший поток, с расходом 0.825G, подается в холодильник 6, где охлаждается до 120—150 оС. Газ на выходе из холодильника делится на три потока. Первый, с расходом 0.125G, поступает в пространство между стенками первого и второго слоев. Второй поток с расходом 0.25G проходит по центральной трубе, которая является внутренней стенкой катализаторной коробки первого слоя катализатора, и подается в пространство между вторым и третьим слоями катализатора. Третий поток с расходом 0.5G подается в пространство между третьим и четвертым слоями катализатора. Таким образом, пространство между слоями выполняет роль теплообменников, обеспечивающих поддержание квазиизотермических режимов в слоях катализатора.
Температурные режимы слоев реакторов: на входе — 230 оС, на выходе — 250 оС, максимальная температура на слое 260 оС.
Возможность создания таких реакторов подтверждена результатами исследований и математическим моделированием.
Литература
1. Технология синтетического метанола / Под. ред. М. М. Караваева.— М.: Химия, 1984.- 240 с.
2. Pat. EP0202454 USA / Pagani Giorgio, Rizzi Enrico, Zardi Umberto / Process for reducing energy consumption of reactors for heterogeneous catalytic synthesis and relative reactors. Pub. 26.11.1986
3. Pat. WO9524961 USA / Pagani Giorgio, Zardi Umberto / Horizontal reactor for heterogeneous exothermic synthesis in particular for methanol synthesis. Pub. 21.09.1995
4. Квасова М. И. Разработка и исследование низкотемпературного износоустойчивого катализатора синтеза метанола низкого давления. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук.- М., 2007.- 99 с.
5. Pat. EP0345504 USA / Weisken Reimund / Apparatus for carring out exothermic catalytic gas reactions for ammonia or methanol synthesis. Pub. 13.12.1989.
