合成气的生产过程
2合成气(化学工艺学)解析
K P1
P CO
P3 H2
P P CH 4 H 2 O
K P2
P P CO 2 H 2 P CO P H 2 O
b.平衡组成的计算
已知条件： m原 料 气 中 的 水 碳 比 (m H2O)
CH4 P 系 统 压 力 ； T 转 化 温 度 假定：无炭黑析出
计算基准：1mol CH4 在甲烷转化反应达到平衡时，设x为按式(2-3)转化了
压力和水碳比确定后，按平衡甲烷的浓度来确定温度。一般要
求yCH4<0.005,出口温度应为1000℃ 左右。实际生产中，转
化炉出口温度比达到出口气体浓度指标对应的平衡温度高， 这个差值叫平衡温距。
T ＝T－Te（实际温度－平衡温度） 平衡温距低，说明催化剂活性好。一、二段平衡温距通常分 别为 10~15 ℃ 和 15~30 ℃ 。
为代表来讨论气态烃类蒸汽转化 的主要反应及其控制条件。
➢ 烃类主要进行的反应 烷烃
烯烃 CnH2n n2H2O34nCH4 n4CO2 CnH2n nH2OnCO2nH2 CnH2n 2nH2OnCO2 3nH2
2.1.1.1 甲烷蒸汽转化反应
主要反应
高温、催化 剂
( 1 ) C 4 H H 2 O ＝ C 3 H O 2 2.4 0 km 6 J o ( 2 ) C H O 2 O ＝ C 2 H O 2 4 .2 k 1 /m J
水碳比 反应温度 反应压力
➢ 温度增加，甲烷平衡含量下降，反应温度每降 低10℃，甲烷平衡含量约增加1.0%-1.3%；
➢ 增加压力，甲烷平衡含量随之增大；
➢ 增加水碳比，对甲烷转化有力；
➢ 甲烷蒸汽转化在高温、高水碳比和低压下进行 有利
天然气制备合成气
天然气制备合成气天然气作为一种清洁、环境友好的能源，越来越受到广泛的重视。
天然气作为一种清洁、环境友好的能源，越来越受到广泛的重视。
制合成气是间接利用天然气的重要步骤，也是天然气制氢的基础，充分了解天然气制合成气的工艺与催化剂对于我们进一步研究天然气的利用将有很大帮助。
天然气中甲烷含量一般大于90%，其余为小量的乙烷、丙烷等气态烷烃，有些还含有少量氮和硫化物。
其他含甲烷等气态烃的气体，如炼厂气、焦炉气、油田气和煤层气等均可用来制造合成气。
目前工业上有天然气制合成气的技术主要有蒸汽转化法和部分氧化法。
本文主要对蒸汽转化法进行具体的描述，并具体介绍此工艺的发展趋势。
蒸气转化法蒸气转化法是目前天然气制备合成气的主要途径。
蒸汽转化法是在催化剂存在及高温条件下，使甲烷等烃类与水蒸气反应，生成H2、CO等混合气，其主反应为：CH + H O = CO + 3H，A H © 298 = 206KJ / mol该反应是强吸热的，需要外界供热。
因为天然气中甲烷含量在90%以上，而甲烷在烷烃中热力学最稳定，其他烃类较易反应，因此在讨论天然气转化过程时，只需考虑甲烷与水蒸气的反应。
甲烷水蒸气转化反应和化学平衡甲烷水蒸气转化过程的主要反应有：CH4+ H2O o CO + 3H2，A H © 298 = 206KJ / molCH4+ 2 H2O o CO 2 + 4 H 2，A H © 298 = 165KJ /molCO + H 2 O o CO 2 + H2，A H © 298 = 74.9 KJ /mol可能发生的副反应主要是析碳反应，它们是：CH4 o C + 2H2，A H©298 = 74.9KJ /mol2CO o C + CO2，AH © 298 = -172.5 KJ /molCO + H 2 o C + H 2 O，A H © 298 = -131.4KJ /mol甲烷水蒸气转化反应必须在催化剂存在下才有足够的反应速率。
合成气的制备方法
二甲醚原料----合成气合成气的主要组分为CO和H2,可作为化学工业的基础原料,亦可作为制氢气和发电的原料。
经过多年的发展,目前以天然气、煤为原料的合成气制备工艺已很成熟,以合成气为原料的合成氨、含氧化物、烃类及碳一化工生产技术均已投入商业运行。
清洁高效的煤气化联合循环发电系统的成功开发,进一步促进了合成气制备技术的发展。
合成气的用途广泛,廉价、清洁的合成气制备过程是实现绿色化工、合成液体燃料和优质冶金产品的基础。
1合成气的制备工艺根据所用原料和设备的不同,合成气制备工艺可以分为不同的类型,目前大多数合成气制备工艺是以处理天然气和煤这2种原料的工艺为基础发展起来的。
1.1以天然气为原料的合成气制备工艺以天然气为原料制备合成气是一个复杂的反应过程,其主要的反应包括天然气的蒸汽转化反应(1)、部分氧化反应(2)、完全燃烧反应(3)、一氧化碳变换反应(4)和甲烷与二氧化碳重整反应(5)。
CH4+H2O CO+3H2+206 kJ/mol (1)CH4+0·5O2CO+2H2-36 kJ/mol (2)CH4+2O2CO2+2H2O -802 kJ/mol (3)CO+H2O CO2+H2-41 kJ/mol (4)CH4+CO22CO+2H2+247 kJ/mol (5)这几个主要反应的不同组合、不同的实施方式和生产装置,形成了天然气转化制备合成气的多种工艺。
从工艺特征上来讲,目前成熟的天然气转化制备合成气的工艺可分为管式炉蒸汽转化法、部分氧化法和两者的组合方法等三大类。
1.1.1甲烷蒸汽转化甲烷蒸汽转化的代表反应式为(1)。
工业上使用以Ni为活性组分,载体可用硅铝酸钙、铝酸钙以及难熔的耐火氧化物为催化剂,生成的合成气中H2/CO体积比约为3：0,适合于制备合成氨和氢气为主产品的工艺。
此工艺能耗高,燃料天然气约占天然气总用量的1/3,高温下催化剂易失活,设备庞大,投资和操作费用高。
1.1.2甲烷非催化部分氧化甲烷非催化部分氧化的代表反应式为(2)。
合成气生产工艺
合成气生产工艺
合成气是一种由氢气（H2）和一氧化碳（CO）组成的混合气体，通常用于化学合成、燃料生产和其他工业过程。
合成气的生产工艺主要有煤气化、重油蒸气改制和生物质气化等多种方法。
以下是其中两种主要的合成气生产工艺的简要介绍：
1.煤气化工艺：
煤气化是通过高温、高压条件下将固体煤转化为合成气的工艺。
主要步骤包括：
a.煤的预处理：煤在煤气化之前通常需要进行破碎、粉碎和脱硫等预处理，以提高气化效率。
b.煤气化反应：将预处理后的煤与气化剂（通常是水蒸气和空气或氧气的混合物）在高温高压反应器中反应，产生合成气。
c.气体清洁：合成气中可能含有杂质，需要通过气体清洁设备去除硫化物、氮氧化物等有害成分。
2.重油蒸气改制工艺：
这是一种将重质石油馏分转化为合成气的工艺。
主要步骤包括：
a.热裂解：通过加热重质石油馏分，使其分解为较轻的烃类物质。
b.蒸气改制反应：将热裂解产生的烃类物质与水蒸气在催化剂的作用下发生改制反应，生成合成气。
c.气体净化：清除合成气中的杂质，如硫化物、氮氧化物等。
这两种工艺是实现合成气生产的常见方法，选择使用哪种工艺通常取决于原料的类型和可获得的资源。
此外，生物质气化、焦炭气化等方法也在一些特定情境下被应用。
合成气是一种重要的工业中间体，在合成燃料、化学品和其他产品方面有广泛的应用。
第5章-合成气
原料：多种多样。 C1化工技术：利用合成气转化成液体和气体燃料、大吨位化工
产品和高附加值的精细有机合成产品，实现这种转化的重要 技术。 CH3OH等参与反应的化学。
C1化学：凡含一个碳原子的化合物，如CH4、CO、 CO2、HCN、
C1化工：涉及Cl化学反应的工艺过程和技术。
5.1.1
合成气的生产方法
第5章 合成气生产过程
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 概 述 由煤制合成气 由天然气制造合成气 由渣油制合成气 一氧化碳变换过程 气体中硫化物和二氧化碳的脱除
5.1
概 述
合成气：一氧化碳和氢气的混合物，英文缩写是Syngas。H2与
CO的比值随原料和生产方法不同而异，其H2／CO(摩尔比)由1 ／2到3／1。 合成气是有机合成原料之一，也是氢气和一氧化碳的来源，在 化学工业中有着重要作用。
上部为无催化剂的燃烧段，在此处一定量的CH4按下式进行不完全燃烧，释放 出热量。
下部为有催化剂的转化段，利用燃烧段反应放出的热量，进行吸热的甲烷蒸汽 转化反应[见式(5-20)]。 下部的反应条件： 2.45 MPa，950～1030℃，（下部的）颗粒状镍催化剂 （以含氧化锰和氧化铝的尖晶石为载体，具有很高的活性和耐高温性能， 可采用较高空速进行反应）。
�设臵预先转化器的目的? 主转化器：多管式反应器，反应管垂直臵于转化炉中，管外燃烧燃料供热，
转化温度900℃左右，操作压力0.7～1.2 MPa，利用烟道气余热来加热各种 原料。 调节原料混合气的CO2／CH4和H2O／CH4之比，可使转化后合成气中H2／CO 在1.8～2.7之间变动。
5.3.2
可能发生的副反应主要是析碳反应析碳：甲烷水蒸气转化反应必须在催化 剂存在下才能有足够的反应速率。 倘若操作条件不适当，析碳反应严重，生成的碳会覆盖在催化剂内外表面， 致使催化活性降低，反应速率下降。 析碳更严重时，床层堵塞，阻力增加，催化剂毛细孔内的碳遇水蒸气会剧 烈汽化，致使催化剂崩裂或粉化，迫使非正常停工，经济损失巨大。
化学工艺学 第 2 章 合成气
2.1 合成气的制取
2.1.1 烃类蒸汽转化
2.1.1.5 转化反应工艺流程及转化炉
燃料用天然气 11
8 9 过 热 蒸 汽
5
2
1 3
一段转化
4
二段转化
对流段
7 10 蒸汽 空气 原料天然气 锅炉给水 转化气去变换 6
氢氮气来自合成
天然气蒸汽转化工艺流程
1、钴钼加氢反应器；2、氧化锌脱硫槽；3、对流段；4、辐射段（一段炉）；5、二段转化炉；6、第一废热锅炉；7、批二废热 锅炉；8、汽包；9、辅助锅炉；10、排风机；11、烟囱
图解法或迭代法求解x,y
2.1 合成气的制取
2.1.1 烃类蒸汽转化
2.1.1.1 甲烷蒸汽转化反应
甲烷蒸汽转化反应的热力学分析： c.影响甲烷蒸汽转化反应平衡组成的因素
水碳比 反应温度 反应压力
2.1 合成气的制取
2.1.1 烃类蒸汽转化
2.1.1.1 甲烷蒸汽转化反应
甲烷蒸汽转化反应的热力学分析： c.影响甲烷蒸汽转化反应平衡组成的因素
2.1 合成气的制取
2.1.1 烃类蒸汽转化
2.1.1.1 甲烷蒸汽转化反应
甲烷蒸汽转化反应的热力学分析： c.影响甲烷蒸汽转化反应平衡组成的因素
温度增加，甲烷平衡含量下降，反应温度每降低 10℃，甲烷平衡含量约增加1.0%-1.3%；
增加压力，甲烷平衡含量随之增大；
增加水碳比，对甲烷转化有利； 甲烷蒸汽转化在高温、高水碳比和低压下进行有利
立式圆筒，内径约3米，高约13米；壳体材质 为碳钢，内衬不含硅的耐火材料，炉壳外保温。
上部有燃烧空间的固定床绝热式催化反应器。
第四章合成气的生产过程
1.8737 107 T2 11.894
lg K P2
2.183 T
0.09361 lg T 0.632 103 T
1.08 107 T2 2.298
图解法或迭代法求 解x,y
c. 影响转化反应平衡组成的因素 水碳比 反应温度 反应压力
水碳比的影响
P=3.5MPa、T=800℃
水碳比
水碳比为2
甲烷平衡含量％ 5.0 2.0 1.0 0.5 0.2
压力 (MPa)
温度 ℃
1
800 870 910 950 1000
2
870 950 1000 1030 1100
4
940 1020 1080 1130 1200
温度增加，甲烷平衡含量下降
（3）反应动力学 在镍催化剂表面甲烷和水蒸汽解离成次甲基和原子态氧， 并在催化剂表面吸附与互相作用，生成CO、CO2和H2
2 4 6
甲烷平衡含量(%)
18.0 7.9 1.0
水碳比越高，甲烷平衡含量越低。
反应压力影响
甲烷平衡含量％
反应压力 MPa 水碳比＝2、T＝800℃
• 压力增加，甲烷平衡 含量也随之增大。
• 在烃类蒸汽转化方法 的发展过程中，压力 都在逐步提高，主要 原因是加压比常压转 化经济效果好。
反应温度的影响
催化剂中毒 a S S≤0.5ppm,可逆性中毒
催化剂活性越高，允许S含量越低。 温度越低，S对镍催化剂毒害越大。 b As 永久性中毒
As来源:含As碱液脱碳 c 卤素 卤素 ≤0.5ppm,永久性中毒
催化剂活性下降判断方法：
甲烷含量升高;平衡温距增大;“红管”现象
（6）工业生产方法 甲烷蒸汽转化过程中控制的主要工艺条件是温度、压力、 水碳比、空气加入量等。同时还要考虑到炉型、原料、炉 管材料、催化剂等对这些参数的影响。参数的确定，不仅 要考虑对本工序的影响，也要考虑对压缩、合成等工序的 影响，合理的工艺条件最终应在总能耗和投资上体现出来。
合成气的生产过程
气体在反应后各组分的平衡分压
合成气的生产过程
(3)甲烷水蒸气转化反应热力学
(1-1) (1-2)
图解法或迭代法求解x,y
合成气的生产过程
1.甲烷水蒸气转化反应理论基础
(3)甲烷水蒸气转化反应热力学 c.影响甲烷水蒸气转化反应平衡组成的因素
水碳比
反应温度
反应压力
合成气的生产过程
4.3.2.1甲烷水蒸气转化制合成气
合成气的生产过程
2020/11/7
合成气的生产过程
第4章 合成气的生产过程
主要内容 4.1 概述 4.2 由煤制合成气 4.3 以天然气为原料制合成气 4.4 原料气脱S 4.5 CO2的脱除 4.6 CO变换
合成气的生产过程
4.1概述
4.1.1 生产方法及应用
合成气（synthesis gas or syngas) CO和H2的混合物
合成气的生产过程
鲁奇炉结构示意图 1.煤箱 2.分布器 3.水夹套 4.灰箱 5.洗涤器
合成气的生产过程
3.流化床气化法
4.2.2 水煤气的生产方法
特点 煤：粒度<10mm 流化状态 气体组成和温度均匀
温克勒炉(Winkler) 煤气组成(体积％）
H2: 35～46 CO: 30～40 CO2: 13～25 CH4: 1～2
合成气的生产过程
水 煤 气 发 生 炉
合成气的生产过程
1.固定床间歇法（蓄热法） 生产工艺条件：
温度 吹风速度 蒸汽用量 燃料层高度 循环时间
间歇气化法优缺点： 制气时不用氧气，不需空分装置。 间歇生产过程，发生炉的生产强度低，对煤 的质量要求高。
合成气的生产过程
4.2.2 水煤气的生产方法
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水碳比 H2O/CH4摩尔比
水碳比
甲烷平衡含量（%）
2
18.0
4
7.9
6
1.0
P=3.5MPa、T=800℃
水碳比越高，甲烷平衡含量越低 高水碳比有利于抑制析碳副反应
压力 反应体积增大，低压有利平衡
催化剂
镍活性成分＋助催化剂＋载体＋碱性物质
成分
助催化剂：提高活性、改善性能：金属氧化物 载体：提高表面积，防止烧结：Al2O3 或MgAl2O4尖晶石 碱性物质：中和酸性
C1化工指以合成气和甲烷为原料合成碳数为2或2个 以上化合物的化学工艺。
合成气的应用
合成氨 合成甲醇
合成醋酸
CH3OCH3 新燃料
烯烃的甲酰基化
合成天然气、汽油和柴油
新用途
煤变油
先转化为乙烯，再转化为其他 先转化为甲醇，再转化为汽油、乙烯等 直接转化为其他
目录
概述 由煤制合成气 由天然气制合成气 由渣油制合成气 一氧化碳的变换过程 脱硫与脱碳
合成气的生产过程
2020/8/13
目录
概述 由煤制合成气 由天然气制合成气 由渣油制合成气 一氧化碳的变换过程 脱硫与脱碳
合成气
合成气（syngas）：CO与H2的混合气 H2: CO=1:2~3:1
合成气的制造：许多含碳资源如煤、天然气、石油馏 分、农林废料、城市垃圾等均可用来制造合成气
利用合成气可以转化为液体和气体燃料、大宗化学品 和高附加值的精细有机合成产度：1200℃ 压力：3MPa 煤的转化率：88～95% 特点：制得的水煤气中CH4和 CO2含量较高，而CO 含量较 低，适于制备城市煤气
流化床连续式气化
以高活性煤如褐煤或某些烟煤 为原料，生成气的组成为： H2 35~46%、CO 30~40%、 CO2 13~25%、CH4 1~2%, 目前多用于制氢、氨原料气和燃料煤气
天然气
❖ 优质、相对稳定、价廉、清洁、环境友好的能源 。CH4含量>90%。
❖ 21世纪中期将是以天然气为主要能源的时代。
❖ 目前，世界上约有80％的合成氨及尿素、80％的甲 醇及甲醇化学品、40％的乙烯（丙烯）及衍生品、 60%的乙炔及炔属化学品等都是以天然气为原料生 产的。
❖ 我国天然气资源量为38万亿m3,可开采资源量为 10.5万亿m3。
析碳时H2O/CH4 热力学最小水碳比 与温度和压力有关
影响甲烷水蒸气转化反应平衡的主要因素
吸热反应，高温有利！
温度
高温还可抑制CO歧化和还原析碳的副反应
甲烷平衡含量％ 5.0 2.0 1.0 0.5 0.2
压力 (MPa) 1 2 4
温度 ℃ 800 870 910 950 1000 870 950 1000 1030 1100 940 1020 1080 1130 1200
高温不利于CO歧化析碳 高温有利于CH4裂解析碳
判断是否有析碳发生
ΔG = -RTlnKp + RTlnJp = RTln(Jp/Kp)
Jp为反应体系中各组分的压力熵 （产物与反应物实际分压的关系） Jp/Kp < 1, ΔG < 0, 有析碳 Jp/Kp＝1, ΔG＝0, 热力学析碳的边界 Jp/Kp > 1, ΔG > 0, 不析碳
制备
负载型催化剂或粘结型催化剂 浸渍法
使用
使用前还原：活性成分Ni S、As、Cl、Cu、Pb
使用中活性下降：老化、中毒、积碳
活性下降判断： 出口气中甲烷含量升高 出口平衡温距增大 “红管”现象
天然气蒸汽转化过程工艺条件
甲烷 10%
压力 加压反应，3 MPa
低压有利转化反应 高压有利于传热
温度
一段转化炉：变温反应器 <650℃→> 650℃→800 ℃ 二段转化炉：1000 ℃ 补O2 高温有利反应
n(H2O)
n(H2O)-nx-ny
n(H2)
n(H2) +3nx+ny
n(N2)
n(N2)
∑ni
(∑ni)+2nx
1
分压
p
化学平衡式＋物料衡算
Kp1和Kp2 总压和气体的初始组成
nx
平衡组成
ny
平衡分压
通过对一定条件下实际组成与平衡组成的比较，可以判断反 应速率快慢或催化剂活性高低。
高温
P164 表5-6
由煤制合成气
煤的气化：以煤或焦炭为原料，以氧气（空气 、富氧或纯氧）、水蒸汽等为气化剂，在高温 条件下，通过化学反应把煤或焦炭中的可燃部 分转化为气体的过程。
气化时所得的气体也称之为煤气，其有效成分 包括CO、H2和CH4等
气化煤气可用作城市煤气、工业燃气、合成气 和工业还原气
煤气化过程工艺原理
组分i的摩尔分数yi和分压pi分别为
CH4转化量nx CO转化量ny
组分
CH4 CO CO2 H2O H2 N2 总计
气体在反应后各组分的组成和分压
反应前 物质的量 /mol
物质的量/mol
反应后 摩尔分数
n(CH4)
n(CH4)-nx
n(CO)
n(CO)+nx-ny
n(CO2)
n(CO2) +ny
< 0.3%
水碳比
3.5 左右
天然气制合成气的工艺技术 蒸汽转化法 需要外界供热
技术成熟，目前广泛应用于生产合成气、纯氢气和合成氨原料气。
部分氧化法 自热进行
提高CO的含量
天然气蒸汽转化过程工艺原理
主反应
副反应 析碳反应 致使催化剂崩裂或粉化！！
化学平衡式
在压力不太高时，Kp仅是温度的函数。
物料衡算
若反应前体系中组分CH4、CO、CO2、H2O、H2、N2的物 质的量分别为n(CH4)、n(CO)、n(CO2)、n(H2O)、 n(H2)、 n(N2)，总压(绝对压力)为p。
Winkler气化炉
气流床连续式气化
设备：德士古气化炉
温度：2000℃ 压力：9.8 MPa
高温加压
煤的转化率：88～95%
特点：气化强度高；
生成气压力较高；
原料适应性广；
废水中不含焦油和酚
目录
概述 由煤制合成气 由天然气制合成气 由渣油制合成气 一氧化碳的变换过程 脱硫与脱碳
由天然气制合成气
气化生成的混合气称为水煤气，以上均为可逆反应， 总过程为强吸热反应。
温度：1100℃ 反应条件 压力：2.5~3.2 MPa
水蒸汽和氧气比例
煤气化生产方法和主要设备 固定床间歇式气化
间歇式 连续式
固定床（移动床） 流化床 气流床 熔融床
优点：只用空气而不用纯氧，成本和投资费用低 缺点：非制气时间较多、生产强度低，且阀门开关频繁， 阀件易损坏