甲醇合成的工艺过程分析与操作控制优化

何晓雨

摘 要：甲醇作为化工原料，具有成本低的优势，广泛运用于化工生产中，如甲醛和甲胺、苯二甲酸二甲酯的生产，在医药与农药等领域中得以全面应用。对此，若要实现甲醇快速合成、降低成本，则应以合成工艺分析、操作控制的层面，加大甲醇生产研究力度，以此实现其在各个领域的运用。

关键词：甲醇；合成工艺；操作控制

甲醇又称为木醇、木酒精等，作为饱和醇，分子式为CH3OH、分子质量为32.04。常温、常压状态下，甲醇是无色透明、易燃、乙醇气味的液体，遇明火可发生爆炸。但在化学、医学的角度，甲醇作为剧毒物，可通过皮肤、呼吸道与消化道侵入人体，发生血管中毒。

1 甲醇合成工艺流程分析

1.1 应用现状

基于我国矿产资源的富足，甲醇合成原料常以煤、天然气为主，通过单产、联产甲醇合成工艺，切实甲醇原料产出。而在此过程中，若煤作为甲醇合成原料，其合成工艺可分为催化技术和高压技术、纯气化工艺与水电解制氢工艺；若为天然气，则工艺为固定床气化、气流床气化、流化床气化工艺等。

1.2 合成流程

甲醇是化学物质，其物理特性如下：相對密度为0.7913g/cm3（d420）；熔沸点为-97.8℃、64.5℃-64.7℃；自燃点、冰点为473℃（空气状态下）、-96℃；燃烧热、生成热为25℃液体：727.038kJ/mol、238.798kJ/mol；25℃气体：742.738kJ/mol、201.385kJ/mol。

甲醇合成工艺条件的不同，决定其生产流程的差异。但无论何种原料、工艺，甲醇合成流程均可表述为生产-变换-净化-粗甲醇-精制等步骤，具体合成流程如图1所示。按照甲醇工艺条件的不同，将其合成方法分为高压法、中压法、低压法。虽然三者在甲醇合成流程方面相吻合，但在催化剂、操作条件等方面各有不同。即高压法以锌铬催化剂为主，操作压力与温度分别为30MPa、340℃-420℃；而中压法、低压法催化剂均为铜基催化剂，操作压力与温度分别为10MPa、5MPa；230℃-290℃、230℃-290℃。

1.3 合成反应

甲醇合成期间，因H2、CO等气体的参与，使其能够在不同催化剂、工作条件的环境下，发生甲醇合成反应与相关副反应，如醛类与酯类等。其中关于甲醇合成主反应如下：

CO+2H2=CH3OH、CO2+3H2=CH3OH+H2O

相关副反应，以醛类、酯类反应为例：

醛类：CO+H2=HCHO

酯类：CH3OH+CO=HCOOCH3

总之，甲醇合成作为气固催化反应，合成机理涉及扩散和吸附、化学反应、解吸与扩散5个步骤。其中扩散：经物理作用，实现H2、CO、CO2等气体扩散至催化剂表层；吸附：混合物于催化剂界面的化学吸附，如CO和CU2+；H2和Zn2+；化学反应：甲醇生成；解吸：甲醇、催化剂间的脱附；扩散：甲醇从催化剂界面的扩散。

1.4 合成催化剂

合成催化剂作为调整甲醇合成速率的物质，其在合成反应中，无化学变化，但可通过催化剂的使用，对甲醇合成副反应予以控制。常见合成催化剂为锌铬催化剂（又名高压催化剂）、铜基催化剂（低压催化剂），其物理性质如表1所示。

2 甲醇合成操作控制优化分析

若在甲醇合成环节，出现操作不当等问题，不仅会降低催化剂活性，还可引起甲醇精馏不过关，加大甲醇生产成本，甚至易造成安全事故的发生。对此，着重把控甲醇合成操作优化工作，势在必行。

2.1 参数优化

通过对甲醇合成工艺的分析，可知其参数指标为压力与合成速率、催化剂温度、循环比以及气体组合等。第一，压力优化。应以压力控制的层面，对甲醇合成参数予以优化，经实践表明，甲醇合成环节，压力提升1%，产率也提高1%或更高，即二者呈现正比例关联。第二，催化剂温度优化。催化剂温度也是制约甲醇合成率的关键参数，应在合成操作中对催化剂温度予以合理调节，切忌不可大幅度调整，否则会对甲醇正常合成状态产生威胁。

2.2 设备优化

若在甲醇合成操作控制优化中，若仅依据参数优化，则难以实现合成目标，还应通过设备优化的方式，保证甲醇合成装置各项指标和合成工艺标准相一致。针对此，在进行设备优化中，特别关注反应器温度，倘若其出口温度相对较低，则甲醇合成压强差相对较大，则易引起差压问题，造成設备能耗的增加。

3 结束语

总结上文，甲醇是化学物质基础，不仅可实现醇类反应，还可发生甲基化反应，于化工和轻纺、医药与国防等领域中均得到广泛应用，使其能够在工业生产、化工生产中实现性能的全面发挥，如在HCHO（甲醛）、MTBE（甲基叔丁基醚）、CH3COOH（醋酸）中对甲醇的运用。

参考文献：

[1]陈强.甲醇合成的工艺过程分析与操作控制优化问题探讨[J].工程技术：全文版，2016（10）：00208-00208.