制氫轉(zhuǎn)化爐的制氫原理

 ⑴輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)

①轉(zhuǎn)化反應(yīng)式

轉(zhuǎn)化反應(yīng)是指水蒸汽和烴類進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐爐管通過高溫的催化劑作用，進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，生成H2、C0和CO2。反應(yīng)式：

    CnH2n＋2＋nH2O＝nCO＋（2n＋1）H2 -Q

    CnH2n＋2＋2nH2O＝nCO2＋（3n＋1）H2 -Q

②主要參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的影響:

A 反應(yīng)壓力    

    轉(zhuǎn)化反應(yīng)是體積膨脹的反應(yīng)，提高壓力對(duì)平衡不利，壓力增加，轉(zhuǎn)化率會(huì)降低。但在工業(yè)實(shí)踐中，轉(zhuǎn)化增壓有以下好處：

1)轉(zhuǎn)化增壓可節(jié)省動(dòng)力，對(duì)制氫來說，轉(zhuǎn)化增壓可節(jié)省加氫壓縮機(jī)的動(dòng)力消耗。

2)轉(zhuǎn)化增壓可以提高設(shè)備能力，操作的空間速度可以大一些，催化劑的利用率可以提高，設(shè)備制造材料較省。

3)轉(zhuǎn)化增壓可以提高過剩蒸汽的熱效率。轉(zhuǎn)化反應(yīng)需要過量的蒸汽，高壓蒸

汽溫度高，在變換后可回收的熱能，從而降低了生產(chǎn)成本。但是，對(duì)于定型裝置來說，壓力卻不可以任意提高，只是隨著阻力降的增大，前部壓力被迫逐步提高到設(shè)計(jì)值。

B 反應(yīng)溫度    

因?yàn)檗D(zhuǎn)化反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，因此提高溫度不僅可以加快反應(yīng)速度，而且有利于反應(yīng)平衡，即可以多生成CO和H2，降低轉(zhuǎn)化尾氣中殘余CH4的含量。但是，提高溫度受到轉(zhuǎn)化爐管的材料的限制。對(duì)本裝置Cr25Ni35Nb離心澆鑄爐管，設(shè)計(jì)管外壁溫度不允許超過 910℃，因此只能在設(shè)計(jì)允許的出口氣體溫度 820℃左右的一定范圍內(nèi)加以調(diào)節(jié)。相反，為了延長(zhǎng)價(jià)格昂貴的轉(zhuǎn)化管的壽命，還應(yīng)在滿足工業(yè)氫質(zhì)量的前提下，盡量采用較低的出口溫度。

C 空間速度         

空間速度一般是進(jìn)料的碳空速。碳空速是用碳流量除以催化劑的體積來表示的?？账賹?duì)每個(gè)轉(zhuǎn)化爐來說都有一定的范圍，空速太大時(shí)，由于原料在催化劑床層中停留的時(shí)間太短，轉(zhuǎn)化不完全，甚至?xí)l(fā)生重?zé)N穿透床層、引起催化劑結(jié)碳；但碳空速太小時(shí)有可能有些烴類進(jìn)料在各爐管中分配不均勻，會(huì)出現(xiàn)爐管溫度不同的現(xiàn)象。

D 水碳比    

水碳比是轉(zhuǎn)化操作的一個(gè)重要參數(shù)，它是指進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐的水蒸汽的流量和碳流量的比值。因?yàn)樗羝寝D(zhuǎn)化反應(yīng)的反應(yīng)物之一，增大水碳比即增大水蒸汽的流量，也就增加了一種反應(yīng)物的濃度，平衡向右移動(dòng)，有利于降低CH4，增加CO和H2的濃度。

水碳比的調(diào)節(jié)幅度較大，對(duì)于制氫純度較高的氫氣轉(zhuǎn)化爐來說，多采用3.5～5.0的水碳比。水碳比過小時(shí)結(jié)碳傾向增大，但H2O/C 過大亦不經(jīng)濟(jì)，會(huì)增加燃料消耗。甚至?xí)疝D(zhuǎn)化催化劑的鈍化。

轉(zhuǎn)化溫度、壓力、H2O/C對(duì)尾氣組成的影響可簡(jiǎn)單表示如下：

T↑：CH4↓、CO↑、 CO2↓、 H2↑

P↓：CH4↓、CO↑、 CO2↓、 H2↑

H20/C↑：CH4↓、CO↓、CO2↑、 H2↑

⑵CO蒸汽變換反應(yīng)

①變換反應(yīng)的基本原理  

變換是CO和水蒸汽作用生成H2和CO2的過程。

a)變換反應(yīng)式:

C0 ＋ H2O = CO2＋H2 ＋410MJ/ g-mol /25℃

b)變換率的求法:

生產(chǎn)上對(duì)于變換反應(yīng)進(jìn)行的程度常用變換率來表示：                           ＶCO－ＶCO'

                     變換率(Ｘ)＝────── 

                            ＶC0＊（100＋ＶCO'）

式中：

ＶCO--------入口干氣中CO的體積百分?jǐn)?shù);

ＶCO--------'出口干氣中CO的體積百分?jǐn)?shù)。

②主要參數(shù)對(duì)變換反應(yīng)影響

a) 壓力                   

    變換反應(yīng)是一個(gè)等分子反應(yīng)，壓力對(duì)反應(yīng)平衡無影響，但加壓可增加反應(yīng)速度，反應(yīng)速度約與壓力的平方根成正比，所以加壓變換可采用較大的空速，即可以省催化劑，設(shè)備較緊湊。本裝置設(shè)計(jì)中變?nèi)肟趬毫?nbsp;2.73MPa，床層總壓降0.05MPa。

b) 溫度    

變換反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度越低越有利于變換反應(yīng)的進(jìn)行。但降低溫度必須與反應(yīng)速度和催化劑的性能統(tǒng)一考慮，工業(yè)生產(chǎn)中，所有的催化劑都有一定的活性溫度，低于它反應(yīng)就不能進(jìn)行或進(jìn)行緩慢，而高于此溫度會(huì)損壞催化劑。由于變換反應(yīng)開始時(shí)，CO濃度較高，為加快反應(yīng)速度，采用在較高溫度下進(jìn)行反應(yīng)。本裝置設(shè)計(jì)中變?nèi)肟?50，出口413℃

如果變換反應(yīng)已接近平衡，提高溫度會(huì)使CO變換率降低，降低溫度，CO變換率增加；如果反應(yīng)尚未接近平衡，提高溫度CO變換率增加，降低溫度CO變換率降低。

c) 水氣比（水蒸汽/CO）    

增加水氣比，即增加水蒸汽流量，可使反應(yīng)向生成H2和CO2的方向進(jìn)行；但如果變換反應(yīng)已接近平衡，增加蒸汽量CO變換率也增加，減少蒸汽量CO變換率降低；如果變換反應(yīng)未接近平衡，增加蒸汽量CO變換率降低，減少蒸汽量CO變換率增加。但變換反應(yīng)所需要的水蒸汽是轉(zhuǎn)化前加入的，由于制氫采用H2 O/C較大，故變換水氣比很高，足夠變換反應(yīng)的需要。