影响一氧化碳变换反应的因素

一、一氧化碳变换反应的工艺原理

      一氧化碳变换的基本原理：通过将气体里面的一氧化碳与水蒸气置于特定的压力与温度环境中，在一氧化碳催化剂的作用之下，将工艺气体里面的一氧化碳与水变换反应生成氢气与二氧化碳的过程。一氧化碳变换反应的反应式是：

CO+H₂O=CO₂+H₂+Q△HO298= -41.4KJ/mol

      通过这个变换反应，一方面能够将一氧化碳转换成为能够脱出的二氧化碳，另一方面能够获得与反应一氧化碳等摩尔的H₂。在反应的过程中仅仅需要消耗廉价的蒸汽，而将其变换成所需要的气体。

1.一氧化碳变换反应的热效应

      一氧化碳变换反应作为一种放热化学反应，在反应发生的过程中，反应热随着温度的升高而不断的降低，一氧化碳变换反应的关系式为：

Q=10861-1.44T-0.4×10-4T2+8×18-8T3

      式中： Q—反应热，kcal/kmol； T—温度，在工业生产的时候，当一氧化碳变换炉升温结束，进行正常的生产状态以后，就能够使用一氧化碳反应热来保持生产过程的持续性。

2.一氧化碳变换反应的化学平衡

（1）平衡常数

      在特定的反应环境中，当一氧化碳变换反应的正向、逆向反应速度一致的时候，就实现的反应的平衡态，一氧化碳变换反应的平衡常数是：

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

      在这个反应式中：KP表示的是平衡常数； PCO₂、PH₂、PCO、PH₂O表示的是各组份的平衡分压，Mpa； YCO₂、YH₂、YCO、YH₂O各组份的平衡组成，摩尔分数，%；平衡常数KP表示反应达到平衡的状态下，变换反应的生成物与反应物之间的数量关系。所以，变换反应的平衡状态是化学反应进行完全程度的一种衡量的方法。通过对上面这个公式的分析我们可以发现，当KP值越大的时候，原料气体里面的CO转换就会越充分，在变换之后的气体里面的CO残余的数量就会越少。因为CO变换反应是一种放热化学反应，温度的降低对于反应平衡向右移动有着重要的作用。所以，在反应的过程中，平衡的常数会随着温度的降低而不断的增大。

（2） CO变换率

      对于一氧化碳的变换程度，一般使用变换率来进行表达，其变换率指的是已经变换的CO量与变换前CO量的百分比率，如果一氧化碳反应之前气体里面含有A摩尔的CO，变换结束以后气体里面剩下B摩尔的CO，那么变换率的计算公式为：

X=（A-B）/A×（B+l00%）

      在这个公式里面X 是CO 变换率，A、B分别代表反应前后气体中一氧化碳摩尔分率（干基）。一氧化碳作为氨合成的一种毒性气体，在生产的时候，变换作为气体里面一氧化碳的反应，也是获得H₂的过程。因此，CO的变换率对合成氨的生产发挥着非常重要的价值。

二、影响一氧化碳变换反应的因素分析

1.温度对一氧化碳变换反应的影响

      一氧化碳变换反应作为一种可逆的放热反应方式，随着温度的不断降低，变换平衡逐渐向正方向进行移动，而且变换反应的平衡常数的Kp值在不断的增大。因此，在一氧化碳变换反应的过程中，加大对反应炉温度的控制有着重要的意义。因为在炉温过高的时候，一方面会降低变换反应的平衡率，另一方面也很容易对变换反应催化剂的性质产生不良的影响。同样在温度不断升高的条件下，一氧化碳变换反应的速率在不断的提高，但是在变换速率达到最大值以后，变换的速率就会随着温度的升高而降低，这是因为在温度较低的条件下平衡常数较大，而温度的不断升高平衡常数则不断的降低，最终出现一氧化碳反应速率随升温而降低的情况。因此，通过对温度的有效控制，能够提升一氧化碳变换的速率。

2.H₂O/CO对一氧化碳变换反应的影响

      H₂O/CO 指的是进入变化炉的水蒸气与原料气里面CO的体积比例，对一定的气体来说，能够体现出水蒸气的实际用量。在变化反应的过程中，H₂O/CO的比例将会对其变换率产生直接的影响。不管是一氧化碳中温还是低温变换方式，其平衡变换率都是在H₂O/CO提高的过程中而不断增加的，而且增加的趋势是由快到慢进行的。相同的一氧化碳变换率在温度不同的情况下，所需要的H₂O/CO 也是不同的。

3.压力对一氧化碳变换反应的影响

      在一氧化碳变换反应的过程中，压力对一氧化碳变换反应的平衡影响非常的小，但是提升变换反应发生时的压力，将会出现析碳等副反应的发生。因此，就变换反应平衡来分析，加压并不能获得良好的效果。通过动力学角度的分析，通过加压能够有效的提升一氧化碳反应的速率。此外，由于原料气体的体积小于变换气体的体积，因此通过给原料气加压的方式能够实现动力的节约。变换反应时具体操作压力按照大、中、小型氨厂的不同而进行选择。一般小型氨厂为0.7～1.2MPa、中型氨厂为1.2～1.8MPa、大型氨厂压力可达5.2MPa，如果以烃类为原料的大型氨厂压力为3.0MPa左右。

4.二氧化碳和氢气对一氧化碳变换反应的影响

      按照一氧化碳变换的反应式可以发现，一氧化碳变换时如果能够将产物中的二氧化碳除去，则能够促使反应平衡向氢气的生成方向移动，进而有效的提升一氧化碳变换反应的效率。假如在一氧化碳变换反应的过程中加入一个脱碳装置，则能够有效的提升一氧化碳的变换率。或者通过变换气中的H₂，单独提出来并加到后面的变换反应过程当中，同样能够有效的提升一氧化碳变换的效率。但是因为其经济性较低，因此在一氧化碳变换反应的过程中这个方案较少使用。

5.催化剂活性对一氧化碳变换反应的影响

      在一氧化碳变换反应的过程中，催化剂的低温活性受到多种因素的影响，合适的变换环境能够提升一氧化碳的变换与反应速率。因此，在一氧化碳变换反应的过程中催化剂、反应压力、变换反应的工艺等都要做好控制，才能够有效的提升一氧化碳反应的效果。

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