3. Паровая конверсия монооксида углерода

   1. Термодинамика процесса

СО + Н₂О (пар) ↔ СО₂ + Н₂ (4) (ΔН = - 41,3 кДж)

Процесс паровой конверсии монооксида углерода - сложный, с побочными реакциями:

2СО ↔ СО₂ + С (11)

СО + 3Н₂ ↔ СН₄ + Н₂О (12)

Реакция (4) обратима, экзотермическая, протекает без изменения числа молей.

В соответствии с условиями термодинамического равновесия повысить степень конверсии СО можно удалением диоксида углерода из газовой смеси, увеличением содержания водяного пара или проведением процесса при возможно низкой температуре.

Проведение процесса при низких температурах – рациональный путь повышения равновесной степени превращения СО, но возможный только при наличие высокоактивных катализаторов.

2. Кинетика процесса

Для увеличения скорости процесса необходимо увеличивать температуру и давление.

Для увеличения скорости реакции при сравнительно невысокой температуре необходимо применение селективного катализатора, который позволит увеличить скорость основной реакции.

3. Выбор оптимальных условий для проведения паровой конверсии монооксида углерода

1. Катализаторы и температура

Применяют два типа катализаторов: среднетемпературные и низкотемпературные.

Основные компоненты среднетемпературных катализаторов - оксиды железа (III) и хрома (III). Рабочая температура - 400 - 450°С. Катализаторы промотируются оксидами кальция и калия. Для данных катализаторов ядами являются сернистые соединения.

Низкотемпературные катализаторы включают оксиды меди (II), алюминия, цинка и хрома (III). Промоторы – оксиды магния и марганца. Перед эксплуатацией низкотемпературный катализатор восстанавливают монооксидом углерода или водородом с формированием активной поверхности – мелкодисперсной металлической меди. Рабочая температура данных катализаторов - 220 - 280°С. Недостаток – высокая чувствительность к перегреву, большая чувствительность к каталитическим ядам по сравнению с среднетемпературными катализаторами. Срок службы данных катализаторов около 2-х лет.

Реакция конверсии СО сильно экзотермична. Это вызвало необходимость проведения процесса в два этапа при разных температурных режимах. Температурный режим на каждой стадии конверсии определяется свойствами применяемых катализаторов.

Стадии:

- 1-ая стадия на Fe-Cr-катализаторе. При этом в условиях сравнительно высокой температуры (400-450°С) достигается высокая скорость процесса; степень превращения монооксида углерода достигает 60 %;

- 2-ая стадия на Cu-катализаторе. При этом в условиях сравнительно низких температур (220-280°С) достигается полное превращение оставшегося монооксида углерода.

Проведение процесса обратимой экзотермической реакции по ЛОТ. Нижний предел температуры определяется температурой конденсации водяного пара в этих условиях (примерно 180°С при давлении 3 МПа).

2. Соотношение исходных веществ

Процесс ведут с избытком пара, что позволяет:

- увеличить степень конверсии монооксида углерода;

- подавить ряд побочных реакций, например реакцию образования кокса (11).

Верхний предел избытка водяного пара связан с себестоимостью получаемого водорода, которая в основном определяется стоимостью пара.

Полученный технологический газ после конденсации водяного пара имеет примерный состав, % (об.):

Н₂ – 61,7; N₂ + Ar - 20,1; СО₂ – 17,4; СО – 0,5; СН₄ – 0,3 .

Соотношение Н₂:N₂ соответствует 3:1 нужной пропорции этих газов для синтеза аммиака.

С другой стороны, в газе присутствуют значительные количества оксидов углерода, а так как они являются ядами для катализатора синтеза аммиака (обратимо снижающими активность катализатора), от них необходимо избавиться.