年产30万吨合成甲醇分厂设计
(1)不同床层高度的催化剂活性不同，催化剂的整体活性不能有效发挥．催化剂的时空产率低，经济效益低；(2)不同床层高度的催化剂老化失活的程度与速度不同，不利于保护和延长催化剂的使用寿命，催化剂的有效利用率低。
而在Lurgi低压甲醇合成工艺中，由于合成塔整个催化剂床层温度平稳均匀，并由合成塔壳程的水所产中压蒸汽来调节控制，因而具有如下优点：
(1)便于整炉催化剂催化作用最大限度的发挥，时空产率高，经济效益好；
(2)当催化剂使用到中期和后期时，其活性有所降低，这时可通过提高合成 塔壳程所产中压蒸汽压力来适当提高反应床层温度，从而提高催化剂的活性，延长催化剂使用寿命。
3、出塔气中甲醇含量和粗甲醇质量的比较
在ICI低压甲醇合成工艺中，由于催化剂的催化作用受床层温度波动的影响和玲激气分层加入所产生的稀释效应，原料气的单程转化率低，出塔气中的甲醇含量只有3 ～4 ，而且温度的波动使得副反应增加，粗甲醇质量下降。在I urgi低压甲醇合成工艺中，由于反应温度平稳，催化剂的作用得到很好发挥，原料气的单程转化率得以提高，出塔气甲醇含量一般达到5 ～7 ，而且副反应少，粗甲醇质量较好。
4、两种工艺动力消耗的比较
ICI低压甲醇台成工艺中，由于原料气的单程转化率低，为了有效地利用原料气及减少驰放气排放量，这就要求生产中必须有很大的循环气量；而Lurgi低压甲醇合成工艺中，单程转化率较高，要求的循环气量就比ICI低压甲醇台成工艺少得多，具体比较如下：
ICI低压甲醇合成工艺中循环气：新鲜气=10 ：1 Lurgi低压甲醇台成工艺中 循环气：新鲜气=5 ：l
由于ICI低压甲醇合成工艺要求的循环量比Lurgi低压甲醇合成工艺多，这就决定了其生产过程中的动力消耗比Lurgi低压甲醇合成工艺要大；且有关设备管道的尺寸也要比Lurgi低压甲醇合成工艺的大，其一次性投资也要比Lurg~低压甲醇合成工艺多。 通过上述比较得出如下结论：
a) Lurgi低压甲醇合成工艺比ICI低压甲醇合成工艺动力消耗低，生产成本也
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较低
b) Lurgi低压甲醇合成工艺比ICI低压甲醇台成工艺可更有效地提高产品质量 和原料气的单程转化率。
c) Lurgi低压甲醇合成工艺还能利用反应热副产中压蒸汽，能量的利用比ICI 低压甲醇合成工艺更为有效。
d) ICI法最大的特点是合成塔结构简单，材料没有特殊要求，设备易制造；而 Lurgi甲醇台成塔管材采用双相不锈钢，加工较复杂。
e) Lurgi低压甲醇合成工艺反应床层的温度比ICI低压甲醇合成工艺的床层温 度更易于控制和调节，并且反应床层温度的分布也更台理，因而催化剂活性高，时空产率比ICI法高一倍左右.
2.3.3 合成工序工艺操作条件的确定
（1）操作温度
甲醇合成催化床层的操作温度主要是由催化剂的活性温度区决定的。操作温度的控制同样是一个操作费用的控制问题，在设计中，需要延长催化剂的使用寿命，防止催化剂的迅速老化和活性衰减速度加快。一般而言，在催化剂的使用初期，反应温度维持较底的数值，随着使用时间的增加，逐步提高反应温度。例如副产蒸汽型等温甲醇合成塔采用国产铜系催化剂，使用前期，可控制床层零点温度230～240℃，热点温度260℃左右；后期，可控制床层零点温度260～270℃，热点温度290℃。设计采用的甲醇合成塔为列管式等温反应器，管间走的是沸腾水，可以副产蒸汽，床层内温差很小，接近最佳温度操作曲线。设计中采用的甲醇合成催化剂为国产的铜系XCN-98，由它的性质可知：适合使用的温度范围为200～290℃。 （2）操作压力
压力是甲醇合成反应过程的重要工艺条件之一。甲醇合成反应时分子数变少，因此增加压力对反应有利，由于压力高，组分的分压提高，因而催化剂的 生产强度也提高。操作压力的选用与催化剂的活性有关。早期的高压法合成甲醇工艺采用的是锌基催化剂，由于活性差，需要在高温高压下操作，其操作压力为25～35Mpa，操作温度350～420℃。至较高的压力和温度下，一氧化碳和氢生成
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甲烷、异丁醇等副产物，这些副反应的反应热高于甲醇合成反应，使床层温度提高，副反应加速，如果不及时控制，会造成温度猛升而损坏催化剂。近年来普遍使用的铜基甲醇合成催化剂，其活性温度范围在200～300℃，有较高的活性，对于规模小于30万吨/a的工厂，操作压力一般可降为5Mpa左右；对于超大型的甲醇装置，为了减少设备尺寸，合成系统的操作压力可以升至10Mpa左右。设采用的是低压法（入塔压强为5.14MPa）合成甲醇。 （3）气体组成
对于甲醇合成原料气，即合成工序的新鲜气，应维持f=（H2-CO2）/(CO+CO2)=2.10～2.15，并保持一定的CO2。由于新鲜气中（H2-CO2）/(CO+CO2)略大于2，而反应过程中氢与一氧化碳、二氧化碳的化学计量比分别为2:1和3:1，因此循环气中（H2-CO2）/(CO+CO2)远大于2。合成塔中氢气过量，对减少副反应是有利的。甲醇合成过程中，需要一定的二氧化碳存在以保持催化剂的高活性。二氧化碳的存在可以降低反应系统的热效应，这对维持床层温度也是有利的。但是过高的二氧化碳含量会降低合成系统的生产能力，粗甲醇含水增加，增加精馏系统的负荷和能耗。所以二氧化碳的含量应该尽可能低一些，一般不超过5%。 （4）空速
空速不仅是一个和合成回路气体循环量相关联的工艺控制参数，也是一个影响综合经济效益的变量。甲醇合成过程中，首先甲醇合成塔内的气体空速必须满足催化剂的使用要求，国产铜基催化剂，一般要求气体空速在8000～20000h-1之间。空速过低，结炭等副反应加剧，空速过高，系统阻力加大或合成系统投资加大，能耗增加，催化剂的更换周期缩短。空速的选择需要根据每一种催化剂的特性，在一个相对较小的范围内变化。XCN-98的空速要求为6000～15000h-1，本设计空速定为12000 h-1。
2.3.4 催化剂
甲醇催化剂的制备是衡量合成甲醇工业技术水 平高低的关键技术之一,甲醇工业的发展很大程度上取决于催化剂的研制及其性能改进。在甲醇生产 中,很多工业指标和操作条件都是由催化剂的性质决定的。随着甲醇工业的快速发展,对甲醇合成催化剂的研究开发提出了更高的要求。国内外研究人员都在积极开
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发、应用新型甲醇合成催化剂,以提高甲醇的产量和质量,节约能源,降低成本。 甲醇合成催化剂一般可分为锌铬催化剂、铜基催化剂、钯系催化剂和钼系催化剂。 下面我们主要研究和探讨铜基催化剂:
铜基催化剂是一种低温低压甲醇合成催化剂, 其主要组CuO/ZnO/Al2O3(Cu-Zn- Al) ,由英国 ICI公司和德国Lurgi公司先后研制成功。低(中)压法铜基催化剂的操作温度为210℃~300℃,压力为5MPa-10 MPa,比传统的合成工艺温度低得多,对甲醇反应平衡有利。其特点是:a)活性好,单程转化率为7%-8%;b)选择性高,大于99%,其杂质只有微量的甲烷、二甲醚、甲酸甲酯,易得到高纯度的精甲醇;c)耐高温性差,对硫敏感。目前工业上甲醇的合成主要使用铜基催化剂。
铜基催化剂的失活：催化剂的活性是决定甲醇合成新工艺开发成功与否的关键因素之一。甲醇生产过程中,常会发生催化剂中毒、高温烧结等现象,这些非正常现象既缩 短了甲醇合成催化剂的使用寿命,又影响了甲醇的质量。影响催化剂使用寿命的因素很多,包括热失活、积炭、中毒失活、污染失活、强度下降等。
2.4 工艺流程模拟
工艺流程模拟如下：
2.4.1 压缩
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由分厂来的净化合成气压力为3.5MPa，温度为40℃，其CO的摩尔分数含量为0.282，经原料气压缩机升压至7.75MPa，温度预热到64.5℃，然后合成气与循环气相混合进入混合器，然后再经对流段的合成气和循环气经过换热器加热到230℃。此过程可简述为：合成气经合成气压缩机压缩，与循环气混合升压至7.75MPa后，首先经过合成塔进出气换热器加热。
2.4.2 合成
加热后的合成气与循环气进入合成塔，合成气进塔温度为230℃，在此，合成气进行甲醇合成反应，放出的热量用于产生蒸汽。反应后的气体出塔温度为260℃，甲醇出口浓度为55%左右。出合成塔的高温气体热量用于加热入塔合成气，然后经水冷至40℃左右，经气液分离器冷凝分离出粗甲醇。不凝的气体经驰放少量惰性气体后，大部分循环回合成气压缩机循环段，与新鲜气混合再进合成塔。弛放气大部分返回至一段炉作燃料使用。Lurgi反应器属等温型列管反应器，反应热靠管外沸腾的水很快移走，产生饱和蒸汽。该蒸汽降压后和转化工段产生的饱和蒸汽一起过热，作为合成压缩机驱动透平的动力，以及汽提塔的汽提
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