甲醇合成和精馏生产技术

甲醇合成和精馏生产技术

第一节甲醇概述

一、甲醇的性质与用途

甲醇（分子式：CH3OH）又名木醇或木酒精，是一种透明、无色、易燃、有毒的液体，略带酒精味。熔点-97.8℃，沸点64.8℃，闪点12.22℃，自燃点为464℃，相对密度0.7915，爆炸极限下限6%，上限36.5%，能与水、乙醇、乙醚、苯、丙酮和大多数有机溶剂相混溶。甲醇是重要的有机化工原料和清洁液体燃料，是C1化工的基础产品。主要用于制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲脂等多种有机产品，也是农药、医药的重要原料之一。甲醇亦可代替汽油作燃料使用。

二、甲醇的生产方法

生产甲醇的方法有多种，早期用木材或木质素干馏法制甲醇的方法，今天在工业上已经被淘汰了。氯甲烷水解法也可以生产甲醇，但因水解法价格昂贵，没有得到工业上的应用。甲烷部分氧化法可以生产甲醇，这种制甲醇的方法工艺流程简单，建设投资节省，但是，这种氧化过程不易控制，常因深度氧化生成碳的氧化物和水，而使原料和产品受到很大损失，因此甲烷部分氧化法制甲醇的方法仍未实现工业化。

目前工业上主要由原料煤炭、液体原料石脑油和渣油、气体原料天然气和油田气或煤层气等首先经过部分氧化或蒸汽转化制得合成气（主要是CO和H2），再由合成气进一步转化制得甲

醇。典型的流程包括原料气制造、原料气净化、甲醇合成、粗甲醇精馏等工序。

天然气是制造甲醇的主要原料，主要组分是甲烷，还含有少量的其他烷烃、烯烃与氮气。以天然气生产甲醇原料气有蒸汽转化、催化部分氧化、非催化部分氧化等方法，其中蒸汽转化法应用得最广泛，它是在管式炉中常压或加压下进行的。由于反应吸热必须从外部供热以保持所要求的转化温度，一般是在管间燃烧某种燃料气来实现，转化用的蒸汽直接在装置上靠烟道气和转化气的热量制取。由于天然气蒸汽转化法制的合成气中，氢过量而一氧化碳与二氧化碳量不足，工业上解决这个问题的方法一是采用添加二氧化碳的蒸汽转化法，以达到合适的配比，二氧化碳可以外部供应，也可以由转化炉烟道气中回收。另一种方法是以天然气为原料的二段转化法，即在第一段转化中进行天然气的蒸汽转化，只有约1/4的甲烷进行反应；第二段进行天然气的部分氧化，不仅所得合成气配比合适而且由于第二段反应温度提高到800℃以上，残留的甲烷量可以减少，增加了合成甲醇的有效气体组分。天然气进入蒸汽转化炉前需进行净化处理清除有害杂质，要求净化后气体含硫量小于0.1ml/m3。转化后的气体经压缩去合成工段合成甲醇。

煤与焦炭是制造甲醇粗原料气的主要固体燃料。用煤和焦炭制甲醇的工艺路线包括燃料的气化、气体的脱硫、变换、脱碳及甲醇合成与精制。用蒸汽与氧气(或空气、富氧空气)对煤、焦炭

进行热加工称为固体燃料气化，气化所得可燃性气体通称煤气是制造甲醇的初始原料气。国内用煤与焦炭制甲醇的煤气化一般沿用固定床间歇气化法，煤气炉沿用UCJ炉。在国外对于煤的气化，目前已工业化的煤气化炉有柯柏斯-托切克(Koppers-Totzek)、鲁奇(Lurge)及温克勒(Winkler)三种。还有第二、第三代煤气化炉的炉型主要有德士古(Texaco)及谢尔-柯柏斯(Shell-Koppers)等。用煤和焦炭制得的粗原料气组分中氢碳比太低，故在气体脱硫后要经过变换工序。使过量的一氧化碳变换为氢气和二氧化碳，再经脱碳工序将过量的二氧化碳除去。原料气经过压缩、甲醇合成与精馏精制后制得甲醇。

工业上用油来制取甲醇的油品主要有两类：一类是石脑油，另一类是重油。目前用石脑油生产甲醇原料气的主要方法是加压蒸汽转化法。石脑油的加压蒸汽转化需在结构复杂的转化炉中进行。重油是石油炼制过程中的一种产品，以重油为原料制取甲醇原料气有部分氧化法与高温裂解法两种途径。裂解法需在1400℃以上的高温下，在蓄热炉中将重油裂解，虽然可以不用氧气，但设备复杂，操作麻烦，生成炭黑量多。重油部分氧化是指重质烃类和氧气进行燃烧反应，反应放热，使部分碳氢化合物发生热裂解，裂解产物进一步发生氧化、重整反应，最终得到以H2、CO 为主，及少量CO2、CH4的合成气供甲醇合成使用。与合成氨联合生产甲醇简称联醇，这是一种合成气的净化工艺，以替代我国不少合成氨生产用铜氨液脱除微量碳氧化物而开发的一种新工

艺。联醇生产的工艺条件是在压缩机五段出口与铜洗工序进口之间增加一套甲醇合成的装置，包括甲醇合成塔、循环机、水冷器、分离器和粗甲醇贮槽等有关设备，工艺流程是压缩机五段出口气体先进人甲醇合成塔，大部分原先要在铜洗工序除去的一氧化碳和二氧化碳在甲醇合成塔内与氢气反应生成甲醇，联产甲醇后进入铜洗工序的气体一氧化碳含量明显降低，减轻了铜洗负荷；同时变换工序的一氧化碳指标可适量放宽，降低了变换的蒸汽消耗，而且压缩机前几段气缸输送的一氧化碳成为有效气体，压缩机电耗降低。联产甲醇后能耗降低较明显，可使每吨氨节电50kw.h，节省蒸汽0.4t，折合能耗为200万kJ。联醇工艺流程必须重视原料气的精脱硫和精馏等工序，以保证甲醇催化剂使用寿命和甲醇产品质量。

第二节甲醇的合成原理

采用一氧化碳加压催化氢化法合成甲醇，在合成塔内主要发生的反应是：

CO+ 2H2CH3OH +102.5KJ/mol

此反应的特点：可逆、放热、体积缩小，需加催化剂。

副反应方程式：

CO2+ 3H2CH3OH +H2O+Q

2CO+ 4H2CH3OCH3+H2O +200.2KJ/mol

CO+ 3H2CH4+H2O +115.5KJ/mol

4CO+ 8H2C4H9OH+3H2O +49.62KJ/mol

CO2+ H2CO + H2O -42.9KJ/mol

nCO+ 2nH2(CH2)n+nH2O +Q

第三节低压法制甲醇工艺

甲醇合成装置的设备主要包括蒸汽透平（K-601）、循环气压缩机（C-601）、甲醇分离器（V-602）、精制水预热器（E-602）、中间换热器（E-601）、最终冷却器（E-603）、甲醇合成塔（R-601）、蒸汽包（F-601）以及开工喷射器（X-601）等。甲醇合成是强放热反应，进入催化剂层的合成原料气需先加热到反应温度（>210℃）才能反应，而低压甲醇合成催化剂（铜基触媒）又易过热失活(>280℃)，就必须将甲醇合成反应热及时移走，本反应系统将原料气加热和反应过程中移热结合，反应器和换热器结合连续移热，同时达到缩小设备体积和减少催化剂层温差的作用。低压合成甲醇的理想合成压力为4.8-5.5Mpa，在本仿真中，假定压力低于3.5MPa时反应即停止。

蒸汽驱动透平带动压缩机运转，提供循环气连续运转的动力，并同时往循环系统中补充H2和混合气（CO+H2），使合成反应能够连续进行。反应放出的大量热通过蒸汽包F-601移走，合成塔入口气在中间换热器E-601中被合成塔出口气预热至46℃后进入合成塔R-601，合成塔出口气由255℃依次经中间换热器E-601、精制水预热器E-602、最终冷却器E-603换热至40℃，与补加的H2混合后进入甲醇分离器F-602，分离出的粗甲醇送往