天然气制甲醇装置工艺提升研究

崔利刚

（大庆油田化工有限公司生产运行部，黑龙江大庆 163453）

在研究天然气制甲醇装置中的工艺提升策略时，首先需要掌握其主要工艺，然后再以此为依据，结合此类装置的具体运行情况，提出具有针对性的工艺提升措施。通过这样的方式，才可以让天然气制甲醇工艺得到合理优化，满足此类装置的实际应用需求，促进天然气制甲醇工艺与相关行业在当今社会中的健康发展。

1 天然气制甲醇的主要工艺

在天然气制甲醇工艺中，主要通过镍触媒进行催化，让天然气与水蒸气发生化学反应，生成一氧化碳、二氧化碳以及氢气。该反应属于吸热反应[1]。一段炉的反应方程式如下：

纯氧二段炉的反应方程式如下：

在天然气合成反应中，主要将铜触媒用作催化媒介，在225℃高温条件下用一氧化碳、二氧化碳和氢气来合成粗甲醇。反应方程式为：

对于合成的粗甲醇，通过蒸馏法将其中的水、异丁基油和甲醚等杂质除去，便可实现精甲醇制备。

2 天然气制甲醇装置工艺的主要提升措施分析

2.1 水碳比的合理控制

水碳比就是转化炉中加入的水蒸气分子数和烃原子数比值。在具体的天然气制甲醇工艺中，通过水碳比的合理控制，可达到良好的工艺优化效果。在天然气制甲醇装置中，水碳比设计值需要达到一定范围。在该装置的正常运行过程中，从化学平衡角度来看，水碳比的提升将会对甲烷转化及吸碳抑制更加有利。但是在水碳比的提升中，装置内的蒸汽消耗量将进一步增加，由于多余的水蒸气存在，炉管内的温度也将进一步提升，从而增加装置能耗，提高炉管中的热负荷。基于此，在天然气制甲醇装置的具体运行中，为满足实际工艺需求，需要尽可能将水碳比降低。

比如，在某企业60万t/a 的天然气制甲醇装置运行中，将系统负荷控制在100%，装置中的气体组分、转化炉出口温度及其他各项参数保持不变，仅对水碳比进行调整，待水碳比稳定之后，对装置运行中的甲醇产量和装置能耗数据进行记录。表1为某企业天然气制甲醇装置的水碳比与甲醇产量、装置能耗之间的关系。

表1 某企业天然气制甲醇装置水碳比与甲醇产量、装置能耗之间的关系

通过以上数据分析可知，在满足装置运行设计标准的情况下，随着水碳比的降低，甲醇产量将逐渐提高，而甲醇的吨能耗则逐渐降低。由此可见，适当降低水碳比，将会使精甲醇产量和装置能耗得到合理优化，从而实现装置生产效益的进一步提升[2]。通常情况下，此类装置的水碳比需要根据催化剂实际应用情况以及炉管温度情况来合理确定，且一般需控制在2.60～3.00。

2.2 转化炉出口温度的合理控制

在天然气制甲醇生产过程中，转化炉出口温度也会对甲醇产量和装置能耗产生较为显著的影响。因此，在此类装置的工艺提升中，也需要对转化炉出口温度加以合理控制。

比如，在某企业60万t/a 的天然气制甲醇装置中，其转化炉属于顶烧形式的转化炉。相比较侧烧形式的转化炉，此种转化炉具有更高的效率，同时其管壁最高温度也更低，使用寿命更长。将内部隔热衬里安装到催化剂管顶部，使其顶部的法兰及法兰螺栓在运行中都保持在冷却状态，这样便可避免反复加固的情况，简化装置运维流程[3]。通过完全免维修秤锤管道支撑系统，可让转化炉出口总管位置的催化剂管直接向上膨胀。通过出口总管管口的直接柔性焊接来取代传统形式的出口猪尾管。通过出口总管尺寸以及耐热镍铬铁合金衬里的合理应用，可以为出口总管内部的检查提供更多便利。在这个顶烧形式的转化炉中，共设置了8排528根转化管和9排180个烧嘴。炉膛压力控制为-40 Pa。在正常运行工况下，转化炉的压力设计为2.6 MPa，温度设计为960℃，操作温度最大值也设计为960℃。装置中的气体组分、水碳比及其他各项参数保持不变，仅对转化炉出口温度进行调整，待转化炉出口温度稳定之后，对装置运行中的甲醇产量和装置能耗数据进行记录。表2为某企业天然气制甲醇装置转化炉出口温度与甲醇产量、装置能耗之间的关系。

表2 某企业天然气制甲醇装置转化炉出口温度与甲醇产量、装置能耗之间的关系

通过以上数据分析可知，在天然气制甲醇装置的运行过程中，随着转化炉出口温度的变化，精甲醇产量及装置能耗都会受到较大程度的影响。如果转化炉出口温度比较低，甲醇产量将比较低，且装置能耗相对较高。随着转化炉出口温度的不断升高，甲醇产量将会呈现出显著的提升趋势，且装置能耗随之降低。但是在能耗下降到了一定程度之后，其下降趋势将逐渐趋于平缓，最后将达到一个平稳状态。基于此，在天然气制甲醇装置的实际生产过程中，生产企业可在确保转化炉管壁温度不超过设计温度的情况下，适当将转化炉出口温度提升[4]。通过这样的方式，才可以有效提升甲醇产量，降低装置能耗，从而实现此类装置生产工艺效果的合理提升。

2.3 合成塔出口温度的合理控制

经天然气制甲醇反应原理分析可知，甲醇的合成是一氧化碳、二氧化碳及氢气在催化剂作用下发生反应，从而生成甲醇。这个化学反应属于一种强烈的放热反应，因此在该反应的进行过程中，操作温度将会对其灵敏度产生直接影响，只有使操作温度得到合理控制，整体合成反应中的甲醇产量及其装置能耗才能够得到合理优化。而要想达到这一目标，就需要对合成塔出口温度加以合理控制。

比如，在某企业60万t/a 的天然气制甲醇装置中，应用的合成塔为水冷列管形式。具体应用中，其合成塔的反应温度主要通过合成汽包压力、合成汽包灵敏度及合成汽包准确度等来加以控制。通过这样的方式，便可使其副反应得到合理控制，避免反应中形成羧基化合物及石蜡等副产物，同时也使其操作控制更容易实现。另外，该装置还可以对天然气制甲醇装置反应中的高位热能进行回收，经实践应用发现，该装置每生产1 t 甲醇便会产生1.0～1.4 t 的中压蒸汽，其压力为4.0 MPa。除此之外，该装置还具有压降小、开工方便和结构紧凑等优势。具体应用中，为延长催化剂的使用寿命，在催化剂的应用早期和中期，需要将合成塔出口温度尽量维持在一个较低的状态。在反应时间的不断延长中，工作人员可将装置中的各项工艺参数、甲醇产量及装置能耗等的变化情况作为依据，将催化剂床层中的反应温度逐渐提升。装置运行中，对于合成塔进口位置的温度，并不需要进行调节和控制，而对于合成塔出口位置的温度，具体控制中，则可采用合成汽包压力进行控制。经实践应用与分析发现，合成塔出口温度变化将会对甲醇产量和装置能耗情况产生较为显著的影响。将该天然气制甲醇装置系统的工作负荷控制在100%，装置中的气体组分、水碳比、转化炉出口温度及其他各项参数保持不变，仅对合成塔出口温度进行调整，待合成塔出口温度稳定之后，记录装置运行中的甲醇产量和装置能耗数据。表3为某企业天然气制甲醇装置合成塔出口温度与甲醇产量、装置能耗之间的关系。

表3 某企业天然气制甲醇装置合成塔出口温度与甲醇产量、装置能耗之间的关系

通过表3可知，在天然气制甲醇装置的合成反应中，合成塔出口温度会对装置中的甲醇产量及装置能耗情况产生直接影响。之所以会出现这样的情况，是因为天然气制甲醇反应温度会对反应装置内的混合物反应平衡温度及其反应速率产生重要影响。在该化学反应进行的过程中，随着反应温度的上升，分子的运动速度将加快，分子之间的有效碰撞也会进一步增加，在这样的情况下，分子对于化合阻力的克服能力也将随之增大，从而使分子有更多的机会实现有效结合，其反应速度也将由此加快。但是由于一氧化碳与二氧化碳、氢气合成甲醇反应属于可逆性的放热反应，随着反应温度的不断升高，其反应速率常数也会不断增加；但是反应中的平衡常数则会不断降低[5]。

3 结束语

为实现天然气制甲醇装置工艺的进一步提升，就需要结合其主要的工艺原理和工艺流程，对装置运行中甲醇产量和装置能耗方面的主要影响因素展开分析。然后再以此为依据，结合装置具体的运行情况，通过各类参数的控制与调整来进行工艺优化。