Московский экономический журнал 1/2022

Научная статья

Original article

УДК УДК 66-94

doi: 10.55186/2413046X_2022_7_1_15

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА МЕТАНОЛА

MODELING THE TECHNOLOGICAL PROCESS OF METHANOL PRODUCTION 

Ермолаева Вера Анатольевна, к.х.н., доцент кафедры «Техносферная безопасность», Муромский институт (филиал) Владимирского государственного университета имени А. Г. и Н. Г. Столетовых,  E-mail: ErmolaevaVA2013@mail.ru

Захаричева Анастасия Александровна, студент кафедры «Техносферная безопасность», Муромский институт (филиал) Владимирского государственного университета имени А. Г. и Н. Г. Столетовых,  E-mail: xoxlowa.nastya2016@yandex.ru

Ermolaeva Vera Anatolievna, Ph. D. in Chemistry, Associate Professor of the Department of Technosphere safety, Murom Institute (branch) Vladimir state University named A.G. and N.G. Stoletovs, E-mail: ErmolaevaVA2013@mail.ru

Zakharycheva Anastasia Aleksandrovna, student of the Department of Technosphere safety, Murom Institute (branch) Vladimir state University named A.G. and N.G. Stoletovs, E-mail: xoxlowa.nastya2016@yandex.ru

Аннотация. Дана характеристика технологической схемы синтеза метанола. Приведен перечень технологического оборудования, используемого на производстве. Проведен модельный эксперимент. Рассчитана модель кинетики по двум основным реакциям (реакциям взаимодействия угарного газа с водородом, углекислого газа с водородом), протекающим в колонне синтеза.  Модель зависимости значения объёмного расхода и концентрации метанола от линейной скорости. Модель зависимости плотности водных растворов метанола от концентрации и температуры. Рассмотрено влияние режимных и технологических параметров на процесс получения метанола. На основании математических моделей построены компьютерные модели: модель химических реакций в колонне синтеза, модель зависимости концентрации метанола на выходе от линейной скорости движения, модель зависимости значения расхода метанола от линейной скорости, модель зависимости плотности водных растворов метанола от концентрации и температуры. Из построенных графиков были сделаны выводы о продолжительности реакций до полного расхода реагентов. На основании анализа моделей могут быть выбраны наиболее оптимальные технологические параметры, которые используются для повышения эффективности процесса и выхода целевого продукта.

Аbstract. The characteristic of the technological scheme of methanol synthesis is given. The list of technological equipment used in production is given. A model experiment was conducted. The kinetics model is calculated based on two main reactions (reactions of carbon monoxide with hydrogen, carbon dioxide with hydrogen) occurring in the synthesis column. A model of the dependence of the volume flow rate and methanol concentration on the linear velocity. A model of the dependence of the density of aqueous methanol solutions on concentration and temperature. The influence of regime and technological parameters on the methanol production process is considered. Based on mathematical models, computer models are constructed: a model of chemical reactions in the synthesis column, a model of the dependence of the methanol concentration at the outlet on the linear velocity, a model of the dependence of the methanol flow rate on the linear velocity, a model of the dependence of the density of aqueous solutions of methanol on concentration and temperature. From the constructed graphs, conclusions were drawn about the duration of reactions until the full consumption of reagents. Based on the analysis of models, the most optimal technological parameters can be selected, which are used to increase the efficiency of the process and the output of the target product.

 Ключевые слова: метиловый спирт, реакции в колонне синтеза, модели реакций

Key words: methyl alcohol, reactions in the synthesis column, reaction models

Введение

Для производства спиртов выбираются наиболее оптимальные технологические параметры, которые используются для повышения эффективности процесса и выхода целевого продукта. Для этого проводят математическое моделирование и рассматривают поведение при изменении линейной скорости движения, а также зависимость плотности водных растворов от концентрации и температуры. В данном случае рассмотрен процесс производства метилового спирта.

Характеристика технического процесса производства метилового спирта

Процесс синтеза метанола характеризуется следующими реакциями:

СО + 2Н₂ = СН₃ОН + 24,7 ккал   (1)

СО₂ + 3Н₂ = СН₃ОН + Н₂О + 14,9 ккал    (2)

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂ + 9,8 ккал    (3)

Синтез метанола проводится при температуре 210 — 290⁰С и при давлении около 80 кгс/см ².

В качестве сырья для производства метанола используют синтез-газ после производства ацетилена методом окислительного пиролиза (на 1 т ацетилена обычно образуется до 10000 м³ газа). Этот газ содержит водород и окись углерода в соотношениях, близких к стехиометрическому для реакции синтеза метанола. Остаточный метан является нежелательной примесью, поэтому до поступления в отделение синтеза газ проходит каталитическую конверсию.

Метиловый спирт является сырьем при производстве формалина, формальдегида, карбамидоформальдегидного концентрата и смол, полиамида. На основе метанола производятся антидетонационные присадки к бензинам, протеины, ядохимикаты и многие другие важные продукты. 

Модельный эксперимент

1. Кинетика химических реакций в колонне синтеза

В процессе производства метилового спирта  в реакторе синтеза протекают три реакции. Реакция (3) является побочной, так как протекает параллельно реакциям получения метилового спирта (1) и (2). Поэтому, для написания кинетической модели химических реакций получения метанола реакция (3) не учитывается.

Введем обозначения для реакции (1): А + 2В = С, тогда математическая модель реакции (1) будет выглядеть следующим образом:

где С_А — концентрация вещества А;

С_В — концентрация вещества В;

С_С — концентрация вещества С;

k₁ — константа скорости реакции.

Введем обозначения для реакции (2): А + 3В = С + D, тогда   математическая модель реакции (2) будет выглядеть следующим образом:

где С_А — концентрация вещества А;

С_В — концентрация вещества В;

С_С — концентрация вещества С;

С_D — концентрация вещества D;

k₂ —  константа скорости реакции.

2. Модель зависимости значения объёмного расхода и концентрации метанола от линейной скорости

Чтобы исследовать зависимость скорости движения исходных веществ на выход метилового спирта, линейная скорость движения исходного сырья берётся в интервале от 0,2 до 2 м/c.

Путём подбора математическая модель зависимости значения объёмного расхода от линейной скорости выглядит следующим образом:

f(V) = k ^. V + b,

где параметры k и b требуют подбора в ходе модельного эксперимента.

Путём подбора математическая зависимость значения линейной скорости от объёмного расхода выглядит следующим образом:

где параметр k требует подбора в ходе модельного эксперимента.

Путём подбора математическая модель зависимость значения концентрации метанола на выходе от линейной скорости выглядит следующим образом:

f(V) = k ^. V — b,

где параметры k и b требуют подбора в ходе модельного эксперимента.

3. Модель зависимости плотности водных растворов метанола от концентрации и температуры

Чтобы исследовать плотность водных растворов метанола в зависимости от концентрации и температуры, концентрация раствора метанола берётся в интервале от 0 до 100% вес. Для исследования взяты температуры раствора 0, 10, 15 и 20°С.

Необходимо найти эмпирическую зависимость плотности водных растворов метилового спирта в зависимости от концентрации и температуры.

f(C) = 1 – k ^. C² – b ^. C

Значения параметров предложенных моделей аппроксимации будут найдены в ходе модельного эксперимента.

Компьютерные модели

1. Компьютерная модель химических реакций в колонне синтеза

С учетом математической модели, построим компьютерную модель в программе Mathcad. Исходя из результатов построенной модели первой реакции, можно сделать следующий вывод.  Водород расходуется до 0,05 за время равное 20 секундам. Угарный газ расходуется до 0,026 за время равное 20 секундам. Выход метанола составляет  30 за время равное 20 секундам.

Исходя из результатов полученной модели второй реакции, можно сделать следующий вывод. Углекислый газ расходуется до 0,07 за время равное 7,6 секунд. Водород расходуется не полностью, остаток 0,3, что составляет 10% от начальной концентрации. Выход метанола составляет 1,856. Выход воды составляет 1,878.

2. Модель зависимости значения объёмного расхода и концентрации метанола от линейной скорости

Компьютерная модель зависимости концентрации метанола на выходе от линейной скорости движения выглядит следующим образом:

где k=1,25 – найденное значение.

Компьютерная модель зависимости значения расхода метанола от линейной скорости выглядит следующим образом.

k: = 13       b: = 30

f(V) = k ^. V + b 

q1_i := f(i)

где k=13, b=30 – найденные значения.

3. Компьютерная модель зависимости плотности водных растворов метанола от концентрации и температуры

Компьютерная модель зависимости выглядит следующим образом:

b:=0,00023          k:= 0,000019  

f(C) := 1 – k ^. C² – b ^. C

где k = 2,3 ^.10^-4;   b = 1,9 ^.10^-5 – найденные значения

Заключение

В ходе работы рассмотрена технологическая схема производства метилового спирта, физико-химические процессы производства. В работе были представлены математические модели реакций в колонне синтеза, модель зависимости выхода метанола, модель зависимости плотности водных растворов метанола от концентрации и температуры

Список источников

1. Гумеров А.М. Математическое моделирование химико-технологических процессов: учеб. пособие – 2-е изд. – СПб.: Лань, 2014. – 176с.
2. Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г. Общая химическая технология. — М.: Высш. шк., 1990. – 520 с.
3. Шуб В.С., Кузнецов В.Д., Иванова Р.А., Снаговский Ю.С., Темкин М.И. Кинетика синтеза метанола и гидролиза метанола на медьсодержащем катализаторе. Кинетика и катализ, 1985, т.26, № 2, с.349 — 355.
4. Ермолаева В.А., Лаврова Е.В. Расчетные характеристики кислотного способа получения криолита, Естественные и технические науки, № 11 (125), 2018. – с.458-461.
5. Николаева Д.М. Ермолаева В.А. Математическое моделирование ректификации многокомпонентной смеси, Международный журнал гуманитарных и естественных наук, № 2, том 2, 2019. – с.35-39.
6. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.newlibrary.ru/book/gelperin_n_i_/osnovnye_processy_i_apparaty_himicheskoi_tehnologii_kn_2.html

References

1. Gumerov A.M. Matematicheskoe modelirovanie ximiko-texnologicheskix processov: ucheb. posobie – 2-e izd. – SPb.: Lan`, 2014. – 176s.
2. Kutepov A.M., Bondareva T.I., Berengarten M.G. Obshhaya ximicheskaya texnologiya. — M.: Vy`ssh. shk., 1990. – 520 s.
3. Shub V.S., Kuzneczov V.D., Ivanova R.A., Snagovskij Yu.S., Temkin M.I. Kinetika sinteza metanola i gidroliza metanola na med`soderzhashhem katalizatore. Kinetika i kataliz, 1985, t.26, № 2, s.349 — 355.
4. Ermolaeva V.A., Lavrova E.V. Raschetny`e xarakteristiki kislotnogo sposoba polucheniya kriolita, Estestvenny`e i texnicheskie nauki, № 11 (125), 2018. – s.458-461.
5. Nikolaeva D.M. Ermolaeva V.A. Matematicheskoe modelirovanie rektifikacii mnogokomponentnoj smesi, Mezhdunarodny`j zhurnal gumanitarny`x i estestvenny`x nauk, № 2, tom 2, 2019. – s.35-39.
6. Gel`perin N.I. Osnovny`e processy` i apparaty` ximicheskoj texnologii [E`lektronny`j resurs]. Rezhim dostupa: http://www.newlibrary.ru/book/gelperin_n_i_/osnovnye_processy_i_apparaty_himicheskoi_tehnologii_kn_2.html

Для цитирования: Ермолаева В.А., Захаричева А.А. Моделирование технологического процесса производства метанола // Московский экономический журнал. 2022. № 1. URL: https://qje.su/rekreacia-i-turizm/moskovskij-ekonomicheskij-zhurnal-1-2022-15/

© Ермолаева В.А., Захаричева А.А., 2022. Московский экономический журнал, 2022, № 1.