RU92859U1

RU92859U1 - INSTALLATION FOR PRODUCTION OF METHANOL

Info

Publication number: RU92859U1
Application number: RU2009148744/22U
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Волчихин; Сергей Вячеславович Кочкин; Михаил Яковлевич Кордон; Николай Николаевич Вершинин; Владимир Михайлович Ананьев; Елена Олеговна Гравшенкова; Владимир Иванович Марунин
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2010-04-10

Abstract

Установка для производства метанола, содержащая устройство 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, газовую горелку, ректификационный узел и систему экологической очистки, элементы установки, составляющие газожидкостный тракт, выполнены стальными, отличающаяся тем, что длина единичной обогреваемой цилиндрической трубы 800÷2000 мм; внутренний диаметр единичной цилиндрической трубы 60÷100 мм, а все внутренние поверхности этих элементов покрыты термически и химически стойкой эмалью. Installation for the production of methanol, containing a device for the comprehensive preparation of gas, a reactor for gas-phase oxidation of hydrocarbon gas, consisting of a gas-gas heat exchanger of the reaction zone, recruited from single cylindrical pipes and a gas-water heat exchanger of the cooling zone, a refrigerator-condenser, gas burner, distillation unit and environmental cleaning system, installation elements that make up the gas-liquid path are made of steel, characterized in that the length of a single heated cylinder Coy pipe 800 ÷ 2000 mm; the inner diameter of a single cylindrical pipe is 60 ÷ 100 mm, and all the inner surfaces of these elements are coated with thermally and chemically resistant enamel.

Description

Полезная модель относится к области органической химии, а именно к технологии производства метанола прямым окислением углеводородсодержащего газа (природного газа).The utility model relates to the field of organic chemistry, namely to the methanol production technology by direct oxidation of a hydrocarbon-containing gas (natural gas).

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.The main problem of creating small-sized plants for the production of methanol is that all currently existing methods for the direct oxidation of methane to methanol with atmospheric oxygen are carried out at a low oxygen concentration in the initial gas mixture and, therefore, at the outlet of the reactor, the reaction mixture will be enriched in methane, nitrogen, carbon monoxide and dioxide and other elements.

Рециркуляция метана требует его отделения от реакционной смеси, что является весьма затруднительным. Поэтому выход метанола, в расчете на пропущенный метан, остается крайне низким, а рециркуляция метана практически невозможной, как и окисление метана за один проход.Recycling of methane requires its separation from the reaction mixture, which is very difficult. Therefore, the methanol yield, based on the methane passed through, remains extremely low, and methane recycling is almost impossible, as is the oxidation of methane in one pass.

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).However, experimentally, correlations of the parameters of the working process and the geometric characteristics of the heated reactor can be found, in which this problem becomes solvable (all methane entering the reactor inlet is oxidized in one pass to obtain an acceptable methanol yield and its content in the resulting oxidate).

Известна установка для производства метанола, (RU 2203261 С1) 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.A known installation for the production of methanol, (RU 2203261 C1) containing a source of hydrocarbon gas, a reactor for gas-phase oxidation of hydrocarbon gas, consisting of a reaction zone and a cooling zone, a device for the final cooling of the reaction mixture before separation for separation of exhaust gases and liquid products, distillation unit for the separation of methanol and other liquid products. The source of hydrocarbon gas is a comprehensive gas treatment unit. The cooling zone is a tubular part of the reactor, while the reaction zone and the cooling zone are equipped with a device for introducing the initial hydrocarbon gas heated in a gas-gas heat exchanger to a temperature that allows cooling the reaction mixture in two stages: cooling by mixing it directly in the reaction zone with a second stream and cooling in the tubular part through the wall of the tubes, and the device for the final cooling of the reaction mixture before separation is made in the form of sequentially installed PARTICULAR exchanger "gas-fluid", is connected with the reactor, separator and rectification unit and the heat exchanger "gas-gas", connected to the reactor and the gas processing installation.

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.The inner wall of the reaction zone may be lined with material inert to the reaction mixture. The reactor is usually equipped with thermowells and input devices for controlling and regulating the temperature in the reaction zone.

Исходя из приведенного примера, установка для производства метанола имеет выход метанола сырца в расчете на 1 м³, пропущенного за один проход метана порядка 60 г/м³ СН₄. В расчете на полученный товарный метанол эта цифра очевидно будет еще ниже, порядка 30 г/м³ СН₄, 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.Based on the above example, the installation for the production of methanol has a methanol yield of crude per 1 m ³ , passed in one pass of methane of the order of 60 g / m ³ CH ₄ . Based on the obtained commercial methanol, this figure will obviously be even lower, of the order of 30 g / m ³ CH ₄ , which is an extremely low result. In addition, the low oxygen content in the feed gas (1-2.5 vol.%), The high pressure in the reaction zone (8MPa), the need for recirculation of the exhaust gases, and the complexity of the process control make the methanol production process not efficient enough from an economic point of view costs.

Все элементы установки, составляющие газожидкостной тракт для движения реагирующей смеси и ее компонентов должны быть выполнены из нержавеющей стали, поскольку одним из конечных продуктов окисления является муравьиная кислота. Футеровка же внутренней поверхности реактора лишь частично защищает его внутреннюю поверхность от воздействия муравьиной кислоты. Все это ведет к значительному удорожанию реактора и всей установки в целом.All elements of the installation that make up the gas-liquid path for the movement of the reacting mixture and its components must be made of stainless steel, since formic acid is one of the final oxidation products. The lining of the inner surface of the reactor only partially protects its inner surface from the action of formic acid. All this leads to a significant increase in the cost of the reactor and the entire plant as a whole.

Наиболее близкой к предлагаемой является патент на полезную модель «Установка для производства 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, 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 трубы - 67-69 мм; внутренняя поверхность единичной цилиндрической трубы отшлифована; для обогрева единичных цилиндрических труб реакционной зоны предусмотрена газовая горелка.Closest to the proposed patent is a utility model "Installation for the production of methanol" (RU No. 86,590, prototype), comprising a complex gas treatment unit, a reactor for conducting gas-phase oxidation of hydrocarbon gas, consisting of a gas-gas heat exchanger of the reaction zone, recruited from single cylindrical pipes and a gas-water heat exchanger in the cooling zone, a refrigerator-condenser for final cooling of the reaction mixture and separation of exhaust gases and liquid products, a distillation unit for separation of methanol and other liquid products; and an environmental treatment system for the treatment of bottoms and waste gases. Moreover, the length of a single heated cylindrical pipe is 820-850 mm; inner diameter of a single cylindrical pipe - 67-69 mm; the inner surface of a single cylindrical pipe is ground; a gas burner is provided for heating single cylindrical tubes of the reaction zone.

Недостатком установки является то, что большинство ее элементов выполнено из нержавеющей стали, что ведет к ее значительному удорожанию и как следствие к снижению экономической эффективности получения метанола. Кроме того, узкие пределы возможных геометрических характеристик реактора не позволяют получить достаточно большую производительность установки.The disadvantage of the installation is that most of its elements are made of stainless steel, which leads to its significant increase in cost and, as a result, to a decrease in the economic efficiency of methanol production. In addition, the narrow limits of the possible geometric characteristics of the reactor do not allow to obtain a sufficiently large installation capacity.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является значительное увеличение выхода метанола в расчете на 1 м³ пропущенного метана, а также повышение эффективности процесса производства метанола.The technical result of the proposed utility model is a significant increase in methanol yield per 1 m ^{3 of} missed methane, as well as an increase in the efficiency of the methanol production process.

Это достигается тем, что в установке для производства метанола, содержащей устройство 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, газовую горелку, ректификационный узел и систему экологической очистки, элементы установки, составляющие газожидкостной тракт, выполнены стальными, а все внутренние поверхности этих элементов покрыты термически и химически стойкой эмалью.This is achieved by the fact that in the installation for the production of methanol containing a complex gas preparation device, a reactor for conducting gas-phase oxidation of hydrocarbon gas, consisting of a gas-gas heat exchanger of the reaction zone, recruited from single cylindrical pipes and a gas-water heat exchanger of the cooling zone , refrigerator-condenser, gas burner, distillation unit and environmental cleaning system, installation elements that make up the gas-liquid path are made of steel, and all internal surfaces of these electric cops coated thermally and chemically resistant enamel.

Отличием предлагаемой установки от известной является то, что оптимизированные геометрические параметры реакционной зоны и параметры рабочего процесса имеют следующие значения: длина единичной обогреваемой цилиндрической трубы - 800÷2000 мм; внутренний диаметр единичной цилиндрической трубы - 60÷100 мм; обогрев единичных цилиндрических труб реакционной зоны ведется продуктами горения газовой горелки, смешанными с воздухом, при этом горячий газ подается в межтрубное пространство теплообменника реакционной зоны со стороны ввода метановоздушной смеси в одном направлении с реакционным газовым потоком в единичных цилиндрических трубах.The difference between the proposed installation and the known one is that the optimized geometric parameters of the reaction zone and the parameters of the working process have the following values: the length of a single heated cylindrical pipe is 800 ÷ 2000 mm; inner diameter of a single cylindrical pipe - 60 ÷ 100 mm; single cylindrical tubes of the reaction zone are heated by combustion products of a gas burner mixed with air, while hot gas is supplied to the annular space of the heat exchanger of the reaction zone from the inlet of methane-air mixture in the same direction as the reaction gas stream in single cylindrical tubes.

Элементы установки, составляющие газожидкостной тракт для движения реагирующей смеси и ее компонентов, выполнены стальными, а все внутренние поверхности этих элементов покрыты термически и химически стойкой эмалью. Контроль за температурой реагирующей смеси осуществляется в точке, отстоящей от начала реактора на величину 0,618 l_p, где l_p - длина единичной обогреваемой цилиндрической трубы.The plant elements that make up the gas-liquid path for the movement of the reacting mixture and its components are made of steel, and all the inner surfaces of these elements are coated with thermally and chemically resistant enamel. The temperature of the reacting mixture is controlled at a point located at a distance of 0.618 l _p from the beginning of the reactor, where l _p is the length of a single heated cylindrical pipe.

Геометрические размеры единичной цилиндрической трубы, обогреваемой газовой горелкой, определены экспериментальным путем для условий максимального выхода метанола. Этим размерам соответствуют параметры рабочего процесса, определенные также экспериментальным путем для условий максимального выхода метанола.The geometrical dimensions of a single cylindrical pipe heated by a gas burner were determined experimentally for the conditions of maximum methanol yield. These sizes correspond to the parameters of the working process, which are also determined experimentally for the conditions of maximum yield of methanol.

Таким образом, указанные выше значения геометрических характеристик единичной цилиндрической трубы (единичного реактора) и параметры рабочего процесса образуют оптимальное факторное поле. Экспериментально установлено, что выход за пределы этого факторного поля приводят к значительному снижению выхода метанола в расчете на 1 м³ пропущенного метана.Thus, the above values of the geometric characteristics of a single cylindrical pipe (single reactor) and the parameters of the working process form the optimal factor field. It has been experimentally established that going beyond this factor field leads to a significant decrease in the methanol yield per 1 m ^{3 of} missed methane.

Предлагаемая установка для производства метанола позволяет проводить полное окисление поступающего в нее метана за один проход. При этом установка является экологически чистым производством, где полностью отсутствуют вредные выбросы.The proposed installation for the production of methanol allows for the complete oxidation of the methane entering it in one pass. Moreover, the installation is an environmentally friendly production, where there are no harmful emissions.

В дальнейшем предлагаемая установка поясняется чертежом, на котором фиг.1 изображает общий вид установки для производства метанола.Further, the proposed installation is illustrated by the drawing, in which figure 1 depicts a General view of the installation for the production of methanol.

Установка для производства 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.Installation for the production of methanol contains a reactor (figure 1) for gas-phase oxidation of methane. The reactor 1 consists of two zones 2 and 3, one of which 2 is a reaction one and is equipped with an input device 4 for introducing a source gas, and the other zone 3 is intended for preliminary cooling of the reaction gas coming from the reaction zone.

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, движущимися в межтрубном пространстве по ходу движения реакционной смеси.Zone 2 is a gas-gas tubular heat exchanger, assembled from a single cylindrical pipe 5, mounted in a tube plate 6 at the inlet and outlet of the reaction mixture. The heating of individual cylindrical pipes 5 is carried out by the combustion products of a gas burner 7 moving in the annulus along the course of the reaction mixture.

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. Образующийся в зоне 3 пар покидает теплообменник через выводное устройство 11.Zone 3 is a gas-water tubular heat exchanger for pre-cooling the reaction gases through the wall of tubes 8 mounted in tube boards 9 at the inlet and outlet of the reaction mixture. In addition, the reactor 1 is equipped with devices for monitoring and controlling the temperature in the reactor (not shown in the diagram). The temperature control of the reactor is carried out by changing the operating mode of the gas burner 7 and the water flow through the input device 10. The steam generated in zone 3 leaves the heat exchanger through the output device 11.

Исходный газ в реактор подается из устройства 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.The source gas is supplied to the reactor from the complex gas preparation device 12. The final cooling of the reaction gas and the separation of the exhaust gases from the liquid phase is carried out in the condenser refrigerator 13. The rectification unit and the environmental cleaning system are not shown in the diagram.

Работа установки осуществляется следующим образом.The installation is as follows.

Из устройства комплексной подготовки газа 12 метановоздушная смесь с заданной концентрацией метана, заданным расходом и давлением подается на вход зоны 2 реактора. В реакционной части метановоздушная смесь нагревается до заданной температуры, после чего происходит газофазное окисление метана. В дальнейшем реакционная смесь поступает в зону 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.From the complex gas preparation device 12, a methane-air mixture with a given methane concentration, a given flow rate and pressure is fed to the inlet of zone 2 of the reactor. In the reaction part, the methane-air mixture is heated to a predetermined temperature, after which gas-phase oxidation of methane occurs. Subsequently, the reaction mixture enters zone 3 of the reactor, where it is pre-cooled to a temperature of 150-200 ° C for the purpose of quenching, the steam released in the heat exchanger can be used for operation of the rectification unit and other needs.

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.Next, the reaction gas enters the refrigerator-condenser 13, where it is finally cooled to a temperature of 20-30 ° C and the separation of the exhaust gases and the liquid phase containing methanol, water and other oxidation products.

Отходящие газы поступают далее в систему экологической очистки, и после проведения необходимой очистки выбрасываются в атмосферу.The exhaust gases go further into the environmental treatment system, and after the necessary treatment is carried out, they are released into the atmosphere.

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.The liquid phase enters the rectification unit, where methanol is separated from other liquid products. The bottom residue enters the environmental treatment system, and after the necessary treatment is carried out, it is discharged into the sewer. The steam and heating water obtained in the refrigerator-condenser are used for the operation of the distillation unit and other needs.

Полное окисление, поступающего на вход установки метана осуществляется за один проход.Complete oxidation entering the methane inlet is carried out in one pass.

Пример, подтверждающий возможность реализации предлагаемой установки для производства метана. Пример дан для единичного реактора (единичная цилиндрическая труба) длиной - 1000 мм, внутренним диаметром 67 мм, расход исходной газовой смеси 186,4 м³/сутки, давление 2,0 МПа, концентрация метана в исходной газовой смеси 4,5 об.%.An example confirming the feasibility of the proposed installation for the production of methane. An example is given for a single reactor (single cylindrical pipe) with a length of 1000 mm, an inner diameter of 67 mm, an initial gas mixture flow rate of 186.4 m ³ / day, a pressure of 2.0 MPa, a methane concentration in the initial gas mixture of 4.5 vol.% .

Выходные характеристики единичного реактора составили:The output characteristics of a single reactor were:

- выход метанола в расчете на пропущенный метан - 600 г/м³;- methanol yield per methane passed through - 600 g / m ³ ;

- содержание метанола в оксидате - 45 г/л;- the methanol content in the oxidate is 45 g / l;

- суточный выход метанола -111,8 кг/сутки.- daily methanol yield -111.8 kg / day.

Таким образом, выход метанола в предлагаемой установке примерно в два раз выше, чем в прототипе. Поскольку стоимость обычной стали примерно в 5 раз ниже, чем нержавеющей, то и стоимость предлагаемой установки будет примерно в 4-5 раз ниже, чем у прототипа.Thus, the methanol yield in the proposed installation is approximately two times higher than in the prototype. Since the cost of ordinary steel is approximately 5 times lower than stainless, the cost of the proposed installation will be approximately 4-5 times lower than that of the prototype.

Claims

Installation for the production of methanol, containing a device for the comprehensive preparation of gas, a reactor for gas-phase oxidation of hydrocarbon gas, consisting of a gas-gas heat exchanger of the reaction zone, recruited from single cylindrical pipes and a gas-water heat exchanger of the cooling zone, a refrigerator-condenser, gas burner, distillation unit and environmental cleaning system, installation elements that make up the gas-liquid path are made of steel, characterized in that the length of a single heated cylinder Coy pipe 800 ÷ 2000 mm; the inner diameter of a single cylindrical pipe is 60 ÷ 100 mm, and all the inner surfaces of these elements are coated with thermally and chemically resistant enamel.