1.2.6. Реакторы синтеза метанола

Одним из самых ценных продуктов производства на базе метана является метанол, который получают как при сравнительно низком давлении, так и в колоннах синтеза высокого давления с использованием различных катализаторов.

Ценность метанола заключается в том, что он не только используется в производствах синтетических каучуков, уксусной кислоты, поливинилового спирта и т.д., а также в производстве нового экологически чистого дизельного топлива (диметилэфира) и в перспективе производства высокооктанового бензина. В связи с исчерпанием мировых запасов нефти, но сравнительно большими запасами газа ценность метанола как топливного сырья возрастает.

Синтез метанола основан на обратимых реакциях, описываемых уравнениями:

СО₂ + 2Н₂ ↔ СН₃ОН + q ∆ Н = - 90,8 КДж

СО₂ + 3Н₂ ↔ СН₃ОН + Н₂О + q ∆ Н = - 90,8 КДж

Реакции протекают с большим экзотермическим эффектом и уменьшением объема. Поэтому для увеличения выхода метанола, т.е. повышения степени превращения синтез-газа, необходимо проведение реакций при низких температурах и высоких давлениях.

В учебнике по курсу «Общая химическая технология» [5] наглядно показано, что выход метанола возрастает от 10 % до 90 % с повышением давления с 5 МПа до 50 МПа при температуре в реакторе 300⁰С. С повышением температуры до 350⁰С при давлении 5 МПа процесс вообще не идет вследствие использования медь-содержащих катализаторов, а при давлении 50 МПа и температуре 350⁰С выход метанола составляет только 66 %.

Поэтому в данных реакторах теплосъему и поддержанию постоянного температурного режима уделяется большое внимание.

В этой связи не случайно, а именно с целью поддержания постоянного температурного режима реакторы высокого давления, как в нашей стране, так и за рубежом имеют несколько слоев катализатора и встроенные теплообменные устройства, определяющие конструктивное оформление реактора.

Рис. 1.29. Колонна синтеза метанола:

1 – трубки кожухотрубчатого теплообменника; 2 – ввод холодного синтез-газа; 3 – центральная колонна; 4 – пять слоев катализатора; 5 – распределитель газа; 6 – корпус катализаторной коробки; 7 – крышка; 8 – корпус реактора; 9 – вывод продуктов реакции.

На рис.1.29 представлена типовая колонна синтеза метанола высокого давления, имеющая пять слоев катализатора и встроенный кожухотрубчатый теплообменник. Давление в колонне 32 МПа. Реактор работает следующим образом. Сжатый до 32 МПа «свежий» синтез-газ после очистки в фильтрах смешивается с циркуляционным синтез-газом и, пройдя кольцевой зазор между катализаторной коробкой 6 и корпусом колонны 8, поступает в межтрубное пространство теплообменника 1, расположенного в нижней части колонны.

В теплообменнике 1 газ нагревается до 300 – 310⁰С и по центральной трубе, в которой размещен электронагреватель 3, поступает в верхнюю часть колонны в распределитель 5, откуда последовательно проходит пять слоев цинк-хромового катализатора 4.

После каждого слоя катализатора, кроме последнего, в колонну вводят определенное количество холодного синтез-газа 2 для поддержания заданной температуры. После пятого слоя катализатора газ направляется в трубки теплообменника 1, где охлаждается с 300÷385⁰С до 130⁰С и выводится из колонны в холодильник-конденсатор для отделения метанола-сырца.

Электроподогреватель 3 включается только в пусковой период колонны. Для сравнения на рис. 1.30 изображена колонна синтеза метанола при «среднем» давлении 5 МПа.

Рис. 1.30. Колонна синтеза метанола при среднем давлении:

1 – фарфоровые шары; 2 – катализатор; 3 – штуцер вывода продуктов реакции.

Сжатый до 5 МПа синтез-газ предварительно подогревается в выносных теплообменниках до температуры 280÷290⁰С и направляется в колонну синтеза, в данном случае шахтного типа.

Температурный режим в катализаторе реактора шахтного типа регулируется подачей холодного синтез-газа (холодный байпас) в специальные распределительные устройства, размещенные с определенным шагом по высоте катализатора.

В другом типе реактора синтеза метанола при «среднем» давлении катализатор находится в трубках, охлаждаемых кипящей водой. Температуру катализатора поддерживают постоянной по всей высоте трубки регуляторами давления охлаждающей воды. При этом перегрев катализатора исключен.

Диаметр таких трубчатых реакторов достигает 6000 мм при длине трубок 8÷16 м.

К недостаткам реакторов «среднего» давления относится низкая степень превращения реакционных газов в метанол.

51