CO变换催化剂用量的计算

CO变换催化剂用量的计算
目录
CO变换催化剂用量的计算 (3)
1.空速的定义： (3)
2.反应速率的定义： (3)
3.催化剂用量计算 (4)
3.1计算条件 (4)
3.2采用催化剂空速计算催化剂用量 (5)
3.3采用催化剂动力学方程计算催化剂用量 (5)
4.小结 (6)
CO变换催化剂用量的计算
罗志相
在以固体燃料如煤、液体燃料如重油，气体燃料如天然气为原料制取合成氨、甲醇、合成油的工艺过程中，一般都包含有CO变换工序用以调整进入合成塔的合成气中的H2/CO，如用于合成甲醇，则H2/CO一般为2.0～2.05，合成油的H2/CO要求一般为1.9～2.1，此值与所用的合成催化剂及目标产品有关，因此均涉及到CO变换催化剂的用量计算。

以往的经验均采用催化剂厂家公开发表的催化剂性能指标中的空速来计算，其实采用空速计算催化剂用量是不准确的，只能说是估算。

较准确的计算方法应采用特定催化剂的的反应速率方程即催化剂的动力学方程计算催化剂的用量，以下是笔者的见解，供同行参考。

1.空速的定义：
空速即空间速度，注意有别于空塔速度，是指单位反应体积所能处理的反应混合物的体积流量，当反应混合物进入及离开反应器的组成不变时，空间速度愈大，表明反应器的生产强度愈大，对于不同性质的反应混合物，体积流率的表示方法不同，如反应混合物以液体状态进入反应器，常以25℃下液体的体积流率表示空速，称为液空速。

如果气体混合物有水蒸汽，称为湿空速；不计水蒸汽时，称为干空速。

对于CO变换反应，空速单位常用Nm3／(t·h)或Nm3／(m3·h)即h-1单位表示。

2.反应速率的定义：
化学反应工程上反应速率的定义为单位反应体积（或单位反应表面积上，或单位质量固体或催化剂上）某一反应物或产物的摩尔流率的变化，即
r i=±dN i
dV R
或 r i=±
dN i
dS
或 r i=±
dN i
dW
式中r i为反应速率，kmol/(h.m3)，kmol/(h.m2)，kmol/(h.kg) N i为组分i的摩尔流率，kmol/h；
V R为反应体积，m3；
S为单位催化剂内表面积或固体表面积，m2；
W为单位质量催化剂，kg。

对于均相反应，反应体积是反应混合物在反应器中所占据的体积；对于气－固相催化反应，反应体积是反应器中催化剂的体积，它包括催化剂颗粒的体积和颗粒之间的空隙体积。

对于特定的原料气组成和合成气的H2/CO，CO的摩尔流率的变化确定的即 dN i是确定的，现在只要知道动力学方程即可求得催化剂用量。

3.催化剂用量计算
3.1计算条件
以甲醇合成为例，CO变换催化剂采用Co－Mo耐硫宽温变换催化剂，变换入口和出口的气体组成如下表。

3.2采用催化剂空速计算催化剂用量
Co－Mo耐硫宽温变换催化剂生产产家建议的空速范围为1500h-1～2500h-1，故催化剂的用量应为1.15m3～0.69m3，可见范围较大，无法确定一个具体的用量，一般估算可取空速中间值进行计算，则催化剂的用量为0.865m3。

3.3采用催化剂动力学方程计算催化剂用量
由表中数据可得：
a.CO的变化量计算
dN i＝7.176kmol/h。

b.反应平衡常数
反应的平衡常数与温度的关系式为：
lgK p=2185
T
−0.1102lgT+0.6218×10−3T−1.0604×10−7T2−2.218
将上表中的反应温度代入上式计算得到反应的平衡常数
Kp=24.78
c.CO反应速率
对工业用粒度为Φ3～5mm的B302Q型Co-Mo耐硫宽温变换催化剂，宏观动力学方程采用湖北化学研究所孔渝华教授、陈劲松等人的研究成果。

r=dN co
dw
=1800∗exp(−
43000
RT
)y co0.6y H2y co2−0.3y H20.8(1−β）
β＝y co2y H2/K y y co y H2O
则入口的反应速率r
入
＝0.0261kmol/(kg.ℎ)
出口的反应速率为r
出
＝0.00293kmol/(kg.ℎ)
取反应平均速率为r＝r
入+
r
出
2
＝0.0145kmol/(kg.ℎ)
即有
r=dN co
dw
=0.0145kmol/(kg.ℎ)
dw=
dN co
0.0145
=495kg
计算可得催化剂用量为495kg，催化剂的密度取920kg/m3，系数取1.25，则催化剂的装填V为：
V=495∗1.25
920
=0.67m3
4.小结
由以上计算结果可知，二种计算方法的催化剂用量有一定的差别，采用催化剂空速计算催化剂用量只能作为方案设计时估算催化剂的用量，要想得到更精确的催化剂用量，应采用催化剂厂家提供的或已公开发表的催化剂动力学方程计算催化剂的用量。