畢業設計論文-天然氣蒸汽重整制氫系統優化-資料下載頁

【導讀】研究潔凈、高效、低成本的氫燃料電池發電技術以及配套的天然氣制氫。技術，對改善能源結構、提高能源利用率、緩解環境污染具有積極的意義。變換過程、選擇性催化氧化過程以及氣體提純過程。這些包含了燃燒反應、換熱。過程以及催化反應等復雜的工藝過程。論文的主要任務是采用工程熱力學、化學。操作參數對氣體產物組分和轉換效率的影響，為工程應用提供理論依據。Keyword：hydrogen；naturalgas；methane；reforming；

　　

【正文】 為 t時的定壓比熱，可查物性數據手冊 [70,71]， kJ/Nm3℃ 。 根據工藝可知，合成氣出口溫度為 870℃ ，于是根據上式，并結合表 23和表 24可計算得第三章 計算 20 到： ,routQ ?103 /KJ h 于是，轉化過程的能量平衡系數 X2為： 2,( ) /Z r ou t oX Q Q Q?? = (248) 根據高溫變換的工藝要求， CO高變入口的溫度為 360℃ ，于是單位時間內合成氣帶入高溫變換反應器的熱量為： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?4 2 2 2 2 24 2 2 2, , , , , , ,g n C C H t C C O t C C O t C N t C H t C H O t H OC H C O C O N HQ V C t V C t V C t V C t V C t m h? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?/KJ h (249) 式中： t——高變入口合成氣溫度， ℃ ； 2,CHOm——高變入口合成氣中水蒸汽的質量流率， kg/h； 2,tHOh——在高變入口合成氣溫度 t，壓力為 ，水蒸汽的比焓， kJ/kg； ? ? 4t CHC ， ? ? 2t COC ， ? ?t COC ， ? ?2t NC ， ? ?2t HC ——分別為 CH CO CO、 N H2在溫度為 t時的定壓比熱，可查物性數據手冊 [70,71]， kJ/Nm3℃ 。 將高變入口合成氣溫度 360℃ 、表 23和表 24中的數據代入上式可得到： gnQ = kg/h 則單位時間內合成氣需要經過高效換熱器帶走的熱量 gnQ 為： gb cou t ginQ Q Q? ? ? kg/h (250) 定高溫水汽變換反應 后合成氣中的 CO含量為 3%，則根據變換反應式（ 28），單位時間內參與反應的 CO量為 Vg,co為： 39。 , 0 .0 3g CO C CO CV V V? ? ?= ? = Nm3/h (251) 由于高變反應為放熱反應，其單位時間內的放熱量為： , 1000 /2 2 .4C C O ggo V k J h??? (252) 式中： Q——高變反應單位體積放熱量，為 南京工業大學本科生畢業設計 21 計算得：goQ=高變反應后，單位時間內合成氣中水蒸汽剩余量2,gHOV： 2 2 2 3, , , /g H O C H O H O g COV V N V Nm h? ? ? (253) 式中：2HON——變換反應中的 H2O化學計量系數，見變換反應式（ 28）。 計算得： 2,gHOV=根據變換反 應式（ 28）可看出， CO、 H2O、 CO2和 H2的化學當量比均為 1： 1，于是可得到單位時間內高變反應后合成氣中 CO含量為： 39。, , ,g CO C CO g COV V V? ? ?=3/h (254) 單位時間內高變反應后合成氣中 CO2含量為： 22 39。, , ,g CO C CO g COV V V? ? ?+=(255) 單位時間內高變反應后合成氣中 H2含量為： 22 39。, , ,g H C H g COV V V? ? ?+= Nm3/h (256) 而甲烷和氮氣在高變反應中含量不變。其具體數據詳見下表表所示。 34表高變反應出口各氣體流量（ Nm3/ h） ,4gCHV ,2gCOV ,gCOV ,2gHV ,2gNV ,2gHOV 總流量 gV 假設高變出口溫度為 520℃ ，則可計算出單位時間內高變出口合成氣的熱量為： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?4 2 2 2 2 24 2 2 2, , , , , , , ,g o u t g C H t g C O t g C O t g N t g H t g H O t H OC H C O C O N HQ V C t V C t V C t V C t V C t m h? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?/KJ h (257) 式中： t——高變出口合成氣溫度， ℃ ； ,2gHOm——高變出口合成氣中水蒸汽的質量流率， kg/h； ,2CHOh——在高變出口合成氣溫度，壓力 ，水蒸汽的比焓， kJ/kg； ? ? 4t CHC ， ? ? 2t COC ， ? ?t COC ， ? ?2t NC ， ? ?2t HC ——分別為 CH CO CO、 N H2第三章 計算 22 在溫度為 t時的定壓比熱，可查物性數據手冊 kJ/Nm3℃ 。 將高變出口合成氣溫度 420℃ 、表中的數據代入上式可得到： ,goutQ= /KJ h 于是，高溫變換過程的能量平衡系數 Xg為： / ( )g go go ut ginX Q Q Q??= (258) 考慮到高溫變換器的散熱損失，取為 6%～ 7%，則 Xg計算 值在合理范圍內。否則，應調整高變出口合成氣溫度，再重復上述計算步驟，重新計算至 Xg在合理范圍為止。 根據變換反應的工藝要求， CO低變入口混合氣體的溫度為 220℃ ，于是單位時間內，低變入口合成氣的熱量為： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?4 2 2 2 2 24 2 2 2, , , , , , , ,g O U T g C H t g C O t g C O t g N t g H t g H O t H OC H C O C O N HQ V C t V C t V C t V C t V C t m h? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?/KJ h (259) 式中： t——高變出口合成氣溫度， ℃ ； ,2gHOm——高變出口合成氣中水蒸汽的質量流率， kg/h； ,2CHOh——在高變出口合成氣溫度，壓力 ，水蒸汽的比焓， kJ/kg； ? ? 4t CHC ， ? ? 2t COC ， ? ?t COC ， ? ?2t NC ， ? ?2t HC ——分別為 CH CO CO、 N H2在溫度為 t時的定壓比熱，可查物性數據手冊 kJ/Nm3℃ 。 將低變入口合成氣溫 度 220℃ 、表中的數據代入上式可得到： dinQ? 則單位時間內，來自高變的合成氣需要經過高效換熱器帶走的熱量 Qdb為： db go ut dinQ Q Q? ? ? KJ/h (260) 假定高溫水汽變換反應后合成氣中的 CO含量為 %，則根據變換反應式（ 28），單位時間內參與反應的 CO量,39。dcoV為： 39。 , 0 .0 0 4d c o g c o gV V V? ? ?== Nm3/ h (261) 由于低變反應為放熱反應，其單位時間內的放熱量為： 南京工業大學本科生畢業設計 23 , 1000 /2 2 .4g C O ddo V k J h??? (262) 式中： dQ ——低變反應單位放熱量，見變換反應式（ 28），為 kJ/mol。 計算得： doQ = Nm3/ h 低變反應后，單位時間內合成氣中水蒸汽剩余量,2dHOV： , 2 2 2 39。3, /d H O g H O H O d COV V N V N m h? ? ? (263) 式中：20HN——變換反應中的 H2O化學計量系數，見變換反應式（ 28）。 計算得： ,2dHOV= Nm3/ h 根據變換反應式（ 28）可看出， CO、 H2O、 CO2和 H2的化學當量比均為 1:1。于是，可得到單位時間內低變反應后合成氣中 CO含量為： 39。, , ,d co g co d coV V V??== Nm3/ h (264) 單位時間內低變反應后合成氣中 CO2含量為： 22 39。, , ,d co g H d coV V V??=+= Nm3/ h (265) 單位時間內低變反應后合成氣中 H2含量為： 22 39。, , ,d H g H d COV V V? ? ?+=28 Nm3/ h (266) 而甲烷和氮氣在低變反應中含量不變。其具體數據詳見表所示。 35表低變反應 出口各氣體流量（ Nm3/ h） ,4dCHV ,2dCOV ,dCOV ,2dHV ,2dNV ,2gHOV 總流量 gV 0． 36 104． 6 2． 82 280． 2 1． 02 317． 48 705． 76 假設低變出口溫度為 280℃ ，則可計算出單位時間內低變出口合成氣的熱量為： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?4 2 2 2 2 24 2 2 2, , , , , , , ,d O U T d C H t d C O t d C O t d N t d H t C H O t H OC H C O C O N HQ V C t V C t V C t V C t V C t m h? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?/KJ h (267) 式中： t——高變出口合成氣溫度， ℃ ； ,2dHOm——高變出口合成氣中水蒸汽的質量流率， kg/h； 第三章 計算 24 ,2CHOh——在高變出口合成氣溫度，壓力 ，水蒸汽 的比焓， kJ/kg； ? ? 4t CHC ， ? ? 2t COC ， ? ?t COC ， ? ?2t NC ， ? ?2t HC ——分別為 CH CO CO、 NH2在溫度為 t時的定壓比熱，可查物性數據手冊 kJ/Nm3℃ 將低變出口合成氣溫度 280℃ 和表中的插值數據代入上式可得到： doutQ ? 于是，低溫變換過程的能量平衡系數為 Xd為： / ( )d do dout dinX Q Q Q? ? ? (268) 考慮到低溫變換器的散熱損失，取為 6%～ 7%，則 Xd計算值稍微大一些，但依然屬于在合理范圍內。否則，應調整低變出口合成氣溫度，再重復上述計算步驟，重新計算至合理范圍為止。 根據工藝要求，經過低溫變換后，合成氣直接進行 CO選擇性催化氧化反應，反應后 CO的含量為 1106以下。因 此，近似取 CO完全反應，反應后 CO含量為 0。 根據反應式（ 211），氧化反應耗氧量為： 2,/2X O d COVV?=(269) 氧化反應后 CO2的流量為2,XOV為： 2 2 2, , ,2X C O d C O X OV V V??=+= Nm3/h (270) 合成氣經過氧化反應后，除 CO和 CO2外，其余氣體流量不變，各氣體流量及 組分如下表所示。 36表選擇性氧化出口合成氣氣體成分 氣體 2,XCHV 2,XCOV ,XCOV 2,XNV 2,XHV 2,XHOV 干氣體總流量,XgV 總流量XV 流量(Nm3/h) 0 317 體積分數（ %） 0 南京工業大學本科生畢業設計 25 干氣體積分數（ %） 0 由于選擇性氧化反應為放熱反應，其單位時間內的放熱量為： , 1000 /2 2 .4d c o xXO V k J h??? (271) 式中， XQ 為選擇性氧化反應單位放熱量，見氧化反應式（ 211），為 kJ/mol。 計算得： XOQ =假設選擇性氧化反應出口合成氣溫度為 307℃ ，則可計算出單位時間內氧化反應出口合成氣帶出的熱量為： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?4 2 2 2 2 24 2 2 2, , , , , , , , x O U T x C H t x C O t x C O t x N t x H t x H O t H OC H C O C O N HQ V C t V C t V C t V C t V C t m h? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?KJ/h(272) 式中： t——高變出口合成氣溫度， ℃ ； ,2xHOm——高變出口合成氣中水蒸汽的質量流率， kg/h； ,2CHOh——在高變出口合成氣溫度，壓力