Номер 5, страница 356 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 74. Промышленный органический синтез. Глава 7. Химическая технология - номер 5, страница 356.

Условие.

5. Опишите производство метанола. Какие принципы организации химического производства использованы при создании технологической схемы?

Решение.

Решение 2.

Производство метанола

Современное промышленное производство метанола ($CH_3OH$) является крупнотоннажным процессом, основанным на каталитическом синтезе из оксида углерода(II) и водорода. В качестве основного сырья, как правило, используется природный газ (метан, $CH_4$). Технологическая схема включает следующие основные стадии:

1. Получение синтез-газа. Синтез-газ, представляющий собой смесь оксида углерода(II) и водорода ($CO + H_2$), получают из природного газа методом паровой конверсии (риформинга) метана. Процесс протекает при высокой температуре ($700–900$ °C) и давлении в присутствии никелевого катализатора. Реакция является эндотермической:

   $CH_4 + H_2O \rightleftharpoons CO + 3H_2$

2. Очистка и компримирование (сжатие) синтез-газа. Перед подачей в реактор синтеза газ необходимо очистить от примесей, в первую очередь от сернистых соединений, которые являются ядом для катализатора синтеза метанола. После очистки синтез-газ сжимают компрессорами до рабочего давления.

3. Каталитический синтез метанола. Сжатый и очищенный синтез-газ поступает в колонну синтеза, где происходит его превращение в метанол на поверхности гетерогенного катализатора (современные катализаторы — на основе оксидов меди, цинка и алюминия: $CuO-ZnO-Al_2O_3$). Реакция синтеза является обратимой и экзотермической:

   $CO + 2H_2 \rightleftharpoons CH_3OH + Q$

   Для смещения равновесия в сторону образования продукта, согласно принципу Ле Шателье, процесс ведут при следующих условиях:

   • Высокое давление: современные процессы используют давление $5–10$ МПа ($50–100$ атм). Повышение давления способствует смещению равновесия вправо, так как реакция протекает с уменьшением числа молей газов.

   • Оптимальная температура: $250–300$ °C. Так как реакция экзотермическая, понижение температуры смещает равновесие в сторону продукта. Однако при слишком низкой температуре скорость реакции недопустимо мала. Поэтому выбирается компромиссная температура, обеспечивающая и достаточную скорость реакции, и приемлемый равновесный выход метанола.

4. Сепарация и рециркуляция. Газовая смесь, выходящая из реактора, содержит пары метанола, а также непрореагировавшие $CO$ и $H_2$. Эту смесь охлаждают, в результате чего метанол и вода конденсируются. Жидкий метанол-сырец отделяют в сепараторе, а непрореагировавшие газы (циркуляционный газ) возвращают на вход реактора синтеза, смешивая со свежей порцией синтез-газа. Этот прием называется рециркуляцией.

5. Очистка метанола. Метанол-сырец, полученный после сепарации, содержит воду и другие примеси. Его очищают до товарной кондиции методом ректификации в ректификационных колоннах.

Ответ: Производство метанола — это многостадийный каталитический процесс. Ключевые стадии: 1) получение синтез-газа ($CO + H_2$) из природного газа; 2) синтез метанола из синтез-газа на катализаторе при температуре $250–300$ °C и давлении $5–10$ МПа; 3) конденсация продукта и рециркуляция непрореагировавших газов; 4) очистка метанола-сырца методом ректификации.

Принципы организации химического производства, использованные при создании технологической схемы

При разработке технологической схемы производства метанола используются следующие фундаментальные принципы химической технологии:

• Создание оптимальных технологических условий. Параметры процесса (температура $250–300$ °C, давление $5–10$ МПа) подобраны как компромисс между термодинамическими (максимальный выход), кинетическими (максимальная скорость) и экономическими (затраты на энергию и оборудование) факторами для достижения наибольшей эффективности.

• Использование катализаторов. Применение высокоактивных и селективных катализаторов (никелевого на стадии риформинга и медно-цинкового на стадии синтеза) позволяет проводить реакции с высокими скоростями при более мягких условиях, чем без них, что является основой экономической целесообразности производства.

• Принцип циркуляции (замкнутого цикла). Непрореагировавшие исходные вещества ($CO$ и $H_2$) не выбрасываются, а возвращаются в цикл (рециркулируют). Это позволяет увеличить степень превращения сырья почти до 100%, значительно повысить экономичность процесса и минимизировать отходы.

• Использование теплоты химических реакций (энерготехнологическое комбинирование). Реакция синтеза метанола является сильно экзотермической. Выделяющееся тепло утилизируется: им подогревают холодный синтез-газ, поступающий в реактор, а также используют для выработки водяного пара, необходимого на других стадиях производства (например, на стадии риформинга) или для выработки электроэнергии. Это существенно снижает энергопотребление всего завода.

• Принцип противотока. В аппаратах для тепло- и массообмена (теплообменниках, ректификационных колоннах) потоки движутся навстречу друг другу, что обеспечивает максимальный градиент температур или концентраций и, как следствие, наибольшую эффективность передачи тепла или массы.

• Комплексное использование сырья и защита окружающей среды. Благодаря рециклу сырье используется максимально полно. Предварительная очистка природного газа от серы защищает катализаторы от отравления и предотвращает выбросы $SO_2$ в атмосферу.

• Автоматизация и непрерывность процесса. Производство метанола является непрерывным процессом, управляемым автоматизированными системами (АСУ ТП), что обеспечивает стабильность режима, безопасность и высокое качество конечного продукта.

Ответ: При создании технологической схемы производства метанола использованы ключевые принципы организации химических производств: оптимизация условий процесса, применение катализаторов, циркуляция реагентов для комплексного использования сырья, утилизация теплоты реакции для энергосбережения, принцип противотока для повышения эффективности аппаратов, а также непрерывность и автоматизация процесса.