运转中转化催化剂性能的判断

     由于转化过程较复杂，除了转化催化剂的性能之外许多工艺条件，设备状况及传热等各方面的改变都会影响最终的转化效果。因此，要判断转化装置的运转效果、判断转化催化剂性能好坏及其变化就较复杂了。

      人们常常从观察转化炉出口残余甲烷含量及变化来判断转化催化剂的运行效果——残余甲烷含量升高则认为转化催化剂活性下降。但是，随着原料气组成、水碳比、温度、压力和空速(负荷)等运转条件的改变，用同样“活性”的催化剂其出口残余甲烷含量也会改变，因为转化反应由反应平衡和反应速度决定的。所以，机械地用残余甲烷含量来判断催化剂的活性是很不准确的，甚至可能得到错误的结论。

      通常可用下述方法判断转化催化剂的性能和运转效果。

（1）与反应平衡状态比较——“距平衡温差法”

      经过对大量工业转化炉的运转状态的观察，知道在转化炉出口转化反应并没有达到相应温度的平衡。为了描述实际进行的转化反应离反应平衡的远或近而提出了“距平衡温差”的概念。‘距平衡温差”反映了与转化炉出口气体组成相应的平衡温度与实际反应温度之差值。催化剂的活性越好则距平衡温差越小。即，

ΔT=T_实测—T_计算    (5-26)

      式中   ΔT——距平衡温差，℃，

                 T_实测——转化炉出口实际温度，℃，

                 T_计算——用转化炉出口气体组成计算的与其相适应的平衡温度，℃

    由于转化炉出口处转化过程中的变换反应是基本上达平衡的，所以式5-26可变为：

ΔT=T_变换—T_计算    (5-27)

       式中：T_变换——用转化炉出口气体组成计算的与其相适应的变换反应的平衡温度，℃

      T_变换与T_计算的计算方法如下：

               假设：干转化原料气以1克分子碳为基准，

            ni、xi—干原料气和转化气中某组份的含量，％；

             V₀——原料烃中1克分子碳所需的原料气克分子数，

             Vi——I克分子碳生成的干气量，

      物料组份状况如表4.

表5-4  一段转化物料组成

      由进出口碳平衡得：                                  

      式中  x——反应了的甲烷的克分子分数，

                  y——反应了的一氧化碳克分子分数。

      由上式计算得的x、y值代入相应方程(5-16)和(5-17)可计算出相应的K_pl和K_P2，从有关图表可算出或查出与其相应的温度T_计算及T_变换。

      设计和正常运转中的距平衡温差ΔT一般为10～30℃(对一段炉)和10～40℃(对二段炉)。

      距平衡温差ΔT通常应为正值，但是由于实际测得的温度，组成、水碳比等均有一定偏差，ΔT有时可能为负值。如果按式(5-26)和(5-27)计算结果均为负值则对原料气和转化气分析应进行核查，当按式(5-26)计算 T为负值而按式（5-27)计算ΔT为正值时则转化化炉出口温度测定可能偏低。

      尽管温度和分析数据常常出现偏差，但对同一系统上述偏差是基本相同的，虽然此时计算的距平衡温差值不一定很准确，但是在比较中仍可观察催化剂活性的变化。

（2）转化管管壁温度的比较

      从转化管进口、出口的气体温度、转化管管壁温度的高低和变化往往能较好地判断一段转化炉的运转状况及催化剂活性。例如，当其他条件不变时，如管出口温度和管壁温度升高而出口残余甲烷含量并未下降，这说明催化剂活性已明显下降。

       不过，各种运转的工艺条件均会影响转化管管壁温度，前面已讨论过这方面的定量的关系。为了便于比较通常都用式(5-25)换算成统一的基准。即

ΔTWT=C/1%(-13.9℃)+R/1%（1.1℃）+S/0.5(-13.9℃)+T/27.8℃(-4.4℃)

       注：本式中均采用摄氏温度。

      在进行管壁温度的比较时一般都采用与设计条件或与该装置新装入转化催化剂开车后的原始状况相比较。管壁温度的变化ΔTWT值越小则运转越好，催化剂的活性越高。当管壁温度接近设计允许的最高温度时(如930℃)则催化剂活性已到末期。

（3）用电子计算机对转化过程进行模拟计算

      转化过程是相当复杂的，运用计算机我们可以对转化炉内催化剂上的反应动力学、传热、传质及动量传递过程的数学方程式综合解算，来模拟甲烷蒸汽转化过程。通过把实际运转的参数输入计算机后便可获得一整套运转的状况的数据，因此可以对转化过程的运转有一个全面的了解。当然，也可对转化催化剂的性能及寿命等有个正确的判断。

      在用上述各种方法判断转化过程和转化催化剂的状况时所选用的数据的准确性是十分重要的。对采用的数据应进行核查，否则难以获得符合实际的判断。应当特别注意下述几方面：

(1)原料气和转化气分析数据 

       除校正分析方法及检查仪器之外，可进行转化过程的物料平衡计算，然后分析比较计算结果。对于含量很低的(例如二段炉出口残余甲烷含量)组份的分析数据更应格外注意。    

 (2)水碳比

      水碳比的误差往往是计算结果偏差的主要来源。首先应当反复实际地测定水碳比。但是，由于工厂中这一测定往往不易获得满意的效果，所以还应当通过各种计算来修正实测值：

      用出口温度及气体组成来核算——即转化炉出口温度已知，而转化炉出口是达到相应温度的变换反应的平衡的，则由此可计算出气体中的剩余水，然后计算过程中的反应水，进而获得转化炉进口水碳比。计算过程为，

基准  以进口碳为1克分子为准    

则未反应的的剩余水X_H2O=R-x-y

 所以R= X_H2O+x+y

   当然，用转化炉进出口的物料衡算也可以校核实际水碳比。

(3)转化炉出口温度  

      在进行上述计算时均应采用气体离开催化剂层的温度。在凯洛格型竖琴式一段转化炉中则应当用炉内下集气管各点温度的平均值，而不应用经上升管后的总管温度。

      由于一般转化过程在出口处均达到出口温度的变换反应平衡，所以可由此核算实际反应温度。

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