Сетевое издание

Международный студенческий научный вестник

ISSN 2409-529X

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

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.

Статья в формате PDF

178 KB

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, V_кат– 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/pT_0,

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.

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.

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