Способ получения метанола и установка для его осуществления

Настоящее изобретение относится к установке для получения метанола, а также к способу получения метанола окислением метансодержащего газа на данной установке. Предлагаемая установка содержит установку комплексной подготовки газа, реактор газофазного окисления метансодержащего газа, состоящий из теплообменника «газ-газ» реакционной зоны, набранного из единичных цилиндрических труб, и теплообменника «газ-вода» зоны охлаждения, холодильник-конденсатор, ректификационный узел, систему экологической очистки, газовую горелку. При этом в зоне максимального разогрева реагирующей смеси установлен дополнительный реактор в виде цилиндрической трубы с устройством ввода дополнительной порции холодного метансодержащего газа, в том числе природного газа, холодильник-конденсатор соединен через инжектор с одним из входов газовой горелки. Предлагаемые изобретения позволяют повысить выход метанола в расчете на 1 м³ пропущенного за один проход метана. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к области органической химии, а именно к технологии производства метанола прямым окислением метансодержащего газа (природного газа).

Основная проблема создания малотоннажных установок для получения 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, двуокисью углерода и другими элементами.

Рециркуляция метана требует его отделения от реакционной смеси, что является весьма затруднительным. Поэтому выход метанола, в расчете на весь пропущенный метан, остается крайне низким, а рециркуляция метана практически невозможной, как и окисление всего 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 содержанием в получаемом оксидате).

Известна полезная модель «Установка для получения метанола» (RU №86590), содержащая установку комплексной подготовки газа, реактор для проведения газофазного окисления углеводородного газа, состоящий из теплообменника «газ-газ» реакционной зоны, набранного из единичных цилиндрических труб, 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. При этом длина единичной обогреваемой цилиндрической трубы 820-850 мм; внутренний диаметр единичной цилиндрической 67-69 мм; внутренняя поверхность единичной цилиндрической трубы отшлифована; для обогрева единичных цилиндрических труб реакционной зоны предусмотрена газовая горелка.

Эффективность работы данной установки может быть повышена за счет введения в реакционную зону дополнительной порции метансодержащего газа, в том числе природного газа, а также за счет устранения недоокисленных продуктов в отходящих газах.

Известен способ производства метанола (RU 2162460 C1), включающий раздельную подачу последовательно сжатого и нагретого углеводородсодержащего газа и сжатого кислородсодержащего газа в смесительные зоны последовательно расположенных реакторов, последующее газофазное окисление углеводородсодержащего газа при начальной температуре до 500°C, давлении до 10 МПа и содержании кислорода не более 8 об.%, охлаждение реакционной смеси после каждой реакционной зоны реакторов на 70-150°C через стенку потоком холодного углеводородсодержащего газа, закалку реакционной смеси после последней реакционной зоны путем снижения температуры реакционной смеси не менее чем на 200°C за время, составляющее менее 0,1 времени ее пребывания в реакционной зоне, охлаждение и сепарацию охлажденной реакционной газожидкостной смеси на отходящий газ и жидкие продукты после каждого последовательно расположенного реактора, ректификацию жидких продуктов с выделением метанола, подачу отходящих газов в исходный углеводородсодержащий газ или на сжатие. Использование данного способа при термическом окислении шахтного метана неэффективно, вследствие накопления в реагирующем газе продуктов окисления метана и дополнительных затрат, возникающих при рециркуляции окисляемого газа и необходимости его компримирования. Необходимость рециркуляции газовой смеси снижает производительность способа по окисляемому метану.

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 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, A). Однако большое время пребывания реагентов в реакторе не позволяет обеспечить высокую производительность установки, что делает процесс окисления шахтного метана малоэффективным.

Известен способ получения метанола (RU 2049086, прототип), путем окисления метансодержащего газа, в том числе природного газа, кислородсодержащим газом, в том числе кислородом, при повышенных температуре и давлении, при раздельной подаче в реактор предварительно подогретого метансодержащего газа и кислородсодержащего газа и последующего отделения целевого продукта. При этом процесс осуществляют при химическом воздействии на одну или несколько последовательных стадий прямого неполного окисления метана при температуре 200-600°C и давлении 2,5-15 МПа.

Недостатком данного способа является невысокий выход метанола в расчете на 1 м³ пропущенного метана.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение выхода метанола в расчете на 1 м³ пропущенного за один проход метана.

Это достигается способом получения метанола путем окисления метансодержащего газа, в том числе природного газа, кислородом воздуха при повышенных температуре и давлении, при подаче в реактор предварительно смешанного метана с воздухом и последующего отделения целевого продукта, при этом воздействие на процесс получения метанола осуществляют путем введения в реактор, в зону максимального разогрева реагирующей смеси, дополнительной порции холодного метансодержащего газа, в том числе природного газа.

Отличием предлагаемого способа является то, что исходный газ в своем составе содержит повышенное содержание кислорода, 50-75 об.%, позволяющее получить при окислении дополнительное количество метанола.

Изобретение также относится к установке для получения метанола, содержащей установку комплексной подготовки газа, реактор газофазного окисления метансодержащего газа, состоящий из теплообменника «газ-газ» реакционной зоны, набранного из единичных цилиндрических труб и теплообменника «газ-вода» зоны охлаждения, холодильник-конденсатор, ректификационный узел, систему экологической очистки, газовую горелку, отличающаяся тем, что в зоне максимального разогрева реагирующей смеси установлен дополнительный реактор в виде цилиндрической трубы с устройством ввода дополнительной порции холодного метансодержащего газа, в том числе природного газа, холодильник-конденсатор, соединенный через инжектор с одним из входов газовой горелки.

В дальнейшем предлагаемая установка поясняется чертежом, на котором фиг.1 изображает общий вид установки для получения метанола.

Установка для получения метанола содержит: 1 - реактор для проведения газофазного окисления метана; 2 - реакционная зона; 3 - трубный теплообменник «газ-вода»; 4 - вводное устройство; 5 - единичные цилиндрические трубы; 6 - трубные доски; 7 - газовая горелка; 8 - трубки; 9 - трубные доски; 10 - вводное устройство; 11 - выводное устройство; 12 - установка комплексной подготовки газа; 13 - холодильник-конденсатор; 14 - реакционная зона; 15 - устройство ввода дополнительной порции холодной метановоздушной смеси; 16 - инжектор. Реактор 1 состоит из трех зон 2, 3 и 14, две из которых 2 и 14 являются реакционными и снабжены вводным устройством для ввода исходного газа 4 и устройством ввода дополнительной порции холодной метано-воздушной смеси 15. 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 продуктами горения газовой горелки 7, смешанными с воздухом и движущимися в межтрубном пространстве по ходу движения реакционной смеси.

Зона 14 представляет собой цилиндрическую трубку, в которой происходит реакция неполного окисления дополнительной порции метана, вводимого через устройство ввода дополнительной порции холодной метановоздушной смеси 15.

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 газовой горелки 7 и расхода воды через вводное устройство 10, а также путем изменения расхода воздуха, поступающего через инжектор 16 в газовую горелку вместе с отходящими газами. 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 метано-воздушная смесь с заданной концентрацией метана, заданным расходом и давлением подается на вход реакционной части 2 реактора. В реакционной части метано-воздушная смесь нагревается до заданной температуры, после чего происходит газофазное окисление метана.

Далее реакционная смесь поступает в зону 14, где смешивается с дополнительной порцией метано-воздушной смеси, вводимой через устройство ввода дополнительной порции холодной метано-воздушной смеси 15. После прохождения реакции неполного окисления смесь поступает в зону охлаждения 3 реактора, где происходит ее предварительное охлаждение до температуры 150-200°C 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°C и разделение отходящих газов и жидких фазы, содержащей метанол, воду и другие продукты окисления.

Отходящие газы после их насыщения воздухом через инжектор 16 поступают на вход газовой горелки 7. В газовой горелке 7 происходит обезвреживание недоокисленных продуктов реакции. Изменением режима работы горелки 7 и изменением количества воздуха, подаваемого через инжектор 16, регулируется тепловой режим работы установки.

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 метанола. Пример дан для единичного реактора (единичная цилиндрическая труба, основная и дополнительная зоны) основная 820 мм, дополнительная 510 мм, внутренний диаметр 67 мм, расход исходной газовой смеси 86,4 м³/сутки, давление 2,0 МПа, концентрация метана в исходной газовой смеси 4,5 об.%. Расход дополнительного метана 3,9 м³/сутки.

Выходные характеристики единичного реактора составили:

- выход метанола в расчете на пропущенный метан - 820 г/м³;

- содержание метанола в оксидате - 460 г/л.

Таким образом, выход метанола в предлагаемой установке значительно превышает его выход и в прототипе, и аналогах.

1. Установка для получения метанола, содержащая установку комплексной подготовки газа, реактор газофазного окисления метансодержащего газа, состоящий из теплообменника «газ-газ» реакционной зоны, набранного из единичных цилиндрических труб и теплообменника «газ-вода» зоны охлаждения, холодильник-конденсатор, ректификационный узел, систему экологической очистки, газовую горелку, отличающаяся тем, что в зоне максимального разогрева реагирующей смеси установлен дополнительный реактор в виде цилиндрической трубы с устройством ввода дополнительной порции холодного метансодержащего газа, в том числе природного газа, холодильник-конденсатор соединен через инжектор с одним из входов газовой горелки.

2. Способ получения метанола в установке по п.1 путем окисления метансодержащего газа, в том числе природного газа кислородом воздуха при повышенных температуре и давлении, при подаче в реактор предварительно смешанного метана с воздухом и последующего отделения целевого продукта, при этом воздействие на процесс получения метанола осуществляют путем введения в реактор, в зону максимального разогрева реагирующей смеси, дополнительной порции холодного метансодержащего газа, в том числе природного газа, отличающийся тем, что исходный газ в своем составе содержит повышенное содержание кислорода.