Физико-химическое обоснование основных процессов производства метанола Равновесие реакции образования метанола. Процесс получения метанола основан на взаимодействии водорода и окиси углерода: 2Н2 + СО ? СНзОН + 21,67 ккал Реакция может протекать как в прямом, так и в обратном направлениях. В соответствии с законом действующих масс скорость любой химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. Тогда скорости прямой и обратной реакций выразятся уравнениями ?1 = k1 [Н2]2 [СО] ?2 = к2 [СНзОН] где [Hz], [СО] и [СНзОН]-концентрации водорода, окиси углерода и метанола; k1, kz-константы скорости прямой и обратной реакций, значения которых зависят от температуры/ При условии равновесия скорости прямой и обратной реакций становятся равными k1 [Н2]2 [СО] = к2 [СНзОН] откуда: где К-константа равновесия реакции. Значение константы равновесия необходимо для расчета равновесного выхода метанола. Равновесный выход-это теоретический максимальный выход метанола, который может быть получен из водорода и окиси углерода, .взятых при данных концентрациях, температуре и давлении процесса. Константу равновесия можно определить как теоретическим, так и экспериментальным путем. Константа равновесия может быть представлена в различных единицах измерения. Давление. В технических расчетах обычно пользуются выражением константы равновесия через парциальное давление компонентов. При повышении давления и понижении температуры равновесие сдвигается в сторону увеличения выхода метанола. В промышленных условиях синтез метанола осуществляется из газовой смеси, содержащей кроме водорода и окиси углерода также двуокись углерода. Поэтому при расчете равновесия синтеза метанола из смеси газов Н2-СО-COz необходимо учитывать следующую реакцию: СО2 + Н2( г)-> СО + Н2О - 9,8 ккал ; Равновесный выход метанола, степень превращения окиси и двуокиси углерода в значительной мере меняются в зависимости от давления, температуры, отношения Н2: СО и содержания двуокиси углерода в газе. Влияние давления и температуры на равновесный выход метанола определено для следующего состава газа: 1,25 объемн.% СОа; 10,6 объемн.% СО; 74,2 объемн.% Нд;-13,95 объемн.% (CH4+Nz). Давление. При повышении давления выход метанола почти прямо пропорционально увеличивается и резко возрастает степень превращения окиси/и двуокиси углерода (при 380°С): Давление, кгс/см2 .......... 50 100 200 300 400 Выход СНэОН, объемн. %...... 0,37 1,56 5,54 9,31 11,68 Следует заметить, что с увеличением давления более резкий рост равновесного выхода метанола наблюдается при повышенных температурах. Так, при изменении давления от 50 до 300 кгс/см5 равновесный выход метанола при 280 °С увеличивается в 2,4 раза а дри 380 °С - в 2,3 раза (отношение Hz : СО =4 : 1). Температура. С повышением температуры равновесный выход метанола понижается. Наиболее резкое понижение наблюдается при температурах выше 340°С. В этих условиях (при 300 кгс/см2) начинает снижаться степень превращения окиси и двуокиси угле рода в метанол, причем более резко окиси углерода: Температура, °С ....... 250 300 340 360 380 400 Выход метанола, объемн. %. . 15,44 14,81 12,88 11,37 9,31 7,40 Степень превращения, % СО ........... 99,75 97,20 87,52 78,96- 66,19 53,29 СОз ........... 98,00 89,80 77,00 71,50 66,61 64,00 При давлении 50 кгс/см2 и повышении температуры от 180 дс 300 °С равновесный выход метанола снижается более чем в 7 pa; (отношение Н2 :СО=3,6, содержание двуокиси углерода 6,0 объемн. ............