Проект реактора синтеза метанола.

Введение 4
1. Теоретическая часть 6
1.1. Физико-химические основы процесса получения метанола 6
1.2. Выбор конструкции основного аппарата 10
2. Характеристика продукта, исходного сырья и материалов 16
3. Расчетная часть 19
3.1. Материальный расчет основного аппарата 19
3.2. Технологический расчет основного аппарата 30
3.3. Тепловой расчет основного аппарата 33
3.4. Механический расчет основного аппарата 36
3.4.1. Конструирование аппарата 36
3.4.2. Выбор материала для изготовления аппарата 36
3.4.3. Расчет толщины стенки цилиндрической обечайки 38
3.4.4. Расчет толщины стенки эллиптического днища 40
3.4.5. Расчет фланцевых соединений 41
3.4.6. Расчет укрепления отверстия 46
3.4.7. Расчет опоры аппарата 49
Заключение 51
Список использованных источников 52
Приложение А. Спецификация основного аппарата 54

Весь текст будет доступен после покупки

Метиловый спирт находится в числе самых распространённых и используемых в промышленности веществ органической химии. Раньше метанол добывали в промышленности с помощью сухой перегонки древесины. Сейчас этот метод не используется. На данный момент спирт получают из синтез газа, то есть из оксида углерода и водорода. Этот способ начали развивать в 1913 г., процесс был осуществлен на цинк-хромовом катализаторе при Р = 250?350 кгс/см2 [1].
В промышленности получение метилового спирта было осуществлено только в 1934 г. Выход метанола-ректификата составлял всего лишь 30 т/сутки. Его производили из водяного газа, полученного путем газификации кокса. В настоящее время сырьем для синтеза служит природный газ. Процесс проходит при Р = 250?300 кгс/см2 и t = 380 °С.
На сегодняшний день разрабатывают новые способы, чтобы модернизировать процесс. Разрабатываются современные и дешевые методы синтеза, используют новые, зарубежные катализаторы, которые позволяют увеличить выход продукта. Совершенствуется технологическое оборудование. Тепло, которое выделяется при синтезе, возвращается обратно в производство, то есть процесс замкнутый. Появляется инновационное оборудование для производства метанола в объеме до 30 тыс. т/г, такое оборудование является практически автономным, оно не требует энергию и пар извне. Еще разрабатывают схемы для синтеза метилового спирта при низких давлениях, в пределах 50?150 кгс/см2, такой метод является технико-экономически выгодным [2].

Весь текст будет доступен после покупки

1. Теоретическая часть
1.1. Физико-химические основы процесса получения метанола

Метанол – это простейший из одноатомных спиртов. В свободном состоянии он почти не встречается, только в составе других веществ, например, в эфирных маслах. А вот производные метанола содержатся в различных природных красителях, растительных маслах, они представляют собой сложные эфиры, а также в алкалоидах – это простые эфиры и т.д.
При нормальных условиях метиловый спирт представляет собой легколетучую, бесцветную, горючую жидкость, чаще всего с запахом, отдаленно он напоминает этиловый спирт. Метанол является сильным ядом для человека, из-за него можно потерять зрение, а если увеличить дозу, то в большинстве случаев наступает смерть. На огне он горит зеленым светом.
Физические свойства представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Физические характеристики метанола при нормальных условиях [1]
Физические свойства Показатели
Молекулярный вес, г/моль 32,04
Плотность, г/см8 0,810 0
Вязкость, мПа-с 0,817
Температура кипения, °С 64,7
Температура плавления, °С -97, 68
Теплота парообразования, ккал/моль 8,94
Теплота сгорания, ккал/моль:
а) жидкого 173,65
б) газообразного 177,40

Как изменяется вязкость и плотность метанола при увеличении температуры представлено в таблице 2.



Таблица 2 – Зависимость плотности и вязкости метанола от температуры [1]
Температура, °С -40 -20 0 20 40 60
Плотность, г/см3 0,847 0 0,829 0 0,810 0 0,791 5 0,774 0 0,775 5
Вязкость, мПа•с 1,750 1,160 0,817 0,597 0,450 0,350

При нормальных условиях метиловый спирт имеет небольшое давление насыщенных паров. Давление паров при повышении температуры значительно увеличивается. Так, при увеличении температуры с 10 до 60 °С давление возрастает от 54,1 до 629,8 мм рт. ст., а при 100 °С – 2 640 мм рт. ст. Метанол спокойно водяные пары, оксид углерода (IV) и некоторые другие вещества.
Метанол прекрасно растворяет в себе многие газы и пары. Инертные газы, такие как гелий, неон или аргон, а еще и кислород в метаноле при стандартных условиях растворяются лучше, чем ацетоне, этаноле или бензоле. Но если разбавлять эти газы водой, то растворимость понижается.
Метанол смешивается во всех отношениях со значительным числом органических соединений. Со многими из них он образует азеотропные смеси – растворы, перегоняющиеся без изменения состава и температуры кипения, т. е. без разделения. К настоящему времени известно свыше 100 веществ, в числе которых имеются и соединения, обычно присутствующие в метаноле-сырце. К этим веществам, например, относятся ацетон, метилацетат, метилэтилкетон, метилпропионат и некоторые другие.
Равновесие реакции образования метанола. Процесс получения метанола основан на взаимодействии водорода и окиси углерода:
2Н2 + СО - СН3ОН + 21,67 ккал (1.1.1)
Реакция может протекать как в прямом, так и в обратном направлениях.
В соответствии с законом действующих масс скорость любой химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.
Тогда скорости прямой и обратной реакций выразятся уравнениями:
?1 = k1 [Н2]2[СО] ?2 = к2 [СН3ОН], (1.1.2)
где [H2], [СО] и [СН3ОН] — концентрации водорода, окиси углерода и метанола; k1, k2 – константы скорости прямой и обратной реакций, значения которых зависят от температуры.
При условии равновесия скорости прямой и обратной реакций становятся равными:
K=k_1/k_2 =(?[CH?_3 OH])/(?[H_2]?^2 [CO]) (1.1.3)
k1[Н2]2[СО] = к2 [СН3ОН], где К – константа равновесия реакции.
Значение константы равновесия необходимо для расчета равновесного выхода метанола.
Давление
В технических расчетах обычно пользуются выражением константы равновесия через парциальное давление компонентов.
При повышении давления и понижении температуры равновесие сдвигается в сторону увеличения выхода метанола.
В промышленных условиях синтез метанола осуществляется из газовой смеси, содержащей кроме водорода и окиси углерода также двуокись углерода. Поэтому при расчете равновесия синтеза метанола из смеси газов Н2–СО–CO2 необходимо учитывать следующую реакцию:
СО2 + Н2(O) - СО + Н2О – 9,8 ккал (1.1.4)
Равновесный выход метанола, степень превращения окиси и двуокиси углерода в значительной мере меняются в зависимости от давления, температуры, отношения Н2:СО и содержания двуокиси углерода в газе.
При повышении давления выход метанола почти прямо пропорционально увеличивается и резко возрастает степень превращения окиси и двуокиси углерода при 380 °С (Таблица 3):

Таблица 3 – Зависимость выхода метанола от повышения давления [1]
Давление, кгс/см2 50 100 200 300 400
Выход СН3ОН, об. % 0,37 1,56 5,54 9,31 11,68
Температура
С повышением температуры равновесный выход метанола понижается. Наиболее резкое понижение наблюдается при температурах выше 340 °С. В этих условиях (при 300 кгс/см2) начинает снижаться степень превращения окиси и двуокиси углерода в метанол, причем более резко окиси углерода (Таблица 4):

Таблица 4 – Зависимость выхода метанола и степени превращения СО и СО2 от температуры [1]
Температура, °С 250 300 340 360 380 400
Выход метанола, об. %. 15,44 14,81 12,88 11,37 9,31 7,40
Степень превращения, %
СО 99,75 97,20 87,52 78,96 66,19 53,29
СО2 98,00 89,80 77,00 71,50 66,61 64,00

При давлении 50 кгс/см2 и повышении температуры от 180 с 300 °С равновесный выход метанола снижается более чем в 7 раз (отношение Н2:СО = 3,6, содержание двуокиси углерода 6,0 об. %).
При 300 кгс/см2 и 380 °С равновесный выход метанола и степень превращения окислов углерода в зависимости от отношения Н2:СО меняются следующим образом (Таблица 5):

Таблица 5 – Зависимость выхода метанола и степени превращения СО и СО2 от отношения Н2:СО [1]
Отношение Н2:СО 2 4 8 10 14
Выход СН3ОН, об. % 17,25 13,80 8,39 7,05 5,40
Степень превращения, %
СО 44,50 60,39 66,85 67,80 67,97
СО2 19,50 45,71 70,52 76,15 82,39

При увеличении содержания окиси углерода в газе, т. е. уменьшении отношения Н2:СО, равновесный выход метанола возрастает пропорционально при 50 кгс/см2 и 6 об. % СО2).
1.2. Выбор конструкции основного аппарата

Основным аппаратом в синтезе метанола служит реактор – контактный аппарат, конструкция которого зависит главным образом, от способа отвода тепла и принципа осуществления процесса синтеза [1, 6].
Реакционный узел при синтезе метанола выполняют по-разному, что зависит от способа отвода тепла и проведения реакции [7].
В современных технологических схемах используются реакторы трех типов [8]:
1) трубчатые реакторы, в которых катализатор размещен в трубах, через которые проходит реакционная масса, охлаждаемая водным конденсатом, кипящим в межтрубном пространстве;
2) адиабатические реакторы с несколькими слоями катализатора, в которых съем тепла и регулирование температуры обеспечивается подачей холодного газа между слоями катализатора;
3) реакторы для синтеза в трехфазной системе, в которых тепло отводится за счет циркуляции жидкости через котел-утилизатор или с помощью встроенных в реактор теплообменников.
Значительное распространение получили трубчатые реакторы (Рисунок 1а).


Рисунок 1 – Основные конструкции для синтеза метанола [8]:
а – трубчатый реактор; б – адиабатический реактор с несколькими слоями катализатора; в – реактор для синтеза в трехфазной системе

В трубчатом реакторе отвод тепла осуществляется путем теплообмена реагирующей смеси с теплоносителем через стенку реактора. Катализатор загружается в трубки небольшого диаметра (28 см), в межтрубном пространстве циркулирует теплоноситель – водяной пар под давлением или расплав солей. Сложность конструкции повышает стоимость таких аппаратов. Однако большим преимуществом трубчатых реакторов являются хорошие условия отвода тепла от катализатора, так как отношение поверхности теплоотдачи к объёму катализатора значительно выше по сравнению с многослойными аппаратами.
Несмотря на сложность конструкции, трубчатые аппараты эффективно используются для реализации ряда средне-экзотермических процессов, например, процессов каталитического селективного окисления углеводородов. Количество трубок в одном аппарате достигает 1 020 тыс. штук, при этом общая загрузка катализатора не превышает 3 040 м3.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Кемалов Р.А. Технологии получения и применения метанола: Учебн. пособие / Р.А. Кемалов, А.Ф. Кемалов. – Казань: КФУ, 2016. – 167 с.
2. Кутепов А.М. Общая химическая технология: Учебн. Для вузов – 3-е изд., перераб / А.М. Кутепов, Т.И. Бондарева М.Г. Беренгартен. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. – 528 с.
3. Технология синтетического метанола/ М.М. Караваев [и др.]. – М.: Химия, 2010. – 239 с.
4. Обзор промышленных технологий получения метанола из природного газа / Советин Ф.С. [и др.] // Успехи в химии и химической технологии. –2021. – № 8. – 143-144 с.
5. Серафимов Л.А. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза / Л.А. Серафимов, В.С. Тимофеев, А.В. Тимошенко. – М.: «Высшая школа». 2010. – 536 c.
6. Усачев Н.Я. Проблемы и перспективы конверсии углеводородов в синтез-газ / Н.Я. Усачев, В.В. Харламов // Нефтехимия. 2011. Т. 51. № 2. 107–117 с.
7. Колбановский Ю.А. Конверсия биогаза в синтез-газ в реакторе с высокой теплонапряженностью / Ю.А. Колбановский [и др.] // НефтеГазоХимия. 2015. № 1. 28-32 с.
8. Гимаева А.Р. Обзор реакторов синтеза метанола и их характеристик / А.Р. Гимаева, И.И. Хасанов // НефтеГазоХимия. – 2019. – № 3-4. – 26-30 с.
9. Верниковская Н.В. Каталитические прцессы в реакторах с неподвижным слоем: Учебно-методическое пособие для компьютерного курса по инженерной химии каталитических процессов / Н.В. Верниковская, Ю.В. Малоземов, С.А. Покровская / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2008. – 68 с.
10. Сутягин В.М. Основы проектирования и оборудования производств полимеров: учебное пособие / В.М. Сутягин, А.А. Ляпков, В.Г. Бондалетов // Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – 395 с.

Весь текст будет доступен после покупки