合成氨原料气
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1. 蒸汽转化反应的基本原理
天然气的主要成分为甲烷，约占90%以上，研究天然气蒸汽转化原理可以甲烷为例来进行。
甲烷蒸汽转化反应为一复杂的反应体
系，但主要是蒸汽转化反应和一氧化碳的变换反应。
主反应：
c. 采用空气与水蒸气的混合物烧炭。首先停止送入原料烃，在蒸汽中加入少量的空气，送入催化剂床层进行烧炭，催化剂层温度控制在700℃以上，大约经过8h即可将炭黑除去。
三、 工艺条件的选择
1. 压力
由于转化反应的化学平衡可知，甲烷蒸汽转化反应宜在较低压力下进行。但目前行业上均采用加压蒸汽转化，一般压力控制在3.5~4.0MPa，最高达5.0MPa。
CH4+H2O===CO+3H2
CH4+2H2O===CO2+4H2
CH4+CO2===2CO+2H2
CH4+2CO2===3CO+H2+H2O
CH4+3CO2===4CO+2H2O
CO+H2O===CO2+H2
副反应：
CH4===C+2H2
2CO===C+CO2
CO+H2===C+H2O
以天然气制取氢气具有如下特点：
1) 天然气既是原料气也是燃料气无需运输，且能耗低、消耗低、成本最低，适合于较大规模的制氢。
2) 自动化程度高、安全性能高。 Nhomakorabea3) 与煤造气比占地面积小，无污染、无废渣、环保性能好。
天然气与煤炭、石油并称目前世界能源的三大支柱。天然气的蕴藏量和开采量都很大。随着世界经济的发展，石油危机的冲击和煤、石油所带来的环境污染问题的日益严重，能源结构是必将逐步发生变化。因此以天然气为原料的，制取合成氨原料气必将成为一种很重要的途径。
二段转化炉出口温度在二段压力、水碳比和出口残余甲烷含量确定后，即可确定下来。
3. 水炭比
水碳比是转化炉进口气体中，水蒸气与含烃原料中碳物质量之比，它是原料气的组成因素，在操作变量中最容易改变。提高进入转化系统的水碳比，不仅有利于降低甲烷的平衡含量，也有利于提高反应速率，还可以防止析炭反应的发生。但水碳比过高，一段转化炉蒸汽用量将会增加，系统阻力也将增大，导致能耗增加。因此水碳比的确定应当综合考虑。目前节能性的合成氨流程中蒸汽转化的水碳比一般控制在2.5~2.75。.
4) 气-固相催化反应 甲烷的蒸汽转化反应，在无催化剂的参与的条件下，反应的速度缓慢。只有在找到了合适的催化剂镍，才使得转化的反应实现工业化称为可能，因此转化反应属于气-固相催化反应。
2. 化学平衡及影响因素
3. 反应速率及影响速率
在没有催化剂的情况时，即使在相当高的温度下，甲烷蒸汽转化反应的速率也是很慢的。当有催化剂存在时，则能大大加快反应速率；甲烷蒸汽转化反应速率对反应温度升高而加快，扩散作用对反应速率影响明显，采用粒度较小的催化剂，减少内扩散的影响，也能加快反应速率。
4. 空间速率
空间速率表示每平方米催化剂每小时处理的气量，简称“空速”。工业装置空速的确定受到多方面因素的制约，不同的催化剂所采用的空速并不相同。当空速提高时，生产强度加大，同时有利于传热，降低转化管外壁温度，延长转化管寿命。但过高的空速会导致转化管内阻力增加，而对装置来说合适的阻力降是确定空速最重要的因素。另外空速过高，气体与催化剂接触时间段，转化反应不完全，转化气中甲烷含量将升高。
以气态烃为原料，生产合成氨原料气的方法按热量供给的方式不同，主要有以下两种：
1) 蒸汽转化法 蒸汽转化法分两段进行，现在一段炉装有催化剂的转化管内，蒸气与气态烃进行吸热的转化反应，反应所需热量由管外提供。气态烃转化到一定程度后，送入装有催化剂的二段炉内，加入适量的空气，与部分可燃性气体燃烧，为剩余的烃进一步转化提供热量，同时为合成氨的生产提供氮气。该法投资省、能耗低，是生产合成氨最经济的方法，目前在国内得到广泛应用。
2. 温度
一段转化炉出口温度是决定转化气从出口组成的主要因素，提高温度和水碳比，可降低残余的甲烷含量。为了降低蒸汽消耗，可通过降低一段转化炉的水碳比但要保持残余甲烷含量不变，则必须提高温度。而温度对转化炉的炉管使用寿命影响很大，温度过高，炉管使用寿命缩短。因此在可能的条件下，转化炉的出口温度不宜太高，如大型氨厂压力为3.2MPa时，出口温度控制在800℃。
2) 除炭方法
a. 当析炭较轻时，采用降压、减少原料烃流量、提高水碳比等方法可除炭
b. 当析炭较严重时，采用水蒸气除炭，反应是如下：
C+H2O==
=CO+H2
在水蒸气除炭过程中首先停止送入原料烃，继续通入水蒸气，温度控制在750~800℃，经过12～24h即可将炭黑除去。
c. 烃类碳原子数越多，裂解析炭反应越容易发生。
d. 催化剂的活性降低，烃类不能很快转化，也增加了裂解析炭的可能性。
5. 炭黑生成的抑制及除炭方法
1) 抑制炭黑生成的方法
a. 保证实际水碳比大于理论最小水碳比
b. 选用活性好，热稳定行好的催化剂
c. 防止原料气及蒸汽带入有害物质，保证催化剂的良好活性
4. 影响析炭反应的因素
副反应的产物炭黑覆盖在催化剂表面，会堵住催化剂的微孔，降低催化剂的活性，增加床层阻力，影响生产力。
在甲烷蒸汽转化反应中影响析炭的主要因素如下：
a. 转化反应温度越高，烃类裂解析炭的可能性越大。
b. 水蒸气用量增加，析炭的可能性越小，并且已经析出的炭黑也会与过量的水蒸气反应而除去，在一定的条件下，水碳比降低则容易发生析炭现象。
2) 气体体积增大反应 一分子甲烷和一分子水蒸气反应后，可以生成一分子CO和三分子H2，因此当其他条件确定时，降低压力有利于正反应的进行，从而降低转化气中甲烷的含量。
3) 吸热反应 甲烷的蒸汽转化反应是强吸热反应，为了使正反应进行的更快、更彻底，就必须由外界提供大量的热量，以保持较高的反应温度。
参考文献：李平辉 田伟辉 编著 《合成氨原料气的生产》.化学工业出版社.2009年10月
一、 概述
制取合成氨的原料气的气态烃主要有天然气，此外还有炼厂气、油田气、焦炉气及裂解气等。天然气蕴藏在地下多孔层岩石中，是一种多组分的混合气体，主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数（含量在90%以上），另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水分，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。天然气相对密度0.65，比空气轻，具有无色、无味、无毒的特性。在800℃高温、一定压力及催化剂作用下，天然气中烷烃和水蒸气发生化学反应，可得到含有H2、CO、CO2、N2、CH4的转化气。
以气态烃为原料，不论采用哪种生产方法所制取得的半水煤气，都应该满足以下要求：
a. （CO+H2）/N2=(3.1~3.2):1
b. CH4残余量<0.5%
c. O2残余量<0.2%
d. 炭黑含量<10mg/m3
e. 不饱和碳氢化合物为痕量
二、 天然气蒸汽转化的基本原理
副反应既消耗了原料，并且析出的炭黑沉积在催化剂表面将使催化剂失活，因此必须抑制副反应的发生。
转化反应的特点如下：
1) 可逆反应 在一定的条件下，反应可以向右进行生成CO和H2，称为正反应；随着生成物浓度的增加，反应也可以向左进行，生成甲烷和水蒸气，称为逆反应。因此生产中必须控制好工艺条件，是反应向右进行，生成尽可能多的CO和H2。
2) 间歇催化转换法 间接催化转换法的生产过程分为吹风和制气两个阶段，并不断交替进行。在吹风阶段，气态烃与空气在燃烧炉内燃烧，生成的烟道气使催化剂达到烃类蒸汽转化反应所需的温度。在制气的阶段，气态烃与蒸汽在催化剂层进行转化反应，制取合成氨原料气。该法不需要制氧装置，投资省、建厂快，但热利用率低、原料烃消耗高、操作复杂，因而应用受到限制。
天然气的主要成分为甲烷，约占90%以上，研究天然气蒸汽转化原理可以甲烷为例来进行。
甲烷蒸汽转化反应为一复杂的反应体
系，但主要是蒸汽转化反应和一氧化碳的变换反应。
主反应：
c. 采用空气与水蒸气的混合物烧炭。首先停止送入原料烃，在蒸汽中加入少量的空气，送入催化剂床层进行烧炭，催化剂层温度控制在700℃以上，大约经过8h即可将炭黑除去。
三、 工艺条件的选择
1. 压力
由于转化反应的化学平衡可知，甲烷蒸汽转化反应宜在较低压力下进行。但目前行业上均采用加压蒸汽转化，一般压力控制在3.5~4.0MPa，最高达5.0MPa。
CH4+H2O===CO+3H2
CH4+2H2O===CO2+4H2
CH4+CO2===2CO+2H2
CH4+2CO2===3CO+H2+H2O
CH4+3CO2===4CO+2H2O
CO+H2O===CO2+H2
副反应：
CH4===C+2H2
2CO===C+CO2
CO+H2===C+H2O
以天然气制取氢气具有如下特点：
1) 天然气既是原料气也是燃料气无需运输，且能耗低、消耗低、成本最低，适合于较大规模的制氢。
2) 自动化程度高、安全性能高。 Nhomakorabea3) 与煤造气比占地面积小，无污染、无废渣、环保性能好。
天然气与煤炭、石油并称目前世界能源的三大支柱。天然气的蕴藏量和开采量都很大。随着世界经济的发展，石油危机的冲击和煤、石油所带来的环境污染问题的日益严重，能源结构是必将逐步发生变化。因此以天然气为原料的，制取合成氨原料气必将成为一种很重要的途径。
二段转化炉出口温度在二段压力、水碳比和出口残余甲烷含量确定后，即可确定下来。
3. 水炭比
水碳比是转化炉进口气体中，水蒸气与含烃原料中碳物质量之比，它是原料气的组成因素，在操作变量中最容易改变。提高进入转化系统的水碳比，不仅有利于降低甲烷的平衡含量，也有利于提高反应速率，还可以防止析炭反应的发生。但水碳比过高，一段转化炉蒸汽用量将会增加，系统阻力也将增大，导致能耗增加。因此水碳比的确定应当综合考虑。目前节能性的合成氨流程中蒸汽转化的水碳比一般控制在2.5~2.75。.
4) 气-固相催化反应 甲烷的蒸汽转化反应，在无催化剂的参与的条件下，反应的速度缓慢。只有在找到了合适的催化剂镍，才使得转化的反应实现工业化称为可能，因此转化反应属于气-固相催化反应。
2. 化学平衡及影响因素
3. 反应速率及影响速率
在没有催化剂的情况时，即使在相当高的温度下，甲烷蒸汽转化反应的速率也是很慢的。当有催化剂存在时，则能大大加快反应速率；甲烷蒸汽转化反应速率对反应温度升高而加快，扩散作用对反应速率影响明显，采用粒度较小的催化剂，减少内扩散的影响，也能加快反应速率。
4. 空间速率
空间速率表示每平方米催化剂每小时处理的气量，简称“空速”。工业装置空速的确定受到多方面因素的制约，不同的催化剂所采用的空速并不相同。当空速提高时，生产强度加大，同时有利于传热，降低转化管外壁温度，延长转化管寿命。但过高的空速会导致转化管内阻力增加，而对装置来说合适的阻力降是确定空速最重要的因素。另外空速过高，气体与催化剂接触时间段，转化反应不完全，转化气中甲烷含量将升高。
以气态烃为原料，生产合成氨原料气的方法按热量供给的方式不同，主要有以下两种：
1) 蒸汽转化法 蒸汽转化法分两段进行，现在一段炉装有催化剂的转化管内，蒸气与气态烃进行吸热的转化反应，反应所需热量由管外提供。气态烃转化到一定程度后，送入装有催化剂的二段炉内，加入适量的空气，与部分可燃性气体燃烧，为剩余的烃进一步转化提供热量，同时为合成氨的生产提供氮气。该法投资省、能耗低，是生产合成氨最经济的方法，目前在国内得到广泛应用。
2. 温度
一段转化炉出口温度是决定转化气从出口组成的主要因素，提高温度和水碳比，可降低残余的甲烷含量。为了降低蒸汽消耗，可通过降低一段转化炉的水碳比但要保持残余甲烷含量不变，则必须提高温度。而温度对转化炉的炉管使用寿命影响很大，温度过高，炉管使用寿命缩短。因此在可能的条件下，转化炉的出口温度不宜太高，如大型氨厂压力为3.2MPa时，出口温度控制在800℃。
2) 除炭方法
a. 当析炭较轻时，采用降压、减少原料烃流量、提高水碳比等方法可除炭
b. 当析炭较严重时，采用水蒸气除炭，反应是如下：
C+H2O==
=CO+H2
在水蒸气除炭过程中首先停止送入原料烃，继续通入水蒸气，温度控制在750~800℃，经过12～24h即可将炭黑除去。
c. 烃类碳原子数越多，裂解析炭反应越容易发生。
d. 催化剂的活性降低，烃类不能很快转化，也增加了裂解析炭的可能性。
5. 炭黑生成的抑制及除炭方法
1) 抑制炭黑生成的方法
a. 保证实际水碳比大于理论最小水碳比
b. 选用活性好，热稳定行好的催化剂
c. 防止原料气及蒸汽带入有害物质，保证催化剂的良好活性
4. 影响析炭反应的因素
副反应的产物炭黑覆盖在催化剂表面，会堵住催化剂的微孔，降低催化剂的活性，增加床层阻力，影响生产力。
在甲烷蒸汽转化反应中影响析炭的主要因素如下：
a. 转化反应温度越高，烃类裂解析炭的可能性越大。
b. 水蒸气用量增加，析炭的可能性越小，并且已经析出的炭黑也会与过量的水蒸气反应而除去，在一定的条件下，水碳比降低则容易发生析炭现象。
2) 气体体积增大反应 一分子甲烷和一分子水蒸气反应后，可以生成一分子CO和三分子H2，因此当其他条件确定时，降低压力有利于正反应的进行，从而降低转化气中甲烷的含量。
3) 吸热反应 甲烷的蒸汽转化反应是强吸热反应，为了使正反应进行的更快、更彻底，就必须由外界提供大量的热量，以保持较高的反应温度。
参考文献：李平辉 田伟辉 编著 《合成氨原料气的生产》.化学工业出版社.2009年10月
一、 概述
制取合成氨的原料气的气态烃主要有天然气，此外还有炼厂气、油田气、焦炉气及裂解气等。天然气蕴藏在地下多孔层岩石中，是一种多组分的混合气体，主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数（含量在90%以上），另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水分，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。天然气相对密度0.65，比空气轻，具有无色、无味、无毒的特性。在800℃高温、一定压力及催化剂作用下，天然气中烷烃和水蒸气发生化学反应，可得到含有H2、CO、CO2、N2、CH4的转化气。
以气态烃为原料，不论采用哪种生产方法所制取得的半水煤气，都应该满足以下要求：
a. （CO+H2）/N2=(3.1~3.2):1
b. CH4残余量<0.5%
c. O2残余量<0.2%
d. 炭黑含量<10mg/m3
e. 不饱和碳氢化合物为痕量
二、 天然气蒸汽转化的基本原理
副反应既消耗了原料，并且析出的炭黑沉积在催化剂表面将使催化剂失活，因此必须抑制副反应的发生。
转化反应的特点如下：
1) 可逆反应 在一定的条件下，反应可以向右进行生成CO和H2，称为正反应；随着生成物浓度的增加，反应也可以向左进行，生成甲烷和水蒸气，称为逆反应。因此生产中必须控制好工艺条件，是反应向右进行，生成尽可能多的CO和H2。
2) 间歇催化转换法 间接催化转换法的生产过程分为吹风和制气两个阶段，并不断交替进行。在吹风阶段，气态烃与空气在燃烧炉内燃烧，生成的烟道气使催化剂达到烃类蒸汽转化反应所需的温度。在制气的阶段，气态烃与蒸汽在催化剂层进行转化反应，制取合成氨原料气。该法不需要制氧装置，投资省、建厂快，但热利用率低、原料烃消耗高、操作复杂，因而应用受到限制。