年产20万吨煤制甲醇生产工艺初步设计
移走，否则易使催化剂温升过高，不仅会导致副反应 (主要是高级醇的生成)增加，而且会使催化剂因发生熔结现象使活性下降。尤其是使用铜基催化剂时，由于其热稳定性较差，严格控制反应温度显得极其重要。
2．反应压力
一氧化碳加氢合成甲醇的主反应与副反应相比，是摩尔数减少最多、而平衡常数最小的反应，因此增加压力对提高甲醇的平衡浓度和加快主反应速率都是有利的。在铜基催化剂作用下，当空速为300Oh－1时，不同压力下甲醇生成量的关系如图11.3.1所示
由图可以看出，反应压力越高，甲醇生成量越多。但是增加压力要消耗能量，而且还受设备强度限制，因此需要综合各项因素确定合理的操作压力。用ZnO- Cr203催化剂时，反应温度高，由于受平衡限制，必须采用高压，以提高其推动力。而采用铜基催化剂时，由于其活性高，反应温度较低，反应压力也可相应降至5～lOMPa。在生产规模大时，压力太低也会影响经济效果，一般采用10MPa左右，较为适宜。
3．原料气组成
甲醇合成反应原料气的化学计量比为H2:CO=2:1。一氧化碳含量高，不仅对温度控制不利，而且也会引起羰基铁在催化剂上的积聚，使催化剂失去活性，故一般采用氢过量。氢过量可以抑制高级醇、高级烃和还原性物质的生成，提高粗甲醇的浓度和纯度。同时，过量的氢可以起到稀释作用，且因氢的导热性能好，有利于防止局部过热和控制整个催化剂床层的温度。
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原料气中氢气和一氧化碳的比例对一氧化碳生成甲醇的转化率也有较大影响，其影响关系如图11.3.2所示。
从图中可以看出，增加氢的浓度，可以提高一氧化碳的转化率。但是，氢过量太多会降低反应设备的生产能力。工业生产上采用铜基催化剂的低压法甲醇合成，一般控制氢气与一氧化碳的摩尔比为 (2.2～3.0):1。
由于二氧化碳的比热容较一氧化碳为高，其加氢反应热效应却较小，故原料气中有一定二氧化碳含量时，可以降低反应峰值温度。对于低压法合成甲醇，二氧化碳含量体积分数为5％时甲醇收率最好。此外，二氧化碳的存在也可抑制二甲醚的生成。
原料气中有氮及甲烷等惰性物存在时，使氢气及一氧化碳的分压降低，导致反应转化率下降。由于合成甲醇空速大，接触时间短，单程转化率低，只有10%～15%，因此反应气体中仍含有大量未转化的氢气及一氧化碳，必须循环利用。为了避免惰性气体的积累，必须将部分循环气从反应系统中排出，以使反应系统中惰性气体含量保持在一定浓度范围。工业生产上一般控制循环气量为新鲜原料气量的3.5～6倍。
4．空间速率
空间速率大小影响甲醇合成反应的选择性和转化率。表11.3.1列出了在铜基催化剂上转化率、生产能力随空间速度变化的实际数据。
表11-6 铜基催化剂上空间速度与转化率、生产能力的关系
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空间速度/h-1 CO转化率/% 生产能力/〔m3/m3催化剂·h〕 20000 30000 50.1 41.5 25.8 26.1 从表中数据可以看出，增加空速在一定程度上意味着增加甲醇产量。另外，增加空速有利于反应热的移出，防止催化剂过热。但空速太高，转化率降低，导致循环气量增加，从而增加能量消耗。同时，空速过高会增加分离设备和换热设备负荷，引起甲醇分离效果降低；甚至由于带出热量太多，造成合成塔内的触媒温度难以控制正常。适宜的空间速度与催化剂的活性、反应温度及进塔气体的组成有关。采用铜基催化剂的低压法甲醇合成，工业生产上一般控制空速为10000～200OO h-1。本设计空速定位12000 h-1
2.4甲醇合成工艺流程
甲醇合成的典型工艺主要是：低压工艺（ICI低压工艺、Lurgi低压工艺）、中压工艺、高压工艺。甲醇合成工艺中最重要的工序是甲醇的合成，其关键技术是合成甲醇催化剂的和反应器，设计采用用的是低压合成工艺
低压法甲醇合成的工艺流程如图11-4所示：
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图11-4 低压法甲醇合成的工艺流程
l—加热炉；2—转化器；3—废热锅炉；4—加热器；5—脱硫器；6，12，17，21，24—水冷器；7—气液分离器；8—合成气压缩机；9—循环气压缩机；10—甲醇合成塔；11，15—热交换器；13—甲醇分离器；14—粗甲醇 中间槽；16—脱轻组分塔；18—分离器；19，22—再沸器；20—甲醇精馏塔；23—CO2吸收塔
这是目前各生产厂家普遍采用的工艺流程。由制气、净化、压缩与合成、精制四大部分组成，此处主要讨论压缩、合成、精制部分。
利用天然气或煤转化后得到的（H2+CO）合成气，经换热脱硫 ，脱硫后的合成气含硫不超过0.5ppm，经水冷却，分离出冷凝水后进人合成压缩机 (三段)，压缩至压力略低于5Mpa，与循环气混合后在循环气压缩机中增压至5MPa,进人合成反应器，在催化床层中进行合成反应。合成反应器为冷激式绝热反应器，催化剂为铜基催化剂，操作压
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力为5 MPa，操作温度513～543K。由反应器出来的的气体含甲醇6-8%，经热交换器11与合成气热交换后进入水冷器12，使产物甲醇冷凝，然后在甲醇分离器13中将液态的甲醇与气体分离，再经闪蒸除去溶解的气体，得到反应产物粗甲醇送精制。甲醇分离器分出的气体含大量的氢和一氧化碳，返回循环气压缩机循环使用。为防止惰性气体积累，将部分循环气放空。
粗甲醇中除含甲醇外，还含有两大类杂质。一类是溶于其中的气体和易挥发的轻组分，如氢气、一氧化碳、二氧化碳、二甲醚、乙醛、丙酮、甲酸甲酯和羰基铁等；另一类是难挥发的重组分，如乙醇、高级醇、水等。可用两个塔予以精馏。
粗甲醇首先进入脱轻组分塔，塔顶分出轻组分，经冷凝后回收其中所含甲醇，不凝气放空。此塔一般为板式塔，约为40～50块塔板。塔釜液进入甲醇精馏塔，塔顶采出产品甲醇，重组分乙醇、高级醇等杂醇油在塔的加料板下6～14块板处侧线气相采出，水由塔釜分出，经回收余热后送废水处理。甲醇精馏塔为60～70块塔板。
由于低压法合成的甲醇杂质含量少，净化比较容易，利用双塔精制流程，便可以获得纯度(质量分数)高达99.85的精制产品甲醇。
2.5甲醇合成反应器
甲醇合成反应器实际是甲醇合成系统中最重要的设备。从操作结构，材料及维修等方面考虑，甲醇合成反应器应具有以下要求：
（1）催化剂床层温度易于控制，调节灵活，能有效移走反应热，并能以较高位能回收反应热；
（2）反应器内部结构合理，能保证气体均匀通过催化剂床层，阻力小，气体处理量大，合成转化率高，催化剂生产强度大；
（3）结构紧凑，尽可能多填装催化剂，提高高压空间利用率；高压容器及内件间无渗漏；催化剂装御方便；制造安装及维修容易。
合成甲醇反应是一个强防热过程。根据反应热移出方式不同，可分为绝热式和等温式两大类；按照冷却方式不同，可分为直接冷却的冷激式和间接冷却的列管式两大类。
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