更新时间：2024-07-11 11:30
变换反应是指一氧化碳和水蒸气在一定条件下，生成二氧化碳和氢的反应。所用的催化剂有铁铬系、铜锌系和钴钼系等。例如，在合成氨生产中，采用二段变换（高温变换和低温变换）将一氧化碳和过量水蒸气转化为二氧化碳和原料气氢气的反应。
无论采用固体、液体或气体原料，所制成的合成氨原料气中均含有一氧化碳，其体积分数为12%~40%。一氧化碳不是合成氨的直接原料，而且能使氨合成催化剂中毒，因此，在送往合成工序之前，必须将一氧化碳脱除。一氧化碳的脱除分为两步，首先，利用一氧化碳与水蒸气作用生成二氧化碳和氢的变换反应，将大部分一氧化碳除去，这一过程称为一氧化碳变换，反应后的气体称为变换气，经变换反应既能把一氧化碳变为易除去的二氧化碳，同时又可制得等体积的氢，然后，再采用其他方法脱除变换气中残余的少量一氧化碳。
工业生产中，一氧化碳变换反应均在催化剂存在的条件下进行。根据反应温度不同，变换过程分为中温变换和低温变换。中温变换催化剂以三氧化二铁为主，反应温度为350~550℃，反应后气体中仍含有3%左右的一氧化碳。低温变换以铜（或硫化钴一硫化钼）为催化剂主体，操作温度为180~280℃，反应后气体中残余一氧化碳可降到0.3%左右。
近年来，随着高活性耐硫变换催化剂的开发和使用，变换工艺发生了很大变化，由过去单纯的中温变换、中低温变换，发展到目前的中变串低变、全低低、中低低变换等多种新工艺。
变换反应可用下式表示：
变换反应的特点是可逆、放热、反应前后体积不变，并且反应速率比较慢，只有在催化剂的作用下才具有较快的反应速率。
变换反应是放热反应，反应热随温度升高而有所减少，不同温度下变换反应的反应热见图1。在生产中，应充分回收利用变换反应热，以便降低能耗。
在一定条件下，当变换反应达到平衡状态时，其平衡常数为：
式中：P(CO2)、P(H2)、P(CO)、P(H2O)—各组分的平衡分压，Pa；
y(CO2)、y(H2)、y(CO)、y(H2O)—各组分的平衡组成，%。
不同温度下，一氧化碳变换反应的平衡常数见图2。变换反应的平衡常数随温度的升高而降低，因而降低温度有利于变换反应向右进行，使变换气中残余CO的含量降低。
变换反应选用什么催化剂，要根据生产工艺要求和具体情况而定。变换催化剂主要有铁镁系催化剂和铁铬系催化剂等中温变换催化剂等。
1、铁镁系催化剂
铁镁系变换催化剂的主要成分是Fe2O3、MgO、Cr2O3，由于催化剂中含有较多的氧化镁（17%~20%），为区别其他铁、铬催化剂，习惯上叫铁镁催化剂。该催化剂的主要活性组分在还原前是Fe2O3（晶相为α-Fe2O3或γ-Fe2O3），在投入变换炉后必须还原为Fe3O4，才具有催化活性。
其变换反应温度高达400～500℃，因此可称为高温变换催化剂或中温变换催化剂。该催化剂最大的特点就是对有机硫化物有较好的转化能力，能将煤气中的硫氧化碳、二氧化硫等转化为硫化氢：
COS+H2→H2S+CO
COS+H2O→H2S+CO2
在CO变换过程中，COS的转化率可达90%以上，同时对硫醇、羰基硫也有类似的反应。在以煤为原料的小型合成氨厂，主要依赖变换过程来完成有机硫的转化。在联醇工艺中，变换过程也是有机硫转化的主要环节，通常还需串联有机硫水解步骤。由于氧化镁的存在，与H2S有以下反应：
MgO+H2S→MgS+H2O
当蒸汽含量增加或煤气中H2S含量减少时，该反应向逆反应方向移动，因此这类催化剂非常适合于含硫高的原料气，通常H2S含量在0.29/m3以下时，对催化剂活性没有影响。当H2S含量达到16~20g/m3时,催化剂活性略有下降，而一旦H2S含量降低，即可恢复原来活性。但是，美中不足的是CO变换转化率较低，蒸汽消耗较高。
2、铁铬系催化剂
铁铬系催化剂以Fe2O3、Cr2O3为主体，同时也含有少量MgO（3%~5%）。与铁镁系催化剂相比．其CO变换转化率较高，蒸汽消耗也较低，其操作温度为315~485℃，但对原料气中硫化物含量要求较严格。其中Cr2O3的加入对变换催化剂起一个结构稳定剂作用。加入Cr2O3后，与Fe2O3形成固溶体，可有效防止或延缓高温烧结而使晶粒再结晶长大和表面积减小，提高催化剂的耐热性能和机械强度，延长使用寿命。纯Fe2O3活性温度很窄，耐热性差，当汽气比较低时，可能发生过度还原反应而生成FeO，甚至Fe，从而引起甲烷化和歧化反应，因此．在投入变换炉后必须还原为Fe3O4才具有催化活性。
K2O和CaO对Fe-Cr系变换催化剂有提高其活性和热稳定性作用，是良好的助催化剂，其添加量以0.5%为最好。MgO能增强催化剂的耐热和抗硫性能。