制氢装置基本术语

制氢装置基本术语1．1催化剂和催化作用1．1．1催化剂如果把某种物质（可以是一种到几种）加到化学反应体系中，可以改变反应的速率（即反应趋向平衡的速率），而本身在反应前后没有数量上的变化同时也没有性质上的改变，这种物质称为催化剂。加快反应速度的催化剂称正催化剂，减缓反应速度的催化剂称负催化剂。通常所说的催化剂是指正催化剂。1．1．2催化作用催化剂能改变反应趋向平衡的速率的作用称为催化作用。1．1．3均相催化和多相催化催化反应的种类繁多，就催化剂和反应物所处的状态来分，可以分为均相催化反应和多相催化反应。均相催化反应是催化剂与反应物同处一相的反应。多相催化反应是催化剂与反应物不在同一相的反应。1．1．4活性中心在多相催化反应中，催化剂表面上只有一小部分具有催化活性，这一部分称为活性中心。1．1．5化学吸附在吸附剂（催化剂）与吸附物（反应物）之间发生电子转移现象的吸附称为化学吸附。当吸附在固体表面上的分子内部价键发生断裂时称为解离化学吸附。1．1．6活化能路易斯（Lewis）提出的反应速度的碰撞理论认为，反应物分子间的相互碰撞是反应进行的先决条件，反应分子碰撞的频率越高，反应速度越快。但并不是反应分子每一次碰撞都能发生反应。在反应物分子不断发生的千万次碰撞中，只有很少数碰撞是有效的。这些能发生反应的分子与一般正常的分子有所不同，它们具有较高的能量。只有具有较高能量的分子才能克服相碰撞分子之间电子云的相互排斥力，从而导致分子重排，即发生化学反应。这些具有较高能量的分子叫做活化分子，活化分子的平均能量与反应物分子平均能量之差叫反应的活化能。1．2催化剂的化学组分1．2．1化学组分工业催化剂大多不是单一的化合物，而是多种化合物组成的，按其在催化反应中所起的作用可分为主活性组分、助剂和载体三部分。一般所注出的化学组分是普通化学分析的通俗表示法，而不是催化剂的真实结构。1．2．2主催化剂工业催化剂都是多组分催化剂，其中都有一种组分在催化过程中承担催化反应的主要作用称为主催化剂。1．2．3助催化剂（添加剂）许多催化剂常因加入少量某种物质而使催化效率大大提高，但当单独使用这些物质时，它们并没有催化性能或催化活性很小，这种物质称为助催化剂。1．2．4载体多相催化反应只是在催化剂表面上进行。为了增加催化剂的有效表面积，一般常使起催化作用的组分附着在多孔物体的表面，这种多孔物体称为催化剂载体。载体是负载活性组分、并具有足够的机械强度的多孔性物质，一般都是无机氧化物。载体的作用是：使催化剂分散在载体上，得到较大的表面积。选用导热性较好的载体有助于反应过程中催化剂散热，避免催化剂表面熔结或结晶增大。由于催化剂分散在载体上只需薄薄的一层，可节省催化剂的用量。此外，催化剂附在载体上，可增强催化剂的强度。常用的载体有硅藻土、高岭土、硅胶、分子筛等。1．2．5粘结剂在催化剂制造过程中，为了提高催化剂的机械强度而加入的某些组分称为粘结剂。例如某些CO高温变换催化剂中加入少量碱土金属氧化物。1．3催化剂的物理结构1．1．1堆积密度单位堆积体积的催化剂具有的质量数称为催化剂的堆积密度。ρ堆=m/V堆1．1．1比表面积非均相催化剂一般是多孔性的固体，催化剂颗粒内部有许多大小形状不同的孔道，它们形成的表面叫催化剂的内表面。单位质量催化剂所拥有的内表面积称为比表面积，简称比表面，单位为m2.g-1。比表面越大，意味着单位质量的催化剂拥有的内表面积越大，反应场所越多，反应越易于进行。根据多孔性固体对气体吸附质的物理吸附原理，用质量法或容量法测出催化剂样品对惰性吸附质（一般采用氮气或苯）的吸附量，再按照BET公式算出吸附质单分子层的饱和吸附量，从而通过吸附质分子的截面积（氮分子的截面积：σ=氮分子16.2Å，苯分子的截面积：σ=苯分子16.2Å，）便可算出催化剂的比表面。1．4催化剂的性能1．4．1催化剂的活性催化剂的活性是判断催化剂加速某化学反应能力高低的量度，是评判催化剂的重要标准。工业上常用转化率和每小时每升催化剂所得到的产物重量的数值。转化率：在一定反应条件下，已转化掉反应物的量（nA）占进料量（na0）的百分数。即XA(转化率)=（nA/na0）╳100%转化活性：用每小时每升催化剂所得到的产物重量的数值，即空时得量来表示活性。Vv.t=W/(V╳t)其中：Vv.t为空时得量；W为产物重量；V为催化剂体积；t为反应时间。为了直观简便，还用在一定反应条件下，反应后某一组分的残余量来表示催化剂的活性，例如烃类蒸汽转化反应中用出口气残余甲烷量表示。1．4．2催化剂的选择性催化剂并不是对热力学所允许的所有化学反应都能起催化作用，而是特别有效地加速平行反应或串联反应中的某一个反应。催化剂对这类复杂反应有选择性地发生催化作用的性能，称为催化剂的选择性。催化剂的选择性表现在不同的反应要用不同的催化剂，即使这些反应属于同一类型也是如此。还表现在同样的反应物，可能有许多平行反应时，如果选用不同的催化剂，可增大工业上所需要的某个反应速度，同时对其他不需要的反应加以抑制。1．4．3活化、预活化、钝化绝大部分催化剂产品在包装出厂时处于钝化态，即未达到催化过程所需的化学状态和物质结构，还没有一定的性质和数量的活性中心，必须经过还原、氧化、硫化、热处理等方法，在一定条件处理后才能起良好的催化作用，这些处理过程成为催化剂活化。有些催化剂活化复杂并费时，影响工厂开工时间，经济上不合算，催化剂厂便预先将其活化，称为预活化。在反应器中具有活性的催化剂若要卸出，通过含微量氧的惰性气或其他含氧化合物（如水蒸汽），使其生成氧化膜或氧化物，卸出时才能安全地和空气接触而不致剧烈燃烧，这种操作称为催化剂的钝化。1．4．4催化剂的使用寿命催化剂在实际反应条件下，可以保持其活性和选择性的时间称为催化剂的寿命。催化剂的寿命是催化剂性能的一个重要指标。1．4．5抗破碎强度催化剂颗粒抵抗摩擦、冲击、重力作用和抵抗温度、相变应力作用的能力，称为抗破碎强度。抗破碎强度越大，则催化剂物理性能愈好。1．4．6催化剂的中毒和抗毒性催化剂在使用过程中，如果其活性、选择性等性能的衰退是由于反应介质中存在少量杂质，或是由于催化剂在制备时夹杂有少量杂质而引起的，称为催化剂的中毒。使催化剂中毒的杂质，称为该催化剂的毒物。催化剂抵御毒物的能力称为催化剂的抗毒性。催化剂中毒方式可分为两类：一为均匀吸附中毒，即毒物分子均匀地分布在催化剂孔道内表面而引起的中毒；另一为孔口中毒，即毒物分子与催化剂表面仅需很少次数碰撞就使催化剂孔道口处内表面完全中毒，而孔道较深处的表面仍然保持清洁，这种孔口中毒又称为选择性中毒。催化剂的中毒可以是可逆的，也可以是不可逆的。前者是由暂时性毒物所引起，可以用一定的方法解除之，而恢复催化剂的活性。后者则是由永久性毒物引起，很难去掉，活性不易恢复。1．5脱硫氢油比：在加氢脱硫时，加入的氢气体积与油体积的比值。硫化度：加氢脱硫催化剂硫化进行的深度。硫化度=催化剂实际吸硫量/催化剂理论吸硫量硫容：单位体积（单位质量）脱硫剂所能吸收的最大的硫容量。穿透硫容：单位体积脱硫剂在确保工艺净化度指标时，所能吸收硫的容量。1．6转化油中的碳含量：单位重量的油品中所含碳元素的重量，可用分数或百分数表示。碳原（总碳）：每吨烃类进料中含的碳元素全部气化成气态原子时所占的体积。对于液体（油）进料：∑C=1000╳油中碳含量╳22.4/12（Nm3）碳流量：将每小时烃类进料中所含有的碳元素全部计算成气态碳原子时的流量。碳流量（Nm3/h）=液体烃类进料流量(t/h)╳∑C碳空速：碳流量（Nm3/h)除以转化催化剂的体积所得的空速度，单位：h-1。碳空速Vc=碳流量（Nm3/h）/催化剂体积（m3）水碳比：转化进料中，水蒸汽分子和烃的碳原子个数的比值，也可看作进料中水蒸汽的kmol和烃类中碳的kmol比值。H2O/C=水蒸汽总量（kmol）/烃类中碳总量（kmol）平衡温距：工业生产中由化学平衡常数所控制的化学反应（如转化反应）反应器出口物料的组成和达到平衡的物料组成之间总是有一定的差距，反映这两个物料组成的平衡温度之差叫平衡温距。平衡温距绝对值越少越好，表示反应越接近平衡状态。转化反应的转化率：总碳转变为CO和CO2的比值。转化率=（CO%+CO2%）/（CH4+CO%+CO2%）热力学结炭：在轻油蒸汽转化过程中，存在生成炭的反应（烃类的裂解）。在一般的设计工艺条件下，热力学结炭不会大量产生，只有当水碳比失调造成水碳比急剧下降，才会发生热力学结炭。动力学结炭：在轻油蒸汽转化过程中，一方面有多种生成炭的反应，另一方面也存在着消炭的反应。催化剂上是否产生结炭取决于结炭和消炭两种反应的相对速度，当在某工艺条件下结炭速度大于消炭速度时，就会在催化剂上产生动力学结炭。1．7脱碳溶剂和溶质：当气体或液体溶解在液体中时，不管彼此间的相对含量如何，通常把液体当作溶剂，而把溶解的气体或固体当作溶质。当液体溶解在液体中时，含量较多的成分通常称为溶剂，含量较少的成分称为溶质。体积浓度：用于定量分析。但温度改变影响溶液体积。A、体积克分子浓度：一升溶液内所含溶质的克分子数，也称为克分子浓度。B、体积当量浓度：一升溶液内所含溶质的克分子当量，称为当量浓度。重量克分子浓度：1000克溶液内所含有溶质的克分子数，称为重量克分子浓度。克分子分数：在溶液内任一物质的克分子分数，等于其克分子数被各物质的克分子总数除得的商。重量百分数：对含有k个组分的溶液，某成分的重量百分数由下式表示：重量百分数=(gi/(g1+g2+……+gi……+gk))╳100%式中：g1，g2，…gi…gk表示各组分的重量。拉乌尔定律：溶剂在溶液上的饱和蒸汽压恒小于纯溶液上的饱和蒸汽压，而且溶液中的溶质浓度愈大，蒸汽压下降也愈多。即：PA=PA0NA式中：PA为溶液溶剂的蒸汽压；PA0为同温度下纯溶剂的蒸汽压；NA为溶液内溶剂的克分子分数；亨利定律：PB=KNB溶质的蒸汽分压和它在溶液中的克分子分数成正比。K为常数，由实验测定，NB为溶液内溶质的克分子分数。亨利定律只能用于气液两相溶质有相同的分子。苯菲尔溶液总碱度：溶液的碱含量全部以K2CO3含量表示。总碱度=K2CO3+0.69KHCO3（K2CO3和KHCO3用重量百分浓度表示）转化度FC或再生度：溶液的再生程度在苯菲尔系统中用转化度FC或再生度表示。其定义如下（均以克当量浓度计）：溶液中碳酸氢钾和溶液中总碳酸钾含量的比值。由于1克当量K2CO3是100克，1克当量KHCO3是69克，所以如果用重量百分数浓度计则：[KHCO3]1000.69[KHCO3]FC==[KHCO3][K2CO3]0.69[KHCO3]+[K2CO3]+69在无毒G-V法中，溶液的再生程度是以碳化指数或再生度ic表示，其定义是溶液中的二氧化碳量和溶液中的氧化钾量的比值（均以克分子浓度表示），即：ic=CO2/K2Oic=1时，溶液是100%的K2CO3，ic=2时溶液中为100%的KHCO3，ic=0时，溶液为100%的KOH。转化度和碳化指数的关系：ic=1+FC拦液和液泛：在吸收塔操作中由于溶液的起泡，气体夹带雾沫过多，不但影响吸收效率，严重时液体流不下来，完全被气体托住，这种现象称为拦液。在拦液的基础上，塔内气体之线速增大而将液体从塔顶出口管带出的现象，称为液泛。1．8中变和低变水气比：水气比是转化气进入中变、低变反应器中的水蒸汽体积数与干气体积数之比。水气比=水蒸汽量/干气量式中：水蒸汽量（Nm3/h）干气量（Nm3/h）变换率：一氧化碳在变换反应器中变换反应掉的一氧化碳的百分数。X%=（y1-y2）/(y1+y1y2)式中y1和y2分别是变换前和变换后气体中浓度（干基体积百分数）。1．9甲烷化甲烷化工序的任务是清除掉变换和脱碳后气体中残余的一氧化碳和二氧化碳。在甲烷化催化剂的作用下，一氧化碳和二氧化碳与氢气反应生成甲烷。甲烷化反应实质上是甲烷蒸汽转化的逆反应，清除一氧化碳和二氧化碳的反应温度与转化相反，反应要在低温下进行，所以甲烷化催化剂应当具有低温活性。1．10吸收和吸附1．10．1吸收与脱吸气体吸收是气体混合物中一种（或多种）组分从气相转移到液相的过程。转移的方法是物质借扩散（分子扩散或对流扩散）作用而传递，从机理看吸收属于传质过程。转移的结果是一种（或多种）组分与其余组分分开，从应用上说吸收是分离过程的一种。混合气中可溶入液相的组分称为溶质，不能溶的组分称惰性组分或载体气。与吸收相反的过程，即溶质从液相中分离出来而转移到气相的过程（用惰性气体吹扫溶液或将溶液加热或将其送入减压容器中使溶质放出），称为脱吸。1．10．2吸附与脱附吸附是指多孔固体吸附剂与流体相（液体或气体）相接触，流体相中的单一或多种溶质向多孔固体颗粒表面选择性传递，积累于多孔固体吸附剂微孔表面的过程。类似的逆向操作过程称之为脱附，它可以使已吸附于多孔固体吸附剂表面的各类溶质有选择性地脱出，通过吸附和脱附可以达到分离、精制的目的。1．10．3变压吸附变压吸附简称PSA，是对气体混合物进行提纯的工艺过程。该工艺是以多孔性吸附剂内部表面对气体分子的物理吸附为基础，在两压力状态之间工作的可逆的物理吸附过程，它是根据混合气体中杂质组分在高压下具有较大的吸附能力，在低压下又具有较小的吸附能力，而理想的组分氢气则无论是高压或低压都具有较小的吸附能力的原理。在高压下，增加杂质分压以便将其尽量多的吸附于吸附剂上，从而达到高的产品纯度。吸