影響一氧化碳變換反應(yīng)的因素

一、一氧化碳變換反應(yīng)的工藝原理

      一氧化碳變換的基本原理：通過(guò)將氣體里面的一氧化碳與水蒸氣置于特定的壓力與溫度環(huán)境中，在一氧化碳催化劑的作用之下，將工藝氣體里面的一氧化碳與水變換反應(yīng)生成氫氣與二氧化碳的過(guò)程。一氧化碳變換反應(yīng)的反應(yīng)式是：

CO+H₂O=CO₂+H₂+Q△HO298= -41.4KJ/mol

      通過(guò)這個(gè)變換反應(yīng)，一方面能夠?qū)⒁谎趸嫁D(zhuǎn)換成為能夠脫出的二氧化碳，另一方面能夠獲得與反應(yīng)一氧化碳等摩爾的H₂。在反應(yīng)的過(guò)程中僅僅需要消耗廉價(jià)的蒸汽，而將其變換成所需要的氣體。

1.一氧化碳變換反應(yīng)的熱效應(yīng)

      一氧化碳變換反應(yīng)作為一種放熱化學(xué)反應(yīng)，在反應(yīng)發(fā)生的過(guò)程中，反應(yīng)熱隨著溫度的升高而不斷的降低，一氧化碳變換反應(yīng)的關(guān)系式為：

Q=10861-1.44T-0.4×10-4T2+8×18-8T3

      式中： Q—反應(yīng)熱，kcal/kmol； T—溫度，在工業(yè)生產(chǎn)的時(shí)候，當(dāng)一氧化碳變換爐升溫結(jié)束，進(jìn)行正常的生產(chǎn)狀態(tài)以后，就能夠使用一氧化碳反應(yīng)熱來(lái)保持生產(chǎn)過(guò)程的持續(xù)性。

2.一氧化碳變換反應(yīng)的化學(xué)平衡

（1）平衡常數(shù)

      在特定的反應(yīng)環(huán)境中，當(dāng)一氧化碳變換反應(yīng)的正向、逆向反應(yīng)速度一致的時(shí)候，就實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)的平衡態(tài)，一氧化碳變換反應(yīng)的平衡常數(shù)是：

KP=（PCO₂×PH₂）/（PCO×PH₂O）=（Y CO₂×YH₂）/（YCO×YH₂O）

      在這個(gè)反應(yīng)式中：KP表示的是平衡常數(shù)； PCO₂、PH₂、PCO、PH₂O表示的是各組份的平衡分壓，Mpa； YCO₂、YH₂、YCO、YH₂O各組份的平衡組成，摩爾分?jǐn)?shù)，%；平衡常數(shù)KP表示反應(yīng)達(dá)到平衡的狀態(tài)下，變換反應(yīng)的生成物與反應(yīng)物之間的數(shù)量關(guān)系。所以，變換反應(yīng)的平衡狀態(tài)是化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行完全程度的一種衡量的方法。通過(guò)對(duì)上面這個(gè)公式的分析我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)KP值越大的時(shí)候，原料氣體里面的CO轉(zhuǎn)換就會(huì)越充分，在變換之后的氣體里面的CO殘余的數(shù)量就會(huì)越少。因?yàn)镃O變換反應(yīng)是一種放熱化學(xué)反應(yīng)，溫度的降低對(duì)于反應(yīng)平衡向右移動(dòng)有著重要的作用。所以，在反應(yīng)的過(guò)程中，平衡的常數(shù)會(huì)隨著溫度的降低而不斷的增大。

（2） CO變換率

      對(duì)于一氧化碳的變換程度，一般使用變換率來(lái)進(jìn)行表達(dá)，其變換率指的是已經(jīng)變換的CO量與變換前CO量的百分比率，如果一氧化碳反應(yīng)之前氣體里面含有A摩爾的CO，變換結(jié)束以后氣體里面剩下B摩爾的CO，那么變換率的計(jì)算公式為：

X=（A-B）/A×（B+l00%）

      在這個(gè)公式里面X 是CO 變換率，A、B分別代表反應(yīng)前后氣體中一氧化碳摩爾分率（干基）。一氧化碳作為氨合成的一種毒性氣體，在生產(chǎn)的時(shí)候，變換作為氣體里面一氧化碳的反應(yīng)，也是獲得H₂的過(guò)程。因此，CO的變換率對(duì)合成氨的生產(chǎn)發(fā)揮著非常重要的價(jià)值。

二、影響一氧化碳變換反應(yīng)的因素分析

1.溫度對(duì)一氧化碳變換反應(yīng)的影響

      一氧化碳變換反應(yīng)作為一種可逆的放熱反應(yīng)方式，隨著溫度的不斷降低，變換平衡逐漸向正方向進(jìn)行移動(dòng)，而且變換反應(yīng)的平衡常數(shù)的Kp值在不斷的增大。因此，在一氧化碳變換反應(yīng)的過(guò)程中，加大對(duì)反應(yīng)爐溫度的控制有著重要的意義。因?yàn)樵跔t溫過(guò)高的時(shí)候，一方面會(huì)降低變換反應(yīng)的平衡率，另一方面也很容易對(duì)變換反應(yīng)催化劑的性質(zhì)產(chǎn)生不良的影響。同樣在溫度不斷升高的條件下，一氧化碳變換反應(yīng)的速率在不斷的提高，但是在變換速率達(dá)到最大值以后，變換的速率就會(huì)隨著溫度的升高而降低，這是因?yàn)樵跍囟容^低的條件下平衡常數(shù)較大，而溫度的不斷升高平衡常數(shù)則不斷的降低，最終出現(xiàn)一氧化碳反應(yīng)速率隨升溫而降低的情況。因此，通過(guò)對(duì)溫度的有效控制，能夠提升一氧化碳變換的速率。

2.H₂O/CO對(duì)一氧化碳變換反應(yīng)的影響

      H₂O/CO 指的是進(jìn)入變化爐的水蒸氣與原料氣里面CO的體積比例，對(duì)一定的氣體來(lái)說(shuō)，能夠體現(xiàn)出水蒸氣的實(shí)際用量。在變化反應(yīng)的過(guò)程中，H₂O/CO的比例將會(huì)對(duì)其變換率產(chǎn)生直接的影響。不管是一氧化碳中溫還是低溫變換方式，其平衡變換率都是在H₂O/CO提高的過(guò)程中而不斷增加的，而且增加的趨勢(shì)是由快到慢進(jìn)行的。相同的一氧化碳變換率在溫度不同的情況下，所需要的H₂O/CO 也是不同的。

3.壓力對(duì)一氧化碳變換反應(yīng)的影響

      在一氧化碳變換反應(yīng)的過(guò)程中，壓力對(duì)一氧化碳變換反應(yīng)的平衡影響非常的小，但是提升變換反應(yīng)發(fā)生時(shí)的壓力，將會(huì)出現(xiàn)析碳等副反應(yīng)的發(fā)生。因此，就變換反應(yīng)平衡來(lái)分析，加壓并不能獲得良好的效果。通過(guò)動(dòng)力學(xué)角度的分析，通過(guò)加壓能夠有效的提升一氧化碳反應(yīng)的速率。此外，由于原料氣體的體積小于變換氣體的體積，因此通過(guò)給原料氣加壓的方式能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)力的節(jié)約。變換反應(yīng)時(shí)具體操作壓力按照大、中、小型氨廠的不同而進(jìn)行選擇。一般小型氨廠為0.7～1.2MPa、中型氨廠為1.2～1.8MPa、大型氨廠壓力可達(dá)5.2MPa，如果以烴類為原料的大型氨廠壓力為3.0MPa左右。

4.二氧化碳和氫氣對(duì)一氧化碳變換反應(yīng)的影響

      按照一氧化碳變換的反應(yīng)式可以發(fā)現(xiàn)，一氧化碳變換時(shí)如果能夠?qū)a(chǎn)物中的二氧化碳除去，則能夠促使反應(yīng)平衡向氫氣的生成方向移動(dòng)，進(jìn)而有效的提升一氧化碳變換反應(yīng)的效率。假如在一氧化碳變換反應(yīng)的過(guò)程中加入一個(gè)脫碳裝置，則能夠有效的提升一氧化碳的變換率?；蛘咄ㄟ^(guò)變換氣中的H₂，單獨(dú)提出來(lái)并加到后面的變換反應(yīng)過(guò)程當(dāng)中，同樣能夠有效的提升一氧化碳變換的效率。但是因?yàn)槠浣?jīng)濟(jì)性較低，因此在一氧化碳變換反應(yīng)的過(guò)程中這個(gè)方案較少使用。

5.催化劑活性對(duì)一氧化碳變換反應(yīng)的影響

      在一氧化碳變換反應(yīng)的過(guò)程中，催化劑的低溫活性受到多種因素的影響，合適的變換環(huán)境能夠提升一氧化碳的變換與反應(yīng)速率。因此，在一氧化碳變換反應(yīng)的過(guò)程中催化劑、反應(yīng)壓力、變換反應(yīng)的工藝等都要做好控制，才能夠有效的提升一氧化碳反應(yīng)的效果。

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