Свойства метанола и его применение
Метанол по значению и масштабам производства является одним из важнейших многотоннажных продуктов, выпускаемых современной химической промышленностью.
Он широко применяется для получения пластических масс, синтетических волокон, синтетического каучука. Высокой растворимостью газов в метаноле широко пользуются в промышленности, применяя метанол и его растворы в качестве поглотителя для извлечения примесей из технологических газов. Метиловый спирт – важный вид сырья для получения формальдегида, ингибиторов, антидетонационных смесей, антифризов, лаков, красок и других продуктов. В чистом виде применяется как высокооктановая добавка к топливу.
Метанол (метиловый спирт) СН3ОН представляет бесцветную легкоподвижную жидкость с температурой кипения 650С, температурой кристаллизации –97.90С и плотностью 0.792 т/м3. Критическая температура метанола 239.650С. Метанол горюч. Температура вспышки 80С, пределы взрываемости паров в воздухе 5.5-36.5%. Метанол смешивается во всех отношениях с водой, спиртами, бензолом, ацетоном и др. органическими растворителями. Пары сухого метанола образуют с воздухом взрывчатые смеси. Метанол токсичен, вызывает отравление через органы дыхания, кожу и при приеме внутрь, действуя на нервную и сосудистую систему. ПДК составляет 5 мг/м3. Прием внутрь 5-10 см3 приводит к тяжелому отравлению, вызывает слепоту, доза 30 см3 – смертельна. Метанол – сильный яд кумулятивного действия, оказывает также слабое наркотическое действие.
Методы получения.
Долгое время метанол получали исключительно сухой перегонкой древесины. Этот способ достаточно трудоемкий и дорогой, так как из 1м3 березовых дров можно получит лишь 5-6кг метанола. Производство метанола синтезом из оксида углерода и водорода впервые было организовано в Германии в 1923г.
Метанол получают различными методами, отличающимися исходным сырьем, способами его переработки в технологический газ, а также условиями проведения синтеза метанола. В н.в. основной способ получения метанола – синтез из оксида углерода и водорода (эта смесь называется синтез-газом). Смесь окиси углерода и водорода производят путем конверсии метана.
Синтез метанола по физико-химическим условиям его проведения и по технологическому оформлению аналогичен синтезу аммиака. Как азото-водородную смесь, так и синтез-газ можно получить конверсией природного газа. В обоих процессах взаимодействие смесей тщательно очищенных газов происходит в присутствии катализатора. Из-за малого выхода конечных продуктов и тот и другой процессы являются непрерывно циклическими, причем реакцию никогда не ведут до полного превращения. Такая аналогия дала возможность вести оба синтеза на подобных установках, которые монтируют в составе одного завода.
Исходным сырьем в процессе синтеза метанола является газ после паро-кислородной конверсии метана, а также технический водород, применяемый для регулирования соотношения Н2:СО. К составу сырья предъявляются общин требования: наличие примесей – СН4 0.5%, СО2 2.2%, Н2S 2.0 мг/м3, карбонилы железа 3.0 мг/м3.
Процесс получения метанола состоит из следующих стадий:
1. Парокислородной конверсии природного газа в шахтном конверторе.
2. Очистке конвертированного газа от углекислоты до получения газа с функционалом
f = (Н2 –СО2) /(СО +СО2) =2.05 -2.20
3. Осушке конвертированного газа на алюмогеле.
4. Компримировании свежего газа до давления не более 9.3 МПа.
5. Синтез метанола – сырца.
6. Ректификация метанола – сырца.
1. Паро-кислородная конверсия метана.
Процесс получения технологического газа ведется в одну стадию методом паро-кислородной конверсии метана в шахтном конверторе на никелевых катализаторах при температуре 850-12000С.
Процесс протекает по следующим реакциям:
СН4 +2О2 ↔ СО2 +2Н2О (3.1.1)
СН4 + 0.5О2 ↔СО +2Н2 (3.1.2)
СН4 +Н2О ↔ СО +3Н2 (3.1.3)
СН4 +СО2 ↔ 2СО +2Н2 (3.1.4)
СО +2Н2О ↔СО2 +Н2 (3.1.5)
Равновесный состав конвертированного газа зависит от температуры и давления процесса, а также состава исходной смеси, объема и типа катализатора. В свободном объеме над слоем катализатора протекает кислородная конверсия метана по реакциям (3.1.1) и (3.1.2) –экзотермический процесс.
За счет тепла выделившегося в результате протекания данных реакций, в слое катализатора идет паровая и кислородная конверсия метана и углеводородов с увеличением объема и поглощением тепла по реакциям (3.1.3) и (3.1.4) – эндотермический процесс.
Конвертированный газ с объемной долей компонентов: Н2 н/м 63%, СО н/б 19.5%, СО н/м 14%, СН4 0.4-1.5% поступает в трубное пространство котла-утилизатора, отдавая тепло на получение насыщенного пара, теплообменник, подогревая исходную парогазовую смесь, далее охлаждается в холодильниках и направляется на моноэтаноламиновую очистку от СО2.
2. Моноэтаноламиновая очистка конвертированного газа.
Очистка конвертированного газа – процесс удаления СО2, заключается в химической и физической абсорбции СО2 водным раствором моноэтаноламиана МЭА для обеспечения объемной доли СО2 в конвертированном газе н/б 12%.
Процесс очистки протекает по следующим реакциям
2RNН2 +СО2 +Н2О ↔(RNН3)2СО3 (3.1.6)
(RNН3)2СО3 +СО2 +Н2О ↔2RNН3НСО3 (3.1.7)
где R– (НО–СН2-СН3).
Конвертированный газ подается в абсорбер, орошаемый раствором МЭА, который поглощает избыток СО2. Раствор МЭА идет на регенерацию и после удаления из него СО2 возвращается в абсорбер, а конвертированный газ направляется на стадию осушки.
3. Осушка конвертированного газа.
Осушка происходит на неподвижном слое адсорбента – алюмогеле, обладающем свойством поглощать влагу из газа и кислые газы, в т.ч. СО2. Регенерация насыщенного влагой алюмогеля прояизводится продувкой слоя алюмогеля горячим азотом. Процесс осушки проходит в адсорбере заполненном алюмогелем, поглощающим влагу до точки росы -500С. Осушенный конвертированный газ очищается от уносимой алюмогелевой пыли в фильтрах и направляется на компрессию.
4. Компримирование конвертированного газа.
Процесс производится на трехступенчатых компрессорах до давления н/б 9.3 МПа. Затем газ подается на стадию синтеза.
5. Синтез метанола –сырца.
Основные реакции процесса обратимые и экзотермические:
СО + 2Н2 ↔ СН3ОН + 90.7 кДж/моль (3.1.8)
СО2 + 3Н2 ↔ СН3ОН + Н2О+ 49.5 кДж/моль (3.1.9)
Кроме этих реакций протекает и реакция эндотермическая – взаимодействие диоксида углерода и водорода
СО2 + 3Н2 ↔ СО + Н2О — 41.1 кДж/моль (3.1.10)
Одновременно с образованием метанола могут идти и реакции образования диметилового эфира, органических кислот, альдегидов, кетонов, сложных эфиров.
Вода образуется во всех реакциях. Образующиеся побочные продукты в метаноле-сырце определяют как схему получения метанола–ректификата из метанола-сырца, так и качество конечного продукта. Наличие микропримесей и их массовая концентрация в метаноле-сырце зависят от сырья и его подготовки, от катализатора, от технологических параметров процесса.
При выборе параметров процесса руководствуются не только качеством метанола-сырца, но и экономическими факторами. Исходя из этого принят процесс синтеза метанола при температуре н/б 2800С и избыточном давлении н/б 9.0МПа, с функционалом 2.05-2.2 (функционал – отношение разности объемных долей водорода и диоксида углерода к сумме объемных долей оксида и диоксида углерода в свежем синтез-газе) на цинк-медь-алюминиевом катализаторе.
Метанол-сырец, полученный при данных условиях, отвечает требованиям, предъявляемым к нему, как к сырью для получения высококачественного метанола-ректификата.
Установлено, что синтез метанола из оксида углерода и водорода протекает лишь в присутствии воды или кислородсодержащих соединений. На выход метанола-сырца оказывают влияние следующие технологические факторы: давление процесса; температура; объемная скорость газа; соотношение объемных долей компонентов свежего газа, наличие примесей; активность катализатора.
Давление процесса
Согласно принципу Ле-Шателье повышение давления сдвигает равновесие вправо и увеличивает выход метанола-сырца, массовой доли высших спиртов и эфиров в метаноле, уменьшается массовая доля парафинов. Синтез метанола по реакциям (8 и 9) протекает с уменьшением объема, а восстановление диоксида углерода, реакция (10) – без его изменения. В связи с этим повышение давления способствует более глубокой переработке оксидов углерода. Для низкотемпературного синтеза наиболее эффективен диапазон избыточных давлений 4.9-19.6 МПА. При дальнейшем росте давления равновесная концентрация метанола увеличивается незначительно.
Температура.
Согласно принципу Ле-Шателье повышение температуры сдвигает равновесие реакции влево и уменьшает выход метанола. При повышении температуры производительность всех катализаторов проходит через максимум. Рабочая температура синтеза зависит от активности катализатора: чем активнее катализатор, тем при более низкой температуре образуется метанол с приемлемой для промышленных условий скоростью.
С ростом температуры равновесная концентрация метанола в смеси снижается (реакции 8 и 9 идут с выделение тепла), но скорость достижения равновесия увеличивается. Если равновесие не было достигнуто, то небольшое повышение температуры увеличит выход метанола, в случае, если равновесие было достигнуто, повышение температуры снизит выход метанола.
Температуру в слое катализатора надо поддерживать на возможно более низком уровне, при условии обеспечения производительности по метанолу. Оптимальными температурами синтеза метанола при избыточном давлении 8.6-9.0 МПа являются температуры 205-2680С.
В отсутствии катализатора метанол практически не образуется. Применяемые в промышленности катализаторы проявляют активность только при определенных температурах. Степень превращения исходной газовой смеси в метанол за один проход через катализатор практически невелика -6-7%. Для увеличения общего выхода метанола непрореагировавшую газовую смесь после выделения из нее образовавшегося спирта возвращают в колонну синтеза, добавляя свежий газ, т.е. проводят процесс по непрерывной циклической схеме.
Объемная скорость.
С увеличением объемной скорости газа масса метанола, получаемая с единицы объема катализатора, увеличивается, и, за счет уменьшения времени контакта, уменьшается массовая концентрация примесей. Оптимальная объемная скорость составляет (18-20)*103ч-1. При больших объемных скоростях достигается более равномерное распределение температуры в массе катализатора и предотвращаются его перегревы.
Состав свежего газа.
Исходя из стехиометрических коэффициентов реакций (8 и 9), соотношение объемных долей в исходном газе водорода к оксиду углерода составляет (Н2:СО) =2, а (Н2:СО2)=3. Практикой установлено, что газ для синтеза метанола должен содержать компоненты в соотношении близком к стехиометрии и иметь функционал f =2.01-2.18.
Для получения указанного соотношения в большинстве случаев состав синтез-газа после стадии конверсии метана необходимо корректировать отмывкой от СО2. Избыток СО2, сверх необходимого для процесса минимума, является поставщиком избыточного кислорода, который выводится из процесса в виде воды. Извлечение избытка СО2 из конвертированного газа приводит к увеличению объемной доли инертов, а это снижает выход метанола, т.к. снижается парциальное давление реагирующих компонентов. Увеличение соотношения способствует снижению массовых концентраций примесей.
Наличие примесей в исходном газе.
Сера в любом виде токсична для катализатора синтеза метанола. Отравление серой выражается в необратимой потере активности катализатора. Массовая концентрация сероводорода в конвертированном газе должна быть н/б 0.00015 мг/дм3. Сера в свежий газ попадает из природного газа и компрессорного масла, попадание масла в циркуляционный газ может привести к отравлению катализатора. Парафины могут образовываться в ходе реакции при температуре менее 2050С и более 2800С, а также при наличии пентакарбонилов железа. Наличие парафинов в метаноле может привести к забивке арматуры, трубопроводов.
Активность, селективность и другие свойства катализатора.
Активность катализатора уменьшается с увеличением срока службы катализатора, а при наличии вредных примесей в газе, нарушениях технологического режима. Фирмой–изготовителем катализатора определяются оптимальные условия восстановления и работы для каждого типа катализатора, а также гарантии по содержанию примесей в метаноле–сырце при соблюдении установленных условий.
Технологическая схема агрегатов синтеза метанола.
Многочисленные процессы синтеза метанола включают три обязательные стадии: очистка синтез-газа от сернистых соединений, масла, пентакарбонилов железа; собственно синтез и очистка; и ректификация метанола. В остальном технологические схемы отличаются аппаратурным оформлением и параметрами процесса. Все они могут быть разделены на три группы:
1 Синтез при высоком давлении проводится на цинк-хромовом катализаторе при температуре 370-4200С и давлении 20-30 МПА.
2 Синтез при низком давлении проводится на цинк-медь-хромовых катализаторах при Т=250-3000С и давлении 5-10 МПа. Использование в этой схеме низкотемпературных катализаторов, активных при более низком давлении, позволяет снизить энергозатраты на сжатие газа и уменьшить степень рециркуляции непрореагировавшего сырья.
3 Синтез в трехфазной системе «газ-жидкость – твердый катализатор», проводимый в суспензии из тонкодисперсного катализатора и инертной жидкости, через которую барботируется синтез-газ.
Полученный метанол-сырец очищают от кислот, сложных эфиров, высших спиртов, пентакарбонила железа, что в сочетании с последующей ректификацией позволяет получить чистый метиловый спирт. Основным аппаратом в синтезе метанола служит реактор (колонна синтеза) – контактный аппарат, конструкция которого зависит от способа отвода тепла и принципа осуществления процесса синтеза.
Технологический процесс получения метанола из оксида углерода и водорода включает ряд операций, обязательных для любой технологической схемы синтеза. Газ предварительно очищается от карбонила железа, сернистых соединений, подогревается до температуры начала реакции и поступает в реактор синтеза метанола. По выходе из зоны катализа из газов выделяется образовавшийся метанол, что достигается охлаждением смеси, которая затем сжимается до давления синтеза и возвращается в процесс. Функциональная схема производства метанола приведена на риунке.
Рис. 3.1.1 Функциональная схема синтеза метанола
Дата публикования: 2014-10-16; Прочитано: 5086 | Нарушение авторского права страницы
studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2018 год.(0.005 с)…
Высшие кислородсодержащие кислоты химических элементов третьего периода, их состав и сравнительная характеристика свойств.
Общая характеристика высокомолекулярных соединений: состав, строение, реакции, лежащие в основе их получения (на примере полиэтилена или синтетического каучука).
Задача. Определите массу карбоната магния, прореагировавшего с соляной кислотой, если при этом получено 8,96 л оксида углерода (IV), что составляет 80% от теоретически возможного выхода.
Общие способы получения металлов.
Содержание
Справочник химика 21
Практическое значение электролиза на примере солей бескислородных кислот.
Виды синтетических каучуков, их свойства и применение.
Дата публикования: 2014-10-16; Прочитано: 5087 | Нарушение авторского права страницы
studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2018 год.(0.005 с)…
Промышленное получение метанола и этанола
Метанол получают из синтез-газа (катализатор – Cr2O3, ZnO; 350oC, 210 атм):
CO + 2 H2 → СН3ОН
Этанол получают прямой гидратацией этилена (катализатор – Н3РО4, SiO2; 300 oC):
CН2=CН2 + Н2О → СН3СН2ОН
или в присутствии концентрированной серной кислоты (непрямая гидратация):
CН2=CН2 + Н2О → СН3СН2ОSO3H → СН3СН2ОН
Этиловый спирт также получают ферментативным гидролизом углеводов – брожением глюкозы с помощью дрожжей рода Saccharomyces и бактерий рода Zimomonas
C6Н12О6 → 2 СН3СН2ОН + 2 СО2
9) Двухатомные спирты получают гидроксилированием производных этилена – окислением в водной среде, приводящее к образованию α-гликолей
гидратацией α-окисей алкенов:
гидролизом дигалогенпроизводных или галогензамещенных спиртов слабым раствором щелочи:
СlCH2CH2Cl + 2 NaOH ¾® НOCH2CH2OH + 2 NaCl
СlCH2CH2CH2CH2OH + NaOH ¾® НOCH2CH2CH2CH2ОН
10) Глицеринсинтезируют либо из пропилена по следующим схемам:
│ ↑
│________ Сl2 __________CH2–CH–CH2 _________________│
│ │ │
OH OH OH
или в результате гидролиза жиров в кислой или в щелочной среде:
Синтезы фенолов
а) В промышленности обычно получают фенол по методу Хока – окислением изопропилбензола (метод Хока)
б) Фенолы могут быть получены сплавлением натриевых солей ароматических сульфокислот с гидроксидами щелочных металлов
в) В жестких условиях (350 0С и повышенном давлении) реакцией замещения галогена в арилгалогенидах на гидроксигруппу
в) Гидролизом солей арилдиазония
Физические свойства.Эти свойства спиртов зависят от строения углеводородного радикала и положения гидроксильной группы. Первые представители гомологического ряда спиртов – это жидкости, высшие спирты – твердые вещества.Спирты и фенолы имеют более высокие температуры кипения и плавления,чем соответствующие им углеводороды и галогенопроизводные. Это объясняется тем, что молекулы спиртов ассоциированы за счет образования водородных связей.
:O–Н …. :O–Н …. :O–Н
½ ½ ½
Ассоциаты спиртов имеют следующее строение: R R R
Ассоциация молекул спиртов за счет водородных связей определяется высокой полярностью связи О–Н из-за сильного различия в электроотрицатель-ности атомов кислорода и водорода. Энергия водородной связи (Н….О) составляет 20 кДж/моль, т.е. существенно меньше, чем ковалентной связи Н-О (460 кДж/моль). Тем не менее разрушение водородных связей, которое должно предшествовать испарению веществ при кипении, требует определенных энергетических затрат, что и выражается в повышении температуры кипения. Многоатомные спирты в еще большей степени ассоциированы, т. к. содержат большее число гидроксильных групп, участвующих в образовании водородных связей. Благодаря этому они обладают еще более высокими температурами кипения, а также повышенной растворимостью в воде.
Спирты нормального строения кипят при более высокой температуре, чем разветвленные. Низшие спирты (метанол, этанол, пропанолы) смешиваются с водой в любых соотношениях.
Тема 3.1 Технология производства метанола
С ростом молярной массы растворимость спиртов в воде резко падает. Высшие спирты не растворяются в воде. Растворимость спиртов с разветвленной структурой выше, чем у спиртов, содержащих нормальные радикалы.
Дата добавления: 2017-09-19; просмотров: 607;