甲醇合成工艺过程与操作控制优化的分析

    夏春涛

    摘 要：甲醇是当今工业化工产业的重要原料，并且因为它的制备成本比较低，所以在化工生产中使用频率较高，且其应用范围广泛。本文就甲醇合成工艺过程以及其操作控制优化两方面进行分析论述，并根据相关问题提出改进措施，供相关人士进行交流探讨。

    关键词：甲醇合成；工艺过程；操作控制；优化策略

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.07.049

    0 引言

    目前国际上在甲醇合成方面的技艺已经较为先进了，而国内对于合成甲醇的相关技术却仍旧比较落后，不仅产能小，而且设备老化严重，无法满足当今的市场要求。因此，加快优化甲醇合成工艺流程已成为目前一项亟待解决的迫切课题。

    1 甲醇合成工艺过程分析

    要做到整体上提升化工产业中甲醇合成的效率，仅仅提高技术上的水平还是不够的，还需要整体分析甲醇合成流程并对其进行操作控制进行优化。

    1.1 甲醇合成的反應机理

    甲醇合成反应是在催化剂作用下进行的复杂的可逆反应，由一氧化碳加氢合成甲醇CO+2H2=CH3OH（气），该反应为放热反应，从化学平衡原理分析在同一温度下，压力越大KN 值越大，即甲醇平衡产率越高。在同一压力下，温度越高KN 值越小。所以，低温高压对甲醇合成有利。参与的催化剂一般是锌铬催化剂或者铜基催化剂，但无论是哪一个催化剂，其多相催化过程的机理都是包括扩散、吸附、表面反应、解析、扩散五个过程，即气体自气相扩散到催化剂的界面，各种气体在催化剂的活性表面进行化学吸附，吸附的反应物在活性表面上进行反应，反应产物脱附，反应产物气体自催化剂界面扩散到气相中去。

    1.2 甲醇合成的流程

    合成气制备甲醇是我国比较常见的一种制备方式，但是合成气制备甲醇的整套工艺是非常复杂的，一整套流程下来耗时较长，实际生产过程中，选用的净化方式、以及原料的不同，相应的甲醇合成的流程也是不一样的，主要包括合成原料气、净化处理、压缩处理、合成处理、精馏粗甲醇等几个部分。

    （1）合成原料气。合成甲醇，首先是制备原料氢和碳的氧化物。其主要由石油、煤炭、天然气等，用蒸汽转化或部分氧化加以转化，使其生成主要含氢、一氧化碳、二氧化碳的混合气体。甲醇合成气要求（H2-CO2）/（CO+CO2）=2.1左右。

    （2）甲醇的合成。根据不同的催化剂，在不同的压力下，温度为240～270℃或360～400℃，通过催化剂进行合成反应，生成甲醇。由于受催化剂选择性的限制，生成甲醇的同时，还有许多副反应伴随发生，所以得到的产品是以甲醇为主和水以及多种有机杂质混合的溶液，即粗甲醇。

    （3）净化处理。粗甲醇净化包括物理净化和化学净化，化学净化主要是用碱破坏在精馏过程中难以分离的杂质，并调节pH值，而物理净化则是简单的过滤除杂。

    （4）精馏粗甲醇。精馏主要是脱除易挥发组分如二甲醚，以及难挥发的乙醇、高碳醇和水。

    1.3 甲醇合成的方法

    随着社会经济水平的不断发展，制备甲醇的方法已不再单一化了，目前其工业制备方法已有许多种类。如合成气法、联醇法或者采用其他原料合成法。现代工业一般是利用合成气法制备甲醇，主要的三种合成气制备甲醇的三种方法是：高压法、低压法、中压法。

    （1）合成气高压法合成甲醇。合成气在340～420℃的高温、30.0～50.0 Mpa的高压下利用锌-铬氧化物作催化剂合成甲醇的方法即高压法，这种方法合成甲醇已有较长历史了，是目前世界化工产业生产甲醇的主要方法。

    （2）合成气低压法合成甲醇。低压法合成甲醇是合成气在275℃、5.0MPa下用铜基催化剂合成甲醇。因反应器技术与催化剂的不断改良，低压法合成甲醇更加有利于降低生产成本，在现代化工产业来说有明显的优势。

    （3）合成气中压法合成甲醇。中压法合成甲醇是指一氧化碳和氢气在温度（235-315℃）压力（10.0-27.0MPa）下合成甲醇。

    2 甲醇合成工艺的操作优化方法

    甲醇合成中的操作优化是一项非常重要的举措。在具体优化过程中，应考虑到设备、以及工艺参数两部分的优化。

    2.1 甲醇合成工艺参数优化

    一般情况下，压力、催化剂温度、合成速率、气体组合、循环比以及碳氢比等都是比较常见的甲醇合成工艺参数。第一个是压力问题，合成中高压或者低压对实际甲醇合成率以及产量会产生不同影响。实际操作证明，高压是有益甲醇合成的，压力越高，产率也会增加，可以说甲醇的产率是和压力成正比的。在催化剂温度方面，甲醇生产装置必须兼顾到催化剂活性温度，催化剂的操作温度必须保持较低的条件，且要科学合理地避免因催化剂结晶而导致的催化剂失活现象[3]。在反应没有达到平衡的状态下，甲醇制备时适当地提高相应催化剂温度，会有利于甲醇合成率的提高，若反应达到了平衡状态，升高温度反而会降低其制备速率。可见，高温会降低催化剂的寿命，甲醇合成过程中把握好催化剂温度非常地重要。优化气体组成是提高甲醇合成效率的一个重要参数，因为在甲醇制备反应过程中，反应物浓度将会极大地影响反应速率，从而影响甲醇的制备，所以，一定要定时排出反应当中的惰性气体。

    2.2 甲醇合成生产设备优化

    甲醇制备装置的关键是合成反应器，在优化合成设备时，对合成反应器的性能要提升重视程度。倘若制备甲醇的反应器并没有到达合适的温度，甲醛制作压缩机的进口、以及出口压差将会因此增大，进而引起反应设备出现超出标准压情况，最终增加的损耗率，这些问题不利于甲醇合成的效率，也会增加其合成所需成本，同时设施发生故障的可能性也会增加[4]。

    3 结束语

    甲醇在化工产业中运用领域较广泛，其重要性可想而知。要使甲醇的合成品质以及其最终的合成产量满足当代化工产业的要求，优化甲醛合成相关工艺流程操作控制已经成为一种必要性任务。在具体的优化过程中，做到全面考虑，才能真正做到提高甲醇合成的生产效率，降低生产成本，进而促进我国在化工产业的发展。

    参考文献：

    [1]白玺，徐恒彪.甲醇合成的工艺过程分析与操作控制优化问题[J].化工设计通讯，2017，43（11）.

    [2]刘建龙.甲醇精馏工艺操作优化探析[J].环球市场，2016（28）：96.

    [3]尤燕妮，董国强，魏培.基于HAZOP分析的煤制甲醇气化系统隐患排查管理[J].冶金丛刊，2017（05）：183-184.

    [4]裴廷记.甲醇和盐酸法制备二氧化氯工艺在化工循环水系统中的对比与分析[J].河南化工，2016，33（08）：37-39.