Физико-химическое обоснование основных процессов производства метанола
Равновесие реакции образования метанола. Процесс получения метанола основан на взаимодействии водорода и окиси углерода:
2Н2 + СО « СНзОН + 21,67 ккал
Реакция может протекать как в прямом, так и в обратном направлениях.
В соответствии с законом действующих масс скорость любой химической реакции пропорциональна произведению концентраций
реагирующих веществ. Тогда скорости прямой и обратной реакций выразятся уравнениями
u1 = k1 [Н2]2 [СО] u2 = к2 [СНзОН]
где [Hz], [СО] и [СНзОН]—концентрации водорода, окиси углерода и метанола; k1, kz—константы скорости прямой и обратной реакций, значения которых зависят от температуры/
При условии равновесия скорости прямой и обратной реакций становятся равными
k1 [Н2]2 [СО] = к2 [СНзОН] откуда:
где К—константа равновесия реакции.
Значение константы равновесия необходимо для расчета равновесного выхода метанола. Равновесный выход—это теоретический максимальный выход метанола, который может быть получен из водорода и окиси углерода, .взятых при данных концентрациях, температуре и давлении процесса. Константу равновесия можно определить как теоретическим, так и экспериментальным путем.
Константа равновесия может быть представлена в различных единицах измерения.
Давление. В технических расчетах обычно пользуются выражением константы равновесия через парциальное давление компонентов.
При повышении давления и понижении температуры равновесие сдвигается в сторону увеличения выхода метанола. В промышленных условиях синтез метанола осуществляется из газовой смеси, содержащей кроме водорода и окиси углерода также двуокись углерода. Поэтому при расчете равновесия синтеза метанола из смеси газов Н2—СО—COz необходимо учитывать следующую реакцию:
СО2 + Н2(г)—> СО + Н2О — 9,8 ккал ;
Равновесный выход метанола, степень превращения окиси и двуокиси углерода в значительной мере меняются в зависимости от давления, температуры, отношения Н2: СО и содержания двуокиси углерода в газе. Влияние давления и температуры на равновесный выход метанола определено для следующего состава газа: 1,25 объемн.% СОа; 10,6 объемн.% СО; 74,2 объемн.% Нд;-13,95 объемн.% (CH4+Nz).
Давление. При повышении давления выход метанола почти прямо пропорционально увеличивается и резко возрастает степень превращения окиси/и двуокиси углерода (при 380°С):
Давление, кгс/см2 .......... 50 100 200 300 400
Выход СНэОН, объемн. %...... 0,37 1,56 5,54 9,31 11,68
Следует заметить, что с увеличением давления более резкий рост равновесного выхода метанола наблюдается при повышенных температурах. Так, при изменении давления от 50 до 300 кгс/см5 равновесный выход метанола при 280 °С увеличивается в 2,4 раза а дри 380 °С — в 2,3 раза (отношение Hz : СО =4 : 1).
Температура. С повышением температуры равновесный выход
метанола понижается. Наиболее резкое понижение наблюдается при температурах выше 340°С. В этих условиях (при 300 кгс/см2) начинает снижаться степень превращения окиси и двуокиси угле рода в метанол, причем более резко окиси углерода:
Температура, °С ....... 250 300 340 360 380 400
Выход метанола, объемн. %. . 15,44 14,81 12,88 11,37 9,31 7,40 Степень превращения, %
СО ........... 99,75 97,20 87,52 78,96- 66,19 53,29
СОз ........... 98,00 89,80 77,00 71,50 66,61 64,00
При давлении 50 кгс/см2 и повышении температуры от 180 дс 300 °С равновесный выход метанола снижается более чем в 7 pa;
(отношение Н2 :СО=3,6, содержание двуокиси углерода 6,0 объемн. %). При этом степень превращения окиси и двуокиси углерода в метанол уменьшается с 75,3 до 14,6%.
При повышении отношения На: СО степени превращения окиси и двуокиси углерода возрастают, причем степень превращения СО2 в большей мере, а равновесный выход метанола снижается. Влияние отношения На : СО на равновесны? выход метанола определено для такого состава газа: 1,25 объемн.% С02; 84,8 объемн. %); 13,95 объемн. % (CI^+Nz). При 300 кгс/см2 и 380 °С равновесный выход метанола и степень превращения окислов углерода в зависимости от отношения Нг: СО меняются следующим образом:
Отношение На:СО . ......... 2 4 8 10 14
Выход СНдОН, объемн. %,..... 17,25 13,80 8,39 7,05 5,40
Степень превращения, %
СО ............... 44,50 60,39 66,85 67,80 67,97
СОа .............. 19,50 45,71 70,52 76,15 82,39
\При увеличении содержания окиси углерода в газе, т. е. уменьшении отношения На: СО, равновесный выход метанола возрастает пропорционально при 50 кгс/см2 и 6 объемн. % СОз). Так, при 8 объемн. % СО, равновесный выход метанола составляет 5,71 объемн. %, при 16 объемн. % СО—11,41 объемн. %, а при 24 объемн, % СО—16,82 объемн. % СНзОН.
Двуокись углерода. Реакция восстановления двуокиси углерода водородом до окиси углерода в промышленных условиях синтеза метанола протекает практически до равновесного состояния, и пренебрегать ею при расчете равновесных выходов метанола нельзя. 'При повышении содержания двуокиси углерода в газе равновесный выход метанола меняется незначительно. Степень превращения
окислов углерода в метанол при этом снижается с 42,2% при 6 обьемн.% СО2 до 32,7% при 12 объемн.% СО2.
Инертные компоненты. В промышленных условиях синтез метанола протекает в присутствии инертных к данному процессу газов (метан, азот). Они в реакции не участвуют и не оказывают прямого влияния на равновесие реакции образования метанола. Однако наличие их в газе снижает парциальное (эффективное) давление реагирующих веществ, что ведет к уменьшению равновесного выхода метанола. Поэтому концентрацию инертных компонентов необходимо поддерживать на минимальном уровне.
На основании изложенного следует отметить, что синтез метанола на цинк-хромовом катализаторе, который работает при 360—380 °С, целесообразно проводить только при давлениях выше 200 кгс/см2. На низкотемпературных катализаторах, эксплуатируемых в температурном интервале 220—280°С, возможна работа при давлениях ниже 100 кгс/см2, причем, чем ниже температура, тем ниже может быть и давления синтеза.
Кинетика синтеза метанола. В гомогенных условиях (без катализатора) скорость взаимодействия окиси углерода и водорода ничтожно мала, и получить метанол в больших количествах невозможно. Для увеличения скорости реакции взаимодействия исходных компонентов используют вещества, которые, способствуя ускорению процесса, сами к концу реакций остаются химически неизменными. Для оценки этого ускорения, или иначе активности катализатора, необходимо знать скорость химического взаимодействия реагирующих компонентов. Если реакция протекает в гомогенных условиях, то скорость ее зависит от температуры, давления и концентрации реагирующих веществ. В гетерогенном, каталитическом процессе скорость реакции будет определяться также типом катализатора и состоянием его поверхности. Синтез метанола является гетерогенным каталитическим процессом, протекающим на границе раздела твердой (поверхность катализатора) и газообразной (смесь окиси углерода и водорода) фаз. До начала реакции окись углерода и водород концентрируются на поверхности катализатора (происходит адсорбция СО и Hz). Суммарный процесс синтеза метанола состоит из следующих стадий: диффузия исходных веществ к поверхности катализатора;
адсорбция этих веществ да поверхности катализатора; химическое взаимодействие адсорбированных молекул СО и Н2 до метанола;
удаление (десорбция) образовавшегося метанола с поверхности катализатора. Скорость процесса образования метанола будет равна скорости реакции в зависимости от начальных условии (температуры, давления, концентрации веществ, времени контакта газа с катализатором) позволило вывести кинетическое уравнение. Последнее используют при моделировании процесса и разработке промышленных реакторов.
Проведенные на электронно-вычислительной машине расчеты по кинетическому уравнению показали, что оно хорошо описывает процесс образования метанола.
На катализаторе СНМ-1 и может быть использовано для расчета промышленных реакторов, работающих при 50 Krc/C можно определить оптимальные параметры процесса и равновесные условия. Наибольший выход метанола наблюдается при 255— 270° С, что согласуется с экспериментальными данными. С уменьшением парциального давления окиси углерода (повышение отношения Н2:СО) максимум активности катализатора смещается в сторону более низких температур.
При подготовке данной работы были использованы материалы с сайта http://www.studentu.ru