制氢装置流程及关键设备介绍

1、制氢装置简介,制作人：李先生,*石化公司,*石化公司,16万标方/小时制氢装置是公司的新建装置,一、装置概述,工艺路线：,主要单元：,原料精制、预转化、转化、高温变换、变压吸附,以天然气、干气和石脑油为原料的轻烃水蒸汽转化法,主要产品：,合格氢气,用氢单位：,渣油加氢、加氢裂化、柴油加氢、硫磺等,一、装置概述,技术路线：,造气部分引进Technip公司低能耗蒸汽转化制氢技术 吸附部分采用成都华西工业气体有限公司PSA净化工艺,技术特点：,技术先进、成熟可靠、灵活节能,转化炉的 参数特点：,三高：高转化入口温度、高转化出口温度、高碳空速 一低：低水碳比 特点：代表当今较先进的制氢技术水平。,二、

2、工艺原理,预转化气在转化炉管内通过转化催化剂的作用，与配入的水蒸汽发生蒸汽转化反应 ，生成氢气和一氧化碳，同时伴生CO2和少量的残余CH4。,核心反应,转化气中含有的一氧化碳在变换催化剂的作用下与水蒸汽发生反应，进一步生成氢气和二氧化碳。,原料气在一定的温度、压力和空速条件下，借助加氢催化剂、脱硫剂、脱氯剂作用，把原料气中硫化物、氯化物脱除，以保护后续催化剂的正常运行。,精制原料气在预转化催化剂的作用下，烃类发生一系列的热裂解、脱氢、甲烷化反应，生成甲烷和氢气。,二、工艺原理,加氢反应是制氢工艺中一个重要的反应，它是原料精制部分的起始步骤，它进行的好坏将直接影响到下一步脱硫反应的进行。加氢反应

3、的主要作用是把原料气中复杂的有机硫通过加氢反应转变为简单的无机硫，即硫化氢。脱硫反应是加氢生成的硫化氢与氧化锌反应，将硫进行脱除的过程。,预转化反应是原料气和水蒸汽在高活性镍催化剂上发生反应烃类转化成甲烷的过程： CmHn + mH20 mCO + (m+n/2)H2 CO + 3H2 CH4 + H20 CO + H20 CO2 + H2,CO高温变换是将转化气中的CO与水蒸气继续反应生成CO2和氢气。 CO + H20 CO2 + H2,PSA,二、工艺原理,三、工艺过程,生产工艺过程,三、工艺过程,生产工艺过程,三、工艺过程,精制后的原料气，按水碳比2.3mol/mol与工艺蒸汽混合，再

4、经转化炉对流段中原料/蒸汽预热段预热至470，进入预转化反应器。预转化反应器为一绝热反应器，在催化剂的作用下，发生一系列的热裂解、催化裂解、脱氢、加氢、积碳、氧化、变换、甲烷化反应，生成富含甲烷的气体。,三、工艺过程,出预转化反应器的气体富含甲烷，温度426，按总水碳比2.85mol/mol配入工艺蒸汽，再经转化炉对流段预热至595 ，由上集合管进入转化炉辐射段。,三、工艺过程,由转化气蒸汽发生器来的340转化气进入高温变换反应器，在催化剂的作用下发生变换反应，将变换气中CO降至3%左右。为了提高CO的变换率，增加产品氢的收率，变换部分设置两段反应器。第一段反应器出口残余CO含量约为4.4%，

5、出口温度约416。第一段反应器出口变换气经过冷却至340后，进入第二段反应器进一步发生变换反应，反应出口温度为352，残余CO含量降至3.0%左右，变换气经一系列的换热器冷却降温至40，并经分水后进入PSA部分。,PSA,三、工艺过程,变换,转化,加氢 脱硫,氢气,蒸汽,燃料气,PSA,天然气 干气 石脑油,预转化,三、工艺过程,三、工艺过程,四、关键设备介绍-转化炉,顶烧炉,底烧炉,侧烧炉,梯台炉,转化炉为制氢装置的核心设备，通过转化炉烃类 和水蒸汽发生一系列的反应，生成氢气和其它副产物。,四、关键设备介绍-转化炉,顶烧炉,以I.C.I和 Kellogg为代表,燃烧器布置在辐射室顶部，转化管

6、受热形式为单排管受双面辐射，火焰与炉管平行，垂直向下燃烧，烟气下行，从炉膛底部烟道离开辐射室。这种炉型的对流室均布置在辐射室旁边。 大型化的制氢炉大都选用顶烧炉（约占75%）。,四、关键设备介绍-转化炉,侧烧炉,以丹麦TOPSE公司为代表,燃烧器在辐射室的侧墙，火焰附墙燃烧。早期转化管的受热形式多为炉膛中间的双排管受侧墙的双面辐射，由于受热形式不好，操作条件苛刻时，炉管易弯曲，现在大部分都改为单排管受双面辐射的形式。这种炉子的烟气上行，对流室置于辐射室顶部，大型装置的对流室考虑到结构及检修等原因，对流室经常放置在辐射室旁边 。,四、关键设备介绍-转化炉,梯台炉,以美国FOSTER WHEELE

7、R （福斯特*惠勒）公司为代表,辐射室侧墙呈梯台形，燃烧器火焰沿倾斜炉墙平行燃烧，通过炉墙向转化管辐射传热。与侧烧炉类似，转化管可以为双排或单排。这种炉子的对流室全部置于辐射室顶部，烟气上行，采用自然抽风，没有引风机。,四、关键设备介绍-转化炉,底烧炉,目前多用于 小型装置,燃烧器位于辐射室底部，烟气上行。,1、提供的热量与介质流向相 同，适合转化反应的要求。 2、炉管受热均匀，有利于延长炉管的使用寿命。 3、燃烧器数量少，调节方便，维护量小。 4、占地面积小，对流段设置于地面上，安装和检修都较为方便，汽包安装高度亦大大降低。,四、关键设备介绍-转化炉,特点,图片,四、关键设备介绍-转化炉,炉

8、型结构比较,传热方式,炉型结构比较,工况的适应,炉型结构比较,热强度及管壁温度分布不同的传热方式，导致不同炉型具有不同的热强度和管壁温度分布。顶烧炉火焰集中在炉膛顶部，所以该处辐射传热能力非常强，具有非常高的局部热强度，同时该处的管壁温度也为最高。最高管壁温度和热强度同时在转化管顶部出现峰值是顶烧式转化炉的特点。该特点造成转化管有较高的设计壁温。对于侧烧和梯台转化炉，燃烧器均匀分布在沿管长方向的不同标高，辐射传热比较均匀，可避免该峰值，从而降低设计壁温，减少转化管壁厚，节约高合金炉管，或允许较高的转化气出口温度，以降低残余甲烷，提高氢的产率。在管壁设计温度相同时，侧烧炉和梯台炉可以允许较大的总

9、平均管壁热强度，这样传热面积会相应减少，转化管数量有所下降。底烧炉在传热性能上，具有炉顶热强度低，炉底热强度高的特性，因而炉管壁温变化最大，特别是炉底处炉管壁温是所有炉型中最高，对炉管寿命十分不利，为了控制最高管壁热强度不超标，只能选用很低的平均热强度，造成管材的巨大浪费，所以大型装置都不采用底烧炉。,炉型结构比较,结构特点顶烧炉的所有转化管排均在同一炉膛内，排列比较紧凑，节省占地面积，适于大型化。侧烧炉和梯台炉由于是两个辐射室并列排列，所以在炉管数量相同时，占地面积较大，大型化有一定的困难。顶烧炉的燃烧器数量较少，密集排列在炉顶，燃料配管及空气配管相应简化，但炉顶结构比较复杂。侧烧炉燃烧器数

10、量较多，分布在辐射室侧墙，燃料配管及空气配管较多。,操作便利性,操作情况顶烧炉的燃烧器都集中在炉顶，造成炉顶的操作条件比较恶劣，由于炉顶的温度非常高，炉顶布置又非常紧密，正常操作过程中调节燃烧器有一定难度。侧烧炉和梯台炉的燃烧器均布置在侧墙，操作条件和缓，对正常操作好处较大。但侧烧炉由于燃烧器数量较多，点火时花费的时间比顶烧炉要长。,四、关键设备介绍-压缩机,原动机带动曲轴旋转，而曲轴通过连杆与活塞杆相连，连杆将曲轴的旋转运动转换为活塞的往复运动，活塞在汽缸内对气体进行压缩工作过程演示 整个工作过程分吸气、压缩和排气三个过程 压缩机的理想工作过程是：压缩机没有余隙容积，吸、排气过程没有阻力损失

11、，吸、排气过程中与外界没有热量交换；没有泄漏。,由于压缩机结构、制造、装配、运转等方面的需要，气缸中某些部位留有一定的空间或间隙，将这部分空间或间隙称为余隙容积,往复式压缩机工作过程,四、关键设备介绍-压缩机,实体图,压缩机整体,1气缸；2活塞；3气缸；4气阀；5-填料；6活塞杆； 7十字头；8连杆；9曲轴；10机身；11滑道； 12挡油圈；13中体；14流量调节器（补助余隙容积）； 15流量调节器（压、开进气阀）；16润滑油泵；17注油器,压缩机实体图,压缩机实体图,气固相催化反应器可分三大类： 固定床反应器； 流化床反应器； 移动床反应器。 固体催化剂颗粒堆积起来所形成的固定床层静止不动，

12、气体反应物自上而下流过床层，进行反应的装置称作固定床反应器。,四、关键设备介绍-反应器,4.1.1 固定床反应器的优缺点 固定床层内的气相流动接近平推流，有利于实现较高的转化率与选择性； 可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力； 结构简单、催化剂机械磨损小，适合于贵金属催化剂； 反应器的操作方便、操作弹性较大。,相对于流化床反应器，固定床反应器缺点 催化剂颗粒较大，有效系数较低； 催化剂床层的传热系数较小，容易产生局部过热； 催化剂颗粒的更换费事，不适于容易失活的催化剂。,4.1.2 固定床反应器类型 固定床反应器形式多种多样，按床层与外界的传热方式分类，可有以下几类： 绝热式固定床反应器， 多段绝热式固定床反应器， 列管式固定床反应器， 自热式反应器。,1.绝热式固定床反应器 反应器外壳包裹绝热保温层，使催化剂床层与外界没有热量交换。中空圆筒的底部 放置搁板，上面堆放固体催化剂。气体从上而下通过催化剂床层。 结构简单，床层横截面温度均匀。单位体积内催化剂量大，即生产能力大。但只适用于热效应不大的反应。,38,绝热式固定床反应器可分为轴向反应器和径向反应器。 (1)轴向绝热式固定床反应器 如图(a)所示。这种反应器结构最简单，实际上是一个容器，催化剂均匀堆置于床内，预热到一定温