Установка для получения метанола
Полезная модель относится к технологии получения метанола, которая содержит установку комплексной подготовки газа, реактор для проведения газофазного окисления углеводородного газа, состоящий из теплообменника «газ-газ» реакционной зоны, набранного из единичных цилиндрических труб и теплообменника «газ-вода» зоны охлаждения, холодильник-конденсатор для окончательного охлаждения реакционной смеси и разделения отходящих газов и жидких продуктов, ректификационный узел для разделения метанола и других жидких продуктов и систему экологической очистки для очистки кубового остатка и отходящих газов. Отличием предлагаемой установки от известной является наличии замкнутого контура обогрева, включающий: автоматический подогреватель воздуха; зарубашечное пространство реакционной части (теплообменник «газ-газ»); теплообменник для съема излишков тепла (теплообменник «газ-вода»); дымосос. Предлагаемая установка для получения метанола позволяет проводить полное окисление поступающего в нее метана за один проход при выходе товарного метанола 0,3 кг и выше в расчете на 1 м3 пропущенного метана. При этом установка является экологически чистым производством, где полностью отсутствуют вредные выбросы.
Полезная модель относится к области органической химии, а именно к технологии производства метанола прямым окислением углеводородсодержащего газа (природного газа).
Природный газ, по прогнозам, будет основным углеводородным ресурсом для энергетики и химической промышленности XXI века. Основные месторождения добычи газа и газового конденсата расположены в труднодоступных районах крайнего Севера, 87% добычи производится на севере Тюменской области.
Развитие малых ТЭК (топливно-энергетических комплексов) сдерживается отсутствием транспортных схем по доставке реагентов и ингибиторов. Основным ингибитором в борьбе с гидратообразованием в добыче газа является метанол, доставка которого до отдаленных месторождений представляет огромные затраты, в несколько раз превышающие цену на покупку метанола с нефтехимических заводов.
Создание малогабаритных установок получения метанола способом конверсии природного газа непосредственно на месторождениях в составе установок комплексной подготовки газа (УКПГ) позволило бы решить выше перечисленные проблемы для газовой промышленности. С учетом того, что дальнейший прирост добычи газа будет производиться за счет многочисленных мелких месторождений, находящихся на крайнем Севере, а при добыче газа в Северных морях метанол вообще хранить негде, данный процесс приобретает приоритетное значение.
Основная проблема создания малогабаритных установок для производства метанола состоит в том, что все существующие на сегодня способы прямого окисления метана в метанол кислородом воздуха осуществляют при низкой концентрации кислорода в исходной газовой смеси и, следовательно, на выходе из реактора реакционная смесь будет обогащена метаном, азотом, окисью и двуокисью углерода и другими элементами.
Рециркуляция метана требует его отделения от реакционной смеси, что является весьма затруднительным. Поэтому выход метанола, в расчете на пропущенный метан, остается крайне низкой, а рециркуляция метана практически невозможной, как и окисление метана за один проход.
Однако экспериментальным путем могут быть найдены соотношения параметров рабочего процесса и геометрических характеристик обогреваемого реактора при которых данная задача становится разрешимой (весь поступающий на вход реактора метан окисляется за один проход с получением приемлемого выхода метанола и его содержания в получаемом оксидате).
Эффективность работы таких установок во многом зависит от равномерности обогрева реакционных труб и возможности регулирования температуры и расхода обогревающего газа в межтрубном пространстве, поскольку процесс окисления метана носит цепной характер и требует равномерного протекания газа в реакционной трубе, а возможность снижения температуры и реакции после ее запуска ведет к увеличению выхода метанола. Возможность изменения температуры и расхода обогревающего газа в межтрубном пространстве позволяет также отбирать излишки тепла, образующиеся в ходе экзотермической реакции окисления метана.
Известна установка для производства метанола, содержащая последовательно установленные и соединенные трубопроводами смесительную камеру, подсоединенную к раздельным источникам углеводородсодержащего газа и воздуха или кислорода, реактор из инертного материала с нагревательными элементами для неполного окисления метана в смеси, подаваемой в реактор под избыточным давлением, конденсатор и сепаратор для выделения метанола из продуктов реакции, емкость для рециркулируемых газообразных продуктов реакции с трубопроводом для их подачи в исходный углеводородсодержащий газ или смесительную камеру (GB, 2196335, А). Однако большое время пребывания реагентов в реакторе не позволяет обеспечить высокую производительность установки, что делает процесс практически не применимым в промышленных условиях.
Известна установка для получения метанола, которая содержит источник углеводородсодержащего газа, компрессор и подогреватель для сжатия и нагрева газа, источник кислородсодержащего газа с компрессором, последовательно установленные реакторы с последовательно чередующимися смесительными и реакционными зонами с трубопроводами подачи углеводородсодержащего газа в первую смесительную зону реактора и кислородсодержащего газа в каждую смесительную зону, рекуперативные теплообменники для охлаждения реакционной смеси через стенку потоком холодного углеводородсодержащего газа, установленные около выходных торцов всех реакционных зон реактора с трубопроводами для последующей подачи нагретого углеводородсодержащего газа в подогреватель, холодильник-конденсатор, сепаратор для разделения отходящих газов и жидких продуктов с последующим выделением метанола и трубопровод для подачи отходящих газов в исходный углеводородсодержащий газ, и трубопроводом для подачи отходящих жидких кислородсодержащих продуктов в первую смесительную зону реактора (RU, А, 216260).
Невозможность быстрого съема тепла высокотермичной объемной реакции окисления углеводородсодержащего газа приводит к необходимости уменьшения количества подаваемого углеводородсодержащего газа и, следовательно, степени конверсии углеводородсодержащего газа. Кроме того, даже при использовании в качестве окислителя кислорода невозможна эффективная рециркуляция углеводородсодержащего газа из-за быстрого повышения в нем концентрации оксидов углерода. При этом значительная часть подаваемого кислорода расходуется на окисление СО в CO2, приводя к дополнительному снижению степени конверсии исходного углеводородсодержащего газа и дальнейшему перегреву реакционной смеси. Установка также требует сжигания дополнительного количества исходного углеводородсодержащего газа для обеспечения паром стадии ректификации жидких продуктов. Необходимость охлаждения газожидкостной смеси после каждого реактора для сепарации жидких продуктов и ее последующего нагрева перед следующим реактором приводит к значительному усложнению технологической схемы, увеличению единиц оборудования и дополнительному расходу энергии.
В реакционной зоне целесообразно поддерживать концентрацию кислорода в пределах от 1 до 2,5%.
Наиболее близкой к предлагаемой является установка для получения метанола, содержащая источник углеводородного газа, реактор для проведения газофазного окисления углеводородного газа, состоящий из реакционной зоны и зоны охлаждения, устройство для окончательного охлаждения реакционной смеси перед сепарацией для разделения отходящих газов и жидких продуктов, ректификационный узел для разделения метанола и других жидких продуктов. Источником углеводородного газа является установка комплексной подготовки газа. Зона охлаждения представляет собой трубчатую часть реактора, при этом реакционная зона и зона охлаждения снабжены устройством для ввода исходного углеводородного газа, нагретого в теплообменнике «газ-газ» до температуры, позволяющей проводить охлаждение реакционной смеси в два этапа: охлаждения путем ее смешения непосредственно в реакционной зоне со вторым потоком и охлаждение в трубчатой части через стенку трубок, а устройство для окончательного охлаждения реакционной смеси перед сепарацией выполнено в виде последовательно установленных теплообменника «газ-жидкость», соединенного с реактором, сепаратором и ректификационным узлом, и теплообменника «газ-газ», соединенного с реактором и установкой комплексной подготовки газа.
Внутренняя стенка реакционной зоны может быть футерована материалом, инертным к реакционной смеси. Реактор обычно снабжен термокарманами и вводными устройствами для контроля и регулирования температуры в реакционной зоне (RU 2203261 С1).
Исходя из приведенного примера, установка для получения метанола имеет выход метанола сырца в расчете на 1 м3, пропущенного за один проход метана порядка 60 г/м3СН4. В расчете на полученный товарный метанол эта цифра очевидно будет еще ниже, порядка 30 г/м 3СН4, что является крайне низким результатом. К тому же, низкое содержание кислорода в исходном газе (1-2,5 об.%), высокое давление в реакционной зоне (8МПа), необходимость рециркуляции отходящих газов, а также сложность управления процессом делают процесс получения метанола недостаточно эффективным с точки зрения экономических затрат.
Известна установка для получения метанола (RU 
86590, прототип), содержащая установку комплексной подготовки газа, реактор для проведения газофазного окисления углеводородного газа, состоящий из теплообменника «газ-газ» реакционной зоны, набранного из единичных цилиндрических труб и теплообменника «газ-вода» зоны охлаждения реакционной смеси и разделения отходящих газов и жидких продуктов, ректификационный узел для разделения метанола и других жидких продуктов и систему экологической очистки для кубового остатка и отходящих газов, для обогрева единичных цилиндрических труб предусмотрена газовая горелка.
Данная установка не обеспечивает экономия тепловой энергии, а также равномерность нагрева поверхности реакционных труб. Существует опасность местного перегрева поверхности реакционных труб, что снижает надежность функционирования установки. Не используются возможность снижения температуры ведения процесса (с целью повышения выхода метанола) после запуска установки.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение эффективности процесса получения метанола.
Это достигается тем, что в установке для получения метанола, содержащей установку комплексной подготовки газа, реактор для проведения газофазного окисления углеводородного газа, состоящий из теплообменника «газ-газ» реакционной зоны, набранного из единичных цилиндрических труб и теплообменника «газ-вода» зоны охлаждения, холодильник-конденсатор для окончательного охлаждения реакционной смеси и разделения отходящих газов и жидких продуктов, ректификационный узел для разделения метанола и других жидких продуктов и систему экологической очистки для очистки кубового остатка и отходящих газов, газовую горелку для обогрева единичных цилиндрических труб реакционной зоны, процесс осуществляется при концентрации метана в смеси его с воздухом менее 5 об.%, при этом поддержание необходимого теплового режима установки производится нагретым горячим воздухом, заданная температура которого поддерживается автоматически с помощью системы управления, обеспечивающей необходимое изменение расхода воздуха и его температуры.
Предлагаемая установка для получения метанола позволяет проводить полное окисление поступающего в нее метана за один проход. При этом установка является экологически чистым производством, где полностью отсутствуют вредные выбросы.
В дальнейшем, предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, на котором фиг.1 изображает общий вид установки для получения метанола.
Установка для получения метанола содержит реактор (фиг.1) для проведения газофазного окисления метана. Реактор 1 состоит из двух зон 2 и 3, одна из которых 2 является реакционной и снабжена вводным устройством 4 для ввода исходного газа, а другая зона 3 предназначена для предварительного охлаждения реакционного газа, поступающего из реакционной зоны.
Зона 2 представляет собой трубчатый теплообменник «газ-газ», набранный из единичных цилиндрических труб 5, вмонтированных в трубные доски 6 на входе и выходе реакционной смеси. Обогрев единичных цилиндрических труб 5 осуществляется горячим воздухом, поступающим из подогревателя воздуха 7, содержащим газовую горелку и элементы автоматики системы управления, позволяющие регулировать расход горячего воздуха и его температуру.
В подогреватель воздуха 7 воздух поступает через дымосос 14 и теплообменник «газ-вода» 15, которые содержат элемент автоматики системы управления, позволяющие регулировать температуру и расход воздуха за счет расхода поступающей в теплообменник 15 воды и изменения режима работы дымососа 14.
Зона 3 представляет собой трубчатый теплообменник «газ-вода» для предварительного охлаждения реакционных газов через стенку трубок 8, вмонтированных в трубные доски 9 на входе и выходе реакционной смеси. Кроме того, реактор 1 снабжен устройствами для контроля и регулирования температуры в реакторе (на схеме не показаны). Регулирование температурного режима реактора осуществляется путем изменения режима работы подогревателя воздуха 7 и расхода воды через теплообменник 15 и, соответственно, через вводное устройство 10. Образующийся в теплообменнике 3 пар покидает теплообменник через выводное устройство 11.
Исходный газ в реактор подается из установки комплексной подготовки газа 12. Окончательное охлаждение реакционного газа и отделение отходящих газов от жидкой фазы осуществляется в холодильнике-конденсаторе 13. Узел ректификации и система экологической очистки на схеме не показаны.
Работа установки осуществляется следующим образом.
Из устройства комплексной подготовки газа 12 метановоздушная смесь с заданной концентрацией метана, заданным расходом и давлением подается на вход реакционной части 2 реактора. В реакционной части метановоздушная смесь нагревается до заданной температуры, после чего происходит газофазное окисление метана. В дальнейшем реакционная смесь поступает в зону охлаждения 3 реактора, где происходит ее предварительное охлаждение до температуры 150-200°С с целью закалки, выделяющийся при этом в теплообменнике пар может быть использован для работы узла ректификации и других нужд.
Далее реакционный газ поступает в холодильник-конденсатор 13, где происходит его окончательное охлаждение до температуры 20-30°С и разделение отходящих газов и жидкой фазы, содержащей метанол, воду и другие продукты окисления.
Отходящие газы поступают далее в систему экологической очистки, и после проведения необходимой очистки выбрасываются в атмосферу.
Жидкая фаза поступает в узел ректификации, где происходит отделение метанола от других жидких продуктов. Кубовый остаток поступает в систему экологической очистки, и после проведения необходимой очистки отводится в канализацию. Получаемые в холодильнике-конденсаторе пар и теплофикационная вода используются для работы узла ректификации и других нужд.
Полное окисление, поступающего на вход установки метана осуществляется за один проход.
Пример, подтверждающий возможность реализации предлагаемой установки для получения метана. Пример дан для единичного реактора (единичная цилиндрическая труба) длиной - 820 мм, внутренним диаметром 67 мм, расход исходной газовой смеси 86,4 м3/сутки, давление 2,0 МПа, концентрация метана в исходной газовой смеси 4,5 об.%.
Выходные характеристики единичного реактора составили:
- выход метанола в расчете на пропущенный метан - 370 г/м3;
- содержание метанола в оксидате - 340 г/л;
- суточный выход метанола - 1,4 кг/сутки.
Таким образом, выход метанола в предлагаемой установке примерно на 20% выше, чем в прототипе что указывает на повышение эффективности работы установки.
Установка для получения метанола, содержащая установку комплексной подготовки газа, реактор для проведения газофазного окисления углеводородного газа, состоящий из теплообменника «газ-газ» реакционной зоны, набранного из единичных цилиндрических труб и теплообменника «газ-вода» зоны охлаждения, холодильник-конденсатор для окончательного охлаждения поступающей из зоны охлаждения реактора реакционной смеси и разделения отходящих газов и жидких продуктов, ректификационный узел для разделения поступающих из холодильника-конденсатора метанола и других жидких продуктов и систему экологической очистки для очистки поступающего из ректификационного узла кубового остатка и отходящих газов из холодильника-конденсатора, газовую горелку для обогрева единичных цилиндрических труб реакционной зоны, отличающаяся тем, что снабжена замкнутым контуром обогрева реакционной зоны реактора, включающим дымосос 14, теплообменник «газ-вода» 15 для съема излишков тепла, автоматический подогреватель воздуха 7 для обеспечения заданной температуры и расхода нагретого воздуха, а также - зарубашечное пространство реакционной зоны в виде теплообменника «газ-газ».
