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制氫轉化爐的制氫原理

作者: 興罡石化設備| 時間:2021-08-10 15:43:42 | 點擊次數:

制氫轉化爐的制氫原理

 ⑴輕烴蒸汽轉化反應

①轉化反應式

轉化反應是指水蒸汽和烴類進入轉化爐爐管通過高溫的催化劑作用,進行轉化反應,生成H2、C0和CO2。反應式:

    CnH2n+2+nH2O=nCO+(2n+1)H2 -Q

    CnH2n+2+2nH2O=nCO2+(3n+1)H2 -Q

②主要參數對轉化反應的影響:

A 反應壓力    

    轉化反應是體積膨脹的反應,提高壓力對平衡不利,壓力增加,轉化率會降低。但在工業實踐中,轉化增壓有以下好處:

1)轉化增壓可節省動力,對制氫來說,轉化增壓可節省加氫壓縮機的動力消耗。

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

3)轉化增壓可以提高過剩蒸汽的熱效率。轉化反應需要過量的蒸汽,高壓蒸

汽溫度高,在變換后可回收的熱能,從而降低了生產成本。但是,對于定型裝置來說,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計值。

B 反應溫度    

因為轉化反應是吸熱反應,因此提高溫度不僅可以加快反應速度,而且有利于反應平衡,即可以多生成CO和H2,降低轉化尾氣中殘余CH4的含量。但是,提高溫度受到轉化爐管的材料的限制。對本裝置Cr25Ni35Nb離心澆鑄爐管,設計管外壁溫度不允許超過 910℃,因此只能在設計允許的出口氣體溫度 820℃左右的一定范圍內加以調節。相反,為了延長價格昂貴的轉化管的壽命,還應在滿足工業氫質量的前提下,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γ總€轉化爐來說都有一定的范圍,空速太大時,由于原料在催化劑床層中停留的時間太短,轉化不完全,甚至會發生重烴穿透床層、引起催化劑結碳;但碳空速太小時有可能有些烴類進料在各爐管中分配不均勻,會出現爐管溫度不同的現象。

D 水碳比    

水碳比是轉化操作的一個重要參數,它是指進入轉化爐的水蒸汽的流量和碳流量的比值。因為水蒸汽是轉化反應的反應物之一,增大水碳比即增大水蒸汽的流量,也就增加了一種反應物的濃度,平衡向右移動,有利于降低CH4,增加CO和H2的濃度。

水碳比的調節幅度較大,對于制氫純度較高的氫氣轉化爐來說,多采用3.5~5.0的水碳比。水碳比過小時結碳傾向增大,但H2O/C 過大亦不經濟,會增加燃料消耗。甚至會引起轉化催化劑的鈍化。

轉化溫度、壓力、H2O/C對尾氣組成的影響可簡單表示如下:

T↑:CH4↓、CO↑、 CO2↓、 H2↑

P↓:CH4↓、CO↑、 CO2↓、 H2↑

H20/C↑:CH4↓、CO↓、CO2↑、 H2↑

⑵CO蒸汽變換反應

①變換反應的基本原理  

變換是CO和水蒸汽作用生成H2和CO2的過程。

a)變換反應式:

C0 + H2O = CO2+H2 +410MJ/ g-mol /25℃

b)變換率的求法:

生產上對于變換反應進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的體積百分數;

VCO--------'出口干氣中CO的體積百分數。

②主要參數對變換反應影響

a) 壓力                   

    變換反應是一個等分子反應,壓力對反應平衡無影響,但加壓可增加反應速度,反應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,設備較緊湊。本裝置設計中變入口壓力為 2.73MPa,床層總壓降0.05MPa。

b) 溫度    

變換反應是放熱反應,溫度越低越有利于變換反應的進行。但降低溫度必須與反應速度和催化劑的性能統一考慮,工業生產中,所有的催化劑都有一定的活性溫度,低于它反應就不能進行或進行緩慢,而高于此溫度會損壞催化劑。由于變換反應開始時,CO濃度較高,為加快反應速度,采用在較高溫度下進行反應。本裝置設計中變入口350,出口413℃

如果變換反應已接近平衡,提高溫度會使CO變換率降低,降低溫度,CO變換率增加;如果反應尚未接近平衡,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,可使反應向生成H2和CO2的方向進行;但如果變換反應已接近平衡,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。但變換反應所需要的水蒸汽是轉化前加入的,由于制氫采用H2 O/C較大,故變換水氣比很高,足夠變換反應的需要。

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