Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАНОЛА

Сергеева Ю.Е. 1
1 Муромский институт (филиал) Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых
Аннотация: дана характеристика процесса получения метанола из окиси углерода и водорода, произведена характеристика целевого продукта - метанола. Охарактеризовано исходное сырье - оксид углерода и водород. Производство метанола может базироваться на тех же сырьевых ресурсах, что и производство аммиака. Использование исходного сырья для синтеза метанола определяется его запасами и себестоимостью. Рассмотрен и описан технологический процесс получения метанола. Основным технологическим оборудованием является теплообменник и колонна синтеза. Производительность колонны синтеза метанола в большой степени зависит от конструкции насадки. Теплоносителем в теплообменнике могут выступать как жидкие, так и газообразные вещества. Произведен практический расчет материального и теплового баланса производства. Процесс синтеза метанола характеризуется основной и множеством и побочных реакций. Рассчитаны количества прихода и расхода веществ производства метанола, а также теплоемкости смеси при данных температурах, количество газовой смеси на входе и выходе. Результаты расчетов представлены в таблицах. Изучены вопросы охраны труда и окружающей среды. Производство метанола является крайне опасным как для окружающей природной среды, так и для работающих на производстве и обслуживающих технологический процесс.
производство метанола
оксид углерода
водород
тепловой и материальный расчет.
1. Ермолаева В.А. Оценка безопасности технологического процесса окраски металлоконструкций, Технологии техносферной безопасности, выпуск № 4 (68), 2016. http://ipb.mos.ru/ttb/2016-4/2016-4.html
2. Ермолаева В. А. Экологические аспекты технологического процесса предварительной обработки металла, Вестник Тамбовского государственного университета, Серия Естественные и технические науки, т. 19, вып. 5 (октябрь), 2014. - с. 1413-1416
3. Производство метанола [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://vector-study.ru/store/pdf.
4. Мухленов И.П. и др. Общая химическая технология. Портал научно-технической информации [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://nglib.ru/annotation.jsp?book=014935
5. Характеристика целевого продукта [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://xreferat.com/108/858-1-proizvodstvo-metanola.

Введение

Вопросы экологической и технологической безопасности различных производств в настоящее время активно обсуждаются [1,2]. Производство метанола является крайне опасным как для окружающей природной среды, так и для работающих на производстве и обслуживающих технологический процесс. Метанол является одним из важнейших многотоннажных продуктов, отпускаемых современной химической промышленностью. Он широко применяется для получения пластических масс, синтетических волокон, синтетического каучука, в качестве растворителя. Одним из способов получения метанола является синтез из оксида углерода (II) и водорода. Процесс выполняется под давлением и увеличенной температурой в специальном аппарате – колонне синтеза метанола. Цель работы заключается в изучении производства метанола. При исследовании производства необходимо охарактеризовать целевой продукт, исходное сырье, рассмотреть и описать технологический процесс получения метанола из оксида углерода и водорода, описать основное технологическое оборудование, рассчитать тепловой и материальный балансы, изучить вопросы охраны труда и окружающей среды.

Характеристика исходного сырья и целевого продукта

Данная работа посвящена изучению производства метанола из оксида углерода и водорода. Дана характеристика процесса производства метанола. Произведена характеристика целевого продукта.

Метанол СН3ОН – это простейший представитель предельных спиртов с одной гидроксогруппой. В свободном со­стоянии в природе не распространен, содержится в виде производных в растительных маслах, природных красителях. Представляет собой при нормальных условиях бесцветную, легколетучую, горючую жидкость, иногда с запахом, напоминающий запах этилового спирта. Метанол на организм человека действует опьяняющим образом и яв­ляется сильным ядом, вызывающим потерю зрения и, в зависимо­сти от дозы, смерть.

Охарактеризовано исходное сырье. Исходным сырьем является оксид углерода и водород. Оксид углерода (II) представляет собой бесцветный газ без вкуса и запаха. Водород - это самый простой, самый лёгкий, самый распространённый элемент. На его долю приходится около 88,6 % всех атомов. Молекулы водорода достаточно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия.

Рассмотрено и описано основное технологическое оборудование, и технологический процесс производства метанола из оксида углерода (II) и водорода [3].

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 того или иного вида сырья для синтеза метанола определяется рядом факторов, но прежде всего его запасами и себестоимостью в выбранной точке строительства. Процесс синтеза метанола характеризуется следующими основными реакциями:

СО + 2Н2 = СН3ОН + Q (1)

СО + 3Н2 = СН4 + Н2О (2)

2СО + 2Н2 = СН4 + СО2 (3)

2СО = СО2+ С (4)

СО + Н2 = НСНО (5)

2СН3ОН = (СН3)2О + Н2О (6)

СН3ОН + Н2 = СН4 + Н2О (7)

Технологический процесс и оборудование

Рассмотрен и описан технологический процесс получения метанола. Основное технологическое оборудование производства метилового спирта из окиси углерода и водорода: колонна синтеза и теплообменник. Колонны обычно изготавливают из высоколегированной стали, хорошо сопротивляющейся коррозионному действию Н2 и СО, или из низколегированных конструкционных сталей с футеровкой стенок медью или ее сплавами. Производительность колонны синтеза метанола в большой степени зависит от конструкции насадки. Теплообменником называют специальное устройство для передачи тепловой энергии от теплого носителя к холодному. Теплоносителем может выступать как жидкая субстанция, так и газообразная [4]. Процесс теплообмена важен в таких отраслях промышленности как химическая, энергетическая, металлургическая, пищевая и другие. Теплообменное устройство, способствует передаче энергии от одного носителя к другому через разделительную стенку между ними. Это очень сложный процесс, разделяющийся по принятым канонам на такие виды теплообмена: конвекцию, тепловое излучение и теплопроводность. Эти процессы протекают одновременно в определенных пропорциях. Наибольшую важность для теплообменника имеет конвективный теплообмен, т.е совместное действие конвекции с теплопроводностью.

Расчет материального и теплового баланса

В ходе работы произвели практический расчет материального баланса. По следующим исходным данным: рабочий объем катализатора, Vкат– 22м3, расход окиси углерода и метанола на побочные продукты: СО: реакция 2 – 3,6 , реакция 3 – 3,9 , реакция 4 – 2,3, реакция 5 – 0,5. СН3О: реакция 6 – 1,7, реакция 7 – 0,3, температура, Т = 641 К, давление, Р = 34,5 МПа, объемная скорость 26,6•103 нм, мольное соотношение Н2 : СО = 6,2 : 1. Рассчитали количества прихода и расхода веществ производства метанола.

Рассчитывался объем газа для проведения процесса в условиях колонны синтеза по формуле:

V = p0V0T/pT0,

где р, V –давление, объем при данной температуре Т; р0, V0 – давление и объем при нормальных условиях.

Объем синтез - газа рассчитывали, учитывая объём катализатора. Рассчитывали количество молей и массовый расход исходного угарного газа и водорода на целевую и побочные реакции.

Примеры расчетов:

Образующийся объем газа в условиях реактора:

м

Количество молей водорода и оксида углерода содержится:

Количество молей Н2:

моль/ч

Количество молей СО:

моль/ч

Массовый расход Н2:

m (H2) = 22,49 · 106 · 2 = 44,98 · 106 г/ч = 44,98 · 103 кг/ч

Массовый расход СО:

m (CO) = 3,63 · 106 · 28 = 101 · 106 г/ч = 101 · 103 кг/ч

Расход водорода по реакции (1):

=12942кг/ч

Расход водорода по реакции (2):

=779,1кг/ч

Получено метана по реакции (2):

Получено воды по реакции (2):

Аналогичные расчеты проведены по реакциям 3,4,5,6,7.

Всего образовалось:

∑ СО2= 3094,4+1825,2=4920,1

∑ Н2О = 2337,4+ 174,7+495,045= 3007,145

∑ СН4= 155,3+1125,4+2077,7= 3358,4

Данные расчета материального баланса производства представлены в сводной таблице.

 

Таблица 1 – Материальный баланс по метанолу.

Приход

кг/ч

т/сут

Расход

кг/ч

т/сут

Синтез - газ, в т. ч.

Н2

СО

 

 

44980

101000

 

 

1079,52

2424

СН3ОН

(СН3)2О

Н2О

СН4

СО2

НСНОС

Н2

101468,2

1265

3007,1

3358,4

4920,1

541,1

497,8

30922

2435,24

30,36

72,17

80,60

118,08

12,99

11,95

742,128

ИТОГО

145980

3503,52

ИТОГО

145980

3503,52

 

Сделан расчет теплового баланса синтеза метанола. Исходными данными служат: количество газовой смеси на входе в реактор синтеза 272,21 м3/с, количество газовой смеси на выходе из реактора синтеза 260,53 м3/с, температура: газовой смеси на входе в реактор, °С – 200; газовой смеси на выходе из реактора, °С - 220; холодной (байпасной) газовой смеси, °С – 35, расход холодного газа составляет 50% от поступающего в реактор газа. Рассчитаны теплоемкости смеси при данных температурах, количество газовой смеси на входе и выходе.

Данные расчета теплового баланса производства представлены в сводной таблице.

Таблица 2 – Тепловой баланс реактора синтеза.

Приход

кВт

%

Расход

кВт

%

Тепловой поток газовой смеси на входе

41827,11

48,0

Тепловой поток газовой смеси на выходе

85103,69

95

Теплота экзотермической реакции

45356,81

52,0

Теплопотери в окружающую среду

2676,77

5

Итого

87483,92

100

Итого

87780,46

100

 

Невязка теплового баланса составляет 0,68%.

Таким образом, в работе исследовали технологический процесс производства метанола, основное технологическое оборудование, рассчитали материальный и тепловой балансы.

Охрана труда и окружающей среды

Изучили охрану труда и окружающей среды. Метанол — сильнейший яд, употребление которого приводит к тяжёлому отравлению, токсический эффект проявляется спустя некоторое время. ПДК метанола в воздухе рабочей зоны и в воздухе населенных мест составляет 1 мг/м³ [5]. Метанол, попавший в организм человека, окисляется до не менее ядовитого формальдегида, который влияет на нервную систему, в частности на ее зрительный отдел, реагирует с белками, что приводит к головной боли, общей слабости, недомоганию, ознобу, тошноте, рвоте. Помимо метанола особенно опасным веществом является используемый оксид углерода, который вызывает необратимые изменения в кровеносной и дыхательной системах. Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха оксидом углерода (II) являются трубчатые печи технологических установок, выбросы которых составляют 50% от объёма общих выбросов; реакторы установок каталитического крекинга (12%); выхлопы газовых компрессоров (14%); битумные установки (8%) и факелы (17%). Водород является взрывоопасным веществом, что также влияет на опасность производства и требует повышенных мер предосторожности при проведении технологического процесса.

К мероприятиям по снижению степени распространения вредных веществ, относят: нейтрализацию, консервацию, захоронение и утилизацию выбросов. При рассмотрении технологических мероприятий по снижению выбросов вредных веществ их принято разбивать на группы в соответствии с тем, выбросы каких веществ они предотвращают.

Для снижения выбросов оксида углерода проводится каталитический дожиг отходящих газов и утилизация больших количеств в котлах – утилизаторах.

Таким образом, в работе исследовали технологический процесс производства метанола, основное технологическое оборудование, рассчитаны материальный и тепловой балансы, рассмотрены вопросы технологической безопасности производства.


Библиографическая ссылка

Сергеева Ю.Е. ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАНОЛА // Международный студенческий научный вестник. – 2018. – № 2. ;
URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=18418 (дата обращения: 04.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074