книги / Основные новые разработки в технологии метанола

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

С.В. Островский, В.Н. Пащенко, А.Р. Кобелева

ОСНОВНЫЕ НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ В ТЕХНОЛОГИИ МЕТАНОЛА

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2021

1

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие посвящено технологии метанола, который является важнейшим крупнотоннажным продуктом химической отрасли промышленности.

Рассмотрение перспектив развития производства метанола включено в программу дисциплины «Технология неорганических веществ», изучаемой магистрантами по направлению подготовки «Химическая технология».

Впервом разделе приведены сведения об объемах производства

ипотребления метанола в мире и в отдельных странах, а также дана оценка перспектив развития рассматриваемой отрасли химической промышленности в России.

Другие разделы учебного пособия посвящены рассмотрению на примере ПАО «Метафракс» проблем метанольной отрасли, связанных с освоением и модернизацией крупнотоннажных агрегатов по производству метанола. Кроме того, рассматриваются основные технологические решения при разработке особо крупных производств метанола

инаправления создания комбинированных производств аммиака и метанола.

Большое внимание уделено разработкам крупных зарубежных компаний (Methanol Casale SA, Johnson Matthey Catalysts, Davy Process Technology, Lurgi, Haldor Topsoe), занимающихся проектиро-

ванием и строительством современных агрегатов синтеза метанола. Учебное пособие призвано помочь студентам в изучении основных перспективных направлений совершенствования технологии метанола, формировании умения осваивать приемы и методы анализа технологических процессов в производстве метанола, приобретении навыков обоснования и реализации оптимальных техно-

логических режимов в производстве метанола.

4

1.СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТАНОЛЬНОЙ ОТРАСЛИ

ИПРОБЛЕМЫ В ТЕХНОЛОГИИ МЕТАНОЛА

Несмотря на то что метанол принадлежит к крупнотоннажным продуктам органического синтеза, его технологию по ряду важных причин относят к азотной промышленности, а следовательно, к технологии неорганических веществ. Это основано на том, что в производстве метанола, как и в производстве синтетического аммиака, используются сходные сырьевые ресурсы, технологические процессы и имеющие много общего аппаратурно-технологические схемы и оборудование.

В настоящее время в качестве основного сырья для производства метанола используют природный газ. Так, в США весь метанол производитсяиз природного газа, в Японии– 67 %, в России– 90 %.

Современная технология метанола основана на получении его из природного газа и включает в себя следующие основные стадии: подготовку сырья, очистку природного газа от соединений серы, паровую конверсию природного газа с получением синтез-газа, компрессию технологического газа, синтез метанола и выделение метанола-сырца в цикле синтеза, ректификацию метанола-сырца с получением продукта – метанола-ректификата.

Детальный обзор существующих и перспективных областей применения метанола представлен в работе Э.А. Караханова [1]. В ней справедливо отмечены возросшие темпы расширения областей применения метанола и связанный с этим рост объемов его производства. Обращено внимание на широкий спектр существующих областей применения метанола в органическом синтезе формальдегида, метиламина, диметиламинов, метилакрилата, диметилтерефталата, метилгалогенидов, метил-третбутилового эфира, низших олефинов, высокооктанового бензина, топлива, спиртов, уксусной кислоты, белков.

В настоящее время мировой объем производства метанола превышает 70 млн т в год. В XXI в. в метанольной отрасли наблюдает-

5

ся устойчивый рост объемов производства, который, весьма вероятно, сохранится и в ближайшей перспективе (табл. 1).

Таблица 1 Динамика изменения объемов производства метанола в мире [2, 3]

На рис. 1, 2 представлены данные о структуре потребления метанола в Китае [2] и России [3].

Рис. 1. Структура потребления метанола (млн т) в Китае (2017 г.)

Китай является основным производителем и потребителем метанола. Его доля в мировом производстве составляет чуть меньше половины всего объема выпуска метанола (34 млн т в 2017 г.). Россия производит метанола значительно меньше – около 5,5 % от мирового производства.

Основным потребителем метанола в Китае является производство олефинов (этилен, пропилен и др.) по технологии MTO (Meth- anol-to-olefins). Почти на том же уровне находится производство

6

формальдегида как сырья для смол, которые используются в строительной и автомобильной промышленности. Еще одним крупным потребителем метанола является производство топлива, где метанол используют как самостоятельное топливо и как добавку к другим видам топлива (бензины, дизельное топливо).

Большая часть метанола, потребляемого в России, расходуется на производство формальдегида. Существенное количество метанола направляется на синтез высокооктановых присадок к топливу. Особенностью российского рынка потребления метанола является его использование в нефтегазовой отрасли для борьбы с гидратами углеводородов.

Рис. 2. Структура потребления метанола (млн т) в России (2017 г.)

Анализ динамики роста потребления метанола в России [2] показывает, что в долгосрочной перспективе общее увеличение внутреннего спроса на метанол не превысит 1,7 % в год. Это говорит о том, что основной движущей силой увеличения производства метанола в стране может быть экспорт. Основными же потребителями российского метанола являются такие европейские страны, как Финляндия, Польша, Словакия, которые импортируют 75 % всего метанола, производимого в России. Для дальнейшего развития экспорта метанола в России необходимо решить проблемы с отгрузкой его в портах Балтийского и Черного морей, а также на Дальнем Востоке. Только при этом условии могут быть реализованы новые метанольные проекты, предусматривающие увеличение годового выпуска метанола почти на 19 млн т к 2030 г.

7

История получения метанола тесно связана с историей развития химической науки. Метанол был обнаружен Р. Бойлем в XVII в. при изучении сухой перегонки древесины и назван «древесным спиртом». В 1857 г. М. Бертло получил метанол путем омыления хлористого метила.

Синтез метанола из смеси оксида углерода и водорода (синтезгаза) в промышленном масштабе был реализован в 1923 г. в Германии фирмой BASF.

Первые установки синтеза метанола в СССР были построены в 1934 г. в г. Новомосковске. На этих установках синтез метанола осуществлялся при повышенном давлении (30–32 МПа) и температуре 300–350 °С, в качестве катализатора использовался высокотемпературный цинк-хромовый катализатор.

В настоящее время основная часть метанола производится в средне- и крупнотоннажных агрегатах, в которых синтез осуществляется при низком давлении (5–10 МПа) на низкотемпературном цинк-медьсодержащем катализаторе при температуре 200–250 °С. Разработка этой технологии стала крупнейшим достижением в производстве метанола, которое обеспечило значительное улучшение технико-экономических показателей: снижение расходов сырья за счет увеличения выхода продукта и селективности процесса каталитического синтеза, уменьшение топливно-энергетических затрат и удельных капиталовложений. Увеличение единичной мощности агрегатов позволило использовать более эффективные турбокомпрессоры с приводом от паровых турбин, а также разработать замкнутую энерготехнологическую схему производства.

Первая промышленная установка низкого давления по производству метанола была пущена в Англии в 1967 г. Уже в 1973 г. на долю новой технологии приходилось значительное количество действующих мощностей: в США – 34,6; Англии – 50,5; Нидерландах – 80,5;

ФРГ – 31 и Японии – 65,6 % [4].

Существующие в СНГ установки можно условно подразделить на четыре типа [5]. Первый тип – это наиболее старые установки, либо собранные еще в 50-е гг., либо вывезенные после Второй мировой войны с территории Германии. Такие агрегаты есть у АО «АНХК», г. Ангарск, ина предприятии АО «NavoiyAzot», г. Навои, Узбекистан.

8

Второй тип – это устаревшие установки М-300, спроектированные в НИИ «Метанолпроект» (ныне «Химтехнология»), г. Северодонецк, Украина.

Технологический процесс установок 1-го и 2-го типов основан на синтезе при высоком давлении (250–400 кгс/см2, 380–400 °С). Конечный продукт, полученный на этих установках, оказывается низкого качества, содержит большое количество нежелательных примесей.

К третьему типу установок относятся сравнительно новые установки М-100 и усовершенствованные установки М-300. Процесс получения метанола в них основан на синтезе при низком давлении.

Четвертый тип – это современные и усовершенствованные установки низкого давления, спроектированные ведущими иностранными компаниями. Они наиболее удобны и экономичны в плане затрат энергии и ресурсов.

С момента появления установок синтеза метанола с низким давлением началось наращивание единичной мощности агрегатов. В 1967 г. в мире эксплуатировались колонны синтеза метанола производительностью 160–200 т в сутки. К 1970 г. производительность метанольных агрегатов возросла до 800–1000 т в сутки, а в 1975 г. в США и ФРГ были построены производства производительностью 2000 т метанола в сутки.

В 1978 г. английская фирма ICI подписала с СССР контракт на строительство в г. Томске и г. Губахе Пермской области производств метанола мощностью 750 тыс. т (2500 т в сутки).

Томский агрегат М-750 был построен в 1983 г. по проекту английской инжиниринговой фирмы Davy McCie при участии фирмы ICI. Губахинский агрегат М-750 запущен в 1984 г. и строился по проекту фирмы ICI.

Наиболее крупными производителями метанола в России являются ПАО «Метафракс», г. Губаха (1 млн т на конец 2007 г.), ОАО «Тольяттиазот», г. Тольятти (1 млн т), ЗАО «Метанол», г. Томск (0,75 млн т). На первом и третьем предприятиях эксплуатируются реконструированные агрегаты М-750, на предприятии «Тольяттиазот» работают две установки – М-450 и М-550, спроектированные компанией Methanol Casale SA (последняя в 2006 г.). Кроме того,

9

производства метанола работают на следующих предприятиях: «Щекиноазот», г. Щекино; ЗСП, г. Новочеркасск, «Акрон», г. Великий Новгород, «Азот», г. Невинномысск, которые производят, соответственно, 380, 160, 100 и 130 тыс. т метанола в год.

В перспективе до 2030 г. в России дополнительно намечается строительство и пуск 14 новых производств метанола [2]. Более половины из них будут размещены в Европейской части, остальные

вСибири и на Дальнем Востоке. Вот некоторые из проектов: Балтийская газохимическая компания, г. Усть-Луга, Ленинградская область (1,7 млн т в год к 2023 г.), «Щекиноазот» (0,5 млн т в год к 2024 г.), РФПИ и АЕОН, г. Волгоград (1 млн т в год к 2023 г.), ГК ОТЭКО, г. Тамань, Краснодарский край (3,5 млн т в год к 2026– 2030 гг.), EKOZON, г. Пикалево, Ленинградская область (1,3 млн т

вгод к 2025 г.).

Таким образом, мировая метанольная отрасль химической промышленности находится в состоянии достаточно стабильного развития и имеет все предпосылки для дальнейшего роста в ближайшей и среднесрочной перспективе благодаря растущему спросу на продукты переработки метанола в топливной, автомобильной

истроительной индустрии.

Вэтом плане Россия, занимая скромное место в мировом производстве метанола, имеет благоприятные условия для значительного прорыва в этой бесспорно высокотехнологичной области промышленности.

Для более детального анализа состояния и перспектив развития технологии метанола рассмотрим основные особенности современного варианта производства.

На рис. 3 представлена принципиальная схема производства метанола при низком давлении.

Врассматриваемой схеме в качестве сырья используется природный газ. Кроме того, по технологии необходима специально подготовленная глубоко очищенная вода, которую используют для получения пара, идущего как на конверсию природного газа, так

ина работу паровых турбин, являющихся приводом турбокомпрессоров. Природный газ после компрессии и подогрева в огневых подогревателях направляют на очистку от соединений серы в реакто-

10