第二章 合成氨原料气制 项目二 气态烃蒸汽转化法 取.ppt

项目二 气态烃蒸汽转化法 ; 该反应为强吸热反应，而且应在高温条件下发生，工业生产中必须供给热量才能使其进行。按供热方式的不同，制取粗原料气有下述两种方法。;（1）外部供热的蒸汽转化法 此法广泛用于天然气等轻质烃类为原料的合成氨厂。在催化剂作用下，含烃气体与蒸汽在耐高温的合金钢反应管内进行转化反应，管外采用高温燃烧气加热。 ; （2）内部蓄热的间歇操作法 此法是用周期性的间断加热与蓄热来提供轻质烃类转化过程所需要的热量。;对天然气为原料生产合成氨的装置，大中型规模多采用前者，而小型氨厂则采用后者。;传统蒸汽转化法 制得的粗原料 气应满足下述要求; 因此，合成氨厂的转化工序分为两段进行。在一段转化炉里，大部分烃类与蒸汽于催化剂作用下转化成H2、CO和CO2。接着一段转化气进入二段转化炉，在此加入空气，有一部分 H2燃烧放出热量??催化剂床层温度升高到1200～1250℃，并继续进行甲烷的转化反应。二段转化炉出口气体温度约950—1000℃，残余甲烷含量和（H2＋CO）／N2 比均可达到上述指标。 ;一. 气态烃蒸汽转化的化学反应;烷烃：;烯烃：; 可以说，无论何种轻质烃原料与水蒸气反应都有生成甲烷这一阶段。因此，轻质烃类的蒸汽转化可用甲烷转化反应来代表： CH4+H2O=CO+3H2 （1-16） CH4+2H2O=CO2+4H2 （1-17）;二. 甲烷蒸汽转化反应原理;副反应 ;; 主反应是我们所希望的，而副反应既消耗原料，析出的炭黑又沉积在催化剂表面，使催化剂失活。现在的问题是怎样来促进主反应和设法抑制副反应，这就需要用热力学观点讨论反应进行的程度以及从动力学角度考虑反应的速率。;甲烷蒸汽转化反应的特点;甲烷蒸汽转化反应的特点; 1 .甲烷蒸汽转化反应热力学;（一）、甲烷蒸汽转化反应的热力学分析;平衡常数 KP的的讨论： ;温度：（温度对化学平衡的影响） ;由上表可以得出 KP1、KP2随T的变化规律。;温度对化学平衡的影响;重要结论;浓度或组成对平衡的影响 ;组成与KP的关系： ;组成与KP的关系：;将表1-8中各组分的平衡组成带入式(1-22)和式(1-23)得：;由上式可知：在一定的T、P下，z上升，则残余甲烷量下降。但水碳比不可过大，过大不仅经济上不合理，而且也影响生产能力。;（二）、甲烷蒸汽转化反应的动力学分析即化学反应速率（快慢）的讨论;甲烷蒸汽转化反应的动力学分析即化学反应速率（快慢）的讨论;⑵、甲烷蒸汽转化反应的动力学方程式 ;气固相催化反应步骤： ;简言之：外扩散→内扩散→吸附→表面反应→脱附→内扩散→外扩散;B、甲烷蒸汽转化反应机理;按上述机理，假定第（1）步为控制步骤，按照均匀表面 的吸附理论，可导出其动力学方程式为： ;其它动力学方程式;2、影响转化反应速率的因素;⑵、浓度或组成的影响 ;⑶、扩散过程对反应速率的影响 ;3 .烃类蒸汽转化过程的析炭;副反应（析碳反应）对过程的影响; (1)析炭热力学 ;上述各反应的平衡常数分别为;lg Kp19＝－;C2H6 2C(s) + 3H2 ;烯烃类，例如：裂解; ①温度对反应的影响 ; ②压力对反应的影响 ;既然温度、压力对上述反应的析炭有不同的影响，能否析炭，依赖于此复杂反应系统的平衡。为了控制这些反应都不会有炭析出，可以通过气体组成（用水碳比表达）和选择适当的温度、压力来解决。;;＝; （2）析炭动力学 ;从炭的沉积速度来讲，由 CO歧化反应式（1－20）生成炭的速度比同一条件下 CH4裂解反应式（1-19）生成炭的速度要快3—10倍。 从炭的脱除速度来讲，炭与水蒸气的反应即式（1－21）的逆反应要比炭与二氧化碳的反应即式（1－20）的逆反应快2—3倍。而炭与氢的反应速率则较慢。;V2;（3）防止炭黑的生成条件及消除炭黑的方法 ; ①应使转化过程不在热力学析炭的条件下进行，这就是说，需把水蒸气用量提高到大于理论最小水碳化，这是保证不会有炭黑生成的前提。; ③选择适宜的操作条件，例如：原料烃的预热温度不要太高，当催化剂活性下降或出现中毒迹象时，可适当加大水碳比或减少原料烃的流量等。; ⑤当析炭较轻时，可采取降压、减量、提高水碳比的办法将其除去。当析炭较重时，可采用蒸汽除炭，即利用式（1－2－11）的逆反应：;;;4 二段转化反应;①在催化剂床层顶部空间进行燃烧反应：;② 在催化剂床层进行甲烷转化和CO变换反应：; 三. 转化催化剂 ;烃类蒸汽转化反应的催化剂;（2）催化剂的作用;2、工业生产对催化剂的要求;抗毒害性——考虑如何使催化剂不致于因微量或少量的杂质而中毒，致使活性下降。 热稳定性——催化剂耐高温的能力。 机械强度——要具有耐压、耐磨、耐碰撞等机械强度。足够的机械