甲醇制氢项目的吸收装置设计开题报告

1、 中 北 大 学 信 息 商 务 学 院毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院、系：机械工程系专 业：过程装备与控制工程设 计 题 目：甲醇制氢项目的吸收装置设计指导教师:年 月 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述一、甲醇制氢研究背景及意义氢气市场应用领域广阔，广泛应用于化工、冶金、电力、电子等行业，用作保护气体、还原气体、原料气体和燃料电池燃料。其次，氢的热值高，反应速度快，获得途径多，储存形式多样。并且氢的燃烧，水是它的唯一产物，已普遍被人们认为是一种最理想的新世纪无污染的绿色能源。由于其经济性、机

2、动性、环境友好性，因此扩大氢生产资源、开发新的制氢工艺以及改进现有制氢工艺，受到人们的普遍关注。 制氢的原料包括：煤炭、水、烃类、氨气、硫化氢、有机废水、生物质和醇类。煤炭制氢成本低且可大规模制氢，但制氢工艺流程较长，操作环境差。以水为原料制氢方法包括：太阳能高温电解水工艺、核热高温电解水工艺、碘硫循环制氢工艺、光催化分解水技术。分解硫化氢、氨气制氢方法只要包括：高温热解法、光催化法和等离子化学离解法。生物质制氢主要包括生物法和热解-气化法。有机废水制氢主要包括：光催化降解法、生物发酵法和生物电化学法。目前工业上规模较大的制氢原料主要采用烃类（主要是甲烷）和醇类（主要是低碳醇）。烃类制氢原料便

3、宜，但流程长，投资高。醇类制氢所用原料为液体、产物及副产物为气体，物料均以管道输送，便于装置的自动控制；反应后生成氢气与二氧化碳，无任何有毒有害于环境的废弃物产生，为清洁环保的绿色工艺，具有原料易得、清洁、适应范围广的特点。二、甲醇制氢工艺国内外研究的方法及现状醇类制氢原料目前研究较多的是甲醇和乙醇。醇制氢由于具有反应温度低，氢产量高的优点，目前应用更加广泛。1 甲醇制氢工艺方法甲醇制氢工艺包括气相重整法和液相法。甲醇气相重整制氢与乙醇重整制氢和烃类制氢工艺相比，具有反应温度低(200300)及氢提纯步骤少的优点。液相法是近些年研究的新方向，目前处于实验室研究阶段，未实现工业化。1.1 甲醇气

4、相制氢甲醇气相制氢工艺包括甲醇裂解制氢、甲醇水蒸气重整制氢、甲醇部分氧化制氢和自热重整制氢等工艺过程。1.1.1 甲醇裂解制氢甲醇裂解反应方程式为：CH3OH CO + 2H2该反应为合成气制甲醇的逆反应，是吸热反应。该反应动力学的研究目前已经有很多的报导，目前研究的重点是新型高活性、选择性和稳定性催化剂的研制。甲醇裂解催化剂包括传统的 Cu/ZnO催化剂、Cr-Zn 催化体系、贵 金属催化剂 、CuCl-KCl/Si02 催化剂、分子筛和均相催化剂。但该工艺产物混合气中含有的一氧化碳含量较高，后续分离装置复杂，投资高。1.1.2 甲醇水蒸气重整制氢甲醇水蒸气重整制氢具有反应温度低，产物中氢气

5、含量高、CO含量较甲醇裂解法低等优点，从而成为人们解决质子交换膜燃料电池氢源的有效方法。但该方法起始反应速率慢,为强吸热反应，需要外供能量，可与太阳能装置耦合使用【1】。甲醇水蒸气重整反应为【2,3】：CH3OH + H2O CO2 + 3H2反应实际上是甲醇裂解反应(式1)和水气变换反应的总包反应。水汽变换： CO2 + H2O CO2 + H2目前甲醇水蒸气重整制氢法国内研究较多【4】。采用并流工沉淀法制备了钯质量分数为15.9% Pd/ZnO 催化剂并进行了甲醇水蒸气重整制氢反应。实验发现，反应温度为 250300 ,还原温度为 250300 ,水醇比为 1.01.2,质量空速为17.2

6、 h 时反应具有较好的 CH3OH 转化率、CO2 选择性、H2 产率及较低的出口 CO 摩尔分数。该催化剂较传统铜基催化剂表现出较好的稳定性【5】。用自制微型反应器和常规颗粒催化剂在常压下进行了甲醇水蒸气重整制氢的动力学测试。考察了反应温度、水醇摩尔比、液体空速等对甲醇转化率、产氢率、出口氢气和 CO 浓度的影响。1.1.3 甲醇部分氧化制氢甲醇部分氧化制氢是放热反应，可对外提供热量，其主要副产物为CO2，可降低CO含量。在以氧气作氧化剂时，所产生的氢气浓度可达66%；但在以空气为氧化剂时，氢气浓度仅为41%【6】。反应方程式为 CH3OH + 0.5O2 CO2 + 2H2甲醇部分氧化与甲

7、醇水蒸气重整反应相比具有优点包括：反应是放热反应，在接近230时，反应速度快，当用氧气代替水蒸气做氧化剂，效率更高。但用空气做氧化剂时，会带入氮气降低氢含量，为后续分离提出带来困难。制备CuZnAlZr整体式催化剂【7】，并考察了水醇比、氧醇比和液体空速等条件对该催化剂上甲醇氧化重整制氢反应的影响，实验得到最佳反应条件为水醇摩尔比1，氧醇摩尔比0.22，液体空速0.96 h 【8】。在Cr-Zn氧化物催化剂上考察了各种工艺条件对甲醇氧化重整制氢过程的影响。通过正交试验对甲醇的转化率、氢气的选择率、氢产率和产物中CO、CO2的浓度影响显著程度为反应温度>氧醇比>水醇比。该催化剂无需预

8、还原可直接使用，反应压力选择在0.30.5 MPa，合适的反应温度为377427 ，氧醇比0.150.20,水醇比约1.0。1.1.4 甲醇自热重整制氢甲醇自热重整制氢原理为将吸热反应的水蒸气重整和放热反应的部分氧化耦合，可实现反应器自供热。其反应式如下【9】：CH3OH + xO2 +（1-2x）H2O CO2+（2-3x）H2 （0x0.5）【10】研制了一种高效的板式反应器，集预热、气化、重整、催化燃烧反应于一体，研究了反应器床层分布及氧醇比、水醇比对制氢过程的影响。首先氢氧燃烧反应为物料的气化提供热量并为重整反应补充一定热量。实验发现，该板式反应器径向和轴向温度分布较均匀，氧醇比为 0

9、.25，甲醇全部转化,水醇比对产氢率有一定影响，过低太高都会降低产氢率。1.2 液相制氢液相制氢主要包括电解甲醇制氢、超声波法制氢和等离子体法。1.2.1 电解甲醇制氢【11】发展了利用甲醇直接电解制氢的方法。通过实验发现电解甲醇制氢能够极大地降低电能消耗。同样产氢率下，电解甲醇所需的电压只有传统电解水电压的1/3，具有方法简单和成本低的优点。将这种电解装置与太阳能电池联用, 可非常经济地制氢及进行氢气储存, 或直接向燃料电池或其它化学工程装置供氢。1.2.2 超声波制氢以超声波为诱发因子，在不附加其他外界条件下就可以引发甲醇制氢的化学反应，在常温下就可以制取氢气，避免了传统甲醇制氢技术所需的

10、高温环境【12】。通过实验证明超声波降解甲醇水溶液的过程中有氢气生成。超声波辐射下的化学反应极其复杂目前超声波分解甲醇水溶渍制氢方法的机理仍没有明确的解释。目前我国对甲醇水溶液超声波制氢也有相关研究【13】。在低频超声波辐射下对甲醇水溶液超声波制氢进行了研究，分析得出超声波制氢原理为：在超声空穴微环境内发生的以热解和重整为主制氢反应，并且热解反应和重整反应所占的比重也会随着外界条件的变化而变化。每个空穴都可以看成一个微型热反应器，氢气是若干反应器产氢的宏观结果。1.2.3 等离子体等离子体方法借助高活性的粒子如电子、离子、激发态物质，等离子体能大大提高反应速度，或者为吸热反应提供能量，避免使用

11、非相催化剂【14】。探讨了阴极液下辉光放电等离子体重整甲醇水溶液制氢反应过程，实验发现，甲醇分子在阴极等离子体层中表现出明显高于水分子的反应活性，能耗降低，产物中氢气含量达 95，含有 CO和 CO2。影响单位体积能耗以及产品组成的重要参数是甲醇浓度和等离子体密度【15】。三、吸收塔和解析塔关于此次课题设计，拟采用甲醇水蒸气重整制氢，所用的分离设备就是吸收塔和解析塔。吸收解吸是石油化工生产过程中较常用的重要单元操作过程。吸收过程是利用气体混合物中各个组分在液体(吸收剂)中的溶解度不同,来分离气体混合物。被溶解的组分称为溶质或吸收质,含有溶质的气体称为富气,不被溶解的气体称为贫气或惰性气体。溶解

12、在吸收剂中的溶质和在气相中的溶质存在溶解平衡,当溶质在吸收剂中达到溶解平衡时,溶质在气相中的分压称为该组分在该吸收剂中的饱和蒸汽压。当溶质在气相中的分压大于该组分的饱和蒸汽压时,溶质就从气相溶入溶质中,称为吸收过程。当溶质在气相中的分压小于该组分的饱和蒸汽压时,溶质就从液相逸出到气相中,称为解吸过程。1、吸收塔的选材工作分析首先 ,在进行吸收塔选材工作之前 ,相关工作人员需要就各种基本材料进行调查与分析,给出有关锻件材料及焊缝在标准与模拟两种工况下的材料腐蚀监测评估报告。以上工作统称为吸收塔选材前期的准备工作。在吸收塔实际选材过程中 ,考虑到当前相关技术设计指标未对吸收塔的高含硫界定标准给出明

13、确说 明,我们仍应当按照高含硫标准对其进行设计,以策安全。经过多方调查与比较之后我们应当选用国产16MnR钢以及 16Mn锻件作为吸收塔的基础材 料 。特 别 值得一提的是:当我们选用16MnR钢作为吸收塔塔体基础材料时,应按照一定的方式对塔体中S、P含量予以控制。一般来说S应控制在 0.003以内,而P则应 当控制在0.015以内。2、吸收塔设计及设计计算分析一般来说,吸收塔设计工作的开展应当严格按照我国相关部门机构所颁布的压力容器安全技术监察规程当中的各项安全规范来进行。特别注意的一点是 :在吸收塔有关塔体许用应力值进行设计计算的过程中,我们应当按照b/3以 及ts/3熟低的方式对其进行测

14、算。3、吸收塔的结构设计分析针对吸收塔在设计压力与工作压力、设计温度与工作温度之间的差异，该吸收塔应采取标准的椭圆形封头作为塔壳壳体封头,而塔体内的作业接管应当以加厚接管插入式全焊透结构为标准。与此同时,吸收塔塔内塔板应采用双溢流标准的浮阀塔。特别值得注意的是:吸收塔所涉及到的各种可拆卸零件应统一为不锈钢零件。4、吸收塔设计效果与质量评估为确保采用以上方式进行设计的吸收塔能够在实际运行过程中满足烟气循环流化床的作业要求,在吸收塔设计工作完成之后我们需要对其进行一系列的监督与跟踪 ,从熔炼分析、成品分析等各个方面就吸收塔材料的化学成分与相关力学性能数据进行统计与分析。由该表中的相关数据我们不难发

15、现,该设计方案作用下的吸收塔在确保材料性能一定的基础之上对其焊缝抗硫性能做出了明显改善 ,在SSC大约230MPa的加载应力作用之下,该吸收塔在720h内未出现任何部分及任何形式塔体断裂问题。符合吸收塔的全部参数指标 ,值得我们大力应用与推广【16】。参考文献1 刘启斌,洪慧,袁建丽.中低温太阳热能与甲醇重整互补制氢实验研究J.工程热物理学报,2008,29(3):361-365.2 Arena F, Trunfio G, Alongi E, et a1. Modelling the Activity- StabilityPattern of Ni/MgO Catalysts in the P

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