制氫轉(zhuǎn)化爐的制氫原理
⑴輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)
①轉(zhuǎn)化反應(yīng)式
轉(zhuǎn)化反應(yīng)是指水蒸汽和烴類進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐爐管通過高溫的催化劑作用，進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，生成H2、C0和CO2。反應(yīng)式：
CnH2n＋2＋nH2O＝nCO＋（2n＋1）H2 -Q
CnH2n＋2＋2nH2O＝nCO2＋（3n＋1）H2 -Q
②主要參數(shù)對轉(zhuǎn)化反應(yīng)的影響:
A 反應(yīng)壓力
轉(zhuǎn)化反應(yīng)是體積膨脹的反應(yīng)，提高壓力對平衡不利，壓力增加，轉(zhuǎn)化率會降低。但在工業(yè)實(shí)踐中，轉(zhuǎn)化增壓有以下好處：
1)轉(zhuǎn)化增壓可節(jié)省動力，對制氫來說，轉(zhuǎn)化增壓可節(jié)省加氫壓縮機(jī)的動力消耗。
2)轉(zhuǎn)化增壓可以提高設(shè)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(shè)備制造材料較省。
3)轉(zhuǎn)化增壓可以提高過剩蒸汽的熱效率。轉(zhuǎn)化反應(yīng)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(chǎn)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(shè)計值。
B 反應(yīng)溫度
因為轉(zhuǎn)化反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，因此提高溫度不僅可以加快反應(yīng)速度，而且有利于反應(yīng)平衡，即可以多生成CO和H2，降低轉(zhuǎn)化尾氣中殘余CH4的含量。但是，提高溫度受到轉(zhuǎn)化爐管的材料的限制。對本裝置Cr25Ni35Nb離心澆鑄爐管，設(shè)計管外壁溫度不允許超過 910℃，因此只能在設(shè)計允許的出口氣體溫度 820℃左右的一定范圍內(nèi)加以調(diào)節(jié)。相反，為了延長價格昂貴的轉(zhuǎn)化管的壽命，還應(yīng)在滿足工業(yè)氫質(zhì)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(jìn)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。空速對每個轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化不完全，甚至?xí)l(fā)生重?zé)N穿透床層、引起催化劑結(jié)碳；但碳空速太小時有可能有些烴類進(jìn)料在各爐管中分配不均勻，會出現(xiàn)爐管溫度不同的現(xiàn)象。
D 水碳比
水碳比是轉(zhuǎn)化操作的一個重要參數(shù)，它是指進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐的水蒸汽的流量和碳流量的比值。因為水蒸汽是轉(zhuǎn)化反應(yīng)的反應(yīng)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(yīng)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(diào)節(jié)幅度較大，對于制氫純度較高的氫氣轉(zhuǎn)化爐來說，多采用3.5～5.0的水碳比。水碳比過小時結(jié)碳傾向增大，但H2O/C 過大亦不經(jīng)濟(jì)，會增加燃料消耗。甚至?xí)疝D(zhuǎn)化催化劑的鈍化。
轉(zhuǎn)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(yīng)
①變換反應(yīng)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(yīng)式:
C0 ＋ H2O = CO2＋H2 ＋410MJ/ g-mol /25℃
b)變換率的求法:
生產(chǎn)上對于變換反應(yīng)進(jìn)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?jǐn)?shù);
ＶCO--------'出口干氣中CO的體積百分?jǐn)?shù)。
②主要參數(shù)對變換反應(yīng)影響
a) 壓力
變換反應(yīng)是一個等分子反應(yīng)，壓力對反應(yīng)平衡無影響，但加壓可增加反應(yīng)速度，反應(yīng)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(shè)備較緊湊。本裝置設(shè)計中變?nèi)肟趬毫?nbsp;2.73MPa，床層總壓降0.05MPa。
b) 溫度
變換反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度越低越有利于變換反應(yīng)的進(jìn)行。但降低溫度必須與反應(yīng)速度和催化劑的性能統(tǒng)一考慮，工業(yè)生產(chǎn)中，所有的催化劑都有一定的活性溫度，低于它反應(yīng)就不能進(jìn)行或進(jìn)行緩慢，而高于此溫度會損壞催化劑。由于變換反應(yīng)開始時，CO濃度較高，為加快反應(yīng)速度，采用在較高溫度下進(jìn)行反應(yīng)。本裝置設(shè)計中變?nèi)肟?50，出口413℃
如果變換反應(yīng)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(yīng)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(yīng)向生成H2和CO2的方向進(jìn)行；但如果變換反應(yīng)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(yīng)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(yīng)所需要的水蒸汽是轉(zhuǎn)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(yīng)的需要。
