化工工艺学课程教案

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2014学年第2学期

函授13化学工程（专升本）专业《化工工艺学》课程教案

4课时/次共10次40课时

教师：________________

教研室：______________

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§ 1 第一章合成氨原料气的制备

教学目的：掌握优质固体燃料气化、气态炷蒸汽转化、重汕部分氧化等不同原料制气过程的基本原理：原料和工艺路线：主要设备和工艺条件的选择；消耗定额的计算和催化剂的使用条件。

教学重点：优质固体燃料气化、气态炷蒸汽转化、重油部分氧化等不同原料制气过程。教学难点：消耗定额的计算和催化剂的使用条件。

新课内容：

第一节固体燃料气化法

一、槪述

固体燃料（煤、焦炭或水煤浆）气化：用氧或含氧气化剂对其进行热加工，使碳转变为可姻性气体的过程。气化所得的可燃气体称为煤气，进行气化的设备称为煤气发生炉。

二、基本概念

1、煤的固定碳；固体燃料煤除去灰分、挥发分、硫分和水分以外，其余的可燃物质称为固定碳。

2、煤的发热值：指1公斤煤在完全燃烧时所放出的热量。

3、标煤：低位发热值为7000kcal/kg的燃料4.空气煤气：以空气作为气化而生成的煤气其中含有大量的氮（50%以上）及一定量的一氧化碳和少量的二氧化碳和氢气。

5?混合煤气（发生炉煤气）：以空气和适量的蒸汽的混合物为气化剂生成的煤气，其发热量

比空气煤气为高。在工业上这种煤气一般作燃料用。

6. 水煤气：以蒸汽作为气化剂而生成的煤气，英中氢及一氧化碳的含疑高在85%以上，而氮含量较低。

7. 半水煤气：以蒸汽加适疑的空气或富氧空气同时作为气化剂所创得的煤气或适当加有发生炉煤气的水煤气，其含氮量为21—22%。

三、气化对煤质的基本要求

（1）保持高温和南气化剂流速

（2）使燃料层各处间一截而的气流速度和温度分布均匀。这两个条件的获得，除了与炉子结

构（如加料、排渣等装置）的完善程度有关外，采用的燃料性质也具有重大影响。

1水分：＜5%

2挥发份：＜6%

煤中所含挥发分量和煤的碳化程度有关，含量少的可至I 一2%,多的可达40%以上。它的含量依下列次序递减：

泥煤一?褐煤一?烟煤一?无烟煤一?焦炭

3 灰份：15-20%

灰分中主要组分为二氧化硅、氧化铁、氧化铝、氧化钙和氧化镁等无机物质。这些物质的含量对灰熔点有决迄性影响。

4 硫分：＜1. 5g/m3

煤中的硫分在气化过程中，转化为含硫的气体，不仅对金属有腐蚀作用，而且会使催化剂中毒。在合成氨生产系统中，根据流程的特点，对含硫量有一左的要求，并应在气体净化过程中将英脱除。

5灰熔点：＞12509

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6机械强度和热稳定性

机械强度是指它的抗破碎力。煤的机械强度决泄于煤的岩相组成、矿物质的含量、分布及碳 此的程度。燃料的热稳定性是指燃料在受高温后粉碎的程度。

燃料之所以受热后不稳定，主要是由于下述三个原因：

(1) 在燃料层准备阶段(即干燥和干馅时)，释出水分和有机物的过程中，燃料裂碎。

(2) 燃料中的碳酸盐受热分解为二氧化碳。

(3) 燃料受热时，内外温度差大，以及由于夹右等膨胀系数不同而碎裂。

7燃料的成渣性能

燃料的成渣性能是指燃料在气化时是否易于烧结成渣。

8、 粘结性

粘结性是煤在髙温下丁锦粘结的性能。

9、 燃料粒度 25—100mm

入炉燃料粒度大小和粒度范用，影晌气化时的质交换和热交换条件。

四、煤气化的基本原理

C+02+3. 76N2二CO2 +3. 76N2

C+H20 二 C0+H2

第二节婭类蒸汽转化

一、绘类蒸汽转化的原料

气态坯包括天然气、油田气、炼厂气、焦炉气及裂化气等；液态坯包括原油、轻油和重 油。其中除原油、天然气和汕出气是地下药藏的天然矿外，其余皆为石油炼制工业、炼焦工 业和基本有机合成工业的产品。

二、 合成氨对原料气的要求

(1)氢氮比3： 1 (2)甲烷含量小于0.5% (3)有害物质少

三、 化学反应及化学平衡

在蒸汽转化过程中，各种炷类主要进行如下反应：

CIL+ILO 一0+3H?

CIL+2HQ —0)』+4巴 烯婭 CH.+尹0—号CH’+fg

或 C G H N +NH/) =nCO+3nH2

甲烷蒸汽转化反应:

CR+HQ V =

主反应

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4CR + 2HQ ^=

CH4+CO2一2CO+ZH2 CHH2CO? L3C0+H卄比0 CH4 + 3CO? ^4CO+2H2O CO+HQ —CQ+H,

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5四、工艺条件

(1〉水碳比，表示转化操作所用的工艺蒸汽量。在约圧条件下，水碳比愈髙，甲烷平衡含

量愈低。

(2)温度炷类蒸汽转化是吸热的可逆反应，温度增加，甲烷平衡含量下降。反应温度每降

低10C,甲烷平衡含虽约增加1-1.3%

(3)压力炷类蒸汽转化为体积增大的可逆反应，增加压力，甲烷平衡含量也随之增大。

(4)二段转化的空气疑：加入空气量的多少，可从二段炉出口温度上反映出来，但不能它来控制炉温和出口甲烷含量的手段。因为空气量的加入有合成反应的氢氮比决左。

(5)二段出口甲烷含呈:：二段炉岀口残余甲烷每降低0.1%,合成氨产量可增加

1.1-1.4%。一般控制在0.2-0.4%。五、反应机理(反应的微观步骤)

五、催化剂

甲烷蒸汽转化是吸热的可逆反应，提髙温度对化学平衡和反应速度均有利。但无催化剂存在时，温度iooor反应速度还很低。因此，需要采用催化剂以加快反应速度。

由于坯类蒸汽转化是在髙温下进行的，并存在着析炭问题，因此，除了要求催化剂有高活性和髙强度外，还要求有较好的耐热性和抗析炭性。

1. 催化剂的组成

(1)活性组分和促进剂(2)線催化剂的载体

2. 催化剂的还原

转化催化剂大都是以氧化線形式提供的，使用前必须还原成为具有活性的金屑線，英反应

为

NiO丄—Ni+H/CKg) -1.26 kJ ? mo|-'

3. 催化剂的中毒与再生

当原料气中含有硫化物、碑化物、氯化物等杂质时，都会使催化剂中毒而失去活性。催化剂中毒分为暂时性中毒和永久性中毒。

六、工艺流程

九、主要设备

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第三节重油部分氧化

一、工艺条件

1. 温度：一般认为甲烷与蒸汽及蒸汽的转化反应是重油气化的控制步骤。反应方程为: CH4+H20-C0+3H2

C+H20-C0+H2

热力学分析：

均为可逆吸热反应，提高温度可提髙甲烷与碳黑的平衡转化率。

动力学分析：

提髙温度有利于提高甲烷和碳黑的转化反应速率。

国内T<1300 °C ①保护炉衬和喷嘴

② 02消耗指标（T 提髙，氧耗增加）

2. 压力：重油气化是体积增大的反应，从热力学角度看，提高压力是不利的。但是提高 压力反应物含量增加，对加速反应也是有利的。

加压气化的优点：

① 随着压力的提髙，气化炉生产强度成比例的增大，从而可缩小设备容积。

② 节省动力（节省3/4的动力）°

③ 加压气化有利于淸楚炭黑

④ 加压气化对下游工序的脱S 和脫C 也是有利的

3. 氧油比（m302/Kg 重油〉：

氧油比对重油气化有决立性影响，耗氧又是主要经济指标。因此，氧油比是控制生 产

的主要条件之一。

4. 蒸汽/油比：

重油部分氧化过程加入蒸汽，不仅是作为氧化剂与各种炷类进行反应，而且还可以 起

到缓冲炉温和抑制炭黑生成的作用。加入量的多少，生产中用蒸汽油比的大小来表示。

原料油中杂质的彫响

① 含硫量的影响

计算表明，含硫量增加时，干气及有效气体产量下降。硫不仅消耗H2及C0生成H2S

一段转化炉:

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和cos,而且也增加下游净化工序的负荷并加剧设备和管道的腐蚀。

②原料油中C/H比的影响

当炭黑最终返回到原料油中时，C/H比将提高。此时，干气、有效气体产量下降，CO 含

量提髙，H2含呈:下降。而用轻质原料油则相反。

③原料油中水含量的影响

二、工艺流程

1. 由四个部分组成：

（1）原料油和气化剂（02+H20）的预热

（2）高温下部分氧化

（3）出口髙温合成气的热能回收

（4）碳黑的消除与回收

2. 根据热能回收方式不同：

（1）徳士古（Texaco）激冷流程

（2）谢尔（Shell）废热锅炉流程

①徳士古（Texaco）激冷流程

激冷流程的特点：工艺流程简单，无废热锅炉，设备紧凑，操作方便，热能利用完全, 可比废热锅炉流程在更髙的压力下气化。不足之处是髙温热能未能产生高压蒸汽，要求原料油含硫疑低，一般规泄S〈l%,否则需用耐硫变换催化剂。

②谢尔（Shell）废热锅炉流程

废热锅炉流程的特点：利用髙温热能产出髙压蒸汽，对原料重油含硫量无限制，下游工序可采取先脱硫后变换的流程。不足之处是废热锅炉结构复杂，材料及制作要求高，故目前工业上气化压力限于6MPa以下。

③仃脑油萃取炭黑流程

三、主要设备

1.气化炉

①顶部设置喷嘴

②上部为燃饶室

③下部为激冷室

④激冷环是下降管的水分配器，是气化炉最易损坏的部件。

⑤严重结渣问题

2.喷嘴

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