آموزش فرایند تولید متانول و واحد متانول پتروشیمی
متانول یا
متیل الکل یا
الکل متیلیک یا
الکل چوب که سادهترین نوع الکلهاست با فرمول شیمیایی CH۳OH شناخته میشود. متانول از فعالیتبیهوازی گونههای زیادی از باکتریها تولید میشود و در نتیجه مقدار اندکی از بخار متانول وارد جو میشود و پس از چندین روز بهوسیله اکسیژن و با کمک نور خورشید اکسید شده به آب و دی اکسید کربن تبدیل میگردد. البته در فرایند سوختن متانول هم از نظر مواد بدست آمده چنین اتفاقی رخ میدهد ولی بسیار سریعتر. در ضمن شعله سوختن متانول بیرنگ است و باید مراقب باشیم تا با شعله آن دچار سوختگی نشویم.
فرآیند تولید متانول Methanol
پتروشیمی حلقهی نهایی زنجیرهی ارزش صنعت نفت است. با کمی تامل در این جمله میتوان به اهمیت این صنعت در داخل کشور پی برد، ولی زمانی پتروشیمی در ایجاد ارزش افزوده جایگاه اصلی خود را پیدا خواهد کرد که تمامی حلقههای این زنجیره در طی یک زمان برنامهریزی شده در کنار هم قرار گیرند بر این اساس، از آنجا که کشور ایران به دلیل داشتن ذخایر غنی نفت و گاز و همچنین بازار داخلی و خارجی مناسب و دسترسی به آبهای آزاد بالاترین پتانسیل را برای توسعهی صنعت پتروشیمی در خاورمیانه دارد، در سالهای اخیر برنامههای توسعهای در راستای تولید محصولات پایهی پتروشیمی از جمله متانول صورت گرفته است، متانول به عنوان یکی از محصولات بالادستی صنعت پتروشیمی و از منابع تجدید شدنی سوخت محسوب میشود که میتواند جایگزین مشتقات نفت خام گردیده و در تولید فرآوردههایی از قبیل ضدیخ، حلال و سوخت استفاده شود. طبق گزارش منتشر شده توسط گمرک جمهوری اسلامی ایران، صادرات متانول در سال ۱۳۹۰ با ارزشی برابر با ۳۶۴/۱ میلیون دلار در رتبه ۳ صادرات کل کشور قرار گرفته است در حالی که در سال ۱۳۹۱ صادرات این محصول با ارزشی برابر با ۱۸۵/۱میلیون دلار رتبه نخست صادرات کل کشور را در اختیار گرفته است.
متانول یکی از سه محصول بسیار مهم صنایع شیمیایی در دنیا بوده و مواد بسیاری از آن مشتق میشوند. همچنین با توجه به کمبود قابل پیشبینی منابع انرژی در آینده، مصرف مستقیم متانول به عنوان سوخت پاک و یا در تولید هیدروژن مصرفی پیلهای سوختی، بسیار مورد توجه است.
به دلیل اهمیت بالای متانول در کشور و همچنین افزایش روز افزون تقاضای این محصول در جهان در این مطلب به بررسی مختصر فرایند تولید متانول میپردازیم، با بهین صنعت یاب همراه باشید.
معرفی محصول
متانول یا متیل الکل یا الکل متیلیک یا الکل چوب که سادهترین نوع الکلهاست با فرمول شیمیایی CH3OH شناخته میشود. متانول از فعالیت بیهوازی گونههای زیادی از باکتریها تولید میشود و در نتیجه مقدار اندکی از بخار متانول وارد جو میشود و پس از چندین روز بهوسیله اکسیژن و با کمک نور خورشید اکسید شده به آب و دی اکسید کربن تبدیل میگردد. البته در فرایند سوختن متانول هم از نظر مواد بدست آمده چنین اتفاقی رخ میدهد ولی بسیار سریعتر،
شعله سوختن متانول نیز بیرنگ است.
۲CH3OH + 3O2 → ۲CO2 + ۴H2O
در سال ۱۹۲۳ شیمیدان آلمانی "ماتیاس" پیر، متانول را از گاز سنتز (مخلوطی از CO و H2که از کک بدست میآید) تولید کرد. در این فرایند، از کرومات روی به عنوان کاتالیزور استفاده میشد و واکنش در شرایط سختی مانند فشار ۳۰۰-۱۰۰۰ اتمسفر و دمای حدود ۴۰۰ درجه سانتیگراد انجام میگرفت. در شیوه مدرن تولید متانول، از کاتالیزورهایی استفاده میشود که در فشارهای پائین عمل میکنند و کارایی موثرتری دارند. امروزه گاز سنتز مورد نظر برای تولید متانول مانند گذشته از زغال بدست نمیآید، بلکه از واکنش متان موجود در گازهای طبیعی تحت فشار ملایم ۱۰-۲۰ اتمسفر و دمای ۸۵۰ درجه سانتیگراد با بخار آب و در مجاورت کاتالیزور نیکل تولید میشود CO و H2 تولید شده، تحت تاثیر کاتالیزوری که مخلوطی از مس و اکسید روی و آلومینیوم است، واکنش داده و متانول ایجاد میکنند. این کاتالیزور اولین بار درسال ۱۹۶۶ توسط ICI استفاده شد. این واکنش در فشار ۵۰-۱۰۰ اتمسفر و دمای ۲۵۰ درجه سانتیگراد صورت میگیرد، روش دیگر تولید متانول، واکنش دیاکسیدکربن با هیدروژن اضافی است که تولید متانول و آب میکند.
کاربردهای متانلول
متانول بهعنوان ضد یخ، حلال و سوخت بکار برده میشود. از متانول برای تقلیب اتانول نیز استفاده میشود، این عمل به منظور غیر قابل شرب نمودن اتانولی که برای مصارف صنعتی تولید میشود انجام میپذیرد (در کشورهای اسلامی به جهت مسائل شرعی و در کشورهای دیگر به جهت معافیت از مالیات فروش مواد مستکننده) بدین منظور از مواد دیگری چون پریدین و تربانتین نیز استفاده میشود.
متانول به صورت محدود به عنوان سوخت در موتورهایی با سیستم احتراق داخلی استفاده میشود. متانول تولید شده از چوب و سایر ترکیبات آلی را متانول آلی یا بیو الکل مینامند که یک منبع تجدید شدنی برای سوخت است و میتواند جایگزین مشتقات نفت خام شود. با این همه، از بیو الکل ۱۰۰ درصد نمیتوان در ماشینهای دیزلی بدون ایجاد تغییر در موتور ماشین استفاده کرد. متانول به عنوان حلال، ضدیخ و در تهیه سایر ترکیبات شیمیایی استفاده میشود.
۴۰ درصد از متانول تولیدی برای تهیه فرمالدئید استفاده میشود که آن هم در تهیه پلاستیک، تخته سه لایی، رنگ و مواد منفجره استفاده میشود. برای تغییر ماهیت اتانول صنعتی و جلوگیری از کاربرد آن به عنوان نوشیدنی، مقداری متانول به آن اضافه میکنند. دیمتیلاتر از مشتقات متانول است که به جای CFCها در افشانههای آتروسل به عنوان پیشرانه استفاده میشود.
کاربردهای سوختی متانول
متانول در سالهای اخیرا به علت محدودیت های قوانین زیست محیطی، علاوه بر استفاده در تولید MTBE و TAME (برای بالا بردن عدد اکتان) به طریق دیگر نیز در تولید سوخت به کار برده میشود که در ذیل به آنها اشاره شده است:
- تولید مستقیم بنزین از متانول (MTG)
- ماده افزودنی به بنزین
- بنزینM85
- پیلهای سوختی
- دیزل و DMA
تشریح فرآیند تولید متانول
شرح این فرایند تولید ۴۴۳۰ تن متانول خالص در روز با درجه AA با استفاده از گاز طبیعی و دی اکسید کربن بعنوان خوراک بر مبنای دانش فنی (JOHINSON MATTHERY) و براساس فرآیند (COMBINED REFORMING) آورده شده است در این روش فرآیند متانول شامل ۷ مرحله اصلی، به شرح زیر میباشد:
- آماده سازی خوراک
- تولید گاز سنتز
- تراکم گاز سنتز
- سنتز متانول
- تصفیه متانول
- سیستم بخار و کندانس
- ذخیره سازی و بارگیری
۱- واحد آماده سازی خوراک
گاز طبیعی و دی اکسید کربن در فشارهای متفاوت به مجتمع وارد شده و هر یک در کمپرسورهای گریز از مرکز جداگانه تا فشار مورد نظر فرآیند، متراکم شده و مخلوط میگردند. این واحد شامل سیستمهای تراکم و تصفیه گازهای خوراک به شرح زیر میباشد.
۱-۱- تراکم گاز طبیعی: گاز طبیعی طی دو مرحله در کمپرسور گاز طبیعی از فشار ۴/۱۱ بار تا فشار ۴۵ بار متراکم میگردد. سیستم تراکم گاز طبیعی شامل کمپرسور، خنک کننده میانی و مخازن آبگیری میباشد. نیروی محرکه کمپرسور گاز طبیعی توسط توربین تأمین میگردد.
۱-۲- تراکم دی اکسید کربن: دی اکسید کربن تولیدی در واحد الفین در فشار اتمسفریک به واحد وارد میشود. به منظور تراکم این گاز تا فشار ۴۵ بار، از یک کمپرسور ۳ مرحلهای استفاده میشود. سیستم تراکم CO2 شامل کمپرسور، خنک کنندههای میانی، ظروف آبگیری و خنک کننده گاز برگشتی میباشد. نیروی محرکه کمپرسور توسط توربین بخار تأمین میگردد.
۱-۳- تصفیه گاز خوراک: گاز طبیعی و دی اکسید کربن پس از هم فشارسازی تا ۴۵ بار مخلوط شده و به منظور حذف ناخالصیهای موجود که عمدتاً شامل هیدروژن سولفوره، ترکیبات آلی گوگردی و ترکیبات آلی کلره میباشد، پس از گرم شدن تا دمای ۳۵۰ درجه سانتیگراد در قسمت بازیافت حرارت ریفرمر اول، به ترتیب به راکتور هیدرودی سولفوریزاسیون، راکتورهای دی کلریناسیون و راکتورهای جذب H2S وارد میشوند.
در راکتور هیدرودی سولفوریزاسیون در مجاورت کاتالیست کبالت/مولیبدن، ترکیبات آلی گوگردی و کلره به ترتیب به H2S و HCL تبدیل میشوند. HCL موجود در گازهای خروجی از این مرحله با عبور از راکتورهای دیکلریناسیون جذب کاتالیست سدیم آلومینات شده و به منظور جذب H2S به راکتورهای گوگردزدایی که حاوی کاتالیست ZnO میباشد، هدایت میگردد. گاز خروجی از راکتورهای گوگردزدایی دو شاخه شده که قسمت عمده آن به سیستم اشباع سازی و مابقی به ریفرمینگ ثانویه هدایت میشود.
۲- واحد ریفرمینگ (تولید گاز سنتز)
واکنش ریفرمینگ گاز سنتز با عبور مخلوط خوراک گاز و آب از بستر کاتالیست اکسید نیکل صورت میگیرد. واحد ریفرمینگ شامل قسمتهای زیر میباشد.
۲-۱- اشباع سازی: بخشی از بخار آب مورد نیاز واحد ریفرمینگ در قسمت اشباع سازی تأمین میگردد. در این قسمت بخش اعظم گاز خوراک خروجی از راکتورهای گوگردزدایی در یک برج با آب مجاور شده که در نتیجه انتقال جرم، میزان بخار آب موجود در گاز تا حد اشباع افزایش مییابد. واحد اشباع سازی شامل برج اشباع سازی و پمپهای سیرکولاسیون آب میباشد.
آب ورودی به سیستم اشباع در چرخه سنتز به دمای مورد نظر رسانیده میشود. بخش عمده بخار مورد نیاز ریفرمینگ در قسمت اشباع سازی تأمین شده و مابقی بصورت جریان بخار تزریق میگردد.
۲-۲- ریفرمینگ اولیه: مخلوط گاز خوراک و بخار خروجی از واحد اشباع سازی، پس از گرم شدن تا دمای ۵۰۰ درجه سانتیگراد در گرمکن گاز خوراک که در بخش بازیافت حرارت ریفرمر تعبیه شده، توسط یک شبکه توزیع کننده به تیوبهای ریفرمر اول که حاوی کاتالیستهای اکسید نیکل میباشد، وارد میشود.
واکنشهای این قسمت گرماگیر بوده که انرژی مورد نیاز توسط مشعلهای تعبیه شده در سقف ریفرمر تأمین میشود. فشار عملیاتی ریفرمر حدود ۳۷ بار بوده و دمای گاز خروجی از آن در حدود ۸۰۰ درجه سانتیگراد است.
دود حاصل از احتراق مشعلهای ریفرمر به منظور بازیافت حرارت به قسمت بازیافت حرارت ریفرمر که شامل فوق گرمکنهای بخار، پیش گرمکنهای گاز خوراک، گرم کننده گاز ورودی به راکتورهای گوگردزدایی و پیش گرمکن هوای احتراق میباشد، هدایت میگردد.
۳-۲- ریفرمینگ ثانویه: گاز خروجی از ریفرمر اول پس از اختلاط مابقی گاز خروجی از قسمت گوگردزدایی به ریفرمر دوم هدایت میشود. اکسیژن خالص تولید شده در دستگاه تولید اکسیژن خالص، پس از گرم شدن در پیش گرمکن بخاری به ریفرمر دوم وارد میشود. در اثر اختلاط اکسیژن و گاز، عمل احتراق صورت گرفته و دما در قسمت بالایی ریفرمر دوم تا ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد افزایش مییابد. مخلوط گرم از بستر کاتالیست اکسید نیکل عبور نموده که در این مرحله مابقی واکنشهای ریفرمینگ صورت میگیرد.
دما و فشار گاز خروجی از ریفرمر دوم به ترتیب ۱۰۲۰ درجه سانتیگراد و ۳۵ بار بوده که به منظور سرد کردن به سیستم بازیافت حرارت گاز ریفرم شده هدایت میشود.
سیستم بازیافت حرارت گاز ریفرمر شده شامل تولید کنندههای بخار، پیش گرمکن آب ریبویلرهای برج تقطیر و پیش گرمکن آب بدون املاح میباشد.
گاز سنتز نهایتاً به کولر نهایی و درام آبگیر هدایت شده و دمای آن تا ۵۰ درجه سانتیگراد کاهش مییابد. میعانات بخار تولید شده، پس از جمع آوری در درام آبگیر، جهت حذف CO2 حل شده در آن مورد فرآورش قرار گرفته و به منظور استفاده دوباره به سیستم تهیه آب بدون املاح هدایت میشود.
۳- واحد تراکم گاز سنتز
گاز سنتز خروجی از درام آبگیر جهت تراکم تا فشار ۷۳ بار به کمپرسور گریز از مرکز گاز سنتز هدایت میشود. نیروی محرکه این کمپرسور توسط توربین بخار تأمین میگردد.
۴- واحد چرخه سنتز متانول
سنتز متانول در مجاورت کاتالیست مس/روی در فشار حدود ۷۰ بار و دمای ۲۲۰ درجه سانتیگراد صورت میگیرد. واکنشهای فوق تعادلی بوده و بنابراین با عبور گاز سنتز از بستر کاتالیست، تنها بخشی از ترکیبات موجود در گاز سنتز وارد واکنش شده و مابقی بدون تبدیل از راکتور خارج میشود. بنابراین برای تولید حداکثر مقدار متانول، ضروری است متانول موجود در گاز خروجی از راکتور جدا شده و مابقی گاز مجدداً به راکتور بازگردانده شود که به همین منظور از چرخه سنتز متانول استفاده میشود.
چرخه سنتز متانول شامل راکتورهای سنتز، سیرکولاتور، کولرهای هوایی، خنککنندههای آبی، درامهای جداکننده متانول خام، پیش گرمکنهای آب سیستم اشباع و مبدلهای گازی گرم کننده خوراک راکتور میباشد.
گاز خروجی از کمپرسور سنتز به دو بخش تقسیم شده که بخش اول پس از اختلاط با گاز خروجی از درام و گرم شدن در مبدل به راکتور هدایت میشود. گاز خروجی از راکتور سنتز، در کولر هوایی و خنک کننده آبی تا دمای ۴۵ درجه سانتیگراد خنک شده که طی آن متانول موجود در گاز، مایع گردیده و در درام جداکننده متانول خام از گاز جدا میگردد.
گاز خروجی از درام جداکننده متانول خام، پس از اختلاط با بخش دوم گاز خروجی از کمپرسور به سیرکولاتور هدایت شده و از آن طریق جهت تبادل حرارت با گازهای گرم خروجی از راکتور سنتز و رسیدن به دمای واکنش به مبدل و از آنجا به راکتور سنتز هدایت میگردد.
متانول خام جدا شده در درامهای جداکننده متانول خام، پس از تقلیل فشار تا ۷ بار به برج تقطیر هدایت میشود که در اثر تقلیل فشار CO2 حل شده در آن آزاد میگردد.
۵- واحد تصفیه متانول
پس از جداسازی CO2 ، متانول خام گرم شده و به برج تقطیر جهت جداسازی ترکیبات سبک هدایت میگردد.
انرژی مورد نیاز تقطیر توسط ریبویلر گازی و ریبویلر بخار تأمین میشود. سیستم جریان برگشتی این برج شامل کولر هوایی، خنک کننده آبی، درام جمعآوری کندانس و پمپ جریان برگشتی میباشد.متانول عاری از ترکیبات سبک جهت جداسازی آب موجود در آن و رسانیدن به خلوص ۹/۹۹ درصد به برج تخلیص در فشار ۵/۷ بار هدایت میگردد. انرژی مورد نیاز تقطیر در این برج توسط ریبویلر گازی و ریبویلر بخاری تأمین میگردد. بخار جمعآوری شده در بالاترین سینی این برج متانول خالص بوده که پس از میعان در کندانسور آبی، به قسمت ذخیرهسازی هدایت میگردد.
بخارات خروجی از آخرین سینی این برج پس از تأمین انرژی تقطیر در ریبویلر مایع شده و پس از جمعآوری در درام جریان برگشتی از طریق پمپ به برج تخلیص بازگردانیده میشود. مخلوط آب و متانول خروجی از پائین برج به برج تقطیر بعدی منتقل میشود که انرژی تقطیر آن توسط ریبویلر تأمین میگردد.
۶- واحد سیستم کندانس و بخار
بخار مورد نیاز واحد متانول در فشار ۱۱۴ بار در مبدلهای بازیافت حرارتی و بویلرهای کمکی تولید میشود. بخار ۱۱۴ بار جهت رانش توربین و توربین کمپرسور هوای واحد تولید اکسیژن مصرف میشود.
۷- واحد ذخیره سازی و بارگیری
متانول خام تولیدی پس از جداسازی CO2به مخزن ذخیره متانول خام با ظرفیت نگهداری ۲۴ ساعت تولید متانول وارد شده و توسط پمپهای متانول خام به پیش گرمکن متانول خام بازگردانده میشود.
متانول خالص تولیدی پس از خنک شدن وارد مخازن روزانه متانول با ظرفیت نگهداری ۲۴ ساعت تولید متانول شده و از طریق پمپ انتقال محصول به مخازن ذخیره اصلی با ظرفیت ذخیره سازی ۱۵ روز تولید در هر مخزن هدایت میگردد.
بارگیری محصول ذخیره شده در مخازن اصلی در کشتی توسط پمپهای بارگیری متانول و بازوهای بارگیری انجام میپذیرد.
