甲醇是一種重要的基礎化學品及燃料，既可以用于制備醋酸，二甲醚，醋酸甲酯等重要化學品，又可以與汽油復配構成機動車的燃料。同時還用作化工吸收過程的溶劑。隨著中國化工市場需求逐漸旺盛，國內年需求甲醇量約在800-1000萬噸左右。目前工業化生產甲醇的生產工藝多為將合成氣(H2/C0)在含銅鋅組份的催化劑的作用下，在固定床反應器中200-270°C，40-100個大氣壓下合成甲醇。由于該反應是強烈放熱反應，所以要求能夠方便地從反應器中移熱，以保持催化劑溫度恒定，且不被高溫燒壞。然而，在固定床反應器中，毫米級尺寸的催化劑被緊密堆積，不能移動，所以實質上與換熱器換熱的是流動的氣體。由于氣體傳熱系數低，傳熱能力有限，所以在固定床中經常出現熱點。比如平均溫度為250°C時，，熱點溫度可高達觀0-3201，高溫使局部的催化劑迅速失活。然后熱點隨著固定床的軸向移動，使各段的催化劑逐漸失活。為了抑制這種狀態，以往采用的工藝主要有兩種(1)減小反應器中的催化劑堆積量，增加換熱管的面積與根數，并且增大催化劑床層的孔隙；⑵采用大的H2/C0比例(如H2/C0 > 7-10)，通過氫氣較高的導熱系數，吸收部分熱能。但前者使反應器的結構復雜，在換熱管泄漏時維修不變，而后者使所生成的甲醇被稀釋。在反應器出口的甲醇濃度常為3%-7%，在甲醇與剩余的合成氣分離后，大量的合成氣需要循環，導致壓縮工段任務重，能耗高。國際上提出循環流化床進行甲醇合成的工藝，即利用流化床中固體湍動而具有非常高的換熱性能的原理，能夠方便地移熱，保持反應器溫度均勻，且保持大的氣體通過量與產量。但該工藝中氣速較高，一般需要大于固體顆粒的終端帶出速度。在這種情況下催化劑與換熱管的磨損都比較嚴重。同時，循環流化床中的截面固體濃度一般小于5%，造成該反應器的單位截面上的生產強度不太高。

目前甲醇合成主要以采用低壓甲醇合成技術為主，所用催化劑普 遍為CuO-ZnO-Al2O3催化劑。國內外甲醇合成催化劑的活性溫度區域普遍在190-310℃之間，國產催化劑的最佳使用溫度區間較窄， 一般在之220-270℃之間。甲醇合成反應是可逆的體積縮小的強放熱反應，提高反應溫度使反應速度加快，但不利于甲醇合成反應的正向進 行；反應溫度太高，副反應速度加快，選擇性降低，產物中的雜質量增加。理想的甲醇合成反應器應具備以下特點：

1、反應器催化劑床層溫度應能夠調節，控制手段靈活；

2、能夠在盡可能高的溫度下回收利用反應放出的熱量；

3、氣體在床層中分布均勻，壓力損失小；

4、反應器內高空間利用率高，催化劑裝卸方便。

5、反應器結構簡單，承壓器壁溫度低，便于制造、運輸、安裝和維修。

甲醇合成技術經過近百年的發展，從最初采用鋅鉻系催化劑的高壓法發展到采用銅鋅系催化劑的中低壓法，國內外研究和開發的甲醇反應器類型很多。在工業化裝置上應用最多的是氣相固定床反應器，主要有ICI低壓冷激反應器、Lurgi低壓管殼式等溫反應器、TEC雙層套管水冷管反應器、Davy徑向流反應器、Lurgi氣冷-水冷聯合反應器等。

（1）ICI冷激型甲醇合成反應器

英國ICI 公司在20世紀60年代研究開發的冷激型甲醇合成反應器首次采用了低壓法合成甲醇，合成壓力為5MPa，總壓降為0.5-0.6MPa。ICI冷激型甲醇反應器結構如下圖所示：

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該反應器為絕熱軸向流動反應器，催化劑分四段裝填于反應器內，在各段催化劑床層之間通過菱形分布系統引入溫度較低的冷激氣，控制各床層的反應溫度。該反應器結構簡單，便于制造和安裝。

（2）Lurgi低壓管殼式等溫反應器

20世紀70年代，德國魯奇公司研究開發了等溫型甲醇合成反應器，在催化劑床層內設水冷管，通過管內流動的水移走反應熱，使甲醇合成反應在近乎等溫的條件下進行。該反應器的操作壓力約為5MPa，溫度約為250℃，以下為結構簡圖：

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Lurgi低壓管殼式等溫反應器類似于立式管殼式廢熱鍋爐，合成氣從內裝催化劑的管內自上而下流動，管外圍下進上出的沸騰水，甲醇合成反應在管內進行，反應放出的熱量由管外沸水移走。合成反應器殼程的鍋爐水是自然循環的，可通過調節汽包壓力調節沸騰水的溫度，進而控制管內催化劑床層的溫度。

（3）TEC及Davy徑向流動甲醇合成反應器

反應器結構簡圖如下所示：

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該反應器是日本TEC公司開發的MRF-Z型甲醇合成反應器，由圓形殼體和一直徑較小類似于列管換熱器的內件組成，殼體有上下兩個封頭，下封頭可以拆卸，以裝填催化劑和進行檢修，安裝在殼體內的換熱器內件由外殼、換熱管束和中心管組成，催化劑裝填在換熱管外。換熱器外殼開有直徑小于催化劑顆粒的氣孔，原料氣進入反應器內件與外殼的環隙，通過換熱器內件外殼的氣孔由外向內徑向流經催化劑床層，在中心管匯合。為了使氣體均勻分布，在換熱器內管束間設置了等距離的折流擋板。MRF-Z型的冷卻管為雙層套管，鍋爐給水從內管導入，經內外管間的環隙流出。

Davy公司的甲醇合成反應器為徑向等溫反應器，反應器整體結構和MRF-Z類似。由殼體和換熱器內件構成，換熱器外殼為氣體分布器，換熱器內筒為氣體收集器，換熱管束為移熱元件。反應氣體由反應器殼體和內件件的環隙，通過氣體分布器徑向流經催化劑床層，在中心管匯集，氣體在催化劑床層的流路短，壓降小。鍋爐水由反應器底部通過分布器進入冷卻管中，從下向上流動，在上部通過集水管流出，反應熱由管內沸騰水帶走，可副產中壓蒸汽，催化劑床層溫度可通過調節沸騰水壓力控制。與魯奇等溫甲醇合成反應器不同，該反應器催化劑裝填在殼程，需設置大量的冷管才能維持足夠的傳熱面積以移走反應放出的熱，設備造價相對較高。

目前甲醇合成主要以采用低壓甲醇合成技術為主，所用催化劑普 遍為CuO-ZnO-Al2O3催化劑。

標簽：合成氣工業用反應器