книги / Технология синтетического метанола

ные холодильники-конденсаторы воздушного охлаждения. Для охлаждения газа, проходящего внутри оребренных труб, пода­ ется воздух, нагнетаемый вентиляторами. Автоматические сис­ темы регулирования (поворот лопастей вентиляторов, жалюзи, впрыск воды для увлажнения воздуха) позволяют создать тре­ буемые режимы работы аппаратов в разных условиях. Устрой­ ство аппарата и рациональная система подачи охлажденного воздуха обеспечивают высокую эффективность работы, компакт­ ность и небольшую металлоемкость его.

Отделение метанола-сырца от циркуляционного газа осуще­ ствляется в вертикальных или горизонтальных сепараторах (рис. 3.42). При этом часть метанола оседает под действием гравитационных сил, а капельная и туманообразная жидкость отделяется на специально установленных в верхней части аппа­ рата металлических сетках.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА

Важнейший экономический показатель производства по той или иной технологической схеме — себестоимость выпускаемого про­ дукта. В ней находит отражение и достигнутый уровень разви­ тия техники, и организация производства, а также уровень про­ изводительности труда и использование средств производства.

Себестоимость метанола складывается из затрат на сырье и материалы, энергетику, заработную плату, амортизацию, из це­ ховых, общезаводских и внепроизводственных расходов. В по­ следние годы наблюдается снижение себестоимости метаноларектификата за счет внедрения крупных, практически полностью автономных по энергии, агрегатов. Технико-экономическое ис­ следование производства метанола показывает, что снижение себестоимости продукта и удельных капитальных вложений при увеличении мощности агрегата происходит неравномерно и толь­ ко до определенного предела. Наибольший эффект дает увели-

РИС. 3.42. Сепаратор метанола-сырца:

121

чение мощности до 300 тыс. т в год (себестоимость снижается на 40%, а удельные капитальные вложения на 31%). При даль­ нейшем увеличении мощности снижение затрат происходит очень медленно. Так, для снижения себестоимости еще на 10% требу­ ется довести мощность агрегата до 1 млн. т в год, т. ё. увели­ чить ее в 3,3 раза.

Одновременно с повышением мощности производства необхо­ димо увеличивать надежность и длительность эксплуатации агрегата без остановок, так как пуск крупнотоннажного агрега­ та связан со значительными дополнительными материальными затратами сырья и энергетических ресурсов.

Снижение удельных капитальных вложений при увеличении мощности происходит в результате сокращения расхода металла на трубопроводы, газгольдерное и складское хозяйство, расхо­ дов на строительство и приборы контроля. Себестоимость мета­ нола снижается за счет создания энергозамкнутого цикла с мак­ симальным использованием тепла, уменьшения эксплуатацион­ ных и амортизационных расходов.

Выбор производительности отдельных агрегатов зависит от мощности производства в целом. Например, при мощности про­ изводства 800 тыс. т в год экономически целесообразно созда­ вать агрегаты производительностью по 400 тыс. т в год, при мощности 1,5 млн. т в год более благоприятны два агрегата по 750 тыс. т в год каждый, а при мощности 3 млн. т в год— три агрегата по 1 млн. т в год.

С другой стороны, метанол как конечный продукт производ­ ства используется многочисленными малотоннажными потреби­ телями, находящимися часто на большом расстоянии друг от друга и от предприятия-поставщика, т. е. плотность потребления метанола невелика. Самый крупный потребитель — производст­ во формальдегида, но масштабы его еще отстают от производ­ ства метанола, и, кроме того, плотность потребления формаль­ дегида и продуктов его переработки также невелика. Таким об­ разом, экономия, достигнутая за счет укрупнения— создания агрегата мощностью более 800 тыс. т в год, может быть пере­ крыта затратами на перевозку метанола-ректификата.

Фактическая себестоимость метанола действующих в настоя­ щее время в мировой практике производств колеблется в широ­ ких пределах. При переходе к теплоэнергетическим схемам себе­

(табл. 3.11). Например, в схеме (рис. 3.31) стоимость сырья и энергетических ресурсов примерно одинакова и составляет 80% себестоимости продукта. В то же время в схемах на рис. 3.36 и 3.37 стоимость сырья составляет около 50%, а энергетические затраты — всего лишь 4%. Вообще повышение мощности произ­ водства в 2,5 раза от 40 до 100 тыс. т в год (рис. 3.31 и 3.35) снижает себестоимость метанола на 11%. Резкое снижение себе­ стоимости наблюдается при переходе к теплоэнергетической схе-

1 2 2

Та б л и ц а 3.10. Сравнительная себестоимость метанола-ректификата

итехнико-экономические показатели различных схем производства

ме (рис. 3.36 и 3.37), при этом значительно уменьшаются энер­ гетические затраты, однако в 3,0—3,5 раза увеличиваются за­ траты на содержание и эксплуатацию оборудования. Себестои­ мость метанола-ректификата снижается на 38,2% при увеличе­ нии мощности производства от 40 до 750 тыс. т в год.

Удельные капитальные вложения в строительство производ­ ства метанола мало зависят от мощности и изменяются всего лишь на 9% при увеличении ее в 10—15 раз (см. табл. 3.10). Резкое снижение капитальных вложений (примерно в 2 раза) наблюдается только в схеме (рис. 3.35) использования синтезгаза, отходящего из производства ацетилена (в основном за счет сокращения затрат на стадии подготовки исходного газа).

Полная оценка затрат на получение метанола определяется приведенными затратами на единицу продукции. Изменение приведенных затрат в разных схемах достигает 30%. Повыше-

123

ние мощности производства резко увеличивает производитель­ ность труда, однако в стоимостном выражении это практически не заметно, так как затраты на заработную плату составляют всего лишь 0,6—2,0% себестоимости продукта.

Для агрегатов малой и средней мощности можно отметить следующие направления снижения себестоимости метанола: повышение степени использования основных фондов за счет мо­ билизации имеющихся резервов, повышение производительно­ сти труда, экономия сырья и материалов и снижение энергети­ ческих затрат при эксплуатации производств в оптимальных ус­ ловиях [108]. Перевод производств метанола при высоком дав­ лении на низкотемпературные катализаторы приводит к увели­ чению производительности агрегатов и повышению качества ме­ танола-сырца, т. е. достигается лучшее использование основных фондов, снижаются энергетические и сырьевые затраты. Приме­ нение воздушного охлаждения при синтезе и ректификации не только снижает сырьевые и энергетические затраты, но и умень­ шает опасность загрязнения метанолом водных ресурсов.

В настоящее время создаются производства метанола боль­ шой единичной мощности на основе низкотемпературного син­ теза под давлением 5—10 МПа. Поскольку в этих схемах (см. рис. 3.36 и 3.37) основные затраты приходятся на сырье (40— 47%) и на содержание и эксплуатацию оборудования (42— 48%), то для снижения себестоимости метанола необходимо ра­ ционально использовать сырье и снижать стоимость оборудова­ ния. В приведенных выше производствах исходный газ получают конверсией природного газа в трубчатых печах под давлением. Повышенное содержание остаточного метана и высокая кон­ центрация водорода против оксидов углерода в исходном газе приводит к увеличению расходного коэффициента по сырью. Кроме того, соотношение реагирующих компонентов в цикле вы­ ше оптимального. С целью снижения расхода исходного газа и поддержания оптимального состава циркуляционного газа целе­ сообразно применение в отделении подготовки исходного газа высокотемпературной конверсии метана. Высокая температура в конверторе метана позволит увеличить давление в отделении подготовки исходного газа и соответственно приведет к дальней­ шему снижению расхода энергии для сжатия свежего газа.

Уменьшение затрат на содержание и эксплуатацию оборудо­ вания возможно за счет снижения габаритов оборудования, трубопроводов и коммуникаций, что достигается при осуществ­ лении синтеза на низкотемпературных катализаторах под дав­ лением 25—30 МПа.

Таким образом, одним из путей дальнейшего улучшения технико-экономических показателей производств метанола боль­ шой единичной мощности может быть создание схемы получе­ ния метанола с использованием высокотемпературной конверсии метана при давлении 5—15 МПа и синтеза метанола под давле­ нием 25—30 МПа на низкотемпературных катализаторах.

124

Г Л А В А 4

СВОЙСТВА МЕТАНОЛА И ЕГО ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

СВОЙСТВА МЕТАНОЛА

Метанол СНзОН — простейший представитель в гомологическом ряду предельных спиртов; его молекулярная масса 32,042. При нормальных условиях чистый метанол представляет собой бес­ цветную, легкоподвижную, легколетучую, горючую жидкость с запахом, подобным запаху этилового спирта. В свободном со­ стоянии в природе метанол встречается редко и в незначитель­ ных количествах, но его производные содержатся во многих растительных маслах (сложные эфиры), природных красителях,

—97,71 °С и давлением паров 0,1887 Па. Параметры критическо­

она склонна к ассоциации, которая объясняется возможностью присоединения водорода гидроксильной группы к неподеленйой паре электронов кислорода другой молекулы с образованием водородной связи. Показатель преломления при 20 °С равен 1,3286 и при 45°С—1,3188 [ПО].

В твердом состоянии метанол существует в двух кристалли­ ческих формах: орторомбической и моноклинной; переход из одной формы в другую происходит при температуре —115,75 °С.

125

Для газообразного и жидкого состояний метанола при стан­ дартных условиях термодинамические характеристики равны [8, 109, 111]:

Изменение термодинамических характеристик метанола в га­ зовом состоянии от температуры приведены в табл. 4.1, а тепло­ емкости в зависимости от давления и температуры — в табл. 4.2.

Т а б л и ц а 4.1. Термодинамические характеристики метанола

в идеальном газовом состоянии fl09]

* Примечание. Границы перехода от жидкости к газу отмечены чертой.

126

Таблица 4.3. Термодинамические характеристики метанола в состоянии насыщения (по температуре) [109]

стояния (г), энтропии (Snap, ^ ж) и вязкости жидкости в состоя­ нии насыщения приведены в табл. 4.3.

Влияние температуры и давления на вязкость, теплопровод­ ность и поверхностное натяжение метанола иллюстрируется данными, приведенными в табл. 4.4, 4.5 и 4.6.

При давлениях, больших чем указано в таблицах, вязкость и теплопроводность возрастают значительно. Вязкость г\р/г\о и теплопроводность KpjXо метанола в зависимости от давления при 30 °С выражаются следующими числами [112]:

127

Т а б л и ц а 4.4. Коэффициенты динамической вязкости rj, теплопроводности % и поверхностное натяжение а метанола при атмосферном давлении [109]

По данным [111], скорость распространения звука в метано­ ле при 20 °С достигает 1122 м/с, диэлектрическая проницаемость паров при 100 °С составляет 1,0057-Ю-4, коэффициент объемно­ го расширения при 20°С равен 119-10~5.

Кинематический коэффициент диффузии паров метанола при давлении 0,09806 МПа (735 мм рт. ст.) равен [112]:

Электрическая проводимость метанола определяется в ос­ новном наличием в Нем примесей, способных ионизироваться, таких, как аммиак, амины, кислоты, соединения серы, металлы и т. д. По данным авторов, метанол-ректификат, выпускаемый

128

промышленностью, имеет удельную электрическую проводи­ мость 1 • 10-4—1,7• 10~5 Ом-1 -см- '.

Метанол смешивается во всех отношениях с водой и многи­ ми органическими жидкостями, но плохо смешивается с алифа­ тическими углеводородами. Он хорошо поглощает пары воды, диоксид углерода и некоторые другие вещества, поэтому хра­ нить безводный метанол высокой степени чистоты затруднитель­ но. Следует отметить хорошую растворимость в метаноле боль­ шинства газов. Так, растворимость в метаноле компонентов воз­ духа (в м3/м3, приведенные к нормальным условиям) при пар­ циальном давлении газа, равном 0,1013 МПа, составляет [ИЗ]:

При 25 °С и 0,1013 МПа растворимость газов в метаноле ха­ рактеризуется [8] следующими данными (м3/т):

Высокой растворимостью газов в метаноле широко пользу­ ются в промышленной практике,, применяя метанол и его рас­ творы в качестве поглотителя для извлечения примесей из тех­ нологических газов.

Была изучена растворимость [114] смеси газов в метаноле при давлении 29,4 МПа. Показано, что растворимость компо-

Т а б л и ц а 4.6. Коэффициент теплопроводности метанола [1091

Коэффициент теплопроводности при разном давлении (МПа) k-10\ Вт/(м К)

нентов смеси значительно отличается от растворимости в мета­ ноле индивидуальных газов при нормальном давлении. Для наиболее растворимых газов (диоксид углерода, этилен, ацети­ лен) она уменьшается, для других газов (водород, азот) — уве­ личивается (табл. 4.7). При разбавлении метанола водой рас­ творимость газов уменьшается.

Химические свойства. Метанол сочетает в себе свойства очень слабого основания и еще более слабой кислоты, что обус­ ловлено наличием алкильной и гидроксильной групп. При дей­ ствии кислорода воздуха он может окисляться вначале до фор­ мальдегида, затем до муравьиной кислоты и диоксида углерода:

При получении формальдегида окисление проводят на сереб­ ряном (или медном) катализаторе при 500—600 °С в паровой фазе. Формальдегид образуется также при дегидрировании ме­ танола:

В промышленности формальдегид получают окислительным дегидрированием, при котором протекают обе реакции.

Водород гидроксильной группы спирта может быть замещен действием щелочных металлов с образованием алкоголята:

2CH3OH+2Na ---- ►2CH3O N a+H 2

Алкоголяты стабильны только в отсутствие воды, которая омыляет их до метанола и щелочи.

Взаимодействием метанола с аммиаком получают метилами­

ны:

130