Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза

..pdf
Скачиваний:
26
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
21.45 Mб
Скачать

Глава 10. Технология произвоаства метанола

361

Рис. 10.3. Технологическая схема получения метанола с выносным холодильником:

1,2 — фильтры: 3 — ком прессор; 4 — реактор; 5 - кожухотрубны й теплообменник; 6 — электроподогреватель; 7 — конденсатор; 8 , 9 —сепараторы ; 10 — сборник; I — и сх о д н ы й газ; II — м ет а н о л -сы р ец ; III — о тдув оч н ы е газы ; I V — газы; V — вода

Реакторная парогазовая смесь после охлаждения в теплооб­ меннике 5 до температуры 120—140 °С поступает в холодильникконденсатор 7, где она охлаждается до температуры 30—40°С. Из охлажденной парогазовой смеси конденсируется часть компонен­ тов. Газожидкостная смесь далее поступает в сепаратор 8, где ос­ новная часть жидкости отделяется от газа. Оставшаяся часть жид­ кости отделяется от газа в сепараторе 9. Конденсат из сепараторов 8 и 9 собирается в сборнике 10, из которого отводятся также раство­ ренные газы. Несконденсированные газы вновь компрессором 3 на­ правляются в реактор 4. Часть этих газов (III) выводится из систе­ мы, чтобы в ней не накапливались инертные газы. Основной недостаток этой схемы заключается в том, что в ней плохо исполь­ зуется тепло реакции и потоков.

Схема синтеза метанола в реакторе колонного типа приведена на рис. 10.4. В этом случае в реакторе предусмотрено совмещение, а именно, катализатор, теплообменник и электроподогреватель на­ ходятся в одной упаковке. При этом циркулирующий газ обдувает корпус колонны и поступает в теплообменник, расположенный в нижней части колонны. Электронагреватель вмонтирован в цент­ ральную трубку насадки колонны. Заданный температурный режим поддерживается с помощью холодного газа. Однако отвод тепла мо­ жет осуществляться и посторонним теплоносителем с получением водяного пара в котле-утилизаторе. Такой вариант более предпо­ чтителен с точки зрения создания безотходных производств.

362

Часть 2. Технология крупнотоннажных произвоаств ...

Рис. 10.4. Технологическая схема синтеза метанола в реакторе колонного типа:

1 ,2 — фильтры; 3 — реактор; 4 — конденсатор; 5, 6 — сепараторы; 7 — компрессор; 8 — сборник; I — исходны й газ; II — метанол-сырец; III — отдувочные газы; IV — га­ зы; V - пар.

Рис. 10.5. Технологическая схема синтеза метанола с использованием котла-утилизатора:

1,9 — компрессор; 2 — реактор; 3, 5 — рекуперационны е теплообм енники; 4 — ко­ тел-утилизатор; 6 — воздуш ны й холодильник; 7 — сепаратор; 8 — сборник; I — ис­ ходны й газ; II — метанол — сырец; III — отдувочные газы; IV — газы; V — пар

Вкрупных агрегатах синтеза метанола температуру в слое ка­ тализатора обычно регулируют посторонним теплоносителем.

Вэтом случае можно использовать большое количество низкопо­ тенциального тепла, установив теплообменники (котлы-ути­ лизаторы) между газовым теплообменником колонны и конден­ сатором. Примером такого решения является технология фирмы BASF (ФРГ), схема которой представлена на рис. 10.5. В ней ис­ пользуются единичные агрегаты мощностью до 240 тыс. т в год, а в качестве сырья —легкий бензин. В данную технологическую схему введен котел-утилизатор для получения пара за счет тепла реак­ торных газов, выходящих из реактора 2 после теплообменника 3. Следовательно, газ проходит три ступени теплообмена и поступает

ввоздушные холодильники-конденсаторы 6.

Впоследнее время широкое распространение получила тех­ нология, базирующаяся на низкотемпературных катализаторах

иосуществляемая при пониженных давлениях (5—10 МПа). Общие подходы к созданию технологии в этом случае в целом сохраняют­ ся. Технология является компактной и высокоэффективной (рис. 10.6). Особенностью является необходимость тщательной очи­ стки исходного газа от каталитических ядов (серы, хлора и др.). Для регулирования соотношения реагирующих компонентов в синтезгаз добавляется в необходимых количествах газ с высоким содер­

жанием водорода. Данную технологию можно использовать для

Глава 10. Технология произвоаства метанола

363

Рис. 10.6. Технологическая схема производства метанола при низком давлении (с использованием реактора колонного типа):

1,11 - компрессоры ; 2 - фильтр; 3 - сепаратор; 4 - сборник; 5, 6 - воздуш ны е холодильники-конденсаторы ; 7, 8 — теплообменники; 9 — электроподогреватель; 10 — реактор; I — исходный газ; II — метанол-сырец; III — продувные газы; IV — газы

получения метанола и из природного газа, предварительно очис­ тив его от каталитических ядов. Вместе с тем в данном случае сла­ бо реализуется принцип использования энергии потоков. В част­ ности, воздушные холодильники не позволяют использовать тепло охлаждаемых потоков. Оно расходуется на нагрев воздуха.

При использовании в этой схеме трубчатых реакторов об­ легчается не только отвод теплоты реакции, но и за счет этой теп­ лоты получается технологический пар, так как реактор од­ новременно является котлом-утилизатором. Однако такие реакторы большой единичной мощности создавать трудно (рис. 10.7).

Удельный расход природного газа в разных вариантах технологии мало отличается. Основное различие —степень очистки газа. Перевод

Рис. 10.7. Технологическая схема синтеза метанола при низком давлении (с использованием трубчатого реактора):

1,7 — компрессоры ; 2 — теплообм ен ­

ник; 3 - реактор;

4 -

паросборник;

5 — холодильник;

6 -

газосепаратор;

I — исходный газ; II — метанол-сырец;

III — п р о д у в н ы е

газы ; IV — вода;

V - пар

 

 

364

Часть 2. Технология крупнотоннажных произвоаств ...

производства метанола на низкотемпературные катализаторы позво­ лил снизить давление в 4—8 раз. Однако при этом значительно увели­ чивается объем реактора. Экономически целесообразно комбиниро­ вать производство метанола с другими производствами, например производством аммиака. При переходе к теплоэнергетическим схе­ мам себестоимость метанола-ректификата снижается в 1,5 раза. С уве­ личением единичной мощности агрегатов от 40 до 750 тыс. т в год се­ бестоимость метанола-ректификата снижается на 38,2 %. Приведенные затраты в разных схемах отличаются в пределах 30 %. Одним из путей повышения технико-экономических показателей производств мета­ нола большой единичной мощности может быть создание техноло­ гии с использованием высокотемпературной конверсии метана при давлении 5—15 МПа на низкотемпературных катализаторах.

В метаноле-сырце главными примесями являются диметиловый эфир и вода, в целом же в нем обнаружено около 50 органических кислородсодержащих соединений разных классов. Общее содержа­ ние микропримесей обычно меньше 1 % (мае.) в основном это спир­ ты С2—С6 К метанолу-ректификату предъявляются высокие регла­ ментируемые требования.

В н е ш н и й в и д

П л о тн о с ть А 20 И н т е р в а л те м п е р а т у р :

ки п е н и я , ° С

пе р е го н к и п р о д у к т а , ° С

Ис п ы т а н и е с К М п О я

(п е р м а н га н а т н а я п р о б а ), м и н С о д е р ж а н и е , % (м а е .);

в о д ы с в о б о д н ы х к и с л о т (в п е р е с ч е т е

н а м у р а в ь и н у ю к и с л о т у )

а л ь д е ги д о в и к е то н о в (в п е р е с ч е т е н а а ц е т о н )

т о ж е (н а ф о р м а л ь д е ги д )

л е т у ч и х с о е д и н е н и й ж е л е з а (в п е р е с ч е т е н а ж е л е з о )

а м м и а к а и а м и н о с о е д и н е н и й (в п е р е с ч е т е н а а м м и а к )

х л о р а

се р ы

не л е т у ч е го о с т а т к а

эт а н о л а

У д е л ь н а я э л е к т р и ч е с к а я п р о в о д и м о с ть , О м -’ с м -1

С м е ш и в а е м о с т ь с в о д о й

Высший сорт Первый сорт

Б е с ц в е т н а я п р о з р а ч н а я ж и д к о с ть б е з в з в е с е й

0 ,7 9 1 —

0 ,7 9 2

6 4 ,0

-

6 5 ,5

< 0 ,8

 

< 1 ,0

> 6 0

 

> 3 0

< 0 ,0 5

 

< 0 ,0 8

< 0 ,0 0 1 5

 

< 0 ,0 0 1 5

< 0 ,0 0 3

 

< 0 ,0 0 8

Н е н о р м и р у е тс я

 

< 0 ,0 0 5

< 0 ,0 0 0 0 1

 

< 0 ,0 0 0 5

< 0 ,0 0 0 0 1

 

Н е н о р м и р у е тс я

< 0 ,0 0 0 0 1

Д о л ж е н в ы д е р ж и в а ть

< 0 ,0 0 0 0 1

к а ч е с тв е н н ы й а н а л и з

< 0 ,0 0 1

 

0 ,0 0 2

$ 0 ,0 1

 

Н е н о р м и р у е тс я

< 3 - 1 0 - 7

 

Н е н о р м и р у е тс я

С м е ш и в а е т с я с в о д о й б е з с л е д о в п о м у тн е н и я и о п а л е с ц е н ц и и

Глава 10. Технология произволства метанола

365

Исходя из этих требований разрабатывается технология разде­ ления метанола-сырца. В Ней используется не только ректифика­ ция, но и химическая доочистка метанола от непредельных соеди­ нений и даже адсорбция. Наиболее распространенной является че­ тырехколонная технологическая схема ректификации метаноласырца (рис. 10.8). В метаноле-сырце содержится от 2 до 6 % (мае.) диметилового эфира, поэтому последний может быть выделен как товарный продукт. Сам диметиловый эфир в настоящее время ис­ пользуется только в парфюмерной промышленности как замени­ тель азоноразрушающих фреонов в аэрозольных упаковках. Одна­ ко в 1995 г. группа известных нефтеперерабатывающих и газопере­ рабатывающих компаний Amoco Со., Haldor Topsoe A/S, AVL Powertrain Engineering, Inc., Navistar International Transportation Со. на

Рис. 10.8. Технологическая схема ректификации метанола-сырца:

1—5 — ректификационны е колонны; I — метанол-сырец; II — раствор щелочи; III — диметиловы й эфир; IV — в о д а ; V — промежуточная фракция; VI — КМпОА; V II - метанол-рекгификат; V III - кубовый остаток; IX - спирты

366

Часть 2. Технология крупнотоннажных производств ...

международном конгрессе и выставке в Детройте анонсировала новое экологически чистое дизельное топливо —диметиловый эфир. Уже в 1996 г. диметиловый эфир упоминался в зарубежной печати не иначе, как дизельное топливо XXI века. Использова­ ние его в дизельных двигателях приводит к понижению эмиссии оксидов азота NOx, практически безсажевому горению и сниже­ нию шума двигателя.

Всоответствии с современными разработками получение диметилового эфира реализуется в реакционных аппаратах близких по конструкционному оформлению к аппаратам синтеза метанола,

сиспользованием модифицированных каталитических систем. Практически существующая технология получения метанола может быть переориентирована на целевое производство диметилового эфира. Так же как и при производстве метанола основным факто­ ром, ограничивающим конверсию исходного сырья за один проход, является высокий тепловой эффект реакции. Существенным обра­ зом должны отличаться подсистемы выделения продуктов из цир­ куляционных газов, поскольку метанол и вода могут быть достаточно просто отделены от газов конденсацией. В случае ориентации про­ цесса на получение диметилового эфира это может оказаться затруд­ нительным из-за высокой летучести последнего и большого разбав­ ления конденсируемых продуктов инертными газами.

Вметаноле-сырце содержатся также кислоты, поэтому предва­ рительно его обрабатывают 7-8 %-ным раствором ЫаОНцдя нейт­ рализации органических кислот.

Диметиловый эфир выделяется в колонне 1, имеющей 40 таре­ лок, в качестве дистиллята. Метанол-сырец в колонну 1 подается на 13"—17-ю тарелку. Процесс выделения диметилового эфира ве­ дется под давлением 0,7—1,2 МПа (такое давление определяется температурой конденсации эфира и возможностью использования оборотной воды для этой цели). Флегмовое число в колонне 1 ко­ леблется от бдо 8. Одновременно с эфиром в этой колонне отделя­ ются растворенные газы и частично пентакарбонил железа. В ко­ лонне 2 происходит отделение компонентов или азеотропных смесей, имеющих температуры кипения ниже, чем метанол, и

вколонну 2, имеющую 65 тарелок, исходная смесь подается на 39 тарелку. Для того чтобы легче отделить примеси в виде азеотропов

сводой, исходная смесь подается в верхнюю часть колонны 2 (на 61 тарелку). В виде дистиллята отгоняется так называемый «предгон» в количестве 0,40—0,85 % (мае.) от питания колонны.

Глава 10. Технология произвоаства метанола

367

Кубовая жидкость колонны 2 перед подачей в следующую ко­ лонну предварительно обрабатывается водным раствором перман­ ганата калия для окисления легкоокисляемых примесей. После это­ го смесь подается на 19—20-ю тарелку колонны 3, которая имеет

75 тарелок. Метанол-ректификат отбирается несколько ниже,

аверхний поток, содержащий легколетучие примеси, направляет­ ся на перманганатную обработку, так как кроме метанола содер­ жит непредельные углеводороды. В нижней части колонны 3 (на 5—10 тарелках) скапливаются спирты С2—С6, поэтому с одной из тарелок отбирается фракция, которая подается в колонну 4. Из куба колонны 3 отводятся тяжелокипящие примеси. В колонне 4 про­ исходит отделение метанола-ректификата в виде верхнего продук­ та. Общее число тарелок в колонне 4 —65, флегмовое число —4—6, исходная смесь подается на 20 тарелку. Кроме того, с тарелок 7—10 отбирается гетерогенная смесь, состоящая в основном из воды и спиртов С2—С6. Эта смесь разделяется в сосуде 5: верхний слой (преимущественно спирты С2—С6) выводится из сосуда, а ниж­ ний (водный слой) возвращается в колонну 4 примерно на 19 та­ релку. Из куба колонны 4, так же как и из колонны 3, выводятся тяжелокипящие примеси.

ПРИНЦИПЫ В ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАНОЛА

Процесс имеет одну химическую стадию, в качестве исходного сырья используется доступное и дешевое сырье —синтез-газ, обла­ дает достаточно высокой эффективностью (выход метанола 85—87 % от стехиометрического). Высокая конверсия за один проход не мо­ жет быть достигнута из-за термодинамических ограничений и вы­ сокого теплового эффекта реакции. Практически конверсия СО за один проход составляет 15-20 %.

Обеспечение высокой суммарной конверсии достигается за счет

рециркуляции исходных компонентов в непрерывном процессе. От пра­ вильно выбранной величины рецикла зависят качество получаемого метанола, а также энергетические и капитальные затраты, так как процесс проводится при высоких давлениях и температурах. Одно­ временно рецикловые потоки служат и промежуточными хладаген­ тами. Высокие температура и тепловой эффект позволяют прибли­ зить процесс к энерготехнологическим и, использовав практически полностью энергию системы, реализовать его не только как процесс

368

Часть 2. Технология крупнотоннажных произвоаств ...

с низким энергопотреблением, но и как процесс, обеспечивающий выработку энергии. Отсутствие в технологическом решении про­ мывных абсорберов и использование воды только в замкнутом цик­ ле обеспечивает минимальный ее расход. Интенсивно применяется энергия отходящих потоков высокого давления (газы сдувки рецик­ ла). На этой линии целесообразно устанавливать турбодетандеры или использовать энергию газов для привода компрессоров. Зна­ чительно экономят энергию паровые турбокомпрессоры для цир­ куляции газа и отказ от компрессии исходного синтез-газа за счет его получения и очистки при давлении, необходимом для синтеза метанола. Наконец, процесс производства метанола является наи­ более выраженным примером реализации технологий и аппаратов большой единичной мощности. Применяются аппараты и технологи­ ческие линии большой единичной мощности (уже действуют до 2,6 млн т/год, проектируются до 30 млн т/год).

Таким образом, в существующих технологических установках по производству метанола из СО, С02 и Н2уже реализованы мно­ гие принципы создания безотходных производств.

Глава 11. П роизводство кислородсодержащих

ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

МЕТОДОМ ОКСОСИНТЕЗА

ВТеоретические основы процесса оксосинтеза.

ВТехнологическое оформление процесса.

ВПринципы в технологии оксосинтеза.

Вотрасли основного органического и нефтехимического синте­ за мировое производство кислородсодержащих соединений дости­ гает нескольких миллионов тонн в год. Большую роль в производ­ стве этих продуктов в последние четыре десятилетия играет процесс оксосинтеза. Он основан на реакции взаимодействия ненасыщен­ ных углеводородов, в частности, олефинов с оксидом углерода

иводородом с образованием альдегидов, имеющих на один атом углерода больше, чем в исходном олефине:

11.1

В 1929 г. Д. Смитом было обнаружено при изучении реакции Фишера—Тропша, что добавка этилена к смеси СОи Нгувеличивает выход кислородсодержащих соединений. Реакция гидроформилирования была открыта О. Роеленом в 1938 г. Первая же в мире про­ мышленная установка по оксосинтезу была пущена в 1952 г. Бур­ ное промышленное развитие этот процесс получил в 1960-е годы. Уже к концу 1963 г. мировое производство продуктов оксосинтеза составило 540—560 тыс. т/год, а к 1974 г. мощности установок воз­ росли почти до 5 млн т/год. В СССР промышленное производство было организовано в 1965 г., а уже к 1975 г. их производство воз­ росло в 1,6 раза и в последующие годы непрерывно наращивалось. Большой вклад в создание технологии оксосинтеза в нашей стране внесли сотрудники ВНИИНефтехима под руководством Д. М. Рудковского.

Основными промышленными продуктами, вырабатываемыми по этому методу, являются бутанолы и масляные альдегиды, из ко-

370

Часть 2. Технология крупнотоннажных произвоаств ...

торых получают 2-этилгексанол (более 1,5 млн т/год; он применя­ ется для получения пластификаторов), высшие алифатические спирты —изооктиловый, нониловый, изодециловый, тридециловый, а также смеси спиртов С7- С 8и С6- С 10 (1,3—1,4 млн т/год; по­ следние используются для получения поверхностно-активных ве­ ществ, синтетических мсющих средств, эмульгаторов, присадок к маслам, парфюмерных препаратов и т.д.). Причем такие поверх­ ностно-активные вещества (алкилсульфаты и этоксилаты) быстро разлагаются биохимически в сточных водах. Кроме того, методом оксосинтеза получают пропионовый альдегид (из этилена

исинтез-газа), который широко используется для производства н-пропилового спирта, пропионовой кислоты и других продуктов органического синтеза.

Таким образом, процесс оксосинтеза в настоящее время стал основным методом получения кислородсодержащих соединений (альдегиды, спирты, кислоты, эфиры и др.). Быстрые темпы роста выпуска продуктов оксосинтеза обусловлены следующими основ­ ными факторами:

универсальностью (при одинаковой организации процесса можно получать различные альдегиды или спирты с длиной

углеводородной цепи от С3 до CIg);

фдоступностью сырья (наряду с синтез-газом можно использо­ вать этилен, пропилен, бутилен, димеры, тримеры и тетраме­ ры пропилена, а-олеф ины , сополимеры пропилена и бутиле­ на и др.); технико-экономические показатели процесса более благопри­

ятны, чем при использовании других методов производства аналогичных продуктов.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ОКСОСИНТЕЗА

Промышленный процесс оксосинтеза, как правило, включает пять основных технологических стадий:

ОП олуч ен и е активной ф ормы катализатора. В случае к о ­ бальтовых катализаторов — кобальтизация — образование ката­ лизатора (карбонила кобальта) из металлического кобальта или его солей.

©Гидроформилирование — взаимодействие ненасыщенных угле­ водородов (например, олефинов) с С О и Я ,.

Соседние файлы в папке книги