Г. В. Мещеряков, А. И. Казаков Колонны синтеза метанола с повышенным выходом продукта

Башкирский химический журнал. 2007. Том 14. №4

Недостатком колонн, используемых в циклических схемах, является низкий выход метанола за один проход — от 3 до 5 % (об.), причем 5% (об.) получены только в одной колон­не, разработанной фирмой «КАЗАЛЕ IMC», за счет поддержания квазиизотермического ре­жима встроенными пластинчатыми теплооб­менниками.
Низкий выход метанола связан с тем, что конструкции колонн не позволяют снимать выделяющееся тепло при более высоких выхо­дах метанола.
Использование реакторов, позволяющих получить более высокий выход метанола, улучшит их экономические показатели в цик­лических схемах. В результате уменьшится цикличность и расход циркуляционного газа, что приведет к сокращению затрат на его перекачку, уменьшению размеров аппаратов и объема используемого катализатора.
В результате проведенных исследований разработаны две колонны синтеза с повышен­ным до 10% (об.) выходом метанола. В обеих колоннах для снижения движущей силы про­цесса на первом слое катализатора в исходный газ впрыскивается метанол в количестве, обес­печивающем концентрацию метанола 5% (об.). Движущая сила процесса — это разница между равновесной концентрацией метанола и теку­щим значением его концентрации. Состав ис­ходного синтез-газа поддерживается таким, чтобы равновесная концентрация метанола не превышала 10% (об.).
Колонна синтеза метанола насадочного типа представлена на рис. 1. Синтез-газ подо­гревается в рекуперативном циркуляционном

Рис. 1. Колонна синтеза метанола насадочного типа: 1, 2, 3, 4 — слои катализатора со встроенными пластин­чатыми теплообменниками; 5 — рекуперативный теплообменник; 6 — холодильник

теплообменнике до 150—170 ^оС выходящим из колонны синтез-газом и поступает во встро­енный пластинчатый теплообменник четвертого слоя катализатора, где нагревается до 215 ^оС. После теплообменника газ делится на два по­тока. Меньший, с расходом, равным 0.125 от общего расхода G синтез-газа, смешивается с метанолом и поступает на вход первого слоя. Больший поток направляется в холодильник, где остывает до 150—170 ^оС и поступает во встроенные пластинчатые теплообменники первого, второго и третьего слоев катализато­ра с расходами соответственно 0.125, 0.25 и 0.5 G. Газ на выходе первого слоя с концен­трацией около 10% (об.) смешивается с газом, поступающим из встроенного теплообменника первого слоя. Газ, поступающий на вход вто­рого слоя, будет иметь расход 0.25G, концен­трацию метанола — 5% (об.) и температуру 230 ^оС. Газ, выходящий из второго и третьего слоев катализатора, смешивается с газом, вы­ходящим из встроенных пластинчатых тепло­обменников соответственно второго и третьего слоев, за счет чего поддерживается необходи­мая концентрация метанола и температура синтез-газа последующих слоев. Таким обра­зом, на каждом слое катализатора образуется до 5% (об.) метанола. Концентрация метанола в синтез-газе, выходящем из колонны, состав­ляет 10% (об.).
Колонна синтеза метанола типа «матреш­ка» представлена на рис. 2. Каждая катализа- торная коробка представляет собой два цилин­дра различного диаметра. Цилиндр с меньшим диаметром установлен внутри цилиндра с большим диаметром. Катализатор засыпает­ся между стенками цилиндров. Катализатор- ные коробки всех четырех слоев катализатора установлены в корпусе реактора по типу «матрешки», расстояние между стенками ката- лизаторной коробки составляет 0.2—0.3 м. Ка- тализаторные коробки охлаждаются холод­ным синтез-газом, проходящим между стенок катализаторных коробок. Циркуляционный синтез-газ подогревается в рекуперативном теплообменнике 5 до 120—150 ^оС и поступает

Рис. 2. Колонна синтеза метанола типа «матрешка»: 1 — реактор; 2 — рекуперативный теплообменник; 3 — холодильник; 4 — первый слой катализатора; 5 — второй слой катализатора; 6 — третий слой катализато­ра; 7 — четвертый слой катализатора

в пространство между внешней стенкой ката- лизаторной коробки четвертого слоя катализа­тора и стенкой корпуса, где нагревается до 215 ^оС. Газ, выходящий из этого простран­ства, разделяется на два потока. Меньший, с расходом 0.125G, смешивается с метанолом и с концентрацией 5% (об.) метанола поступа­ет на первый слой катализатора. Больший по­ток, с расходом 0.825G, подается в холодиль­ник 6, где охлаждается до 120—150 ^оС. Газ на выходе из холодильника делится на три по­тока. Первый, с расходом 0.125G, поступает в пространство между стенками первого и вто­рого слоев. Второй поток с расходом 0.25G проходит по центральной трубе, которая явля­ется внутренней стенкой катализаторной ко­робки первого слоя катализатора, и подается в пространство между вторым и третьим слоя­ми катализатора. Третий поток с расходом 0.5G подается в пространство между третьим и четвертым слоями катализатора. Таким об­разом, пространство между слоями выполняет роль теплообменников, обеспечивающих под­держание квазиизотермических режимов в слоях катализатора.
Температурные режимы слоев реакторов: на входе — 230 ^оС, на выходе — 250 ^оС, макси­мальная температура на слое 260 ^оС.
Возможность создания таких реакторов подтверждена результатами исследований и математическим моделированием.