Установка для промышленного синтеза метанола содержит турбокомпрессор, связанный технологическим трубопроводом с источником синтез-газа, теплообменник, колонну синтеза, холодильник-конденсатор, сепаратор и сборник метанола, связанные между собой технологическими трубопроводами.

Существо синтеза метанола заключается в том, что синтез-газ сжимают турбокомпрессором, смешивают с непрореагировавшим газом и направляют в теплообменник, где газовая смесь нагревается до заданной температуры отходящими газами. Далее смесь газов поступает в колонну синтеза, где осуществляется целевой процесс. Выходящие из колонны синтеза продукты реакции поступают в теплообменник, где они нагревают газовую смесь, идущую на синтез, затем проходят через холодильник-конденсатор и поступают далее в сепаратор. В сепараторе спирт отделяется от непрореагировавших газов, которые циркуляционным компрессором возвращаются в технологический процесс.

Технологический процесс протекает при температуре 250 300^oC, давлении 10 МПа с применением катализаторов оксидов цинка, хрома, меди.

У описанной схемы получения метанола через синтез-газа имеются недостатки. При нынешних масштабах его производства 20 млн.т в год целесообразно использование процесса, однако при внедрении метанола в качестве массового автомобильного топлива возникают глобальные проблемы производства метанола из-за высокой стоимости процесса и материальных затрат.

В настоящее время 75% общей стоимости производимого метанола приходится на получение самого синтеза-газа, а также 70% всех капитальных затрат и огромное количество энергии. Из расчетов следует, что нерентабельно любое производство мощностью менее 1 млн.т/год. Из этого следует, что указанные производства имеют большие начальные затраты и большие сроки окупаемости. Известна установка для производства метанола, основанная на способе прямого гомогенного окисления метана (см. статью В.С.Арутюнова, В.И.Веденеева и Н.Ю. Крымова."Из метана метанол", "Химия и жизнь", 1992, N 7, с.35-38).

Существо способа получения метанола путем прямого гомогенного окисления метанола заключается в том, что метан и кислород под давлением в 75 100 атм нагревают в пределах 350 400^oC и подают в реактор-прямоточную трубу с последующей циркуляцией реакционной смеси.

Установка для производства метанола, основанная на указанном способе, содержит технологические трубопроводы подачи метана и кислорода соответственно турбокомпрессором и нагнетателем через подогреватель газов в реактор, выполненный в виде прямоточной трубы и связанный с холодильником-конденсатором, причем последний сообщен дополнительным технологическим трубопроводом с входом турбокомпрессора, и станцию управления.

Недостатком известной установки для производства метанола является относительно низкая производительность, так как за один цикл в метанол превращается лишь небольшая часть метана около 3%
Известно, что смесь метана с кислородом или воздухом при поджигании может взрываться. Наиболее сильный взрыв получается, если смешать метан с кислородом в объемном отношении 1:2. Оптическое отношение объемов при взрыве метана с воздухом 1:10.

На основании изложенного известная установка для производства метанола не безопасна.

Наиболее близким техническим решением к заявляемой установке является установка для производства метанола, указанная в статье В.С.Арутюнова, В.И. Веденеева и Н. Ю. Крылова. "Из метана-метанол" (см.журнал "Химия и Жизнь", 1992, N 7, с.35-38).

Цель изобретения повышение производительности и безопасности установки.

Для достижения указанной цели изобретения известная установка для производства метанола, содержащая технологические трубопроводы подачи метана и кислорода соответственно турбокомпрессором и нагнетателем через подогреватель газов в реактор, выполненный в виде прямоточной трубы и связанный с холодильником-конденсатором, причем последний сообщен дополнительным технологическим трубопроводом с входом турбокомпрессора, и станцию управления, снабжена эжектирующими устройствами, кожухом, охватывающим среднюю часть прямоточной трубы реактора, и обратным клапаном, установленным в дополнительном технологическом трубопроводе, подогреватель газов выполнен в виде цилиндрического теплоизолированного от внешней среды корпуса, в котором смонтированы прямоточная теплопроводящая труба, сообщенная одним концом с выходом турбокомпрессора, а другим концом с входом прямоточной трубы реактора, секционный тепловой электрический нагреватель, электрически связанный через регулятор напряжения с источником электропитания и установленный в теплопроводящем корпусе, контактирующем с прямоточной теплопроводящей трубой, и теплопроводящий преобразователь для кислорода, сообщенный своим входом с выходом нагнетателя кислорода, а выходом с дополнительным входом реактора, размещенным на другом конце прямоточной трубы, при этом участок средней части прямоточной трубы реактора выполнен перфорированным и совместно с кожухом выполнен в виде кольцевой герметичной полости, сообщенной трубопроводами с холодильником-конденсатором, а во входах прямоточной трубы реактора установлены эжектирующие устройства.

Кроме того, для достижения указанной цели изобретения теплопроводящий преобразователь для кислорода выполнен в виде двух пустотелых колец, одно из которых сообщено с выходом нагнетателя кислорода, а другое с дополнительным входом реактора, причем кольца сообщены между собой прямоточными трубами, охватывающими электрический нагреватель; участок средней части прямоточной трубы реактора снабжен по меньшей мере двумя сетками, размещенными напротив выходов эжектирующих устройств и изготовленными из платинового сплава; подогреватель газов снабжен теплопроводящими пластинами, контактирующими с корпусом электрического нагревателя и прямоточными трубами теплопроводящего преобразователя для кислорода.

При патентных исследованиях не обнаружена заявляемая совокупность признаков установки для производства метанола для достижения цели изобретения. Из анализа совокупности существенных признаков установки следует, что предложенные новые подогреватель газов и реактор при наличии новых технологических связей обеспечивают повышение производительности и безопасности установки.

Повышение производительности установки достигается за счет встречно направленных потоков метана и кислорода, обеспечивающих интенсификацию взаимодействия газов, формируемых и ускоряемых эжектирующими устройствами, при этом эжектирующие устройства исключают в передней и задней частях реактора образование застойных зон, что повышает безопасность установки.

Специалистами института химической физики им. Н.Н.Семенова установлено, что скорость образования метанола при окислении метана, а также других протекающих реакций в реакторе, увеличивается по мере уменьшения содержания в смеси одного из исходных газов кислорода, что повышает эффективность процесса почти на 20% В предлагаемой установке нагнетаемая под давлением в 7,5 10 МПа в реактор газовая среда, состоящая преимущественно из метана и кислорода, регулируется посредством регулятора соотношения газов в объемном соотношении метан: кислород, равном (0,7-2,1):1. При таком соотношении газов не возникают условия для взрыва при их утечке из агрегатов установки.

Таким образом, совокупность признаков обеспечивает достижения цели изобретения.

По мнению заявителя, техническое решение является новым, так как не известно из уровня техники. Техническое решение имеет изобретательский уровень, так как для специалиста явным образом не следует из уровня техники в данной области. Техническое решение промышленно применимо в виду того, что признаки могут быть промышленно освоены на предприятиях химической промышленности.

Фиг. 1 схематично изображена установка для производства метанола
с блок-схемой управления, общий вид

Фиг. 2 то же, продольный разрез подогревателя газов, в увеличенном масштабе

Фиг. 3 то же, разрез по А-А на фиг. 2

Фиг. 4 то же, продольный разрез реактора, в увеличенном масштабе

Фиг. 5 то же, узел Б на фиг. 4; на фиг. 6 то же, продольный разрез холодильника-конденсатора

Установка для производства метанола включает в себя турбокомпрессор 1, сообщенный с трубопроводом 2 метана (природного газа), нагнетатель 3 кислорода, сообщенный с трубопроводом 4 кислорода, подогреватель 5 газов, реактор 6, холодильник-конденсатор 7, станцию 8 управления, источник 9 электропитания, связанный через выпрямитель 10 со станцией 8 управления и регулятором 11 напряжения, приводные клапаны, поворотные заслонки, установленные на технологических трубопроводах, и электрические связи для управления элементами установки.

Турбокомпрессор 1 известной конструкции, использующий метан или природный газ в качестве источника энергии, поступающей через трубопровод 12 и приводные клапаны 13, 14 в его камеру сгорания 15, обеспечивает подачу метана под давлением 7,5 10 МПа через трубопровод 16 с приводной поворотной заслонкой 17 на вход 18 подогревателя 5 газов.

Нагнетатель 3 кислорода известной конструкции, например, поршневого типа приводится в действие электродвигателем 19 постоянного тока и обеспечивает подачу кислорода под давлением 7,5 10 МПа через трубопроводы 20, 21 с приводными клапаном 22 и поворотной заслонкой 23 в подогреватель 5 газов. Подогреватель 5 газов представляет из себя цилиндрический корпус 24 с крышками 25, 26, герметично закрепленными с торцов корпуса 24, причем корпус и крышки теплоизолированы от внешней среды. В корпусе 24 смонтированы прямоточная теплопроводящая труба 27 для нагрева метана, установленная в крышках 25, 26 и перегородке 28 с отверстиями 29, 30, 31, секционированный тепловой электрический нагреватель 32 и теплопроводящий преобразователь 33 для кислорода. Корпус 24 может устанавливаться как в горизонтальном, так и в вертикальном положениях.

Прямоточная теплопроводящая труба 27 своим входом 18 сообщена с приводной поворотной заслонкой 17, предназначенной для регулирования заданного объема метана, а ее выход 34 сообщен через трубопровод 35 с входом 36 реактора 6. Секционный тепловой электрический нагреватель 32 представляет из себя по меньшей мере два цилиндрических корпуса 37, 38, в полостях которых смонтированы секции 39, 40 нагревателя на различные мощности. Внутренние поверхности корпусов 37, 38 выполнены контактирующими с прямоточной теплопроводящей трубой 27. Каждая секция 39, 40 изготовлена из тугоплавкого и жаропрочного материала с высоким удельным сопротивлением с максимальной площадью нагрева. Элементы нагрева электроизолированы друг от друга посредством электроизоляторов 41 для исключения их разрушения. Электроизоляторы 41 выполнены из керамики. Каждая секция 39, 40 электрического нагревателя 32 подключена к регулятору 11 напряжения известной конструкции посредством электрических элементов подключения 42, 43 (электрические элементы подключения секции 39 условно не показаны). Регулятор 11 напряжения электрически связан с источником 9 электропитания.

Источник 9 электропитания представляет из себя генератор переменного тока, вал которого соединен с турбокомпрессором 1. В другой модификации исполнения источника 9 электропитания источник 9 может быть выполнен в виде сети переменного тока предприятия.

Теплопроводящий преобразователь 33 для кислорода может быть выполнен в виде двух пустотелых колец 44, 45 прямоугольного сечения, одно из колец 44 сообщено с выходом 46 нагнетателя 3 кислорода (входной патрубок преобразователя 33 условно не показан), а другое кольцо 45 посредством патрубка 47 и трубопровода 48 с дополнительным входом 49 реактора 6, при этом кольца 44, 45 сообщены между собой прямоточными трубами 50, пропущенными через отверстия 30 перегородки 28. Трубы 50 охватывают секционный тепловой электрический нагреватель 32. В полости подогревателя 5 газов установлено множество теплопроводящих пластин 51, связывающих цилиндрические корпуса 37, 38 с трубами 50 теплопроводящего преобразователя 33 для кислорода. Это обеспечивает теплопередачу для нагрева кислорода.

Реактор 6 выполнен в виде прямоточной трубы 52, теплоизолированной от внешней среды (теплоизоляция условно не показана). Диаметр и длина трубы 52 реактора 6 определяется в зависимости от его проектной производительности. Торцы трубы 52 герметично закрыты крышками 53 и 54 с центральными отверстиями, представляющими из себя входы 36, 49 реактора 6. К входам 36, 49 герметично присоединены трубопроводы 35, 48 посредством фланцевых соединений 55, 56. В полостях крышек 53, 54, выполненными в виде полусфер, смонтированы эжектирующие устройства 57, 58, предназначенные для ускорения потоков газов метана и кислорода, а также для подсасывания газов из пристеночных зон через кольцевые промежутки 59, образованными между соплами 60 первой ступени и соплами 61 второй ступени. Такое конструктивное исполнение обеспечивает интенсивное взаимодействие и перемешивание газов. Участок средней части прямоточной трубы 52 выполнен перфорированным и охвачен герметично присоединенным к трубе 52 кожухом 62, образующими между собой кольцевую герметичную полость 63, сообщенную через трубопроводы 64, 65, 66 и приводные клапаны 67, 68 с холодильником-конденсатором 7. Отверстия 69 перфорированного участка средней части трубы 52 выбираются с минимальным гидравлическим сопротивлением.

Участок средней части прямоточной трубы 52 может быть снабжен по меньшей мере двумя сетками 70, размещенными напротив выходов эжектирующих устройств 57, 58, изготовленными, например, из сплавов пластины Pt (около 50%) с добавками родия Rh, палладия Pd, иридия Ir и других элементов для повышения эффективности установки.

В установке предусматривается катализатор "Орбели" для получения высококачественных углеводородов, состоящий из осмия Os, родия Rh, бериллия Be и лития Li, процентное содержание которых определяется пропорционально атомным массам. Сплав, полученный из указанных элементов, используется для изготовления сеток 70.

Холодильник-конденсатор 7 известной конструкции преимущественно предназначен для сбора сырца метанола и снабжен дополнительными трубопроводами 71 и 72 с приводными клапанами 73 и 74. Трубопровод 71 с приводным клапаном 73 предназначен для отвода метанола, а трубопровод 72 с приводным клапаном 74 - для отвода непрореагировавших газов через обратный клапан 75 на вход турбокомпрессора 1 или в магистральный трубопровод (условно не показан).

При варьировании условий процесса, например, изменяя температуру или давление, холодильник-конденсатор 7 может быть снабжен сепаратором и сборниками для целевых продуктов углеводородов (условно не показаны), при этом из сепаратора отводятся непрореагировавшие газы через обратный клапан 75 на вход турбокомпрессора 1.

Для ведения процесса установка для производства метанола снабжена серийно выпускаемыми средствами автоматизации, в частности средствами измерения и регулирования давления на выходах турбокомпрессора 1 и нагнетателя 3 кислорода, средствами измерения и регулирования температуры, средствами для измерения и регулирования объемного соотношения метан:кислород, равном (0,7-2,1):1.

Отборные устройства 76, 77 для измерения давления на выходах турбокомпрессора 1 и нагнетателя 3 кислорода установлены в трубопроводах 16 и 21. Отборные устройства 78 и 79 для измерения температуры, например термопары, установлены в трубопроводах 35 и 48. Отборные устройства 80 и 81 для измерения расхода метана и кислорода установлены перед входами реактора 6 в трубопроводах 35 и 48.

Вторичные приборы с регулирующими устройствами для измерения и регулирования давления и температуры размещены на станции 8 управления. Отборные устройства 80 и 81 связаны через регулятор 82, соотношения метан:кислород, станцию 8 управления с приводными поворотными заслонками 17, 23.

Для развязки гидравлических связей между метаном и кислородом в трубопроводе 48 установлен дополнительный обратный клапан 83.

Соотношение метан: кислород, равное (0,7-2,1):1, выбирается из расчета недостатка кислорода при взаимодействии метана с кислородом в реакторе 6, что обеспечивает повышение эффективности и безопасности установки.

Предлагаемая установка для производства метанола удовлетворяет всем требованиям проектирования и эксплуатации химических предприятий.

В исходном положении агрегаты и регулирующие органы установки отключены от источников питания, трубопроводы 2 и 4 перекрыты от источников метана и кислорода приводными клапанами (шиберами) 13, 22.

Для приведения в действие агрегатов установки от аккумуляторных батарей в соответствии с заданным алгоритмом управления по управляющим сигналам станции 8 управления открываются на заданную величину приводные клапаны 13, 14, через которые метан поступает в компрессор и в камеру сгорания 15 турбокомпрессора 1. Известными приемами осуществляется запуск турбокомпрессора 1, который приводит в действие компрессор и генератор 9 переменного тока. Турбокомпрессор 1 сначала выводится на минимальные обороты, а затем на номинальные, при этом одновременно по управляющим сигналам станции 8 управления поворотные заслонки 17, 23 устанавливаются в среднее положение, а приводные клапаны 67, 68 и 74 открываются на заданную величину. Из турбокомпрессора 1 метан под давлением 7,5 МПа нагнетается через трубопровод 16 в подогреватель 5 газов, а затем по трубопроводу 35 в реактор 6, в котором поток метана ускоряется эжектирующим устройством 57. Из реактора 6 метан под давлением нагнетается через отверстия 69 прямоточной трубы 52, кольцевую полость 63 кожуха 62, трубопроводы 64, 65 и 66 и приводные клапаны 67, 68 в холодильник-конденсатор 7. Из холодильника-конденсатор 7 метан через приводной клапан 74 и обратный клапан 75 трубопровода 72 возвращается на вход турбокомпрессора 1.

В установке устанавливается процесс циркуляции метана. Обслуживающим персоналом проверяются герметичные соединения установки.

Одновременно поток энергии от источника 9 электропитания поступает на станцию 8 управления через выпрямитель 10. По управляющим сигналам станции 8 управления включаются нагнетатель 3 кислорода и через регулятор 11 напряжения подогреватель 5 газов. Давление кислорода, равное 7,5 МПа, на выходе 46 нагнетателя 3 достигается за счет регулирования оборотов электродвигателя 19 постоянного тока.

При включении подогревателя 5 газов электрический ток, протекая по секциям 39, 40, нагревает корпуса 37, 38 секционного теплового электрического нагревателя 32, тепло от которых передается к прямоточной теплопроводящей трубе 27 и к трубам 50 теплопроводящего преобразователя 33 для кислорода посредством множества пластин 51.

Благодаря конвекции и лучеиспусканию от нагретых труб 27, 50 метан и кислород нагреваются в пределах 350 400^oC. Контроль изменения температуры как в полости корпуса 24, так и в трубопроводах 35 и 48 осуществляется термопарами 78 и 79 (термопары в корпусе 24 условно не показаны) с выводом сигнала на станцию 8 управления. Система контроля и регулирования температуры обеспечивает поддержание заданной температуры в пределах указанного диапазона.

Нагретый кислород под давлением нагнетается в реактор 6, в котором поток кислорода ускоряется эжектирующим устройством 58. Одновременно система автоматического регулирования расхода метан-кислород поддерживает заданное соотношение газов.

Сигналы от сборных устройств 80, 81 поступают в регулятор соотношения 82, по сигналам которого в станции 8 управления формируются управляющие сигналы на изменение положения поворотных заслонок 17, 23.

Встречное движение нагретых потоков газов приводит к интенсивному перемешиванию и взаимодействию метана и кислорода, вследствие этого в реакторе 6 осуществляется прямое гомогенное окисление метана кислородом с получением метанола.

Текущие потоки газов в реакторе 6 перемешиваются между собой в его средней части. Малый объем смеси газов, например одна треть, вышеописанными приемами попадает в холодильник-конденсатор 7, а большой объем газов из-за наличия гидравлического сопротивления (регулирование гидравлического сопротивления осуществляется приводными клапанами 67, 68) течет в обратном направлении благодаря наличию подсасывания газов через кольцевые промежутки 59 эжектирующих устройство 57, 58 из пристеночных зон реактора, затем поток смеси газов вновь ускоряется эжектирующими устройствами.

Таким образом, в реакторе 6 удерживается циркуляция смеси газов. При использовании в реакторе 6 сеток-катализаторов 70 процесс взаимодействия метана и кислорода усиливается, причем скорость окисления увеличивается.

В реакторе 6 протекают следующие реакции:

При этом метан и кислород смешивают в соотношении (вытекает из формулы) 2: 1, однако для получения широкого класса органических соединений объемное соотношение может быть выбрано (0,7-2,1):1.

В случае использования в установке биогаза для производства метанола предварительно биогаз пропускают через сепаратор для удаления из смеси CO₂, CO, N и H₂S, а затем очищенный метан CH₄ подают на вход турбокомпрессора 1.

В холодильнике-конденсаторе 7 осуществляется конденсация переход паров газообразного метана и других углеводородов в жидкое состояние. Процесс конденсации происходит при нормальной температуре и давлении . Непрореагировавшие газы подогреваются теплом, выделившимся при конденсации паров газообразного метанола, и поступают через приводной клапан 74 и обратный клапан 75 на вход турбокомпрессора 1. Процесс осуществляется циклически.

Для оптимального ведения процесса в трубопроводе 72 устанавливается газоанализатор (условно не показан), определяющий процентное содержание кислорода в непрореагировавших газах. Газоанализатор формирует корректирующий сигнал, который вводится в регулятор соотношения 82.

Периодически сырец метан вытесняется из холодильника-конденсатора 7 через приводной клапан 73 для дальнейшей переработки.

Технико-экономическая эффективность установки для производства метанола заключается в том, что благодаря новой совокупности существенных признаков обеспечивается достижение цели изобретения, в частности повышается производительность установки за счет использования новых устройств - подогревателя 5 газов и реактора 6, причем газообразный метанол получают не только в реакторе 6, но также и в технологической цепи: в прямоточной теплопроводящей трубе 27 подогревателя 5 газов, в трубопроводе 35 за счет взаимодействия непрореагировавших между собой газов.

Кроме того, предлагаемая установка для производства метанола универсальна и может быть использована, например, для производства формальдегида и других целевых продуктов за счет изменения условий протекания процесса.

1.   Установка для производства метанола, содержащая технологические трубопроводы подачи метана и кислорода турбокомпрессором и нагнетателем через подогреватель газов в реактор, выполненный в виде прямоточной трубы и связанный с холодильником-конденсатором, причем последний сообщен дополнительным технологическим трубопроводом с входом турбокё1мпрессора, и станцию управления, отличающаяся тем, что она снабжена эжектирующими устройствами, кожухом, охватывающим среднюю часть прямоточной трубы реактора, и обратным клапаном, установленным в дополнительном технологическом трубопроводе, подогреватель газов выполнен в виде цилиндрического теплоизолированного от внешней среды корпуса, в котором смонтированы прямоточная теплопроводящая труба, сообщенная одним концом с выходом турбокомпрессора, а другим концом с входом прямоточной трубы реактора, секционный тепловой электрический нагреватель, электрически связанный через регулятор напряжения с источником электропитания и установленный в теплопроводящем корпусе, контактирующем с прямоточной теплопроводящей трубой, и теплопроводящий преобразователь для кислорода, сообщенный своим входом с выходом нагнетателя кислорода, а выходом с дополнительным входом реактора, размещенным на другом конце прямоточной трубы, при этом участок средней части прямоточной трубы реактора имеет перфорацию и образует совместно с кожухом кольцевую герметичную полость, сообщающуюся посредством трубопроводов с холодильником-конденсатором, а эжектирующие устройства установлены во входах прямоточной трубы реактора.

2.   Установка по п. 1, отличающаяся тем, что теплопроводящий преобразователь для кислорода выполнен в виде двух пустотелых колец, одно из которых сообщено с выходом нагнетателя кислорода, а другое с дополнительным входом реактора, причем кольца сообщены между собой прямоточными трубами, охватывающими тепловой электрический нагреватель.

3.   Установка по п. 1, отличающаяся тем, что участок средней части прямоточной трубы реактора снабжен по меньшей мере двумя сетками, размещенными напротив выходов эжектирующих устройств и изготовленных из платинового сплава.

4.   Установка по п. 1, отличающаяся тем, что подогреватель газов снабжен теплопроводящими пластинами, контактирующими с корпусом электрического нагревателя и прямоточными трубами теплопроводящего преобразователя для кислорода.

Имя изобретателя: Тихомиров А.Г.; Климентьева Г.В.; Кустов Л.Я.; Нестеров Г.И.; Матвеев И.К.; Тимохин В.М.; Жуков А.А.; Жуков А.А.

Имя патентообладателя: Специализированное проектно-конструкторское и технологическое бюро Территориального производственного специализированного транспортного объединения "Спецтранс"

Адрес для переписки: 

Дата начала действия патента: 1993.07.12

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка метанола можно познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок метанола в России».

www.newchemistry.ru