1.2 原料气的制取在线视频

各位同学大家好

上节课我们重点讲述了合成氨的概述

及目前工业上主要采用的基本工艺流程

那么这节课我们重点讲述原料气的制取

即如何以天然气为原料

得到合成氨需要的氢气

主要从反应分析

工艺条件的选择

设备流程简图及主要设备结构

几个部分进行讲述

首先请大家看看

甲烷制合成气相关的化学反应

其中主反应为

下面的这样所示

我们整个甲烷和水作为原料

进行制氢的反应

主要分为两个步骤

第1个步骤是甲烷和水生成

一氧化碳和氢气

这个地方是一个强吸热过程

那么第2个反应步骤是

第1个反应步骤所生成的一氧化碳

和水继续反应

生成二氧化碳和氢气

这是一个放热反应

这两个反应是在高温

有催化剂的条件下所进行的

下面所示的是三个负反应

也就是说除了主反应之外

我们甲烷还有可能生成氢气和碳

两个一氧化碳也可以生成一个二氧化碳和碳

一氧化碳和氢气可以反应生成水

和单质碳

那么这三个副反应是我们所不希望的

在催化反应过程中

经常会遇到析碳现象

也就是在反应过程中

有单质碳以固体的形式析出

并附着在催化剂表面

对整个反应有较大影响

下面我们来了解一下为什么会有析碳

析碳有什么影响和危害

和如何防止析碳进行相关讲述

首先请看一下

三个副反应方程式有一个共性

那就是反应产物中均有碳生成

也就是产生析碳的原因

那么它有什么危害呢

生成碳黑有以下几点不利

第一 固体碳析出容易堵塞反应管道

从而增加了我们整个气体的压降

会造成局部区域高温 损坏催化剂

增大反应阻力

严重的时候会造成反应管爆裂等问题

那么有这样一些严重的现象

我们该如何解决析碳问题呢

我们从反应方程式的反应速率

入手来分析一下

上述三个反应都是可逆反应

在转化过程中是否有C析出

还取决于碳的沉积

也就是正向反应速率

和碳的脱除

也就是逆反应速率

之间的关系

从C的沉积速率来看

CO歧化反应生C速率最快

从C的脱除速率看

C与水蒸汽的反应速率最快

即C与水作用的反应速率

比其正反应速率快10倍左右

那么所以为了能够有效的控制积碳

主要通过增加水蒸汽用量

可以调整气体组成和选择适当的温度

压力来解决

在化工生产过程中

能够通过现象从而发现问题

可以根据所学知识进行问题的分析

并找出解决方案是一个基本思路

和我们化工专业学生的必备能力

下面我们简单介绍一下

在甲烷制氢过程中所使用的催化剂

催化剂组成主要以NiO为最主要活性成份

实际加速反应的活性成份是Ni单质

所以使用前必须进行还原反应

使氧化态NiO还原成单质Ni

对天然气制氢过程的转化催化剂的

有害成份为S As 卤素等

他们的存在会与催化剂进行反应

从而降低催化剂活性

所以转化反应前

必须对天然气进行脱硫等处理

通常转化反应温度在1000℃左右

硫 砷及卤素的含量要求小于0.5ppm

接下来下面我们讨论一下

甲烷蒸汽转化的生产方式

前面我们通过主反应的化学反应式发现

转化过程是一个强吸热过程

为了可以达到较高的甲烷转化率

需要为反应提供大量的热量

在工业实施过程中要求设备的传热性能高

从而需要解决设备传热问题

转化为可逆反应

从反应平衡常数来进行分析

该反应温度越高

平衡转化率越高

从组成计算来看

当反应温度在1000℃以上的时候

CH4含量才能够小于0.5%

所以要求我们的设备具有耐高温的性能

如全部采用高温转化

设备费用和操作费用太高

温度越高对与传热材料要求越高

价格越贵

同时同种材料温度越高时

其使用寿命缩减较快

所以我们在生产过程中

采用了一种变通的方式

即采用低温(700～800℃)转化

和高温(1200℃)转化的两段方式

来进行生产

一段温度对合金钢管要求较低

用合金钢管保证传热和供热

二段采用砖内衬的绝热设备

并通入一定比例的空气

与一段产生的H2反应生成热量和高温

约1200～1400℃

从而保证CH4转化彻底

同时加入了合成氨所需要的原料N2

下面我们讨论一下工艺条件的选择

一段 二段转化的温度和压力

进料比等因素影响都可以从

平衡常数的计算中体现

下面我们来看一下甲烷蒸汽转化

二段转化的影响因素

首先看最左边的图

我们考虑水碳比 温度 压力

对平衡气体中甲烷的含量影响

我们首先看纵坐标

是我们的甲烷的平衡含量

横坐标是我们的压力

那么随着压力的升高

在900度的时候

那么水碳比为2的时候

我们的平衡气体的甲烷含量是

逐渐增高的

也就是说压力的升高是不利于

反应向正向进行的

这是为什么呢

我们回忆一下

我们甲烷制氢的主反应方程式

是由甲烷和水生成一氧化碳和三个氢气

该反应过程中是一个分子的体积

增加的一个反应

那么压力越高越不利于我们反应

向正向进行

所以低压是对我们反应是有利的

同时我们再看看不同的温度

随着温度的升高

我们平衡气体中甲烷含量是降低的

这是因为整个主反应是一个强吸热反应

温度越高

越有利于反应平衡正向进行的原因

我们同时对比一下左边

中间和右边的图

那么主要考察我们的水碳比

从2 3 4来进行对比的时候

在同样的压力和温度条件下

水碳比越高

平衡气体中的甲烷含量越低

这是因为我们在主反应过程中

水是主反应中的另外一种主要的原料

当水的含量增加的时候

有利于甲烷这种原料的转化率

我们在实际工业生产过程中

也经常会采用这样一种方式

来促进比较昂贵的原料的转化率

这一点请大家要记住

刚才我们讨论了各个单因素

对整个平衡甲烷含量的影响

那么在实际工业上

我们到底如何该确定不同的压力

温度和水碳比呢

下面我们进行综合分析一下

首先是我们压力的分析

在合成氨的整个过程中

任何一个单元的压力都不是孤立确定的

围绕着合成反应条件

各单元操作的压力的确定

主要依据以下原则

首先是要降低我们的能耗

第二 要提高余热的利用价值

第三 要减少设备的体积

降低投资 综合这三个原则

最终需要能量合理利用

全场流程统筹综合经济效益

来进行压力的确定

因为转化过程是一个体积增加的过程

尽管刚才我们分析加压是不利于

反应平衡的

但是考虑到设备体积的利用率

后续的二氧化碳脱除 合成反应的条件

我们最终选择2~3兆帕的压力

来进行转化反应的工艺条件

那么现在再看看水碳比

那么水碳比条件选择方面

我们从主反应及副反应来看

水碳比高 残余的甲烷含量是降低的

且可以防止析碳

因此一般采用较高的水碳比约3.0~3.5

原则是什么呢

是第一 在整个反应过程中不要析碳

第二 原料能够充分的利用

第三 能耗要小一些

那么转化温度条件选择方面

一段炉的温度

主要考虑我们设备投资的总费用

及设备的寿命

一般选择680度到800摄氏度

因为一段炉投资约为全厂的30%

其中主要为合金钢管

合金钢管在温度950度的时候

其寿命可以达到8万4000小时

当我们把温度上升了10度

到960摄氏度的时候

那么它的寿命减少到6万小时

可见实际的温度对我们刚才的

寿命具有绝对的影响

那么对于二段炉的温度

需要按甲烷控制指标来确定

当压力和水碳比确定以后

按甲烷的平衡浓度来确定我们

实际二段转化的温度

最终要求甲烷的残余含量要低于0.5%

那么通过我们的理论分析发现

出口温度要达到1000度左右

才能够达到最终的产品要求

下面我们看一下

这是我们甲烷转化工艺的一个流程

这张流程图是一个设备流程简图

我们大家第一次接触到这样设备流程简图

大家要先掌握一下看图的方式方法

我们觉得这张图里面设备有很多

也有很多的物料的管线和物料的流向

那么再看这种图的时候

首先要知道

这张图我们重点要讲述的是我们

一个甲烷蒸汽转化的工艺

那么通过前面的学习

我们知道我们转化分为一转和二转

那么在下面图下面的对应的设备

描述里面可以先找到

我们有一转炉和二转炉

也就是说4这个设备是我们一转的转化炉

5是我们二转的转化率

大家可以看到4这个转化炉

我们采用的是合金钢管

所以在这个设备简图里面

显示的是一个管式反应器的方式

那么5我们采用的是内衬的

砖的这样一个固定床反应器

所以它就是一个圆筒形的结构

在整个工艺过程中

我们首先 进来的天然气需要

通过脱硫处理 脱硫之后

我们的原料气要通过升温

来使我们的温度预热到我们

需要反应的温度之内

那么通过对流段

辐射段等预热过程中进入我们的一转化炉

在整个管式反应器中进行

充分反应之后的气体

通过我们的集气管一起到达我们的二转炉

也就是5号设备

在我们的二转炉里面

通过燃烧自身产生的氢气所释放热量

来供给后续的甲烷转化所需要的热量

反映之后

我们的所有的气体再通过

其他的方式来排出

进入我们下一步的生产单元

在流通图里面还有一个特别重要的知识

那么就是热量的利用

大家可以看到

在4号反应器也就是一转炉里面

我们通过天然气燃烧对我们

合金钢管来进行加热

这样一个过程

加热之后的气体是含有非常高的温度的

那么我们所剩余的气体

可以和我们的原料的气体来进行

通过一个对流或辐射的方式来进行换热

使得我们残余的热量能够得到

有效的回收和利用

那么这也是我们整个化工目前

化工过程中对能量回收和能量

利用的一种解决的方式方法

那么下面请大家看我们的整个

转化炉的结构

这张图

是我们一转炉的转化炉的一个主要结构

在实际生产过程中

我们企业里面大概整个合金钢管

大概有1000多根的合金钢管

从主管道过来的气体要进入我们的一转炉

里面1000多根的反应管中

需要有一个气体的分布器

使我们主管道的气体能够均匀

分布到1000多根的核心钢管中

进行有效的反应

反应之后的气体

再通过一个汇总收集管来进行汇总

进入到二段炉

那么在一段炉里面加热方式是什么呢

是采用我们的天然气

直接通过喷嘴对着我们的合金钢管

也就是我们的管制反应器来进行燃烧

所提供的热量

是这样一个情况的

这是我们的二转炉的一个设备结构

它是一个圆柱形的主要的结构

同时里面衬了我们的耐火砖防止热量的损失

我们从一转经过转化的气体

进入二转了以后

通过我们固定床的催化剂床成

在床成里面

自身通过氢气的反应燃烧供给

甲烷转化所需要的热量

那么通过我们整体的一个设备

就使我们甲烷的含量达到工艺

最终要求

当然这个设备之外

同时我们要求这个一个保温是非常重要的

尽量使设备能做到节约热的状态

我们还为他做了一个水的夹套

里面还专门加了我们的一个温度套管

来进行温度的控制和测量

同学们

本知识点对甲烷制氢反应分析

工艺条件选择和主要流程设备

进行了重点讲述

请同学们线下进行对照学习

谢谢