【正文】 1 基于 ChemCAD的反應(yīng)器設(shè)計 摘要 甲醇蒸汽制氫已成為國內(nèi)外普遍采用的主要制氫技術(shù)。氫氣在工業(yè)上有著廣泛的用途。近年來，由于精細(xì)化工、蒽醌法制雙氧水、粉末冶金、油脂加氫、林業(yè)品和農(nóng)業(yè)品加氫、生物工程、石油煉制加氫及氫燃料清潔汽車等的迅速發(fā)展，對純氫需求量急速增加。 本論文分析了幾種 反應(yīng)器的類型和結(jié)構(gòu) ,并綜合各種 反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) 介紹了甲醇蒸汽制氫技術(shù)的基本原理及工藝 ,提出了一種新型的絲網(wǎng)填料式甲 醇水蒸汽重整制氫 反應(yīng)器。對 反應(yīng)器的主要零部件作了應(yīng)力計 算強(qiáng)度校核。 并設(shè)計反應(yīng)器外的加熱層和電阻絲 ,對金屬絲進(jìn)行催化劑的涂敷。最后反應(yīng)做出實驗得出實驗數(shù)據(jù)評估實驗結(jié)果。 關(guān)鍵詞 反應(yīng)器 甲醇 水蒸氣重整 制氫 絲網(wǎng)填料 2 The reactor design based ChemCAD Abstract Hydrogen production of technology unit by methanol steam reforming conversion has been widely adopted at home and abroad. In recent years, fine chemicals, hydrogen peroxide anthraquinone process, powder metallurgy, oil hydrogenation, hydrogenation of forestry products and agricultural products, bioengineering, petroleum refining hydrogenation and hydrogen fuel the rapid development of clean vehicles, etc., the demand for pure hydrogen rapidly increasing. This paper analyzes the type structure of several microreactors and researches the strengths and weaknesses of all kinds of microreactors. Its basic principle, process flow and technological design about the equipment are described in this paper. So a new kind of wire or screen filled methanol steam reforming microreactor are designed. The next step is to calculate the stress and intensity of the main parts. Heating and the resistance of the reactor are designed and catalyst on the surface of the wire is coated. Finally taking the experiment, researching the experimental data and assessing the experimental results are my last several steps. Keywords: reactor, methanol, steam reforming, hydrogen production, screen filled 目錄 第一章 緒論 選題背景及研究意義 ..............................1 文獻(xiàn)綜述 ?????????????????? ?? 1 本畢業(yè)設(shè)計研究的主要內(nèi)容 ........................4 第二章 甲醇制氫 工藝流程 甲醇 制氫工藝流程 ................................5 物料衡算 ???????????????????? 5 熱量衡算 ???????????????????? 7 第三章 反應(yīng)器設(shè)計計算 工藝計算 ???????????????????? 10 外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計 ?????????????????? 15 chem CAD?????????? ?????? ???? 18 SW6 校核 ???????????????????? 22. 第四章 管道設(shè)計 管道選型 ???????????????????? 34 泵的選型 ???????????????????? 37 閥門的選型 ??????????????????? 39. 管道閥門選型 ....................................40 第五章 甲醇蒸汽 轉(zhuǎn)化制氫催化劑制備 概述 ............................................41 催化劑的性能 ....................................42 催化劑的涂敷 ....................................42 參考文獻(xiàn) ??????????????????????????? 45 致謝 ????????????????????????????? 47.. 1 第一章 緒 論 1 . 1 選題背景及研究意義 目前幾乎所有的汽車都以汽油、柴油等為原料，消耗了大量的石油資源，同時汽車尾氣造成了大氣的嚴(yán)重污染。據(jù)統(tǒng)計汽車尾氣污染占大氣污染 42%。尋找一種高效、清潔、環(huán)保的能源來替代汽油、柴油成為未來研究的重要趨勢。氫能源因其燃燒熱值高并且清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而受到人們的廣泛關(guān)注。 20 世紀(jì) 90 年代以來以氫氣為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池 (PEMFC) 技術(shù)獲得了高速發(fā)展，質(zhì)子交換膜燃料電池 ( PEMFC) 是公認(rèn)的 21 世紀(jì)高效節(jié)能環(huán)保的發(fā)電方式 ,在固定電站 3 ]和移動電源方面有廣泛的應(yīng)用前景但要實現(xiàn) 商業(yè)化必須解決其氫源問題 。目前 EMFC 氫源技術(shù)有兩類 : 一是燃料電池攜帶純氫 .二是液體燃料現(xiàn)場制氫。因為純氫價格安全性差 、輸送儲存及加注困難限制了燃料電池的規(guī)模應(yīng)用。液相醇類烴類重整現(xiàn)場制氫技術(shù)具有能量密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高的液體燃料容易運(yùn)輸、 補(bǔ)充和儲存在經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面也具有很明顯的優(yōu)勢 是最現(xiàn)實的燃料電池氫源技。在液體燃料制氫方面 ,甲醇為燃料電池提供能源有著明顯的優(yōu)勢 . 甲醇是第二大化工產(chǎn)品 ,資源豐富 ,甲醇在常壓下以液態(tài)形式存在 ,相對于汽油來說 ,甲醇有較高的 H/C 比以及較低的重整溫度 ,在實際 應(yīng)用過程中更容[ 4 ]易實現(xiàn)。 因此開發(fā)以甲醇為原料的高效制氫技術(shù)具有重要意義 。蒸汽重整是目前 .使用最廣泛的制氫方式 ,目前全世界一半以上的氫氣是由蒸汽重整而制得的 [ 5 ]甲醇 水蒸汽重整 (MSR)制氫因反應(yīng)溫度低、產(chǎn)物氫氣含量高等優(yōu)勢成為解決質(zhì)子交換 [ 6 ]膜燃料電池 PEMFC)氫源的有效途徑 。燃料電池要應(yīng)用于移動電源 , 制氫燃料處理系統(tǒng)必須滿足體積小質(zhì)量輕、啟動和負(fù)荷響應(yīng)時間短可靠性高和成本低的特殊要求 ,而將常規(guī)尺度的燃料重整系 統(tǒng)小型化是不現(xiàn)實的。將微通道引入微反應(yīng)器制氫系統(tǒng)具有小的幾何尺寸和 大的比 表面積 ,明顯改善了熱量和物質(zhì)的傳遞 ,提高了反應(yīng)速率 ,而且甲醇轉(zhuǎn)化率也保持較高的值。 文獻(xiàn)綜述 甲醇 水蒸汽重整 (MSR)制氫因反應(yīng)溫度低 (250℃ )，與質(zhì)子交換膜燃料電池的運(yùn)行溫度最匹配、出口 H2 含量高， CO 含量低 (1%)，可省去后續(xù)處理中水汽置換 (WGS)過程以及可利用燃料電池陽極尾氣催化燃燒供熱來 2 提高效率等優(yōu)勢而受到人們更多的關(guān)注。但 MSR 是強(qiáng)吸熱過程，常規(guī)固定床反應(yīng)器采用顆粒催化劑受熱質(zhì)傳輸?shù)南拗贫憩F(xiàn)為慢反應(yīng)，且動態(tài)響應(yīng)慢，催 化劑床層存在 “ 冷 點(diǎn)” 問題難以實現(xiàn)等溫操作。目前解決上述問題的方法是采用微反應(yīng)器技術(shù)強(qiáng)化傳熱 傳質(zhì)。 工業(yè)上利用甲醇制氫有二種途徑：甲醇分解、甲醇部分氧化和甲醇蒸汽重整。 甲醇蒸汽重整制氫由于氫收率高 (由反應(yīng)式可以看出其產(chǎn)物的氫氣組成可接近 75%)，能量利用合理，過程控制簡單，便于工業(yè)操作而更多地被采用。 甲醇蒸汽重整是吸熱反應(yīng)，可以認(rèn)為是甲醇分解和一氧化碳變換反應(yīng)的綜合結(jié)果。甲醇蒸汽重整制氫工藝工業(yè)化多年，經(jīng)歷了多次技術(shù)改進(jìn)，已相當(dāng)成熟。 甲醇蒸汽重整反應(yīng)通常在 250300℃ ， ， H2 0 與 CH3 0H 摩爾比為，重整產(chǎn)物氣經(jīng)過變壓吸附等凈化過程，可得不同規(guī)格的氫氣產(chǎn)品。 甲醇蒸汽重整過程既可以使用等溫反應(yīng)系統(tǒng)，也可以使用絕熱反應(yīng)系統(tǒng)。等溫反應(yīng)系統(tǒng)采用管式反應(yīng)器，管殼中充滿熱載體進(jìn)行換熱，保持恒溫反應(yīng)。在絕熱反應(yīng)系統(tǒng)中，蒸汽與甲醇混合物經(jīng)過一系列絕熱催化劑床層，床層之間配備換熱器。 氫能是最理想的潔凈能源之一。然而，氫氣的儲存和運(yùn)輸不僅費(fèi)用昂貴，技術(shù)上也相當(dāng) 麻煩。甲醇因其能量密度高、易于儲運(yùn)處理、運(yùn)價低廉而被認(rèn)為是一種氫的最佳載體。甲醇催化分解制氫是甲醇制氫的三種途徑之一。甲醇直接分解成氫氣和一氧化碳是比未分解的甲醇和汽油更潔凈有效的燃料，可以用作汽車和氣體渦輪機(jī)的動力燃料，同時也可為化工廠、制藥廠、材料加工廠等提供了一個簡便而經(jīng)濟(jì)的一氧化碳及氫氣來源。以甲醇分解氣作為燃料的內(nèi)燃機(jī)可以在空氣過量的情況下工作 (即貧油燃燒 ),從而使燃燒效率進(jìn)一步提高；事實證明甲醇分解氣的效率比未分解的甲醇高 34%，而且貧油燃燒時燃燒更充分，可以降低一氧化碳和烴類的排放。除此之外， 甲醇分解氣燃燒溫度較低，因而燃燒尾氣中 NOX 含量較低，經(jīng)驗 3 證明 NOX 的排放量可降低一個數(shù)量級 。 反應(yīng)產(chǎn)物凈化系統(tǒng)可根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量等級要求選擇，變壓吸附及膜分離技術(shù)是非常實用的氣體凈化技術(shù)。變壓吸附凈化可獲得純度高于 %的氫氣產(chǎn)品，依據(jù)所使用的不同吸附劑及工藝條件，氫回收率在 70%87%之間變化。溶劑洗滌、 CO 催化轉(zhuǎn)化、甲烷化等過程均可用于凈化氫氣。 甲醇制氫是 適用于中小型用氫規(guī)模的制氫裝置技術(shù) ， 該技術(shù)主要是以甲醇、水為原料，經(jīng)催化轉(zhuǎn)化，變壓吸附分離技術(shù)得到氫氣。該技術(shù)流程簡潔、占地小，投資省、產(chǎn)品成 本低 。其技術(shù)特點(diǎn)為： 生產(chǎn)技術(shù)成熟、運(yùn)行安全可靠 ， 原料來源容易、運(yùn)輸貯存方便、價格穩(wěn)定 ， 流程簡潔 ， 裝置自動化程度高、操作簡單、容易 ，占地小、投資省、回收期短 ， 能耗低、產(chǎn)品成本低 ， 無環(huán)境污染 ??9。 管式反應(yīng)器特點(diǎn)：一種呈管狀、長徑比很大的連續(xù)操作反應(yīng)器。這種反應(yīng)器可以很長，如丙烯二聚的反應(yīng)器管長以公里計。反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)可以是單管，也可以是多管并聯(lián)；可以是空管，如管式裂解爐，也可以是在管內(nèi)填充顆粒狀催化劑的填充管，以進(jìn)行多相催化反應(yīng)，如列管式固定床反應(yīng)器。通常，反應(yīng)物 流處于湍流狀態(tài)時，空管的長徑比大于 50；填充段長與粒徑之比大于 100(氣體 )或 200（液體），物料的流動可近似地視為平推流（見流動模型）。 管式反應(yīng)器返混小，因而容積效率（單位容積生產(chǎn)能力）高，對要求轉(zhuǎn)化率較高或有串聯(lián)副反應(yīng)的場合尤為適用。此外，管式反應(yīng)器可實現(xiàn)分段溫度控制。其主要缺點(diǎn)是，反應(yīng)速率很低時所需管道過長，工業(yè)上不易實現(xiàn)。管式反應(yīng)器與釜式反應(yīng)器還是有差異的，至于是否可以換回還要看你的反應(yīng)的工藝要求和反應(yīng)過程如何，一般的說，管式反應(yīng)器屬于平推流反應(yīng)器，釜式反應(yīng)器屬于全混流反應(yīng)器，你的反應(yīng)過程對平推流 和全混流的反應(yīng)有無具體的要求？管式反應(yīng)器的停留時間一般要短一些，而釜式反應(yīng)器的停留時間一般要長一些，從移走反應(yīng)熱來說，管式反應(yīng)器要難一些，而釜式反應(yīng)器容易一些，可以在釜外設(shè)夾套或釜內(nèi)設(shè)盤管解決，你的這種情況，能否可以考慮管式加釜的混合反應(yīng)進(jìn)行，即釜式反應(yīng)器底部出口物料通過外循環(huán)進(jìn)入管式反應(yīng)器再返回到釜式反應(yīng)器，可以在管式反應(yīng)器后設(shè)置外循環(huán)冷卻器來控制溫度，反應(yīng)原料從管式反應(yīng)器的進(jìn)口或外循環(huán)泵的進(jìn)口進(jìn)入，反應(yīng)完成后的物料從釜式反應(yīng)器的上部溢流出來，這樣兩種反應(yīng)器都用了進(jìn)去。 4 本畢業(yè)設(shè)計研究的主要內(nèi) 容 在熟悉甲醇制氫工藝基礎(chǔ)上，選擇適合的反應(yīng)器類型，利用 ChemCAD 軟件進(jìn)行工藝設(shè)計 (其中反應(yīng)器換熱部分參考換熱器進(jìn)行設(shè)計，存儲部分參考儲罐進(jìn)行設(shè)計 )，根據(jù)工藝設(shè)計結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后用 SW6 進(jìn)行校核，繪制反應(yīng)器裝配圖。 (1)熟悉熟悉甲醇制氫工藝流程； (2)利用 ChemCAD 軟件進(jìn)行反應(yīng)器的工藝設(shè)計；