甲醇合成工藝過程與操作控制優(yōu)化探討

趙云

摘 要：甲醇是化工行業(yè)重要的生產(chǎn)原料，在生產(chǎn)中體現(xiàn)出了成本低、使用廣的優(yōu)越特點，但是隨著近些年來我國化工行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)對于甲醇合成質(zhì)量與合成效率的要求不斷增高，優(yōu)化甲醇合成工藝過程與操作控制也就成為了工業(yè)生產(chǎn)的重點。本文就著重針對甲醇的合成工藝過程與操作控制優(yōu)化進(jìn)行探討研究，明確甲醇的合成反應(yīng)機理與合成過程，并進(jìn)一步探究合成的方法，從工藝參數(shù)與設(shè)備的角度入手分析，為我國化工行業(yè)中甲醇合成工藝效率與質(zhì)量的提高提供更多理論建議。

關(guān)鍵詞：甲醇合成;合成工藝;操作控制;優(yōu)化措施

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)離不開甲醇，而甲醇的合成效率與合成工藝直接決定了甲醇的質(zhì)量與效果，在整體工藝較為成熟的階段中，通過天然氣煉制甲醇已經(jīng)成為了我國較為常見的一種甲醇煉制方法，但是由于我國的工藝與技術(shù)、設(shè)備等仍然存在一定的落后，因此甲醇的合成工藝效率較低，無法滿足市場對于甲醇的需求。因此，本文就著重針對甲醇合成工藝的過程與具體的工藝水平進(jìn)行探討分析，從操作流程的控制優(yōu)化角度入手，探究如何改善我國的甲醇合成工藝效率與工業(yè)質(zhì)量。

1 甲醇合成工藝的具體工藝流程研究

1.1 甲醇合成反應(yīng)機理

甲醇合成反應(yīng)在催化劑的影響下發(fā)生，形成復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)機理是向一氧化碳中加氫最終合成甲醇，化學(xué)反應(yīng)方程式為CO+2H2=CH3OH。通常，用于甲醇合成反應(yīng)的催化劑是鋅--鉻催化劑和銅基催化劑。無論使用哪種催化劑，催化過程都涉及五個過程，即擴散，吸附，表面反應(yīng)，分析和擴散[1]。

1.2 甲醇合成過程

合成氣合成甲醇也是中國普遍的甲醇合成方法，但是由合成氣制備甲醇的過程非常復(fù)雜，整個過程也很耗時。實際生產(chǎn)過程分為合成原料氣，粗甲醇的純化，壓縮，合成和精餾幾個重要的環(huán)節(jié)。

首先，合成所供應(yīng)的氣體。甲醇合成的第一步是制備原料，例如氫和碳氧化物。該鏈主要使用石油，煤炭和天然氣，它們通過蒸汽或部分氧化反應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，形成包含氫氣，一氧化碳和二氧化碳的混合氣體。該回路中的甲醇合成氣需求量約為（H2-CO2）/（CO+CO2）。二是甲醇的合成。甲醇合成過程中使用的催化劑和壓力不同。通常的溫度分別為240～270℃和360～400℃，合成反應(yīng)在催化劑的作用下進(jìn)行，得到甲醇[2]。第三，清潔處理。該界面主要是粗甲醇純化過程。純化涉及兩種形式，即物理和化學(xué)純化。第四，糾正粗甲醇。在精餾過程中，幾乎不揮發(fā)的組分如二甲醚，乙醇，高級醇和水被除去。

1.3 甲醇合成的方法

當(dāng)前最廣泛使用的工業(yè)是用于生產(chǎn)甲醇的合成氣方法。此方法也可以分為三種形式：高壓，低壓和中壓。一是高壓合成氣法。該方法的溫度通常為340～420℃，壓力為30.0～50.0MPa，通過催化氧化鋅鉻合成甲醇。這種合成方法歷史悠久，也是化學(xué)工業(yè)中最關(guān)鍵的甲醇合成方法。第二，低壓合成氣法。該方法的甲醇合成溫度為275℃，壓力為5.0MPa，催化劑為銅基。隨著近年來該方法的方法和催化劑的不斷改進(jìn)，用于甲醇合成的低壓合成氣方法的合成更加經(jīng)濟，并且在將來具有明顯的優(yōu)勢。最后是中壓合成氣法。該甲醇合成方法的原理是在235～315ir的溫度和10.0～27.0MPa的壓力下用一氧化碳和氫氣合成甲醇[3]。

2 甲醇合成操作控制優(yōu)化研究

在甲醇合成過程中，如果操作不當(dāng)，催化劑的活性將大大降低，副產(chǎn)物將增加，這最終會影響產(chǎn)物的質(zhì)量并給甲醇合成帶來困難。因此，優(yōu)化和控制甲醇合成過程非常必要。因此，本文在研究甲醇合成操作控制優(yōu)化的過程著重從工藝參數(shù)與生產(chǎn)設(shè)備兩個角度入手，分析甲醇合成操作控制優(yōu)化的思路與方向，進(jìn)而進(jìn)一步提高甲醇合成工藝的操作控制優(yōu)化效果。

2.1 工藝參數(shù)的優(yōu)化

甲醇合成過程中有許多工藝參數(shù)，包括壓力，催化劑使用，合成速率，氣體組成和循環(huán)比等。其中，就壓力而言，生產(chǎn)壓力對甲醇合成效率和生產(chǎn)質(zhì)量有一定影響，因此壓力對于甲醇合成非常重要。甲醇合成的關(guān)鍵是壓力，高壓對甲醇合成有利，并且可以使甲醇合成反應(yīng)的平衡向右移動。

空速是影響甲醇合成效率的重要因素，應(yīng)當(dāng)控制催化劑與氣體的接觸時間，可以適當(dāng)提高空速進(jìn)而達(dá)到保護催化劑的效果，減緩催化劑的反應(yīng)，降低副產(chǎn)物，提高產(chǎn)量與效率。但是在提高空速的過程中也應(yīng)當(dāng)控制其速度，如果速度過高則會導(dǎo)致平面溫差過大，反應(yīng)溫度無法維持的情況，反而影響正常的生產(chǎn)工作。

催化劑的溫度也會影響甲醇的合成效率，因此，在甲醇合成過程中還必須控制催化劑溫度，以確保有效提高生產(chǎn)效率?；诖呋瘎┑氖褂?，如果反應(yīng)未達(dá)到平衡，則可以使用升溫方法來增加甲醇的量，但應(yīng)注意的是，如果反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡，則溫度的連續(xù)升高很容易縮短催化劑壽命。降低甲醇生產(chǎn)效率。然而，在生產(chǎn)過程中不容易過分提高催化劑溫度。如果增加太多，不僅會影響生產(chǎn)效率，還會影響合成質(zhì)量。

在甲醇合成過程中，氫/碳比（H/C）也是影響甲醇合成效率與合成質(zhì)量的重要影響因素，在新鮮氣體中保持合成系統(tǒng)的低CO含量可確保合成塔中的床層平滑并降低床層溫度。避免催化劑失活過快的情況出現(xiàn)。

另外，在將工藝氣體與蒸汽混合后，對流盤管預(yù)熱會導(dǎo)致甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化以及水和氣體的反應(yīng)。第一個反應(yīng)是強吸熱反應(yīng)，第二個反應(yīng)是放熱反應(yīng)。在吸熱反應(yīng)中，轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需的熱量通過天然氣和提取的廢氣的燃燒來提供。重整器的排出溫度越高，廢氣中的甲烷越少，產(chǎn)生的高壓蒸汽就越多。在相同的排放溫度下，水碳比越高，甲烷的產(chǎn)量越低，甲醇的產(chǎn)率越高。

2.2 生產(chǎn)設(shè)備的優(yōu)化

除了生產(chǎn)參數(shù)的優(yōu)化之外，對于甲醇合成的生產(chǎn)設(shè)備優(yōu)化也是有著非常重要的意義，以我公司裝置為例，在正常的生產(chǎn)狀態(tài)下設(shè)備年產(chǎn)60萬t的甲醇裝置，才用的是煤氣化成的變換氣造甲醇，合成塔是列管式，管程填裝的銅基催化劑，合成氣為工藝氣，殼程是水，塔出口溫度一般在240℃左右，合成塔壓力在7.5-7.8左右。為了有效地改善甲醇合成工藝，不僅需要優(yōu)化其合成參數(shù)，而且還必須優(yōu)化其生產(chǎn)設(shè)備。只有這樣，才能滿足生產(chǎn)過程的要求。因此，為了使合成甲醇的質(zhì)量滿足要求，有必要加強設(shè)備和工藝技術(shù)，并減少由于設(shè)備和工藝技術(shù)的影響而導(dǎo)致的劣質(zhì)甲醇現(xiàn)象。在設(shè)備優(yōu)化方面，應(yīng)注意改善聚變反應(yīng)堆的性能。如果設(shè)備的反應(yīng)器溫度低于指定范圍，則甲醇合成壓縮機的入口和出口之間的壓差將增加，導(dǎo)致反應(yīng)設(shè)備超壓，這增加了設(shè)備的能量消耗，這增加了甲醇合成的成本，并且還易于使生產(chǎn)設(shè)備發(fā)生故障[4]。

因此，當(dāng)優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)備時，各種參數(shù)應(yīng)穩(wěn)定作為生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，并且應(yīng)增加反應(yīng)設(shè)備中的氣體量以避免甲醇合成過程中的壓力。同時，可以通過控制二氧化碳的量來保護催化劑，以使二氧化碳的波動不損害催化劑的性能。因此，必須采取預(yù)防措施以確保催化劑保持最佳的催化劑活性溫度。

3 結(jié)論

總而言之，隨著甲醇的市場需求量不斷增高，甲醇的合成效率與合成質(zhì)量也成為了我國甲醇合成工藝發(fā)展的重要方向，而提高甲醇合成質(zhì)量與效率并非簡單的改進(jìn)工藝，需要從生產(chǎn)工藝的參數(shù)與生產(chǎn)設(shè)備的角度進(jìn)行優(yōu)化，從整體提高甲醇的性能，對各項參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，才能真正使得甲醇合成高效、高質(zhì)，滿足我國工業(yè)生產(chǎn)的需求。

參考文獻(xiàn)：

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