8 变换原理及工艺条件《无机化工生产技术》教学课件.pptVIP

脱硫后原料气的成分 方法 气体成分％ CO H2 CO2 N2 CH4 固体燃料气化 28-30 35-39 7-8.2 17-18 0.8-1.3 甲烷转化工艺 12-13 53-58 6-8 21-24 0.2-0.4 合成反应需要N2和H2 氨合成 一氧化碳变换原理及工艺条件 学习内容： 1.一氧化碳变换的反应； 2.一氧化碳变换的化学平衡； 3.一氧化碳变换的反应速率； 4.一氧化碳变换的工艺条件。 CO变换反应 主反应： 作用：1.原料气的净化（变换为易脱除CO2） 2.有效气体氢气的制备 反应特点： 1.可逆 2.放热 3.等体积 4.催化化剂参与 一、一氧化碳变换原理 CO变换反应 副反应： 衡量一氧化碳变换程度的参数称为一氧化碳变换率，用x表示。定义为已变换的一氧化碳量与变换前的一氧化碳量之比。若反应前气体中有a mol CO，变换后气体中剩下b mol CO，则变换率为： 平衡变换率：反应达平衡时的变换率，用x*表示。 工业生产中由于受到各种条件的制约，反应不可能达到平衡，因此实际变换率小于平衡变换率。 1.化学平衡 （1）变换率 温度 变换反应是可逆放热反应，对于一定初始组成的原料气，温度降低，平衡变换率提高，变换气中一氧化碳的平衡含量减少。如右图1所示。 （2）影响平衡变换率的因素 图1 温度与平衡变换率的关系图 H2O/CO（汽气比） H2O/CO指入变换炉原料气中水蒸气与一氧化碳体积比，其比值可表示水蒸气用量的大小。 增加水蒸气用量，从平衡移动的角度来看，有利于反应向右进行。 从右图2可见，在温度一定的情况下，一氧化碳平衡变换率随汽气比提高而增加，其趋势是先快后慢。 2.影响平衡变换率的因素 图2 汽气比与CO平衡变换率的关系图 二氧化碳量 CO2作为产物，及时除去CO2，则有利于反应向生产H2的方向进行，从而提高一氧化碳的变换率。 2.影响平衡变换率的因素 压力 一氧化碳变换反应为等体积反应，压力对平衡变换率无影响。 2.影响平衡变换率的因素 （1）反应机理 该反应属于气固相催化反应，共分为七大宏观步骤。其中内扩散及本征动力学步骤为主要控制步骤。 2.反应速率 式中 温度 在原始组成和催化剂一定时，变换率增大、最佳温度下降。实际操作中应尽量使操作温度接近于最佳温度。 （2）影响反应速率的因素 图3 可逆放热反应速率与温度的关系 图4 一氧化碳变换的T-x图 压力 当气体组成和温度一定时，反应速率随压力的增大而增大。 汽气比 当H2O/CO比值低于4时，提高其比值，反应速率增长较快；大于4后，反应速率增长不明显。 内扩散的影响 同一尺寸催化剂在相同压力下，温度升高，内表面利用率降低； 相同温度和压力下，小颗粒催化剂内表面利用率高； 同一尺寸催化剂在相同的温度下，内表面利用率随压力的增加而迅速下降。 图5 中变催化剂的内表面利用率与温度、压力及催化剂颗粒大小的关系 变换反应存在最佳温度，如果整个反应过程按最佳温度曲线进行，则反应速率最大，即相同的生产能力下所需催化剂用量最少。但实际生产中完全按最佳温度曲线操作是不现实的。 首先，在反应初期，变换率很小，但对应的最佳温度很高，且已超过了催化剂的耐热温度。而此时，由于远离平衡，反应的推动力大，即使在较低温度下操作仍有较高的反应速率。 其次，随着反应的进行，变换率不断升高，反应热不断放出，床层温度不断提高，而依据最适宜曲线，最佳温度去要求不断降低。 因此，随着反应的进行，应从催化床中不断移出适当的热量，使床层温度符合最佳温度的要求。 1.温度 二、工艺条件 生产上确定变换反应温度的原则： 1.催化床温度应在催化剂的活性温度范围内操作 入口：高于起始活性温度20℃左右 热点：低于催化剂耐热温度 2.催化床温度应尽可能接近最佳温度 随着反应进行，x（变换率）增加，反应热不断放出，需及时移走适当热量，使床层温度符合Tm（最佳温度）要求。 移热方式： 连续换热：操作困难，不适于变换反应。 多段换热：段内绝热反应，段间间接换热或直接冷激。冷激介质：冷原料气、水蒸气或冷凝水 从热力学的角度来说，变换反应是等体积的反应，压力对变换反应无显著影响 从动力学的角度来说，反应速度随着压力的增大而增大。 故提高压力对变换反应是有利的。 2.压力 采用加压操作的原因： 1.加压操作有利于提高反应速率，提高催化剂生产强度； 2.降低压缩能耗； 3.提高过剩蒸汽回收价值； 4.设备投资小。但是受原料蒸汽压力、设备材质限制。