甲醇合成工艺过程及操作控制的优化问题

甲醇合成工艺过程及操作控制的优化问题

杜菊妹

新疆美克化工有限公司

摘要：现阶段，甲醇在化工领域越来越普及，已发展成化工生产过程中常用的一种原料，发挥着非常重要的作用。纵观国外，已经形成了相对完善的工艺，多数是通过天然气为原料来制备这种物质，具体工艺包括：Uhde、DAVY等。不同生产工艺具有一定的区别，它们的能耗有所区别，所以，为改善生产质量和效率，今后还应当更加系统地对其生产工艺进行探讨，不断对其操作控制流程进行改进，从而能够更好地处理生产过程中面临的难题。

关键词：甲醇；合成工艺；操作控制

中图分类号：TQ223文献标识码：A

1甲醇合成的工艺流程

我国在实际生产甲醇的过程中采用天然气和煤作为主要的生产原料，工业上生产甲醇大致分为5个步骤：生成甲醇原料气、净化处理、压缩处理、合成粗甲醇、精馏粗甲醇。(1)生成原料气。甲醇的合成气成分主要是CO，CO2，H2。采用的原料主要有石油、煤炭和天然气，这些原料通过蒸汽转化或者部分催化氧化反应生成CO、CO2、H2的混合气。(2)合成甲醇。在特定的压力、温度条件下，选择特定的催化剂，发生合成甲醇反应。反应后的产品中有甲醇、水、多种有机杂质的混合物，即得到的是粗甲醇产品。(3)净化处理。此工序的目的是对粗甲醇产品进行净化处理，采用物理净化以及化学净化。物理净化就是通过简单的过滤除去粗甲醇中的杂质；化学净化主要是采用碱与难分离的杂质发生反应，去除杂质。(4)精馏粗甲醇。精馏工序是进一步脱除经过净化工序处理后，粗甲醇中包含的挥发组分(二甲醚，乙醇，高级醇和水)。

2甲醇合成反应机理

甲醇合成反应都是经过催化剂的作用，形成复杂的可逆化学反应。其反应的机理为在一氧化碳中加入氢气最终合成甲醇，反应的化学方程式为CO+2H2=CH3OH。此反应过程中会放出大量的热量，因此从化学原理角度研究，同一温度下压力越大，则KN值就会越大，甲醇的产量也就会越大。反之，温度越高，则KN值就会越小，甲醇产量就会越小。由此可见，低温高压对甲醇的合成效果最佳。通常甲醇合成反应的催化剂有锌铬催化剂和铜基催化剂。不管是何种催化剂，其催化的过程均包括五个流程，分别为扩散、吸附、表面反应、解析以及扩散。都是先将气体由气相进入到催化剂当中，然后使所有的气体通过催化剂的作用在其活性表面生成吸附反应，形成吸附反应物，再使反应物脱附形成气体，最后将形成的反应气体从催化剂中再进入到气相当中。

3甲醇合成的方法

如今随着科技的不断发展以及社会的不断进步，使得甲醇合成的方法已经不再是单一形式的，已出现了多种多样的形式。主要包括合成气法、联醇法和其他原料合成法等。当前工业采用最多的就是合成气法制甲醇，此种方法还可细分为三种形式：高压法、低压法和中压法。首先，合成气高压法。此方法的温度通常为340~420℃、压力为30.0~50.0 MPa，通过锌-铬氧化物的催化作用合成甲醇，此合成法已有很长时间的历史了，如今也是化工行业合成甲醇最为关键的方法。其次，合成气低压法。此方法合成甲醇的温度是275℃、压力是5.0 MPa，催化剂为铜基。因为近几年对此方法的工艺和催化剂的不断完善，使得合成气低压法合成甲醇更加的节省成本，在未来的发展当中有着显著的优势。最后，合成气中压法。此方法合成甲醇的原理为一氧化碳与氢气在235~315℃的温度和10.0~27.0 MPa的压力下合成甲醇。

4甲醇合成工艺的操作要点

4.1工艺参数优化

(1)反应温度的影响。反应温度的高低直接影响反应平衡和反应速率。合成甲醇的反应过程释放热量，降低反应温度使得平衡向合成甲醇的方向移动，但温度降低，反应速度减慢。另外，当合成甲醇反应的温度较低时，催化剂活性低，那么就会降低催化剂的反应强度；温度过高时，会诱发副反应的发生，原料气的消耗量增加，反应速度加快，体系温度不易控制，增加了催化剂的失活可能性，加快催化剂的热老化现象，催化剂的表面出现裂痕，甚至有粉化现象发生。(2)反应压力的影响。合成甲醇的反应过程中分子数减少，因此，增大反应的压力有利于反应向合成甲醇的方向进行，促进反应的平衡，由于体系的压力升高，对应的合成气组分的分压增大，因而增大了催化剂的生产强度。(3)气体组分含量的影响。CO、CO2与H2反应合成甲醇。CO是合成甲醇的主要成分，CO成分的含量直接影响甲醇的产量。当进入反应塔中的CO含量增加，那么反应塔出口中生成的甲醇含量增加。反应体系中存在一定量的CO2有利于保护催化剂并使其维持高活性，促进合成甲醇反应的进行；CO生成甲醇的反应热高于CO2生成甲醇的反应热，所以一定量的CO2对于维持床层的温度有利，避免超温；反应过程中H2O的生成，抑制了副反应的发生；另外，反应过程中保持定量的CO2可抑制结蜡的产生。(4)催化剂的影响。催化剂颗粒粒径小时，催化剂的内表面利用率大，加快反应速率，减少催化剂的用量。但是当催化剂的粒度减小时，反应气体通过催化剂的床层的压降增大，动力消耗增加。因此，应依据气流和床层的特性以及实际情况确定催化剂颗粒的尺寸大小。(5)空速的影响。空速是指单位反应体积内处理的反应混合物的体积流量。空速的倒数称为接触时间。甲醇合成过程中，空速较低时，接触时间增长，反应速率变化大。反应过程中的混合气体的组成与反应平衡时的气体组成接近，反应速率低；反之，空速较高时，接触时间变短，反应速率的变化小，提高催化剂的生产强度，预热时所需的传热面积增大，降低热能利用率，降低了单程的转化率，甲醇产量减少。(6)在合成甲醇过程中，合成气一次生成甲醇的合成率较低，只有3%～6%，所以没有参与反应的气体可以充分循环使用。未反应的气体与新鲜气体在循环流程适宜处加入，循环流程影响了反应转化率以及原料气利用率。

4.2生产设备的优化

要想使甲醇合成工艺有效的提升，不仅要对其合成参数展开优化处理，还应对其生产设备进行优化控制，只有这样才能达到生产工艺的要求。因此为使合成甲醇的质量符合要求，就必须强化设备和工艺技术，从基础上减少因为设备和工艺技术的影响而造成甲醇质量不达标的现象发生。对于设备的优化方面来讲，应重点提升合成反应器的性能，如果设备的反应器温度小于规定范围，就会加大甲醇合成压缩机的进出压力差，进而造成反应设备出现超压等现象，使得设备的消耗能源增多，从而导致甲醇合成的成本增大，除此之外，还很容易引发生产设备出现故障。因此，我们在对生产设备进行优化的时候，应将各项参数保持稳定，作为生产的标准，增大反应设备当中的含气量，以免在甲醇合成的过程当中发生增压的情况。同时能够通过控制二氧化碳的含量来保护催化剂，以免因为二氧化碳发生波动而影响催化剂的性能，所以必须对催化剂采取保护措施，使温度保持在催化剂活性最好的情况当中。

结束语

甲醇作为重要的化工基础产品，世界对于甲醇的需求量与日俱增，所以在实际生产过程中，提高甲醇的生产效率和生产质量至关重要。优化甲醇合成工艺流程以及控制要点有利于实现高质量的生产甲醇。在实际操作过程中，应综合考虑反应温度、反应压力、气体组分、催化剂、空速，以及反应设备的影响，以确保装置在适宜条件下运行，提高甲醇的产量，降低生产成本，降低能量的消耗，提高甲醇的生产效率。

参考文献

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[2]吕海平.甲醇合成工艺的现状及其技术特点研究[J].中国高新技术企业,2014(33):82-83.

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