銅系中溫變換催化劑工藝條件研究

       水煤氣變(biàn)換(huàn)（WGS）反應在合成氨、合成甲醇、制氫和城市煤氣等化工業中有著(zhe)廣泛的應用，其目前通常採(cǎi)用的催化劑有鐵鉻系高溫催化劑、銅鋅鋁系低溫催化劑和钴钼鋁寬溫催化劑。鐵鉻系高溫變換催化劑的活性溫區在300℃~500℃，活性組分爲Fe₃0₄；銅系低溫變(biàn)換催化劑的研究開發相對(duì)較晚，1963年美國(guó)首次将其應用於(yú)合成氨工業，我國(guó)則於(yú)1965年實現低溫變(biàn)換工業化，這類催化劑從(cóng)最初的CuO/ZnO/Cr₂0₃逐漸發展爲CuO/ZnO/Al₂0₃ 體系；钴钼系耐硫寬溫變(biàn)換(huàn)催化劑是在20世紀60 年代中後期研制的，主要是爲滿足以重油、渣油、煤或高含硫汽油爲原料制取合成氨原料氣等的需要。本文研究的銅系催化劑使用溫度介於(yú)鐵鉻系高溫變(biàn)換催化劑與銅鋅鋁系低溫變(biàn)換催化劑之間，不同於(yú)上述三類催化劑，可稱爲銅系中溫變(biàn)換催化劑，該催化劑2012年在吉林松原興(xìng)業(yè)糠醇有限公司完成500h工業側(cè)線實驗，具有較好的耐熱性及穩定性，本文研究瞭(le)工藝條件對該催化劑的影響。

1 實驗部分

1 .1 實驗原料

       N₂、CO、CO₂：鋼瓶氣體（φ=99.99%）；H₂：管道氫（φ(H₂)≥96.7%）。

 1 .2 實驗方法

       實驗流程：去離子水經汽化器汽化後與原料幹(gàn)氣混合，進人變(biàn)換器進行變(biàn)換反應，将CO和水蒸汽轉化爲C0₂和H₂，變(biàn)換反應出口的氣體經過冷凝器冷卻後進人氣液分離裝置将水分離出來，産(chǎn)物氣部分分析，其餘放空。

       催化劑(jì)裝(zhuāng)填量500 mL，原料幹(gàn)氣流量由質量流量計控制，去離子水流量由高壓微量液體計量泵控制，測(cè)試人口溫度215 ℃~240℃，溫度間隔5 ℃，每個溫度點保持4 h，氣相色譜（島津14B）測定反應前後 CO含量。

2 實驗結果與讨論

2.1空速對催化活性的影響

圖 1 空速對催化劑WGS活性的影響

       體積(jī)空速對(duì)反應的影響如圖1所示。從圖1中可以看出，随空速的增加，催化劑的低溫活性下降明顯，當(dāng)空速大於(yú)3000 h^-1時，空速的改變(biàn)對催化劑的低溫活性影響不大；人口溫度大於(yú)220 ℃時(shí)，各空速條件下催化劑(jì)活性随溫度升高而增大，230 ℃時達(dá)到高點(diǎn)。适宜的人口溫度爲220℃~240℃。

2.2 汽氣比對催化劑活性的影響

       水煤氣變(biàn)換反應過程中，水蒸氣參(cān)與反應 。因而原料氣中水蒸氣的含量對反應的平衡有較大的影響，提高汽氣比(n(H₂O)／n(幹氣))，可以提高CO的轉化率 。試 驗中通過改變水泵流量，調節於(yú)原料氣攜帶的水蒸氣含量，考察瞭(le)系列汽氣比條件下WGS反應活性。結果如圖2所示。從圖中可以看出，随著(zhe)汽氣比的升高．催化劑在不同溫度下的活性均有不同程度的提高。汽氣比大於(yú)0.43時，空速2500 h^-1~3000h^-1催化劑活性變(biàn)化不大。考慮到實際生産過程中，汽氣比增加會加大蒸汽消耗量，不利於(yú)節能降耗，而汽氣比過低，催化劑的效率低，不利於(yú)生産的開展．尋找合适的汽氣比非常重要。由圖2可認爲：較适合的汽氣比爲0.43。

2.3 壓力對催化劑活性的影響

       水煤氣變換反應是一個等分子反應，如爲理想氣體時，壓力對平衡狀态沒有影響，但改變壓力可以改變反應物濃度。從而 影響反應速度。試驗中通過調節系統背壓來調節系統壓力，考察瞭系列壓力條件下的WGS反應活性。結果如圖3所示。從(cóng)圖中可 以看出，随著(zhe)壓力的升高，催化劑低溫活性升高明顯，當壓力升高到2.0 MPa後，壓力對(duì)催化劑活性影響變(biàn)小。入口溫度在230 ℃以上時，壓力對(duì)催化劑(jì)活性影響不大。因而，催化劑(jì)适宜的使用壓力爲≥2.0 MPa。

2.4 原料CO體積分數對催化劑活性的影響

       傳(chuán)統的銅鋅鋁系水煤氣變(biàn)換催化劑大多具有熱穩定較差，不适合高濃度CO原料轉化要求的特點(diǎn)。試驗中通過質量流量計調(diào) 節原料氣中的CO含量，考察瞭原料氣中CO體積分數對催化劑WGS反應活性的影響，結果如圖4所示。從(cóng)圖中可以看出，随著(zhe) CO體積(jī)分數的升高，催化劑(jì)活性逐漸降低。但CO體積分數升高到18％時，催化劑活性仍達92.28 ％，表明該(gāi)催化劑(jì)具有較好的高濃度CO原料轉化适應性。

3 結論

       空速、汽氣(qì)比、壓(yā)力、CO濃度的改變(biàn)對(duì)催化劑活性均具有影響，随空速增加催化劑活性逐漸降低，随汽氣比的增大催化劑活性随之增大，随CO體積(jī)分數增加催化劑(jì)活性逐漸降低。适宜的反應入口溫度爲220 ℃～240 ℃．壓 力爲>12.0 MPa。