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在反应压力8MPa、反应温度200～260℃、体积空速5500～11000h-1、原料气体积组成范围:CO 0.06～0.13、CO2 0.02～0.16、H2 0.64～0.75、其余为N2的条件下,在直流等温积分反应器中对粒度为0.154～0.198 mm的C307甲醇合成催化剂的本征动力学进行了研究,获得了以各组分逸度表示的Langmuir-Hinshelwood型本征动力学方程：
应用本征动力学方程模拟计算和分析了操作条件对甲醇合成反应的影响,结果表明,在实验所用催化剂条件下,甲醇合成反应的最佳温度点在230℃和245℃之间,CO、CO2及总碳的转化随反应压力的升高而增加,空速的增加会造成CO、CO2及总碳的转化率下降。
建立了甲醇合成平行反应的关键组分扩散-反应模型。利用数值积分打靶法计算了催化剂内CO和CO2的内扩散效率因子,在无梯度反应器中实验测定了宏观反应速率数据,对扩散-反应模型进行了检验。结果表明,CO和CO2的内扩散效率因子的模型计算值与实验计算值的相对误差在4％以内,扩散-反应模型可以用于计算8MPa下的内扩散效率因子。
模拟计算了催化剂颗粒的大小对内扩散效率因子的影响以及操作条件对内扩散效率因子的影响。结果表明,随催化剂粒径的减小,CO和CO2的内扩散效率因子增加。随反应温度的增加,CO和CP2的内扩散效率因子减小。随反应压力的增加,CO和CO2的内扩散效率因子增大。年产120万吨甲醇大型反应器由两台水冷式反应器并联后与一台气冷式反应器串联组成。建立了气冷-水冷串联式大型甲醇合成反应器的一维拟均相数学模型,模拟计算了气冷-水冷串联式反应器中各反应器的轴向温度及组分浓度分布,考察了操作条件对反应系统性能的影响。结果表明,水冷式反应器合成气入口温度对甲醇产量的影响不大,但是适当的水冷式反应器的入口温度会使床层温度分布合理。控制水冷式反应器床层温度,调节沸腾水压力是最有效的措施。增加操作压力有利于提高甲醇产量。