鈣基脫氯劑床層出口HCl含量的熱力學計算

章小林，李 倫，李新懷，李耀會，呂小婉，李小定

（華爍科技股份有限公司，武漢 430074）

鈣基脫氯劑床層出口HCl含量的熱力學計算

章小林，李 倫，李新懷，李耀會，呂小婉，李小定

（華爍科技股份有限公司，武漢 430074）

利用純物質熱化學數據對重整工況中鈣基脫氯劑出口HCl平衡含量進行了熱力學計算。計算結果表明在重整裝置工況條件下，HCl與鈣基脫氯劑的反應傾向于自發發生；實際工況中，鈣基脫氯劑中的Ca（OH）2會逐漸轉化為CaCO3；實際脫氯劑床層HCl出口含量更接近HCl與CaCO3反應平衡計算結果。

HCl；鈣基脫氯劑；熱力學；重整

Abstract：The thermodynamics equilibrium concentration of HCl on Ca-based dechlorination aent in in the reforming unit were calculated according to thermodynamic data. The reaction of HCl with Ca-based dechlorination aent can occur spontaneously under the conditions of reforming unit because of the low negative value ofG thermodynamically.The result reveal that HCl was removed essily in the reforming unit.

Key words：HCl；Ca-based dechlorination aent；thermodynamics；reforming

引言

脫氯劑一般是以與HCl結合能力強的堿金屬、堿土金屬化合物組成，或者以與HCl親和能力強的銅、鋅、鎳等的化合物浸漬于活性炭、氧化鋁等載體制備而成，也可以與其他組分混捏成型。其中含有鈣的化合物的脫氯劑一般習慣稱為鈣基脫氯劑，其主要成分為氫氧化鈣、碳酸鈣。由于鈣基脫氯劑具有脫氯效率高、可適應較高HCl含量、較高的空速、較寬的溫度區間，并且價廉易得，因此在石化重整脫氯領域獲得了較廣泛的應用[1]。

由于HCl對設備具有極強的腐蝕性，與氨結合后，極易生成氯化銨堵塞下游設備，并且對下游催化劑具有顯著的毒害作用，因此石化企業對工況中HCl含量變化以及HCl的脫除研究非常重視。目前，國內這一領域的研究還很少，因此本文從熱力學的角度進行了一定探索性的研究。主要熱力學數據來源于純物質熱化學數據手冊[2]。

1 計算模型與方法

1.1 熱力學計算方法

基于反應過程中涉及的各反應物及產物的焓H、熵S、熱容Cp以及吉布斯自由能G等基礎熱力學數據，可對化學反應的熱力學進行理論運算，對于反應方程：

1.2 HCl與鈣基化合物的反應平衡常數

重整裝置中，主要組分為H2、空氣、輕質烷烴、H2O、少量CO2以及微量的HCl、H2S等雜質。鈣基脫氯劑主要含鈣化合物為CaCO3和Ca（OH）2，在重整裝置中，溫度一般為298～573K，總壓力一般為1～3MPa，HCl在鈣基脫氯劑上發生的主要反應見式（1）、式（2））：

由熱力學知識可知，式（1）、式（2）的平衡常數K1、K2為：

2 計算結果與討論

2.1 HCl與鈣基化合物反應平衡的熱力學分析

根據 HCl、CaCO3、Ca（OH）2、CaCl2、CO2、H2O 等物質的熱力學數據可以計算出反應式（1）、式（2）在298～600K范圍內的吉布斯自由能⊿G，結果見圖1。

圖1 HCl反應吉布斯自由能G與溫度的關系

在重整裝置工況條件下，溫度區間為298～573K，由圖1可見，在此條件下，式（1）和式（2）的⊿G均小于0。說明式（1）和式（2）在重整裝置條件下是自發過程，并且反應溫度越高，⊿G越小，反應越傾向于自發發生。單純從熱力學數據分析，在相同溫度下，式（2）的⊿G小于式（1），說明在熱力學上反應式（2）更容易自發發生。

同時根據熱力學公式，也可以計算出式（1）、式（2）在298～600K范圍內的反應平衡常數，結果見圖2。

圖2 HCl反應平衡常數與溫度的關系

由圖2可見，在重整裝置工況溫度區間298～573K內，反應式（1）和（2）的平衡常數分別約為1.14×109～3.46×105和2.37×1020～4.74×1010。單純從熱力學分析，反應式（2）的平衡常數明顯大于反應式（1），表明反應式（2）進行得比反應式（1）更徹底。

2.2 實際工況條件下HCl平衡含量的熱力學計算

已知國內重整裝置脫氯主要分為常溫脫氯和高溫脫氯兩種類型，其中每種類型根據壓力不同又各細分為兩種情況，其主要工況條件如表1所示，現根據以上熱力學分析結合表1的實際工況條件，對HCl與鈣基脫氯劑反應進行熱力學計算，求取實際工況條件下HCl平衡含量。

表1 重整裝置主要工況條件

根據熱力學平衡常數方程，對于反應式（1）、式（2），可計算求得表1條件下HCl的平衡含量，結果見表2：

表2 HCl的平衡含量計算結果

由表2可見，當脫氯反應按式（1）進行時，常溫脫氯情況下，鈣基脫氯劑床層出口HCl含量最低可達25.9×10-9，高溫脫氯情況下最低可達589×10-9；當脫氯反應按式（2）進行時，常溫脫氯情況下，鈣基脫氯劑床層出口HCl含量最低可達0.0000995×10-9，高溫脫氯情況下最低可達0.491×10-9。實際生產中一般控制常溫脫氯情況下，脫氯床層出口HCl含量≦0.1×10-6，高溫脫氯情況下HCl含量≦1.0×10-6，與發生反應（1）的結果比較相近，這是因為工況中含有一定量的CO2，在長時間累積作用下，逐漸將鈣基脫氯劑中的Ca（OH）2轉化為CaCO3。

3 結論

HCl與鈣基脫氯劑反應在重整裝置條件下，⊿G＜0， 是自發過程；在相同溫度下，HCl與Ca（OH）2反應的⊿G比HCl與CaCO3反應的⊿G更小，熱力學平衡常數K更大，說明在熱力學上HCl與Ca（OH）2反應更容易自發發生，反應進行的更徹底。

實際生產中，脫氯劑床層出口HCl含量更接近HCl與CaCO3反應平衡計算結果，表明在實際工況條件下，在CO2和時間的作用下，鈣基脫氯劑中的Ca（OH）2會逐漸轉化為CaCO3。

[1] 馮續.國產脫氯劑及其在重整裝置中的應用[C]，全國氣體凈化協作網2002年技術交流會論文集，2002（9）：118-123.

[2] 巴倫 主編.程乃良等譯.純物質熱化學數據手冊[M]，北京：科學出版社，2003.10：403-684.

Thermodynamics of HCl Equilibrium Concentration on Ca-based Dechlorination Agent

Zhang Xiao-lin，LI Lun，LI Xin-huai，LI Yao-hui，LV Xiao-wan，LI Xiao-ding

TQ127.12

A

1003–6490（2017）09–0257–02

2017–06–27

章小林（1978—），男，湖北人，副研究員，主要從事工業催化劑和氣體凈化劑的研究工作。