天然气水蒸气转化设计
化工工艺学课后习题
课后习题思考题（第一章）1 现代化学工业的特点是什么？2 化学工艺学的研究范畴是什么3 简述石油化工原料乙烯的用途4 利用合成气可以合成哪些产品5 你觉得应该如何来学习该门课程？6 化学工艺与化学工程有何不同?思考题（第二章）√1 为什么说石油、天然气和煤是现代化学工业的重要原料资源？它们的综合利用途径有哪些？2生物质和再生资源的利用前景如何？3 何谓化工生产工艺流程？举例说明工艺流程是如何组织的。
4 何谓循环式工艺流程？它有什么优缺点？5 何谓转化率？何谓选择性？对于多反应体系，为什么要同时考虑转化率和选择性两个指标？6 催化剂有哪些基本特征？它在化工生产中起到什么作用？在生产中如何正确使用催化剂？7 在天然气开采中，有时可获得含有C6～C8烃类的天然汽油，为了改善其辛烷值，用蒸馏塔除去其中的轻组分。
如果天然汽油、塔顶馏出物和塔底中等辛烷值汽油的摩尔百分数组成为：物料名称天然汽油中等辛烷值汽油塔顶馏出物1. C6H14 25 0 602. C7H16 25 21.5 303. C8H18 50 78.5 10假设它们的密度为0.8g/cm3，那么，从5000桶天然汽油中能生产出多少吨中等辛烷值汽油？（1桶= 42 US加仑，1US加仑=3.78541dm3, 1dm3 =103cm3）8 某蒸馏柱分离苯-甲苯混合物，其质量组成各占50%，进料流量为10000kg/d，从柱顶冷凝器回收的产品含95%苯；柱底馏出物含95%甲苯。
离开柱顶进入冷凝器的产物蒸气流量是8000kg/d，全部冷凝为液体后，部分产品作为回流液返回蒸馏柱的上部，其余取出即为产品。
求回流与取出产品量之比。
在一个加氢裂化器中，较大分子烃经加氢裂解成较小分子烃。
已知输入和输出的烃类组成为：a) 烃类输入输出b) C5H12 10 mol%c) C6H14 40 mol%d) C7H16 20 mol%e) C12H26 100 mol% 30 mol%（1）每100 kmol原料烃可生产出多少C5～C7烃产品？（2）每100 kmol原料烃消耗多少氢气？（3）如果原料烃的密度是0.9 g/cm3,输出烃的密度是0.8 g/cm3,那么每输出10 m3的烃物料需要输入多少m3原料烃？9 假设某天然气全是甲烷，将其燃烧来加热一个管式炉，燃烧后烟道气的干基摩尔组成为86.4%N2、4.2%O2、9.4%CO2。
天然气蒸汽转化制氢装置能耗分析
4 结语
随着国家对环境保护的日益重视，节能减排成为重要的战 略方向°本文根据现有OCU装置的工艺，按照节能减排的原 则对原工艺进行了优化，并进行了经济性及环保性分析°优化 后的新工艺能够有效的利用碳四选择性加氢反应放出的热量&
1.0000
0.9000
T-原料天然气，Nm3
0.8000
■■-燃料天然气，Nm3
0.7000
T-合计天然气，Nm3
0.6000
■><■■电耗，Kw TK-循环水，t
0.5000
■除盐水，kg
0.4000
T—外输3.5MPaG熬汽，kg
0.3000
0.2000
Y-原料天然气，Nm3 燃料天然气，Nm3
11
温度/h
0.0038 0.6 40
注：其中总硫含量均按照20X 10 6考虑°
2.2氢气纯度对天然气蒸汽转化制氢装置能耗的影 响分析
2.2.1 顶烧方箱炉流程装置能耗分析 由于顶烧方箱炉一般适用于较大规模的制氢装置，因此本
节主要针对规模较大，例如产氢量为10000,20000 Nm3/h和 30000 Nm3/h,且产品氢纯度分别为99. 9%、99. 99%和 99. 999%时制氢装置的能耗进行分析°考虑100%负荷时，主
2不同氢气纯度及规模下天然气蒸汽转化制氢装置 能耗分析
考虑到不同的炉型可能对转化反应的传热有一定的差异& 将对两种常见的炉型进行分析：顶烧方箱炉和顶烧圆筒炉，两 种炉型的结构和适用规模不尽相同°
由于圆筒炉的炉管排布呈圆周布置，燃烧器集中于转化炉 中心位置，导致了转化炉管单侧受高温热，因此只适用于较小 的生产规模；而方箱炉中的燃烧器可均匀分布，转化炉管受热 均匀，因此适用于较大的生产规模°本文将对两种炉型的流程 分别进行分析&以保证结果严谨性°
化工工艺复习思考题2009.9
22 一氧化碳变换的反应是什么？影响该反应的平衡和速度的因素 有哪些？如何影响？为什么该反应存在最佳反应温度？最佳反应温 度与哪些参数有关？ 23 为什么一氧化碳变换过程要分段进行，要用多段反应器？段数 的选定依据是什么？有哪几种形式的反应器？ 24 一氧化碳变换催化剂有哪些类型？各适用于什么场合？使用中 注意哪些事项？ 25 由渣油制合成气过程包括哪几个步骤？渣油气化的主要设备是 什么，有何结构特点？ 26 氨合成反应的平衡常数Ｋf随温度和压力是如何变化的？ 27 影响氨平衡浓度的因素有哪些？ 28 温度和压力对氨合成反应速率的影响。 29 惰性气体对氨合成反应的平衡氨浓度及反应速率的影响。 30 氨合成催化剂活性组分与助剂的作用。 31 在氨合成工艺流程中，排放气为什么在循环压缩机前，而氨冷 则在循环压缩机之后？ 32影响尿素合成的因素有哪些？
11 高碳烯烃与苯缩合制十二烷基苯时使用什么催化剂？工艺条件 的选择与催化剂有什么关系？ 12 何谓模拟移动床？举例说明在化工中的应用。 13 为什么UOP法生产烷基苯时，正构烷烃脱氢制变碳烯烃的产物 中，高碳烯烃的含量仅为10%左右？ 14 正构烷烃脱氢过程通入水蒸气的作用是什么？ 15 根据热力学分析，正构烷烃脱氢过程原料的氢烃比为零时，平 衡转化率最高，但生产中氢烃比为什么是6～8？ 16 按原料来源分类，脂肪酸有哪几类？简述生产原理及工艺。 17 油脂水解产物中，甘油浓度控制在20%～24%，而不是更低或 更高，为什么？ 18 评价油脂水解有哪些指标？这些指标的单位及含义。 19 天然脂肪酸与合成脂肪酸各有哪些特点？
第二部分 1 了解原油经常减压蒸馏后制取化工原料的主要途径。 2 影响催化裂化反应的主要操作参数有哪些? 3 催化重整化学反应主要由哪些? 4 分析催化重整反应的热力学和动力学特性。 5 比较并讨论催化重整过程第一台与最后一台反应器的差别（反 应速率、组成变化、温降等）。 6 根据热力学反应标准自由焓△GT☉和化学键如何判断不同烃类 的裂解反应难易程度、可能发生的裂解位置及裂解产物。 7 解释烷烃、环烷烃及芳烃裂解反应规律，造成裂解过程结焦生 炭的主要反应是哪些？ 8 在烃类裂解过程,为提高乙烯收率，如何实现高温、短停留时间 和低烃分压？ 9 在原料确定的情况下，从裂解过程的热力学和动力学出发，为 了获取最佳裂解效果，应选择什么样的工艺参数（停留时间、温度 、压力┅┅），为什么？ 10 提高裂解反应温度的技术关键在何处，应解决什么问题才能最 大限度提高裂解温度？
化学工艺学课后习题答案
第2章化学工艺基础2-1 为什么说石油、天然气和煤是现代化学工业的重要原料资源？它们的综合利用途径有哪些？答：石油化工自20世纪50年代开始蓬勃发展至今，基本有机化工、高分子化工、精细化工及氮肥工业等产品大约有 90%来源于石油和天然气。
90%左右的有机化工产品上游原料可归结为三烯（乙烯、丙烯、丁二烯）、三苯（苯、甲苯、二甲苯）、乙炔、萘和甲醇。
其中的三烯主要有石油制取，三苯、萘、甲醇可有石油、天然气、煤制取。
2-2生物质和再生资源的利用前景如何？答：生物质和再生能源的市场在短期内不可能取代，传统能源的市场，但是在国家和国际政策的指引下，在技术上的不断突破中，可以发现新能源在开始慢慢进入试用阶段，在石油等传统资源日益紧张的前提下，开发新能源也是势不可挡的，那么在我国生物质作现阶段主要仍是燃烧利用，但是越来越的的研究开始往更深层次的利用上转变，估计在未来的一段时间生物质能源会开始慢慢走入人们的视线2-3何谓化工生产工艺流程？举例说明工艺流程是如何组织的？答：化工生产工艺流程——将原料转变成化工产品的工艺流程。
教材上有2个例子。
2-4何谓循环式工艺流程？它有什么优缺点？答：循环流程的特点：未反应的反应物从产物中分离出来，再返回反应器。
循环流程的优点：能显著地提高原料利用率，减少系统排放量，降低了原料消耗，也减少了对环境的污染。
循环流程的缺点：循环体系中惰性物质和其他杂质会逐渐积累，对反应速率和产品产率有影响，必须定期排出这些物质以避免积累。
同时，大量循环物料的输送会消耗较多动力。
2-5何谓转化率？何谓选择性？对于多反应体系，为什么要同时考虑转化率和选择性两个指标？答：转化率是指某一反应物参加反应而转化的数量占该反应物起始量的百分率。
选择性是指体系中转化成目的产物的某反应物量与参加所有反应而转化的该反应物总量之比。
在复杂反应体系中，选择性表达了主、副反应进行程度的相对大小，能确切反映原料的利用是否合理。
化工工艺习题
1、干法脱硫中，能把大部分有机硫转化为无机硫的方法是 A. 钴-钼加氢法；B .氧化锌法 C 活性炭法；D 氧化铁法
2、低温变换催化剂的主要活性成分是
A 、CoO
B、MgO C 、 Fe2O3 D 、Cu
3、二乙醇胺（DEA）可用于脱除合成气中H2S和
A．NH3
B、CH4 C．CO2
D．Ar
4、改良ADA法脱硫剂的主要成分是
A．K2CO3
B、Na2CO3 C．NH4OH D．、Na2SO4
判断题
1、通过CO变换可产生更多氢气和降低CO含量。（ ）
2、合成气干法脱硫中最典型的方法是氧化锌脱硫。（ ） 3、用碳酸钾水溶液吸收合成气中的CO2是目前应用最广泛的工 业脱碳方法。（ ）
解释概念题
1、一氧化碳变换 一氧化碳和水蒸气在催化剂上反应生成氢和二氧化碳，此反应
5、尿素的合成主要分两步进行,试写出这两步反应方程式。
6、完成二氧化碳气提法生产尿素的生产流程（方框图），并简述 其过程。
7、硝酸铵的生产方法主要有？P70
8、中和法生产硝酸铵的化学反应是什么？反应类型和反应条件 如何？P70
1、普钙的主要成分P79 A、磷酸一钙 B、磷酸一钙与硫酸钙 C 硫酸钙 D 磷酸二钙
化工工艺习题
简答题
1、简述合成氨生产的主要工序及其作用
2、简述甲烷蒸汽二段转化的目的P35
3、参考图1.9天然气一水蒸气转化工艺流程示意图，简要回答问题
1）1#设备的作用是什么？ 2）2#设备的作用是什么？ 3）此工艺为何要设置二段转化？ 4）为何要向二段转化器中引入经预热至450℃左右的空气？
选择题
1、钾石盐的主要成分是什么，用钾石盐生产氯化钾的方法有哪 些？P83
化工工艺复习题及解答
1、天然气水蒸气转化合成气过程为何分为二段进行？答：从热力学角度看，高温下甲烷平衡浓度低，从动力学看，高温使反应速率加快，所以出口残余甲烷含量低，因而加压对平衡的不利影响，更要提高温度来弥补，但是在1000度高温下反应管的材质经受不了，因此，为了满足参与甲烷≤0.3%的要求，需要将转化过程分成两端进行。
2、合成氨与合成甲醇有哪些相似的地方？答：原料路线相似、制气方法相似、净化工艺大部分相似、合成工艺原理、生产方法基本相同、公用工程基本相同。
3、烃类热裂解制乙烯的过程中，结焦和生碳的机理有何不同？答：结焦是在较低的温度下（〈1200K〉通过芳烃缩合而成；生碳是在较高的温度下(1200K)通过生成乙炔的中间阶段，脱氢为稠合的碳原子4、烃类热裂解中，为何要加入水蒸气？答：水蒸汽优点：(1)降低烃分压，有利于一次反应，抑制二次反应。
(2) 水蒸气的热容较大，水蒸气升温时虽然耗热较多，但能对炉管温度起稳定作用，在一定程度上保护了炉管。
(3) 易于从裂解产物中分离，对裂解气的质量无影响，且水蒸气便宜易得。
(4) 可以抑制原料中的硫对合金钢裂解管的腐蚀作用。
水蒸气在高温下与裂解管中沉积的焦碳发生如下反应C+H2O=H2+CO实际上起了对炉管的清焦作用。
(5) 水蒸气对金属表面起一定的氧化作用，使金属表面的铁、镍形成氧化薄膜，减轻了铁和镍对烃类气体分解生碳的催化作用5、氧化脱氢法与催化脱氢法相比有哪些优点？答：①氧化脱氢反应温度较低。
②通常脱氢是吸热反应，而氧化脱氢却是放热的，可省去原先的供热设备；③由于催化剂在较低温度和氧气气氛下工作，结焦极少，所以催化剂可以长期运转；④在通常脱氢反应中，压力对平衡转化率有很大影响，但在氧化脱氢时，压力影响甚微，所以减压或用水蒸气稀释并非一定必要；⑤由于反应温度较低，有可能让转化率及选择性都获得提高。
而在通常的脱氢法中，升高温度转化率可以提高，但选择性因副反应激烈往往是下降的。
2.合成气
合成天然气、汽油和柴油
CO 3H 2 CH 4 H 2O( SNG)
Ni
煤制合成气通过费托合成可生产液体烃燃料
nCO ( 2n 1) H 2 C2 H 2 n 2 nH 2O
合成气的应用实例
合成气应用新途径
1.
直接合成乙烯等低C烯烃 2CO 4 H 2 C2 H 4 2 H 2O
水蒸气转化法 在高温和催化剂存在下，烷烃与水蒸气反应生 产合成气的方法称为水蒸气转化法。当以天然气为原料时，又 称甲烷蒸汽转化法，是目前工业生产应用最广泛的方法。 部分氧化法 部分氧化法是指用氧气(或空气)将烷烃部分氧化 制备合成气的方法。反应运式表示为, 部分氧化法多用于以石 脑油或重油为原料的合成气生产。
Mobil工艺
2. 合成气经甲醇再转化成烃类
2 2 2nCH3OH H nCH3OCH3 HC2 ~ C4烯烃 O O
3. 甲醇同系化制乙烯
CH 3OH CO 2 H 2 CH 3CH 2OH H 2O CH 3CH 2OH C2 H 4
4. 合成低C醇
合成气的应用实例
另一部分烃类与水蒸气发生吸热反应生成合成气 n Cm H n mH 2O mCO ( m ) H 2 2
iii.
以煤为原料的生产方法
高温条件下，以水蒸气和氧气为气化剂；
C H 2O CO H 2
煤制合成气中H2/ CO比值较低，适于合成有机化合物。
合成气的应用实例
1.
5 天然气蒸气转化过程的工艺条件
（1）压力 从热力学特征看，低压有利转化反应。从动力 学看，在反应初期，增加系统压力，相当于增加了反应物 分压，反应速率加快。但到反应后期，反应接近平衡，反 应物浓度高，加压反而会降低反应速率，所以从化学角度 看，压力不宜过高。但从工程角度考虑，适当提高压力对 传热有利，因为①节省动力消耗② 提高传热效率③ 提高 过热蒸汽的余热利用价值。综上所述，甲烷水蒸气转化过 程一般是加压的，大约3MPa左右。 （2）温度 从热力学角度看，高温下甲烷平衡浓度低， 从动力学看，高温使反应速率加快，所以出口残余甲烷含 量低。因加压对平衡的不利影响，更要提高温度来弥补。 但高温下，反应管的材质经受不了，需要将转化过程分为 两段进行。第一段转化800℃左右，出口残余甲烷10% （干基）左右。第二段转化反应器温度1000℃，出口甲 烷降至0.3%。
天然气蒸汽转化制氢工艺研究
煤化工与甲醇化 工 设 计 通 讯Coal Cemical MethanolChemical Engineering Design Communications·10·第47卷第5期2021年5月当前，我国现代化进程不断推进，石油资源的稀缺程度日益提升，人们已经加强了对天然气蒸汽转化制氢工艺的重视程度，氢气属于一种能量载体，其具备清洁优势及可再生优势，属于十分重要的清洁能源，氢气在工业之中用途十分广泛，不仅可以进行合成甲醇和合成氨原料气的制作，也可在煤炭之中直接加入进行原料气的制作，可作为燃料池燃料气等，本文就天然气制氢工艺进行研究，并分析了相关工艺流程。
1 天然气蒸汽转化制氢工艺原理依靠空气及天然气作为制氢工艺的应用主要原理，依靠催化剂的催化作用，以更好地实现种地温度的变化，在温度条件一定的情况下，压力值处于规定值状态下，依靠催化剂开展催化处理，以更好地进行高低温的转变，实现有效的脱硫处理，采取甲烷化工序进行制造，可使之形成质量合格的氢氮气，将其在正常的生产工序之中应用，其属于天然气蒸汽转化制氢最基本的技术原理[1]。
这一工艺应用中，必须采取压缩处理措施开展天然气的处理，并依照脱硫处理方式，将水蒸气与天然气相结合，充分对二者进行混合后，依靠镍的催化效用，将天然气转化为氢气物质，以此依靠中低温变化形式，帮助一氧化碳转化为氢气，这一气体也被称之为编花器，完成后，采取冷却及分离措施进行干预后，进行变压吸附干预，并进行甲烷的净化处理，以此获得纯度较高的氢气气体。
2 天然气蒸汽转化制氢工艺流程2.1 脱硫工艺脱硫工艺应用中，最主要的环节就是对无机硫进行脱除后，依靠硫化氢与氧化锌反应，使之内部形成结构稳定性较高的硫化物，以此对硫化氢开展有效的脱除干预，这一过程应用中，必须将硫的含量进行合理控制，以0.2×10-6以下为宜，反应发生过程中，成本较低，工业生产效率较高，必须合理进行精细脱硫剂的选择，不可将其应用于较高比例的脱硫之中，无法应用于较低脱硫之中[2]。
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天然气水蒸气转化设计
一、氢气的用途及制造方法
氢气是炼油工业中加氢裂化、加氢精制等加氢工艺中主要的原料。
在工业生产中，制氢包括两个过程，即含氢气体制造（造气）及氢气提纯（净化）。
根据不同的制氢原料和所需氢气用途不同，采用不同制造工艺，得到不同纯度的氢气。
目前制造含氢气体的原料主要是碳氢化合物，包括固体（煤）、液体（石油）及气体（天然气、炼厂气）。
水是制造氢气的另一重要原料，如电解水。
水也可以与碳氢化合物相结合制得氢气―即烃的水蒸气转化法。
二、天然气和水蒸气转化制氢
天然气是廉价的制氢原料。
天然气和油田伴生气的主要成分是CH4，杂质含量少，含硫量也低，主要是硫化氢，含少量的羰基硫和硫醇，很容易加工处理，是制氢的好原料。
天然气是由以低分子饱和烃为主的烃类气体与少量非烃类气体组成的混合气体。
目前天然气大型化工利用的主要途径是经过合成气生产合成氨、甲醇及合成油等。
而在上述产品的生产装置中，天然气转化制合成气工序的投资及生产费用通常占装置总投资及总生产费用的60%左右。
因此，在天然气的化工利用中，天然气转化制合成气占有特别重要的地
位。
以天然气为原料生产合成气的方法主要有转化法和部分氧化法。
工业上多采用水蒸气转化法，水蒸气转化是指烃类被水蒸气转化为氢气和一氧化碳及二氧化碳的化学反应。
蒸汽转化核心是转化炉，拥有天然气制氢技术的各大公司转化炉的型式、结构各有特点，上、下集气管的结构和热补偿方式以及转化管的固定方式也不同。
虽然对流段换热器设置不同，但是从进出对流段烟气温度数据可知，烟道气的热回收率相差不大。
在近期的工艺设置上，各公司普遍采用较高转化温度和相对较低水碳比的工艺操作参数设置有利于转化深度的提高，从而简化原料的消耗。
天然气蒸汽转化炉
天然气蒸汽转化炉是天然气蒸汽转化制合成气的主体设备。
它是使天然气与蒸汽混合物通过转化管（反应管）转化成富含氢、一氧化碳、二氧化碳的合成气。
转化管由外部辐射加热，管内装有含镍催化剂。
蒸汽转化炉炉型很多，按加热方法不同，大致可分为顶部烧嘴炉和侧壁烧嘴炉。
顶部烧嘴炉 外观呈方箱型结构，设有辐射室和对流室(段)，两室并排连成一体。
辐射室交错排列转化管和顶部烧嘴。
对流室内设置有锅炉、蒸汽过热器、天然气与蒸汽混合物预热器、锅炉给水预热器等。
侧壁烧嘴炉 是竖式箱形炉，由辐射室和对流室两部分组成。
辐射室沿其纵向中心排列转化管，室的两侧壁排列6～7排辐射烧嘴，以均匀加热转化管。
对流室设有天然气与蒸汽混合原料预热器、高压蒸汽过热器、工艺用空气预热器、锅炉给水预热器等
三、天然气水蒸气转化过程工艺原理
原料天然气组成：
设计规模：30万吨/天 原料气温度：25℃ 要求：H2S<20mg/m3
因为天然气中甲烷含量在80%以上，而甲烷在烷烃中是热力学最稳定的，其他烃类较易反应，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。
甲烷水蒸气转化过程的主要反应有（前三个）和可能发生的副反应有（后三个）：
O
C CO C C CO C C C O CO C O C CO O H H O H H H O H H O H H H H 222
24222222422422423CH +−→←++−→←+−→←+−→←++−−←++−→←+mol
k J mol k J mol
k J mol
k J mol
k J mol
k J H H H H H H /4.131/5.172/9.74/2.41/165/206298298298298298298-=∆-=∆=∆-=∆=∆=∆ΘΘ
ΘΘ
Θ
Θ
以上列举的主反应均是可逆反应。
其中甲烷水蒸气转化主反应式（第一个方程式）和第二个方程式是强吸热的，副反应甲烷裂解式（第四个方程式）也是吸热的，其余为放热反应。
甲烷水蒸汽转化反应必须在催化剂存在下才有足够的反应速率。
倘若操作条件下不适当，析碳反应严重时，生成的碳会覆盖在催化剂内外表面，致使催化剂活性降低，反应速率下降。
析碳是更严重时，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，迫使停工，经济损失巨大。
所以，对于烃类蒸汽转化过程特
分子式
C1 C2 C3 N2 H2S CO2 组成
0.8512
0.0284
0.0013
0.0072
0.0892
0.524
别要注意析碳。
根据查找数据根据经验值得到如下数据（在不同温度下反应生成的平衡组成）：
温度/℃平衡常数平衡组成/％
Kp CH4 H2O H2 CO2 CO 400 11.70 20.85 74.42 3.78 0.94 0.00 600 2.527 16.54 64.13 15.39 3.59 0.34 800 1.015 8.74 48.37 33.56 5.55 3.79 900 0.7329 4.55 41.38 41.84 5.14 7.09 1000 0.5612 1.69 37.09 47.00 4.36 9.85 1100 0.4497 0.49 35.61 48.85 3.71 11.33。