Производство метанола

Министерство образования Российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Московский государственный университет тонких

химических технологий им. М.В. Ломоносова

Кафедра Общая химическая технология

 

 

 

 

 

 

           

 

 

 

 

Курсовая работа на тему:

                                     Производство метанола

                                              Вариант № 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                         Студент группы ХТ-412

                                                                               Мамедова Н.Н.

 

                                                                              Преподователь:

                                                                                 Устюгов А.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                               Москва 2014 г.

Содержание

1. Введение
2. Характеристика сырья
3. Характеристика целевого продукта
4. Физико-химическое обоснование основных процессов производства целевого продукта.
5. Описание химико-технологической схемы.
6. Расчет материального баланса ХТС.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

     Метанол (СН3ОН) является одним из важнейших продуктов органиче​ского синтеза. Он находит широкое применение в качестве растворителя, по​лупродукта при производстве многих продуктов органического синтеза (формальдегида, диметилтерефталата, метилметакрилата, метиламина, уксус​ной кислоты, карбамидных смол и др.). Только на производство формальде​гида расходуется 40-50% от общего объема производства метанола. Его при​меняют в качестве растворителя и экстрагента, в энергетических целях как компонент моторных топлив и для синтеза метил-трет-бутилового эфира - высокоактивной добавки к топливу (сильно повышает октановое число горю​чей смеси и снижает образование вредных веществ в выхлопных газах). Кроме того, в последнее время метанол широко используют в качестве сырья для микробиологического синтеза белка.

   Длительное время структура  потребления метанола была стабильна: 50% - на формальдегид, 10% - на диметил-терефталата и в качестве раствори​теля, 30% - на другое. В последнее время значение метанола резко возросло. Оказалось, что он может помочь в решении многих острых и актуальных проблем энергетики, экологии (очистка сточных вод), обеспечения продук​тами питания (производство уксусной кислоты, производство синтетического протеина) и т.д., так как является универсальным энергоносителем, компо​нентом и сырьем для получения моторных топлив (конверсия в углеводороды с целью получения топлива), высокоактивных добавок, источником углево​дорода для микробиологического синтеза белков, а синтез самого метанола является рациональным путем утилизации отходов промышленности и жизне​деятельности.

     Сегодня мы являемся свидетелями разработки новых оригинальных способов использования метанола. Стало возможным, например, его приме​нение для транспортировки по трубопроводам порошкообразного угля в виде пульпы. Эти трубопроводы нет необходимости закапывать в траншеи или утеплять: метанол не замерзает при зимней температуре. Нет необходимости отделять уголь в котельных от жидкой части пульпы, потому что метанол прекрасно горит и улучшает горение угля. Такой способ транспортировки угля является удобным и дешевым, он отвечает требованиям научно-техниче​ского прогресса.

    Метанол впервые был  обнаружен Р. Бойлем в 1661 году  в продуктах сухой перегонки  древесины (отсюда первое название  метанола - древесный спирт). В чистом  виде выделен в 1834 году Ж. Дюма  и Э. Пелиго, установив​шими его формулу.

    Промышленное производство  метанола из водорода и оксида  углерода (2) впервые было осуществлено  в 1923 году и с тех пор непрерывно совер​шенствуется.

 

 

2. Характеристика  сырья.

Производство исходного газа для синтеза метанола

Сырье для производства метанола

 

    Технологический исходный газ для синтеза метанола получается в результате конверсии (превращения) углеводородного сырья:

природного газа, синтез-газа после производства ацетилена, коксового газа, жидких углеводородов (нефти, мазута, легкого каталитического крекинга) и твердого топлива (угля, сланцев).

Исходный газ для синтеза метанола можно получить почти из всех видов сырья, которые используют при получении водорода, например в процессах синтеза аммиака и гидрирования жиров. Поэтому производство метанола может базироваться на тех же сырьевых ресурсах, что и производство аммиака. Использование ого или иного вида сырья для синтеза метанола определяется ядом факторов, но прежде всего его запасами и себестоимостью в выбранной точке строительства.

   В соответствии с реакцией образования метанола

                  СО + 2Н2= CH3OH

     В исходном газе отношение водорода к окиси углерода должно составлять 2:1, то есть теоретически необходимо, чтобы газ содержал 66,66 объемн.% H2 и 33,34 объемн.% СО. В производственных условиях синтез метанола осуществляют по циркуляционной схеме при отношении H2: СО в цикле выше стехиометрического. Поэтому необходимо иметь избыток водорода в исходном газе, т. е. отношение H2 : CO в нем обычно поддерживают в пределах 1,5—2,25.

При содержании значительных количеств двуокиси углерода в исходном газе отношение реагирующих компонентов целесообразно выражать соотношением (H2—CO2) : (CO+CO2). Это соотношение учитывает расход водорода на реакции восстановления окиси и двуокиси углерода. В исходном газе оно должно быть несколько выше стехиометрического для обеих реакций и равно 2,15—2,25. Величина соотношения (H2—CO2): (СО+СО2) не определяет концентрации двуокиси углерода в исходном газе. Количество СО2 может быть различным в зависимости от метода получения газа, также условий синтеза (давление, температура, состав катализатора синтеза метанола) и изменяется от 1,0 до 15,0 объемн.%. Природный и попутный газы представляют наибольший интерес, как с экономической точки зрения, так и с точки зрения конструктивного оформления процесса подготовки исходного газа (конверсия, очистка и компримирование). Кроме того, они содержат меньше нежелательных примесей, чем газы, полученные газификацией твердого топлива.

Состав природного газа в зависимости от месторождения различен. Основным компонентом природного газа является метан;

наиболее значительно меняется содержание гомологов метана (этан, пропан, бутан) и инертных газов, что видно из табл. 3. ,

Большинство крупных производств метанола базируется на использовании природного газа. Для получения исходного газа,S углеводородное сырье подвергают конверсии различными окислителями — кислородом, водяным паром, двуокисью углерода и их смесями. В зависимости от используемых видов окислителей или их смесей различают следующие способы конверсии: паро-углекислотная при атмосферном или повышенном давлениях, паро-углекислотная с применением кислорода, высокотемпературная и паро-углекислородная газификация жидких или твердых топлив. Выбор окислителя или их комбинации определяется назначением получаемого исходного газа (для синтеза метанола на цинк-хромовом или медьсодержащем катализаторах) и технико-экономическими факторами.

 В качестве  сырья для производства метанола  используют также синтез-газ после производства ацетилена методом окислительного пиролиза (на 1 т ацетилена обычно образуется до 10000 м3 газа). Этот газ содержит водород и окись углерода в соотношениях, близких к стехиометрическому для реакции синтеза метанола.  Остаточный, метан является нежелательной примесью, поэтому до поступления в отделение  синтеза газ проходит и каталитическую конверсию.                                    

При использовании в качестве сырья для получения исходного  газа твердого топлива (кокса и полукокса) последнее подвергают с газификации водяным паром. Кроме кокса, газификации могут подвергаться антрацит, сланцы, бурые угли, мазут и нефть. Процессы газификации проводят при атмосферном или при повышенном давлении. По технологическим принципам процессы газификации разделяют на циклические и непрерывные. Получение исходного газа таким способом в настоящее время устарело. Отметим лишь, что практически при любом режиме газификации отношение Н2: СО в конвертированном газе меньше теоретического. Поэтому часть газа после очистки от примесей направляют на конверсию окиси углерода водяным паром.

   Коксовый  газ, получаемый в процессе коксования каменных) углей, содержит значительное количество метана (до 19—25%), У непредельных соединений и большое количество различных прим сей. От некоторых из них (смолы, аммиак, бензол, нафталин и др.)  газ очищают на коксохимических заводах.

 

 

3. Характеристика  целевого продукта.

Физико-химические основы производства метанола.

Свойства метанола и его водных растворов.

 

     Метиловый спирт, метанол СНзОН является простейшим представителем предельных одноатомных спиртов. В свободном состоянии в природе встречается редко и в очень небольших количествах (например, в эфирных маслах). Его производные, наоборот, содержатся во многих растительных маслах (сложные эфиры), природных красителях, алкалоидах (простые эфиры) и т. д. При обычных условиях это бесцветная, легколетучая, горючая жидкость,. иногда с запахом, напоминающим запах этилового спирта. На организм человека метанол действует опьяняющим образом и является сильным ядом, вызывающим потерю зрения и, в зависимости от дозы, смерть.

Физические характеристики метанола при нормальных условиях следующие:

Молекулярный вес    32,04

Плотность, г/см8     0,8100

Вязкость, мПа-с     0,817

Температура кипения, °С    64,7

Температура плавления, °С   97,68

Теплота парообразования, ккал/моль  8,94

Теплота сгорания, ккал/моль

жидкого      173,65

газообразного    177,40

 

  Плотность и вязкость метанола уменьшаются при повышении температуры таким образом:

—40 °С  —20 °С    О °С     20 °С    40 °С    60 °С

Плотность, г/см3 .......  0,8470 0,8290 0,8100 0,7915 0,7740 0,7555.

Вязкость, мПа.с. ......   1,750   1,160   0,817   0,597   0,450   0,350

  

    Метанол при стандартных условиях имеет незначительное давление насыщенных паров. При повышении температуры давление насыщенных паров резко увеличивается". Так, при увеличении температуры с 10 до 60 °С давление насыщенных паров повышается от 54,1 до 629,8 мм рт. ст., а при 100 °С оно составляет 2640 мм рт. ст. углеводородами. Он хорошо поглощает пары воды, двуокись углерода и некоторые другие вещества.

     Следует указать на способность метанола хорошо растворять большинство известных газов и паров. Так, растворимость гелия, неона, аргона, кислорода в метаноле при стандартных условиях выше, чем растворимость их в ацетоне, бензоле, этиловом спирте, циклогексане и т. д. Растворимость всех этих газов при разбавлении метанола водой уменьшается/ Высокой растворимостью газов широко пользуются в промышленной практике, применяя метанол и его растворы в качестве поглотителя для извлечения примесей из технологических газов.

     Свойства растворов метанола в смеси с другими веществами значительно отличаются от свойств чистого метилового спирта. Интересно рассмотреть изменение свойств системы метанол—вода. Температура кипения водных растворов метанола закономерно увеличивается при повышении концентрации воды и давления (см. Приложение, стр. 114). Температура затвердевания растворов по мере увеличения концентрации метанола понижается: —54 °С при содержании 40% СНзОН и —132°С при 95% СНзОН.

Плотность водных растворов метанола увеличивается при понижении температуры и почти равномерно уменьшается с увеличением концентрации метанола от плотности воды до плотности ''спирта при измеряемой температуре (см. Приложение, стр. 114). Зависимость вязкости от концентрации метанола имеет при всех исследованных температурах максимум при содержании СНзОН около 40%. В точке максимума вязкость раствора больше вязкости чистого метанола.

   Метанол смешивается во всех отношениях со значительным числом органических соединений. Со многими из них он образует азеотропные смеси — растворы, перегоняющиеся без изменения состава и температуры кипения, т. е. без разделения; К настоящему времени известно свыше 100 веществ, в числе которых имеются и соединения, обычно присутствующие в метаноле-сырце. К этим веществам, например, относятся ацетон, метилацетат, метилэтилкетон, метилпропионат и некоторые другие. Необходимо отметить, что азеотропные смеси с содержанием таких соединений, как метилэтилкетон, метилпропионат, пропилформиат, изобутилформиат и ряд других имеют температуру кипения, близкую к температуре кипения чистого метанола (62—64,6 °С).

    Метанол сочетает свойства очень слабого основания и еще более слабой кислоты, что обусловлено наличием алкильной и гидроксильной групп. При окислении метанола кислородом в присутствии катализатора образуется формальдегид:

СНзОН + 0,5СО2 =НСНО + Н2О

На этой реакции основан широко применяемый в промышленности метод получения формальдегида, который используют в производстве пластических масс. При действии щелочей металлов водород гидроксильной группы метанола замещается с образованием алкоголята

2СНзОН + 2Na= 2CH3ONa + 2Н2

который стоек только в отсутствие воды, так как вода омыляет его до метанола и щелочи:

СНэОNa + Н2О= СНзОН + NaOH 

С аммиаком метанол образует метиламины:

СНзОН + NH3 = CH3NH2 + Н2О

СНзОН + СНзNН2 = (CH3)2NH2 + Н2О

CH3OH + (СНз)2NH2 = (СН3)3NH2 + Н2О

Эти реакции протекают в паровой фазе в присутствии катализаторов при 370—400 °С и повышенных давлениях..

Дегидратацией на катализаторе при повышенных температурах получают диметиловый эфир:

2СН3ОН = (СНз)2О + Н2О

При взаимодействии метанола и минеральных кислот образуются сложные эфиры. .Этот процесс называется этерификацией, и его широко используют в промышленной практике для получения различных метиловых эфиров — метилхлоридов, метилбромидов,  метилнитратов, метилсульфатов и др.:

СНзОН + H2SO4 =СНзSОзОН + Н2О

Органические кислоты также реагируют с метанолом с образованием сложных эфиров:

СНзОН + СНзСООН = СНзСООСНз + Н2О

 

4. Физико-химическое  обоснование основных процессов  производства целевого продукта.

Основные закономерности процесса синтеза метанола.

 

Равновесие реакции образования метанола. Процесс получения метанола основан на взаимодействии водорода и окиси углерода:

2Н2 + СО « СНзОН + 21,67 ккал

Реакция может протекать как в прямом, так и в обратном направлениях.

В соответствии с законом действующих масс скорость любой химической реакции пропорциональна произведению концентраций

реагирующих веществ. Тогда скорости прямой и обратной  реакций выразятся уравнениями

u1 = k1 [Н2]2 [СО]      u2 = к2 [СНзОН]

где [Hz], [СО] и [СНзОН]—концентрации водорода, окиси углерода и метанола; k1, k2—константы скорости прямой и обратной реакций, значения которых зависят от температуры.

При условии равновесия скорости прямой и обратной реакций становятся равными

 k1 [Н2]2 [СО] = к2 [СНзОН]    откуда:

где К—константа равновесия реакции.

Значение константы равновесия необходимо для расчета равновесного выхода метанола. Равновесный выход—это теоретический максимальный выход метанола, который может быть получен из водорода и окиси углерода, взятых при данных концентрациях, температуре и давлении процесса. Константу равновесия можно определить как теоретическим, так и экспериментальным путем.