Доклад: Катализаторы синтеза метанола

При взаимодействии окиси углерода и водорода качественный состав продуктов реакции определяется видом используемого  катализатора. Так, в зависимости от состава катализатора из окна углерода и водорода при соответствующих условиях (температура, давление и концентрация) можно получить метанол, высшие спирты, углеводороды, альдегиды и кислоты.

Метанол может также реагировать с окисью углерода и во­дородом, образуя ряд побочных веществ.

Основные требования, предъявляемые к катализатору синтеза метанола: высокая активность и селективность (направлять про­цесс в сторону преимущественного образования метанола), ста­бильность в работе, стойкость к колебаниям температуры и боль­шая механическая прочность. Катализаторы для синтеза метанола подразделяются на две группы: цинк-хромовые и медьсодержа­щие (цинк-медь-алюминиевые и цинк-медь-хромовые). На отечественных производствах метанола в основном используют активный / цинк-хромовый катализатор при 250—400 кгс/см² и 380—400 °С. Цинк-хромовый катализатор состоит из окиси цинка и хромита цинка. Химический состав его следующий: ZnO-ZnCrzO, 3ZnO-ZnCr204, 3,3ZnO-ZnCr20.

В настоящее время внедряется катализатор CMC-4 (Северодо­нецкий метанольный среднетемпературный). Этот катализатор бо­лее активен, чем обычный промышленный цинк-хромовый катали­затор; технико-экономические показатели работы на нем предпоч­тительнее: снижается  расход исходного газа, увеличивается степень превращения окиси и двуокиси углерода, на 5—10 °С снижается температура процесса синтеза.

В последнее время в связи с изменением сырьевой базы (пере­ход на природный газ), совершенствованием методов очистки газа и развитием техники в ряде стран используют цинк-медь-алюми­ниевые и цинк-медные катализаторы. Катализаторы, имеющие в своем составе медь, более активны, чем цинк-хромовые, причем максимальная активность их наблюдается при 220—260 °С. В силу  этой особенности катализаторы на основе меди обычно называют низкотемпературными. Высокая активность их при низких темпе­ратурах позволяет проводить процесс при давлении ниже 200 кгс/см², что значительно упрощает аппаратурное оформление. Разработан и освоен в промышленном масштабе катализатор СНМ-1 (Северодонецкий низкотемпературный метанольный). Хи­мический состав невосстановленного образца следующий: 52—54% CuO, 26—28% ZnO, 5—6% AlaOs, насыпная масса 1,3—1,5 кг/м³, удельная поверхность 80—90 м^г, пористость ~50%.

Необходимо отметить, что медьсодержащие катализаторы по сравнению с цинк-хромовыми обладают малой термостойкостью и более чувствительны к каталитическим ядам. Медьсодержащий катализатор быстро снижает активность при перегревах, а в при­сутствии сернистых соединений обра­зуется неактивный сульфид меди.

Сырье, используемое для производства низкотемпературных катализаторов, должно содержать минимальное количество приме­сей, поскольку наличие последних снижает селективность контак­та и ухудшает качество метанола-сырца (особенно жесткие тре­бования предъявляют к содержанию мышьяка, серы и железа). Поэтому при использовании сырья, загрязненного различными при­месями, в том числе и сернистыми соединениями, медьсодержащие катализаторы практически не могут быть применены.

Производство катализаторов состоит из двух основных стадий:

приготовление катализатора и восстановление его до активного состояния. В промышленности цинк-хромовые катализаторы могут быть приготовлены «сухим» и «мокрым» методами.

При «сухом» методе приготовления предварительно измельчен­ные окись цинка и хромовый ангидрид, взятые в определенном соот­ношении, тщательно перемешивают на бегунах сначала в сухом виде, затем с увлажнением дистиллированной водой. В полученную смесь вводят до 1% мелкодисперсного графита и формуют таб­летки размером 5х5 или 9Х9 мм. По так называемому «мокрому» способу к суспензии окиси цинка добавляют раствор хромового ангидрида. Процесс проводят в специальных аппаратах-смесите­лях с последующим отделением воды. Полученную пасту последо­вательно сушат, смешивают с графитом и таблетируют. Приготов­ленный «мокрым» способом катализатор более однороден по хи­мическому составу, более пористый, а также имеет высокую механическую прочность. Активность катализатора, приготовлен­ного по «мокрому» способу, на 10—15% выше полученного «сухим» способом.

Цинк-хромовый катализатор получают также соосаждением из азотнокислых солей цинка и хрома. В растворе при взаимодейст­вии этих солей с карбонатом аммония в осадок выпадают основ­ные углекислые соли. При прокаливании осадка в атмосфере водорода получающиеся окислы цинка и хрома взаимодействуют с образованием хромита цинка. Полученную контактную массу после измельчения смешивают с графитом и таблетируют. Приготовленные катализаторы имеют высокоразвитую внутреннюю по­верхность (более 100 м²), меньшую на 30—36% насыпную массу и более высокую активность, чем катализаторы, полученные по «сухому» способу.

Катализатор марки СМС-4 получают по так называемому «полумокрому» методу. Причем его можно приготовить на оборудова­нии, предназначенном для производства по «сухому» способу, без существенного усложнения технологии процесса приготовления.

Приготовление катализаторной массы в любом случае сопро­вождается взаимодействием хромового ангидрида с окисью цинка.

По техническим условиям невосстановленные образцы катали­заторов должны содержать 55±1,5% ZnO, 34±1,0% СгОз, не бо­лее 1,3% графита, не более 2,0% воды гигроскопической (осталь­ное — вода кристаллизационная). Невосстановленный катализатор представляет собой малопористое вещество с небольшой удельной поверхностью 10—15 м^г.

Активная форма цинк-хромового катализатора образуется в процессе его восстановления различными газами-восстановителя­ми, например водородом. Удельная поверхность восстановленного катализатора 100—120 м^г (по «сухому» методу) и 196 м^г (по «мокрому» методу). Восстановление цинк-хромового катализатора сопровождается большим выделением тепла. Обычно восстановле­ние проводят при медленном подъеме температуры до 190—210 °С. При неосторожном ведении процесса возможны самопроизволь­ные, в отдельных случаях местные, перегревы катализатора, кото­рые приводят к потере его активности в результате спекания.

При восстановлении катализатора окисью углерода интенсив­ность восстановления замедляется выделяющейся двуокисью угле­рода. При местных перегревах катализатора возможно образова­ние метана и как результат резкое повышение температуры. При восстановлении же водородом тормозящее действие на процесс оказывают пары воды. Для снижения скорости восстановления газ-восстановитель разбавляют инертным газом (обычно азотом).

В промышленных условиях цинк-хромовый катализатор можно восстанавливать непосредственно в колонне синтеза продувочным газом при 100—150 кгс/см² и 190—210 °С. Содержание водорода в газе обычно поддерживают не выше 70 объемн.%. Процесс кон­тролируют по количеству сливаемой воды, образующейся в ре­зультате восстановления: не более 5—8 л/ч с 1 м³ катализатора.

При восстановлении цинк-хромового катализатора вне колонны синтеза в кипящем слое перед таблетированием обеспечивается хороший контакт газа с катализатором и интенсивный отвод тепла.  В последнее время внедрен в промышленность способ восста­новления цинк-хромового катализатора (СМС-4) парами метанола при 170—230 °С и атмосферном или повышенном давлении. Про­должительность восстановления 8—36 ч. При использовании в ка­честве восстановителя паров метанола уменьшается опасность перегрева катализатора, кроме того, процесс восстановления мож­но вести без циркуляционных компрессоров.

Пробег  промышленного цинк-хромового катализатора в зна­чительной степени определяется условиями восстановления ката­лизатора и процесса синтеза метанола на нем. В начальной стадии развития производств метанола, когда в качестве сырья использо­вали водяной газ со значительным количеством примесей и процесс проводили при отношениях На : СО не выше 4. пробег катали­затора не превышал 4—5 месяцев. При использовании природного газа и отношении Н₂: СО в цикле выше 6 цинк-хромовый катали­затор практически не снижает активность в течение года. Обычно

* Исходным газом называют очищенный конвертированный газ, поступаю­щий при высоком давлении в агрегат синтеза.

** Т. е. время эксплуатации катализатора, в течение которого выход мета­нола соответствует средним величинам по проекту. отработанный цинк-хромовый катализатор не регенерируют. Для стабилизации работы цинк-хромового катализатора во времени в него вводит окислы металлов VI группы периодической системы, например окислы молибдена, вольфрама и др.                      ^-

Низкотемпературные катализаторы могут быть получены раз­нообразными способами и из различного сырья. При приготовле­нии катализаторов предпочтение отдается методу соосаждения. Выпускают такие катализаторы в таблетках размером 5х5 мм.

Восстановление низкотемпературных катализаторов сложнее, чем цинк-хромовых и требует большой осторожности. Катализато­ры восстанавливают в узком интервале температур (110—115°С), при этом выделяется большое количество тепла. Восстановление можно проводить при атмосферном и повышенном давлениях — важно обеспечить отвод тепла от катализатора. Необходимо за­метить, что низкотемпературный катализатор обладает пирофор­ными свойствами, и при выгрузке из колонн синтеза возможен его сильный разогрев и даже воспламенение. Поэтому до выгрузки катализатор пассивируют, т. е. обрабатывают паром или азотом, содержащим до 5 объемн.% Oz.                              

Доля установок, работающих на низкотемпературных катализаторах, в производстве метанола пока незначительна. Однако перевод производств на природный газ, разработка методов очистки газа от сернистых соединений и простота конструкции аппаратуры  синтеза при низком давлении расширяет перспективу использования этих катализаторов в промышленности,                     

Влияние различных параметров на процесс синтеза метанола.                                         

 В процессе синтеза метанола с течением времени активность катализатора снижается. Чтобы обеспечить нормальные условия

синтеза метанола и достичь оптимальных технико-экономических показателей производства, корректируются технологические пара­метры процесса—температура, давление, отношение На: СО, объ­емная скорость и содержание инертных компонентов в газе. Производительность катализатора является показателем, который может быть применен для оценки активности катализатора и эффективности его работы. Производительность катализатора—  это количество продукта (метанола), получаемого с единицы объема катализатора за единицу времени, например т СНзОН/м³ с катализатора в сутки. Кроме температуры, давления, объемной скорости и  состава исходного газа на производительность влияет также и размер зерна катализатора.

Условия проведения процесса. Исходя из термодинамики и кинетики процесса выбирают условия его проведения на соот­ветствующих катализаторах.

Так, в промышленных условиях на цинк-хромовых катализа­торах процесс ведут под давлением 25—70 мПа, при темпера­туре 370—420 °С, объемной скорости подачи газовой смеси-lOOOO—35000-i и мольном соотношении Н2:СО=(1,5—2,5):1. Обычно исходный газ содержит 10—15% инертных примесей. В связи с этим требуется непрерывный вывод части рецикла газовой смеси (»10%) из системы. В этих условиях конверсия СО за один проход составляет 5—20% при выходе метанола 85—87% от стехиометрического. Непревращенный газ возвра­щается в реактор после конденсации метанола и воды. Одно­временно с метанолом образуется ряд побочных продуктов: диметиловый эфир, высшие спирты и др.

При работе на низкотемпературных медьсодержащих ката­лизаторах давление поддерживается в пределах 3—5 мПа, тем­пература—230—280 °С, объемная скорость 8000—12000 ч-', мольное соотношение Н2:СО==(5—7) : 1. Обязательным услови­ем успешной работы низкотемпературных катализаторов явля­ется присутствие в газовой смеси 4—5% (об.) диоксида угле­рода. Он необходим для поддержания активности таких ката­лизаторов. Срок службы катализатора при выполнении этого условия достигает 3—4 лет.    

При подготовке данной работы были использованы материалы с сайта http://www.studentu.ru