3. Материальный баланс водорода на метанольной установке

Из-за сдувки части рециркулирующего синтез-газа происходит потеря некоторого количества H2. На промышленных установках водород, не входящий в состав циркулирующего синтез-газа, как правило, распределяется: на газы выветривания из потока метанола-сырца; ВСГ, отправляемый на гидроочистку сырья перед конверсией; ВСГ, сжигаемый на печах конверсии сырья. На производствах с большим соотношением H2/(CO+CO2) в синтез-газе, входящем в реакторы синтеза метанола, потери водорода на сжигание могут достигать 20-30 % относительно свежего водорода с установки конверсии.

По показателям типового режима работы установки М-750, составлена схема материального баланса водорода, приведенная на рисунке 2. С ее помощью удобно анализировать потоки водорода на установке, в частности, потери водорода с продувочными газами, поступающими на сжигание в печи конверсии природного газа (ПГ).

Рисунок 2 — Схема материального баланса водорода на установке низкотемпературного синтеза метанола

Практическая часть Исходные данные

Состав сырья (газ на 1 полку и байпасные потоки), % мольн.									Температура входа на 1 полку, °С		Температура байпаса, °С
CO	CO2	H2	CH3OH	H2O	N2	CH4	ДМЭ
3	4	70	0,5	0,01	7	15,48	0,01	215		38

Ход работы:

1. Ознакомились со своим вариантом исходных данных из лабораторной работы № 1 «Исследование синтеза метанола на моделирующей программе» (мольный состав сырья реактора синтеза метанола).

2. Определили состав продукта реактора синтеза метанола с использованием компьютерной программы. Результаты представлены в приложении А.

3. Используя рекомендуемые требования к работе установки, составили материальный баланс установки синтеза метанола с использованием программы «Microsoft Excel», в т.ч.:

• требуемый массовый расход свежего синтеза-газа (т/ч);

• расход продувочного ВСГ, расход водорода вместе с этим газом;

• относительные потери водорода (%): расход водорода, покидающего установку с продувочным газом, по отношению к расходу свежего водорода, поступающего со свежим синтез-газом;

• выход метанола (т/т) в расчете на свежий синтез-газ: массовый расход метанола с метанолом-сырцом относительно массового расхода свежего синтез-газа;

• степень превращения оксидов углерода в жидкие продукты: (1 – расход оксидов углерода с продувочным ВСГ / расход оксидов углерода со свежим синтез-газом).

Результаты представлены в приложении А.

4. Рассчитали коэффициент рециркуляции и коэффициент загрузки для реактора синтеза метанола. Результаты представлены в приложении А.

5. Выбрали один из варьируемых параметров из лабораторной работы № 1 – температуру в реакторе, актуализировали варианты варьирования – сведения о продукте реактора и повторили составление материального баланса. Результаты представлены в приложении А.

6. Проанализировали, как варьируемый параметр влияет на:

• расход метанола с установки (т/ч, тыс. т/г);

• расход свежего синтез-газа на установку (т/ч);

• выход метанола на свежее сырье (т/т);

• расход водорода с продувочным ВСГ (т/ч, тыс. т/г);

• относительные потери водорода с продувочным ВСГ (%);

• степень превращения оксидов углерода в жидкие продукты;

• коэффициент рециркуляции для реактора синтеза метанола.

Вывод: в результате лабораторной работы на основе проведенного расчета материального баланса установки синтеза метанола и анализа влияния температуры в реакторе на ключевые технологические показатели можно сделать следующие выводы – с повышением температуры в реакторе с 205 °С до 225 °С:

• Массовый расход метанола-сырца снижается с 85,389 т/ч до 81,242 т/ч. Это объясняется экзотермическим характером реакции синтеза метанола: повышение температуры смещает равновесие в сторону обратной реакции, что снижает выход целевого продукта.

• Снижается расход свежего синтез-газа с 99,004 т/ч до 95,076 т/ч. Это связано с уменьшением конверсии сырья и необходимостью поддержания баланса рециркулирующего потока.

• Выход метанола незначительно снижается с 0,702 т/т до 0,699 т/т – это подтверждает, что повышение температуры ухудшает эффективность использования сырья.

• Расход водорода с продувочным ВСГ увеличивается с 2,429 т/ч до 2,454 т/ч. Это связано с ростом содержания водорода в газовой фазе из-за снижения степени его конверсии в метанол.

• Относительные потери водорода с продувочным ВСГ возрастают с 20,202 % до 21,257 %, что указывает на снижение эффективности использования водорода в синтезе при повышении температуры.

• Степень превращения оксидов углерода в жидкие продукты снижается с 0,972 до 0,968. Это согласуется с термодинамическими ограничениями — при повышении температуры равновесие смещается в сторону реагентов.

• Коэффициент рециркуляции увеличивается с 2,611 до 2,760, а коэффициент загрузки — с 3,611 до 3,760. Это свидетельствует о том, что для поддержания производительности при росте температуры требуется большая циркуляция непрореагировавшего сырья.

Таким образом, повышение температуры в реакторе синтеза метанола негативно влияет на основные показатели процесса: снижает выход метанола, увеличивает потери водорода и ухудшает степень превращения сырья. Наилучшие результаты достигаются при температуре 205 °С, что соответствует условиям, близким к оптимальным для низкотемпературного синтеза на медь-цинк-алюминиевом катализаторе. Полученные зависимости подтверждают важность точного контроля температурного режима для эффективной работы установки и минимизации потерь ценных компонентов.

Приложение А

Таблица 1 – Результаты расчета с использованием компьютерной программы

	Состав потока на входе в реактор										Состав потока на выходе из реактора
Температура в реакторе, 0С	Объемный расход, тыс. нм3/ч	СО	СО2	Н2	N2	CH4	H2O	CH4OH	ДМЭ	СО		СО2	Н2	N2	CH4	H2O	CH4OH	ДМЭ	Объемный расход, тыс. нм3/ч
205	930,827	3	4	70	7	15,48	0,01	0,5	0,01	0,382		2,122	64,568	7,732	17,099	2,308	5,779	0,011	842,706
215										0,427		2,200	64,742	7,712	17,054	2,220	5,632	0,011	844,919
225										0,473		2,27	64,906	7,693	17,013	2,139	5,491	0,014	847,000

Таблица 2 - Результаты определения материального баланса установки синтеза метанола с использованием исходных данных

	Вход в реактор синтеза метанола			Выход из реактора синтеза метанола			Метанол-сырец		Газ из сепаратора S		Продувка ВСГ		Рецикл синтез-газа		Свежий синтез-газ
Номер потока	2			3			4		5 G5=G3-G4		6 G6=G1-G4		7 G7=G5-G6		G1=G2-G7
Вещество	Мольная доля	Массовый расход, т/ч	Мольная доля		Массовый расход, т/ч	Массовый расход, т/ч		Массовый расход, т/ч		Массовый расход, т/ч		Массовый расход, т/ч		Массовый расход, т/ч
CO	0,0300	34,905	0,0043		4,510	0,000		4,510		0,225		4,284		30,621
СO2	0,0400	73,135	0,0220		36,512	0,000		36,512		1,826		34,686		38,449
H2	0,7000	58,176	0,6474		48,840	0,000		48,840		2,442		46,398		11,778
N2	0,0700	81,446	0,0771		81,449	0,000		81,449		4,072		77,376		4,070
CH4	0,1548	102,921	0,1705		102,921	0,000		102,921		5,146		97,775		5,146
H2O	0,0001	0,075	0,0222		15,072	15,072		0,000		0,000		0,000		0,075
CH3OH	0,0050	6,649	0,0563		67,979	67,979		0,000		0,000		0,000		6,649
DME	0,0001	0,191	0,0001		0,191	0,191		0,000		0,000		0,000		0,191
Массовый расход, т/ч		357,497			357,473	83,242		274,231		13,712		260,520		96,978

Таблица 3 - Результаты определения материального баланса установки синтеза метанола при температуре в реакторе 205 ⁰С

	Вход в реактор синтеза метанола			Выход из реактора синтеза метанола			Метанол-сырец		Газ из сепаратора S		Продувка ВСГ		Рецикл синтез-газа		Свежий синтез-газ
Номер потока	2			3			4		5 G5=G3-G4		6 G6=G1-G4		7 G7=G5-G6		G1=G2-G7
Вещество	Мольная доля	Массовый расход, т/ч	Мольная доля		Массовый расход, т/ч	Массовый расход, т/ч		Массовый расход, т/ч		Массовый расход, т/ч		Массовый расход, т/ч		Массовый расход, т/ч
CO	0,0300	34,905	0,0038		4,024	0,000		4,024		0,201		3,823		31,083
СO2	0,0400	73,135	0,0212		35,125	0,000		35,125		1,756		33,369		39,766
H2	0,7000	58,176	0,6457		48,581	0,000		48,581		2,429		46,152		12,024
N2	0,0700	81,446	0,0773		81,446	0,000		81,446		4,072		77,374		4,072
CH4	0,1548	102,921	0,1710		102,923	0,000		102,923		5,146		97,776		5,145
H2O	0,0001	0,075	0,0231		15,629	15,629		0,000		0,000		0,000		0,075
CH3OH	0,0050	6,649	0,0578		69,570	69,570		0,000		0,000		0,000		6,649
DME	0,0001	0,191	0,0001		0,190	0,190		0,000		0,000		0,000		0,191
Массовый расход, т/ч		357,497			357,488	85,389		272,099		13,605		258,494		99,004

Таблица 4 - Результаты определения материального баланса установки синтеза метанола при температуре в реакторе 225 ⁰С

	Вход в реактор синтеза метанола			Выход из реактора синтеза метанола			Метанол-сырец		Газ из сепаратора S		Продувка ВСГ		Рецикл синтез-газа		Свежий синтез-газ
Номер потока	2			3			4		5 G5=G3-G4		6 G6=G1-G4		7 G7=G5-G6		G1=G2-G7
Вещество	Мольная доля	Массовый расход, т/ч	Мольная доля		Массовый расход, т/ч	Массовый расход, т/ч		Массовый расход, т/ч		Массовый расход, т/ч		Массовый расход, т/ч		Массовый расход, т/ч
CO	0,0300	34,905	0,0047		5,008	0,000		5,008		0,250		4,757		30,148
Продолжение таблицы 4:
СO2	0,0400	73,135	0,0227		37,766	0,000		37,766		1,888		35,878		37,257
H2	0,7000	58,176	0,6491		49,084	0,000		49,084		2,454		46,630		11,546
N2	0,0700	81,446	0,0769		81,448	0,000		81,448		4,072		77,376		4,070
CH4	0,1548	102,921	0,1701		102,927	0,000		102,927		5,146		97,780		5,141
H2O	0,0001	0,075	0,0214		14,558	14,558		0,000		0,000		0,000		0,075
CH3OH	0,0050	6,649	0,0549		66,440	66,440		0,000		0,000		0,000		6,649
DME	0,0001	0,191	0,0001		0,244	0,244		0,000		0,000		0,000		0,191
Массовый расход, т/ч		357,497			357,475	81,242		272,099		13,605		262,422		95,076

Таблица 5 – Сводная таблица результатов

	Температура в реакторе
	205 0С	215 0С	225 0С
Требуемый массовый расход свежего синтез-газа, т/ч	99,004	96,978	95,076
Расход продувочного ВСГ, расход водорода вместе с этим газом, т/ч	13,605	13,712	13,812
В т.ч. расход водорода вместе с этим газом, т/ч	2,429	2,442	2,454
Относительные потери водорода, %	20,202	20,734	21,257
Выход метанола в расчете на свежий синтез-газ, т/т	0,702	0,701	0,699
Степень превращения оксидов углерода в жидкие продукты	0,972	0,970	0,968
Коэффициент рециркуляции	2,611	2,686	2,760
Коэффициент загрузки	3,611	3,686	3,760