【正文】 ???? 39. 管道閥門(mén)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(shí)汽車尾氣造成了大氣的嚴(yán)重污染。 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。 1 基于 ChemCAD的反應(yīng)器設(shè)計(jì) 摘要 甲醇蒸汽制氫已成為國(guó)內(nèi)外普遍采用的主要制氫技術(shù)。對(duì) 反應(yīng)器的主要零部件作了應(yīng)力計(jì) 算強(qiáng)度校核。據(jù)統(tǒng)計(jì)汽車尾氣污染占大氣污染 42%。目前 EMFC 氫源技術(shù)有兩類 : 一是燃料電池?cái)y帶純氫 .二是液體燃料現(xiàn)場(chǎng)制氫。 因此開(kāi)發(fā)以甲醇為原料的高效制氫技術(shù)具有重要意義 。 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(guò)程以及可利用燃料電池陽(yáng)極尾氣催化燃燒供熱來(lái) 2 提高效率等優(yōu)勢(shì)而受到人們更多的關(guān)注。 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(guò)程控制簡(jiǎn)單，便于工業(yè)操作而更多地被采用。 甲醇蒸汽重整過(guò)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)。然而，氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸不僅費(fèi)用昂貴，技術(shù)上也相當(dāng) 麻煩。以甲醇分解氣作為燃料的內(nèi)燃機(jī)可以在空氣過(guò)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(shí)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(shí)燃燒更充分，可以降低一氧化碳和烴類的排放。溶劑洗滌、 CO 催化轉(zhuǎn)化、甲烷化等過(guò)程均可用于凈化氫氣。 管式反應(yīng)器特點(diǎn)：一種呈管狀、長(zhǎng)徑比很大的連續(xù)操作反應(yīng)器。 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(duì)要求轉(zhuǎn)化率較高或有串聯(lián)副反應(yīng)的場(chǎng)合尤為適用。 4 本畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jì) (其中反應(yīng)器換熱部分參考換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)，存儲(chǔ)部分參考儲(chǔ)罐進(jìn)行設(shè)計(jì) )，根據(jù)工藝設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后用 SW6 進(jìn)行校核，繪制反應(yīng)器裝配圖。 圖 1－ 2 甲醇制氫的物料流程圖及各節(jié)點(diǎn)物料量 物料衡算 依據(jù) 甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)方程式 : CH 3 OH → CO ↑ +2H 2 ↑ 6 （ 11） CO+H 2 O → CO 2 ↑ + H 2 ↑ （ 12） CH 3 OH 分解為 CO 轉(zhuǎn)化率 99%,反應(yīng)溫度 280℃ ,反應(yīng)壓力 ,醇水投料比1:(mol). 投料計(jì)算量 代入轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù) ,式 (13)和式 (14)變?yōu)?: CH3 OH=↑ + ↑ + CH3 OH CO+ O= ↑ + + 合并式 (15),式 (16)得到 : CH 3 OH+ H2 O= CO 2 ↑ + H2 ↑ + CH3 OH+ CO↑ 氫氣產(chǎn)量為 : 1200m3 /h= kmol/h 甲醇投料量為 : ⅹ 32= kg/h 水投料量為 : ⅹ ⅹ 18= kg/h 原料液儲(chǔ)槽 (V0101) 進(jìn) : 甲醇 kg/h , 水 kg/h 出 : 甲醇 kg/h , 水 kg/h 換熱器 (E0101),汽化塔 (T0101),過(guò)熱器 (E0103) 沒(méi)有物流變化 . 轉(zhuǎn)化器 (R0101) 進(jìn) : 甲醇 , 水 kg/h , 總計(jì) kg/h 出 : 生成 CO2 ⅹ ⅹ 44 = kg/h H2 ⅹ ⅹ 2 = kg/h CO ⅹ ⅹ 28 = kg/h 剩余甲醇 ⅹ ⅹ 32 = kg/h 剩余水 ⅹ ⅹ 18= kg/h 7 總計(jì) kg/h 吸收塔和解析塔 吸收塔的總壓為 1． 5MPa,其中 CO2 的分壓為 MPa ,操作溫度為常溫 (25℃ ). 此時(shí) ,每 m3 吸收液可溶解 CO2 m3 .此數(shù)據(jù)可以在一般化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到，二氯 化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1 一 l 及表 1— 2。 p水 = MPa p總 = MPa 再設(shè) T=175℃ p甲醇 =。300p =(kg 175 ℃ 甲醇 H = Q=?+2031?=? 106 kJ/h 以 300℃導(dǎo)熱油 cp 計(jì)算 cp = kJ/(kg k/mol， 則 其摩 爾 流量 為 ：對(duì)于水 ，其摩爾質(zhì)量為 18 kg有理想氣體狀態(tài)方程 pV=nRT，可分別計(jì)算出進(jìn)料氣中甲醇和水的體積流量： 甲醇的體積流量 VA 為： VA= 10* )(** 6 ?? m3/h 水的體積流量 VB為： VB= 10* )(** 6 ?? m3/h 進(jìn)料氣 的總質(zhì)量為： mo= += kg/h （ 2）計(jì)算反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率 進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)甲醇的流量為 kg/h，出反應(yīng)器時(shí)甲醇的流量為 kg/h，則甲醇的轉(zhuǎn)化率 xAf為： xAf= %99%100* ?? 即反應(yīng)過(guò)程中消耗甲醇的物質(zhì)的量為： 99%= kmol/h （ 3）計(jì)算反應(yīng)體系的膨脹因子 由體系的化學(xué)反應(yīng)方程式可知，反應(yīng)過(guò)程中氣體的總物質(zhì)的量發(fā)生了變化，可求出膨脹因子δ A。 反應(yīng)器內(nèi)的實(shí)際氣速為： u=τl = sm /* 3 ? （ 7）計(jì)算反應(yīng)熱 甲醇制氫的反應(yīng)實(shí)際為兩個(gè)反應(yīng)的疊合，即 CH3OH=CO+CO+H2O=CO2+H2+ 反應(yīng)過(guò)程中的一氧化碳全部由甲醇分解而得， 由化學(xué)反應(yīng)式可知，每轉(zhuǎn)化1kmol 的甲醇就可生成 1kmol 的一氧化碳，則反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的一氧化碳的物質(zhì) 13 的量為 。 OC），管內(nèi)側(cè)的對(duì)流給熱系數(shù)為αi=80 W/（ m2 OC/W 根據(jù)傳熱學(xué)，反應(yīng)器的傳熱系數(shù)為： K=1/（ i1α dtd 2? + oα1 +λt +Rf） 由于 dtd 2? 的值接近于 1，對(duì) K 帶來(lái)的誤差小于 1%；鋼管的傳熱很快，對(duì) K的影響也很小， 故可將上式簡(jiǎn)化為： K=1/ （ i1α + oα1 +Rf ） = 1 ??? W/ （ m2 根據(jù)計(jì)算所得的管子內(nèi)徑，按前述換熱設(shè)備設(shè)計(jì)選擇合適的管子型號(hào)和所需的管數(shù)及布管方式。 筒體 (1) 筒體內(nèi)徑 :700mm 設(shè)計(jì)壓力： P c = wp = 設(shè)計(jì)溫度取350? C 筒體材料： 16MnR 焊接接頭系數(shù) Φ= 鋼板厚度負(fù)偏差 C1=0,腐蝕裕量 C2=,厚度附加量 C= C1+ C2=. 筒體的計(jì)算厚度計(jì)算 δ = PDPc it c2[ ]? ??= *13 4*2 70 0* ?? mm 考慮厚度附加量并圓整至鋼板厚度系列 ，得材料名義厚度 ?n = mmn 6?? 強(qiáng)度校核 有效厚度 ?e =?n C1 C2=5mm ?t = P Dc i ee( )???2 = *2 )5700(* ?? MPa ???t ?=134 MPa 符合強(qiáng)度要求。支座材料 Q235－ A*F。 水平力 取 p e 與 p w 兩 者 的 大 值 ， 即 P ＝Pe+=+*3366= 支座安裝尺寸為 D： D= mmslbD ni 8 6 7)(2)2()22( 122223 ??????? ??? 式中， 2? 為耳式支座側(cè)板厚度； 3? 為耳式支座襯板厚度。 形式： A3 型 高度： 200 底板： L1:125 b1:80 δ 1： 8 s1:40 筋板： L2:100 b2:100 δ 2： 5 墊板： L3： 20 b3:160 δ 3： 6 e:24 地角螺栓規(guī)格： M24 螺栓孔直徑： 27 1管板 材料： 16MnR 換熱管管孔直徑： 25 拉桿管孔直徑： 19 18 厚度： 50 外徑： 860 chem CAD 設(shè)計(jì) （ 1） 甲醇制氫工藝流程圖 （ 2）進(jìn)料成分 20 （ 3） 平衡反應(yīng)器 錄一般規(guī)格 （ 4）平衡反應(yīng)器更多規(guī)格 21 （ 5）平衡反應(yīng)器反應(yīng)參數(shù)基本組分 1 的設(shè)定 （ 6）平衡反應(yīng)器參數(shù)基本組分 2的設(shè)定 22 （ 7）出料數(shù)據(jù) SW6 校核 內(nèi)筒體內(nèi)壓計(jì)算 計(jì)算單位 中北大學(xué)大學(xué)過(guò)程裝備與控制工程系 計(jì)算條件 筒體簡(jiǎn)圖 計(jì)算壓力 Pc MPa 設(shè)計(jì)溫度 t ? C 內(nèi)徑 Di mm 材料 16MnR(正火 ) ( 板材 ) 試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力 ??? MPa 設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力 ???t MPa 試驗(yàn)溫度 下屈服點(diǎn) ?s MPa 鋼板負(fù)偏差 C1 mm 腐蝕裕量 C2 mm 焊接接頭系數(shù) ? 厚度及重量計(jì)算 計(jì)算厚度 ? = PD Pc it c2[ ]? ?? = mm 23 有效厚度 ?e =?n C1 C2= mm 名義厚度 ?n = mm 重量 Kg 壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核 壓力試驗(yàn)類型 液壓試驗(yàn) 試驗(yàn)壓力值 PT = [][]??t = (或由用戶輸入 ) MPa 壓力試驗(yàn)允許通過(guò) 的應(yīng)力水平 ???T ???T? ?s = MPa 試驗(yàn)壓力下 圓筒的應(yīng)力 ?T = p DT i ee.( ).??? ?2 = MPa 校核條件 ?T? ???T 校核結(jié)果 合格 壓力及應(yīng)力計(jì)算 最大允許工作壓力 [Pw]= 2? ? ??e ti e[ ]( )D? = MPa 設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算應(yīng)力 ?t = P Dc i ee( )???2 = MPa ???t? MPa 校核條件 ???t? ≥ ?t 結(jié)論 合格 內(nèi)壓橢圓封頭校核 計(jì)算單位 中北大學(xué)過(guò)程裝備與控制工程系 計(jì)算條件 橢圓封頭簡(jiǎn)圖 計(jì)算壓力 Pc MPa 設(shè)計(jì)溫度 t ? C 內(nèi)徑 Di mm 曲面高度 hi mm 材料 16MnR(熱軋 ) (板材 ) 試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力 ??? MPa 設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng) 力 ???t MPa 鋼板負(fù)偏差 C1 mm 腐蝕裕量 C2 mm 焊接接頭系數(shù) ? 24 厚度及重量計(jì)算 形狀系數(shù) K = 16 2 2 2???? ???????????Dhii = 計(jì)算厚度 ? = KPD Pc it c2 0 5[ ] .? ?? = mm 有效厚度 ?e =?n C1 C2= mm 最小厚度 ?min = mm 名義厚度 ?n = mm 結(jié)論 滿足最小厚度要求 重量 Kg 壓 力 計(jì) 算 最大允許工作壓力 [Pw]= 2 0 5[ ] .? ???t ei eKD? = MPa 結(jié)論 合格 延長(zhǎng)部分兼作法蘭固定式管板 設(shè)計(jì)單