甲醇合成工藝流程及其控制要點分析

王智偉

（陜西神木化學工業有限公司，陜西 神木 719319）

0 引言

甲醇的分子式為CH3OH，其相對分子質量為32.04，是最簡單的飽和一元醇，無色透明，易揮發，有毒、易燃、易爆，屬于危險化學品。在化工產業當中，甲醇具有廣泛的應用價值，是基礎有機原料中的一種，在醫藥、有機合成、國防以及涂料等重要領域中發揮了重要作用。因此，進一步優化甲醇合成工藝流程，提升甲醇合成工藝質量，對于化工生產而言具有重要意義。

1 甲醇合成原理分析

甲醇合成的主要氣體原料為CO2、CO 和H2，其主要的化學反應式如公式（1）和公式（2）：

反應式（1）和反應式（2）皆屬于可逆反應，因此為保證甲醇的合成效率，通過對化學反應原理的分析，則可以通過影響化學反應平衡從而增大甲醇產物，增大反應速率，從而達成提升工藝效率的效果[1]。

其中根據化學反應平衡原理可知，為保證化學反應方向盡量朝向合成甲醇的方向，在具體工藝設計中，可以從以下方面入手。

1.1 反應中的原料和生成物濃度

按照化學反應平衡理論，為使化學反應方向為合成甲醇的正方向，可以通過不斷增加反應原料并且及時取走甲醇生成物的方式從而對化學反應方向進行調節，進而有效提升甲醇的合成轉化率。

1.2 反應溫度

由于兩個主反應皆屬于放熱反應，因此，當反應溫度提高時，反應方向會逆轉為生成CO2、CO 和H2的逆反應。同時，過高的反應溫度還將促使副反應的產生，從而導致產物中的雜質增加，降低甲醇合成質量，因此在甲醇反應過程中應當保持較低的反應溫度。

1.3 壓力

甲醇合成的兩個主反應皆為氣體原料轉化成液體的化學反應，因此在正反應過程中反應體系體積減小，按照化學反應平衡理論，通過在反應過程中進行加壓處理，即能夠促使該反應朝生成甲醇的方向進行。

因此，根據對化學反應式進行原理分析，可以得出在合成甲醇的過程中可以通過采取低溫、高壓的化學反應環境，并且通過增加反應原料，取走生成物的方式，從而有效提升甲醇的合成率，同時，還可以采用活性較高的催化劑，從而進一步提升反應生成率。

2 甲醇合成工藝流程分析

合成甲醇的工業原料主要包括以褐煤、焦炭、無煙碳為代表的固體原料，以重油、石腦油、渣油為代表的液體原料，以天然氣、高爐氣、乙炔尾氣為代表的氣體原料，當前，我國在實際生產中主要采用天然氣和褐煤作為甲醇生產的原料。

在工業上，甲醇的合成大體分為五步：生成原料氣、凈化處理、壓縮處理、合成粗甲醇、甲醇精餾[2]，其簡單流程如圖1 所示。

圖1 甲醇合成工藝流程

2.1 生產原料氣

甲醇的原料氣包括CO、CO2、H2，通過對煤、天然氣、石油等工業原料進行加工處理，將其進行氣化處理，從而得到CO、CO2、H2的混合氣。

2.2 甲醇合成

將反應原料經過凈化以及壓縮處理后，將其注入至甲醇合成裝置當中，從而完成合成甲醇的化學反應。當前，華東理工大學開發的“管殼外冷-絕熱復合型”氣固相催化反應器，能夠在6.0 MPa 下進行甲醇合成，并副產2.5 MPa 的蒸汽。該技術具有床層內溫度平穩、催化劑使用壽命長、能量回收合理、開工方便、副產物少、反應器上管板設有絕熱層、反應器直徑小，生產能力大等優勢。

2.3 氫回收

由于在甲醇合成過程中產生的馳放氣中含有大量的H2，因此需要對其中的H2進行回收，從而有效降低原料氣的消耗，并且進一步降低甲醇工業生產過程中成本。在H2的回收中，膜分離法由于流程簡單、操作可靠以及投資低等優點，相較于變壓吸附回收法其在工業應用中具有更加可觀的優勢。

2.4 精餾處理

精餾處理是指通過將粗甲醇產品中的雜質進行剔除，從而提升甲醇產品的純度，該工藝流程的成效對于甲醇合成的質量具有直接影響。可以通過采取物理手段和化學手段對粗甲醇中的雜質進行提取，其中物理手段主要為過濾和蒸餾，化學手段則是通過一系列化學反應將粗甲醇產品中的雜質轉化成固體沉淀或氣體，從而完成對難分離雜質的提取。甲醇精餾可以采用節能型四塔精餾工藝，其優勢為能耗較低且質量較高，四塔流程能耗是兩塔流程的60%～70%，投資比兩塔流程僅高15%左右，并且可以制得“AA”級產品，其產品純度較高。

3 甲醇合成方法介紹

主要的甲醇合成方法可以根據其操作壓力的不同將其分為高壓法、中壓法和低壓法三類。

3.1 高壓法

高壓法是1923 年由德國的BASF 公司所開發的甲醇合成技術，該工藝也是第一個人工合成甲醇的工業方法。在該反應中，其反應壓力為20～30 MPa，反應溫度為300～400 ℃，采用的催化劑為Zn-Cr 催化劑體系。相較于其他兩種合成方法而言，由于高溫高壓的操作環境，因此高壓法的能耗較高，副產物比率也較高，同時其催化劑活性不足，且容易造成嚴重的化學污染，因此在后期被低壓法和中壓法替代。

3.2 低壓法

1966 年，英國ICI 公司開發出了低壓甲醇合成方法，將操作壓力降低至5 MPa，操作溫度降低至250 ℃左右，因此其能耗為高壓法的50%左右，在經濟方面具有顯著優勢。其所使用的催化劑為Cu-Zn-Al 系，相較于Zn-Cr 催化劑，其催化活性大幅上升。不過低壓工藝的缺陷在于其生產設備較大，因此會對生產環境以及工業生產效率造成一定的限制。

3.3 中壓法

中壓法是在低壓法基礎上進行開發的新一代甲醇合成方法，相較于低壓法而言，中壓法的主要差異在于其操作壓力上升至10 MPa 左右，其他操作條件同低壓法基本一致（見表1），因此其最終的產物產率較之低壓法也將有所上升。

表1 甲醇合成工藝比較

4 甲醇合成工藝控制要點分析

4.1 工藝參數控制

4.1.1 反應壓力

在實際的甲醇工業生產中，不同的壓力系數對于整體生產流程具有直接影響，將直接作用于甲醇的合成率和合成質量，因此在甲醇工藝流程中對于反應壓力的控制至關重要。根據對甲醇的化學反應原理可知，高壓有利于甲醇的正向合成，在實際的工業生產當中，通常其反應壓力每提升百分之1%，甲醇的最終產量也將提升1%甚至更高[3]。但同時，高壓通常需要較高的能耗來維持，因此，在工藝參數的控制中，應當根據實際情況進行綜合考慮，從而選擇在經濟和生產效率兩方面達到均衡的壓力參數。

4.1.2 反應溫度

反應溫度對于甲醇合成的反應平衡具有直接影響。通過對甲醇合成原理的分析可知，其反應溫度的降低將會提升甲醇產量，使反應朝合成甲醇的方向移動。但同時，若是反應溫度過低，則會使反應整體速度降低，同時催化劑在較低的反應溫度下其催化活性也將蔣健，從而進一步降低其反應效率。但若反應溫度過高，則會導致副反應的增加，并且使得反應體系失控、催化劑表面出現熱老化現象，從而降低催化劑的使用壽命。因此，在設置反應溫度時，需要根據具體情況選擇合適的溫度，從而確保甲醇的合成效率和合成質量。

4.1.3 氣體組合

在合成甲醇的兩個主反應中，以CO 和H2為生產原料的反應由于所用的H2較少，因此在生產成本上較之以CO2和H2為生產原料的反應在生產成本上具有較大優勢，因此應當通過在反應塔中保持較高的CO 含量，從而確保以CO 和H2為生產原料的反應能夠成為反應主體。同時，通過在反應體系中保留一定量的CO2，能夠對催化劑形成保護，從而使反應能夠高效進行。同時，在CO2和H2的反應當中所生成的H2O 能夠有效抑制副反應的出現，因此通過在反應塔中保留部分的CO2能夠對合成整體形成積極影響，但其具體的比例參數，則需要根據具體的工藝需求進行設定。

4.2 工藝設備

在工藝設備的控制方面，則需要對合成反應器、催化劑、甲醇分離器、合成壓氣機等進行重點保護和管理，在保證其他工藝參數穩定的前提下，對各項合成設備的運行進行細致控制，使其不會對工藝合成參數造成影響，避免由于設備原因從而影響工藝流程整體的順利進行，從而導致甲醇的合成產率下降。

5 結語

甲醇作為化工生產中的基礎性原料，對于工業發展具有不可替代的價值。在當前甲醇需求量與日俱增的背景下，應當積極加強對甲醇合成工藝優化的研究。通過對甲醇合成原理和其工藝流程進行綜合分析，可以得出在甲醇合成工藝中，其主要的控制要點為對工藝參數和工藝設備的控制，因此，在實際的工業生產中，應當不斷探索更為合理的參數配比，從而促進甲醇生產效率的進步。