影響一氧化碳變換反應的因素

一、一氧化碳變換反應的工藝原理

      一氧化碳變換的基本原理：通過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生成氫氣與二氧化碳的過程。一氧化碳變換反應的反應式是：

CO+H₂O=CO₂+H₂+Q△HO298= -41.4KJ/mol

      通過這個變換反應，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一氧化碳等摩爾的H₂。在反應的過程中僅僅需要消耗廉價的蒸汽，而將其變換成所需要的氣體。

1.一氧化碳變換反應的熱效應

      一氧化碳變換反應作為一種放熱化學反應，在反應發(fā)生的過程中，反應熱隨著溫度的升高而不斷的降低，一氧化碳變換反應的關系式為：

Q=10861-1.44T-0.4×10-4T2+8×18-8T3

      式中： Q—反應熱，kcal/kmol； T—溫度，在工業(yè)生產(chǎn)的時候，當一氧化碳變換爐升溫結束，進行正常的生產(chǎn)狀態(tài)以后，就能夠使用一氧化碳反應熱來保持生產(chǎn)過程的持續(xù)性。

2.一氧化碳變換反應的化學平衡

（1）平衡常數(shù)

      在特定的反應環(huán)境中，當一氧化碳變換反應的正向、逆向反應速度一致的時候，就實現(xiàn)的反應的平衡態(tài)，一氧化碳變換反應的平衡常數(shù)是：

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

      在這個反應式中：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，摩爾分數(shù)，%；平衡常數(shù)KP表示反應達到平衡的狀態(tài)下，變換反應的生成物與反應物之間的數(shù)量關系。所以，變換反應的平衡狀態(tài)是化學反應進行完全程度的一種衡量的方法。通過對上面這個公式的分析我們可以發(fā)現(xiàn)，當KP值越大的時候，原料氣體里面的CO轉(zhuǎn)換就會越充分，在變換之后的氣體里面的CO殘余的數(shù)量就會越少。因為CO變換反應是一種放熱化學反應，溫度的降低對于反應平衡向右移動有著重要的作用。所以，在反應的過程中，平衡的常數(shù)會隨著溫度的降低而不斷的增大。

（2） CO變換率

      對于一氧化碳的變換程度，一般使用變換率來進行表達，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，如果一氧化碳反應之前氣體里面含有A摩爾的CO，變換結束以后氣體里面剩下B摩爾的CO，那么變換率的計算公式為：

X=（A-B）/A×（B+l00%）

      在這個公式里面X 是CO 變換率，A、B分別代表反應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)的時候，變換作為氣體里面一氧化碳的反應，也是獲得H₂的過程。因此，CO的變換率對合成氨的生產(chǎn)發(fā)揮著非常重要的價值。

二、影響一氧化碳變換反應的因素分析

1.溫度對一氧化碳變換反應的影響

      一氧化碳變換反應作為一種可逆的放熱反應方式，隨著溫度的不斷降低，變換平衡逐漸向正方向進行移動，而且變換反應的平衡常數(shù)的Kp值在不斷的增大。因此，在一氧化碳變換反應的過程中，加大對反應爐溫度的控制有著重要的意義。因為在爐溫過高的時候，一方面會降低變換反應的平衡率，另一方面也很容易對變換反應催化劑的性質(zhì)產(chǎn)生不良的影響。同樣在溫度不斷升高的條件下，一氧化碳變換反應的速率在不斷的提高，但是在變換速率達到最大值以后，變換的速率就會隨著溫度的升高而降低，這是因為在溫度較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)一氧化碳反應速率隨升溫而降低的情況。因此，通過對溫度的有效控制，能夠提升一氧化碳變換的速率。

2.H₂O/CO對一氧化碳變換反應的影響

      H₂O/CO 指的是進入變化爐的水蒸氣與原料氣里面CO的體積比例，對一定的氣體來說，能夠體現(xiàn)出水蒸氣的實際用量。在變化反應的過程中，H₂O/CO的比例將會對其變換率產(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提高的過程中而不斷增加的，而且增加的趨勢是由快到慢進行的。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.壓力對一氧化碳變換反應的影響

      在一氧化碳變換反應的過程中，壓力對一氧化碳變換反應的平衡影響非常的小，但是提升變換反應發(fā)生時的壓力，將會出現(xiàn)析碳等副反應的發(fā)生。因此，就變換反應平衡來分析，加壓并不能獲得良好的效果。通過動力學角度的分析，通過加壓能夠有效的提升一氧化碳反應的速率。此外，由于原料氣體的體積小于變換氣體的體積，因此通過給原料氣加壓的方式能夠?qū)崿F(xiàn)動力的節(jié)約。變換反應時具體操作壓力按照大、中、小型氨廠的不同而進行選擇。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一氧化碳變換反應的影響

      按照一氧化碳變換的反應式可以發(fā)現(xiàn)，一氧化碳變換時如果能夠?qū)a(chǎn)物中的二氧化碳除去，則能夠促使反應平衡向氫氣的生成方向移動，進而有效的提升一氧化碳變換反應的效率。假如在一氧化碳變換反應的過程中加入一個脫碳裝置，則能夠有效的提升一氧化碳的變換率?；蛘咄ㄟ^變換氣中的H₂，單獨提出來并加到后面的變換反應過程當中，同樣能夠有效的提升一氧化碳變換的效率。但是因為其經(jīng)濟性較低，因此在一氧化碳變換反應的過程中這個方案較少使用。

5.催化劑活性對一氧化碳變換反應的影響

      在一氧化碳變換反應的過程中，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速率。因此，在一氧化碳變換反應的過程中催化劑、反應壓力、變換反應的工藝等都要做好控制，才能夠有效的提升一氧化碳反應的效果。

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