甲醇合成工藝與過程優(yōu)化研究

程玲玲

（河南省中原大化集團有限責任公司，河南濮陽 457000）

甲醇合成的反應過程主要是在添加催化劑進行綜合反應，隨后開展可逆操作，相關反應操作十分復雜， 通過對一氧化碳實施加氫處理，合成反應后形成甲醇， 此反應過程屬于放熱反應，立足于化學平衡原理，系統(tǒng)分析處于相同溫度狀態(tài)下，隨著所承受壓力的持續(xù)擴大，則KN 值相繼擴大，對應甲醇平衡產(chǎn)率相繼提高。 處于等同承受壓力下， 隨著溫度升高， 則對應KN 值逐漸降低。 由此可以看出在甲醇合成過程中，如果是高壓低溫環(huán)境會更加有利[1]。

甲醇合成處理流程可以進一步分解為原料合成氣、壓縮凈化處理、合成加工以及粗甲醇整體精餾等操作環(huán)節(jié)。 原材料合成氣過程中，甲醇合成需要率先對碳、氫等原料氧化物實施合理制備，通過天然氣、煤炭以及石油等原材料加工生產(chǎn)形成的物質(zhì)，通過蒸汽處理進行轉化或直接實施氧化處理，順利生產(chǎn)出由二氧化碳、一氧化碳以及氫原料組成混合元素[2]。凈化處理階段，因為粗甲醇無法直接應用，需要率先實施凈化，可以選擇化學以及物理兩種措施實施凈化處理，化學凈化能夠通過堿幫助精餾過程破壞那些難以處理的雜質(zhì)，對pH 值實施合理調(diào)節(jié)，物理手段的凈化方法主要是對內(nèi)部雜質(zhì)進行簡單過濾去除。 針對粗甲醇實施全面精餾處理， 主要是將易揮發(fā)物質(zhì)實施全面去除， 例如二甲醚以及揮發(fā)難度較高的高碳醇、乙醇以及水等元素。

1 甲醇合成方法

1.1 高壓法

高壓法合成技術主要是在30～50 MPa 以及340～420℃高溫狀態(tài)下通過鋅鉻氧化物充當反應溶劑，或借助其他材料進行合成反應。 高壓法屬于傳統(tǒng)模式下甲醇制備措施， 對應參數(shù)維持在20～35MPa 之間[3]。 一般應用高壓措施對甲醇材料實施制備中，因為相關生產(chǎn)技術尚未達到標準實力，在人力和材料資源投入方面形成了巨大的浪費。 除此之外，因為高壓法進行系統(tǒng)處理，需要保證在高壓高溫狀態(tài)下實施反應處理，導致所形成甲醇內(nèi)部雜質(zhì)含量過多，為此該種方法逐漸被化工產(chǎn)業(yè)所淘汰。

1.2 低壓法

低壓法主要是在5MPa 以及275℃高溫狀態(tài)下，選擇銅基充當反應催化劑。 在當前全球能源危機背景下，高壓法因為不符合工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)實要求，逐漸被低壓法所代替，選擇低壓法實施綜合處理中， 普遍會將壓力參數(shù)控制在5～10MPa 之間，該種措施可以在特定條件以及低壓運行狀態(tài)下實施全面催化處理，最終合理生產(chǎn)相應的甲醇材料。處于低壓環(huán)境下，材料制備所形成反應條件和高壓運行狀態(tài)相比，具備更加多樣選擇性，所以有效減少原材料以及能源消耗，縮減投資壓力[4]。

1．3 中壓法

中壓合成法主要是在10～27MPa 以及235～315℃高溫狀態(tài)下通過氫氣以及一氧化碳混合反應形成甲醇。 和高壓法相比，盡管應用低壓法能夠有效降低甲醇合成中的能源損耗，但在化工產(chǎn)業(yè)整體生產(chǎn)過程對于基礎原材料需求量持續(xù)擴大背景下，低壓合成法使得設備產(chǎn)生批量擴大的現(xiàn)象， 導致出現(xiàn)資金和生產(chǎn)原材料的大量浪費，為此在化工生產(chǎn)中需要充分聯(lián)系市場發(fā)展狀況，優(yōu)化調(diào)整運行壓力， 把低壓轉化為中壓處理，減少資金投入，縮減處理工藝復雜度，優(yōu)化整體生產(chǎn)效率，減少資源浪費，促進國內(nèi)化工產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展[5]。

2 甲醇合成塔分析

甲醇合成塔可以分為冷激型合成塔、LURGI合成塔兩種形式，第一種甲醇合成塔主要是通過氣體分布系統(tǒng)對催化劑進行細化分解，轉化成三到六段連續(xù)性催化劑反應裝置。 激冷器會順著噴射管對應鉆孔均勻滲透至床層不同部位，分布器在水平層面分布了數(shù)個菱形結構小孔，反應器內(nèi)氣體會按照從上到下順序進行流通，借助菱形分布裝置能夠促進不同噴射氣體全面融合[6]。 第二種合成塔屬于一種管殼外部固定的換熱裝置，合成管中添加少量催化劑。 管外添加熱水，通過蒸發(fā)攜帶熱量散發(fā)。 該種設備特征包括床層和催化劑等部件，擁有較高傳熱面積。

3 現(xiàn)階段影響甲醇合成質(zhì)量的因素

在實際開展甲醇生產(chǎn)與加工的過程中，由于需要采用天然氣蒸餾的方法，因此對配氣間溫度以及壓強等參數(shù)都提出了較高的要求，同時在實際操作的過程中也會對甲醇最終的產(chǎn)量與質(zhì)量產(chǎn)生影響。 一方面，甲醇生產(chǎn)與加工過程中如果存在一定誤差會對其轉化造成影響，而技術實施環(huán)境的不同也會影響生產(chǎn)流程的實施； 另一方面，生產(chǎn)過程中如果存在較大的人工操作誤差也會導致甲醇合成難以達到預期效果，而缺少對甲醇市場需求的了解也會進一步造成浪費。

就當前的發(fā)展情況來看，現(xiàn)階段的甲醇合成加工更多是通過天然氣配氣間完成的，這樣的形式很難有效滿足市場的實際需求。 為確保合成過程的穩(wěn)定開展，還應進一步結合生產(chǎn)實際情況落實完善的監(jiān)督管理制度，進而更好地對甲醇合成環(huán)節(jié)以及人員的操作管理進行監(jiān)督，以確保甲醇合成的順利進行。

4 甲醇合成工藝優(yōu)化措施

4．1 減少人力操作誤差

隨著我國工業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提升，作為常見的化工原材料，甲醇被廣泛應用于社會發(fā)展的各個領域當中。 現(xiàn)階段，雖然我國在甲醇加工合成領域已經(jīng)累計了一定經(jīng)驗，但受到技術人員水平以及設備運行質(zhì)量等因素的影響，我國相較于先進國家在甲醇的合成加工方面仍然有較大的提升空間。 因此為最大限度上滿足當前市場對甲醇質(zhì)量與產(chǎn)量的要求，在生產(chǎn)過程中應不斷減少人力操作誤差， 進而通過落實更加先進的智能化技術來實現(xiàn)降低生產(chǎn)成本、 提高生產(chǎn)精度的目的[7]。 當前，要想實現(xiàn)我國甲醇合成加工的智能化控制主要可以從兩個角度入手：1）可以在甲醇的轉化階段采用智能化控制技術，將加熱裝置的初始溫度調(diào)節(jié)為40℃，隨后再對壓強和氣體含量變化加以調(diào)控，并在壓強小于25Pa 的時候進一步添加天然氣并加熱[8]。 值得注意的是，甲醇在進行加熱之后會產(chǎn)生甲酸二甲酯等物質(zhì)，以此需要停止加熱并進行導出。 2）在甲醇生產(chǎn)過程中還應在現(xiàn)有基礎上進一步引入更多的智能化設備以及先進技術人員，同時加強對現(xiàn)有技術人員技術水平的培訓，從而為甲醇加工與轉化工藝水平的提升提供堅實的人才保障，最大限度滿足社會的生產(chǎn)需求。

4．2 工藝參數(shù)優(yōu)化

催化反應中所用溶劑含量、反應壓力大小以及反應氣體、碳氫容量、循環(huán)比、合成速度等都會對最終合成效果產(chǎn)生直接影響。 壓力屬于其中最為重要元素，在反應中，壓力大小會直接影響甲醇產(chǎn)量，隨著壓力擴大，則甲醇產(chǎn)量相繼增加。 除此之外， 催化反應溫度同樣會影響甲醇合成工藝， 因此反應階段需要合理控制催化反應劑用量， 避免因為溫度過高使得表層產(chǎn)生結晶現(xiàn)象，影響最終催化反應結果。 其中需要額外注意對催化劑溫度實施合理調(diào)整， 可以優(yōu)化甲醇合成率，但如果溫度存在較大波動，會對合成結果產(chǎn)生負面影響。 參與反應氣體是會影響工藝參數(shù)核心元素，全面優(yōu)化改進生產(chǎn)工藝參數(shù)，需要及時放出惰性氣體，增強甲醇濃度[9]。

4．3 設備優(yōu)化

甲醇合成制備中，所選反應器性能會影響產(chǎn)品最終合成效果，合成器整體操作性能和運行參數(shù)還會直接影響甲醇合成效果。 在全面優(yōu)化甲醇合成工藝中，為了提升整體操作效率，需要提高合成器重視程度， 如果反應器尚未滿足溫度要求， 則甲醇壓縮機會產(chǎn)生內(nèi)部壓差擴大現(xiàn)象，導致反應設備遠遠超出標準壓力狀態(tài)，擴大設備整體損耗，需要額外支出甲醇生產(chǎn)投資，嚴重情況下，還會產(chǎn)生運行中斷問題，設備故障[10]。

4．4 控制措施優(yōu)化

甲醇合成生產(chǎn)相關控制措施可以分為兩個環(huán)節(jié)，一是需要對反應催化劑實施合理選擇和應用，二是全面把控甲醇合成主動性。 通過準確把握甲醇合成主動性，可以優(yōu)化甲醇產(chǎn)品質(zhì)量。 在具體實踐操作中， 需要提供甲醇合成主動性，提升運行參數(shù)準確性以及科學性，改善甲醇運行效率，滿足產(chǎn)品的標準和質(zhì)量性能要求。 在反應操作中選擇適合催化劑， 如果首次應用催化劑，需要率先實施全面還原處理，聯(lián)系溫度狀態(tài)調(diào)控反應效果[11]。還原處理的主要反應原理，是在氮氣內(nèi)添加一定合成氣體和氫氣，促進系統(tǒng)內(nèi)部催化劑的順暢循環(huán)，對氣體添加容量實施合理控制。

綜上所述，甲醇作為化學生產(chǎn)領域和精細化工領域中基礎材料，在日常生活和工農(nóng)生產(chǎn)領域具有較高利用率。 立足于整個社會發(fā)展大環(huán)境分析，甲醇合成越加成熟，進一步擴展基礎化學領域中對于甲醇材料的應用，當下工藝技術無法進一步滿足市場發(fā)展需求，為此需要全面優(yōu)化設計甲醇合成工藝，改善甲醇產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化產(chǎn)品性能，減少雜質(zhì)含量。