СИНТЕЗ МЕТАНОЛА КАК СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ДЫМОВЫХ ГАЗОВ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается технология выделения и полезного использования компонентов дымовых газов крупнотоннажных производств синтетического метанола

Ключевые слова: дымовые газы, переработка, синтез, метанол

Одним из основных глобальных вызовов человечеству является изменение климата. В этих условиях стратегии развития стран предполагает сдерживание выбросов парниковых газов. Наибольшим потенциалом для снижения этих выбросов является промышленность.[5]

В обычном состоянии естественные источники выбросов диоксида углерода находятся в равновесии с удаляющими углекислый газ из атмосферы потоками в результате растворения СО₂ в морской воде и удаления его из воздуха в процессе фотосинтеза. К антропогенным источникам эмиссии CO₂ в атмосферу относятся: сжигание ископаемых и неископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии, перевозки людей и грузов.[5]

Необходимость сокращения выбросов углекислого газа требует анализа промышленных технологий его продуцирующих. К таковым относятся:

-сжигание ископаемого топлива

-брожение

-разложение карбоната кальция

-риформинг углеводородного сырья

Стоит отметить что наиболее выгодным с точки зрения концентрации углекислого газа являются процессы брожения так как они продуцируют практически чистый СО₂. Но емкость единичных источников газов брожения не велика по объему. СО₂-содержащие газы энергетики и промышленности отличаются низкой долей диоксида углерода, но объем выбросов от них значительно больший и локализован в районах крупных производственных объектов, что облегчает возможность их переработки.

Итак, основным доступным источником для сокращения выбросов углекислого газа являются крупные промышленные производства. Как было сказано ранее до 90% выбросов СО₂ производятся при сжигании топлива. Для сокращения выбросов необходимо извлечь диоксид углерода из дымовых газов, образуемых при горении углеводородного топлива. К таким способам относятся [1, 3]:

-абсорбционные

-адсорбционные

-мембранные

Анализ технико-экономических показателей этих способов показывает, что наиболее предпочтительны абсорбционные методы. В качестве абсорбента часто используются этаноламины. В частности, моноэтаноламин и метилдиэтаноламин. [2, 3]

Выделенный из дымовых газов углекислый газ требуется превратить в востребованную продукцию. К крупнотоннажным химическим процессам, использующим углекислый газ в качестве сырья, относятся [2, 3]:

-производство карбамида

-производство углекислоты

-производство метанола

Из этих трех направлений стоит выделить производство метанола. Так оно одновременно продуцирует дымовые газы при сжигании топлива и использует диоксид углерода в качестве сырья для процесса пароуглекислотного риформинга.

В общепринятой технологической схеме основным сырьем является природный газ, он подвергается сероочистке в соответствующем реакторе далее нагревается, смешивается с паром и углекислым газом и подается в реактор риформинга. Реактор представляет из себя трубчатую печь. Трубы заполнены никелевым катализатором. В межтрубном пространстве сжигается газ. Тепло передается к газу, протекающему по трубам. Синтез-газ, прошедший трубы, объединяется в один поток и направляется в теплообменное оборудование для получения пара и рекуперации тепла. Далее конвертированный газ сжимается до давления 10 МПа в две ступени и смешивается с циркуляционным потоком синтез-газа. Смешанный поток подается в адиабатический реактор синтеза и последовательно проходит катализаторные полки. Прореагировавшая газовая смесь охлаждается из нее выделяется метанол-сырец, отправляемый на ректификацию. газ после сепарации смешивается со свежим газом. Таким образом протекает циклический процесс синтеза.

Недостатками данной схемы является отсутствие системы переработки дымовых газов и низкоэффективная стадия синтеза. Для их устранения предлагается осуществлять синтез метанола при помощи технологии изображенной на рисунке 1.

Рисунок 1. Технологическая схема производства метанола

Сжатый метан с добавлением небольшого количества водорода поступает подается на стадию каталитической сероочистки. Далее он смешивается с водным паром и углекислым газом и подается в, заполненные никельосновным катализатором, реакционные трубы печи риформинга. Трубы находятся в радиантной зоне печи и обогреваются за счет тепла сгорания топливного газа в горелках, расположенных между трубами. Дымовые газы направляются в конвективную зону печи, где отдают остаточное тепло различным технологическим потокам. Дымовые газы дымососом направляются на всас компрессора, где сжимаются до давления 1,6 МПа. Далее происходит конденсация воды в двух последовательных теплообменниках. В первом дымовые газы охлаждаются воздухом, подаваемым на горелочные устройства печи риформинга. Дальнейшее охлаждение дымовых газов и конденсация, содержащейся в них воды, происходит за счет теплообмена с оборотной водой. Отделение конденсата происходит в сепараторе. Конденсат не содержит значимых примесей солей жесткости и может быть направлен в блок получения пара высокого давления. Обезвоженные дымовые газы, по сути, представляют смесь азота и углекислого газа, остальные примеси незначительны. Отделение диоксида углерода предлагается реализовать в абсорбционно-десорбционном цикле. Очищенный от углекислого газа азот может быть использован в качестве инертного газ в заводском хозяйстве, как сырье для синтеза аммиака или сброшен в атмосферу. Углекислый газ может быть использован как сырьевой компонент отделения риформинга, а может быть отправлен на сторонние производства, например, производство карбамида или углекислоты, в качестве очищенного сырья. Синтез-газ полученный в отделении риформинга охлаждается, из него выделяется конденсат, и направляется в двухступенчатый компрессорный агрегат. Давление сжатия первой ступени достигает 5 МПа. Температура синтез-газа в цикле адиабатического сжатия увеличивается до 220℃. Что достаточно для проведения синтеза метанола на медьсодержащем катализаторе. Для реализации процесса используется изотермический реактор. Прошедший реактор газ охлаждается в воздушном конденсаторе, из него выделяется метанол-сырец. Далее охлажденный синтез-газ направляется на вторую ступень сжатия, где сжимается до 10 МПа. Температура сжатого газа превышает 240℃. Синтез-газ направляется во второй изотермический реактор. Реакция синтеза метанола протекает в обоих реакторах в изотермическом режиме. Газ вышедший из второго реактора также охлаждается в воздушном конденсаторе, в сепараторе от него отделяется метанол-сырец. Расход газа выходящего из второго сепаратора составляет всего 3% от расхода газа поступающего на сжатие первой ступени компрессора. Этот газ может быть использован в качестве топливного газа печи риформинга напрямую или же его можно направить в метанатор для переработки остаточного водорода и оксидов углерода в метан с выделением значительного количества тепла. Тепло пойдет на адиабатический нагрев газового потока.[4]

Применение данной технологии позволяет снизить выбросы углекислого газа, связанные с сжиганием топлива в трубчатых печах производств синтетического метанола, вовлечь компоненты дымовых газов в производственный цикл и в целом снизить энергетические затраты на процесс получения метанола.

Список литературы:

1. Афанасьев С.В., Сергеев С.П., Волков В.А. Современные направления производства и переработки диоксида углерода. //Химическая техника. Межотраслевой журнал для главных специалистов предприятий. 2016. № 11. С.30 – 33.
2. Афанасьев С.В., Рощенко О.С., Сергеев С.П. Технология получения синтез-газа паровой конверсией углеводородов.// Химическая техника. Межотраслевой журнал для главных специалистов предпрпиятий.2016. №6. С.30 – 32.
3. Афанасьев С.В. Углекислый газ как сырьё для крупнотоннажной химии //Neftegaz. RU. 2019. №9. С.94 - 106.
4. Розовский А.Я., Лин Г.И. Теоретические основы процесса синтеза метанола М.: Химия, 1990, - 272 с.
5. Фёдоров Б.Г. Российский углеродный баланс. М.: Научный консультант. 2017. – 82 с.