Тема: Разработка технологии синтеза метанола с использованием компонентов дымовых газов

Актуальность и научная значимость настоящего исследования
Одной из глобальных проблем, встающих сегодня перед всем человечеством, считается глобальное потепление климата: поглощение теплового излучения Земли парниковыми газами ведет к разогреву приземного слоя атмосферы и способствует глобальному потеплению. В 1988 году Всемирной метеорологической организацией и Программой ООН по окружающей среде была основана Межправительственная группа экспертов по изменению климата. Проблемы глобального потепления решаются на мировом уровне с учетом интересов всех стран. На 21-ой Конференции Сторон по изменению климата принято Парижское соглашение. Документ закрепляет основные принципы действий всех государств на период с 2020 года. В соглашении поставлена цель - сдержать потепление на уровне менее +2 °С, а в идеале +1,5 °С к 2050 году. Исходя из этого, все страны, включая Россию, должны разработать собственные долгосрочные стратегии «низкоуглеродного» развития, планы по адаптации к изменениям климата и реализовывать соответствующие меры. По новому соглашению, наименее развитые и уязвимые к изменениям климата страны получат серьезную финансовую помощь: в 2020 году финансовая поддержка этих государств составит 100 млрд. долл., а дальше будет только увеличиваться.
В этих условиях стратегии развития стран предполагают участие в сдерживании выбросов парниковых газов при адаптации экономики к изменениям климата. Соглашение реализуется в разделении ответственности Сторон конвенции за потепление климата, а именно - сокращение выбросов, когда все страны считаются эмиттерами углекислого газа. Это положение является реализацией научно обоснованного глобального баланса углерода и перманентно закрепляется процедурой консенсуса на всех Конференциях ООН по климату.
На основе подобной концепции Министерством природных ресурсов и экологии РФ разработана Климатическая доктрина Российской Федерации и распоряжением Президента утверждена 17 декабря 2009 года. Предусматривается реализовать меры, обеспечивающие:
• повышение энергетической эффективности во всех секторах экономики;
• развитие использования возобновляемых и альтернативных источников энергии;
• сокращение рыночных диспропорций, реализацию мер финансовой и налоговой политики, стимулирующих снижение антропогенных выбросов парниковых газов;
• защиту и повышение качества поглотителей и накопителей парниковых газов, включая рациональное ведение лесного хозяйства, облесение и лесовозобновление на устойчивой основе.
Наиболее рациональным путем для России будет повышение эффективности и ресурсосбережения промышленных циклов.
Объект исследования: крупнотоннажный агрегат синтеза метанол М­450, производительностью 450 тыс. тонн в год.
Предметом исследования технология синтеза метанола.
Цель работы: создание производственного цикла, вовлекающего продуцируемые дымовые газы в производство целевого продукта.
Гипотеза исследования внедрение системы разделения дымовых газов и поточной схемы синтеза позволит увеличить производительность цикла и вовлечь в производство ранее не используемые выбросы.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- проанализировать процессы, приводящие к изменению климата и выделить роль углекислого газа в этом процессе;
- провести сравнительный анализ возможных сырьевых источников углекислого газа в промышленности и определить оптимальные технологии его извлечения и переработки;
- разработать технологическую схему процесса и рассчитать основные аппараты.
Теоретико-методологическую основу исследования составили: научные труды отечественных и зарубежных ученых в области проблем парникового эффекта и изменения климата, синтеза метанола и утилизации дымовых газов различных производств.
Базовыми работами для настоящего исследования стали работы Георгия Константиновича Лавренченко, Алексея Валерьевича Копытина и Сергея Васильевича Афанасьева в области использования СО2 в промышленности.
Методы исследования: анализ литературных источников, технико-экономические расчеты и расчеты технологического оборудования.
Опытно-экспериментальная база исследования включала действующее производство метанола ООО «ТОМЕТ».
Научная новизна исследования состоит в применении углекислого газа, извлеченного из дымовых газов, в качестве сырье для производства метанола.
Теоретическая значимость исследования заключается в использовании системного подхода к разработке технологии синтеза метанола с использованием дымовых газов.
Практическая значимость исследования заключается в повышении производительности, ресурсосбережении и снижении выбросов производства метанола.
Состояние изученности выбранной темы:
Современное направление развития общества в целом требует сохранения баланса с окружающей средой. Для этого на общемировом уровне страны пришли к консенсусу по вопросам сокращения выбросов парниковых газов. Выполнение принятых решений требует технических инструментов. Один из которых и рассмотрен в работе.
Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечивались: использованием современных методов расчета технологического оборудования, соблюдения методик проведения экологических анализов.
Личное участие автора в организации и проведении исследования состоит в поиске и анализе научной литературы, патентов на изобретение. Предложена новая технология получения метанола, проведены технико-экономические расчеты, составлена принципиальная технологическая схема.
Прохождение учебной и производственной практики, в ходе которых были изучены инструкции, положения и правила, регламентирующие работу установки синтеза метанола, осуществлялось на производстве ПАО «Тольяттиазот».
Апробация и внедрение результатов работы велись в течение всего исследования. Статья по теме диссертации была представлена на научно-практической конференции «Студенческие Дни науки в ТГУ», тезисы приняты к публикации. Также по материалам работы написана статья: Шерстобитов Е.Б. Синтеза метанола как способ переработки диоксида углерода дымовых газов // Студенческий: электрон. научн. журн. 2021. № 21(149).
На защиту выносится:
• Техническое предложение по внедрению абсорбционного цикла разделения дымового газа на компоненты;
• Техническое решение по организации технологии синтеза метанола.
Структура магистерской диссертации состоит из введения, трех разделов, заключения, списка используемых источников, включает в себя 45 наименований. Объем работы составляет 109 страницы машинописного текста, 18 рисунков, 16 таблиц, 76 формул.
Купить

Эмиссия парниковых газов приводит к изменению климата и связанным с этим негативным явлениям. Основным парниковым газом по объемам выбросов и по значению является диоксид углерода. Происходит непрерывное накопление его в атмосферной оболочке. Создание технологий его вовлечения в производственные процессы является необходимым для дальнейшего развития мировой экономики и цивилизации в целом.
Углекислый газ участвует в различных производственных циклах в разных качествах. Он может быть сырьём, продуктом и отходом производства. Существуют предпосылки для минимизации его роли как отхода производства, выражающиеся в наличии трех эффективных технологий его выделения из газовых смесей и крупнотоннажных технологий? использующих его в качестве сырья. Сочетая эти две группы технологий, можно создать производственный цикл, который позволит, ранее сбрасываемых в атмосферу, диоксид углерода превратить в полезное сырье химического синтеза. В качестве такой связки возможно использовать абсорбцию диоксида углерода аминами и синтез метанола.
Технология получения метанола имеет большой потенциал для совершенствования. Она одновременно продуцирует углекислый газ как компонент дымовых газов и может использовать его как сырье. Выбранная концепция максимального использования всех технологических потоков привела к двум основным путям совершенствования. Это создание системы переработки дымовых газов, основанной на аминовом абсорбционном цикле, с вовлечением его компонентов в производственный процесс и замена принципа синтеза метанола с рециркуляционной схемы с четырехполочным адиабатическим реактором на проточную схему с двумя изотермическими реакторами, с повышением производительности и ряда других технологических параметров. Компоненты дымовых газов в чистом виде могут быть сырьем для различных производств. Помимо диоксида углерода, на котором делается акцент в работе не менее важным является азот и вода.
Расчеты показали, что для реализации предлагаемой технологии потребуется следующие основные аппараты:
• тарельчатый абсорбер диаметром 3,2 м, высотой 27 м;
• два одинаковых изотермических реактора синтеза диаметром 2 м, с длиной трубного пучка 10 м;
• метанатор полочного типа диаметром 0,42 м, высота слоя катализатора 1,5 м.
При реализации предлагаемой технологии предполагается:
• выделить из дымовых газов 61,5 тонн/ч углекислого газа, причем не менее 16 тонн/час использовать для синтеза метанола;
• получить до 314 тонн/час технически чистого азота;
• вернуть в производственный цикл до 50 тонн/ч воды;
• повысить производительность агрегата синтеза метанола на 2 тонны/ч;
• увеличить производительность катализатора реакторного блока и повысить его пробег.
Купить