Дипломная работа (ВКР) — бакалавр, специалист на тему Производство метанола из синтез-газа, полученного конверсией метана (аналитический обзор)

Содержание:

Введение.‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧8

1. Основная часть. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧11

1.1. Технология производства метанола.‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧11

1.2.Катализаторы процесса.‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧12

1.2.1. Современные исследования технологии катализаторов синтеза жидких углеводородов.‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧16

1.3. Химизм процесса. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧19

1.4. Физические и физико-химические свойства природных газов.‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧20

1.5. Типы реактор реакторов синтеза синтеза Фишера- Тропша.‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧24

1.5.1. Реакторы со стационарным слоем катализатора. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ ‧‧‧‧‧‧‧‧ ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧25

1.5.2. Реакторы с суспендированным слоем катализатора (трёхфазные основные реакторы)‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧27

1.5.3. Реакторы с псевдоожиженным слоем катализатора.‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧30

1.6. Синтез Фишера-Тропша. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧31

1.6.1. Две стадии превращения синтез-газа в метанол. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧33

1.7. Разделение и очистка продуктов синтеза. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧35

1.8. Установки процесса синтеза Фишера-Тропша. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧36

1.9. Производство-СЖТ. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧43

1.9.1. Конверсии метана. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧43

1.9.2. СЖТ-установки. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧47

1.9.3. Перспктивы СЖТ-технологий. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧48

1.10. Сырьё для сегодня и вчера. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧50

1.11. Продукты процесса и их основные характеристики. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧51

1.12. Технология производства углеводородов и моторных топлив. ‧‧‧‧‧‧‧53

2. Технологическая часть. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧60

2.1. Технология синтеза метанола ООО «Томет» ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧60

2.3. Теплоэнергетическая схема производства метанол. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧66

2.4. Хранение метанола. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧67

2.5. Система топливного газа. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧68

2.6. Система факельной установки. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧68

2.7. Особенности реакторов и технологий синтеза метанола. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧69

3. Расчётная часть. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧70

3.1. Материальный баланс вертикального реактора. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧70

3.2. Тепловой баланс процесса. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧74

3.3. Расчёт основных размеров реактора. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧76

Заключение. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧78

Спиcок используемой литературы. ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧80

Введение:

Актуальность. Метанол является важнейшим органическим продуктом, который применяется в различных областях. Его применяют в производстве формальдегида, сложных эфиров, аминов, уксусной кислоты, лекарств, используют в качестве растворителя лаков и красок, служит добавкой к топливам.

Задачи исследования. Данные исследования рассматривают способы произволдства метанола и используемые для этого технологии и то, что они дают нашему миру.

Цели работы. Разобрать инновационные технологии разработки метанола с помощью синтеза Фишера-Тропша посредством конверсии метана.

Сырьевая база процессов переработки. Метод добычи метанола посредством синтеза-газа, во много раз превосходит методы нефтепереработки. Этот метод является экономически выгодным.[1] Особенно, это актуально для нашей страны – России, поскольку Россия занимает первое место по запасам и добыче природного газа и газового конденсата. Газохимическая промышленность в ближайшие десять лет получит широкое развитие. Ещё причинами такого активного толчка в развитии газохимии послужили ограниченные запасы нефти, отдалённость нефтяных залежей от потребителей и трудности добычи нефти с больших глубин. Для этого нужны более ресурсозатратные технологии.

Условия процессов переработки и их химизм. Развитие химической промышленности вышло на новый уровень благодаря производству продуктов органического синтеза (мономеры и исходные вещества для полимерны материалов, синтетические поверхностно-активные и моющие вещества, синтетическое топливо и смазочные масла с добавками к ним и другие) на основе использования природного газа и газокоденсатов, углеводородов, получаемых при добыче и переработке нефти, угл, сланцев.

Основные направления химической переработки углеводородных газов и газового конденсата:

Рисунок 1. Синтезы на основе метана и синтез-газа.

Существует разнообразие газовых кондесатов, которые участвуют в процессе газового синтеза, которые различны по своему фрикционному составу. Большинство из них имеют температуру кипения 150 – 190 ˚С, а в некоторых случаях 300˚С. По содержанию соответствующих углеводородов конденсаты бывают: метановые, нафтеновые и ароматические.

Так как использование газовых ресурсов крупны удалённых месторождений, особенно низконапорных мксторождений, дальнейшая разработка которых с учётом последующей транспортировки по газопроводу оказался низкорентабельным, был найден способ решения этой проблемы, заключающийся в химической переработки углеводородных газов в жидкие продукты (метанол, высшие спирты, углеводороды, топлива), которые направляют потребителям.[2]

 

Заключение:

В данной Выпускной Квалификационной Работе были изучены основные технологии производства производства метанола с помощью синтеза-газа из природного газа, а именно технология синтеза-газа Фишера-Тропша и технология «Томет». Были рассмотрены их особенности и преимущества перед технологиями предыдущих поколений, ведь эти технологии являются новшествами на рынке газовой и химической промышленности. Технологии синтеза-газа из переработки природного газа являются не только экономически выгодными, но и наиболее щедящими для окружающей среды.

На основании изученного материала и технических расчётов были сделаны следующие выводы:

1. Изучены процессы происходящие при производству метанола посредством синтеза-газа, кинетика и каталитические системы. Судя по особенностям этих процессовстало ясно, что иехнологии получения метанола из синтеза-газа чувствительна к повышению температуры в реакцинной массе, из-за чего возможно появления побочных продуктов повышается;

2. Рассмотрены две действенные и продуктивные технологии с их технлогическими схемами: технология синтеза-газа Фишера-Тропша и технология «Томет»;

3. Рассмотрены промышленные продукты, извлекаемые синтезом-газом;

4. Предложен способ оптимизации технологии синтеза метанола, путём его осуществления в две стадии;

5. Предложено осуществление процесса синтеза метанола в двуходновременно работающих реакторах: основном – горизонтальном и дополнительном – вертикальном трубчатом. У трубчатой конструкции есть свои преимущества, одним из главным является изометричность реакционной массы по всему объёму трубы благодаря улучшенному теплообмену. В дальнейшем это снизит потери катализатора от коксообразования, а также энергозатрат на процесс;

6. В представленной работе были осуществлены расчёты материального и теплового балансов процесса синтеза метанола проектируемой установки. Были определены размеры предлагаемого в работе вертикального трубчатого реактора. Высота реакционной зоны аппарата составляет 1,8 м, диаметр 1,7 м. Число труб 182. Объём загруженного катализатора 4 м3;

7. Предложенное в работе решение позволит увеличить производительность установки по метанолу на 1130 т/год.

 

Фрагмент текста работы:

1. Основная часть.

1.1. Технология производства метанола.

Производство метанола в мире в начале ⅩⅩⅠ в. Составило около 40 млн. т. в год.

Синтез-газа для производства метанола на низкотемпературном медьсодержащим катализаторе должен быть очищен от каталитических газов (сера, хлор). А также содержащие серы в газе не должно превышать 0,15 мг/м3.

Рисунок 2. Схема синтеза метанола под давлением 9 МПа.

Изначально газ, находящийся под давлением 1,2 – 2,2 МПа, сжимается компрессором 1 до давления 9 МПа, проходит холодильник 2 и поступает в сепаратор 3, где отделяется конденсат от газовой фазы. Далее синтез-газ смешивается с циркуляционным газом, дожимается до заданного давления компрессором 4 и, пройдя рекуперационный теплообменник 6, поступает в паровой подогреватель 5. Газовая смесь (изначального и циркуляционного газов), нагретая до 205 – 225 ℃, направляется в шахтный реактор синтеза 7. Поддержание температуры на слоях катализатора в реакторе осуществляется вводом холодного синтез-газа.

Теплота прореагировавшего газа, используется в рекуперационных теплообменниках 6. Затем газ направляется в газвыц холодильник 9. Сконденсировавшиеся метанол, вода и другие подсобные продукты после холодильника 10 отделяются в сепараторе 11. Циркуляционный газ из сепаратора возвращается на всасывающую линию циркуляционного компрессора 4, а метанол-сыреу из сборника 13 направляется на ректификацию.

Сырой метанол подвергают дистилляции на двух колоннах соединённых последовательно. Первая колонна служит для отгонки низкокипящих примесей (диметиловый эфир, метил-формиат), а вторая – для удаления примесей с температурой кипения выше, чем у метанола (вода, углеводороды, высшие спирты).[2]