基于ChemCAD的反应器设计毕业设计.doc
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1、基于ChemCAD的反应器设计 摘要甲醇蒸汽制氢已成为国内外普遍采用的主要制氢技术。氢气在工业上有着广泛的用途。近年来,由于精细化工、蒽醌法制双氧水、粉末冶金、油脂加氢、林业品和农业品加氢、生物工程、石油炼制加氢及氢燃料清洁汽车等的迅速发展,对纯氢需求量急速增加。本论文分析了几种反应器的类型和结构,并综合各种反应器的优点和缺点 介绍了甲醇蒸汽制氢技术的基本原理及工艺,提出了一种新型的丝网填料式甲 醇水蒸汽重整制氢反应器。对反应器的主要零部件作了应力计算强度校核。 并设计反应器外的加热层和电阻丝,对金属丝进行催化剂的涂敷。最后反应做出实验得出实验数据评估实验结果。关键词 反应器 甲醇 水蒸气重整
2、 制氢 丝网填料 The reactor design based ChemCADAbstractHydrogen 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
3、forestry products and agricultural products, bio-engineering, 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 micro-reactors and researches the strength
4、s and weaknesses of all kinds of micro-reactors. 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 micro-reactor are designed. The next step is to calculate the stress and intens
5、ity 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 reform
6、ing, hydrogen production, screen filled 目录第一章 绪论1.1选题背景及研究意义.11.2 文献综述11.3 本毕业设计研究的主要内容.4第二章甲醇制氢工艺流程 2.1甲醇制氢工艺流程.5 2.2物料衡算5 2.3热量衡算7第三章 反应器设计计算 3.1 工艺计算10 3.2 外壳结构设计15 3.3 chem CAD18 3.4 SW6校核22.第四章 管道设计 4.1 管道选型34 4.2 泵的选型37 4.3 阀门的选型39. 4.4 管道阀门选型.40第五章 甲醇蒸汽转化制氢催化剂制备5.1 概述.415.2 催化剂的性能.42 5.3 催化剂的
7、涂敷.42参考文献 45致谢 47.第一章 绪论1 . 1 选题背景及研究意义目前几乎所有的汽车都以汽油、柴油等为原料,消耗了大量的石油资源,同时汽车尾气造成了大气的严重污染。据统计汽车尾气污染占大气污染42%。寻找一种高效、清洁、环保的能源来替代汽油、柴油成为未来研究的重要趋势。氢能源因其燃烧热值高并且清洁环保等优点而受到人们的广泛关注。20世纪90年代以来以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC) 技术获得了高速发展,质子交换膜燃料电池( PEMFC) 是公认的 21 世纪高效节能环保的发电方式,在固定电站3 和移动电源方面有广泛的应用前景但要实现商业化必须解决其氢源问题 。目前EMF
8、C氢源技术有两类: 一是燃料电池携带纯氢.二是液体燃料现场制氢。因为纯氢价格安全性差 、输送储存及加注困难限制了燃料电池的规模应用。液相醇类烃类重整现场制氢技术具有能量密度高、能量转换效率高的液体燃料容易运输、 补充和储存在经济性、安全性等方面也具有很明显的优势 是最现实的燃料电池氢源技。在液体燃料制氢方面,甲醇为燃料电池提供能源有着明显的优势. 甲醇是第二大化工产品,资源丰富,甲醇在常压下以液态形式存在,相对于汽油来说,甲醇有较高的H/C 比以及较低的重整温度,在实际应用过程中更容 4 易实现。 因此开发以甲醇为原料的高效制氢技术具有重要意义 。蒸汽重整是目前.使用最广泛的制氢方式,目前全世
9、界一半以上的氢气是由蒸汽重整而制得的 5 甲醇-水蒸汽重整(MSR)制氢因反应温度低、产物氢气含量高等优势成为解决质子交换 6 膜燃料电池PEMFC)氢源的有效途径 。燃料电池要应用于移动电源, 制氢燃料处理系统必须满足体积小质量轻、启动和负荷响应时间短可靠性高和成本低的特殊要求,而将常规尺度的燃料重整系 统小型化是不现实的。将微通道引入微反应器制氢系统具有小的几何尺寸和大的比 表面积,明显改善了热量和物质的传递,提高了反应速率,而且甲醇转化率也保持较高的值。1.2 文献综述甲醇-水蒸汽重整(MSR)制氢因反应温度低(250),与质子交换膜燃料电池的运行温度最匹配、出口H含量高,CO含量低(1
10、%),可省去后续处理中水汽置换(WGS)过程以及可利用燃料电池阳极尾气催化燃烧供热来提高效率等优势而受到人们更多的关注。但MSR是强吸热过程,常规固定床反应器采用颗粒催化剂受热质传输的限制而表现为慢反应,且动态响应慢,催化剂床层存在“冷点”问题难以实现等温操作。目前解决上述问题的方法是采用微反应器技术强化传热传质。工业上利用甲醇制氢有二种途径:甲醇分解、甲醇部分氧化和甲醇蒸汽重整。甲醇蒸汽重整制氢由于氢收率高(由反应式可以看出其产物的氢气组成可接近75%),能量利用合理,过程控制简单,便于工业操作而更多地被采用。甲醇蒸汽重整是吸热反应,可以认为是甲醇分解和一氧化碳变换反应的综合结果。甲醇蒸汽重
11、整制氢工艺工业化多年,经历了多次技术改进,已相当成熟。甲醇蒸汽重整反应通常在250-300,1.5MPa,H0与CH0H摩尔比为1.0-5.0的条件下进行,重整产物气经过变压吸附等净化过程,可得不同规格的氢气产品。甲醇蒸汽重整过程既可以使用等温反应系统,也可以使用绝热反应系统。等温反应系统采用管式反应器,管壳中充满热载体进行换热,保持恒温反应。在绝热反应系统中,蒸汽与甲醇混合物经过一系列绝热催化剂床层,床层之间配备换热器。氢能是最理想的洁净能源之一。然而,氢气的储存和运输不仅费用昂贵,技术上也相当麻烦。甲醇因其能量密度高、易于储运处理、运价低廉而被认为是一种氢的最佳载体。甲醇催化分解制氢是甲醇
12、制氢的三种途径之一。甲醇直接分解成氢气和一氧化碳是比未分解的甲醇和汽油更洁净有效的燃料,可以用作汽车和气体涡轮机的动力燃料,同时也可为化工厂、制药厂、材料加工厂等提供了一个简便而经济的一氧化碳及氢气来源。以甲醇分解气作为燃料的内燃机可以在空气过量的情况下工作(即贫油燃烧),从而使燃烧效率进一步提高;事实证明甲醇分解气的效率比未分解的甲醇高34%,而且贫油燃烧时燃烧更充分,可以降低一氧化碳和烃类的排放。除此之外,甲醇分解气燃烧温度较低,因而燃烧尾气中NOX含量较低,经验证明NOX的排放量可降低一个数量级。反应产物净化系统可根据产品质量等级要求选择,变压吸附及膜分离技术是非常实用的气体净化技术。变
13、压吸附净化可获得纯度高于99.99%的氢气产品,依据所使用的不同吸附剂及工艺条件,氢回收率在70%-87%之间变化。溶剂洗涤、CO催化转化、甲烷化等过程均可用于净化氢气。甲醇制氢是适用于中小型用氢规模的制氢装置技术,该技术主要是以甲醇、水为原料,经催化转化,变压吸附分离技术得到氢气。该技术流程简洁、占地小,投资省、产品成本低。其技术特点为:生产技术成熟、运行安全可靠,原料来源容易、运输贮存方便、价格稳定,流程简洁,装置自动化程度高、操作简单、容易,占地小、投资省、回收期短,能耗低、产品成本低,无环境污染管式反应器特点:一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。这种反应器可以很长,如丙烯二聚的反应
14、器管长以公里计。反应器的结构可以是单管,也可以是多管并联;可以是空管,如管式裂解炉,也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管,以进行多相催化反应,如列管式固定床反应器。通常,反应物流处于湍流状态时,空管的长径比大于50;填充段长与粒径之比大于100(气体)或200(液体),物料的流动可近似地视为平推流(见流动模型)。管式反应器返混小,因而容积效率(单位容积生产能力)高,对要求转化率较高或有串联副反应的场合尤为适用。此外,管式反应器可实现分段温度控制。其主要缺点是,反应速率很低时所需管道过长,工业上不易实现。管式反应器与釜式反应器还是有差异的,至于是否可以换回还要看你的反应的工艺要求和反应过程如何
15、,一般的说,管式反应器属于平推流反应器,釜式反应器属于全混流反应器,你的反应过程对平推流和全混流的反应有无具体的要求?管式反应器的停留时间一般要短一些,而釜式反应器的停留时间一般要长一些,从移走反应热来说,管式反应器要难一些,而釜式反应器容易一些,可以在釜外设夹套或釜内设盘管解决,你的这种情况,能否可以考虑管式加釜的混合反应进行,即釜式反应器底部出口物料通过外循环进入管式反应器再返回到釜式反应器,可以在管式反应器后设置外循环冷却器来控制温度,反应原料从管式反应器的进口或外循环泵的进口进入,反应完成后的物料从釜式反应器的上部溢流出来,这样两种反应器都用了进去。1.3 本毕业设计研究的主要内容在熟
16、悉甲醇制氢工艺基础上,选择适合的反应器类型,利用ChemCAD软件进行工艺设计(其中反应器换热部分参考换热器进行设计,存储部分参考储罐进行设计),根据工艺设计结果进行详细的结构设计,最后用SW6进行校核,绘制反应器装配图。(1)熟悉熟悉甲醇制氢工艺流程;(2)利用ChemCAD软件进行反应器的工艺设计;(3)根据工艺参数进行结构设计,完成后利用SW6进行校核,绘制反应器装备图;(4)最后撰写毕业设计说明书。第二章 甲醇制氢工艺流程2.1甲醇制氢工艺流程甲醇制氢的物料流程如图12。流程包括以下步骤:甲醇与水按配比1:1.5进入原料液储罐,通过计算泵进入换热器(E0101)预热,然后在汽化塔(T0
17、101)汽化,在经过换热器(E0102)过热到反应温度进入转化器(R0101),转化反应生成H2、CO2的以及未反应的甲醇和水蒸气等首先与原料液换热(E0101)冷却,然后经水冷器(E0103)冷凝分离水和甲醇,这部分水和甲醇可以进入原料液储罐,水冷分离后的气体进入吸收塔,经碳酸丙烯脂吸收分离CO2,吸收饱和的吸收液进入解析塔降压解析后循环使用,最后进入PSA装置进一步脱除分离残余的CO2、CO及其它杂质,得到一定纯度要求的氢气。图12 甲醇制氢的物料流程图及各节点物料量2.2物料衡算1、依据甲醇蒸气转化反应方程式: CHOHCO+2H (1-1)CO+HOCO+ H (1-2)CHOH分解为
18、CO转化率99%,反应温度280,反应压力1.5MPa,醇水投料比1:1.5(mol).2、投料计算量 代入转化率数据,式(1-3)和式(1-4)变为:CHOH=0.99CO+1.98H+0.01 CHOHCO+0.99HO=0.99CO+ 0.99H+0.01CO合并式(1-5),式(1-6)得到: CHOH+0.981 HO=0.981 CO+0.961 H+0.01 CHOH+0.0099 CO氢气产量为: 1200m/h=53.571 kmol/h甲醇投料量为: 53.571/2.960132=579.126 kg/h水投料量为: 579.126/321.518=488.638 kg/
19、h3、原料液储槽(V0101)进: 甲醇 579.126 kg/h , 水 488.638 kg/h出: 甲醇 579.126 kg/h , 水 488.638 kg/h4、换热器 (E0101),汽化塔(T0101),过热器(E0103)没有物流变化.5、转化器 (R0101)进 : 甲醇 579.126kg/h , 水488.638 kg/h , 总计1067.764 kg/h出 : 生成 CO 579.126/320.980144 =780.452 kg/h H 579.126/322.96012 =107.142 kg/h CO 579.126/320.009928 =5.017 kg
20、/h 剩余甲醇 579.126/320.0132 =5.791 kg/h 剩余水 488.638-579.126/320.980118=169.362 kg/h 总计 1067.764 kg/h6、吸收塔和解析塔 吸收塔的总压为15MPa,其中CO的分压为0.38 MPa ,操作温度为常温(25). 此时,每m 吸收液可溶解CO11.77 m.此数据可以在一般化工基础数据手册中找到,二氯化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度数据见表1一l及表12。解吸塔操作压力为0.1MPa, CO溶解度为2.32,则此时吸收塔的吸收能力为: 11.77-2.32=9.450.4MPa压力下 =pM/RT=0.444/0
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