2. Описание расчетной схемы цикла синтеза метанола

Расчетная схема цикла синтеза метанола представлена на рисунке 1. Свежий газ смешивается с циркуляционным газом, поступающим из циркуляционного компрессора. Далее он направляется в холодную ветвь теплообменника, где нагревается и поступает на вход реактора.

Газ, вышедший из реактора с продуктами реакции, направляется в горячую ветвь теплообменника. Там он охлаждается и поступает в конденсатор-сепаратор, где происходит конденсация и выделение образовавшегося метанола. Далее жидкий метанол дросселируется, метанол - сырец и танковые газы выводятся из цикла.

Газовый поток из конденсатора-сепаратора направляется на всас циркуляционного компрессора, но предварительно от него отбирается продувочный газ.

Кроме того, в расчетной схеме предусмотрена возможность дополнительного охлаждения байпасом после колонны синтеза. Он может потребоваться, если теплообменник выносной и надо снизить температуру газа, покидающего колонну во избежание водородной и карбонильной коррозии материала соответствующего трубопровода. Точка отвода этого байпаса лежит между нагнетанием циркуляционного компрессора и вводом свежего газа.

В некоторых конструкциях колонн синтеза корпус колонны охлаждается отдельным потоком циркуляционного газа, который, пройдя зазор между корпусом и катализаторной коробкой, покидает колонну синтеза. При этом в зависимости от конкретных обстоятельств возможны два решения:

1. охлаждающий поток смешивается с основным или байпасным потоком и попадает внутрь колонны синтеза. В таком случае нет необходимости учитывать этот поток в технологическом расчете.

2. охлаждающий поток не попадает внутрь колонны синтеза, а смешивается с отходящей паро-газовой смесью перед входом в конденсатор. В этом случае необходимо учитывать данный поток в технологическом расчете. Для краткости далее он называется обдувом колонны синтеза. Точка отвода обдува лежит между точками ввода свежего газа и отбора байпасов в колонну синтеза.

Таким образом, возможными способами охлаждения кроме байпасов в колонне синтеза являются: байпас после колонны синтеза и ее обдув.

Рисунок 1 – Технологическая схема производства метанола

1 – компрессор, 2, - масляный фильтр, 3 – циркуляционный компрессор, 5 –теплообменник, 4 – реактор, 6 – холодильник-конденсатор, 7- теплообменник предварительного нагрева, 8 - сепаратор, 9 – емкость для хранения метанола

3. Методика расчета цикла синтеза метанола

Процесс синтеза метанола описывается тремя реакциями:

CO+2H₂=CH₃OH (1)

CO₂+3H₂=CH₃OH+H₂O (2)

CO₂+H₂=CO+H₂O (3)

но независимых реакций из них только две, причем их можно выбирать произвольно. Обычно в качестве независимых берутся реакции 1 и 3. Поэтому синтез метанола характеризуется двумя параметрами, которые также можно выбирать по-разному. Мы приняли в качестве основных паpаметpов:

1. степень превращения CO+CO₂ в свежем газе в метанол, она обозначена – X

2. степень превращения CO₂ в свежем газе в воду, она обозначена - Y.

Зададимся произвольно X и Y и рассмотрим материальный баланс цикла в целом:

• приход - свежий газ;

• расход - конденсат- сырец и продувочный газ.

Если учесть при этом равновесие газ-жидкость в конденсаторе, то можно определить расход и состав конденсата-сырца и продувочного газа. Тем самым найдем и состав циркуляционного газа после конденсатора, что позволяет определить состав и расход циркуляционного газа на входе в реактор. Следовательно, появилась возможность выполнить расчет реактора с учетом кинетики синтеза метанола. Проделав этот расчет, мы заново получаем степень превращения CO+CO₂ в метанол X1 и степень превращения CO₂ в воду Y1. Если при этом окажется, что

X=X1 и Y=Y1 (*)

то расчет цикла синтеза метанола завершен. Таким образом, в общих чертах расчет цикла синтеза заключается в подборе таких значений X и Y, при которых выполняются указанные равенства. В математических терминах расчет заключается в решении двух уравнений (*) с двумя неизвестными X и Y.

Элементарными этапами указанного решения являются расчеты:

• реактора с возможной оптимизацией температуры на входе в него и распределения байпасов между полками;

• конденсатора;

• предварительного теплообменника и т.д.

Отметим, что если зафиксировать степень превращения CO₂ в H₂O, то нельзя произвольно увеличивать степень превращения CO+CO₂ в CH₃OH, т.к. при этом количество непpоpеагиpовавших реагентов может стать отрицательным, т.е. существует предельная степень превращения CO+CO₂ в

CH₃OH. Мы не будем приводить соответствующие формулы, нам достаточно знания самого факта существования предельной степени превращения CO+CO₂ в CH₃OH.