甲醇合成的工藝過程分析與操作控制優化

何曉雨

摘 要：甲醇作為化工原料，具有成本低的優勢，廣泛運用于化工生產中，如甲醛和甲胺、苯二甲酸二甲酯的生產，在醫藥與農藥等領域中得以全面應用。對此，若要實現甲醇快速合成、降低成本，則應以合成工藝分析、操作控制的層面，加大甲醇生產研究力度，以此實現其在各個領域的運用。

關鍵詞：甲醇；合成工藝；操作控制

甲醇又稱為木醇、木酒精等，作為飽和醇，分子式為CH3OH、分子質量為32.04。常溫、常壓狀態下，甲醇是無色透明、易燃、乙醇氣味的液體，遇明火可發生爆炸。但在化學、醫學的角度，甲醇作為劇毒物，可通過皮膚、呼吸道與消化道侵入人體，發生血管中毒。

1 甲醇合成工藝流程分析

1.1 應用現狀

基于我國礦產資源的富足，甲醇合成原料常以煤、天然氣為主，通過單產、聯產甲醇合成工藝，切實甲醇原料產出。而在此過程中，若煤作為甲醇合成原料，其合成工藝可分為催化技術和高壓技術、純氣化工藝與水電解制氫工藝；若為天然氣，則工藝為固定床氣化、氣流床氣化、流化床氣化工藝等。

1.2 合成流程

甲醇是化學物質，其物理特性如下：相對密度為0.7913g/cm3（d420）；熔沸點為-97.8℃、64.5℃-64.7℃；自燃點、冰點為473℃（空氣狀態下）、-96℃；燃燒熱、生成熱為25℃液體：727.038kJ/mol、238.798kJ/mol；25℃氣體：742.738kJ/mol、201.385kJ/mol。

甲醇合成工藝條件的不同，決定其生產流程的差異。但無論何種原料、工藝，甲醇合成流程均可表述為生產-變換-凈化-粗甲醇-精制等步驟，具體合成流程如圖1所示。按照甲醇工藝條件的不同，將其合成方法分為高壓法、中壓法、低壓法。雖然三者在甲醇合成流程方面相吻合，但在催化劑、操作條件等方面各有不同。即高壓法以鋅鉻催化劑為主，操作壓力與溫度分別為30MPa、340℃-420℃；而中壓法、低壓法催化劑均為銅基催化劑，操作壓力與溫度分別為10MPa、5MPa；230℃-290℃、230℃-290℃。

1.3 合成反應

甲醇合成期間，因H2、CO等氣體的參與，使其能夠在不同催化劑、工作條件的環境下，發生甲醇合成反應與相關副反應，如醛類與酯類等。其中關于甲醇合成主反應如下：

CO+2H2=CH3OH、CO2+3H2=CH3OH+H2O

相關副反應，以醛類、酯類反應為例：

醛類：CO+H2=HCHO

酯類：CH3OH+CO=HCOOCH3

總之，甲醇合成作為氣固催化反應，合成機理涉及擴散和吸附、化學反應、解吸與擴散5個步驟。其中擴散：經物理作用，實現H2、CO、CO2等氣體擴散至催化劑表層；吸附：混合物于催化劑界面的化學吸附，如CO和CU2+；H2和Zn2+；化學反應：甲醇生成；解吸：甲醇、催化劑間的脫附；擴散：甲醇從催化劑界面的擴散。

1.4 合成催化劑

合成催化劑作為調整甲醇合成速率的物質，其在合成反應中，無化學變化，但可通過催化劑的使用，對甲醇合成副反應予以控制。常見合成催化劑為鋅鉻催化劑（又名高壓催化劑）、銅基催化劑（低壓催化劑），其物理性質如表1所示。

2 甲醇合成操作控制優化分析

若在甲醇合成環節，出現操作不當等問題，不僅會降低催化劑活性，還可引起甲醇精餾不過關，加大甲醇生產成本，甚至易造成安全事故的發生。對此，著重把控甲醇合成操作優化工作，勢在必行。

2.1 參數優化

通過對甲醇合成工藝的分析，可知其參數指標為壓力與合成速率、催化劑溫度、循環比以及氣體組合等。第一，壓力優化。應以壓力控制的層面，對甲醇合成參數予以優化，經實踐表明，甲醇合成環節，壓力提升1%，產率也提高1%或更高，即二者呈現正比例關聯。第二，催化劑溫度優化。催化劑溫度也是制約甲醇合成率的關鍵參數，應在合成操作中對催化劑溫度予以合理調節，切忌不可大幅度調整，否則會對甲醇正常合成狀態產生威脅。

2.2 設備優化

若在甲醇合成操作控制優化中，若僅依據參數優化，則難以實現合成目標，還應通過設備優化的方式，保證甲醇合成裝置各項指標和合成工藝標準相一致。針對此，在進行設備優化中，特別關注反應器溫度，倘若其出口溫度相對較低，則甲醇合成壓強差相對較大，則易引起差壓問題，造成設備能耗的增加。

3 結束語

總結上文，甲醇是化學物質基礎，不僅可實現醇類反應，還可發生甲基化反應，于化工和輕紡、醫藥與國防等領域中均得到廣泛應用，使其能夠在工業生產、化工生產中實現性能的全面發揮，如在HCHO（甲醛）、MTBE（甲基叔丁基醚）、CH3COOH（醋酸）中對甲醇的運用。

參考文獻：

[1]陳強.甲醇合成的工藝過程分析與操作控制優化問題探討[J].工程技術：全文版，2016（10）：00208-00208.