甲醇合成工藝過程與操作控制優(yōu)化的分析

郭曉東

摘 要：甲醇作為一種重要的工業(yè)化工原料，具有成本低、工業(yè)應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。目前，有一些差異在甲醇合成過程中，飼料天然氣儲(chǔ)量的主要工藝流程，壓縮的氣體，對甲醇合成粗甲醇精餾，為了提高綜合合成效率，必須降低生產(chǎn)成本，這就需要相關(guān)人員不斷優(yōu)化甲醇合成的工藝流程。因此，針對甲醇合成的工藝流程，工作人員將深入探討甲醇合成工藝參數(shù)的變化對收率的影響。

關(guān)鍵詞：甲醇合成;工藝過程;操作控制;優(yōu)化策略

目前國際甲醇合成技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)先進(jìn)，而國家有關(guān)甲醇合成技術(shù)還相對落后，不僅因?yàn)樯a(chǎn)能力很弱，而且因?yàn)樵O(shè)備老化非常并不能滿足目前市場。因此，甲醇合成工藝的加速和優(yōu)化已成為一個(gè)迫切需要解決的問題。

一、典型甲醇合成塔

1.冷激甲醇合成塔。冷激甲醇合成塔由氣體分配系統(tǒng)組成，用于分離催化劑

由三到六種連續(xù)催化劑組成的反應(yīng)器。冷卻氣體通過噴射管鉆機(jī)的孔均勻地流過床的各個(gè)部分。這些分配器有一個(gè)鉆石結(jié)構(gòu)與小孔在水平。氣體在反應(yīng)器中從上到下流動(dòng)。具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備用料少、體積大等特點(diǎn)。但是，由于每一反應(yīng)層的溫度都是通過向催化劑的每一段注入冷原料氣來降低的，所以甲醇的含量在冷卻的同時(shí)也降低了，從而間接影響了催化劑的利用率，并逐漸被淘汰。

2.Lurg甲醇合成塔。Lurg甲醇合成塔是一種立式管殼式固定管板換熱器，管內(nèi)裝有少量催化劑。在管道外，有很多沸騰的熱水蒸發(fā)掉熱量，這是中國近年來使用最多的先進(jìn)塔。其主要特點(diǎn)是單位體積催化劑和床層傳熱面積很大。中心線之間的最大溫差和開水可以達(dá)到10攝氏度，當(dāng)他們反應(yīng)，催化劑夾層之間的溫差很小，員工可以被認(rèn)為是在恒定的溫度，該設(shè)備也將帶走一定的熱量。具有操作安全、運(yùn)行穩(wěn)定、回用率高等特點(diǎn)。工作人員還可以控制中間層之間的溫度，允許生產(chǎn)過程中一氧化碳?xì)怏w濃度較高。具有綜合消耗低、雜質(zhì)生產(chǎn)少、單向轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點(diǎn)。該方法生產(chǎn)的甲醇的含量和空時(shí)收率均高于ICI冷卻塔，催化劑的使用壽命也比冷卻塔長。

二、甲醇合成工藝過程分析

近年來，國內(nèi)化工生產(chǎn)水平不斷提高，化工生產(chǎn)對甲醇的需求也不斷增加。2016年甲醇價(jià)格上漲趨勢更加明顯，目前甲醇市場年價(jià)格高達(dá)每噸1852元，且呈上升趨勢，以1噸甲醇的年化歷程來看，部分地區(qū)的價(jià)格為1 940美元至1960元。因此，在現(xiàn)有工藝的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化和持續(xù)的調(diào)整來增加甲醇的生產(chǎn)能力，可以有效地減少消耗，為我們的產(chǎn)品獲得有利的競爭優(yōu)勢。某石油化學(xué)股份有限公司日產(chǎn)2 500t甲醇裝置（以下簡稱本裝置）以天然氣為原料，采用英國DAVY工藝，使用南海產(chǎn)高CO 2、高N 2含量天然氣為原料，合成氣由常規(guī)的預(yù)轉(zhuǎn)爐和蒸汽轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)，最終的甲醇通過壓縮、合成和蒸餾等工藝生產(chǎn)。為了提高化工甲醇合成的整體效率，不僅需要提高技術(shù)水平，還需要對整個(gè)甲醇合成過程進(jìn)行分析，并在操作層面進(jìn)行控制，對其進(jìn)行優(yōu)化。

1.甲醇合成的反應(yīng)機(jī)理。甲醇合成反應(yīng)是一種復(fù)雜的可逆反應(yīng)，在催化劑的作用下，通過一氧化碳加氫得到甲醇CO+2H 2=CH 3 OH（氣體）。在相同的壓力下，溫度越高，kn的值越低。因此，低溫和高壓有利于甲醇的合成。參與通常鋅銅鉻催化劑或催化劑，但不論多相催化過程的催化劑，特別是有機(jī)制反應(yīng)擴(kuò)散、表面吸附解析、五，即氣相擴(kuò)散界面和催化化學(xué)吸附氣體的氣體在催化劑表面的活躍，試劑的反應(yīng)活性表面上的吸附解吸，氣相增殖反應(yīng)氣體催化劑。

2.甲醇合成工藝。從合成氣中制備甲醇在我國是一種比較常見的制備方法，但從合成氣中制備甲醇的整個(gè)過程非常復(fù)雜，需要很長時(shí)間才能完成，在實(shí)踐中，所選擇的純化工藝與甲醇合成工藝中使用的不同原料并不相同;主要包括原料氣體的合成、凈化處理、壓縮處理、合成處理和精餾粗甲醇。（1）合成原料氣體。甲醇的合成始于氫和碳氧化物的制備。它們主要由石油、煤炭、天然氣等經(jīng)蒸汽轉(zhuǎn)化或部分氧化而成，形成一種主要含有氫、一氧化碳和二氧化碳的氣體混合物。甲醇（H 2-CO 2）/（CO+CO 2）合成氣需求=約2.1。（2）合成甲醇。根據(jù)催化劑的不同，在不同的壓力下，溫度分別為240～270℃和360～400℃，通過催化劑合成甲醇。由于催化劑選擇性的限制，產(chǎn)生甲醇時(shí)有很多副反應(yīng)，所以得到的產(chǎn)物主要是甲醇與水和多種有機(jī)雜質(zhì)的混合物，即粗甲醇。（3）凈化處理。粗甲醇純化包括物理純化和化學(xué)純化，主要是堿化去除在精餾過程中難以分離的雜質(zhì)，調(diào)節(jié)pH值，而物理純化只是通過過濾去除雜質(zhì)。（4）粗精餾甲醇。精餾主要包括去除揮發(fā)性成分，如二甲醚、乙醇、高碳醇和水，這些成分很難揮發(fā)。

3.甲醇合成法。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提高，甲醇的制備方法不再是單一的，目前有許多工業(yè)制備方法。如合成氣法、合成醇法或其他原料合成法。在現(xiàn)代工業(yè)中，甲醇一般由合成氣合成。合成氣制甲醇的三種主要方法是：高壓法、低壓法和中壓法。（1）高壓合成氣合成甲醇。不久，這種高壓方法就被工人們廣泛地用于生產(chǎn)甲醇。然而，高壓法消耗大量的原料，大量的勞動(dòng)力，反應(yīng)溫度和壓力極高，甲醇含量雜質(zhì)和廢料過多，投資成本高。以氧化鋅鉻為催化劑，在340～420℃高溫、30.0～50.0 Mpa高壓下，合成氣合成甲醇，稱為高壓法。該方法歷史悠久，是目前世界化工生產(chǎn)甲醇的主要方法。（2）低壓合成氣合成甲醇。低壓法是一種新型的甲醇合成技術(shù)，自1960年以來逐漸發(fā)展起來。它是通過使用合適的催化劑來合成低壓甲醇、一氧化碳和氫。該工藝在低壓下甲醇產(chǎn)量非常高，反生產(chǎn)效果好，具有良好的選擇功能，減少了原料消耗。由于制造壓力低，工藝設(shè)備的制造也比高壓法容易得多，低壓法的成本也比高壓法低得多。低壓甲醇合成是275℃、5.0MPa中的合成氣銅線催化劑合成甲醇。隨著反應(yīng)器技術(shù)和催化劑的不斷改進(jìn)，用低壓法合成甲醇在降低現(xiàn)代化工產(chǎn)品的生產(chǎn)成本方面具有更大的優(yōu)勢對工業(yè)的好處是顯而易見的。（3）中壓合成氣合成甲醇。隨著甲醇合成的大規(guī)模量化，低壓法繼續(xù)被用于甲醇生產(chǎn)，導(dǎo)致大量的管道和工藝設(shè)備，增加了資金投入，浪費(fèi)了原材料。因此，中壓法必須在低壓法的基礎(chǔ)上發(fā)展，適當(dāng)提高壓力。中壓法的綜合利用率遠(yuǎn)高于低壓法。針對我國的特殊情況，工人們正在嘗試開發(fā)一種新的生產(chǎn)方法，即同時(shí)生產(chǎn)合成氨和甲醇。但是銅基催化劑在合成過程中容易產(chǎn)生毒性，因此合成甲醇所用原料的硫含量必須小于1ml/m3。平均甲醇合成，指以一氧化碳和氫氣（235-315℃）的溫度效應(yīng)的甲醇合成（10.0 MPa 27.0%）。

三、甲醇合成裝置異常原因分析

甲醇合成生產(chǎn)裝置一般由甲醇合成、甲醇精餾、氫氣回收和中間包四部分組成。該技術(shù)已成功應(yīng)用于國內(nèi)外甲醇生產(chǎn)裝置。魯奇催化劑和MegaMax700催化劑的甲醇合成反應(yīng)器大多采用中壓合成。具有反應(yīng)溫度穩(wěn)定、催化劑使用壽命長、操作方便等特點(diǎn)（見圖1）。在催化劑使用初期，該裝置生產(chǎn)的產(chǎn)品優(yōu)良率可達(dá)100%。但在催化劑試驗(yàn)后期，由于系統(tǒng)壓力和溫度的不斷升高，催化劑容易失活和發(fā)生副反應(yīng)，導(dǎo)致氧化等不良產(chǎn)物。造成這些問題的主要原因是。

1.裝置運(yùn)行初期工藝管線的改造和頻繁停車。低溫甲醇洗工段需要冷量丙烯壓縮機(jī)的支持，所以汽包壓力應(yīng)從原始開車的2.4MPa提高2.8MPa，壓力的升高導(dǎo)致反應(yīng)器的溫度快速上漲，合成催化劑的活性也受到一定的影響。在投入生產(chǎn)運(yùn)行期間，難免因?yàn)橐恍┰蛐枰o急停車，當(dāng)裝置停車，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行泄壓，一些銹蝕沉積可能脫落并進(jìn)入合成系統(tǒng)，使反應(yīng)器結(jié)蠟，催化劑活性降低，進(jìn)而促進(jìn)副反應(yīng)的發(fā)生。

2.催化劑和工藝波動(dòng)的影響。一方面，催化劑在投入生產(chǎn)前需要進(jìn)行預(yù)加載。少量催化劑會(huì)出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象。當(dāng)催化劑被加熱和還原時(shí)，燒結(jié)會(huì)導(dǎo)致不連續(xù)還原條件影響催化劑的整體還原時(shí)間，且還原過程不夠連續(xù)，也在一定程度上影響催化劑的活性。另一方面。該裝置在工段前后波動(dòng)，容易降低凈化氣體的純度。當(dāng)氣體進(jìn)入合成反應(yīng)物時(shí)，催化劑會(huì)受到影響而中毒失活。

四、優(yōu)化控制分析

甲醇合成過程中，如果有任何問題在操作的過程中，催化劑的活性將大大減少，和副產(chǎn)品粗甲醇將增加，這將最終導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量問題在后續(xù)整改并影響最終產(chǎn)品的合理的效率，造成一系列問題生產(chǎn)甲醇。所以要和甲醇反應(yīng)對合成工藝進(jìn)行了優(yōu)化和控制。在實(shí)際的優(yōu)化過程中，我們可以從生產(chǎn)過程中設(shè)備的選擇和參數(shù)的優(yōu)化入手。在具體的優(yōu)化過程中，甲醇生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)過程中各參數(shù)的優(yōu)化需要從兩個(gè)方面入手。

1.工藝參數(shù)優(yōu)化。甲醇生產(chǎn)的工藝參數(shù)很多，包括甲醇的生產(chǎn)壓力條件、催化劑在生產(chǎn)中的使用、合成的比效率、氣體的組成和循環(huán)比。從壓力參數(shù)方面考慮，甲醇生產(chǎn)中高壓和低壓的參數(shù)是不同的，這對生產(chǎn)的合成效率和最終產(chǎn)量有一定的影響。因此，壓力控制在甲醇生產(chǎn)中至關(guān)重要。在壓力設(shè)定中，高壓促進(jìn)甲醇的生產(chǎn)。實(shí)踐證明，甲醇生產(chǎn)過程中壓力的增加與甲醇的生產(chǎn)效率成正比。壓力越大，生產(chǎn)效率越高。因此，在用生產(chǎn)壓力參數(shù)優(yōu)化生產(chǎn)操作時(shí)，往往需要先充分考慮壓力，才能達(dá)到提高甲醇生產(chǎn)效率的重要目的。此外，催化劑在生產(chǎn)過程中的溫度參數(shù)也會(huì)影響甲醇的生產(chǎn)效率。因此，在甲醇生產(chǎn)和合成過程中，應(yīng)在一定程度上控制催化劑在生產(chǎn)中的溫度，這樣才能大大提高生產(chǎn)效率。但是在生產(chǎn)中催化劑的溫度不容易提高太多，否則就不能達(dá)到原來的高收率，影響合成反應(yīng)。同時(shí)，在甲醇生產(chǎn)合成過程中，需要及時(shí)排出合成系統(tǒng)中的惰性氣體，以提高生產(chǎn)速率，在一定程度上提高反應(yīng)氣體的實(shí)際濃度，提高反應(yīng)效率。

2.生產(chǎn)設(shè)備優(yōu)化。為了優(yōu)化甲醇合成工藝，不僅需要對合成參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，還需要對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化控制，使合成裝置滿足生產(chǎn)工藝的實(shí)際需要。為了使最終合成的甲醇的生產(chǎn)質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，對其提出了要求提高產(chǎn)品質(zhì)量，避免甲醇產(chǎn)品在生產(chǎn)合成設(shè)備中出現(xiàn)質(zhì)量退化問題。在優(yōu)化和加工設(shè)備，需要合成反應(yīng)器的性能提升高度重視，如果反應(yīng)堆生產(chǎn)的合成設(shè)備的溫度低于標(biāo)準(zhǔn)的價(jià)值觀，導(dǎo)致甲醇合成壓縮機(jī)的進(jìn)出口壓差變大，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)設(shè)備超壓問題，最終導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備的消費(fèi)，從而大大增加了甲醇生產(chǎn)的成本，此外，設(shè)備故障率也會(huì)增加。在生產(chǎn)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)以生產(chǎn)參數(shù)的穩(wěn)定性為主要生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，并制定相應(yīng)的優(yōu)化方案提高反應(yīng)裝置的氣體含量，避免了合成甲醇反應(yīng)中壓力升高的問題。所以，可以控制二氧化碳的含量，避免其含量的波動(dòng)，從而達(dá)到催化劑的效果。因此，應(yīng)在一定程度上保護(hù)催化劑，使溫度在催化劑活性的最佳范圍內(nèi)。

五、甲醇合成的工藝過程優(yōu)化控制措施

1.工藝參數(shù)的優(yōu)化。（1）優(yōu)化的壓力。在甲醇合成過程中，高壓可以提高合作的效率和效果，所以通過合理提高合成壓力，甲醇的產(chǎn)率也可以提高1%-2%左右。（2）優(yōu)化配氣工藝參數(shù)。在實(shí)際合成過程中，應(yīng)及時(shí)排除惰性氣體，提高反應(yīng)速度，然后提高合成反應(yīng)中所涉及氣體的濃度，從而提高甲醇的濃度。（3）優(yōu)化碳?xì)浔?。對于合成反?yīng)氣體，烴比在催化劑的選擇中起著重要的作用。合成氣中烴類含量低，保證了反應(yīng)器底部床層溫度平穩(wěn)，出口溫度不高。此外，碳?xì)浔认♂屵M(jìn)入塔內(nèi)的氣體，降低反應(yīng)溫度。（4）優(yōu)化循環(huán)氣體中的惰性氣體濃度。影響循環(huán)氣體中惰性氣體濃度的因素主要有轉(zhuǎn)化氣中的甲烷含量、氧氣中的氮?dú)夂?、氬氣中的氮?dú)夂康龋到y(tǒng)中的惰性氣體濃度主要通過調(diào)節(jié)馳放氣體流量來調(diào)節(jié)。一般來說，合成系統(tǒng)中的惰性氣體含量需要根據(jù)具體的工藝條件進(jìn)行控制，以保證在合成系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上降低單位產(chǎn)品的能耗。然而，通過理論計(jì)算，一般很難得到不同條件下惰性氣體的最優(yōu)含量值。然而，大量實(shí)踐表明，在低負(fù)荷下合理提高惰性氣體濃度，可以有效地縮短馳放氣體的使用期限，提高甲醇產(chǎn)量。（5）優(yōu)化甲醇分離器。目前甲醇裝置使用的甲醇分離器在處理大氣量的過程中存在著分離效率低、阻力大等缺點(diǎn)在氣速較高的情況下，甲醇分離器會(huì)發(fā)生明顯的二次培訓(xùn)，影響系統(tǒng)的運(yùn)行。因此，應(yīng)對甲醇分離器進(jìn)行優(yōu)化，盡可能采用高效的甲醇分離器。（6）優(yōu)化合成反應(yīng)器。在設(shè)備優(yōu)化過程中，應(yīng)充分重視合成反應(yīng)器。合成反應(yīng)器出口溫度降低，合成壓縮機(jī)壓差增大，容易導(dǎo)致超壓，不僅消耗大量設(shè)備容量，還會(huì)增加生產(chǎn)成本，增加故障概率。因此，在實(shí)際優(yōu)化過程中，需要在保證其他工藝參數(shù)正常穩(wěn)定的基礎(chǔ)上合理增加其含量，以避免合成反應(yīng)不良引起的系統(tǒng)壓力上升。（7）優(yōu)化雙塔合成的分配。在合成體系中，催化劑的數(shù)量填寫新舊塔塔不同，塔的壓差也不同，所以需要分發(fā)循環(huán)氣體科學(xué)防止過早失活催化劑的合成塔大負(fù)載。中間的后期使用催化劑，循環(huán)氣分配不同數(shù)量可以減少產(chǎn)量，所以應(yīng)該來分配數(shù)量在兩塔壓差相似、粗甲醇收率最大的情況下，進(jìn)行合理的優(yōu)化。

2.控制方法優(yōu)化。（1）科學(xué)掌控甲醇合成的主動(dòng)性。對甲醇合成主動(dòng)性進(jìn)行有效把控能夠有利于粗甲醇品質(zhì)的提升。通過具體實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在甲醇合成反應(yīng)過程中，催化劑在很多方面上均產(chǎn)生較大影響，雖然互相間是處于獨(dú)立狀態(tài)，不過其也屬于一個(gè)有機(jī)整體。所以，不管控制哪種公益環(huán)節(jié)參數(shù)均需包含有優(yōu)化甲醇的反應(yīng)原理與生產(chǎn)，從而提升生產(chǎn)甲醇的效率，保證其產(chǎn)品質(zhì)量與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求相符。（2）如若是第一次使用催化劑，則需要先現(xiàn)將其還原，且根據(jù)溫度還原控制的方法來提高其使用效果。對還原過程來說，其原理在于往氮?dú)庵刑砑右欢〝?shù)量的氫氣或其他合成氣體，還原的氣體則能夠使催化劑底層在系統(tǒng)當(dāng)中實(shí)現(xiàn)循環(huán)。需要提出是，在還原前，應(yīng)當(dāng)要合理控制載氣氧含量，以在0.1mol%為宜。

總而言之，通過分析甲醇合成工藝過程以及優(yōu)化其操作控制可以發(fā)現(xiàn)，在化工原料生產(chǎn)中甲醇發(fā)揮了極為重要作用，而在化工行業(yè)與運(yùn)輸行業(yè)中其作用更為明顯，不僅如此，以甲醇為基礎(chǔ)的原料生產(chǎn)也具有較多衍生物，所以其發(fā)展前景也非常廣闊，應(yīng)當(dāng)要積極擴(kuò)寬甲醇應(yīng)用領(lǐng)域，將其衍生品也逐步替代能源應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中。當(dāng)前我國已經(jīng)在加大力度建設(shè)煤基甲醇設(shè)施，且逐步完善甲醇裝置及其操作流程，而相關(guān)工作人員則應(yīng)當(dāng)要清楚掌握甲醇合成的工藝過程，并對其操作控制進(jìn)行不斷的優(yōu)化與完善，切實(shí)提高甲醇合成的效率與質(zhì)量，從而充分發(fā)揮出甲醇合成對我國工業(yè)發(fā)展的重要作用。

參考文獻(xiàn)

[1]李瑞.甲醇合成工藝過程研究及技術(shù)操控優(yōu)化[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2018，44（03）：8+14.

[2]毛燕.淺析甲醇合成的工藝過程及操作控制優(yōu)化問題[J].化工管理，2017（27）：103.

[3]陳小曉.甲醇合成工藝過程與操作控制優(yōu)化的分析[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2017，43（02）：6+35.

[4]李倩.對甲醇合成工藝現(xiàn)狀的思考[J].化工管理，2017（22）：202-203.