制氫裝置基本術(shù)語

制氫裝置基本術(shù)語1．1催化劑和催化作用1．1．1催化劑如果把某種物質(zhì)（可以是一種到幾種）加到化學反應體系中，可以改變反應的速率（即反應趨向平衡的速率），而本身在反應前后沒有數(shù)量上的變化同時也沒有性質(zhì)上的改變，這種物質(zhì)稱為催化劑。加快反應速度的催化劑稱正催化劑，減緩反應速度的催化劑稱負催化劑。通常所說的催化劑是指正催化劑。1．1．2催化作用催化劑能改變反應趨向平衡的速率的作用稱為催化作用。1．1．3均相催化和多相催化催化反應的種類繁多，就催化劑和反應物所處的狀態(tài)來分，可以分為均相催化反應和多相催化反應。均相催化反應是催化劑與反應物同處一相的反應。多相催化反應是催化劑與反應物不在同一相的反應。1．1．4活性中心在多相催化反應中，催化劑表面上只有一小部分具有催化活性，這一部分稱為活性中心。1．1．5化學吸附在吸附劑（催化劑）與吸附物（反應物）之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的吸附稱為化學吸附。當吸附在固體表面上的分子內(nèi)部價鍵發(fā)生斷裂時稱為解離化學吸附。1．1．6活化能路易斯（Lewis）提出的反應速度的碰撞理論認為，反應物分子間的相互碰撞是反應進行的先決條件，反應分子碰撞的頻率越高，反應速度越快。但并不是反應分子每一次碰撞都能發(fā)生反應。在反應物分子不斷發(fā)生的千萬次碰撞中，只有很少數(shù)碰撞是有效的。這些能發(fā)生反應的分子與一般正常的分子有所不同，它們具有較高的能量。只有具有較高能量的分子才能克服相碰撞分子之間電子云的相互排斥力，從而導致分子重排，即發(fā)生化學反應。這些具有較高能量的分子叫做活化分子，活化分子的平均能量與反應物分子平均能量之差叫反應的活化能。1．2催化劑的化學組分1．2．1化學組分工業(yè)催化劑大多不是單一的化合物，而是多種化合物組成的，按其在催化反應中所起的作用可分為主活性組分、助劑和載體三部分。一般所注出的化學組分是普通化學分析的通俗表示法，而不是催化劑的真實結(jié)構(gòu)。1．2．2主催化劑工業(yè)催化劑都是多組分催化劑，其中都有一種組分在催化過程中承擔催化反應的主要作用稱為主催化劑。1．2．3助催化劑（添加劑）許多催化劑常因加入少量某種物質(zhì)而使催化效率大大提高，但當單獨使用這些物質(zhì)時，它們并沒有催化性能或催化活性很小，這種物質(zhì)稱為助催化劑。1．2．4載體多相催化反應只是在催化劑表面上進行。為了增加催化劑的有效表面積，一般常使起催化作用的組分附著在多孔物體的表面，這種多孔物體稱為催化劑載體。載體是負載活性組分、并具有足夠的機械強度的多孔性物質(zhì)，一般都是無機氧化物。載體的作用是：使催化劑分散在載體上，得到較大的表面積。選用導熱性較好的載體有助于反應過程中催化劑散熱，避免催化劑表面熔結(jié)或結(jié)晶增大。由于催化劑分散在載體上只需薄薄的一層，可節(jié)省催化劑的用量。此外，催化劑附在載體上，可增強催化劑的強度。常用的載體有硅藻土、高嶺土、硅膠、分子篩等。1．2．5粘結(jié)劑在催化劑制造過程中，為了提高催化劑的機械強度而加入的某些組分稱為粘結(jié)劑。例如某些CO高溫變換催化劑中加入少量堿土金屬氧化物。1．3催化劑的物理結(jié)構(gòu)1．1．1堆積密度單位堆積體積的催化劑具有的質(zhì)量數(shù)稱為催化劑的堆積密度。ρ堆=m/V堆1．1．1比表面積非均相催化劑一般是多孔性的固體，催化劑顆粒內(nèi)部有許多大小形狀不同的孔道，它們形成的表面叫催化劑的內(nèi)表面。單位質(zhì)量催化劑所擁有的內(nèi)表面積稱為比表面積，簡稱比表面，單位為m2.g-1。比表面越大，意味著單位質(zhì)量的催化劑擁有的內(nèi)表面積越大，反應場所越多，反應越易于進行。根據(jù)多孔性固體對氣體吸附質(zhì)的物理吸附原理，用質(zhì)量法或容量法測出催化劑樣品對惰性吸附質(zhì)（一般采用氮氣或苯）的吸附量，再按照BET公式算出吸附質(zhì)單分子層的飽和吸附量，從而通過吸附質(zhì)分子的截面積（氮分子的截面積：σ=氮分子16.2?，苯分子的截面積：σ=苯分子16.2?，）便可算出催化劑的比表面。1．4催化劑的性能1．4．1催化劑的活性催化劑的活性是判斷催化劑加速某化學反應能力高低的量度，是評判催化劑的重要標準。工業(yè)上常用轉(zhuǎn)化率和每小時每升催化劑所得到的產(chǎn)物重量的數(shù)值。轉(zhuǎn)化率：在一定反應條件下，已轉(zhuǎn)化掉反應物的量（nA）占進料量（na0）的百分數(shù)。即XA(轉(zhuǎn)化率)=（nA/na0）╳100%轉(zhuǎn)化活性：用每小時每升催化劑所得到的產(chǎn)物重量的數(shù)值，即空時得量來表示活性。Vv.t=W/(V╳t)其中：Vv.t為空時得量；W為產(chǎn)物重量；V為催化劑體積；t為反應時間。為了直觀簡便，還用在一定反應條件下，反應后某一組分的殘余量來表示催化劑的活性，例如烴類蒸汽轉(zhuǎn)化反應中用出口氣殘余甲烷量表示。1．4．2催化劑的選擇性催化劑并不是對熱力學所允許的所有化學反應都能起催化作用，而是特別有效地加速平行反應或串聯(lián)反應中的某一個反應。催化劑對這類復雜反應有選擇性地發(fā)生催化作用的性能，稱為催化劑的選擇性。催化劑的選擇性表現(xiàn)在不同的反應要用不同的催化劑，即使這些反應屬于同一類型也是如此。還表現(xiàn)在同樣的反應物，可能有許多平行反應時，如果選用不同的催化劑，可增大工業(yè)上所需要的某個反應速度，同時對其他不需要的反應加以抑制。1．4．3活化、預活化、鈍化絕大部分催化劑產(chǎn)品在包裝出廠時處于鈍化態(tài)，即未達到催化過程所需的化學狀態(tài)和物質(zhì)結(jié)構(gòu)，還沒有一定的性質(zhì)和數(shù)量的活性中心，必須經(jīng)過還原、氧化、硫化、熱處理等方法，在一定條件處理后才能起良好的催化作用，這些處理過程成為催化劑活化。有些催化劑活化復雜并費時，影響工廠開工時間，經(jīng)濟上不合算，催化劑廠便預先將其活化，稱為預活化。在反應器中具有活性的催化劑若要卸出，通過含微量氧的惰性氣或其他含氧化合物（如水蒸汽），使其生成氧化膜或氧化物，卸出時才能安全地和空氣接觸而不致劇烈燃燒，這種操作稱為催化劑的鈍化。1．4．4催化劑的使用壽命催化劑在實際反應條件下，可以保持其活性和選擇性的時間稱為催化劑的壽命。催化劑的壽命是催化劑性能的一個重要指標。1．4．5抗破碎強度催化劑顆粒抵抗摩擦、沖擊、重力作用和抵抗溫度、相變應力作用的能力，稱為抗破碎強度。抗破碎強度越大，則催化劑物理性能愈好。1．4．6催化劑的中毒和抗毒性催化劑在使用過程中，如果其活性、選擇性等性能的衰退是由于反應介質(zhì)中存在少量雜質(zhì)，或是由于催化劑在制備時夾雜有少量雜質(zhì)而引起的，稱為催化劑的中毒。使催化劑中毒的雜質(zhì)，稱為該催化劑的毒物。催化劑抵御毒物的能力稱為催化劑的抗毒性。催化劑中毒方式可分為兩類：一為均勻吸附中毒，即毒物分子均勻地分布在催化劑孔道內(nèi)表面而引起的中毒；另一為孔口中毒，即毒物分子與催化劑表面僅需很少次數(shù)碰撞就使催化劑孔道口處內(nèi)表面完全中毒，而孔道較深處的表面仍然保持清潔，這種孔口中毒又稱為選擇性中毒。催化劑的中毒可以是可逆的，也可以是不可逆的。前者是由暫時性毒物所引起，可以用一定的方法解除之，而恢復催化劑的活性。后者則是由永久性毒物引起，很難去掉，活性不易恢復。1．5脫硫氫油比：在加氫脫硫時，加入的氫氣體積與油體積的比值。硫化度：加氫脫硫催化劑硫化進行的深度。硫化度=催化劑實際吸硫量/催化劑理論吸硫量硫容：單位體積（單位質(zhì)量）脫硫劑所能吸收的最大的硫容量。穿透硫容：單位體積脫硫劑在確保工藝凈化度指標時，所能吸收硫的容量。1．6轉(zhuǎn)化油中的碳含量：單位重量的油品中所含碳元素的重量，可用分數(shù)或百分數(shù)表示。碳原（總碳）：每噸烴類進料中含的碳元素全部氣化成氣態(tài)原子時所占的體積。對于液體（油）進料：∑C=1000╳油中碳含量╳22.4/12（Nm3）碳流量：將每小時烴類進料中所含有的碳元素全部計算成氣態(tài)碳原子時的流量。碳流量（Nm3/h）=液體烴類進料流量(t/h)╳∑C碳空速：碳流量（Nm3/h)除以轉(zhuǎn)化催化劑的體積所得的空速度，單位：h-1。碳空速Vc=碳流量（Nm3/h）/催化劑體積（m3）水碳比：轉(zhuǎn)化進料中，水蒸汽分子和烴的碳原子個數(shù)的比值，也可看作進料中水蒸汽的kmol和烴類中碳的kmol比值。H2O/C=水蒸汽總量（kmol）/烴類中碳總量（kmol）平衡溫距：工業(yè)生產(chǎn)中由化學平衡常數(shù)所控制的化學反應（如轉(zhuǎn)化反應）反應器出口物料的組成和達到平衡的物料組成之間總是有一定的差距，反映這兩個物料組成的平衡溫度之差叫平衡溫距。平衡溫距絕對值越少越好，表示反應越接近平衡狀態(tài)。轉(zhuǎn)化反應的轉(zhuǎn)化率：總碳轉(zhuǎn)變?yōu)镃O和CO2的比值。轉(zhuǎn)化率=（CO%+CO2%）/（CH4+CO%+CO2%）熱力學結(jié)炭：在輕油蒸汽轉(zhuǎn)化過程中，存在生成炭的反應（烴類的裂解）。在一般的設計工藝條件下，熱力學結(jié)炭不會大量產(chǎn)生，只有當水碳比失調(diào)造成水碳比急劇下降，才會發(fā)生熱力學結(jié)炭。動力學結(jié)炭：在輕油蒸汽轉(zhuǎn)化過程中，一方面有多種生成炭的反應，另一方面也存在著消炭的反應。催化劑上是否產(chǎn)生結(jié)炭取決于結(jié)炭和消炭兩種反應的相對速度，當在某工藝條件下結(jié)炭速度大于消炭速度時，就會在催化劑上產(chǎn)生動力學結(jié)炭。1．7脫碳溶劑和溶質(zhì)：當氣體或液體溶解在液體中時，不管彼此間的相對含量如何，通常把液體當作溶劑，而把溶解的氣體或固體當作溶質(zhì)。當液體溶解在液體中時，含量較多的成分通常稱為溶劑，含量較少的成分稱為溶質(zhì)。體積濃度：用于定量分析。但溫度改變影響溶液體積。A、體積克分子濃度：一升溶液內(nèi)所含溶質(zhì)的克分子數(shù)，也稱為克分子濃度。B、體積當量濃度：一升溶液內(nèi)所含溶質(zhì)的克分子當量，稱為當量濃度。重量克分子濃度：1000克溶液內(nèi)所含有溶質(zhì)的克分子數(shù)，稱為重量克分子濃度?？朔肿臃謹?shù)：在溶液內(nèi)任一物質(zhì)的克分子分數(shù)，等于其克分子數(shù)被各物質(zhì)的克分子總數(shù)除得的商。重量百分數(shù)：對含有k個組分的溶液，某成分的重量百分數(shù)由下式表示：重量百分數(shù)=(gi/(g1+g2+……+gi……+gk))╳100%式中：g1，g2，…gi…gk表示各組分的重量。拉烏爾定律：溶劑在溶液上的飽和蒸汽壓恒小于純?nèi)芤荷系娘柡驼羝麎?，而且溶液中的溶質(zhì)濃度愈大，蒸汽壓下降也愈多。即：PA=PA0NA式中：PA為溶液溶劑的蒸汽壓；PA0為同溫度下純?nèi)軇┑恼羝麎海籒A為溶液內(nèi)溶劑的克分子分數(shù)；亨利定律：PB=KNB溶質(zhì)的蒸汽分壓和它在溶液中的克分子分數(shù)成正比。K為常數(shù)，由實驗測定，NB為溶液內(nèi)溶質(zhì)的克分子分數(shù)。亨利定律只能用于氣液兩相溶質(zhì)有相同的分子。苯菲爾溶液總堿度：溶液的堿含量全部以K2CO3含量表示。總堿度=K2CO3+0.69KHCO3（K2CO3和KHCO3用重量百分濃度表示）轉(zhuǎn)化度FC或再生度：溶液的再生程度在苯菲爾系統(tǒng)中用轉(zhuǎn)化度FC或再生度表示。其定義如下（均以克當量濃度計）：溶液中碳酸氫鉀和溶液中總碳酸鉀含量的比值。由于1克當量K2CO3是100克，1克當量KHCO3是69克，所以如果用重量百分數(shù)濃度計則：[KHCO3]1000.69[KHCO3]FC==[KHCO3][K2CO3]0.69[KHCO3]+[K2CO3]+69在無毒G-V法中，溶液的再生程度是以碳化指數(shù)或再生度ic表示，其定義是溶液中的二氧化碳量和溶液中的氧化鉀量的比值（均以克分子濃度表示），即：ic=CO2/K2Oic=1時，溶液是100%的K2CO3，ic=2時溶液中為100%的KHCO3，ic=0時，溶液為100%的KOH。轉(zhuǎn)化度和碳化指數(shù)的關系：ic=1+FC攔液和液泛：在吸收塔操作中由于溶液的起泡，氣體夾帶霧沫過多，不但影響吸收效率，嚴重時液體流不下來，完全被氣體托住，這種現(xiàn)象稱為攔液。在攔液的基礎上，塔內(nèi)氣體之線速增大而將液體從塔頂出口管帶出的現(xiàn)象，稱為液泛。1．8中變和低變水氣比：水氣比是轉(zhuǎn)化氣進入中變、低變反應器中的水蒸汽體積數(shù)與干氣體積數(shù)之比。水氣比=水蒸汽量/干氣量式中：水蒸汽量（Nm3/h）干氣量（Nm3/h）變換率：一氧化碳在變換反應器中變換反應掉的一氧化碳的百分數(shù)。X%=（y1-y2）/(y1+y1y2)式中y1和y2分別是變換前和變換后氣體中濃度（干基體積百分數(shù)）。1．9甲烷化甲烷化工序的任務是清除掉變換和脫碳后氣體中殘余的一氧化碳和二氧化碳。在甲烷化催化劑的作用下，一氧化碳和二氧化碳與氫氣反應生成甲烷。甲烷化反應實質(zhì)上是甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化的逆反應，清除一氧化碳和二氧化碳的反應溫度與轉(zhuǎn)化相反，反應要在低溫下進行，所以甲烷化催化劑應當具有低溫活性。1．10吸收和吸附1．10．1吸收與脫吸氣體吸收是氣體混合物中一種（或多種）組分從氣相轉(zhuǎn)移到液相的過程。轉(zhuǎn)移的方法是物質(zhì)借擴散（分子擴散或?qū)α鲾U散）作用而傳遞，從機理看吸收屬于傳質(zhì)過程。轉(zhuǎn)移的結(jié)果是一種（或多種）組分與其余組分分開，從應用上說吸收是分離過程的一種?；旌蠚庵锌扇苋胍合嗟慕M分稱為溶質(zhì)，不能溶的組分稱惰性組分或載體氣。與吸收相反的過程，即溶質(zhì)從液相中分離出來而轉(zhuǎn)移到氣相的過程（用惰性氣體吹掃溶液或?qū)⑷芤杭訜峄驅(qū)⑵渌腿霚p壓容器中使溶質(zhì)放出），稱為脫吸。1．10．2吸附與脫附吸附是指多孔固體吸附劑與流體相（液體或氣體）相接觸，流體相中的單一或多種溶質(zhì)向多孔固體顆粒表面選擇性傳遞，積累于多孔固體吸附劑微孔表面的過程。類似的逆向操作過程稱之為脫附，它可以使已吸附于多孔固體吸附劑表面的各類溶質(zhì)有選擇性地脫出，通過吸附和脫附可以達到分離、精制的目的。1．10．3變壓吸附變壓吸附簡稱PSA，是對氣體混合物進行提純的工藝過程。該工藝是以多孔性吸附劑內(nèi)部表面對氣體分子的物理吸附為基礎，在兩壓力狀態(tài)之間工作的可逆的物理吸附過程，它是根據(jù)混合氣體中雜質(zhì)組分在高壓下具有較大的吸附能力，在低壓下又具有較小的吸附能力，而理想的組分氫氣則無論是高壓或低壓都具有較小的吸附能力的原理。在高壓下，增加雜質(zhì)分壓以便將其盡量多的吸附于吸附劑上，從而達到高的產(chǎn)品純度。吸