【正文】 50℃ )，與質(zhì)子交換膜燃料電池的運行溫度最匹配、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。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。 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 。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輸、 補充和儲存在經(jīng)濟性、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。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。氫能源因其燃燒熱值高并且清潔環(huán)保等優(yōu)點而受到人們的廣泛關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計汽車尾氣污染占大氣污染 42%。最后反應(yīng)做出實驗得出實驗數(shù)據(jù)評估實驗結(jié)果。對 反應(yīng)器的主要零部件作了應(yīng)力計 算強度校核。近年來，由于精細化工、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。 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。 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)點和缺點 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。 并設(shè)計反應(yīng)器外的加熱層和電阻絲 ,對金屬絲進行催化劑的涂敷。 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 ??????????????????????????? 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重污染。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。 20 世紀 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) 是公認的 21 世紀高效節(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 。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。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)。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 。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。但 MSR 是強吸熱過程，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” 問題難以實現(xiàn)等溫操作。 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。 甲醇蒸汽重整是吸熱反應(yīng)，可以認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。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行換熱，保持恒溫反應(yīng)。 氫能是最理想的潔凈能源之一。甲醇因其能量密度高、易于儲運處理、運價低廉而被認為是一種氫的最佳載體。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)濟的一氧化碳及氫氣來源。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 。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。 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。其技術(shù)特點為： 生產(chǎn)技術(shù)成熟、運行安全可靠 ， 原料來源容易、運輸貯存方便、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。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。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）。此外，管式反應(yīng)器可實現(xiàn)分段溫度控制。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)進行，即釜式反應(yīng)器底部出口物料通過外循環(huán)進入管式反應(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)器的進口或外循環(huán)泵的進口進入，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)器都用了進去。 (1)熟悉熟悉甲醇制氫工藝流程； (2)利用 ChemCAD 軟件進行反應(yīng)器的工藝設(shè)計； (3)根據(jù)工藝參數(shù)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，完成后利用 SW6 進行校核，繪制反應(yīng)器裝備圖； (4)最后撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書。流程包括以下步驟：甲醇與水按配比 1： 進入原料液儲罐，通過計算泵進入換熱器（ E0101）預(yù)熱，然后在汽化塔（ T0101）汽化，在經(jīng)過換熱器 (E0102)過熱到反應(yīng)溫度進入轉(zhuǎn)化器 (R0101)，轉(zhuǎn)化反應(yīng)生成H CO2 的以及未反應(yīng)的甲醇和水蒸氣等首先與原料液換熱 (E0101)冷卻，然后經(jīng)水冷器 (E0103)冷凝分離水和甲醇，這部分水和甲醇可以進入原料液儲罐，水冷分離后的氣體進入吸收塔，經(jīng)碳酸丙烯脂吸收分離 CO2，吸收飽和的吸收液進入解析塔降壓解析后循環(huán)使用，最后進入 PSA 裝置進一步 脫除分離殘余的 COCO 及其它雜質(zhì)，得到一定純度要求的氫氣。 解吸塔操作壓力為 , CO2 溶解度為 ,則此時吸收塔的吸收能力為 : = 壓力下 2co?=pM/RT=? 44/[? (+25)]=CO2 體積量 V2CO=據(jù)此 ,所需吸收液量為 考慮吸收塔效率以及操作彈性需要 ,取吸收量為 m3 /h 3? = m3 /h 可知系統(tǒng)壓力降至 時 ,析出 CO2 量為 /h= kg/h. 混合氣體中的其他組分如氫氣 ,CO 以及微量甲醇等也可以按上述過程進行計算 ,在此 ,忽略這些組分在吸收液內(nèi)的吸收 . 各節(jié)點的物料量 綜合上面的工藝物料衡算結(jié)果 ,給出物料流程圖及各節(jié)點的物料量 ,見圖 1 一2. 熱量衡算 汽化塔頂溫確定 在已知汽相組成和總壓的條件下，可以根據(jù)汽液平衡關(guān)系確定汽化塔的操作溫度在本工藝過程中 ,要使甲醇水完全汽化 ,則其汽相分率必然是甲醇 40%,水 60%(mol)且已知操作壓力為 ,設(shè)溫度為 T,根據(jù)汽液平衡關(guān)系有 + = 8 初