CC BY
74
2. A revision of multiplicity and parametric sensitivity concepts in nonisothermal nonadiabatic packed bed chemical reactors. / 1. Puszynski [ets, | // Chem. Eng. Sci,. 1981. V.36.N10.P.1605.
3. Gawdzik A„ Berezovski M. Multiple Steady States in Adiabatic Tubular Reactors with Recycle // Chem.Eng.Sci., 1986. V.42. N 5. P.1207.
5. Kordylewslci W., Krajewski Z. Multiplicity of Steady states in Packed bed gas-solid reactor// Chem. Eng. Sci., 1982. V.37. N 10. P.1580.
6. Pisarenko V.N., Steady State multiplicity in adiabatic reactors and ways to raise the rate of their operation. // Theoretical foundations of chemical engineering, 1999. V. 33. N5. PP. 547-560.
7. Писаренко E.B. Пакет прикладных программ для расчета режимов работы каталитических реакторов. // Программные продукты и системы, 2007. № 4, С. 65-67.
УДК 66.011:662.75:547.26
Е. В. Писаренко, М. С. Морозова
Российский химико-технологический университет им, Д.И.Менделеева, Москва, Россия.
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАНОЛА БЕЗ РЕЦИКЛА СИНТЕМ АЗА
Analysis of current industrial technologies of methanol production from syngas has been carried out. Kinetic model of the reaction of methanol synthesis has been derived. Unknown model parameters have been estimated by l east square method. Efficiency factors of gain operation for key substances and overall reaction routes have been calculated. Optimal reactor design and its operating regimes have been determined. New energy-saving scheme of methanol production from syngas has been suggested and calculated.
Проведен анализ существующих промышленных технологий метанола из синтез-газа Построена кинетическая модель реакции синтеза метанола, оценены значения кинетических констант моделей с использованием метода нелинейных наименьших квадратов. Рассчитаны факторы эффективности работы зерна катализатора для ключевых веществ и итоговых реакций по маршрутам. Определены оптимальные габариты каталитического реактора синтеза метанола и режимы его эксплуатации. Предложена и рассчи тана новая энергосберегающая схема процесса получения метанола из синтез-газа.
В связи с сокращением мировых запасов нефти становится все более актуальной проблема вовлечения в промышленную переработку таких источников углеводородного и углеродного сырья как, например, природный газ и уголь [1-3]. Для эффективной замены нефти должны быть разработаны высокорентабельные технологии получения ключевых продуктов химического и нефтехимического синтеза, и экологически чистых моторных топлив на их основе [4-5]. Причем уголь и природный газ могут заменить нефть только в случае, если производимая целевая продукция по себестоимости будет не выше, чем из нефти. При этом необходимо отметить, что моторные топлива, полученные из природного газа, практически не содержат серо- и
азотсодержащих органических соединений и, следовательно, при их использовании резко сокращаются вредные выбросы в окружающую среду [6-13].
Основная задача при развитии новых технологий получения метанола заключается в разработке энергосберегающего процесса синтеза метанола из низконапорного природного газа и попутного нефтяного газа без рецикла по сырью, и одновременном производстве электрической энергии, достаточной для организации энергозамкнутого производства.
Для математического описания процессов, протекающих в зерне катализатора, была выбрана квазигомогенная модель с граничными условиями Дирихле.
Факторы эффективности работы зерна катализатора для реакций паровой конверсии оксида углерода г/, и синтеза метанола ?;2. При этом значения 0.9 < 7, < 0.96, 0.99 < щ < 1.09 при Р = 4.0 - 6.0 МПа и 1 = 453-513 К.
Завершающим этапом моделирования каталитического процесса является расчет реакторного узла, конструкций отдельных реакторов, являющихся его составной частью и установление режимов эксплуатации реакторного узла, обеспечивающего заданные показатели по производительности, степени использования сырья и по энергопотреблению [14-17]. Требовалось разработать реакторный узел при использовании в качестве сырья синтез-газа со значительным содержанием азота (до 40-60 об.%) При этом «хвостовой» синтез-газ должен быть с теплотворной способностью не менее 2400 кДж/м3 для последующего его использования с целью выработки электроэнергии, которой достаточно для организации энергозамкнутого производства.
В качестве модели реактора была выбрана однопараметрическая диффузионная модель политропического реактора с граничными условиями Данквертса.
-^(Г-Г„) = ДЯЧ#
Р
си
(с, -с’Г) -л^ = и(г--сГ”)
л ^ 2 2 >
і аТ (Т
~Ж= р
СІС,
Т )
нот '
Ос,
о
1 = Ъ ^ = 0, ^- = 0,
а л
В результате расчетов в качестве базового реактора был выбран кожухотрубчатый реактор с внутренним диаметром трубок 32 мм, длиной трубок 5 м и общим количеством трубок 455. Высокие показатели теплосъема, характерные для кипящих теплоносителей, позволяю!? также добиться близких по характеристикам режимов работы отдельных трубок в трубном пучке.
Получение метанола по безрециркуляционной технологии позволяет значительно снизить энергозатраты. Происходит 85%-ная конверсия синтез - газа при высокой чистоте производимого метанола. Непрореагировавший синтез - газ используется в качестве газового топлива для энергетических машин.
Рис. 1. Получение метанола из природного газа без рецикла по синтез-газу: ПБ-1,ПБ-2,ПБ-3 - паровые барабаны; ТР-1 ,ТР-2,ТР-3 - трубчатые Каталитические реакторы; Кр-1 - компрессор; Т/0-1,Т/0-2,Т/0-3 -теплообменники;
С-1,С-2,С-3 - сепараторы; К-1.К-2.К-3 - конденсаторы
В результате предложена новая организация процесса синтеза метанола из природного газа, позволяющая конвертировать синтез-таз в метанол с высокими степенями превращения при высоком качестве получаемого продукта. Общая конверсия синтез-газа в реакторном узле, составленном из последовательно соединенных каталитических реакторов, 75-88 % в зависимости от состава исходного синтез-газа и условий проведения реакции синтеза метанола в каталитических реакторах. Выделившееся при проведении реакций тепло отводится кипящей в рубашке реактора водой, при этом образовавшийся пар имеет давление 1.5-4.0 МПа и может после соответствующего облагораживания использоваться как энергоноситель паровых турбин. Результаты моделирования проверены на стендовой установке синтеза метанола, производительностью по целевому продукту 120 л метанола/сутки.
Следует особо подчеркнуть, что получаемый по новой технологии метанол-сырец имеет высокую чистоту и вследствие этого для ряда произ-
водств он может быть либо товарным продуктом, например для газовой промышленности, либо исходным сырьем для получения диметилового эфира, этилена, пропилена, моторных топлив. Для полученного высокоочи-щенного метанола количество и объем промышленных ректификационных колонн значительно сокращается, что приводит к снижению металлоемкости производства и сокращению энергозатрат. Далее, так как процесс получения метанола происходит по безрециркуляционной по сырью схеме, то отпадает необходимость использования энергозатратного рецикла. Последнее также способствует повышению рентабельности метанольных производств. И, наконец, так как получение метанола в целом проводится при мягких режимах синтеза метанола, то увеличивается также и длительность эксплуатации промышленных катализаторов.
Библиографические ссылки
1. A study on the reforming of natural gas with steam, oxygen and carbon dioxide to produce syngas for methanol feedstock / Hengyong Xu [ets.] // Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 1999. V.147. P. 41.
2. Froment G.F. Production of synthesis gas by steam- and CCh-reforming of natural gas // Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2000. V.163. P. 147.
3. E.B. Писаренко; П.Д. Саркисов; JI.C. Гордеев Моделирование энерго- и ресурсосберегающего процесса получения метанола из природного газа. // Ресурсе- и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленности: тез. докл. межд. конф, Москва, РФ, 11-12 октября, 2006, сборник трудов. С. 49-50.
4. Tijm P.J.A., Waller F.J., Brown D.M. Methanol technology developments for the new millennium // Appl Catal A: Gen .2001.V.221. P.275.
5. A review of low temperature methanol synthesis / M. Marchionna [ets. ] // Stud Surf Sci Catal. 1998. V.l 19. P.539.
6. Tsubaki N., Ito М.: Fujimoto K. A new method of low-temperature methanol synthesis.// J. Catal. 2001.197(1). P. 224.
7. Velardi Salvatore A., Barresi A.A. Methanol synthesis in a forced unsteady-state reactor network // Chem. Eng. Sci. 2002. V.57. P. 2995.
S. Modelling and simulation of the reversed flow operation of a fxed-bed reactor for methanol synthesis / Vanden Bussche K.M. [ets.] // Chem.Eng.Sci. 1993. V.48(19). P.3335.
9. Mahajan Devinger, Goland Allen W. Integrating low-temperature methanol synthesis and ССЬ sequestration technologies: application to IGCC plants // Catalysis Today. 2003. V.84. P. 71
10. Amor H. B., Halloin V.L. Methanol Synthesis in a multifunctional reactor // Chem. Eng. Sci. 1999. V. 54. P. 1419.
11. In.ui Tomoyuki, Rapid catalytic processes in reforming of methane and successive synthesis of methanol and its derivatives // Appl. Surface Sci. 1997. V.l21. P.26.
12. Methanol synthesis from СОг, CO and H2 over Cu (100) and Cu (100) modified by Ni and Co / J. Nerlov [ets.] // Appl. Catal. A:General. 2000. V.l91. P.97.
13. Vanden Bussche К. М., Froment G.F. The STAR configuration for methanol synthesis in reversed flow reactors // The Canadian Journal of Chemical Engineering. 1996. V.74(5). P. 729.
14. Catalytic synthesis of methanol from CO/Hj. I. Phase composition. Electronic properties and Activities of the Си&Ю/МгОз / Herman R.O. [ets.] // J. Catal. 1979. V. 56. P. 407.
15. Розовский А.Я., Лиин Г.И. Теоретические основы процесса синтеза метанола. М.: Химия, 1990. 272 с.
16. Энерго- и ресурсосберегающий процесс получения метанола из природного газа. / Е.В. Писаренко [и др.] //Теорет. основы химич. технологии, 2008. Т42. №1. С.14-20.
17. Бахтин А.А., Писаренко Е.В.; Абаскулиев Д.А. Энергохимический способ получения метанола из природного газа // Химич. промышленность сегодня, 2007. №12. С. 27-29.
УДК 002.53:661.9
М. С. Морозова, Е. В. Писаренко, С. В. Дудник
Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева, Москва, Россия.
СОЗДАНИЕ БАЗЫ ДАННЫХ “GASPROCESS” ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА
Создана база данных по известным промышленным технологиям переработки природного газа в ключевые продукты химического синтеза. Разработан пакет программ “GasProcess” для расчета химико-технологических схем. Предложена и рассчитана новая энерго- ресурсосберегающая схема процесса получения метанола и диметилового эфира из природного газа.
Database on known industrial technologies of natural gas conversion to key chemical products has been created. Program “GasProcess” to calculate chemical technological schemes has been developed. New energy- and resource-saving scheme of methanol and dimethyl ether production from natural gas has been suggested and calculated.
Для создания новых эффективных технологий получения метанола и диметилового эфира с себестоимостью, по крайней мере, на 10-15 % меньше, чем себестоимость метанола и диметилового эфира, производимых по традиционным технологиям, проведен системный анализ известных промышленных процессов. Программное приложение “GasProcess” разработано в среде Borland C++ Builder 6, с использованием персональной СУБД Access. Данный программный продукт содержит в себе справочную информацию по переработке природного газа, включающую как традиционные, так и новые технологии производства синтез-газа, технологии получения метанола из синтез-газа, технологии получения ДМЭ из синтез-газа и метанола. Информация представлена в удобном виде таблиц и закладок, что позволяет легко ориентироваться в разделах и быстро находить нужный материал. По каждой технологии дана краткая историческая справка, приведен
