甲醇合成的工藝原理

    甲醇合成反應(yīng)是在催化劑上進(jìn)行的復(fù)雜的、可逆的化學(xué)反應(yīng)。
主反應(yīng)有：
   CO＋2H2→CH3OH＋102.5kj/mol
   CO2+3H2→CH3OH+H2O+59.6kj/mol
副反應(yīng)
  2CO+4H2→CH3OCH3+H2O+200.2kj/mol
  CO+3H2→CH4+H2O+115.6kj/mol
  4CO+8H2→C4H9OH+3H2O+49.62kj/mol
  CO2+H2→CO+H2O-42.9kj/mol
  nCO+2nH2→(CH2)n+nH2O+Q
    以氧化銅為基礎(chǔ)的三元低溫催化劑能有效地抑制副反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)加速主反應(yīng)的進(jìn)行。甲醇合成反應(yīng)是按下面五個(gè)過(guò)程進(jìn)行的。
    （一）擴(kuò)散——氣體自氣機(jī)擴(kuò)散到氣體和催化劑的界面。
    （二）吸附——各種氣體在催化劑的活性表面進(jìn)行化學(xué)吸附。
    （三）表面反應(yīng)——化學(xué)吸附的反應(yīng)物在活性表面上進(jìn)行反應(yīng)，生成產(chǎn)物。
    （四）解吸——反應(yīng)產(chǎn)物脫附。
    （五）擴(kuò)散——反應(yīng)產(chǎn)物氣體自催化劑界面擴(kuò)散到氣相去。
    以上五個(gè)過(guò)程，（一）、（五）進(jìn)行得最快；（二）、（四）進(jìn)行的速度比（三）快得多，因此整個(gè)反應(yīng)過(guò)程取決于第三個(gè)過(guò)程，即反應(yīng)物分子在催化劑的活性表面的反應(yīng)速度。
    對(duì)于甲醇合成反應(yīng)，從化學(xué)平衡看，分子比H2/CO＝2/1，但由于CO在催化劑的活性中心的吸附速率比H2要快得多。所要以達(dá)到吸附相中H2/CO＝2/1，就要使氣相中的H2過(guò)量一些。一般認(rèn)為在合成塔入口的H2/CO＝4～5較為合適，而且過(guò)量的氫可以減少副反應(yīng)以及降低催化劑的中毒程度。
    由于CO2生成甲醇較CO生成甲醇的熱效應(yīng)小，而且在合成甲醇過(guò)程中，變換反應(yīng)處于平衡狀態(tài)，溫度升高時(shí)將促進(jìn)吸熱的逆變換反應(yīng)，溫度降低將有利于放熱的變換反應(yīng)。因此CO2的存在，在一定程度上起到了保護(hù)催化劑的作用。但如果CO2含量過(guò)高，就會(huì)因其強(qiáng)吸附性而占據(jù)催化劑的活性中心，因此阻反應(yīng)的進(jìn)行。而且由于存在大量的CO2，使粗甲醇中的水含量增加，在精餾過(guò)程中增加能耗。一般認(rèn)為CO2在3%左右為宜。
    惰性氣體（如CH4、N2、Ar）存在于合成氣體中，降低了有效組分的分壓，使反應(yīng)速率降低，生成單位產(chǎn)品的能耗增大。所以惰性氣體的含量越低越好。
    從甲醇合成的化學(xué)平衡來(lái)看，溫度對(duì)低對(duì)提高甲醇的產(chǎn)率是有利的。但是，從反應(yīng)速度來(lái)看，提高反應(yīng)溫度能提高反應(yīng)速度。所以必須兼顧兩個(gè)條件，溫度過(guò)低達(dá)不到催化劑的活性溫度，則反應(yīng)不能進(jìn)行。溫度太高不僅增加了副反應(yīng)，消耗了原料氣，而且反應(yīng)過(guò)快，溫度難以控制，容易使催化劑衰老失活。隨著溫度逐漸增加，平衡常數(shù)逐漸降低，當(dāng)溫度達(dá)到一定數(shù)值，反應(yīng)速度達(dá)到最大，再繼續(xù)增加溫度，反應(yīng)速度下降。所以對(duì)于一定組成的反應(yīng)物，具有最大反應(yīng)速度的溫度。稱(chēng)為相應(yīng)這個(gè)組成的最佳溫度。最佳溫度與組成有關(guān)，當(dāng)甲醇含量低時(shí)，由于平衡影響較小，最佳溫度就高。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，甲醇含量升高，平衡影響增大，最佳溫度就低。
    甲醇合成反應(yīng)為分子數(shù)減少的反應(yīng)，因此增加壓力有利于反應(yīng)向甲醇生成方向移動(dòng)，使反應(yīng)速度提高，對(duì)甲醇合成反應(yīng)有利。
    當(dāng)甲醇合成反應(yīng)采用較低的空速時(shí)，氣體接觸催化劑的時(shí)間長(zhǎng)，反應(yīng)接近平衡，反應(yīng)物的單程轉(zhuǎn)化率高。由于單位時(shí)間通過(guò)的氣量小，總的產(chǎn)量仍然是低的。由于反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率高，單位甲醇合成所需要的循環(huán)量較少，所以氣體循環(huán)的動(dòng)力消耗小。如果采用大空速時(shí)與上面的情況剛好相反，而且如果空速過(guò)大催化劑床層溫度不易維持，對(duì)于催化劑XNC－98空速為7000～20000h－1較為有利。

                                                                                                                  (來(lái)源：中國(guó)慶華集團(tuán) 王瑗 整理)