天然气蒸汽转化的基本原理

1、天然气蒸汽转化的基本原理蒸汽转化反应的基本原理天然气的主要成分为甲烷，约占90%以上，研究天然气蒸汽转化 原理可以甲烷为例来进行。甲烷蒸汽转化反应为一复杂的反应体系，但主要是蒸汽转化反应 和一氧化碳的变换反应。主反应：CH4+H2O=CO+3H2CH4+2H2O=CO2+4H2CH4+CO2=2CO+2H2CH4+2CO2=3CO+H2+H2OCH4+3CO2=4CO+2H2Oco+h2o=co2+h2副反应：CH4=C+2H22CO=C+COc2co+h2=c+h2o副反应既消耗了原料，并且析出的炭黑沉积在催化剂表面将使催 化剂失活，因此必须抑制副反应的发生。转化反应的特点如下：1）可逆反应

2、在一定的条件下，反应可以向右进行生成CO 和H2,称为正反应；随着生成物浓度的增加，反应也可以向 左进行，生成甲烷和水蒸气，称为逆反应。因此生产中必须 控制好工艺条件，是反应向右进行，生成尽可能多的CO和 H2。2）气体体积增大反应一分子甲烷和一分子水蒸气反应后，可以 生成一分子CO和三分子H2,因此当其他条件确定时，降低 压力有利于正反应的进行，从而降低转化气中甲烷的含量。3）吸热反应甲烷的蒸汽转化反应是强吸热反应，为了使正反应进行的更快、更彻底，就必须由外界提供大量的热量， 以保持较高的反应温度。4）气-固相催化反应甲烷的蒸汽转化反应，在无催化剂的参与的条件下，反应的速度缓慢。只有在找到了

3、合适的催化 剂镍，才使得转化的反应实现工业化称为可能，因此转化反 应属于气-固相催化反应。化学平衡及影响因素反应速率及影响速率在没有催化剂的情况时，即使在相当高的温度下，甲烷蒸汽 转化反应的速率也是很慢的。当有催化剂存在时，则能大大加快 反应速率；甲烷蒸汽转化反应速率对反应温度升高而加快，扩散 作用对反应速率影响明显，采用粒度较小的催化剂，减少内扩散 的影响，也能加快反应速率。影响析炭反应的因素副反应的产物炭黑覆盖在催化剂表面，会堵住催化剂的微孔， 降低催化剂的活性，增加床层阻力，影响生产力。在甲烷蒸汽转化反应中影响析炭的主要因素如下：转化反应温度越高，烃类裂解析炭的可能性越大。水蒸气用量增加

4、，析炭的可能性越小，并且已经析出的炭 黑也会与过量的水蒸气反应而除去，在一定的条件下，水 碳比降低则容易发生析炭现象。烃类碳原子数越多，裂解析炭反应越容易发生。催化剂的活性降低，烃类不能很快转化，也增加了裂解析 炭的可能性。炭黑生成的抑制及除炭方法1）抑制炭黑生成的方法保证实际水碳比大于理论最小水碳比选用活性好，热稳定行好的催化剂防止原料气及蒸汽带入有害物质，保证催化剂的良好 活性2）除炭方法当析炭较轻时，采用降压、减少原料烃流量、提高水 碳比等方法可除炭当析炭较严重时，采用水蒸气除炭，反应是如下：C+H2=CO+H2在水蒸气除炭过程中首先停止送入原料烃，继续通入水蒸气，温度控制在75080O

5、C,经过1224h即可将炭黑除去。采用空气与水蒸气的混合物烧炭。首先停止送入原料 烃，在蒸汽中加入少量的空气，送入催化剂床层进行 烧炭，催化剂层温度控制在70OC以上，大约经过8h 即可将炭黑除去。二、工艺条件的选择压力由于转化反应的化学平衡可知，甲烷蒸汽转化反应宜在较低 压力下进行。但目前行业上均采用加压蒸汽转化，一般压力控制 在 3.54.0MPa，最高达 5.0MPa。温度一段转化炉出口温度是决定转化气从出口组成的主要因素， 提高温度和水碳比，可降低残余的甲烷含量。为了降低蒸汽消耗， 可通过降低一段转化炉的水碳比但要保持残余甲烷含量不变，则 必须提高温度。而温度对转化炉的炉管使用寿命影响

6、很大，温度 过高，炉管使用寿命缩短。因此在可能的条件下，转化炉的出口 温度不宜太高，如大型氨厂压力为3.2MPa时，出口温度控制在 80OC。二段转化炉出口温度在二段压力、水碳比和出口残余甲烷含 量确定后，即可确定下来。3.水炭比水碳比是转化炉进口气体中，水蒸气与含烃原料中碳物质量 之比，它是原料气的组成因素，在操作变量中最容易改变。提高 进入转化系统的水碳比，不仅有利于降低甲烷的平衡含量，也有 利于提高反应速率，还可以防止析炭反应的发生。但水碳比过高， 一段转化炉蒸汽用量将会增加，系统阻力也将增大，导致能耗增 加。因此水碳比的确定应当综合考虑。目前节能性的合成氨流程 中蒸汽转化的水碳比一般控制在2.52.75。.4.空间速率空间速率表示每平方米催化剂每小时处理的气量，简称“空 速”。工业装置空速的确定受到多方面因素的制约，不同的催化剂 所采用的空速并不相同。当空速提高时，生产强度加大，同时有 利于传热，降低