蒸汽轉化是指烴類被水蒸汽轉化為氫氣和一氧化碳及二氧化碳的化學反應。蒸汽轉化反應中最常見的是天然氣蒸汽轉化反應。天然氣的主要成分為甲烷，約占90%以上，研究天然氣蒸汽轉化原理可以甲烷為例來進行。蒸汽轉化核心是轉化爐，其是蒸汽轉化制合成氣的主體設備，可以使天然氣與蒸汽混合物通過轉化管（反應管）轉化成富含氫、一氧化碳、二氧化碳的合成氣。
基本介紹
- 中文名：蒸汽轉化
- 外文名：steam-reforming
- 基本原理：烴類被水蒸汽轉化為H2、CO、CO2
- 特點：可逆、吸熱、氣固相催化
- 設備：蒸汽轉化爐
基本原理,轉化反應的特點,影響反應平衡的因素,溫度的影響,水碳比的影響,壓力的影響,反應速率及影響速率,影響析炭反應的因素,炭黑生成的抑制及除炭方法,抑制炭黑生成的方法,除炭方法,工藝條件的選擇,壓力,溫度,水碳比,空間速率,反應設備——蒸汽轉化爐,
基本原理
蒸汽轉化反應中最常見的是天然氣蒸汽轉化反應。在天然氣中的主要成分為甲烷，大約占90%以上，因此研究天然氣蒸汽轉化原理可以甲烷為例來進行。蒸汽轉化反應為一複雜的反應體系，但主要是蒸汽轉化反應和一氧化碳的變換反應。
天然氣蒸汽轉化制氫
天然氣蒸汽轉化制氫主反應：
副反應：
轉化反應的特點
轉化反應的特點如下：
（1）可逆反應：在一定的條件下，反應可以向右進行生成CO和H2，稱為正反應；隨著生成物濃度的增加，反應也可以向左進行，生成甲烷和水蒸汽，稱為逆反應。因此生產中必須控制好工藝條件，是反應向右進行，生成儘可能多的CO和H2；
（2）氣體體積增大反應：一分子甲烷和一分子水蒸汽反應後，可以生成一分子CO和三分子H2，因此當其他條件確定時，降低壓力有利於正反應的進行，從而降低轉化氣中甲烷的含量；
（3）吸熱反應：蒸汽轉化反應是強吸熱反應，為了使正反應進行的更快、更徹底，就必須由外界提供大量的熱量，以保持較高的反應溫度；
（4）氣-固相催化反應：蒸汽轉化反應，在無催化劑的參與的條件下，反應的速度緩慢。只有在找到了合適的催化劑鎳，才使得轉化的反應實現工業化稱為可能，因此轉化反應屬於氣-固相催化反應。
影響反應平衡的因素
影響蒸汽轉化反應平衡的主要因素有溫度、水碳比和壓力。
溫度的影響
甲烷與蒸汽反應生成CO和H2是吸熱的可逆反應，高溫對平衡有利，即H2及CO的平衡產率高，CH4平衡含量低。一般情況下，當溫度提高10℃，甲烷的平衡含量可降低1%~1.3%。高溫對一氧化碳變換反應的平衡不利，可以少生成二氧化碳，而且高溫也會抑制一氧化碳歧化和還原析碳的副反應。但是，溫度過高，將促進甲烷裂解，當高於700℃時，甲烷均相裂解速率很快，會大量析出碳，並沉積在催化劑和器壁上。
水碳比的影響
水碳比（H2O/CH4）對於甲烷轉化影響重大，高的水碳比有利於轉化反應，在800℃、2MPa條件下，水碳比由3提高到4時，甲烷平衡含量由8%降至5%，可見水碳比對甲烷平衡含量影響是很大的。同時，高的水碳比也有利於抑制析碳副反應。
壓力的影響
蒸汽轉化反應是體積增大的反應，低壓有利平衡，當溫度800℃、水碳比4、壓力由2MPa降低到1MPa時，甲烷平衡含量由5%降至2.5%。低壓也可抑制一氧化碳的2個析碳反應，但是低壓對甲烷裂解析碳反應的平衡有利，適當加壓可抑制甲烷裂解。壓力對一氧化碳變換反應的平衡無影響。
總之，單從反應平衡考慮，蒸汽轉化過程應該用適當的高溫、稍低的壓力和高的水碳比。
反應速率及影響速率
在沒有催化劑的情況時，即使在相當高的溫度下，蒸汽轉化反應的速率也是很慢的。當有催化劑存在時，則能大大加快反應速率；蒸汽轉化反應速率對反應溫度升高而加快，擴散作用對反應速率影響明顯，採用粒度較小的催化劑，減少內擴散的影響，也能加快反應速率。
影響析炭反應的因素
副反應的產物炭黑覆蓋在催化劑表面，會堵住催化劑的微孔，降低催化劑的活性，增加床層阻力，影響生產力。
在蒸汽轉化反應中影響析炭的主要因素如下：
（1）轉化反應溫度越高，烴類裂解析炭的可能性越大；
（2）蒸汽用量增加，析炭的可能性越小，並且已經析出的炭黑也會與過量的蒸汽反應而除去，在一定的條件下，水碳比降低則容易發生析炭現象；
（3）烴類碳原子數越多，裂解析炭反應越容易發生；
（4）催化劑的活性降低，烴類不能很快轉化，也增加了裂解析炭的可能性。
炭黑生成的抑制及除炭方法
抑制炭黑生成的方法
抑制炭黑生成主要由以下幾種方法：
（1）保證實際水碳比大於理論最小水碳比；
（2）選用活性好，熱穩定行好的催化劑；
（3）防止原料氣及蒸汽帶入有害物質，保證催化劑的良好活性。
除炭方法
除炭方法主要有以下幾種：
（1）當析炭較輕時，採用降壓、減少原料烴流量、提高水碳比等方法可除炭；
（2）析炭較嚴重時，採用蒸汽除炭，反應式如下：
，在蒸汽除炭過程中首先停止送入原料烴，繼續通入蒸汽，溫度控制在750~800℃，經過12~24h即可將炭黑除去；
（3）採用空氣與蒸汽的混合物燒炭。首先停止送入原料烴，在蒸汽中加入少量的空氣，送入催化劑床層進行燒炭，催化劑層溫度控制在700℃以上，大約經過8h即可將炭黑除去。
工藝條件的選擇
在蒸汽轉化反應中，要注意選擇合適的工藝條件，主要有以下幾點：
壓力
由於轉化反應的化學平衡可知，蒸汽轉化反應宜在較低壓力下進行。但行業上均採用加壓蒸汽轉化，一般壓力控制在3.5~4.0MPa，最高達5.0MPa。
溫度
一段轉化爐出口溫度是決定轉化氣從出口組成的主要因素，提高溫度和水碳比，可降低殘餘的甲烷含量。為了降低蒸汽消耗，可通過降低一段轉化爐的水碳比但要保持殘餘甲烷含量不變，則必須提高溫度。而溫度對轉化爐的爐管使用壽命影響很大，溫度過高，爐管使用壽命縮短。因此在可能的條件下，轉化爐的出口溫度不宜太高，如大型氨廠壓力為3.2MPa時，出口溫度控制在800℃。
蒸汽轉化工藝流程圖
蒸汽轉化工藝流程圖二段轉化爐出口溫度在二段壓力、水碳比和出口殘餘甲烷含量確定後，即可確定下來。
水碳比
水碳比是轉化爐進口氣體中，蒸汽與含烴原料中碳物質量之比，它是原料氣的組成因素，在操作變數中最容易改變。提高進入轉化系統的水碳比，不僅有利於降低甲烷的平衡含量，也有利於提高反應速率，還可以防止析炭反應的發生。但水碳比過高，一段轉化爐蒸汽用量將會增加，系統阻力也將增大，導致能耗增加。因此水碳比的確定應當綜合考慮。節能性的合成氨流程中蒸汽轉化的水碳比一般控制在2.5~2.75。
空間速率
空間速率表示每平方米催化劑每小時處理的氣量，簡稱“空速”。工業裝置空速的確定受到多方面因素的制約，不同的催化劑所採用的空速並不相同。當空速提高時，生產強度加大，同時有利於傳熱，降低轉化管外壁溫度，延長轉化管壽命。但過高的空速會導致轉化管內阻力增加，而對裝置來說合適的阻力降是確定空速最重要的因素。另外空速過高，氣體與催化劑接觸時間段，轉化反應不完全，轉化氣中甲烷含量將升高。
反應設備——蒸汽轉化爐
蒸汽轉化爐是蒸汽轉化制合成氣的主體設備。它是使天然氣與蒸汽混合物通過轉化管（反應管）轉化成富含氫、一氧化碳、二氧化碳的合成氣。轉化管由外部輻射加熱，管內裝有含鎳催化劑。
蒸汽轉化爐
蒸汽轉化爐蒸汽轉化爐爐型很多，按加熱方法不同，大致可分為頂部燒嘴爐和側壁燒嘴爐。
（1）頂部燒嘴爐：外觀呈方箱型結構，設有輻射室和對流室（段），兩室並排連成一體。輻射室交錯排列轉化管和頂部燒嘴。對流室內設定有鍋爐、蒸汽過熱器、天然氣與蒸汽混合物預熱器、鍋爐給水預熱器等。
（2）側壁燒嘴爐：是豎式箱形爐，由輻射室和對流室兩部分組成。輻射室沿其縱向中心排列轉化管，室的兩側壁排列6~7排輻射燒嘴，以均勻加熱轉化管。對流室設有天然氣與蒸汽混合原料預熱器、高壓蒸汽過熱器、工藝用空氣預熱器、鍋爐給水預熱器等。
