5 合成气的生产工艺与设备

第五章 合成气的生产工艺与设备

化学工艺学

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 原料： 煤 油 天然气 油页岩、石油砂 农林废料、城市垃圾

化学工艺学

氢能利用背景

化石类能源使用

我国GDP下降 0.7~0.8%

过渡开采化石类能源的逐渐枯竭 石油价格不断攀升

各国替代能源发展政策–美国–加拿大 –欧洲 –中国

化学工艺学

Hydrogen in energy systems, 1850-2150

化学工艺学

氢气的利用是最佳的选择

稳定的能源– 可再生性 – 来源稳定，不受地缘界定影响

– 价格稳定

绿色能源– 温室气体 – 空气质量 – 可持续性

更多 ….

化学工艺学

氢 获 取 途 径化学工艺学

应用合成气合成气

NH3改进的费托合成催化剂

乙烯、丙烯铑络合物-HI催化剂

合成气

锌、铬系催化剂高压、380℃

甲醇

3MPa,175℃

醋酸

铜、锌系催化剂

汽油、烯烃、芳烃乙二醇 乙醇

中低压、230-270℃

甲醇 合成气 + 丙烯醇

同系化

乙烯

1,4-丁二醇

化学工艺学

5.1.2发展背景煤

石油、天然气化学工艺学

5.1.3 关键问题

1.实现新工艺，降低成本，解决污染问题 2.合成气生产烯烃、含氧化合物技术中 高压、高温、贵金属催化剂的替代。

化学工艺学

5.2由煤制合成气

5.2.1煤气化的基本原理

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 -110.595KJ/mol +172.284KJ/mol -283.183KJ/mol (5-1) (5-2) (5-3) (5-4)

化学工艺学

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。

化学工艺学

表5-1 总压0.1MPa时空气煤气的平衡组成温度℃ 650 800 900 1000 CO2 10.8 1.6 0.4 0.2 CO 16.9 31.9 34.1 34.4 N2 72.3 66.5 65.5 65.4 α=CO/(CO+CO2) 61.0 95.2 98.8 99.4

结论：T ,CO ,CO2 T>900℃ ,CO2含量很少，主要是CO

化学工艺学

(2)以水蒸气作气化剂时

C + H2O (g) = CO + H2 CO + H2O (g) = CO2 + H2 C + 2H2 = CH4

+131.390 KJ/mol -41.194 KJ/mol -74.898 KJ/mol

(5-5) (5-6) (5-7)

化学工艺学

计算平衡组成(5个参数)① 3个平衡常数表达式 ② 分压与总压的关系

③ 根据水中氢与氧的物料平衡

化学工艺学

图5-1 0.1MPa下碳-蒸汽反应的平衡组成 T>900℃ ,含有等量的H2和CO,其它组分含量接近于零。 T↓ ,H2O、CO2、CH4含量逐渐增加。 故高温下H2和CO含量高。

化学工艺学

图5-2 2MPa下碳-蒸汽反应的平衡组成 相同T ,P↑, H2O、CO2、CH4含量增加，H2和CO含量减小。 故制得H2和CO含量高的水煤气，在低压、高温下进行。

化学工艺学

2.反应速率气固反应 不仅与化学反应速率，还与气化剂向碳 表面的扩散速 率有关 与煤的种类有关 反应活性：无烟煤<焦炭<褐煤

化学工艺学

(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. 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

化学工艺学

(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。(3)C与H2O反应生成CO和H2400℃ < T < 1100℃,动力学控制

T > 1100℃,扩散控制

化学工艺学

5.2.2水煤气的生产方法

分析：1100~ 1200℃高温反应 大量吸热

要求：大量供热采取措施: 通过燃烧一部分C的反应热 维持整个系统的热平衡

化学工艺学

操 作 方 式 ： 间 歇 法 和 连 续 法

1 固 定 床 间 歇 法 ( 蓄 热 法 )

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化学工艺学

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