制氢装置工艺原理

制氢装置工艺原理2013-02-27 17:21:27| 分类：默认分类| 标签：制氢|举报|字号订阅⑴轻烃蒸汽转化反应①转化反应式转化反应是指水蒸汽和烃类进入转化炉炉管通过高温的催化剂作用，进行转化反应，生成H2、C0和CO2。反应式： CnH2n ＋2＋nH2O＝nCO＋（2n＋1）H2 -Q CnH2n＋2＋2nH2O＝nCO2＋（3n＋1）H2 -Q ②主要参数对转化反应的影响: A 反应压力转化反应是体积膨胀的反应，提高压力对平衡不利，压力增加，转化率会降低。但在工业实践中，转化增压有以下好处：1) 转化增压可节省动力，对制氢来说，转化增压可节省加氢压缩机的动力消耗。2) 转化增压可以提高设备能力，操作的空间速度可以大一些，催化剂的利用率可以提高，设备制造材料较省。3) 转化增压可以提高过剩蒸汽的热效率。转化反应需要过量的蒸汽，高压蒸汽温度高，在变换后可回收的热能，从而降低了生产成本。但是，对于定型装置来说，压力却不可以任意提高，只是随着阻力降的增大，前部压力被迫逐步提高到设计值。 B 反应温度因为转化反应是吸热反应，因此提高温度不仅可以加快反应速度，而且有利于反应平衡，即可以多生成CO和H2，降低转化尾气中残余CH4的含量。但是，提高温度受到转化炉管的材料的限制。对本装置Cr25Ni35Nb离心浇铸炉管，设计管外壁温度不允许超过 910℃，因此只能在设计允许的出口气体温度 820℃左右的一定范围内加以调节。相反，为了延长价格昂贵的转化管的寿命，还应在满足工业氢质量的前提下，尽量采用较低的出口温度。 C 空间速度空间速度一般是进料的碳空速。碳空速是用碳流量除以催化剂的体积来表示的。空速对每个转化炉来说都有一定的范围，空速太大时，由于原料在催化剂床层中停留的时间太短，转化不完全，甚至会发生重烃穿透床层、引起催化剂结碳；但碳空速太小时有可能有些烃类进料在各炉管中分配不均匀，会出现炉管温度不同的现象。 D 水碳比水碳比是转化操作的一个重要参数，它是指进入转化炉的水蒸汽的流量和碳流量的比值。因为水蒸汽是转化反应的反应物之一，增大水碳比即增大水蒸汽的流量，也就增加了一种反应物的浓度，平衡向右移动，有利于降低CH4，增加CO和H2的浓度。水碳比的调节幅度较大，对于制氢纯度较高的氢气转化炉来说，多采用3.5～5.0的水碳比。水碳比过小时结碳倾向增大，但H2O/C 过大亦不经济，会增加燃料消耗。甚至会引起转化催化剂的钝化。转化温度、压力、H2O/C对尾气组成的影响可简单表示如下： T ↑：CH4↓、CO↑、 CO2↓、 H2↑ P↓：CH4↓、CO↑、 CO2↓、 H2↑ H20/C ↑：CH4↓、CO↓、CO2↑、 H2↑⑵CO蒸汽变换反应①变换反应的基本原理变换是CO和水蒸汽作用生成H2和CO2的过程。a) 变换反应式: C0 ＋ H2O = CO2＋H2 ＋410MJ/ g-mol /25℃b) 变换率的求法: 生产上对于变换反应进行的程度常用变换率来表示：ＶCO－ＶCO' 变换率(Ｘ)＝──────＊100………………………………(2) ＶC0＊（100＋ＶCO'）式中：ＶCO--------入口干气中CO的体积百分数; ＶCO--------'出口干气中CO的体积百分数。②主要参数对变换反应影响a) 压力变换反应是一个等分子反应，压力对反应平衡无影响，但加压可增加反应速度，反应速度约与压力的平方根成正比，所以加压变换可采用较大的空速，即可以省催化剂，设备较紧凑。本装置设计中变入口压力为 2.73MPa，床层总压降0.05MPa。b) 温度变换反应是放热反应，温度越低越有利于变换反应的进行。但降低温度必须与反应速度和催化剂的性能统一考虑，工业生产中，所有的催化剂都有一定的活性温度，低于它反应就不能进行或进行缓慢，而高于此温度会损坏催化剂。由于变换反应开始时，CO浓度较高，为加快反应速度，采用在较高温度下进行反应。本装置设计中变入口350，出口413℃如果变换反应已接近平衡，提高温度会使CO 变换率降低，降低温度，CO变换率增加；如果反应尚未接近平衡，提高温度CO变换率增加，降低温度CO变换率降低。c) 水气比（水蒸汽/CO）增加水气比，即增加水蒸汽流量，可使反应向生成H2和CO2的方向进行；但如果变换反应已接近平衡，增加

蒸汽量CO变换率也增加，减少蒸汽量CO变换率降低；如果变换反应未接近平衡，增加蒸汽量CO变换率降低，减少蒸汽量CO变换率增加。但变换反应所需要的水蒸汽是转化前加入的，由于制氢采用H2 O/C较大，故变换水气比很高，足够变换反应的需要。

碳空速：以碳数为基准，将含烃原料中所有烃类的碳数折算为甲烷的碳数，即每立方米催化剂每小时通过甲烷的标准立方米或公斤摩尔数。

计算公式为：

碳空速= 入口原料气体积流量/催化剂体积×∑C = 原料气空速×∑C

式中：∑C —原料气的总碳原子数，∑C = 1×C1+2×C2+3×C3+4×C4+5×C5+……

其中：C1、C2 、C3……分别为原料气中含有一个碳原子气体（如甲烷）、二个碳原子气体（如乙烷）、三个碳原子气体（如丙烷）……等烃类的体积百分含量。

碳空速是用来描述制氢转化炉生产强度的一个专用术语，即流过单位催化剂体积的碳流量。碳空速简写为Vc，碳空速的计算通式