天然气制合成气分析解析精品PPT课件
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《天然气组成分析》课件
丙烷的能量密度较高，燃烧后 产生水和二氧化碳。
丙烷主要用于家庭和商业领域 的燃料，也可用于生产丙烯等 化学品。
丙烷
丙烷是天然气中的另一种烃类 化合物，含量通常占天然气总 量的2%~5%。
丙烷的能量密度较高，燃烧后 产生水和二氧化碳。
丙烷主要用于家庭和商业领域 的燃料，也可用于生产丙烯等 化学品。
丁烷
ABCD
样品处理困难
天然气样品中常含有水分、硫化物和其他杂质， 需要经过复杂的预处理才能进行准确分析。
标准和方法不统一
目前缺乏统一的天然气组成分析标准和规范，导 致不同实验室间的结果可比性差。
展望
新技术应用
随着色谱、质谱等技术的发展，未来天 然气组成分析的精度和效率将得到进一
步提高。
标准和方法统一
天然气是工业生产的重要原料，可用于化工、电 力、钢铁等行业。
交通燃料
天然气也可用作交通燃料，如公交车、出租车等 。
天然气的开采与运
01
02
03
天然气开采
通过钻井技术将天然气从 地下岩层中开采出来。
运输方式
经过处理后，天然气通过 管道、液化天然气等方式 进行运输。
液化天然气
液化天然气是将天然气在 极低温度下液化，以便于 储存和运输。
《天然气组成分析》ppt课 件
目 录
• 天然气简介 • 天然气组成 • 天然气组成分析方法 • 天然气组成分析的应用 • 天然气组成分析的挑战与展望
目 录
• 天然气简介 • 天然气组成 • 天然气组成分析方法 • 天然气组成分析的应用 • 天然气组成分析的挑战与展望
01
天然气简介
01
天然气简介
红外光谱法
总结词
化工工艺教学课件-第3章-原料气制取(天然气制气)
计算基准：1molCH4，水碳比为1：m， 假设转化了的甲烷为x ，变换了的一氧化碳为y
则平衡时各组分的组成见下表
物质 CH4 H2O CO H2
t＝0 1
m
0
0
CO2 合计 0 1＋m
t＝？ 组成
1-x m-x-y x-y 3x＋y y 1+m＋2x
1 x mx y x y x y
y
1m2x 1m2x 1m2x 1m2x 1m2x
预计转化气组成
已知温度 求平衡常数 求平衡组成 选择工艺条件 判断工况
例题：
一段转化炉出口温度820℃、压力3.0MPa（表）， 求水碳比为3.5的甲烷转化气成分。 平衡温距15~25℃已知温度、压力、Fra bibliotek碳比 转化气组成
例题：
由转化气组成 确定温度、压力、水碳比参数
反
应
在催化剂的表面，甲烷转化的速度比甲烷分解
1 水蒸汽重整法 CH4+H2O(g) → CO+3H2 2 部分氧化法 CH4+0.5O2 → CO+2H2 3 二氧化碳重整法 CH4+ CO2 → CO+3H2 4 自热重整法 (水蒸汽重整+部分氧化 )
水蒸汽重整法（SRM）
CH4+H2O(g) → CO+3H2+205.7kJ/mol
强吸热反应
第三章 粗原料气制取
重点
掌握粗原料气制取的方法、原理、主要设备；工艺 特点、降耗措施、三废治理
了解
烃类蒸汽转化催化剂的组成， 各种制气反应机理、工艺条件的选择原则
合成气—CO和H2的混合物
用途—纯H2和纯CO的来源、衍生多种化工产品
产品
合成气PPT课件
第五章
合成气的生产过程
1
5.1 合成气的应用及发展前景
5.1.1 应用
合成气（synthesis gas or syngas) CO和H2的混合物 1.原料：
煤 油 天然气 油页岩、石油砂 农林废料、城市垃圾
2
2.应用： （1）利用羰基合成(氢甲酰化)、羰基化及其它反应，制取一 系列重要的有机化工产品和原料，如甲醇、合成氨、甲醛、 高级醇等。 （2）合成气是氢气的主要来源之一。 （3）合成气得到的甲醇是重要的有机原料，由甲醇又可以合 成一系列有机化工产品。通常将含一个碳原于的化合物，如 CO、CO2、CH4、HCHO、CH3OH等作为起始原料，合成有 机化工中间体或产品的化学，称为碳一化学。
35
b.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
36
水
碳
水碳比 甲烷平衡含量
比
(%)
2
18.0
的
4
7.9
影
6
1.0
响
P=3.5MPa、T=800℃
水碳比越高，甲烷平衡含量越低。
37
16 甲
14
12 烷 10 平
8衡
6 4
含
2量
％ 0 1.4
2.8
3.5
反应压力 MPa
9
独立反应数的确定
• 一般说来，独立反应数等于反应系统中所 有的物质数减去形成这些物质的元素数。
• 复杂系统达到平衡时，应根据独立反应的 概念来决定平衡组成。
系统含有C，O2，CO，CO2 4种物质，由C,O 2个 元素构成，故系统独立反应式为两个。一般选式 （5－1）、（5－3）计算平衡组成。
10
合成气的生产过程
1
5.1 合成气的应用及发展前景
5.1.1 应用
合成气（synthesis gas or syngas) CO和H2的混合物 1.原料：
煤 油 天然气 油页岩、石油砂 农林废料、城市垃圾
2
2.应用： （1）利用羰基合成(氢甲酰化)、羰基化及其它反应，制取一 系列重要的有机化工产品和原料，如甲醇、合成氨、甲醛、 高级醇等。 （2）合成气是氢气的主要来源之一。 （3）合成气得到的甲醇是重要的有机原料，由甲醇又可以合 成一系列有机化工产品。通常将含一个碳原于的化合物，如 CO、CO2、CH4、HCHO、CH3OH等作为起始原料，合成有 机化工中间体或产品的化学，称为碳一化学。
35
b.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
36
水
碳
水碳比 甲烷平衡含量
比
(%)
2
18.0
的
4
7.9
影
6
1.0
响
P=3.5MPa、T=800℃
水碳比越高，甲烷平衡含量越低。
37
16 甲
14
12 烷 10 平
8衡
6 4
含
2量
％ 0 1.4
2.8
3.5
反应压力 MPa
9
独立反应数的确定
• 一般说来，独立反应数等于反应系统中所 有的物质数减去形成这些物质的元素数。
• 复杂系统达到平衡时，应根据独立反应的 概念来决定平衡组成。
系统含有C，O2，CO，CO2 4种物质，由C,O 2个 元素构成，故系统独立反应式为两个。一般选式 （5－1）、（5－3）计算平衡组成。
10
合成气的生产过程培训课件(PPT 46页)
C + 2 H2O C + CO2
CO2 + 2 H2 2 CO
H29890.3 kj/mol H298172.6 kj/mol
C + 2 H2
CH4
H298-74.9 kj/mol
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
C + H2O
高温
H298 -131.4 kJ/mol
Kp4
p(CO2) P2 (CO)
Kp5
p(H 2O) P(H 2) • P(CO)
P164 表5-6
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
H298-35.7 kj/mol
天然气蒸汽转化过程工艺原理
主反应
CH4 + H2O CH4 + 2 H2O CO + H2O
CO + 3 H2 CO2 + 4 H2 CO2 + H2
H298 206 kJ/mol H298 165 kJ/mol H298 -41.2 kJ/mol
副反应 析碳反应 致使催化剂崩裂或粉化！！
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
天然气制合成气分析解析
脱碳
变换
工艺流程充分合理地利用不同温位的余热，加热 各种物料和产生动力及工艺蒸汽。。
天然气蒸汽转化流程
天然气压缩到3.6MPa并配氢氮混合气，到一段炉的对流段3 预热至380～400℃，热源是辐射段4的高温烟道气。预热后 进钴钼催化脱硫器l，有机硫加氢成硫化氢，再到氧化锌脱 硫罐2脱除硫化氢，总含硫量降至0.5×10-6以下。脱硫后与 中压蒸汽混合，送至对流段加热到500～520℃，分流进入辐 射段4的转化管，自上而下经管内催化剂层转化反应，热量 由管外燃烧天然气提供。 反应管底部转化气温度为800～820℃，甲烷含量约9.5％，汇 合于集气管沿中心管上升，由炉顶送往二段转化炉5。二段 炉入口引入预热450℃的空气，与部分甲烷在炉顶燃烧，温 度升至1200℃，经催化剂层继续转化，二段炉出口转化气温 度约1000℃，压力3.0MPa，残余甲烷低于0.3％，(H2+CO)／ N2=3.1～3.2。二段炉出来高温转化气先后经二个废热锅炉 6,7，回收显热产生蒸汽.此蒸汽经对流段加热成高压过热蒸 汽，作为工厂动力和工艺蒸汽。转化气温度降至370℃，送 变换工段。
不同用途要求的合成气组成
用途 合成氨 合成甲醇 羰基合成高级醇 生产氢气 CO/ H2 1:3 1:2 1:1 H2>95%
一 合成气的应用实例 1. 已工业化的主要产品
(1)合成氨
N2 3H2 2NH3
20世纪初，德国人哈伯发明了由氢气和氮气直接合 成氨，并于1913年与博茨创建了合成氨工艺，由含 碳原料与水蒸气、空气反应制成含H2和N2的粗原 料气，再经精细地脱除各种杂质，得到H2:N2=3:l( 体积比)的合成氨精原料气，使其在500～600℃、 17.5～20MPa及铁催化剂作用下合成为氨。近年来 ，该过程已可在400～450℃、8～15MPa下进行。 •氨的最大用途是制氮肥，这是目前世界上产量最 大的化工产品之一，氨还是重要的化工原料。
能源化工—第15章 天然气转化制合成气讲解
图15.3 Lurgi联合转化工艺流程图 顺次进行蒸汽转化及自热转化反应。
第15章 天然气转化制合成气
15.3.2 Uhde CAR工艺 15.3.3 Topsoe ATR工艺
图15.4 CAR反应器结构示意图
图15.5 ATR反应器结构示意图
将两种转化集于一个反应器内以降低投资和提高能源效率，ATR反应器更 简单而更具应用前景。
溶液无毒，设备无腐蚀，溶液有多种再生方案，用于合
成氨装置脱CO2时通常使用压力下闪蒸加蒸汽汽提的流程。
第15章 天然气转化制合成气
15.4.2 甲烷化
甲烷化是除去合成气中CO和CO2的最后工序，使其转化 为CH4。为了减少氢的消耗，有些大型装置在脱除CO2前增设 一选择催化氧化工序。将CO转化为CO2，CO浓度可降至1～ 2mL/m3。
以空气代替纯氧使天然气部分氧化制含氮合成气它可以节省空分装置 及相应费用、并有助于克服飞温问题。
第15章 天然气转化制合成气
15.3 联合转化工艺
天然气 脱硫
蒸汽 氧气或空气
一段转化 二段转化 合成气
图 天然气联合转化制合成气过程
第15章 天然气转化制合成气
15.3.1 Lurgi联合转化工艺
2）压力：由于CH4的蒸汽转化反应是分子数增加的反 应，所以压力的升高是不利的；但从总体安排考虑， 蒸汽转化还是要在适当压力下进行。
3）水碳比：较高的水碳比有助于CH4的转化。
第15章 天然气转化制合成气
15.1.2氮氢合成气生产工艺流程
用于合成氨的氮氢合成气需在天然气转化过程中导入 氮，通常采用两段转化工艺：在一段进行蒸汽转化，使出 口气中的CH4含量降至10％以下，二段导入空气，利用 CO及H2燃烧所产生的热量使CH4进一步转化降至0.3％左 右。转化的气体经变换工序使CO转化为CO2，在脱碳工 序脱除CO2，再经甲烷化工序除去微量碳氧化物，得到氮 气合成气去合成氨工序。
第15章 天然气转化制合成气
15.3.2 Uhde CAR工艺 15.3.3 Topsoe ATR工艺
图15.4 CAR反应器结构示意图
图15.5 ATR反应器结构示意图
将两种转化集于一个反应器内以降低投资和提高能源效率，ATR反应器更 简单而更具应用前景。
溶液无毒，设备无腐蚀，溶液有多种再生方案，用于合
成氨装置脱CO2时通常使用压力下闪蒸加蒸汽汽提的流程。
第15章 天然气转化制合成气
15.4.2 甲烷化
甲烷化是除去合成气中CO和CO2的最后工序，使其转化 为CH4。为了减少氢的消耗，有些大型装置在脱除CO2前增设 一选择催化氧化工序。将CO转化为CO2，CO浓度可降至1～ 2mL/m3。
以空气代替纯氧使天然气部分氧化制含氮合成气它可以节省空分装置 及相应费用、并有助于克服飞温问题。
第15章 天然气转化制合成气
15.3 联合转化工艺
天然气 脱硫
蒸汽 氧气或空气
一段转化 二段转化 合成气
图 天然气联合转化制合成气过程
第15章 天然气转化制合成气
15.3.1 Lurgi联合转化工艺
2）压力：由于CH4的蒸汽转化反应是分子数增加的反 应，所以压力的升高是不利的；但从总体安排考虑， 蒸汽转化还是要在适当压力下进行。
3）水碳比：较高的水碳比有助于CH4的转化。
第15章 天然气转化制合成气
15.1.2氮氢合成气生产工艺流程
用于合成氨的氮氢合成气需在天然气转化过程中导入 氮，通常采用两段转化工艺：在一段进行蒸汽转化，使出 口气中的CH4含量降至10％以下，二段导入空气，利用 CO及H2燃烧所产生的热量使CH4进一步转化降至0.3％左 右。转化的气体经变换工序使CO转化为CO2，在脱碳工 序脱除CO2，再经甲烷化工序除去微量碳氧化物，得到氮 气合成气去合成氨工序。
合成气的生产过程(PPT116张)
1.活性组分
Ni是工业化催化剂唯一活性组分，以NiO存在。 高活性：Ni晶粒小（稳定） 较大比表面（Ni/Al2O3)
2.助催化剂：
Al2O3、MgO、CaO、TiO2、MoO3、稀土氧化物 助剂用量一般为Ni含量的10％以下
2.载体
载体作用：使镍的晶体尽量分散，达到较大的比表面以 及阻止镍晶体熔结。载体还具有足够机械强度，使催
共沉淀法是指在溶液中含有两种或多种阳离子,它
们以均相存在溶液中,加人沉淀剂,经沉淀反应后,可 得到各种成分的均一的沉淀,它是制备含有两种或两 种以上金属元素的复合氧化物超细粉体的重要方法 。
b.浸渍法 镍晶粒小，分散度高 镍含量低，活性较低 NiO与载体不易生成新化合物，易还原成金属镍
3.催化剂的制备和还原 （1）制备方法 c.混合法
p CH 4
K P 1
p CO 2 K P 2 2 p CO
p H O 2
p p CO H 2
K P 3
(2) 析 炭 动 力 学
• 由CO歧化反应生成碳的速度比同一 条件下CH4裂解反应生成碳的速度要 快3~10倍。 • 碳与水蒸汽的反应比碳与CO2的反应 的脱炭速度快2~3倍，而碳与氢的反 应速度则较慢。 • 碳与CO2的脱炭速度比由一氧化碳歧 化反应生成炭的速度快10倍左右。
化剂在贮藏、运输、装卸和使用中不易破碎和粉化。
镍熔点：Tm=1454 ℃
载体类型：(熔点大于2000℃金属氧化物）。
原因：抑制烃类在催化剂表面酸性中心上的裂解析碳 。
(1)耐火材料烧结型
• 高温烧结的α - Al2O3, MgO-Al2O3等材料 为载体。
• 用浸渍法将含镍盐和促进剂的溶液负载到 预先成型的载体上，再加热分解和煅烧。 • 因活性组分集中于载体表层，10－15％ （以NiO计）。 • 负载性催化剂。
Ni是工业化催化剂唯一活性组分，以NiO存在。 高活性：Ni晶粒小（稳定） 较大比表面（Ni/Al2O3)
2.助催化剂：
Al2O3、MgO、CaO、TiO2、MoO3、稀土氧化物 助剂用量一般为Ni含量的10％以下
2.载体
载体作用：使镍的晶体尽量分散，达到较大的比表面以 及阻止镍晶体熔结。载体还具有足够机械强度，使催
共沉淀法是指在溶液中含有两种或多种阳离子,它
们以均相存在溶液中,加人沉淀剂,经沉淀反应后,可 得到各种成分的均一的沉淀,它是制备含有两种或两 种以上金属元素的复合氧化物超细粉体的重要方法 。
b.浸渍法 镍晶粒小，分散度高 镍含量低，活性较低 NiO与载体不易生成新化合物，易还原成金属镍
3.催化剂的制备和还原 （1）制备方法 c.混合法
p CH 4
K P 1
p CO 2 K P 2 2 p CO
p H O 2
p p CO H 2
K P 3
(2) 析 炭 动 力 学
• 由CO歧化反应生成碳的速度比同一 条件下CH4裂解反应生成碳的速度要 快3~10倍。 • 碳与水蒸汽的反应比碳与CO2的反应 的脱炭速度快2~3倍，而碳与氢的反 应速度则较慢。 • 碳与CO2的脱炭速度比由一氧化碳歧 化反应生成炭的速度快10倍左右。
化剂在贮藏、运输、装卸和使用中不易破碎和粉化。
镍熔点：Tm=1454 ℃
载体类型：(熔点大于2000℃金属氧化物）。
原因：抑制烃类在催化剂表面酸性中心上的裂解析碳 。
(1)耐火材料烧结型
• 高温烧结的α - Al2O3, MgO-Al2O3等材料 为载体。
• 用浸渍法将含镍盐和促进剂的溶液负载到 预先成型的载体上，再加热分解和煅烧。 • 因活性组分集中于载体表层，10－15％ （以NiO计）。 • 负载性催化剂。
能源化工—天然气转化制合成气PPT课件
大型装置生产合成气，目前均采用联合转化工艺，即将甲烷的 蒸汽转化与部分氧化相结合，这不仅可获得所需的氢碳比，而且显著降 低了能耗。
使 用 换 热 式 转 化 炉 生第产8（页/C共O32＋页H 2 ） 合 成 气 时 ， 二 段 自 热 转 化 则
变换
H2。 在合成氨及制氢装置中、均需将合成气中的CO转化为CO2，同时产生 CO变换系放热反应.低温有利于CO的转化。早期采用高温变换只能将
第15页/共32页
工艺
工艺
图15.4 CAR反应器结构示意图
图15.5 ATR反应器结构示意图
将两种转化集于一个反应器内以降低投资和提高能源效率，ATR反应器更
简单而更具应用前景。
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•
离子传输膜制合成气工艺
（1）以流化床代替固定床的气化工艺
（2）采用离子传输膜 （氧传输膜）以省去空分装置
天然气大宗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。其中天然气转化制 合成气通常占总生产费用的60%。 • 什么是合成气？
指H2 和CO的混合气。
• 合成气的用途是什么？
是有机合成原料之一；是H2和CO的来源。 转化成液体和气体燃料，转化成高附加值的精细
化学品。
C1化学和C1化工
• 合成气的来源是什么？ 含碳资源，如煤、天然气、石油馏分（主要为石 脑油和渣油）、农林废料、城市垃圾等。
Coal
Petroleum
salt Natrural gas
第19页/共32页
第20页/共32页
一段转化
二段转化
图13-3 榆天化工艺图
第21页/共32页
图13-4 一段转换炉第22页/共32页 图13-5 二段转换炉
使 用 换 热 式 转 化 炉 生第产8（页/C共O32＋页H 2 ） 合 成 气 时 ， 二 段 自 热 转 化 则
变换
H2。 在合成氨及制氢装置中、均需将合成气中的CO转化为CO2，同时产生 CO变换系放热反应.低温有利于CO的转化。早期采用高温变换只能将
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工艺
工艺
图15.4 CAR反应器结构示意图
图15.5 ATR反应器结构示意图
将两种转化集于一个反应器内以降低投资和提高能源效率，ATR反应器更
简单而更具应用前景。
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•
离子传输膜制合成气工艺
（1）以流化床代替固定床的气化工艺
（2）采用离子传输膜 （氧传输膜）以省去空分装置
天然气大宗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。其中天然气转化制 合成气通常占总生产费用的60%。 • 什么是合成气？
指H2 和CO的混合气。
• 合成气的用途是什么？
是有机合成原料之一；是H2和CO的来源。 转化成液体和气体燃料，转化成高附加值的精细
化学品。
C1化学和C1化工
• 合成气的来源是什么？ 含碳资源，如煤、天然气、石油馏分（主要为石 脑油和渣油）、农林废料、城市垃圾等。
Coal
Petroleum
salt Natrural gas
第19页/共32页
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一段转化
二段转化
图13-3 榆天化工艺图
第21页/共32页
图13-4 一段转换炉第22页/共32页 图13-5 二段转换炉
合成气的生产过程培训课件.pptx
5.三类气化炉的炉内温度分布比较
天然气
优质、相对稳定、价廉、清洁、环境友好的能源。 CH4含量>90%.
(1)对于碳与氧气的反应，一般认为先生成CO2，然后 CO2再与碳反应生成CO.
rC = kyO2
O2的一级反应
T < 775℃，动力学控制 T > 900℃ ，扩散控制
增加扩散反应速率措施： a 气速↑ b 颗粒直径 ↓
775℃ < T < 900℃ ，过渡区
（2）C与CO2的还原反应在2000℃ 以下， 属于动力学控制，反应速率大致为CO2 的一级反应。
5.2由煤制合成气
5.2.1煤气化的基本原理
5.2.1.1化学平衡 （1）以空气为气化剂时
C + O2 =CO2 C +1/2O2 =CO C + CO2 = 2CO CO + 1/2O2 =CO2
-393.777KJ/mol (5-1) -110.595KJ/mol (5-2) +172.284KJ/mol (5-3) -283.183KJ/mol (5-4)
实际生产时按以下6个步骤的顺序完成工作循环：
吹风阶段：吹入空气，提高燃料层温度， 吹风气放空，1200 ℃结束。
蒸汽吹净：置换炉内和出口管中的吹风 气，以保证水煤气质量。
一次上吹制气：燃料层下部温度下降， 上部升高。
下吹制气：使燃料层温度均衡 二次上吹制气： 将炉底部下吹煤气排
净，为吸入空气做准备。 空气吹净：此部分吹风气可以回收。
P = PH2 + PCH4 + PH2O + PCO + PCO2 ③ 根据水中氢与氧的物料平衡
PH2 + 2 PCH4 = PCO + 2PCO2
天然气制合成气课件
蒸汽转化炉
利用蒸汽将天然气转化为合成气，是转化反应的核心设备。
燃烧器
为蒸汽转化炉提供热量，确保转化反应的顺利进行。
余热回收系统
回收转化反应产生的余热，提高能源利用效率。
合成气分离与提纯设备
1 2
冷凝器
将合成气中的水蒸气冷凝成液态水，便于后续分 离。
洗涤塔
用化学溶剂吸收合成气中的酸性气体，提高合成 气的纯度。
噪声控制
采取有效的隔音、降噪措施，降低生产过程中产生的噪声对周围环境 的影响。
安全措施与事故预防
设备安全
防火防爆措施
确保设备运行稳定、安全可靠，定期进行 维护和检修，防止设备故障引发的事故。
严格控制可燃物料的储存和使用，采取有 效的防火防爆措施，防止火灾和爆炸事故 的发生。
应急预案
ห้องสมุดไป่ตู้
安全培训与教育
制定完善的事故应急预案，明确应急处置 流程和责任人，确保在事故发生时能够迅 速、有效地进行处置。
多元化原料来源
拓展天然气制合成气的原料 来源，如煤、生物质等，实 现多元化原料供应，降低对 单一资源的依赖。
技术经济性
提高天然气制合成气的技术 经济性，降低生产成本，增 强市场竞争力，是推动该技 术发展的重要因素。
THANKS
感谢观看
原料成本
天然气作为原料，其价格波动对成本有直接影响。
加工成本
包括催化剂、能源消耗、设备维护等费用。
运输和销售成本
将合成气运输到目标市场的费用，以及销售过程中的费用。
天然气制合成气的市场竞争力分析
市场需求
01
合成气作为化工原料，市场需求稳定增长。
竞争状况
02
与其他合成气生产技术相比，天然气制合成气的竞争力分析。
能源化工—第15章 天然气转化制合成气
Coal
salt Natrural gas Petroleum
第15章 天然气转化制合成气
第15章 天然气转化制合成气
一段转化 二段转化
图13-3 榆天化工艺图
第15章 天然气转化制合成气
图13-4 一段转换炉
图13-5 二段转换炉
第15章 天然气转化制合成气
第15章 天然气转化制合成气
第15章 天然气转化制合成气 15.4 天然气制氢生产工艺
图15.3 Lurgi联合转化工艺流程图
顺次进行蒸汽转化及自热转化反应。
第15章 天然气转化制合成气
15.3.2 Uhde CAR工艺 15.3.3 Topsoe ATR工艺
图15.4 CAR反应器结构示意图
图15.5 ATR反应器结构示意图
将两种转化集于一个反应器内以降低投资和提高能源效率，ATR反应器更 简单而更具应用前景。
第15章 天然气转化制合成气
15.2 天然气的部分氢化
15.2.1 反应原理
第15章 天然气转化制合成气
（2）工艺参数的影响 1）温度。非催化条件下要使CH4获得完全转化，温度需
高于1200℃；使用催化剂，有可能使温度显著降低，从而大
大降低能耗并抑制析炭反应。 2）压力。作为分子数增加的反应，压力的升高是不利的。 但这决定于总体安排。 3）氧比。按化学汁量关系氧比应为0.5、随比上升，温度
下运行，并达到90％以上的热力学平衡转化。CO和H2的选择性高达95 ％。基本避免了高温非催化部分氧化工艺伴生的燃烧生成CO2的反应， 能耗大幅降低.制得的合成气H2/CO比接近2。 与蒸汽转化和联合转化相比，反应器体积小、效率高、能耗低，投 资和合成气成本可显著降低。 天然气催化部分氧化的首要关键是催化剂，现主要集中在过渡金属 （Ni，Co和Fe）及贵金属（Pt族金属），避免积炭是研究重心。此外， 由于在上况条件下（高温、高压及CH4/O2＝2），体系处于燃烧和爆炸 极限内，需解决安全问题。由于部分氧化反应的高放热性质，防止催化
salt Natrural gas Petroleum
第15章 天然气转化制合成气
第15章 天然气转化制合成气
一段转化 二段转化
图13-3 榆天化工艺图
第15章 天然气转化制合成气
图13-4 一段转换炉
图13-5 二段转换炉
第15章 天然气转化制合成气
第15章 天然气转化制合成气
第15章 天然气转化制合成气 15.4 天然气制氢生产工艺
图15.3 Lurgi联合转化工艺流程图
顺次进行蒸汽转化及自热转化反应。
第15章 天然气转化制合成气
15.3.2 Uhde CAR工艺 15.3.3 Topsoe ATR工艺
图15.4 CAR反应器结构示意图
图15.5 ATR反应器结构示意图
将两种转化集于一个反应器内以降低投资和提高能源效率，ATR反应器更 简单而更具应用前景。
第15章 天然气转化制合成气
15.2 天然气的部分氢化
15.2.1 反应原理
第15章 天然气转化制合成气
（2）工艺参数的影响 1）温度。非催化条件下要使CH4获得完全转化，温度需
高于1200℃；使用催化剂，有可能使温度显著降低，从而大
大降低能耗并抑制析炭反应。 2）压力。作为分子数增加的反应，压力的升高是不利的。 但这决定于总体安排。 3）氧比。按化学汁量关系氧比应为0.5、随比上升，温度
下运行，并达到90％以上的热力学平衡转化。CO和H2的选择性高达95 ％。基本避免了高温非催化部分氧化工艺伴生的燃烧生成CO2的反应， 能耗大幅降低.制得的合成气H2/CO比接近2。 与蒸汽转化和联合转化相比，反应器体积小、效率高、能耗低，投 资和合成气成本可显著降低。 天然气催化部分氧化的首要关键是催化剂，现主要集中在过渡金属 （Ni，Co和Fe）及贵金属（Pt族金属），避免积炭是研究重心。此外， 由于在上况条件下（高温、高压及CH4/O2＝2），体系处于燃烧和爆炸 极限内，需解决安全问题。由于部分氧化反应的高放热性质，防止催化
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注：水碳比为2
高温有利甲烷转化，还要控制副反应。 T>750℃，析碳严重，沉积。
一 合成气的应用实例
合成气 合成气
NH3
改进的费托合成催化剂
乙烯、丙烯
合成气
锌、铬系催化剂
铑络合物－HI催化剂
甲醇
醋酸
高压、380℃
3MPa，175℃
铜、锌系催化剂
汽油、烯烃、芳烃
乙二醇
中低压、230－270℃
甲醇同系化 乙醇
乙烯
合成气 ＋ 丙烯醇
1,4－丁二醇
第二节 天然气制造合成气
天然气
优质、清洁、环境友好的能源。
一 以天然气为原料的生产方法
水蒸气转化法 Steam reforming
CH4 H2O CO 3H2 H (298K ) 206kJ / mol
特点：目前工艺多采用的方法，H2/CO＝3， 以天然气为原料的大型合成氨厂广泛采用。
强吸热反应
非催化部分氧化法 Partial oxidation
（一）甲烷水蒸气转化反应和化学平衡
主反应
变换反应
CH 4 C 2H2
副反应 （析碳） 2CO C CO2
H
Hale Waihona Puke 29874.9kJ/
mol
H
298
172.5kJ
/
mol
CO H2 C H2O
H
298
131.4kJ
/
mol
析炭危害
炭黑覆盖在催化剂表面，堵塞微孔，降 低催化剂活性。 影响传热，使局部反应区产生过热而缩 短反应管使用寿命。 催化剂内表面炭与水蒸气反应，使催化 剂破碎，影响生产能力。
(3)合成醋酸
首先将合成气制成甲醇，再将甲醇与CO羰基化合成 醋酸.
1960年.德国的BASF公司将甲醇羰基化合成醋酸的 工艺工业化，此法比正丁烷氧化法和乙醛氧化法工 艺更经济。BASF公司的工艺需要70MPa高压.醋酸 收率90％。1970年，美国Monsanto公司推出了低压 法工艺，开发出一种新型催化剂(碘化物促进的铑络 合物)使甲醇羰基化反应能在180℃和3～4 MPa的温 和条件下进行，醋酸收率高于99％，现已成为生产 工业醋酸的主要方法。并且，带动了有关羰基过渡 金属络合物催化作用的基础研究，促进了合成气化 学和C1化工的发展。
CO ＋ 3H2
B
蒸汽催化转化
CO＋H2
2.45MPa，950~1030℃，H2/CO可在0.99~2.97间灵活调节，空速大
Sparg工艺 :关键解决热效应和催化剂结碳
Ni催化剂
CH4＋CO2
2CO ＋ 2H2
△Hθ ＝ 247kJ/mol 298 K
CH4＋CO2
水蒸汽 预转化器
主转化反应器
预转化器：天然气中的C2和更重的烃，更易积炭，使用较
天然气制合成气
第一节
概
述
第二节 天然气制合成气
第三节 一氧化碳变换过程
第四节 二氧化碳的脱除
第一节 概述
合成气（synthesis gas or syngas)
CO和H2的混合物 — 合成气中H2和CO比例随原
料和生产方法不同而异，其H2/CO(mol)从0.5~3。
用途
生产氢气; 生产CO; 有机合成原料之一 原料来源
新工艺
自热式催化转化部分氧化法
节能、灵活调节H2/CO比
（ART工艺）
甲烷-二氧化碳催化氧化法
ATR工艺
CH4＋O2＋H2O
（Sparg）
A: CH4 ＋ 3/2O2＝CO ＋2H2O CO与O2反应速度慢，CO选择性好
A
部分氧化 △H2θ98 K＝ －519kJ/mol
Ni催化剂
B:CH4＋H2O
CH4 1 / 2O2 CO 2H2 H(298K) 35.7kJ / mol
CH4 CO2 2CO 2H2 H(298K) 247kJ / mol
特点：无催化剂，反应 温度高1000-1500℃ ；
H2/CO＝2，更适合于甲醇
的合成和F-T汽油合成；消 耗氧气，投资和生产费 用较高，需廉价氧 。
影响甲烷蒸汽转化反应 平衡组成的因素
反应温度 水碳比 反应压力
反应温度的影响
甲烷平衡含量％ 5.0 2.0 1.0 0.5 0.2
压力 (MPa) 1 2
温度 ℃ 800 870 910 950 1000 870 950 1000 1030 1100
4
940 1020 1080 1130 1200
防止析碳的原则
第一，使转化过程不在热力学析碳的条件下进行，蒸汽 用量大于理论最小水碳比，是防止析碳的前提。
第二，选择适宜的操作条件。例如：原料的预热温度不 要太高，采用变温反应器。
第三，选用适宜的催化剂并保持活性良好。
第四，检查炉管内是否有积碳，可通过观察管壁颜色， 转化管内阻力增加，可帮助判断。当催化剂活性下 降时，可采用减少原料流量，提高水碳比等除碳。
低温度、较高活性的未硫化催化剂(300~350℃),使其转化.
主转化器：硫钝化的Ni基催化剂，抗积炭，以防止H2偏低
造成积炭。 (900℃，0.7~1.2MPa)
利用烟道气预热加热各种物料
调节原料气的CO2/CH4和 H2O/CH4，保障 H2/CO 在1.8~2.7 之间
2. 天然气蒸汽转化过程工艺原理
– 煤、天然气、石油馏分、农林废料、城市垃圾
不同用途要求的合成气组成
用途 合成氨 合成甲醇 羰基合成高级醇 生产氢气
CO/ H2 1:3
1:2
1:1
H2>95%
一 合成气的应用实例
1. 已工业化的主要产品
(1)合成氨 N2 3H2 2NH3
20世纪初，德国人哈伯发明了由氢气和氮气直接合 成氨，并于1913年与博茨创建了合成氨工艺，由含 碳原料与水蒸气、空气反应制成含H2和N2的粗原 料气，再经精细地脱除各种杂质，得到H2:N2=3:l( 体积比)的合成氨精原料气，使其在500～600℃、 17.5～20MPa及铁催化剂作用下合成为氨。近年来 ，该过程已可在400～450℃、8～15MPa下进行。 •氨的最大用途是制氮肥，这是目前世界上产量最 大的化工产品之一，氨还是重要的化工原料。
(2)合成甲醇
将合成气中H2／CO的摩尔比调整为2.2左右， 在260～270℃、5～10MPa及铜基催化剂作用 下可以合成甲醇。 甲醇可用于制醋酸、醋酐、甲醛、甲酸甲酯、 甲基叔丁基醚等产品；由甲酵脱水或者由合成 气直接合成生成的二甲醚(CH3OCH3)，其十六 烷值高达60，是极好的柴油机燃料，燃烧时无 烟，NOx排放量极低，被认为是2l世纪新燃料 之一。此外，目前正在开发甲醇制汽油、甲醇 制低碳烯烃、甲醇制芳烃等过程。