如何提高甲烷蒸汽转化率

#*实习答辩论文*如何提高甲烷蒸汽转化率姓名：刘飞单位：化工厂甲醇实习岗位：转化压缩如何提高甲烷蒸汽转化率刘飞摘要：依据甲醇生产的工艺原理，针对在生产学习过程中遇到的问题以及在实际操作中需应注意的几个问题，在本次的论文中集中阐述了甲醇转化反应中影响操作的几大因素：操作温度、操作压力、水碳比、催化剂、空速、二氧化碳的加入量等，并且根据影响的因素提出了改进转化反应的方法。关键词：甲烷蒸汽转化反应反应率操作压力操作温度空速催化剂水碳比二氧化碳的加入量1、前言影响蒸汽转化反应得的主要因素主要是是操作温度、操作压力、水碳比、空速、二氧化碳加入量以及催化剂等等。这些工艺操作条件互相影响，也互相的制约，因此在实际生产中不能只顾及它们本身对反应的影响，还要考虑到这些因素的变化带来的其他条件的变化影响。对操作参数的确定，不仅要考虑对本工序的影响，也要考虑对压缩合成等工艺的影响，不能仅仅考虑到本岗位的作用。在对这些影响因素分析下，提出了一些可以提高反应的措施和建议。使得可以较好的减小能耗和投资，并且对其他岗位产生积极作用。概述：蒸汽转化反应过程中的主要工艺操作参数是温度、压力、水碳比、空速、二氧化碳加入量等。不能只考虑到工艺操作条件对反应本身的影响，还要考虑到转化炉的炉型、原料、炉管材料、催化剂选择等这些因素的影响。而且制定合理的操作参数，不仅要考虑对本工序的影响，也要考虑对下到工序，如压缩、合成岗位的影响，因此合理的工艺操作条件可以最大的提高转化反应的效率。同样，提高甲烷的转化率也要考虑到对生产的影响，我们不能只为了提高它的转化率而不考虑它对生产及设备等的影响。影响甲烷蒸汽转化的因素3.1、操作压力天然气蒸汽转化的主要反应是甲烷与水蒸气反应，是以水蒸气为氧化剂，在Ni催化剂的作用下,将天然气中的烃类物质转化，得到一氧化碳、二氧化碳与氢的反映，是摩尔数增加的反应。从化学平衡角度来看，增加压力对反应不利。甲烷蒸汽转化主反应方程式：(水碳比〉3.3)CH+2H0(g)=CO+4H-165.1kJ/mol(3-1)4222CH+4HO(g)2=CO+3H-206.29kJ/mol2(3-2)CO+副反应有HO(g)2=CO+H+41.16kJ/mol22(3-3)2CO=CO+C-172.5Kg/mol(3-4)2CO+H=HO+C-131.47Kg/mol(3-5)22CH=2H+C+74.9Kg/mol(3-6)42由此可以看出，压力越高，出口气体平衡组成中甲烷含量越高，在温度较低时，影响尤为显著。为了减少出口气中甲烷含量，在加压的同时，提高水碳比和温度。只要水碳比和温度提高，即使压力较高，也可以使出口气体平衡中甲烷含量降低。虽然压力对反应平衡不利，但天然气蒸汽转化的操作压力的发展趋势仍是加压到3.0〜6.0MPa,其主要原因是加压下操作节省能耗。当在6.0MP下操作时，甚至可以省去C102新鲜气压缩机。甲烷蒸汽转化反应的气体混合物摩尔数增加1.67〜2.0倍，压缩反应物比压缩生成物所消耗的功要节约得多；同时，由于甲醇是在更高压力下合成的，合成气压缩的功耗与压缩前后的压缩比的对数成正比，压缩机吸入压力越高，功耗越低。同时，转化压力越高，水蒸汽分压也越高，气体露点温度越高，蒸汽冷凝利用价值越大，可回收热量越多。当然，转化压力提高，还可以使同样规模的甲醇装置的设备减小，设备投资减小，催化剂用量也可减少。为了降低设备投资、提高产量，可加压至1.6—2.0MPa，设计压力为1.9—2.0Mpa,目前压力在1.66Mpa左右，因此可以从整体上节省资金，尽管天然气压缩投资与动力消耗增加，但可以减少合成气压缩动力消耗。3.2、操作温度从以上化学平衡方程式来看，提高操作温度对转化反应有利，因为转化反应是一个强吸热的过程。

可降低残余甲烷的含量。但温度对转化管的寿命影响严重，提高操作温度对所需要的材质要求较高。根据我车间的生产状况，在其他参数不变情况下，可以得到以下两组数据:图3-1不同操作温度下出口残余甲烷含量的比较序号转化炉出口温度(。C)转化炉出口残余甲烷含量(vol)17405.2627603.2437702.89由此可见，提高反应得操作温度可以见地转化炉出口甲烷含量，不但节省了成本，而且减少甲烷这种在合成反应中的惰性气体有助于合成甲醇的反应。但是以上提到温度对材质得要求和对寿命的影响，如对HK40材料制成的合金钢管而言，炉壁温度从950摄氏度增加10摄氏度，其使用寿命从84000h减少到60000h。考虑到炉管管壁温度存在轴向与周向的不均匀性，为使炉管有较长的寿命，最高炉壁温度不超过930摄氏度，所以炉管炉气温度应维持在830摄氏度以下。在长期的生产中，我们可以得到在压力等其他条件一定的情况下，每提高转化管出口温度10°C,残余甲烷含量减少约1%,转化管壁温度增加14C。工业生产中，转化炉出口气体实际温度比出口气体组成所对应的平衡温度要高，这两个温度之差称为平衡温距。平衡温距与催化剂的活性及操作条件有关，其值越小，说明催化剂活性越高。甲烷蒸汽转化管式炉的平衡温距约为10〜15摄氏度。采用较好的炉墙材料，可以尽可能的减少燃料气的消耗，最大限度地的维持炉膛的高温，可保证了提高转化反应的所需要的条件。3.3、空速空速的提高意味着生产强度的提高，因此在条件允许得下要尽可能的提高空速，但是空速过高使气体在反应器中停留时间过少，因此可能反应会不充分，致使甲烷转化率降低，出口气体中甲烷残余含量增加，因此需要提高操作温度、水碳比来减少出口气体中甲烷残余含量。而且空速提高，不论是所需显热与所需化学反应热都增加，炉管的热负荷提高，必须要增加传热来适应，增加传热的方法，一种是设备不变，提高传热推动力，即提高传热温差，这样势必提高炉管外壁温度，即增加炉膛的操作温度，但这种方法增加了燃料起得消耗量和减少了炉管的寿命；另一种方法是提高传热面积，这可用减少管径，增加管束的长度的方法，来增加单位催化剂体积的传热面积，以改善传热效果，但是会引起炉管压差增大。所以综上所叙，空速的确定要从反应与传热两个方面综合考虑。3.4、催化剂合适的催化剂对转化反应同样至关重要。催化剂虽然不能使化学反应平衡移动，但它可以改变化学反应的途径，降低反应所需要的活化能，降低了工艺指标的要求。另外催化剂床层压差也对工艺气在其中逗留的时间起着一定的作用，这个时间影响着甲烷转化率。因此我们应该选择活性好，高强度抗析碳的催化剂，现阶段我们的转化催化剂是Ni催化剂具备了以上的要求。此外催化剂的床层压差也应控制在指标范围内。催化剂在有少量的硫存在的情况下会中毒失去活性，为了满足蒸汽转化时催化剂的使用条件，需要在之前将原料气中的硫去除干净，此外甲醇合成铜基催化剂对硫的作用也十分的敏感，造成不可逆的中毒。因为催化剂对硫化物，氮化物，重金属等的中毒，都会影响其活性和使用寿命，所以需要将原料气中的硫化物去除，我装置由MF-2脱硫和氧化锌两部分联合脱硫。MF—2型脱硫剂可以将有机硫热解或者是氢解，并且吸收硫化氢。硫化锌脱硫剂不仅可以脱除硫化氢之类的无机硫，还可以脱除硫醇，硫氧化碳等的有机物。吸取硫化氢的方程式：H2S+MnO=MnS+H2O（3-7）H2S+ZnO=ZnS+H2O（3-8）3H2S+Fe304+H2=3FeS+4H20（3-9）在装填催化剂的过程中，严禁将任何异物落入转化管内，使用前过筛，将其中的少量碎颗粒及粉尘除去，以减少阻力降。3.5、水碳比提高水碳比从化学平衡的角度有利于甲烷转化，而且对抑制析碳也是有利的，但水碳比提高，意味着蒸汽耗量的增加，多余水蒸气同样也要在炉管中升温，致使能耗增加，炉管热负荷增加。而且在转化后系统的冷却中，有部分水蒸气可能被带到压缩工序，致使增加压缩机的负荷，严重时可能产生压缩机撞缸的事故。因此在满足工艺要求的前提下，要尽量选取合适的水碳比以满足生产的需要，水碳比可选择在3.3-4.0左右。依据生产的经验和计算的结果，在出口温度、压力和其他情况都不变的条件下，水碳比每增加0.1，残余甲烷含量可以降低0.3%左右。3.6、二氧化碳的加入量二氧化碳的添加是为了调整气体组成，甲醇原料气生产中，二氧化碳一般在转化前加入，也可以在转化后加入。二氧化碳的加入量应满足甲醇合成工序新鲜气中的氢碳比要求：f（氢碳比）=H-CO/CO+CO（3-10）222=2.05〜2.1氢碳比为宜，在转化前加入时一般取C02:CH4=0.2：1左右，在转化后加入时，二氧化碳加入量约为转化气量的10%左右。加入的二氧化碳要求严格脱除杂质（如硫化氢等）。在转化炉前加入，由公式3-3的可逆反应可以知道，CO2可以使反应向逆方向转换，有避免了CO的损失的优点，可使得甲醇合成新鲜气中一氧化碳含量较高，甲醇质量得到提高，但是使转化工序设备尺寸和能耗相应增大。炉后补二氧化碳使得甲醇合成新鲜气中一氧化碳含量较低，二氧化碳含量较高，粗甲醇中水含量升高，甲醇质量下降。再从工艺的角度来看，在由于合成的压力较高，在转化前加入，与转化气一起进入C102压缩机升压，可以顺利的满足合成反应的压力需要，所以本装置的的二氧化碳时在转化前加入的。4、结束语本次的论文由于本人的能力有限以及工作经验的不足，使得本论文的编写水平有所下降，论文难免出现错误的地方，希望大家谅解。对于出现的错误的地方，希望大家能够积极帮助我斧正，以提高论文的质量。5、感谢语在经历了一年的实习，学习的工作已接近尾声了，这一年中有不少的领导和老师傅的教诲和提携铭感于心，也得到了不少新同事们帮助，这段经历将时我人生中不可磨灭的经历，深深帮助了我的成长，使我从一名刚踏出校门的毕业生逐渐转变成为了一名合格的石化工人，不仅有工作技能上的提高，同时也包含了思想上的进步。从各位领导、师傅及同事身上我不仅仅学习到了各种化工知识和操作技能，更重要的是从他们身上学到的那种“追求卓越”的石化精神。我将在以后的工作学习和工作中时时刻刻鞭策着自己我也必