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1、（中职）合成氨工艺及设备项目三、任务五教学课件项目三合成氨生产原料气制取任务五任务五 天然气蒸汽转化天然气蒸汽转化任务要求任务要求能绘出天然气蒸汽转化工艺流程能说出天然气蒸汽的转化设备知道天然气蒸汽转化的原理 能说出天然气蒸汽转化的工艺条件能说出本任务安全操作规程会正确使用本岗位消防器材和劳动防护用品一、天然气蒸汽转化流程一、天然气蒸汽转化流程图图3-14 3-14 大型氨厂天然气蒸汽转化工艺流程方框图大型氨厂天然气蒸汽转化工艺流程方框图二段蒸汽转化流程 原料天然气加压到3.84.0MPa后，进入一段转化炉加热至400后，进入加氢反应器进行加氢反应。将有机硫转化为硫化氢，然后再入脱硫槽，脱险硫
2、化氢。天然气总硫含量降至0.510-6以下，脱硫后的天然气返回一段转化炉中加入3.8MPa左右中压蒸汽，水碳比达到（3.54）1，进行吸热转化反应，由一段转化炉出来的转化气，温度达到850860，经输气管送往二段转化炉。空气加压到3.33.5MPa，配入少量水蒸气，预热到450后，入二段炉催化剂床层继续进行甲烷蒸汽反应。离开二段炉的转化气体。温度约为1000，压力为3.14MPa，残余甲烷含量0.3%左右。从二段炉出来的转化气按顺序进入废热锅炉以回收热量，产生10.5MPa的蒸汽。从废热锅炉出来的气体温度约为370，送往变换工序。二、天然气蒸汽转化设备二、天然气蒸汽转化设备1 1一段转化炉一段
3、转化炉（1）炉型梯台炉和圆筒炉顶部烧嘴炉侧壁烧嘴炉（2）转化管单管式排管式2二段转化炉三、天然气的转化原理三、天然气的转化原理 甲烷蒸汽转化是一复杂反应系统，可能发生的反应如下：主要反应 CH4+H2O CO+3H2 Q CH4+2H2O CO2+4H2 Q CO+H2O CO2+H2+Q CO2+CH4 2CO+2H2 Q副反应：CH4 C+2H2 Q 2CO CO2+C+Q CO+H2 C+H2O+Q 甲烷蒸汽转化反应是可逆、吸热、体积增大的反应，因此降低压力、提高温度有利于反应进行。由于甲烷转化速率极慢，为了加快其反应速率，必须使用催化剂。1.甲烷蒸汽转化平衡常数 甲烷蒸汽转化反应为可逆
4、的吸热反应，在一定的温度、压力条件下，当反应达到平衡时其平衡常数K p1随温度的升高而急剧增大，即温度愈高，平衡时一氧化碳和氢的含量愈高，甲烷的残余量愈少。故生产中必须先在转化炉内使甲烷在较高温度下完全转化生成一氧化碳和氢，从而降低甲烷的残余含量。3、影响甲烷蒸汽转化反应速率因素2.影响甲烷蒸汽转化反应平衡的因素（1）水碳比（2）温度 （3）压力 （1）催化剂 （2）温度 （3）氢气 （4）内扩散 4影响析炭反应的因素（1）水碳比的影响（2）转化反应设备中不同高度的气体组成的影响（3）催化剂的影响四、天然气的转化条件四、天然气的转化条件 1.压力 甲烷蒸汽转化反应是气体体积增大的反应，提高操作
5、压力对转化反应的平衡不利，甲烷的残余含量随压力的升高而增加。目前工业上均采用加压蒸汽转化法，生产中转化操作压力一般为1.44MPa。其原因有几点。氨合成反应是在高压下进行的，制得的氨合成反应是在高压下进行的，制得的氢氮气最终加压到氢氮气最终加压到151530MPa30MPa。甲烷蒸。甲烷蒸汽反应后的气体体积增加了汽反应后的气体体积增加了3 34 4倍，若倍，若预先将原料气加压到一定压力后再进行预先将原料气加压到一定压力后再进行转化，从而降低了后工序压缩功耗转化，从而降低了后工序压缩功耗（1）节省压缩功耗 1为了使甲烷转化完全，生产中需用过为了使甲烷转化完全，生产中需用过量的过热蒸汽。压力越高，
6、蒸汽的冷量的过热蒸汽。压力越高，蒸汽的冷凝温度（即露点温度）也越高，过量凝温度（即露点温度）也越高，过量蒸汽在较高温度下冷凝，并放出冷凝蒸汽在较高温度下冷凝，并放出冷凝热，余热的利用价值大。热，余热的利用价值大。（2）提高过剩蒸汽余热的利用价值2 气体加压后，体积缩小，原料气制备设备、净气体加压后，体积缩小，原料气制备设备、净化设备与热回收设备尺寸可减小，因而可减少设化设备与热回收设备尺寸可减小，因而可减少设备投资，同时加压转化可加快转化反应速率，节备投资，同时加压转化可加快转化反应速率，节省催化剂用量。省催化剂用量。（3）节省投资成本 12.温度 甲烷蒸汽转化反应是可逆吸热反应。提高温度对转
7、化反应化学平衡和反应速率角度均有利。但操作温度过高，又受到转化设备管材耐温性能的限制。平衡温距与催化剂的活性和操作条件有关，一般其值越低，说明催化剂的活性越好。工业设计中，一、二段转化炉的平衡温距通常分别在1015与1330之间。Lorem ipsum ALorem ipsum B一段转化炉出口温度 温度是决定转化气组成的主要因素。提高出口温度，要降低残余甲烷含量。但温度对转化管的寿命影响很大。中型合成氨厂转化操作压力为1.8MPa时，出口温度760。二段转化炉的出口温度 甲烷转化制取原料气的质量是由二段出口温度来控制的。在压力和水碳比确定后，要求预期的残余甲烷含量，即 可 确 定 二 段 出
8、 口 温 度。3.水碳比 加压转化时，要保证一段炉出口残余甲烷含量，转化温度主要由水碳比来控制。提高水碳比对转化有利，而且可以防止析碳反应发生。但水碳比过高，消耗的蒸汽多，过多蒸汽通过一段转化炉时，增加了系统阻力，能耗增加。所以，水碳比的选择应在不析炭的条件下尽量降低。目前，节能型的合成氨流程水碳比控制指标已从3.5降到2.52.7。4空间速度 提高空速，在单位时间内所处理的气量增加，因而提高了设备的生产能力，同时空速高，有利于传热，可延长转化管的使用寿命。但空速高，缩短了气体与催化剂的接触时间，使转化反应不完全，残余甲烷含量增加。故空速不宜不过大。不同的炉型、不同的工艺条件，采用的空速也不同
9、。目前生产中一般采用的空速为8001800-1。五、天然气的转化装置五、天然气的转化装置 甲烷在氨合成过程为惰性气体，惰性气体多不利于氨的合成反应。为了充分利用原料，降低消耗，甲烷尽可能转化完全，一般要求转化气中甲烷含量小于0.5%。为兼顾设备材质和工艺条件，工业上目前普遍采用两段转化法。1两段转化就是将转化反应分为两段进行3、由于转化反应是吸热反应。在一段转化炉内，其反应所需的热量由天然气在管外燃烧提供，二段转化炉所需的反应热由空气和一段转化气中部分可燃气体反应获得。4、二段转化炉的空气加入量的多少直接影响二段转化管出口气体组成和温度。因而空气的多少应满足氨合成反应对（H2+CO）/N2=3
10、.13.2的要求。一般情况下，一、二段转化气中残余甲烷含量分别控制在10%和0.5%。为降低能量的消耗，新工艺中对一、二段转化炉的负荷进行调整，降低一段转化炉的负荷，增加二段转化炉负荷。一段转化炉出口气体中甲烷含量由传统流程的10%提高到30%左右，降低一段转化的反应温度，减少燃料天然气的用量，使较多的甲烷转移到二段炉转化。在二段转化炉中加入过量空气或富氧空气，以保证甲烷转化的要求。六、天然气蒸汽转化岗位安全操作及环保措施六、天然气蒸汽转化岗位安全操作及环保措施（一）天然气蒸汽转化生产操作1、开车2、停车3、正常操作4、不正常现象及处理方法1、开车1).检查 2).单体试车3).仪表的校验 4
11、).系统吹净和清洗5).气密试验6).烘炉7).催化剂的填装8)催化剂的升温还原2、停车3、正常操作1）正常停车2）紧急停车 1）系统负荷调节 2）一段炉的操作管理 3）二段炉的操作管理4）汽包液位的控制 序号现象原因处理方法1转化管压力降变化不大，转化管超温，一段炉出口气甲烷升高催化剂中毒（1）严格控制原料烃中物质硫、氯、砷等含量。（2）提高水碳比，使催化剂逐渐恢复其活性。2转化管压力降增大，一段炉出口气甲烷升高，炉温迅速升高，转化管发红超温析碳：（1）催化剂中毒（2）水碳比低（3）转化管受热不匀（4）原料烃与蒸汽混合不匀（1）析碳较轻是地，提高水碳比队碳（2）析碳较严重时，停止原料烃，采用
12、蒸汽队碳3炉管损坏（1）烧嘴燃烧过量，使炉管超温或喷嘴不对中，火焰偏斜，使炉管局部过热（2）催化剂中毒、析碳、粉碎、老化、活性降低，或有架桥（3）开停车频繁，温度波动大，管内介质腐蚀（1）经常观察和调整烧嘴燃烧情况，防止炉温过高或发生偏火现象（2）控制好原料烃含硫量，控制好水碳比，防止催化剂中毒和析碳（3）确保流量与温度平稳，严防波动4、不正常现象及处理方法序号现象原因处理方法4炉鸣（1）气体燃烧的生成物体积迅速膨胀（2）燃料气中带有液态燃料，遇热迅速气化而燃烧，并伴随未燃气体的二次燃烧或爆炸燃烧，造成整个炉子发生嗡嗡的响声，并不断颤抖（3）燃气压力突升造成振动（1）若炉鸣是因开炉点火速度过快
13、引起的，则应灭掉部分烧嘴，使共振现象消除（2）若气体燃料中带液，应设置气液分离器（3）应迅速降压。待振动停止后，再慢慢加火提压，使燃烧正常5转化气中甲烷含量高（1）炉温太低（2）水碳比低（3）原料烃中高碳烷烃含量增多或原料气带油（4）催化剂中毒（1）适当提高炉温（2）适当提高水碳比（3）用分子筛除去原料气中高碳烷烃，加强原料气除油操作（4）加强原料气脱硫管理，防催化剂中毒（二）环保措施2保持装置各设备良好运行保持装置各设备良好运行状态，努力降低设备的泄状态，努力降低设备的泄漏率，对发现泄漏的设备漏率，对发现泄漏的设备及时处理，并做好有关环及时处理，并做好有关环保措施，减少漏点对环境保措施，减少
14、漏点对环境造成的污染造成的污染。1在一般生产过程中，在一般生产过程中，没有特殊情况，严禁没有特殊情况，严禁容器中污水就地排放，容器中污水就地排放，人为造成对环境的污人为造成对环境的污染染。113在正常生产时，杜绝在正常生产时，杜绝各塔、容器顶直接向各塔、容器顶直接向大气放空，减少废气大气放空，减少废气对大气的污染对大气的污染。4由于气体放空时的噪音很大，由于气体放空时的噪音很大，装置中对主要放空点安装消音装置中对主要放空点安装消音器：氧气放空消音器、开工抽器：氧气放空消音器、开工抽引器消音器等，有效地减少了引器消音器等，有效地减少了噪音对周围环境及人体的危害。噪音对周围环境及人体的危害。任务小结任务小结思考与练习思考与练习1天然气是如何通过蒸汽转化为合成氨原料气的？2画出天然气蒸汽转化流程。3在天然气蒸汽转化过程中，是如何确定操作压力、温度、水碳比和空间速度的？4天然气转化过程为什么要分为二段？二段转化炉的主要反应有哪些？5在正常生产中，是如何管理一、二段转化炉？