C1化工技术。自从20世纪70年代后期以来，C1化工得到世界各国极大重视，以天然气为基础的合成气转化制备化工产品的研究广泛开展，已经和将有更多
C1化工过程实现工业化，今后合成气的应用前景将越来越宽广。 天然气是现代化学工业的重要原料资源，以天然气为原料制合成气的成本最低。天然气中甲烷含量一般大于90%。以天然气为原料生产合成气，主要有水蒸汽转化法和部分氧化法。目前工业上多采用水蒸汽转化法，广泛用于生产合成气、纯氢气和合成氨原料气，此法技术成熟，生产实践经验丰富，积累的设计数据完整；其工艺过程原理在化学工程与工艺专业的相关课程中已讲述，所以，专业课程设计选用天然气蒸汽转化过程进行设计是比较合适的。
二．工艺原理简述
因为天然气的主要成分是甲烷，而甲烷在烷烃中是热力学最稳定的，其他烃类较易反应，因此在讨论天然气转化过程时，主要考虑甲烷与水蒸汽的反应。 甲烷水蒸汽转化反应必须在催化剂存在下才能有足够的反应速率。倘若操作条件不适当，析碳反应严重，对于烃类蒸汽转化过程要注意防止析碳。在正常生产中，没有碳黑析出，故在讨论反应体系的化学平衡时，只须考虑以下两个反
应：
CH4+H2O=CO+3H2+Q1 CO+H2O=CO2+H2-Q2
在压力不太高时，上述二气相反应的平衡常数仅是温度的函数，根据反应温度查出或求出上述二反应的平衡常数，在总压和气体的初始组成已知的工况下，通过联立求解非线性方程组，即可求出平衡组成。影响甲烷水蒸汽转化反应平
衡的主要因素有温度、水碳比和压力。
三．工艺条件
在选择工艺条件时，理论依据是热力学和动力学分析以及化学工程原理，此外，还需结合技术经济、生产安全等进行综合优化。转化过程主要工艺条件有压力、
温度、水碳比和空速，这几个条件之间互有关系，要恰当匹配。 1、压力 从热力学特征看，低压有利于转化反应。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，反应物浓度很低，而产物浓度高，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，因为甲烷转化反应需要外部供热，大的给热系数是强化传热的前提，提高压力，即提高了介质密度，是提高雷诺准数Re的有效措施。为了增大传热面积，采用多管并联的反应器，这就带来了如何将气体均匀地分布的问题，提高系统压力可增大床层压降，使气流均布于各反应管。虽然提高压力会增加能耗，但若合成气是作为高压合成过程（例如合成氨、甲醇等）的原料时，在制造合成气时将压力提高到一定水平，就会降低后续工序的压缩功，使全厂总能耗降低。加压还可以减小设备、管道的体积，提高设备的生产强度，占地面积也小。综
上所述，甲烷水蒸汽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，高温下甲烷的平衡浓度低，从动力学角度看，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，更要提高温度来补偿。在3MPa压力下，为使甲烷残余含量降至0.3%（干基），必须使温度达到1000℃。但是，在此高温下，反应管的材质经受不了，以耐高温的HK-40合金钢为例，在3MPa的压力下，要使反应炉管寿命达10年，管壁温度不得超过920℃，其管内介质温度相应为800~820℃。因此，为满足
残余甲烷≤0.3%的要求，需要将转化过程分为两段进行。第一段转化在多管反应器中进行，管间供热，反应器称为一段转化炉，最高温度（出口处）控制在800℃左右，出口残余甲烷10%（干基）左右。第二段转化反应器为大直径的钢制圆筒，内衬耐火材料，可耐1000℃以上高温。对于此结构的反应器，不能再用外加热方法供热。温度为800℃左右的一段转化气绝热进入二段转化炉，同时补入氧气，氧与一段转化气中的可燃性气体燃烧放热，温度升至1200℃左右，然后转化反应继续进行，使二段出口气体中甲烷降至0.3%。若补入空气则有氮气带入，这对于合成氨是必要的，对于合成甲醇或其他产品则
不应有氮。
3、水碳比 水碳比是诸操作变量中最便于调节的一个条件，又是对一段转化过程影响较大的一个条件。水碳比高，有利于防止结碳，残余甲烷含量也低。为了防止结碳，操作中一般控制水碳比在3.5左右。近年来，为了节能，要降低水碳比，但要解决防止析碳问题，可采取的措施有三个，其一是研制、开发新型的高活性、高抗碳性的低水碳比催化剂；其二是开发新的耐高温炉管材料，提高一段炉出口温度；其三是提高进二段炉的空气量，保证降低水碳比后，一段出口气中较高残余甲烷能在二段炉中耗尽。目前，水碳比已可降至3.0，最
低者可降到2.75。
4、气流速度 反应炉管内气体流速高有利于传热，降低炉管外壁温度，延长炉管寿命。加压下进炉甲烷的空间速度（碳空速）控制在1000~2000h-1。
四．设计任务书 1、设计条件
（1）、生产能力：每小时转化100~1000kmol天然气（每生数据不同）；
（2）、天然气组成（体积分数）为：97.2%CH4，0.2%CO2，2.2%N2，0.4%Ar； （3）、原料混合气配比为：水蒸汽/天然气=2.75~3.5（摩尔比）（每生数据不
同）；
（4）、一段炉进口混合气温度为370℃，出口温度790~820℃（每生数据不同）；出口处，转化反应平衡温距为10℃，变换反应达平衡；转化过程为恒压，
压力为3.0MPa。
（5）二段转化炉出口甲烷含量为0.3%（干基）、出口温度为1000℃；加氮空气组成为：78%N2，21%O2，1%Ar；二段转化气中（H2+CO）/N2=3.0。
2、设计计算内容
（1）、作一段炉的物料衡算与热量衡算，
（2）、作二段炉的物料衡算。
3、设计成果 （1）、设计说明书一份； （2）、物料流程图一张。 4、主要参考文献：
（1）廖巧丽、米镇涛主编.化学工艺学.北京：化学工业出版社，2001 （2）陈五平主编.无机化工工艺学，上册.北京：化学工业出版社，2001
5、设计时间：三周
