甲醇合成原理方法与工艺

甲醇合成原理方法与工艺图 1 煤制甲醇流程示意图煤气经过脱硫、变换，酸性气体脱除等工序后，原料气中的硫化 物含量小于0.1mg/m3进入合成气压缩机，经压缩后的工艺气体进入合成塔，在催化剂作用下合成粗甲醇，并利用其反应热副产 3.9MPa 中压蒸汽，降温减压后饱和蒸汽送入低压蒸汽管网，同时将粗甲醇送 至精馏系统一、甲醇合成反应机理自 CO 加氢合成甲醇工业化以来，有关合成反应机理一直在不断 探索和研究之中早期认为合成甲醇是通过CO在催化剂表面吸附生 成中间产物而合成的，即CO是合成甲醇的原料但20世纪70年代 以后，通过同位素示踪研究，证实合成甲醇中的原子来源于CO2,所 以认为CO2是合成甲醇的起始原料为此，分别提出了 CO和CO2合成甲醇的机理反应但时至今日，有关合成机理尚无定论，有待进一步研究为了阐明甲醇合成反应的模式，1987年朱炳辰等对我国C301型 铜基催化剂，分别对仅含有CO或CO2或同时含有CO和CO2三种 原料气进行了甲醇合成动力学实验测定，三种情况下均可生成甲醇， 试验说明：在一定条件下，CO和CO2均可在铜基催化剂表面加氢生 成甲醇因此基于化学吸附的 CO 连续加氢而生成甲醇的反应机理被 人们普遍接受。

对甲醇合成而言，无论是锌铬催化剂还是铜基催化剂，其多相（非 匀相）催化过程均按下列过程进行：① 扩散——气体自气相扩散到气体一催化剂界面；② 吸附——各种气体组分在催化剂活性表面上进行化学吸附；③ 表面吸附——化学吸附的气体，按照不同的动力学假说进行反 应形成产物；④ 解析——反应产物的脱附；⑤ 扩散——反应产物自气体一催化剂界面扩散到气相中去 甲醇合成反应的速率，是上述五个过程中的每一个过程进行速率的总和，但全过程的速率取决于最慢步骤的完成速率研究证实，过 程①与⑤进行得非常迅速，过程②与④的进行速率较快，而过程③分 子在催化剂活性界面的反应速率最慢，因此，整个反应过程的速率取 决于表面反应的进行速率提高压力、升高温度均可使甲醇合成反应速率加快，但从热力学 角度分析，由于CO、C02和h2合成甲醇的反应是强放热的体积缩小 反应，提高压力、降低温度有利于化学平衡向生成甲醇的方向移动， 同时也有利于抑制副反应的进行1) 甲醇合成主要反应CO+2H2T CH3OHCO+3H CH OH+H O2 2 3 2同时CO2和h2发生逆变换反应CO+H CO+H O2 2 2(2) 甲醇合成副反应甲醇合成的副反应能生成醇类、烃类、醛、醚类、酸类、酯类和 元素碳等。

CO2+ H2 T C2H50H+H20CO+H 亠 HCOH2CO+4H CH OCH+H O2 3 3 22CH3OH — hcooch3+h22CO 亠 C+g2(3) 合成甲醇的平衡常数一氧化碳和氢气合成甲醇是一个气相可逆反应，压力对反应起着心=重要作用，用气体分压来表示的平衡常数可用下面公式表示: 式中:Kp甲醇的平衡常数；p CH3OH, pCO, PH2分别表示甲醇、一氧化碳、氢气的平衡分压反应温度也是影响平衡常数的一个重要因素，不同温度下的反应 平衡常数见表2-1其平衡常数随着温度的上升而很快减小，因此， 甲醇的合成不能在高温下进行，但是低温反应速率太慢，所以甲醇生 产选用高活性的铜基催化剂，使反应温度控制在220〜280°C表6-1不同温度下甲醇反应的平衡常数反应温度/C平衡常数Kp0667・ 3010012.922001.909x10-2反应温度/C平衡常数Kp3002.42x10-44001.079x10-5三、甲醇合成的方法目前，甲醇合成的方法有高压法、中压法和低压法三种工业生产甲醇都采用CO、CO2加压催化氢化法，也称为羰基合 成法反应式为： CO+2H2— CH3OH(g) △H=90.8kJ/molCO2+3H2 f CH3OH(g)+H2O △H=49.5kJ/mol 羰基合成甲醇生产过程由制气、净化、压缩、合成、精制等工序 组成甲醇合成一般按操作压力进行分类，可分为高压法、中压法和低 压法。

1．高压法高压法是在压力为30MPa，温度为300〜400°C下，使用锌一铬 催化剂(ZnO-Cr2O3)合成甲醇的工艺高压法生产工艺成熟，从1923年第一次用该方法有50多年历史 其工艺流程如图2所示经压缩后的合成气在活性炭吸附器1中脱除 五羰基铁后，同循环气一起送入管式反应器6-2中，在温度为350C 和压力为30. 4MPa下，一氧化碳和氢气通过催化剂层反应生成粗甲 醇含粗甲醇的气体经冷却器冷却后，迅速送人粗甲醇分离器3中分 离，未反应的一氧化碳与氢气经压缩机压缩循环回反应器2冷凝后 的粗甲醇经粗甲醇储槽4进入精馏工序，在粗分离塔5 顶部分离出二 甲醚和甲酸甲酯及其他低沸点杂质；重组分则在精分离塔6中除去水 合成反应前，必须用活性炭吸附器除去五羰基铁［Fe(CO)5］，因为在 气体输送过程中，钢管表面被CO腐蚀，形成羰基铁，羰基铁在温度 高于250C时分解为单质铁细小微粒，促使甲烷生成，反应温度急剧 上升，造成催化剂烧结和合成塔内部构件损坏，同时使原料消耗增加， 反应选择性减小，甲醇收率降低高压法生产流程因压力过高、动力消耗大(吨甲醇能耗高达15GJ 以上)、设备复杂、投资费用高、产品质量较差，现已基本不再采用 该法生产甲醇。

图2高压法合成甲醇工艺流程1活性炭吸附器；2管式反应器；3粗甲醇分离器；4粗甲醇储槽;5 一粗分离塔；6精分离塔2.低压法低压法是操作压力为5MPa，反应温度在230〜270°C范围下，使 用铜基低温高活性催化剂生产甲醇的工艺低压法生产甲醇可以说是甲醇生产技术的一次重大突破低压法 生产与高压法相比较，装置的主要设备减少13%，副产物产率低达 2%,压缩机动力消耗降低40 9 /5，热效率可达64%，甲醇能耗下 降30%，生产成本下降该生产方法有英国帝国化学公司(ICI )法、德国鲁奇公司(中、低) 法，丹麦托普索公司(Topsoe)法和日本三菱重工(MGCC)法ICI法占 世界总产量的70%以上，Lurgi法占5%〜25%，各方法的区别主要 是反应器结构不同1971年德国鲁奇公司开发了低压法合成甲醇工艺，所建生产装 置达到30多套我国1987年建成鲁奇甲醇生产装置，年产10万吨 甲醇齐鲁石化于20世纪80年代引入Lurgi法（见图3）低压法操作 压力较小，但设备体积庞大，生产能力较小，且甲醇的合成收率较低合成气用透平压缩机1压缩至4. 053〜5. 066MPa后，送入合 成塔2中合成气在铜基催化剂存在下，反应生成甲醇。

合成甲醇的 反应热用以产生高压蒸汽，并作为透平压缩机的动力合成塔出口含 甲醇的气体与混合气换热冷却，再经空气或水冷却，使粗甲醇冷凝， 在分离器7中分离冷凝后的粗甲醇至闪蒸罐3闪蒸后，送至精馏装 置精制粗甲醇首先在粗馏塔4中脱除二甲醚、甲酸甲酯及其他低沸 点杂质塔底物即进入第一精馏塔5经精馏后，有50%的甲醇由塔 顶出来，气体状态的精甲醇用来作为第二精馏塔再沸器加热的热源； 由第一精馏塔底出来的含重组分的甲醇在第二精馏塔6内精馏，由塔 顶部采出精甲醇，底部为残液第二精馏塔来的精甲醇经冷却至常温 后，得到纯甲醇成品并送入储槽6图3 Lurgi低压法合成甲醇生产工艺流程1透平压缩机；2合成塔；3闪蒸罐；4粗馏塔；5第一精馏塔；6第二精馏塔；7分离器低压法又分为气相法与液相法上述流程为低压气相法，该方法 单程转化率低，一般只有10%〜15%，有大量的未转化气体被循环； 反应气体的H2/CO比值一般为（5〜10）： 1，远大于理论量的2:1；又 由于循环比大于5，惰性组分量累积，原料气中含氮量必须控制，这 为原料气制备提出新的要求低压液相法工艺有两种一种是浆态床工艺，以 CuCrO2／CH3OK 或CuO_ZnO / A12O3o作催化剂，以惰性液体有机物为反应介质，催 化剂呈极细的粉末状分布在有机溶剂中，反应器可用间歇式或连续 式，也可将单个反应器或多个反应器串联使用；另一种是液相络合催 化法工艺技术，所用催化剂为金属有机物或羰基化合物，催化剂与溶 剂及产物甲醇呈单一的均相存在，目前该技术仍处于实验室研究阶 段。

浆态床反应是一个气、液、固三相并存的反应，其中非极性有机 溶剂和甲醇作反应介质， CH3OK 大部分分散在溶剂中，部分沉积在 CuCrO2表面，CuCrO2呈粉末状悬浮于溶剂中由于溶剂的存在，提 高了反应的传热效率，降低了反应温度其反应温度为80〜160°C, 压力为4.0〜6.5MPa与气相法比，浆态床反应生产的合成气的单程 转化率高，产物选择性好但CO对加氢反应有较强的抑制作用；co2 和h2对羰基合成催化剂有一定的毒化作用，且单程产率较低改进 方法有：采用多级反应系统，反应尾气不循环直接用作发电厂原料； 可增加原料气中h2 / CO比的操作弹性；有效地改善co2和h2对羰 基合成催化剂的毒化作用但反应温度增加到200 C时，压力则控制 在5.0〜6.0MPa之间3．中压法中压法是在低压法基础上开发的，在5〜10MPa下合成甲醇的方 法该法成功地解决了高压法压力过高对设备、操作所带来的问题，同时也解决了低压法生产甲醇所需生产设备体积过大、生产能力小、 不能进行大型化生产的困惑，有效降低了建厂费用和生产成本其生 产工艺流程如图6-4所示醇l转化炉；2, 3, 7换热器；4压缩机；5循环压缩机；6甲冷凝器;8合成塔；9粗分离塔；10精制塔合成气原料在转化炉1内燃烧加热，转化炉内填充镍催化剂。

从 转化炉出来的气体进行热量交换后送入合成气压缩机4,经压缩与循环气一起，在循环压缩机5中预热，然后进入合成塔8其压力为8.106MPa，温度为220°C在合成塔里，合成气通过催化剂生成粗甲 醇合成塔为冷激式塔，回收合成反应热产生中压蒸汽出塔气体预 热进塔气体，然后冷却，将粗甲醇在冷凝器6中冷凝出来，气体大部 分循环粗甲醇在粗分离塔9和精制塔10中，经精馏分离出二甲醚、 甲酸甲酯及杂醇油等杂质，即得精甲醇产品合成氨联产甲醇（简称 联醇）是我国独创的新工艺，主要是针对合成氨厂铜氨液脱除微量CO 而开发的联醇的生产条件是合成操作压力为10〜12MPa，温度为 220〜300C，采用铜基催化剂四、合成工艺条件控制合成甲醇的主要化学反应是CO、CO2与h2在催化剂存在下进行的 反应CO+2H2 — CH3OH(g) △H=90.8kJ/molCO2+3H2 — CH3OH(g)+H2O △H=49.5kJ/mol反应过程除生成物甲醇外，还生成少量的烃、醇、醛、醚和酯等 化合物 甲醇合成反应有如下四个特点，即甲醇合成是放热、体积 缩小、可逆和催化反应为了提高选择性和收率，减少副反应发生， 必须选择合适的工艺条件。

工艺条件的控制主要有温度、压力、原料 气组成和空速等1．反应温度甲醇合成是可逆放热反应从化学平衡考虑，升高温度，对平衡 不利但从动力学考虑，温度升高，有利于加快反应速率；同时，升 高温度，副反应产物增多，由于甲酸的生成，造成设备的腐蚀，且温 度过高也会影响催化剂的使用寿命因此，需选择最佳反应温度，不 同催化剂的活性温度不同，反应温度取决于催化剂的活性温度对于 ZnO / Cr2O3系催化剂，反应活性温度在320〜400°C ；而铜基催化剂 CuO / ZnO / A12O3则适宜在210〜280C操作当然，还要根据催化 剂的型号及反应器型式不同，其最佳操作温度范略有不同，如管壳式 反应器采用铜基催化剂时的最佳操作温度在230〜260C之间工业生 产中，为了延长催化剂的寿命，防止催化剂因高温而加速老化，反应 初期在催化剂活性温度范围内，宜采用较低温度，使用一段时间后再 升温至适宜温度因为甲醇合成是强烈的放热反应，必须在反应过程中不断地将热 量移走，反应才能正常进行对于管壳式反应器，一般利用管与壳体 问副产中压蒸汽来移走热量这样，合成反应温度将利用副产品中压 蒸汽压力来控制合成塔壳侧的锅炉水，吸收管程内甲醇合成的反应 热后变成沸腾水，沸腾水上升进入汽包后在汽包上部形成与沸腾水温 度相对应的饱和蒸气压，即为汽包所控制的蒸汽压力，合成塔催化剂 的温度就是靠调节此汽包蒸汽压力得以实现。

因此通过调节汽包压力 就可相应地调节催化剂床层温度一般是汽包压力每改变0. IMPa, 床层温度就相应改变1.5°C另外生产负荷、循环量、气体成分、冷凝温度等的改变都能引起 催化剂床层温度的改变,必要时应及时调节汽包压力,维持其正常操 作温度,避免大幅度波动2. 反应压力从反应式可见,甲醇合成的主、副反应均为体积减小的反应,增 加压力对提高甲醇平衡分压有利；同时,从反应速率考虑,提高压力, 反应速率加快但加压生产要消耗能量,且受设备强度限制目前工业上采用高压、中压和低压法生产,主要是催化剂不同 由于采用锌-铬催化剂的高压法生产需在25〜30MPa下操作，CO与 h2生成二甲醚、甲烷、异丁醇等副产物，同时放出大量的热，造成 床层温度控制难度增加，催化剂易损坏现广泛采用中压、低压法生 产，均使用铜基催化剂，低压合适的操作压力是5.0〜10.0MPa但由 于低压流程设备和管道均较庞大，且由于操作压力较低，热能回收与 利用效益不高为解决这一问题，开发了中压流程中压操作时，压 力控制在10.0〜15.0MPa之间在生产过程中，对于合成气中二氧化碳含量较高的情况，采用较 大压力对提高反应速率有比较明显的效果。

压力是甲醇合成反应过程 中重要的工艺条件之一合成系统在生产负荷一定的情况下合成塔催化剂层温度、气体成 分、空速、冷凝温度等变化均能引起合成系统压力的变化，操作应准 确判断、及时调整，确保工艺指标在规定范围内当合成条件恶化、 系统压力升高时，可适当降低生产负荷，提高汽包压力；必要时打开 放空阀控制系统压力在指标范围内，不得超压，以维持正常生产系 统减量要及时提高汽包压力，调整循环量，控制温度在指标范围之内调节压力时，必须缓慢进行，确保合成塔温度正常如果压力急 剧上升会使设备和管道的法兰接头和压缩机填料密封遭到破坏一般 压力升降速度可控制在＜0.44MPa/ min3. 原料气组成合成甲醇的反应为：CO+2H2 — CH3OH(g) △H=90.8kJ/molCO2+3H2 — CH3OH(g)+H2O △H=49.5kJ/mol合成甲醇时，氢碳比是重要的控制指标，氢碳比f或M)有以下两种表示方法煤为原料时制得原料气的氢碳比较低，利用CO加水蒸气变换为H2和CO2增加氢碳比生产过程中，氢碳比一般会选择2.05〜2.15在合成过程中，h2对减少五羰基铁与高级醇、高级烃和还原物 质的生成，减少H2S中毒和延长催化剂寿命有一定作用，可提高粗甲 醇的浓度和纯度。

当CO含量过高时，温度不易控制，且会导致五羰 基铁聚积在催化剂上，引起催化剂失活同时，又因氢气的导热性好, 可有利于防止局部过热和降低整个催化层的温度但氢气过量会降低 生产能力另外，如果在原料气中有CO2存在时，因CO2与h2反应放出的 热量比CO与h2放出的反应热小，有利于催化剂床层温度的控制， 抑制二甲醚等副产物生成但当CO2含量过高时，甲醇产率又会降低 一般CO2含量为3%〜5%较好原料气中除有效成分外，还有CH4、N2、Ar等惰性气体存在， 它们会在合成系统中反复循环逐渐累积增多，降低CO、co2、h2有效气体分压，反应速率减慢，降低甲醇合成反应的转化率和收率，同 时使循环动力和压缩机消耗增大操作中需排放一部分循环气体排 放后使循环气中惰性气体含量控制在20%〜25 %若含量太低，弛放气损失加大，将损失有效气体一般操作时，在催化剂使用前期， 由于反应速率高，惰性气体含量可高一些，弛放气可少些；在催化剂 使用后期，反应速率降低，要求惰性气体含量低，弛放气就大一些排放量由下式计算:常新鳞匱新鲜工触空式中 Vi放空气和新鲜气的体积，m3/h；xi——放空气和新鲜气中惰性组分的含量，％。

实际生产中，由于部分惰性气体溶于液体甲醇中，弛放气体体积 要较计算值小，为减少放空气体积，应尽量减少新鲜气中惰性气体含 量4. 空速及气体的循环可用来表示反应器的生产能力，即空速越高，单位体积催化剂处 理能力越大，生产能力就越大空速是合成甲醇的一个重要控制参数甲醇生产时，气体一次通过合成塔仅能得到3%〜6%的甲醇， 原料气转化率不高，因此原料气必须循环使用适宜空速的选择与催化剂活性、反应温度及进料组成有关，另外 还要由循环机动力、循环系统阻力与生产任务来决定一般用锌基催 化剂时，空速为35000〜40000h-i；用铜基催化剂时为10000〜20000h-i 当然，不同反应器，空速不同，对于管式反应器，空速要更低一些， 一般控制在8000〜10000h-i5. 液位的控制①汽包液位为了保证合成反应热能够及时移出，汽包必须保证 有一定的液位，同时，为了确保汽包蒸汽的及时排放，防止蒸汽出口 管中带水，汽包液位又不能超过一定的高限在正常生产中，汽包液 位一般控制在汽包容积的1/3〜1/2之间锅炉水上水压力和上水阀门 的开度都能直接影响到汽包的液位，当液位处于不正常时及时检查， 及时恢复正常，防止合成气压缩机因汽包液位过低而联锁停车。

同时汽包排污大小也可以对其压力和液位进行微调，必要时可加 大排污量来迅速降低汽包液位和压力，以调节合成塔催化剂层温度操作指标：正常值30%〜60 %；高限报警值90%；低限报警值15 %②甲醇分离器液位分离器分离出液态甲醇的多少，随着生产负 荷的大小、水冷器出口温度高低、塔内反应的好坏而变化，液面控制 的过高或过低都会影响合成塔的正常操作，甚至造成事故因此操作 者要经常检查，早发现、早调节，将液位严格控制在指标之内如果分离器液位过高，会使液态甲醇随气体带入压缩机，使填料 温度下降，带液严重时，会产生液击损坏压缩机；而且入塔气中甲醇 含量增高，恶化了合成塔内的反应，加剧了合成副反应进行，使粗甲 醇质量下降如果液位过低则易发生窜气，高压气窜入甲醇闪蒸槽， 造成超压或爆炸等其他事故操作指标：正常值 30%〜50%；高限报警值85%；低限报警值 15% 6. 循环量的控制循环量是指每小时合成气回到压缩机循环段的气量提高循环量 可以提高合成塔催化剂的生产能力，但系统阻力增加，催化剂床层温 度下降正常生产操作中，在压缩机新鲜气量一定的情况下可以通过 调节循环量来控制入塔气量，进而调节催化剂床层的温度。

循环量的 大小主要是靠压缩机循环近路阀，加减循环量应缓慢进行，不得过快7. 空速的控制所谓空速即空间速度，就是指在标准状态下，单位时间内通过单 位体积催化剂的反应混合气的体积在温度、压力不变时，空速越大，则气体在催化剂表面的接触时 间越短实践证明，甲醇的时空产量在一定范围内与空速成正比关系在甲醇生产中，气体一次通过合成塔仅能得到3%〜6%的甲醇， 原料气的甲醇合成率不高，因此原料气必须循环使用此时，合成塔 空速常由循环机动力循环系统阻力与生产任务来决定空速过高，使 气体通过催化床层的阻力增加，动力消耗增加，还可能是催化剂破碎； 空速过小，往往不能满足生产任务的要求在甲醇生产中，空速一般在10000〜30000h-i之间。