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1、课程设计报告( 20162017年度第一学期) 名 称：化学反应工程 题 目：甲醇裂解制氢 院 系：环境科学与工程学院 班 级：能化1402 学 号：201405040207 学生姓名：冯慧芬 指导教师：郭天祥 成 绩： 目 录1、 设计任务书 1.1设计条件 1.2设计任务 1.3时间安排2、 反应过程的动力学数据 2.1反应过程及焓变 2.2反应动力学 2.3催化剂选择三、甲醇制氢工艺流程四、列管式固定床催化反应器工艺结构设计，工艺操作参数 4.1.工艺操作参数4.1.1温度4.1.2压力 4.2工艺结构设计五、反应核算 3.1物料衡算 3.2热量衡算六、其他设备的选择及参数 6.1泵的选
2、型 6.2反应器控制方案设计 6.3.1被控参数的选择 6.3.2控制参数的选择 6.3.3过程检测仪表的选择 6.3.4示图7、 工艺系统图和设备图 7.1设备图7.1.1固定管板式换热器7.1.2列管式固定床反应器8、 心得体会9、 参考文献18一、设计任务书1.1设计条件：（1）设计产量：1094吨/小时，设计裕量20%。（2）设计内容：甲醇裂解制氢 （3）设计要求: 甲醇转化率99%; 给出物料衡算过程; 给出热量衡算过程; 给出工艺操作参数 绘制工艺系统图和设备图 (CAD制图) （4）选用反应器：可选用但不限于列管式固定床催化反应器1.2设计任务： （1）查阅文献，获取反应过程的动
3、力学数据 （2）选择工艺结构，优化计算工艺操作参数 （3）对选定的工艺过程进行物料衡算和热量衡算，进行工艺设计 （4）绘制工艺系统图和设备图 (CAD制图)1.3时间安排：（1）第17周布置任务，发放设计任务书。（2）每周1、3、5下午第四节课指导和答疑（地点在实验楼A五楼）。（3）第19周答辩。二、反应过程的动力学及催化剂2.1反应过程及焓变 在甲醇水蒸气重整制氢的化学反应中，主要有3 个反应，即： CH3OH=CO+2H2 1 CO+H2O=CO2+H2 2 CH3OH+ H2O= CO2+2H2 3 在已发表的文献中有的选择反应1,2为关键反应，有的选择反应1,3为关键反应，利用不同的关
4、键反应和设计要求的对比，发现选择反应1,2为关键反应时结果较好 CH3OH=CO+2H2 H1=90.8kJ/mol CO+H2O=CO2+H2 H2=-43.5kJ/mol2.2反应动力学 已知甲醇制氢转化工艺的总基本反应为： CH3OH+H2O=CO2+3H2 根据有关文献，该反应为一级反应，反应动力学方程为： rA=kCA 由选择的催化剂，反应速率常数为： k=5.510-4exp（ ）m3/(kmolh)2.3催化剂选择 采用四川亚联生物化工研究所研制的甲醇裂解重整制氢型双功能催化剂，该催化剂具有耐高温且使用寿命长等优点，催化性能良好，在实验室中测量出了使用该催化剂的宏观动力学方程，在
5、工业生产中也有广泛的应用，结合本实验后的设计温度压力等条件，可知实验的催化速率常数。 反应器中温度280，压力1.5Mpa，由选择的催化剂，知反应速率常数为： k=5.510-4exp（ ）m3/(kmolh) 3、 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1：1.8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（T0101）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
6、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4、 列管式固定床催化反应器工艺结构设计，工艺操作参数4.1.工艺操作参数4.1.1温度1、依据甲醇蒸气转化反应方程式: CHOHCO+2H （1-1）CO+HOCO+ H （1-2）CHOH转化率99%2、投料计算量 现有表明随着原料液中甲醇质量百分比的增加, 甲醇转化率大幅度降低，氢气的时空产率略有增加，但变化的幅度不大。甲醇在原料液中的比例越高，床层
7、出口处的反应量越大。由于该反应体系为吸热反应因此床层出口处的温度相应降低，但降低不到1 %，因此甲醇在原料液中的比例适当降低将有利于提高甲醇的转化率。所以，本设计中甲醇和水的配料比定位1:1.5。 代入转化率数据,变为:CHOH0.99CO+1.98H+0.01 CHOHCO+0.99HO0.99CO+ 0.99H+0.01CO合并上两个式子得到: CHOH+0.9801 HO0.9801 CO+2.9601 H+0.01 CHOH+0.0099 CO氢气产量为: 1094t/h=1094000 kg/h甲醇投料量为: 547000/2.960132=5913313.739 kg/h水投料量为
8、: 5913313.739/321.518=4989358.467 kg/h3、原料液储槽(V0101)进: 甲醇 5913313.739 kg/h , 水4989358.467 kg/h出: 甲醇 5913313.739 kg/h , 水 4989358.467 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5913313.739 kg/h, 水4989358.467 kg/h, 总计10902672.21 kg/h出 : 生成 CO 5913313.739 /320.980144 =7969003.344k
9、g/h H 5913313.739 /322.96012 =1094000kg/h CO 5913313.739 /320.009928 =51224.08kg/h 剩余甲醇 5913313.739/320.0132 =59133.137kg/h 剩余水 4989358.467-5913313.739/320.980118=1729311.644kg/h 总计 10902672.21kg/h5、转化器中反应速率(R0101)以甲醇为关键组分，则反应量: 甲醇5913313.739*0.99=5854180kg/h 选择的反应器是列管式固定床催化反应器，利用等温均相平推流模型平均反应速率和停留时
10、间的关系： 根据GB151推荐的换热管长度，取管长l=6m，流速定位0.5m/s，估算反应的停留时间为0.0032s。在结合实际过程中的反应估算出反应温度为553K4.1.2压力 空间速度为SV=Vs0/Vr 设计裕度为20%，则Vr=(Vfan+Vcui)*1.2,结合实际估算出压力值1.5MPa4.2工艺结构设计已知甲醇制氢转化工艺的基本反应为：CH3OH+H2O=CO2+3H2。该反应在管式反应器进行，进出反应器的各物料的工艺参数如表3-1所示。物流名称管程壳程/(kg/h)进口/(kg/h)出口/(kg/h)设计温度/oC压力/MPa进出口/(kg/h)设计温度/oC压力/MPa甲醇5
11、913313.73959133.1372801.5水4989358.4671729311.644二氧化碳7969003.344一氧化碳51224.08氢气1094000导热油6.41083200.5表3-1 反应器的物流表（1）计算反应物的流量进口处：对于甲醇，其摩尔质量为32g/mol，则其摩尔流量为：5913314/32=184791kmol/h对于水，其摩尔质量为18g/mol，其摩尔流量为：4989358/18=277187kmol/h出口处：对于甲醇，其摩尔质量为32g/mol，则其摩尔流量为：59133/32=1848kmol/h对于水，其摩尔质量为18g/mol，其摩尔流量为：1
12、729312/18=96073kmol/h对于氢气，其摩尔质量为2g/mol,其摩尔流量为：1094000/2=5470003kmol/h对于一氧化碳，其摩尔质量为28g/mol,其摩尔流量为：51224/28=1829kmol/h对于二氧化碳，其摩尔质量为44g/mol,其摩尔流量为：7969003/44=181114kmol/h进料气中甲醇的摩尔分率y A为：y A =对于甲醇和水，由于温度不太高（280 o C），压力不太大（1.5MPa），故可将其近似视为理想气体考虑。有理想气体状态方程p V = n R T，可分别计算出进料气中甲醇和水的体积流量：甲醇的体积流量VA为：VA= m3/h水的体积流量VB为：VB= m3/h进料气的总质量为：m o=5.91106+4.99106=10.9106kg/h（2）计算反应的转化率进入反应器时甲醇的流量为5913313.739kg/h，出反应器时甲醇的流量为59133.137kg/h，则甲醇的转化率xAf为：xAf=即反应过程中消耗甲醇的物质的量为：1.8510599%=1.83105kmol/h（3）计算反应体系的膨胀因子由体系的化学反应方程式可知，反应过程中气体的总物质的量发生了变化，可求出膨胀因子A。对于甲醇有：A=（4）计算空间时间根据有关文献，该反应为一级反应，反应动
