Анализ промышленного синтеза метанола и мирового рынка метанола

Физико-химические свойства метанола, области применения, текущее состояние рынка данного продукта. Производство, переработка метанола в России и перспективы его использования. Метанол как альтернативный энергоноситель. Новое топливо из природного газа.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Тема

Анализ промышленного синтеза метанола и мирового рынка метанола

Введение

Метанол является одним из важнейших продуктов органического синетза. Он находит широкое применение в качестве растворителя, полупродукта при производстве других продуктов (формальдегида, диметилтерефталата, метилметакрилата, метиламина, уксусной кислоты, карбамидных смол и др.) Только на производство формальдегида расходуется 40-50% общего объема производства метанола. Кроме того, в последнее время метанол начали широко использовать в качестве сырья для микробиологического синтеза белка, в качестве источника энергии, а также для синтеза компонента моторных топлив - метилтретбутилового эфира - эффективного антидетонатора.

В настоящее время производство метанола по объему занимает 7-8-е место среди остальных производств органических продуктов

Впервые метанол был получен при сухой перегонке древесины. В 1923 г. в Германии было пущено первое производство по синтезу метанола из СО и Н2. Синтез метанола проводили на цинкхромовом катализаторе при температуре 400 градусов по Цельсию и давлении 10 МПа. Аналогичное производство было пущено в США в 1927 г. и в СССР в 1934 г.

Длительное время структура потребления метанола была стабильна: 50% расходовалось на производство формальдегида, по 10% - на производство диметилтерефталата и в качестве растворителя, 30% - на синтез других продуктов. Стабильный годовой темп прироста его составлял 7-12%. В последнее время значение метанола резко возросло. Оказалось, что он может помочь в решении многих актуальных проблем энергетики, экологии, обеспечения продуктами питания и т.д., так как является универсальным энергоносителем, компонентом и сырьем для получения моторных топлив, высокооктановых добавок, источником углерода для микробиологического синтеза белков, а синтез самого метанола является рациональным путем утилизации отходов промышленности и жизнедеятельности.

Целью исследования является раскрытие значения метанола для жизнедеятельности человека, демонстрация его важности для конечного потребителя. Для этого в работе будет исследован процесс его синтеза в условиях современных производств, физико-химические свойства, области применения, текущее состояние рынка данного продукта.

В работе преимущественно использован аналитический и статистические методы исследования. При написании данной работы была использована специальная литература.

История метанола

С этапами изучения химии метанола связаны имена величайших химиков. Впервые метанол был обнаружен еще в середине XVII века Робертом Бойлем при изучении продуктов перегонки дерева, однако в чистом виде метиловый спирт, или древесный, получаемый этим способом, был выделен только через 200 лет: тогда впервые удалось очистить его от примесей сопутствующих веществ, прежде всего уксусной кислоты и ацетона. В 1857 году Марселен Бертло получил метанол омылением хлористого метила. Процесс сухой перегонки древесины долгое время оставался, пожалуй, единственным способом производства метанола. Сейчас он полностью вытеснен каталитическим синтезом из оксида углерода и водорода. Получение метанола из синтез-газа впервые было осуществлено в Германии в 1923 году фирмой BASF. Процесс проводился под давлением 100-300 атм. на оксидных цинк-хромовых катализаторах (ZnO-Cr₂O₃) в интервале температур 320-400°С, производительность первой промышленной установки доходила до 20 т/сут. Интересно, что в 1927 году в США был реализован промышленный синтез метанола, основанный не только на монооксиде, но и на диоксиде углерода. В настоящее время в результате развития и усовершенствования процесса получения метанола из синтез-газа используются реакторы большой мощности с производительностью до 2000 т метанола в сутки. Разработаны более активные катализаторы на основе оксидов цинка и меди, которые позволили смягчить условия синтеза - снизить давление до 50-100 атм., а температуру - до 250°С.

Суммарная реакция образования метанола:

является сильно экзотермичной. Поскольку реакция протекает с уменьшением объема, повышение давления способствует увеличению конверсии синтез-газа. Было предложено несколько механизмов образования метанола. Один из них предполагает ряд последовательных стадий гидрирования хемосорбированного на катализаторе монооксида углерода, при этом образуются промежуточные поверхностные соединения

Второй механизм предполагает образование поверхностного гидрида, внедрение монооксида углерода в связь металл-водород с образованием поверхностного формильного производного, дальнейшее гидрирование которого приводит к образованию гидроксиметиленового производного, аналогичного приведенному в предыдущей схеме:

Согласно третьему механизму, СО внедряется в поверхностный гидроксил, при этом образуются промежуточные соединения, связанные с поверхностью катализатора через кислородный мостик. Последующее гидрирование образующегося формиата и дегидратация приводят к метанолу

Следует отметить еще один экспериментально обоснованный механизм синтеза (А.Я. Розовский), согласно которому метанол образуется при восстановлении диоксида углерода. Монооксид углерода является лишь источником CO₂:

Как и во многих других случаях, однозначное установление истинных механизмов химических реакций представляет значительную трудность, и до сих пор в синтезе метанола имеются неразгаданные моменты.

Получение метанола

Рис.1 Молекула метанола

Очищенный от сернистых соединений природный или попутный газ смешивают с водяным паром и подают в трубчатую печь (так называемая паровая конверсия метана).

Пройдя через слои катализатора при Т=850-930 ^оС под Р=20-30 атм., смесь превращается в синтез-газ, состоящий в основном из смеси водорода и окиси углерода. После выхода из трубчатой печи синтез-газ охлаждают до Т=30-40 ^оС, при этом полученное тепло используют для производства пара.

Рис. 2 Принципиальная схема синтеза метанола

Синтез-газ компримируется до Р=50-75 атм., поступает в отделение синтеза метанола, где в реакторе на низкотемпературном медьсодержащем катализаторе при Т=240-260^оС, Р=50-75 атм. происходит реакция синтеза метанола. Реакция протекает в реакторе полочного типа с регулированием температуры холодными байпасами (квенч-реактор), с выделением большого количества тепла.

После реактора метанол-сырец при T=40^оC конденсируется в аппаратах воздушного охлаждения.

Полученный метанол-сырец с концентрацией 82-86% доводится до требуемого состава в отделении ректификации. Продувочные газы из отделения синтеза метанола направляются на сжигание в отделение риформинга.

Свойства метанола и его водных растворов

Метанол является простейшим представителем предельных одноатомных спиртов. В свободном состоянии в природе встречается редко и в очень небольших количествах (например, в эфирных маслах). Его производные содержатся во многих растительных маслах (сложные эфиры), природных красителях, алкалоидах (простые эфиры) и т. д. При обычных условиях это бесцветная, легколетучая, горючая жидкость, иногда с запахом, напоминающим запах этилового спирта. На организм человека метанол действует опьяняющим образом и является сильным ядом, вызывающим потерю зрения и, в зависимости от дозы, смерть. Физические характеристики метанола при нормальных условиях следующие:

Молекулярная масса .....................................32,04

Плотность, г/см⁸ ..........................................0,8100

Вязкость, мПа-с .............................................0,817

Температура кипения, °С ...............................64,7

Температура плавления, °С .....................--97,68

Теплота парообразования, ккал/моль ...........8,94

Теплота сгорания, ккал/моль

жидкого ...................................173,65

газообразного...........................177,40

Плотность и вязкость метанола уменьшаются при повышении температуры таким образом:

--40 °С --20 °С О °С 20 °С 40 °С 60 °С

Плотность, г/см³ ....... 0,8470 0,8290 0,8100 0,7915 0,7740 0,7555

Вязкость, мПа/с. ...... 1,750 1,160 0,817 0,597 0,450 0,350

Метанол при стандартных условиях имеет незначительное давление насыщенных паров. При повышении температуры давление насыщенных паров резко увеличивается".' Так, при увеличении температуры с 10 до 60 °С давление насыщенных паров повышается от 54,1 до 629,8 мм рт. ст., а при 100 °С оно составляет 2640 мм рт. ст. углеводородами. Он хорошо поглощает пары воды, двуокись углерода и некоторые другие вещества.

Следует указать на способность метанола хорошо растворять большинство известных газов и паров. Так, растворимость гелия, неона, аргона, кислорода в метаноле при стандартных условиях выше, чем растворимость их в ацетоне, бензоле, этиловом спирте, циклогексане и т. д. Растворимость всех этих газов при разбавлении метанола водой уменьшается. Высокой растворимостью газов широко пользуются в промышленной практике, применяя метанол и его растворы в качестве поглотителя для извлечения примесей из технологических газов.

Свойства растворов метанола в смеси с другими веществами значительно отличаются...