CN101959586A - 制备甲醇的反应器 - Google Patents

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Abstract

改进设计的催化反应器，其用于在平衡条件下生产甲醇，由此在甲醇形成时将它从该反应器中的气态相中分离到液体相中，而不降低甲醇催化剂的催化活性。这是如下来实现的：调整与催化剂粒子间接接触的液体冷却剂的沸点和提供特定比例的催化剂床体积与冷却表面积。由此，当甲醇在气态相中形成时，将它在均匀分布在反应器中的排列的冷却表面上和在催化剂床的非常有限的区域中进行冷凝。

Description

制备甲醇的反应器
发明领域
本发明涉及通过在甲醇合成催化剂的存在下转化含有氢气，一氧化碳和二氧化碳的合成气，来工业生产甲醇。
本发明具体涉及一种反应器，其能够改进甲醇反应平衡条件，并由此在甲醇从合成气中形成时，通过原位分离甲醇来减少或者取消合成气再循环。
发明背景
甲醇的制备是基于下面的三个平衡反应：
(1)CO+2H2＜＝＞CH3OH
(2)CO2+3H2＜＝＞CH3OH+H2O
(3)CO+H2O＜＝＞CO2+H2
由于平衡，仅仅一部分的合成气被转化成为甲醇，而将其余部分的合成气再循环。甲醇从合成气中的原位分离公开在US专利No.4731387中。在气固滴流反应器中，通过吸收材料除去甲醇，并由此改善平衡条件。在已经通过反应器之后，将甲醇从该吸收材料上解吸，并将该吸收材料再循环向反应器入口。这样的系统的缺点在于该系统的复杂性，其导致了操作困难和更高的投资成本。
克服平衡局限的另外一种方式公开在US专利No.5262443中，这里该催化反应器运行在这样的温度和压力，在其中一部分所产生的甲醇在催化床中冷凝。通过应用该发明，能够减少或者消除昂贵的合成气再循环。但是，以这种方式运行时存在着两个缺点。
为了在气体露点之下运行，催化剂的温度必须降低到催化反应的最佳温度之下。该较低的温度产生了较低的活性，这提高了必需的催化剂体积和反应器成本。
第二个问题涉及甲醇在多孔催化剂中的冷凝。合成气必须扩散到催化剂内部，通过该孔体系来引发催化反应。如果该孔填充有甲醇，则扩散速率和催化活性会明显降低。
这两个问题使得催化剂活性比在常规的甲醇合成方法中所获的活性低了几倍。作为该活性降低的后果，冷凝反应器必须增大尺寸，这导致该反应器比常规的具有合成气再循环的反应器更昂贵。
发明内容
本发明一般性地提供了改进设计的催化方法和反应器，其用于在平衡条件下生产甲醇，由此在甲醇形成时将它从反应器中的气态相中分离到液体相中，而不降低甲醇催化剂的催化活性。这是如下来实现的：调整与催化剂粒子间接接触的液体冷却剂的沸点或者温度和提供催化剂床体积与冷却表面积之间特定的比例。由此，当甲醇在气态相中形成时，将它在均匀排列分布在反应器中的冷却表面上进行冷凝。
更具体的，本发明是一种根据权利要求1-3的用于生产甲醇的反应器。
该反应器的一种具体的实施方案定义在权利要求4中。
本发明提供了根据权利要求5-7的另外一种生产甲醇的方法。
本发明的具体实施方案将从本发明的具体实施方式中变得显而易见。
具体实施方式
通常，本发明所用的反应器的类型是不太重要的。所需温度或者沸点的液体冷却剂将与任何的反应器类型是同等重要的，并且在修正了不同的几何形状之后，催化剂体积比冷却表面积也是同等重要的。
液体冷却剂的“温度”是这样的平均温度，其定义为在接受一半的总传递热之后的冷却剂的温度。对于蒸气上升类型的反应器来说，平均温度将接近于该液体冷却剂的气泡点温度。
最有用的甲醇反应器是蒸气上升类型的反应器。三种主要的蒸气上升甲醇反应器类型是：
反应器类型1，这里合成气在催化床顶部进入，并且该催化剂床被液体冷却剂间接的包围，合成气和冷凝的液体甲醇同向向下移动。这样的反应器的一个例子表示在附图8中。
反应器类型2，这里合成气在催化床顶部进入，并且液体冷却剂间接的被催化剂床包围着，合成气和冷凝的液体同向向下移动。这样的反应器的一个例子表示在附图9中。
反应器类型3，这里合成气垂直于圆柱形反应器轴进入，并且液体冷却剂间接的被催化剂床包围着，合成气和冷凝的液体甲醇以放射状方式通过反应器。这样的反应器的一个例子表示在附图11中。
此处和下面所述的术语“间接包围着”指的是公知的间接热交换原理，其中冷却剂或者加热剂是与另外一种流体间接热接触的，该另外一种流体是通过传热表面与该冷却/加热剂隔开的，该传热表面处于例如热交换器的管或板壁的形式。
为了获得在甲醇在催化剂床中形成时，在冷却表面上充分冷凝甲醇，根据本发明，必须满足两个矛盾的措施：
1.为了在催化剂床中具有足够高的温度，热通量必须小。这可以通过降低冷却面积或者提高冷却剂温度来实现。
2.足够高的温度需要高的热产生或者高的反应速率。如果甲醇合成气处于与甲醇的热力学平衡状态，则该催化反应将静止，并因此将不产生热。因此必需确保所产生的甲醇以高的速率传送到冷却表面。这可以通过增大冷却面积或者降低液体冷却剂的温度来实现。
根据本发明，通过调整催化剂体积和冷却表面积之间的比例来避免冷凝，同时使用下面详细描述的特定温度的液体冷却剂，而保持了高的催化活性。
将在催化剂床中所产生的甲醇的传输路径的长度调整为这样的长度，在该长度时催化床中的甲醇浓度是合适的低的，这样反应热升高到这样的温度，在这里它补偿了通过相同的传输长度所除去的热量。同时保证了冷却表面的温度(该温度足够低来进行冷凝)和催化床温度(该温度足够高来避免在催化剂上的冷凝和保持高的反应速率)。
这种效应可以在特定温度的冷却表面上实现。需要从反应器上除去的热处于这样的量级，即，对于任何实际的原因来说，它可以仅仅通过蒸发热或者通过液体冷却剂的热交换来除去。冷却区域的表面温度接近于该液体冷却剂的温度。
为了避免甲醇在催化剂床中的冷凝，所产生的热必须足够高，来补偿在冷却区域上，通过提高催化剂体积与冷却表面积的比例所除去的热，并且该催化剂体积与冷却表面积的比例必须足以将所产生的甲醇蒸气传输到该冷却表面。
优选的是基本减少或者避免液体甲醇的重新夹带。液体的重新夹带可以通过减少在冷却表面上向下流动的原料甲醇的流阻来避免，这是通过使用例如当量直径大于0.002m的催化剂粒子和/或依靠液体膜稳定剂来避免的，如图1-7所示。
液体甲醇重新夹带到催化剂床中还可以通过将加热区域引入到反应器中，将催化剂床的温度保持在甲醇的露点之上来避免。该加热区域还在这样的情况中将催化剂温度保持在露点之上，即，在这里所产生的热足以将催化剂温度保持在露点以上。就冷却区域来说，该加热区域应当均匀的分布在催化剂床中，目的是在该床中获得强制的温度梯度。因为与反应器出口侧相比，在反应器合成气入口处所产生的热更高，因此该加热区域可以冷却在反应器的入口区域，并且在反应器出口区域中仅仅加热该催化剂床。优选的是将冷却剂以与合成气同向流动的方向引入。由此，反应器的出口区域可以通过来自入口区域的多余的热来重新加热。用于该加热区域的加热剂优选是锅炉供水，蒸气或者它们的混合物。该加热剂的压力优选是大约2.3MPa-大约6.4MPa。
本发明的方法和反应器的主要优点是在反应器中甲醇合成气高的转化率，这是通过在冷却表面上，通过冷凝从气态相中将所形成的甲醇连续的除去到液体相中来获得的。因此，该甲醇方法可以一次通过性模式中进行，而无需再循环未转化的合成气。
与常规的沸水甲醇反应器相比，本发明的优点是增加的蒸气产生，因为冷凝热在反应器中被用于产生蒸气，这里该冷凝热典型的是在随后的水冷却的冷凝器中被除去的。如果通过加热锅炉供水来除去反应热，则该锅炉供水随后可以通过所形成的蒸气在外部闪蒸鼓中的闪蒸来冷却。
如同常规的甲醇方法一样，形成了一些副产物，在它们中是丙酮和甲乙酮，其难以通过蒸馏除去。因为氢化反应是非常快的，因此该酮类在给定温度的反应器中将处于热力学平衡状态。该酮类主要溶解在冷却表面上冷凝的原料甲醇中，在这里热力学平衡更有利于将该酮类转化为相应的醇类。这导致了与常规运行的甲醇反应器相比，在所产生的甲醇中含有更低的酮。
上述加工参数和反应器设计和尺寸可以依靠下面的等式(等式1-等式3)和预定值来计算：
P[MPa]是在反应器入口处的合成气的绝对压力；
MW[kg/kmol]是在反应器入口的合成气的平均分子量；
Y(x)[摩尔分数]是在反应器入口的每个组分的浓度；
因此
等式1：H＝E*Exp(-3978/(TBW[℃]+273)+12.3)*(1+3978*E*(220-TBW[℃])/((TBW[℃]+273)2))/(D*P*9.87)；
这里：
TBW是该冷却剂的平均温度，该平均温度定义为在接受了一半的总传递热之后的冷却剂温度。
M＝(Y(H2)-Y(CO2))/(Y(CO)+Y(CO2))；(入口气体模值)
A＝1.0-Y(CO)-Y(H2)-Y(CO2)-Y(CH3OH)-Y(H2O)；(惰性物质分数)
B＝Y(CO)/Y(CO2)；(CO与CO2的比例)
如果M小于2.0，则C＝1.0，否则C＝Exp(0.2*(M-2.0))；
(Exp是自然逆对数或者指数函数，基数是2.71828)
D＝(0.072*Ln(B)+0.244)*C*(1.125-2.5*A)*0.478+P/25.2)；
LN是自然对数，基数是2.71828)。
E＝Exp((P-13.2)/30.1)；
已经计算了该液体冷却剂的平均温度之后，催化剂体积与冷却表面积的比例可以通过等式2，使用设计值L来计算，其具有0.4-5的值：
等式2：
VCAT/ACOOL[m3/m2]＝K*L*((G*DEQ[m]*(220-TBW))0.5)
这里：
如果M是大于2.0，则J＝(Y(CO)+Y(CO2))，否则J＝Y(H2)*(B+1)/(2*B+3)；
G＝MW-Y(CH3OH)*32-15.5*J)/((1-D)*29*J)；
K是几何常数，取决于所使用的上述反应器类型1-3：
反应器类型1：K＝0.027；
反应器类型2：K＝0.045；
反应器类型3：K＝0.02；
并且这里：
DEQ[m]是催化剂粒子的当量直径，其是作为与该催化剂粒子相同体积的球体的直径来计算的，DEQ＝(6*(粒子体积[m3])/3.14)0.33)。如果使用大于一种的粒子尺寸，则重均当量直径计算为DEQ＝(∑w(i)*(DEQ(i))3)0.33，这里w(i)是当量直径为DEQ(i)[m]的催化剂粒子的重量分数。
VCAT[m3]是反应器中催化剂的沉降总体积(bulk volume)；和
ACOOL[m2]是甲醇在其上发生冷凝的冷却表面的传热面积。
对于反应器类型1来说，ACOOL是催化剂管的总内面积。如果该催化剂管具有纵向内翅，则ACOOL是被该翅状管所包围的最大圆柱体的外部面积。
对于反应器类型2和3来说，ACOOL是该冷却管的总外部面积，该冷却管含有平均温度为TBW的液体冷却剂。如果该催化剂管具有纵向翅，则ACOOL是包围着该翅状管的最小圆柱体的外部面积。
如果使用平板热交换器，则ACOOL是包围着该热交换板的最小矩形的总外部面积。
如果发生液体重新夹带到催化剂床中或者如果反应热产生过低而不能将催化剂保持高于甲醇露点，则优选的是将第二加热区域AREHEAT[m2]引入到前面所定义的反应器类型2和3中。该第二加热区域将确保催化剂温度保持在甲醇的露点之上。在该加热区域中所用的加热剂可以是锅炉供水，蒸气或者它们的混合物，该液体介质的沸点是220℃-280℃，或者蒸气的露点是220℃-280℃。
附图说明
图1A和1B表示了用于本发明中的金属丝网内部件装置。液体冷却介质1处于钢管2的外面。冷却管在它的内壁上具有与该壁隔开的圆柱体丝网3(细部A)。管2支持着固定催化剂床4。甲醇冷凝物膜5在床4内部的气态相冷凝物中，作为在内管壁上的膜而产生，并且在该内壁和金属细丝网之间向下流动。该排列可以以这样的方式反转，即，使得冷却剂处于所述管内，金属细丝网圆柱处于该管外面，催化剂床处于该金属细丝网圆柱外面。
图2是本发明所用的钢螺旋体内部件装置。液体冷却剂1处于钢管2外面。钢螺旋体3排列在支持固定催化剂床4的管2中。甲醇冷凝物膜5在该螺旋体的下侧上向下流动。
图3表示了本发明所用的钢螺旋线内部件装置。液体冷却剂1在钢管2的外面流动。钢螺旋线3排列在固定催化剂床4中。甲醇冷凝物膜5在内壁管2上向下流动，并且由于离心力而被驱使向壁2，该离心力是通过合成气在管2的轴向上通过的受迫转动而产生的。管2可以装备有两个螺旋线3，每个螺旋体彼此180°布置。
图4A和4B表示本发明所用的多孔纤维内部件装置。液体冷却剂包围着冷却管2，管2在管2内壁上装备有机织纤维圆柱体3或者陶瓷粘合纤维毡圆柱体。固定催化剂床4排列在管2中。甲醇冷凝物膜5在该多孔纤维内部件装置内部向下流动。该排列可以以这样的方式反转，即，冷却剂处于管2内部，并且装置3处于该管之外，催化剂床4处于装置3之外。
图5是本发明所用的内部带翅的催化剂管2的横截面图。液体冷却剂1处于纵向带翅的钢管2之外，这里内翅的数目优选大于3.14乘以名义内管直径，除以催化剂粒子的当量直径。该内翅将在钢壁和催化剂床之间产生空间，使得甲醇冷凝物以较小的阻力向下流动。固定催化剂床3排列在该管内部，并且甲醇冷凝物膜4在内管壁和催化剂床4之间向下流动。
图6是本发明所用的外部带翅的冷却管的横截面图。液体冷却剂1处于纵向带翅的钢管2之外，这里该外翅的数目优选大于3.14乘以名义外管直径，除以催化剂粒子的当量直径。该外翅将在钢壁和催化剂床之间产生空间，使得甲醇冷凝物膜4以较小的阻力在内管壁上流动。
图7是用作本发明冷却区域的波纹板热交换器。液体冷却剂1通过入口1a引入，其以气态形式2通过出口2a离开该热交换器。固定催化剂床3包围着该平板交换器。该热交换器具有正弦曲线波纹表面4，其在催化剂粒子和热交换器表面之间提供了空间，使得冷凝的甲醇5以较小的阻力在该表面上流动。该正弦曲线波纹的波长小于催化剂的当量直径。
图8表示了根据本发明一种具体实施方案的多管式甲醇反应器的纵视图。该反应器在它的压力壳14中具有合成气入口1，检修孔2，液体冷却剂入口4，冷却介质的液体-蒸气混合物出口5，未转化的合成气和液体原料甲醇的出口9和液体鹤管(liquid train)12。在反应器顶部部分3处，上部管片6，顶部部分3可以任选的部分填充有催化剂。在该反应器的出口区域中是下部管片7，惰性球的支撑床8和穿孔的支撑栅格11(其支持该惰性床)。多个管13填充有甲醇催化剂，这些管每个可以带有上述的液体稳定装置。该管是三角形倾斜排列的。在该管内形成的甲醇在该用冷却剂冷却的管的内壁上冷凝的，并且向下流向出口9。
图9是根据本发明一种具体实施方案的甲醇反应器的纵视图，具有催化床8和排列在该催化剂床中的管式热交换器11。甲醇合成气通过入口1引入，并且通过催化剂床8。液体冷却剂经由入口集管4引入管式热交换器11中，并且以蒸气-液体混合物的形式从出口集管5抽出。在该反应器的底部，穿孔的支撑栅格6支持着惰性球的支撑床9。大部分的催化剂位于热交换器11之间，该热交换器11由多个管，在外表面上的具有液体膜稳定剂的管，纵向带翅管或者波纹热交换板组成。当甲醇在催化剂床中形成时，该甲醇在热交换器11的表面上冷凝，并且在液体相中由出口10中抽出。
图10是根据本发明一种具体实施方案的甲醇反应器的纵视图，该反应器具有甲醇催化剂8的固定床。在床8中安装有管式热交换器11形式的冷却表面和管式热交换器15形式的加热表面。在该反应器的底部，穿孔的支撑栅格6支持着惰性球的支撑床9。甲醇合成气经由入口1引入床8中。加热剂经由入口集管13引入热交换器15中，并且通过出口集管14抽空。液体冷却剂经由入口集管4引入到热交换器11中，并且通过出口集管5抽出。在床8中形成的甲醇在热交换器11的冷却表面上冷凝，并且在液相中经由出口10从该反应器中抽出。热交换器11的冷却表面由多个管，在外表面上的具有液体膜稳定剂的管，纵向带翅管或者波纹热交换板(原料甲醇在这里冷凝)组成。热交换器15将催化剂床的温度保持在所形成的甲醇的露点之上，并且由多个管或者热交换板组成。
图11是根据本发明一种具体实施方案的径向流动甲醇反应器的截面图。甲醇合成气经由入口1引入该反应器中。该合成气在径向上穿过该催化剂床14，该径向是从该反应器的外周通过圆柱形多孔转筒7，该转筒支撑催化剂床，并且使得入口合成气通向穿孔的中心管6，在这里与催化剂接触来使得所形成的残留的合成气和液体原料甲醇通过出口13抽出。排列在催化剂床14中的热交换器9形式的冷却表面是由多个管，在外表面上的具有液体膜稳定剂的管，纵向带翅管或者波纹热交换板组成。将液体冷却剂经由入口4引入到热交换器中，并且通过出口5抽出。该冷却剂是通过环形集管10分布到热交换器上的，并且在出口处通过出口集管11从热交换器上收集。
图12表示了根据本发明的一种制备甲醇的工艺流程图。甲醇合成气1是压缩机压缩的合成气，并且通向在今天的工业中典型使用的常规的多管式沸水反应器5。将来自反应器5的含有甲醇和未转化的合成气的流出物通向分离器9，并且分离成富含合成气的流10和富含甲醇的流17。将流10引入根据本发明设计的甲醇反应器11中。将沸点为60℃-160℃的冷却剂经由入口13引入到反应器11中，并且从出口12抽出。将加热剂通过入口18引入，并且通过出口19抽出。将来自反应器11的含有液体甲醇和未转化的合成气的流出物通向分离器15，并且分离成合成气流16和液体甲醇流20，其与来自反应器9的甲醇流在管线17中合并。
实施例
根据本发明的一种实施方案，用于上述类型1的方法和反应器的反应器设计和加工条件是依靠下面的等式，基于预定的值来确定的：
在合成气入口的反应器压力P＝12.55MPa；
在反应器入口的合成气分子量MW＝18.89kg/kmol：
在反应器入口的合成气组成：Y(CH3OH)＝0.255；Y(H2)＝0.438；Y(CO)＝0.148；Y(CO2)＝0.075；Y(H2O)＝0.006
催化剂粒子的当量直径：
DEQ＝0.006m
反应器类型1。
具有预定的设计值H＝1.0和L＝1.1时，可以确定下面的在反应器内部具有最佳的甲醇冷凝的反应器设计：
M＝1.63
A＝0.078
B＝1.97
C＝1
D＝0.2656
E＝0.9788
通过上面所公开的等式1，在H＝1时TBW＝125℃。
对于反应器类型1来说，
J＝0.187
G＝1.9589
K＝0.027
VCAT/ACOOL＝0.03081m(等于0.1233m的内管直径)。

Claims (7)

1.一种用于生产甲醇的反应器，其包含在共同的壳中的多个催化剂管，并且在该催化剂管的管侧上具有沉降的催化剂粒子，用于合成气的转化，所述合成气包含氢气、一氧化碳和二氧化碳，其各自的量提供了入口模值M，并且含有一部分的惰性物质A，和在催化剂管的壳侧上的处于压力下的液体冷却剂，该冷却剂具有沸点温度(TWB)，这产生了根据等式1的0.5-1.8的值H，并且沉降的催化剂粒子总体积与催化剂管表面的比例(VCAT/ACOOL)具有根据等式2的0.4-5的值L，和其中
等式1：H＝E*Exp(-3978/(TBW[℃]+273)12.3)*(1+3978*E*(220-TBW[℃])/((TBW[℃]+273)2))/(D*P*9.87)；
等式2：VCAT/ACOOL[m3/m2]＝K*L*((G*DEQ[m]*(220-TBW))0.5)；
这里：
M＝(Y(H2)-Y(CO2))/(Y(CO)+Y(CO2))；
A＝1.0-Y(CO)-Y(H2)-Y(CO2)-Y(CH3OH)-Y(H2O)；
B＝Y(CO)/Y(CO2)；
如果M小于2.0，C＝1.0，否则C＝Exp(-0.2*(M-2.0))；
D＝(0.072*Ln(B)+0.244)*C*(1.125-2.5*A)*0.478+P/25.2)；
E＝Exp((P-13.2)/30.1)；
K＝0.027(几何常数)；
G＝(MW-Y(CH3OH)*32-15.5*J)/((1一D)*29*J)；
如果M大于2.0，J＝(Y(CO)+Y(CO2))，否则J＝Y(H2)*(B+1)/(2*B+3)；
对于相同尺寸的催化剂粒子来说，DEQ1＝(6*(甲醇合成催化剂粒子的体积[m3]/3.14)0.33，并且对于不同尺寸的催化剂粒子来说：
DEQ2＝(∑w(i)*DEQ(i)3)0.33，w(i)是当量直径为DEQ(i)[m]的催化剂粒子的重量分数；和
P[MPa]是在反应器入口处的合成气的绝对压力；
MW[kg/kmol]是在反应器入口的合成气的平均分子量；
Y(x)[摩尔分数]是在反应器入口的每个组分的浓度；
LN是自然对数，基数是2.71828；和
Exp是自然逆对数或者指数函数，基数是2.71828。
2.一种用于生产甲醇的反应器，其包含在共同的壳中的催化剂床，该催化剂床带有催化剂填料，用于将合成气转化成为甲醇，该合成气包含氢气、一氧化碳和二氧化碳，其各自的量提供了入口模值M，并且含有一部分的惰性物质A，和在该催化剂填料中的热交换单元，该热交换单元由多个管或者带有翅片的管或者多个平板热交换器组成，该交换器均匀分布在催化剂填料中，并且形成冷却表面，该热交换单元是通过加压的液体冷却剂来进行冷却的，其中该液体冷却剂的沸点温度为沸点温度(TWB)，这产生了依靠等式1计算的0.5-1.8的值H，并且其中将该催化剂填料总体积与热交换单元表面的比例(VCAT/ACOOL)进行调整，来产生依靠等式2计算的0.4-5的值L，和其中
等式1：H＝E*Exp(-3978/(TBW[℃]+273)12.3)*(1+3978*E*(220-TBW[℃])/((TBW[℃]+273)2))/(D*P*9.87)；
等式2：VCAT/ACOOL[m3/m2]＝K*L*((G*DEQ[m]*(220-TBW))0.5)；
这里：
M＝(Y(H2)-Y(CO2))/(Y(CO)+Y(CO2))；
A＝1.0-Y(CO)-Y(H2)-Y(CO2)-Y(CH3OH)-Y(H2O)；
B是Y(CO)/Y(CO2)；
如果M小于2.0，C＝1.0，否则C＝Exp(-0.2*(M-2.0))；
D＝(0.072*Ln(B)+0.244)*C*(1.125-2.5*A)*0.478+P/25.2)；
E＝Exp((P-13.2)/30.1)；
K＝0.045(几何常数)；
G＝(MW-Y(CH3OH)*32-15.5*J)/((1-D)*29*J)；
如果M大于2.0，J＝(Y(CO)+Y(CO2))，否则J＝Y(H2)*(B+1)/(2*B+3)；
对于相同尺寸的催化剂粒子来说，DEQ1＝(6*(甲醇合成催化剂粒子的体积[m3]/3.14)0.33，并且对于不同尺寸的催化剂粒子来说：
DEQ2＝(∑w(i)*DEQ(i)3)0.33，这里w(i)是当量直径为DEQ(i)[m]的催化剂粒子的重量分数；和
P[MPa]是在反应器入口处的合成气的绝对压力；
MW[kg/kmol]是在反应器入口的合成气的平均分子量；
Y(x)[摩尔分数]是在反应器入口的每个组分的浓度；
LN是自然对数，基数是2.71828；和
Exp是自然逆对数或者指数函数，基数是2.71828。
3.一种用于生产甲醇的反应器，其包含在共同的壳中的催化剂床，该催化剂床含催化剂粒子，用于将合成气转化成为甲醇，所述合成气包含氢气、一氧化碳和二氧化碳，其各自的量提供了入口模值M，并且含有一部分的惰性物质A，并且该反应器还包含用于提供垂直于反应器壳的轴的合成气的流向的装置，和排列在该催化剂床中的热交换单元，该热交换单元由多个管、带有翅片的管或者多个平板热交换器组成，该交换器均匀分布在催化剂床中，形成冷却表面，其中该热交换单元是通过加压的液体冷却剂来进行冷却的，该液体冷却剂具有沸点温度(TWB)，这产生了依靠等式1计算的0.5-1.8的值H，并且其中将该催化剂粒子的总体积与热交换单元表面的比例(VCAT/ACOOL)进行调整，来产生依靠等式2计算的0.4-15的值L，和其中
等式1：H＝E*Exp(-3978/(TBW[℃]+273)12.3)*(1+3978*E*(220-TBW[℃])/((TBW[℃]+273)2))/(D*P*9.87)；
等式2：VCAT/ACOOL[m3/m2]＝K*L*((G*DEQ[m]*(220-TBW))0.5)；
这里：
M＝(Y(H2)-Y(CO2))/(Y(CO)+Y(CO2))；
A＝1.0-Y(CO)-Y(H2)-Y(CO2)-Y(CH3OH)-Y(H2O)；
B是Y(CO)/Y(CO2)；
如果M小于2.0，C＝1.0，否则C＝Exp(-0.2*(M-2.0))；
D＝(0.072*Ln(B)+0.244)*C*(1.125-2.5*A)*0.478+P/25.2)；
E＝Exp((P-13.2)/30.1)；
K＝0.020(几何常数)；
G＝(MW-Y(CH3OH)*32-15.5*J)/((1-D)*29*J)；
如果M大于2.0，J＝(Y(CO)+Y(CO2))，否则J＝Y(H2)*(B+1)/(2*B+3)；
对于相同尺寸的催化剂粒子来说，DEQ1＝(6*(甲醇合成催化剂粒子的体积[m3]/3.14)0.33，并且对于不同尺寸的催化剂粒子来说：
DEQ2＝(∑w(i)*DEQ(i)3)0.33，这里w(i)是当量直径为DEQ(i)[m]的催化剂粒子的重量分数；和
P[MPa]是在反应器入口处的合成气的绝对压力；
MW[kg/kmol]是在反应器入口的合成气的平均分子量；
Y(x)[摩尔分数]是在反应器入口的每个组分的浓度；
LN是自然对数，基数是2.71828；和
Exp是自然逆对数或者指数函数，基数是2.71828。
4.根据任何一个前述权利要求的用于生产甲醇的反应器，其包含在共同的壳中的加热装置，其适于用加热剂来将催化剂粒子的温度间接保持在甲醇的露点之上，该加热装置具有这样的表面积，以使得该加热装置与冷却装置的表面积之比为0.3-3.0。
5.一种在权利要求1或者4的反应器中生产甲醇的方法，其包含步骤：在反应器中转化甲醇合成气，该反应器包含在共同的壳中的多个催化剂管，该催化剂管在催化剂管的管侧上具有沉降的催化剂粒子，并且该沉降的催化剂粒子的总体积与该催化剂管的表面的比例(VCAT/ACOOL)具有根据等式2的0.4-5的值L，所述合成气包含氢气、一氧化碳和二氧化碳，其各自的量提供了入口模值M，并且含有一部分的惰性物质A，和在催化剂管的壳侧上的处于压力下的液体冷却剂的存在下，反应该合成气，其中将该液体冷却剂调整到沸点温度(TWB)，这产生了根据等式1的0.5-1.8的值H，并且其中
等式1：H＝E*Exp(-3978/(TBW[℃]+273)12.3)*(1+3978*E*(220-TBW[℃])/((TBW[℃]+273)2))/(D*P*9.87)；
等式2：VCAT/ACOOL[m3/m2]＝K*L*((G*DEQ[m]*(220-TBW))0.5)；
这里：
M＝(Y(H2)-Y(CO2))/(Y(CO)+Y(CO2))；
A＝1.0-Y(CO)-Y(H2)-Y(CO2)-Y(CH3OH)-Y(H2O)；
B＝Y(CO)/Y(CO2)；
如果M是小于2.0，C＝1.0，否则C＝Exp(-0.2*(M-2.0))；
D＝(0.072*Ln(B)+0.244)*C*(1.125-2.5*A)*0.478+P/25.2)；
E＝Exp((P-13.2)/30.1)；
K＝0.027(几何常数)；
G＝(MW-Y(CH3OH)*32-15.5*J)/((1-D)*29*J)；
如果M是大于2.0，J＝(Y(CO)+Y(CO2))，否则J＝Y(H2)*(B+1)/(2*B+3)；
对于相同尺寸的催化剂粒子来说，DEQ1＝(6*(甲醇合成催化剂粒子的体积[m3]/3.14)0.33，并且对于不同尺寸的催化剂粒子来说：
DEQ2＝(∑w(i)*DEQ(i)3)0.33，这里w(i)是当量直径为DEQ(i)[m]的催化剂粒子的重量分数；和
P[MPa]是在反应器入口处的合成气的绝对压力；
MW[kg/kmol]是在反应器入口的合成气的平均分子量；
Y(x)[摩尔分数]是在反应器入口的每个组分的浓度；
LN是自然对数，基数是2.71828；和
Exp是自然逆对数或者指数函数，基数是2.71828。
6.一种在权利要求2或者4的反应器中生产甲醇的方法，其包含步骤：在反应器中转化甲醇合成气，该反应器包含在共同的壳中的催化剂床，该催化剂床带有催化剂填料，用于将合成气转化成为甲醇，和在该催化剂填料中的热交换单元，该热交换单元由多个管或者带有翅片的管或者多个平板热交换器组成，该交换器均匀分布在催化剂填料中，并且形成冷却表面，该热交换单元是通过加压的液体冷却剂来进行冷却的，所述合成气包含氢气、一氧化碳和二氧化碳，其各自的量提供了入口模值M，并且包含一部分的惰性物质A，其中将该液体冷却剂的沸点温度调整为温度(TWB)，这产生了依靠等式1计算的0.5-1.8的值H，并且其中将该催化剂填料总体积与热交换单元表面的比例(VCAT/ACOOL)进行调整，来产生依靠等式2计算的0.4-5的值L，和其中
等式1：H＝E*Exp(-3978/(TBW[℃]+273)12.3)*(1+3978*E*(220-TBW[℃])/((TBW[℃]+273)2))/(D*P*9.87)；
等式2：VCAT/ACOOL[m3/m2]＝K*L*((G*DEQ[m]*(220-TBW))0.5)；
这里：
M＝(Y(H2)-Y(CO2))/(Y(CO)+Y(CO2))；
A＝1.0-Y(CO)-Y(H2)-Y(CO2)-Y(CH3OH)-Y(H2O)；
B是Y(CO)/Y(CO2)；
如果M小于2.0，C＝1.0；否则C＝Exp(-0.2*(M-2.0))；
D＝(0.072*Ln(B)+0.244)*C*(1.125-2.5*A)*0.478+P/25.2)；
E＝Exp((P-13.2)/30.1)；
K＝0.045(几何常数)；
G＝(MW-Y(CH3OH)*32-15.5*J)/((1-D)*29*J)；
如果M大于2.0，J＝(Y(CO)+Y(CO2))，否则J＝Y(H2)*(B+1)/(2*B+3)；
对于相同尺寸的催化剂粒子来说，DEQ1＝(6*(甲醇合成催化剂粒子的体积[m3]/3.14)0.33，并且对于不同尺寸的催化剂粒子来说：
DEQ2＝(∑w(i)*DEQ(i)3)0.33，这里w(i)是当量直径为DEQ(i)[m]的催化剂粒子的重量分数；和
P[MPa]是在反应器入口处的合成气的绝对压力；
MW[kg/kmol]是在反应器入口的合成气的平均分子量；
Y(x)[摩尔分数]是在反应器入口的每个组分的浓度；
LN是自然对数，基数是2.71828；和
Exp是自然逆对数或者指数函数，基数是2.71828。
7.一种在权利要求3或者4的反应器中生产甲醇的方法，其包含步骤：在反应器中转化甲醇合成气，该反应器包含在共同的壳中的催化剂床，该催化剂床含催化剂粒子，用于将合成气转化成为甲醇，并且该反应器还包含排列在该催化剂床中的热交换单元，该热交换单元由多个管、带有翅片的管或者多个平板热交换器组成，该交换器均匀分布在催化剂床中，形成冷却表面，使得该合成气以垂直于反应器壳的轴的流向通过该催化剂床，该合成气包含氢气、一氧化碳和二氧化碳，其各自的量提供了入口模值M，并且含有一部分的惰性物质A，其中该热交换单元是通过加压的液体冷却剂来进行冷却的，该液体冷却剂具有沸点温度(TWB)，这产生了依靠等式1计算的0.5-1.8的值H，并且其中将该催化剂粒子的总体积与热交换单元表面的比例(VCAT/ACOOL)进行调整，来产生依靠等式2计算的0.4-15的值L，和其中
等式1：H＝E*Exp(-3978/(TBW[℃]+273)12.3)*(1+3978*E*(220-TBW[℃])/((TBW[℃]+273)2))/(D*P*9.87)；
等式2：
VCAT/ACOOL[m3/m2]＝K*L*((G*DEQ[m]*(220-TBW))0.5)；
这里：
M＝(Y(H2)-Y(CO2))/(Y(CO)+Y(CO2))；
A＝1.0-Y(CO)-Y(H2)-Y(CO2)-Y(CH3OH)-Y(H2O)；
B＝Y(CO)/Y(CO2)；
如果M小于2.0，C＝1.0；否则C＝Exp(-0.2*(M-2.0))；
D＝(0.072*LN(B)+0.244)*C*(1.125-2.5*A)*0.478+P/25.2)；
E＝Exp((P-13.2)/30.1)；
K＝0.02(几何常数)；
G＝(MW-Y(CH3OH)*32-15.5*J)/((1-D)*29*J)；
如果M大于2.0，J＝(Y(CO)+Y(CO2))，否则J＝Y(H2)*(B+1)/(2*B+3)；
对于相同尺寸的催化剂粒子来说，DEQ1＝(6*(甲醇合成催化剂粒子的体积[m3]/3.14)0.33，并且对于不同尺寸的催化剂粒子来说：
DEQ2＝(∑w(i)*DEQ(i)3)0.33，这里w(i)是当量直径为DEQ(i)[m]的催化剂粒子的重量分数；和
P[MPa]是在反应器入口处的合成气的绝对压力；
MW[kg/kmol]是在反应器入口的合成气的平均分子量；
Y(x)[摩尔分数]是在反应器入口的每个组分的浓度；
LN是自然对数，基数是2.71828；和
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