Влияние состава водородсодержащего газа на выход метанола

Abstract

Актуальность исследования обусловлена отсутствием научно-обоснованных данных о выходе метанола из сырья в зависимости от типа используемого окислителя (кислород, обогащенный воздух, воздух) и оптимизации состава и параметров водородсодержащего газа по критериям отношения компонентов синтез-газа Н[2]/СО и модуля (факториала) водородсодержащего газа М для оптимального синтеза метанола. Проблема особенно важна для малотоннажных установок по производству метанола в промысловых условиях, работающих на забалластированном азотом водородсодержащем газе. Цель: оценить влияние оптимизации состава водородсодержащего газа на выход метанола. Объекты: малотоннажные установки по производству метанола из водородсодержащего газа, состоящие из комплекса генерации водородсодержащего газа и комплекса каталитического синтеза метанола. Комплекс генерации водородсодержащего газа включает трехкомпонентный газогенератор синтез-газа (природный газ - окислитель - химочищенная вода), в котором осуществляется парциальное окисление природного газа, блок теплообменных аппаратов и блок коррекции состава и параметров водородсодержащего газа для обеспечения отношения компонентов Н[2]/СО=2,2-2,8 и модуля М=2,0-2,3. Комплекс каталитического синтеза метанола включает проточный каскад, состоящий из трех последовательно соединенных изотермических реакторов с выводом метанола-сырца после каждого реактора без рециркуляции отходящих и "хвостового" газов. Методы: термодинамические расчеты. Результаты. Подтвержден известный факт повышения удельного выхода метанола в зависимости от концентрации кислорода в окислителе на стадии парциального окисления природного газа; показано, что оптимизация состава водородсодержащего газа, идущего на каталитический синтез метанола, обеспечивает прирост удельного выхода метанола; средний удельный прирост выхода метанола при синтезе на оптимизированном составе при М=2,05 по сравнению с синтезом на неоптимизированном составе газа составляет 8-12 %; прирост удельного выхода метанола сохраняется вне зависимости от принятой в расчетах степени конверсии газа в реакторах каскада комплекса синтеза метанола для всех типов окислителей; выявлена нелинейная зависимость удельного выхода метанола от концентрации кислорода в окислителе, заключающаяся в уменьшении прироста удельного выхода метанола при увеличении концентрации кислорода в окислителе свыше 70 %; выявленная зависимость требует дополнительного изучения и экспериментального подтверждения, она позволяет оптимизировать эксплуатационные затраты на окислитель за счет уменьшения удельных затрат кислорода на выход метанола из сырья.

The research relevance is caused by the lack of scientific evidence about methanol yield from natural gas depending on the type of oxidant (oxygen, enriched air or air) and optimization of structure and parameters of hydrogen-containing gas according to the criteria of the ratio of the components of the synthesis gas H[2]/CO and module (factorial) hydrogen-containing gas M for optimal methanol synthesis. The problem is particularly important for low-tonnage plants producing methanol in field conditions operating on nitrogen-ballasted hydrogencontaining gas. The aim of the research is to evaluate the effect of optimizing the composition of hydrogen-containing gas on the yield of methanol. Objects: low-tonnage plants for production of methanol from hydrogen-containing gas, consisting of a complex for generating hydrogencontaining gas and a complex for the catalytic synthesis of methanol. The complex for generating hydrogen-containing gas includes a three-component synthesis gas generator (natural gas - oxidizer -chemical-treated water), in which the partial oxidation of raw material is carried out, a block of heat exchangers and a block for correcting the composition and parameters of hydrogen-containing gas to ensure the ratio of components H[2]/CO=2,2-2,8 and the module M=2,0-2,3. The complex of catalytic synthesis of methanol includes a flow cascade consisting of three sequentially connected isothermal reactors with the output of raw methanol after each reactor without recirculating the waste and tail gases. Methods: the thermodynamic calculations. Results. The paper confirms the known fact of increasing the specific yield of methanol depending on the concentration of O[2] in the oxidizing agent under partial oxidation of natural gas. It is shown that optimization of the hydrogen-containing gas which goes through the catalytic methanol synthesis provides an increase in specific yield of methanol. Average specific growth yield of methanol during the synthesis in an optimized composition at M=2,05 compared to non-optimized synthesis gas composition is 8-12 %. The increase in specific yield of methanol is maintained regardless of the adopted in the calculation of gas conversion degree of in the reactors of the cascade complex for the synthesis of methanol for all types of oxidizing agents. The authors have identified the nonlinear dependence of methanol yield on the concentration of O[2] in the oxidant. It consists of reducing the increase in specific yield of methanol, when the concentration of O[2] in the oxidizer is over 70 %. The revealed dependence requires additional study and experimental confirmation. It allows optimizing the operating costs of the oxidizer by reducing the specific cost of O[2] on methanol yield from the raw material.