Научная статья на тему 'Результаты экспериментальных исследований процесса получения метанола'

Результаты экспериментальных исследований процесса получения метанола Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
96
66
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Вершинин Н. Н., Кордон М. Я., Ананьев В. М., Гравшенкова Е. О.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «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 (Оси )

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 = / (СН 4/ о2)

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 = / (СН 4/ О2 )

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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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(Pp)

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(Pp)

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.