随着世界经济的飞速发展，人类对能源的需求越来越大，各国都在投巨资，力图寻解决能源短缺的有效办法。近年来，我国能源虽然仍以煤炭和石油为主，当天然气的产量有很大的发展。煤炭直接燃烧，排放大量的硫化物、氮氧化物、烟尘和二氧化碳，是我国目前的主要污染源。石油炼制的油品虽然比煤洁净，但我国的石油资源已经不能满足经济发展的需求，2000年我国净进口原油7000万吨，成品油2000万吨，接近需求总量的30%，2006年我国原油进口13884万吨，预计2020年净进口量将达2.4~3.6亿吨，进口依存度达60~70%。目前，国际石油市场的波动已经对我国经济社会发展产生明显影响。20世纪80年代以来，以煤、天然气为资源的C1化学得到了迅速发展，这将对中国的能源问题起到一定的缓解作用。
二甲醚又称甲醚，是一种最为简单的脂肪醚，其英文名为：dimethyl ether，缩写为DME。分子量为46.07，结构式为CH3—O—CH3，常压下为无气体，具有轻微的醚香味，无腐蚀性，无毒。
一步法即由合成气(H2 + CO) 在催化反应条件下直接合成二甲醚产品。 1、合成气直接合成二甲醚的热力学分析
合成气制二甲醚为复合反应体系，进行的反应如下：
许亚伟CO+2H2=CH3OH （1）
CO2+3H2=CH3OH+H2O （2）
2CH3OH=（CH3）2O+H2O （3）
2CO+4H2=（CH3）2O+H2O （4）
2CO2+6H2=（CH3）2O+3H2O （5）
CO+H2O=CO2+H2（6）
压力对合成气直接合成二甲醚与甲醇的影响显著，压力提高, CO、CO2的平衡转化率增加，二甲醚的选择率略降，甲醇的选择率略增。温度对合成气直接合成二甲醚与甲醇的影响显著，温度提高，CO、CO2的平衡转化率显著降低，二甲醚的选择率 略降，甲醇的选择率略增。气体组成对合成气直接合成二甲醚与甲醇的影响也很显著, 煤基合成气与天然气蒸汽转化制得的合成气相比, 前者CO 、CO 2的平衡转化率高，二甲醚的选择率高，甲醇的选择率低。由合成气直接合成二甲醚与甲醇，理想的反应条件是较低的温度，较高的压力与合适的原料气组成。
有人对合成气合成二甲醚平衡转化率及选择率进行了分析并建立了计算模型。他们考查了反应热与温度的关系，平衡常数与温度的关系，通过SHBWR 状态方程，计算了合成气制二甲醚复合反应体系中组分的逸度，并回归成逸度系数的关联式如下：
6233.947101791.532()1381.702()()exp{[0.92041866.82/]}y CO y CO p CO T T T T T
φ⨯=-+--+ 2822233231.207()3700.508()6.831310()exp{[ 3.39114228.492/]}y CO y CO p CO T T T T T
φ⨯=-+--- 22223193.545()207.0556()49402.82()exp{[1.0934348.704/]}y H y H p H T T T T T
φ=---- 8239.868107817.508()7928.942()()exp{[14.77389848.014/]}y M y M p M T T T T T抗体亲和力
φ⨯=-+--- 29222336006.12()30757.46()1.815510()exp{[17.619213900.716/]}y H O y H O p H O T T T T T
φ⨯=-+--- 6231.629341010406.908()19148.157()()exp{[17.40710701.97/]}y DME y DME p DME T T T T T
φ⨯=---+ 逸度系数与温度的关系并通过SHBWR 状态方程出发，计算了合成气制二甲醚复合体系中组
分逸度，进行回归到平衡常数用组分逸度来表示，得出了以CO ，CO 2表示的平衡条件下的碳转化率和平衡条件下的二甲醚与甲醇的选择率和收率。
222[()()][()()]
()[()()]
in in in eq eq eq in in in N y CO y CO N y CO y CO x C N y CO y CO +-+=+ 2()
()(),()2()()2()()eq eq eq eq eq eq y DME y M DME M y DME y M y DME y M ββ==++
()()(),()()()Y DME x C DME Y M x C M ββ=⋅=⋅
从上面的公式，并以三种组成的原料合成气计算了合成二甲醚体系的化学平衡组成、碳转化率，并讨论了不同温度、压力及原料气组成对二甲醚合成体系化学平衡的影响。同样也得出了合成气直接合成二甲醚的理想条件是较低的温度、较高的压力，以及富含H 2和CO 的合成气。
气体热容随温度的变化关系式：
47210321.137708.4510258.59610284.96810m p C T T T ---=+⨯+⨯-⨯
37210220.069161.25110216.17910184.41410D p C T T T ---=+⨯-⨯-⨯
2
36226.74842.2581014.24710CO p C T T --=+⨯-⨯ 26226.53667.683110 1.171910CO p C T T --=+⨯-⨯
2
26229.0620.82010 1.990310H p C T T --=-⨯+⨯ 2
26230.2049.93310 1.11710H O p C T T --=+⨯+⨯ 2
26227.016 5.815100.28910N p C T T --=+⨯-⨯ 混合气体热容的计算式为：pf i pi C y C =⨯∑ 固定床的传热系数的计算式为：111d b c
R K δαλα=+++ 0.82.03Re exp(6/)b t s t f
d d d αλ=- 取δ：0.0025m ，λ：16 W/(m ·K)，c α：2000W/(m ·K)，Rd ：0.0004m 2K/W ，t d ：0.004m ， /s t d d ：0.2。
对煤基合成气直接合成二甲醚与甲醇，即使是在理想的条件下（5.0MPa ，CO 、CO2的平衡转化率约为75.86%，二甲醚的选择率约为93.0%，甲醇的选择率约为7.0%，因此催化剂的选择对碳转化有很大的影响。 3、合成气直接合成二甲醚的催化剂分析
气相法是将甲醇合成和甲醇脱水以及水煤气变换反应在同一反应器内进行，故多采用合成甲醇和甲醇脱水双功能催化剂。催化剂研究重点是（1）甲醇合成和脱水催化剂的配比及制备工艺；（2）选择合适的助剂以提高二甲醚的收率和选择性；（3）催化剂物化性能的表征；（4）催化机理的研究。
目前由甲醇合成，比如Cu-Zn-Al 催化剂，和甲醇脱水，比如改性γ-Al2O3 或
分子筛，两种催化剂复合而成。反应温度230～280 ℃间，压力一般大于210MPa 。许多学者对两种催化剂的复合比例，特别是对脱水催化剂的酸性影响都进行了研究。一般而言，总活性决定于甲醇合成催化剂，DME 选择性决定于甲醇脱水催化剂。分子筛作为脱水剂同γ-Al2O3 相比，具有活性高，反应温度低(150～275 ℃) 等优点，但对毒物敏感，易结焦，因此在我所采用的计算模型中的催化剂仍采用，Cu-Zn-Al 作为甲醇合成催化剂及γ-Al2O3作为甲醇脱水催化剂。催化剂的相关参数如下：
催化剂体积：29.91m 3，效率因子：0.8，堆密度：0.55-0.65kg/L ，本文取0.85kg/L 。
4、计算模型分析
固定床二甲醚合成反应器结构参数：反应管D 44 mm ×2 mm ，管长5 m ，共3400根，催化剂体积29. 91 m 3。工艺操作参数：操作压力5. 0M Pa ，床层进口温度240 ℃，入塔气量( 标准状况)300 000 m 3/h ；入塔气组成y H2 = 0. 7483、y CO =0. 1153、y CO2 = 0. 0316、y DME = 0. 0065、y m =0. 0045、y H 2O = 0. 0004、y CH4 = 0. 0435、y N2 =0. 0499。管外沸腾水温度240℃，压力3. 35MPa 。反应管装填D 5 mm ×5 mm 圆柱状二甲醚合成双功能催化剂。
半距等高线4.1催化反应动力学模型
中国男体
甲醇合成反应的表达式、动力方程、吸附平衡常数及其与温度的关系式
23298.744/CO H CH OH kJ mol +→+
22122223/20.50110.50.5[/()]
(1)[(/))
CO CO H M H p CO CO CO CO H W H W k K p p p p K r K p K p p K K p -=+++
77.9910exp(58100/)CO K RT -=⨯ 10372log 3748.7/9.2833log 3.147510 4.26131013.8144p K T T T T --=-+⨯-⨯+
甲醇脱水反应的表达式、动力方程、吸附平衡常数及其与温度的关系式
32221.225/CH OH DME H O kJ mol →++
2200.52200.52[(/)]
[1(/)]M D W p M D W p k C C C K r K C C K -=+
271.0210exp(67400/)CO K RT -=⨯
203723ln 4019/ 3.707ln 2.78310 3.81065610/22.64p K T T T T T --=+-⨯+⨯--
水气变换反应的表达式、动力方程、吸附平衡常数及其与温度的关系式 22239.569/CO H O CO H kJ mol +→++
222322220330.50.5[(/)]
(1)[(/)]CO CO W CO H p CO CO CO CO H W H W k K p p p p K r K p K p p K K p -=+++
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20.511/ 4.1310exp(45392/)W H K K RT -=⨯
30372log 2167/0.5194log 1.03710 2.33110 1.2777p K T T T T --=-+⨯-⨯-
各组分的分压：i i p py =
反应速率常数表达式：0exp(/)i i i k A E RT =-
4.2固定床反应器的数学模型
高设反应器进口摩尔流量为N in ，组分i 的进口组成为y i,in ，催化庆中瞬时摩尔流量为N ，组分i 的瞬时组成为y i ，通过物料衡算有
22,,122122CO in CO in in
CO CO y y N N y y --=-- 设2
2,,122122CO CO CO in CO in y y D y y --=--，各组分的瞬时摩尔分率为
风尚标2222,,,(23)23H H in CO in CO in CO CO y y y y D y y =--++
22,,,,(2)m m in CO in CO in DME in CO CO y y y y y D y y =+++--
22220,,,()H H O in CO in DME in CO DME y y y y D y y =+--+
22,,N N in y y D =
44,CH CH in y y D =
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