氨的合成工艺与设备

图1.6　甲烷蒸汽转化时二段转化的影响因素
（a)水碳比＝2;（b)水碳比＝3;（c)水碳比＝4

2)甲烷蒸汽转化的工艺条件

工艺条件对转化反应及平衡组成有明显的影响。在原料一定的条件下,平衡组成主要由温度、压力和水碳比决定。反应速度还受催化剂的影响。此外,空间速度决定反应时间,从而影响转化气的实际组成。

（1)压力

升高压力对体积增加的甲烷转化反应不利,平衡转化率随压力的升高而降低。但工业生产上,转化反应一般都在2～4MPa的加压条件下进行,其原因主要是:

①烃类蒸汽转化是体积增加的反应,而气体压缩功是与体积成正比的,因此压缩原料气要比压缩转化气更节省压缩功;

②由于转化是在过量水蒸气条件下进行,经CO变换冷却后,可回收原料气大量余热。其中水蒸气冷凝热占很大比重。压力越高,水蒸气分压也越高,其冷凝温度也越高,利用价值和热效率也较高;

③由于蒸汽转化加压后,变换、脱碳到氢氮混合气压缩机以前的全部设备的操作压力都随之提高,可减小设备体积,降低设备投资费用;

④加压情况下可提高转化反应和变换反应的速率,减少催化剂用量和反应器体积。

（2)温度

一般来说,升高温度能加快反应速度,有利于甲烷转化反应（吸热)。但工业生产上,操作温度还应考虑生产过程的要求、催化剂的特征和转化炉材料的耐热能力等。

提高一段转化炉的反应温度,可以降低一段转化气中的剩余甲烷体积分数。但因受转化反应管材料耐热性能的限制,一段转化炉出口温度不能过高,否则将大大缩短炉管的使用寿命。目前一般使用HK-40高镍铬离心浇铸合金钢管,使用温度限制在700～800℃。

二段炉出口温度不受金属材料限制,主要依据转化气中的残余甲烷体积分数设计。如果要求二段炉出口气体中甲烷的体积分数小于0.5%,出口温度应在1000℃左右。

工业生产表明,一、二段转化炉出口温度都比出口气体组成相对应的平衡温度高,出口温度与平衡温度之差称为“平衡温距”,即:

ΔT＝T－T e

式中　T——实际出口温度;

　T e——与出口气体组成相对应的平衡温度。

平衡温距与催化剂活性和操作条件有关,其值越低,实际温度越接近平衡温度,说明催化剂的活性越好。工业设计中,一、二段转化炉平衡温距通常分别为10～15℃和15～30℃。

（3)原料配料中的水碳比

增大原料气中的水碳比,对转化反应和变换反应均有利,且防止析碳副反应的发生。但蒸汽耗量加大,增大了气流总量和热负荷。过高的水碳比,不仅不经济,而且使炉管的工作条件（热流密度和流体阻力)恶化。工业上比较适宜的水碳比为3～4,并视其他条件和转化条件而定。

（4)空间速度

气态烃类催化转化的空间速度有以下几种表示方式:

①原料气空速:以干气或湿气为基准,每立方米催化剂每小时通过的含烃原料的标准立方米数。

②碳空速:以碳数为基准,将含烃原料中所有烃类的碳数都折算为甲烷的碳数,即每立方米催化剂每小时通过甲烷的标准立方米数。

③理论氢空速:假设含烃原料全部转化为氢,理论氢空速是指每立方米催化剂每小时通过理论氢的标准立方米数。

空间速度表示催化剂处理原料气的能力。催化剂活性高,反应速度快,空速可以大些。在保证出口转化率达到要求的情况下,提高空速可以增大产量,但同时也会增大流体阻力和炉管的热负荷。因此,空速的确定应综合考虑各种因素。图1.7、图1.8给出了一、二段转化炉空速与压力的关系。