以20萬(wàn)噸/年甲醇合成設(shè)計(jì)為例

1合成工序工藝操作條件的確定

1.1操作溫度

甲醇合成催化床層的操作溫度主要是由催化劑的活性溫度區(qū)決定的。操作溫度的控制同樣是一個(gè)操作費(fèi)用的控制問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中，需要延長(zhǎng)催化劑的使用壽命，防止催化劑的迅速老化和活性衰減速度加快。一般而言，在催化劑的使用初期，反應(yīng)溫度維持較底的數(shù)值，隨著使用時(shí)間的增加，逐步提高反應(yīng)溫度。例如副產(chǎn)蒸汽型等溫甲醇合成塔采用國(guó)產(chǎn)銅系催化劑，使用前期，可控制床層零點(diǎn)溫度230～240℃，熱點(diǎn)溫度260℃左右；后期，可控制床層零點(diǎn)溫度260～270℃，熱點(diǎn)溫度290℃。設(shè)計(jì)采用的甲醇合成塔為列管式等溫反應(yīng)器，管間走的是沸騰水，可以副產(chǎn)蒸汽，床層內(nèi)溫差很小，接近最佳溫度操作曲線。設(shè)計(jì)中采用的甲醇合成催化劑為國(guó)產(chǎn)的銅系XCN-98，由它的性質(zhì)可知：適合使用的溫度范圍為200～290℃。

1.2操作壓力

壓力是甲醇合成反應(yīng)過(guò)程的重要工藝條件之一。甲醇合成反應(yīng)時(shí)分子數(shù)變少，因此增加壓力對(duì)反應(yīng)有利，由于壓力高，組分的分壓提高，因而催化劑的生產(chǎn)強(qiáng)度也提高。操作壓力的選用與催化劑的活性有關(guān)。早期的高壓法合成甲醇工藝采用的是鋅基催化劑，由于活性差，需要在高溫高壓下操作，其操作壓力為25～35Mpa，操作溫度350～420℃。至較高的壓力和溫度下，一氧化碳和氫生成甲烷、異丁醇等副產(chǎn)物，這些副反應(yīng)的反應(yīng)熱高于甲醇合成反應(yīng)，使床層溫度提高，副反應(yīng)加速，如果不及時(shí)控制，回造成溫度猛升而損壞催化劑。近年來(lái)普遍使用的銅基甲醇合成催化劑，其活性溫度范圍在200～300℃，有較高的活性，對(duì)于規(guī)模小于30萬(wàn)噸/a的工廠，操作壓力一般可降為5Mpa左右；對(duì)于超大型的甲醇裝置，為了減少設(shè)備尺寸，合成系統(tǒng)的操作壓力可以升至10Mpa左右。設(shè)采用的是低壓法（入塔壓強(qiáng)為5.14MPa）合成甲醇。

1.3氣體組成

對(duì)于甲醇合成原料氣，即合成工序的新鮮氣，應(yīng)維持f=（H₂-CO₂）/(CO+CO₂)=2.10～2.15，并保持一定的CO₂。由于新鮮氣中（H₂-CO₂）/(CO+CO₂)略大于2，而反應(yīng)過(guò)程中氫與一氧化碳、二氧化碳的化學(xué)計(jì)量比分別為2:1和3:1，因此循環(huán)氣中（H₂-CO₂）/(CO+CO₂)遠(yuǎn)大于2。合成塔中氫氣過(guò)量，對(duì)減少副反應(yīng)是有利的。甲醇合成過(guò)程中，需要一定的二氧化碳存在以保持催化劑的高活性。二氧化碳的存在可以降低反應(yīng)系統(tǒng)的熱效應(yīng)，這對(duì)維持床層溫度也是有利的。但是過(guò)高的二氧化碳含量會(huì)降低合成系統(tǒng)的生產(chǎn)能力、增加粗甲醇含水量、增加精餾系統(tǒng)的負(fù)荷和能耗。所以二氧化碳的含量應(yīng)該盡可能低一些，一般不超過(guò)5%。

1.4空速

空速不僅是一個(gè)和合成回路氣體循環(huán)量相關(guān)聯(lián)的工藝控制參數(shù)，也是一個(gè)影響綜合經(jīng)濟(jì)效益的變量。甲醇合成過(guò)程中，首先甲醇合成塔內(nèi)的氣體空速必須滿足催化劑的使用要求，國(guó)產(chǎn)銅基催化劑，一般要求氣體空速在8000～20000h^-1之間。空速過(guò)低，結(jié)炭等副反應(yīng)加劇，空速過(guò)高，系統(tǒng)阻力加大或合成系統(tǒng)投資加大，能耗增加，催化劑的更換周期縮短。空速的選擇需要根據(jù)每一種催化劑的特性，在一個(gè)相對(duì)較小的范圍內(nèi)變化。XCN-98的空速要求為6000～15000h^-1，本設(shè)計(jì)空速定為12000 h^-1。