Автор работы: Пользователь скрыл имя, 08 Сентября 2011 в 13:52, курсовая работа
В курсовом проекте изучена технология производства метанола-сырца в трехфазной системе.
Для этого рассмотрены сырье для получения метанола-сырца, принцип работы аппаратов в производстве метанола-сырца в трехфазной системе, проанализирована экологическая составляющая метанола-сырца и выявлены перспективы развития технологии данной отрасли.
Рассмотрена технологическая схема производства метанола-сырца, изучен принцип работы основного аппарата, рассчитан материальный и тепловой баланс для колонны основной ректификации.
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.
Метиловый спирт, метанол СН3ОН 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 приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Физические характеристики метанола при нормальных условиях
Молекулярный вес г/ моль | 32,04 |
Плотность, г/см3 | 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 жидкого ккал/моль | 173,65 |
Теплота сгорания газообразного ккал/моль | 177,40 |
Плотность и вязкость метанола уменьшаются при повышении температуры (таблица 2).
Таблица 2 – Изменения плотности и вязкости метанола при повышении температуры
Температура, оС | -40 | -20 | 0 | 20 | 40 | 60 |
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
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. Зависимость вязкости от концентрации метанола имеет при всех исследованных температурах максимум при содержании СН3ОН 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:
СН3ОН
+ 0,5СО2 ↔ НСНО + Н2О.
На
этой реакции основан широко применяемый
в промышленности метод получения формальдегида,
который используют в производстве пластических
масс. При действии щелочей металловводород
гидроксильной группы метанола замещается
с образованием алкоголята
2СН3ОН
+ 2Na ®
2CH3ONa + 2Н2.
который стоек только в отсутствие воды, так как вода омыляет его до метанола и щелочи:
СН3ОNa
+ Н2О ® СН3ОН + NaOH.
С аммиаком
метанол образует метиламины:
СН3ОН
+ NH3 ® CH3NH2 + Н2О;
СН3ОН
+ СН3NН2 ® (CH3)2NH2
+ Н2О;
CH3OH
+ (СН3)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 ®
(СН3)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.:
СН3ОН
+ H2SO4 ® СН3SО3ОН
+ Н2О.
Органические кислоты также реагируют с метанолом с образованием сложных эфиров:
СН3ОН
+ СН3СООН ® СН3СООСН3
+ Н2О.
3
Физико-химическое обоснование
основных процессов
производства целевого
продукта
Равновесие
реакции образования метанола. Процесс
получения метанола основан на взаимодействии
водорода и окиси углерода:
2Н2
+ СО «
СН3ОН + 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
= k2 [СН3ОН]
где [H2], [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
где
К—константа равновесия реакции,
k1 [Н2]2 [СО] = k2 [СН3ОН].
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.
Константа равновесия может быть представлена в различных единицах измерения.
Давление. В технических расчетах обычно пользуются выражением константы равновесия через парциальное давление компонентов.
При повышении давления и понижении температуры равновесие сдвигается в сторону увеличения выхода метанола. В промышленных условиях синтез метанола осуществляется из газовой смеси, содержащей кроме водорода и окиси углерода также двуокись углерода. Поэтому при расчете равновесия синтеза метанола из смеси газов Н2—СО—CO2 необходимо учитывать следующую реакцию:
СО2
+ Н2(г)↔СО + Н2О – 9,8 ккал.
Равновесный выход метанола, степень превращения окиси и двуокиси углерода в значительной мере меняются в зависимости от давления, температуры, отношения Н2: СО и содержания двуокиси углерода в газе. Влияние давления и температуры на равновесный выход метанола определено для следующего состава газа: 1,25 объемного % СО2; 10,6 объемного % СО; 74,2 объемного % Н2;-13,95 объемного % (CH2+N2).
3.1 Давление
При
повышении давления выход метанола
почти прямо пропорционально
увеличивается и резко
Таблица 3 – Зависимость выхода метанола от давления
Давление, кгс/см2 | 50 | 100 | 200 | 300 | 400 |
Выход СН2ОН, объемный % | 0,37 | 1,56 | 5,54 | 9,31 | 11,68 |
Следует заметить, что с увеличением давления более резкий рост равновесного выхода метанола наблюдается при повышенных температурах. Так, при изменении давления от 50 до 300 кгс/см2 равновесный выход метанола при 280 °С увеличивается в 2,4 раза а при 380 °С – в 2,3 раза (отношение H2: СО = = 4: 1).
Информация о работе Технология производства метанола-сырца в трехфазной системе