Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Ф едеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа природных ресурсов

Направление подготовки 18.04.01 «Химическая технология»

Образовательная программа «Химическая инженерия»

ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 1

Название работы

Исследование синтеза метанола на моделирующей программе

Вариант

Вариант 18

По дисциплине

Современные химические технологии

Студент

Группа	ФИО	Подпись	Дата
ХИМ54	Чижова Анастасия Васильевна		15.11.2025

Руководитель

Должность	ФИО	Ученая степень, звание	Подпись	Дата
Доцент	Юрьев Е.М.	к.т.н.		15.11.2025

Томск – 2025 г.

Цель работы:

1. Ознакомится с теоретическими основами синтеза метанола.

2. Ознакомиться с технологическими схемами синтеза метанола и конструкцией реакторов.

3. Освоить моделирующую программу, описывающую технологию синтеза метанола.

4. С помощью моделирующей программы провести исследование показателей процесса синтеза метанола от технологических параметров.

Теоретическая часть

1. Основные сведения

Метанол является одним из важнейших продуктов органического синтеза. Он находит широкое применение в качестве растворителя, полупродукта при производстве многих других продуктов (формальдегида, диметилтерефталата, метилметакрилата, метиламина, уксусной кислоты, карбамидных смол, метилтрет-бутилового эфира – эффективного антидетонатора – и др.).

Реакция образования метанола из СО и Н2 является наиболее характерным примером направленного гидрирования монооксида углерода с сохранением связи С–О на типичных оксидных катализаторах.

Процесс производства метанола гидрированием CO относится к числу наиболее отработанных гетерогенно-каталитических процессов. В основе лежит реакция (1).

(1)

Она протекает с выделением тепла и уменьшением объема, поэтому протеканию реакции благоприятствуют низкие температуры и высокие давления. На сегодняшний день 80 % мирового производства метанола ведется при среднем давлении 4–6 МПа на катализаторах CuO–ZnO–Al₂O₃ (Cr₂O₃) при температуре 230–260 °С.

Кроме того, метанол образуется также по экзотермической реакции

(2)

Следовательно, равновесная концентрация метанола в реакционной смеси зависит от температуры, давления и состава газа (соотношения СО и Н₂).

Тепловой эффект реакции взаимодействия оксида углерода и водорода (90,73 кДж) незначительно возрастает с повышением температуры и давления. Кроме этих реакций, при синтезе метанола протекает и эндотермическая обратимая реакция взаимодействия диоксида углерода и водорода:

(3)

2. Переменные параметры

Степень превращения исходных компонентов в метанол за один проход через слой катализатора незначительна, так как реакции (1) и (2) при условиях их проведения в реакторе практически достигают равновесия.

Для типичных условий низкотемпературного синтеза: 5–10 МПа и 220–280 °С — равновесный выход метанола составляет 3,5–5 % мол.

В связи с этим целесообразно проводить синтез с повторной циркуляцией газов через катализатор и с промежуточным выводом воды и метанола из газов циркуляции после каждого прохода их через слой катализатора.

Влияние состава газа.

При соотношении Н₂:СО выше стехиометрического с ростом концентрации диоксида углерода в исходном газе равновесная концентрация метанола и воды повышается.

При стехиометрическом соотношении Н₂:СО рост концентрации диоксида углерода сопровождается снижением равновесного выхода метанола. С повышением давления синтеза при постоянной температуре и увеличении концентрации диоксида углерода в газе равновесные выходы метанола и воды растут более интенсивно.

При увеличении соотношения Н₂:СО концентрация метанола в равновесной газовой смеси проходит через максимум.

Наибольшая концентрация метанола соответствует стехиометрическому соотношению Н₂:СО в исходном газе. С повышением соотношения Н₂:СО степени превращения оксида и диоксида углерода возрастают, причем для последнего более интенсивно.

Концентрация диоксида углерода в равновесной смеси так же, как и концентрация метанола, проходит через максимум. При снижении соотношения Н₂:СО степень превращения оксидов углерода в метанол уменьшается, а степень превращения водорода увеличивается.

При повышении содержания инертных компонентов в исходном газе равновесная концентрация метанола снижается. Это обусловлено тем, что с повышением концентрации инертных компонентов уменьшаются парциальные давления основных реагирующих веществ и, соответственно, их летучести. При увеличении концентрации инертных компонентов в 4 раза равновесные концентрации метанола и воды снижаются соответственно в 2,3 раза и в 1,1 раза.

Влияние температуры.

Исследовано влияние температуры на изменение равновесного состава газа в интервале 180 – 400 °С при различных давлениях. При давлении 4,9 МПа с ростом температуры от 180 до 300 °С равновесная концентрация метанола снижается примерно в 7 раз и наиболее резко при температуре 240°С. В связи с эндотермическим эффектом восстановления диоксида углерода и экзотермическим эффектом реакции синтеза метанола равновесный выход воды при указанных температурах проходит через минимум, а диоксида углерода, напротив – через максимум.

С повышением температуры при 29,4 МПа равновесная концентрация метанола снижается, при этом снижается и степень превращения оксида углерода в метанол и воду. При давлениях 9,8 МПа и 29,4 МПа в условиях низкотемпературного синтеза с повышением температуры равновесная концентрация метанола снижается соответственно в 54 и 6 раз, а воды напротив, увеличивается в 5 и 2 раза. Степень превращения оксидов углерода и водорода с повышением температуры снижается.

Влияние давления.

Повышение давления способствует более глубокой переработке оксидов углерода, особенно СО, что следует непосредственно из стехиометрии реакции. При повышении давления от 4,9 до 49 МПа в интервале температур 200–400°С равновесный выход метанола увеличивается.

Для низкотемпературного синтеза наиболее эффективен диапазон давлений 4,9-19,6 МПа, а для высокотемпературного синтеза (300-400°С) приемлемые равновесные выходы метанола достигаются в диапазоне 20-40 МПа. При дальнейшем росте давления Р>20 МПа (низкотемпературный синтез) и Р>40 МПа (высокотемпературный синтез) равновесная концентрация метанола увеличивается незначительно.

Таким образом, для получения высоких равновесных концентраций метанола и, соответственно, достижения высоких степеней превращения оксидов углерода и водорода предпочтительно поддерживать низкие температуры 200–260 °С, давление в диапазоне 5–30 МПа (низкотемпературный синтез) и в диапазоне 30–40 МПа (высокотемпературный синтез) стехиометрический состав исходного газа Н₂:СО =2.

Рисунок 1 — Зависимость равновесной концентрации метанола от давления и температуры (моделирующий расчет, ТМД-пакет Peng-Robinson, содержание основных компонентов в составе сырья (% мол.): H₂ — 82,5 и CO — 3,1)