Geum.ru



ГОТОВЫЕ ДИПЛОМНЫЕ РАБОТЫ, КУРСОВЫЕ РАБОТЫ, ДИССЕРТАЦИИ И РЕФЕРАТЫ

Синтез метанола из окиси углерода и водорода

Автор ошибка
Вуз (город) МГОУ
Количество страниц 17
Год сдачи 2008
Стоимость (руб.) 1500
Содержание 1. Свойства метанола и области его применения
Метиловый спирт (метанол) СНзОН — токсичная жидкость плотностью 796 кг/м3, которая смешивается с водой в любых от¬ношениях, температура кипения 64,7 °С, температура плавления — 95 °С,
Метанол (метиловый спирт) —один из важнейших по значению и масштабам производства продукт, вырабатываемый химичес¬кой промышленностью. Метанол — это сырье для производства формальдегида, диметилтерефталата, метилметакрилата, пентаэритрита, синте¬тического изопренового каучука. Он используется в производстве фотопленки, различных аминов, поливинилхлоридных, карбамидных и ионообменных смол, в производстве красителей и полупродуктов, как растворитель, в том числе в лакокрасочной промышленности. Большие объемы метанола расходуются для получения химикатов, например хлорофоса, фталофоса, карбо¬фоса, метилхлорида и метилбромида, ацеталей и других ве¬ществ.
Возможно использование метанола в качестве высокооктановой до¬бавки к моторным топливам, при получении синтетических бен¬зинов и уксусной кислоты, для топливно-энергетических целей и очистки .сточных вод и т. д.

2. Анализ методов получения метанола из различного сырья.
Известно несколько способов получения метанола: сухая пе¬регонка древесины и лигнина; термическое разложение солей муравьиной кислоты; синтез из метана через метилхлорид с по¬следующим омылением, неполное окисление метана на катализаторах или без катализаторов под давлением, из окиси углерода и водорода.

До 1934 г. метанол в промышленности получали сухой перегонкой древе¬сины (древесный спирт). Рассмотрим этот метод поподробнее.
Разложить древесину под действием высокой температуры можно различными способами в зависимости от температурного предела нагрева, условий подвода тепла и вида применяемого теплоносителя.
Сухая перегонка древесины без доступа воздуха ведется в закрытой металлической реторте с внешним обогревом до конечной температуры 400—450°. Если древесина нагревается до 450° путем соприкосновения с предварительно нагретыми бес¬кислородными газами, а не через стенку реторты (внешний на¬грев), то такой нагрев называется внутренним.
В обоих случаях в результате нагрева из древесины выде¬ляются парообразные и газообразные продукты разложения (парогазовая смесь), и остается древесный уголь.
Процесс разложения древесины под влиянием нагрева в бес¬кислородной газовой атмосфере осуществляется в замкнутом сосуде (реторте), нагреваемом через стенки. В реторте имеется патрубок для вывода образующихся парогазов в конденсацион¬ное устройство с приспособлением для отделения жидкости от газа.
В ретору помещают древесину, загрузочное отверстие закры¬вают и аппарат нагревают, регулируя температруру при помощи пирометра, помещенного в реакционное пространство. Нагре¬вают до 400—500°.
В результате процесса образуются следующие первичные продукты: древесный уголь (около 30%), древесный сухоперегонный газ (около 20%) и дистиллят (жижка) —около 50% от веса воздушно-сухой исходной древесины. Дистиллят быстро расслаивается на осадочную, или отстойную, смолу и прозрач¬ный резко пахнущий водный слой цвета крепкого чая, называе¬мый сырым древесным уксусом или отстоявшейся жижкой.
Жижка, или сырой древесный уксус, получающийся при обычной сухой перегонке, это 15—20%-ный раствор органиче¬ских веществ в воде. Удельный вес 1,025—1,035. Кислотность жижки (содержание титруемых щелочью в пересчете на уксус¬ную кислоту) колеблется в пределах от 7 до 12%.
В составе органической части жижки обнаружено около 380 индивидуальных химических веществ. Одним из этих веществ и является метанол.

В методе пиролиза древесины слишком велики энергетические затраты, потому в настоящее время наиболее рациональным считается метод получения метанола из окиси углерода и во¬дорода, протекающий в присутствии катализатора при температуре 230—420°С и давлении 20—32 МПа
3. Физико-химические свойства системы
Синтез-газ, можно получать конверсией генераторных газов или природного газа. При синтезе метанола взаимодействие смеси тщательно очищенных газов происходит при высоких давлении и температуре в присутствии катализаторов. Из-за малого выхода конечных продуктов процесс является непрерывно циклическим; причем реакцию никогда не ведут до полного превращения. Для синтеза берут смесь газов при соотношении СО и Н2 от 1 : 4 до 1 : 8. Процесс ведут при 350—400° С и 2 • 107—3 • 107 Н/м2 в присут¬ствии смешанного цинко-хромового катализатора (ZnO + Сг2О3). Основная реакция процесса

Одновременно, особенно при уменьшении давления или увеличении температуры сверх оптимальной, могут протекать и следующие побочные реакции:

Количество тех или иных побочных соединений в продукционной смеси зависит не только от температуры и давления, но и от со¬става исходной газовой смеси, селективности и состояния ката¬лизатора. Наиболее существенной примесью, как правило, является метан. По сравнению со всеми побочными процессами (а)—(ж) получение метилового спирта идет с максимальным уменьшением объема, поэтому в соответствии с принципом Ле-Шателье повыше¬ние давления сдвигает равновесие в сторону образования метилового спирта. Так как процесс экзотермичен, то при повышении темпера¬туры равновесие сдвигается влево и равновесная степень превра¬щения синтез-газа в метиловый спирт уменьшается. В то же время при недостаточно высоких температурах скорость процесса чрез¬вычайно мала. Поэтому в промышленности процесс ведут в узком интервале температур с колебаниями в 20—30° С.
Константа равно¬весия основной реакции




Фактические выходы всегда ниже равновесных вследствие недостаточной активности и избирательности применяемых катализаторов. Каталитическую способность для реакции синтеза метанола проявляют многие металлы. В промышлен¬ности используется цинк-хромовый ката¬лизатор, который получается осаждением окислов цинка и хрома, при соотношении ZnO : Сг2О3 ~ 2 : 1. Катализатор восста¬навливают в токе того же газа. Длитель¬ность работы такого катализатора без реге¬нерации колеблется от 4 до 6 месяцев.
Исследованием процесса синтеза мета¬нола во взвешенном слое цинк-хромового катализатора при широком изменении па¬раметров технологического режима
По опытным данным определены показатели степени при концентрациях компонентов и получено кинетическое уравнение (процесс изучался во взвешен¬ном слое катализатора при 5-10е—25-10е Н/м2, 360—440° С и лимитирующей стадией принималась адсорбция водорода)

Интервал оптимальных температур, соответствующих наиболь¬шему выходу продукта, определяется активностью катализатора, объемной скоростью газовой смеси и давлением. Для цинк-хромового катализатора при давлениях около 5-106—25-106 Н/м2 и объемных скоростях 20 000—40 000 ч-1 оптимальные температуры колеблются в пределах 360—380° С.На рис. приведены кривые общей и полезной степени превращения СО в процентах от исходной окиси углерода.

В произ¬водстве процесс синтеза осуществтяется при объемных скоростях 20000— 40 000 ч-1 и выход метанола составляет около 4% за один проход.



4. Технологическая схема процесса.
Технологическая схема производства метилового спирта пред¬ставлена на рисунке

Исходная смесь газов после предварительной очистки от примесей сжимается пятиступенчатым компрессором до 25-106 Н/м2. После каждой ступени сжатия установлены холодиль¬ники (не показанные на схеме), которые отбирают тепло сжатия. Затем газовая смесь смешивается в смесителе с циркуляционным газом и, пройдя фильтр для очистки от масла, поступает в трубное пространство теплообменника, где нагревается примерно до 220 С за счет тепла реакционных газов и далее направляется в колонну синтеза (высота 12—18 м, внутренний диа¬метр 0,8—1,2 м и толщина стенок 0,09-0,1 м). Требуемая температура в колон¬не поддерживается за счет тепла реакции, часть которого отбирает идущая по теплообменным трубкам исходная газовая смесь, поступающая затем в катализаторную мас¬су. При необходимости регулирования тем¬пературы в колонну вводят холодную смесь газов.
Колонны синтеза различаются по типу насадки. В полочной колонне катализатор расположен на нескольких полках и газ последовательно проходит один слой за другим.
На рис. приведена схема ко¬лонны синтеза, в которой в одном кор¬пусе совмещены катализаториая коробка, электроподогреватель и теплообменник.
Список литературы 1. Леонтьева «Общая химическая технология» , 2004
2. Мухлёнов «Общая химическая технология», Москва, Высшая школа, 1977
3. Караваев «Технология синтетического метанола», Москва, Химия, 1984
4. Славянский «Химическая технология древесины», Москва,1962
Выдержка из работы 5. Рассчет материального баланса синтеза метанола.

На реакции 1-6 расходуется соответственно w1 – w6 % окиси углерода или метанола.
Объёмная скорость v - таблица
Мольное соотношение x таблица
Объём катализатора Vk = 10 m3
Выход 95% (P=0,95)
Рассчёт ведётся на t = 1 час работы установки.
Формулы для расчетов:
1. Объём синтез газа:
V = Vk * t * v
2. Исходные объёмы и массы газов
V(H2) = x * V / (x+1) m(H2) = V(H2)*1000*M(H2)/22400
V(CO) = V / (x+1) m(CO) = V(CO)*1000*M(CO)/22400
3. Непрореагировавший СО
m(CO)- = m(CO)*(1-P)
Расход СО по реакциям 1-4
m(CO)i = m(CO)*wi / 100
4. На образования метанола пойдёт:
m"(CO) = m(CO) - m(CO)- - ∑ m(CO)i
5. Образуется метанола:
m(CH3OH) = m"(CO)*M(CH3OH) / M(CO)
Рассход метанола по реакциям 5,6
m(CH3OH)i = m(CH3OH)*wi / 100
Таким образом, в процессе синтеза будет получено
m"( CH3OH) = m(CH3OH) - ∑ m(CH3OH)i
6. Водород расходуется по основной реакции
m+ = 2* m(CH3OH)*M(H2) / M(CH3OH)
А также по реакциям 1, 2, 4.
m(H2)1 = 3 * m(CO)1 * M(H2) / M(CO)
m(H2)2 = m(CO)2 * M(H2) / M(CO)
m(H2)4 = m(CO)4 * M(H2) / M(CO)
Количество непрореагировавшего водорода
m"( H2) = m(H2) - m(H2)+ - ∑ m(H2)i
7. Другие побочные продукты:
СН4 (образуется по реакциям 1,2,6)
m(СН4) = M(СН4)*(m1(CO) / M(CO) + 0,5 m2(CO) / M(CO) + m(CH3OH)6 / M(CH3OH))
CO2 (образуется по реакциям 2,3)
m(CO2) = M(CO2)*( 0,5 m2(CO) / M(CO) + 0,5 m3(CO) / M(CO))
С (образуется по реакции 3)
m(C) = M(C)* 0,5 m3(CO) / M(CO)
Н2О (образуется по реакциям 1,5,6)
m(Н2О) = M(Н2О)*(m1(CO) / M(CO) + 0,5 m(CH3OH)5 / M(CH3OH)+ m(CH3OH)6 / M(CH3OH))
СН2О (образуется по реакции 4)
m(СН2О) = M(СН2О)* m4(CO) / M(CO)
(СН3)2О (образуется по реакции 5)
m((СН3)2О) = M((СН3)2О) * 0,5 m(CH3OH)5 / M(CH3OH)
Проведём соответствующие расчёты, и внесём данные в таблицы (все данные в кг).
8. Рассчитаем интенсивность работы катализатора по формуле: