合成氣制天然氣反應(yīng)器模擬和優(yōu)化

【摘要】：通過對(duì)甲烷化反應(yīng)系統(tǒng)分析,建立了一個(gè)第一甲烷化反應(yīng)器出口部分循環(huán)的三級(jí)絕熱固定床甲烷化工藝流程。選取一氧化碳甲烷化和水煤氣變換反應(yīng)為獨(dú)立反應(yīng),CH4和CO2為關(guān)鍵組分,建立了絕熱式固定床甲烷化反應(yīng)器的一維擬均相數(shù)學(xué)模型。用Matlab采用Runge-Kutta法求解一維擬均相數(shù)學(xué)模型微分方程組。原料氣流量800kmol/h,各組分摩爾分率CH4-0.0149, CO2-0.1010, CO-0.1290, H2-0.7515, H2O-0.0000, N2-0.0036,循環(huán)比為3.0,第一甲烷化反應(yīng)器進(jìn)口操作壓力為3.0MPa,三級(jí)反應(yīng)器進(jìn)口溫度都為553K時(shí),第一、二、三甲烷化反應(yīng)器出口溫度分別為879K,725K和611K,CO轉(zhuǎn)化率分別為86.48%,99.20%和100%,第三反應(yīng)器出口CH4干基摩爾含量為95.49%。然后以一維擬均相數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),建立二維擬均相數(shù)學(xué)模型,對(duì)徑向反應(yīng)溫度和濃度分步進(jìn)行初步研究,得到垂直于流動(dòng)方向的溫度差和濃度差很小,可不予考慮。基于甲烷化反應(yīng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,考察了各工藝條件對(duì)反應(yīng)器的影響。結(jié)果表明,原料氣進(jìn)料流量越大甲烷化反應(yīng)位置越往后移；進(jìn)料溫度越高,反應(yīng)器出口溫度越高,CO轉(zhuǎn)化率會(huì)相應(yīng)降低；氫碳比對(duì)甲烷化反應(yīng)影響不大,H/C在2.5-3.5之間都滿足生產(chǎn)需要；H2O的加入會(huì)降低反應(yīng)器出口溫度和CO轉(zhuǎn)化率,可以改變水的加入量調(diào)節(jié)反應(yīng)器出口溫度；操作壓力越大越有利于甲烷化反應(yīng)；循環(huán)比越大,反應(yīng)器的出口溫度明顯降低,CO轉(zhuǎn)化率和CH4干基摩爾含量都增大。用Aspen中轉(zhuǎn)化率反應(yīng)器模擬計(jì)算了一段循環(huán)、二段循環(huán)、三段循環(huán)和原料氣分流二段循環(huán)工藝過程中產(chǎn)生的高壓過熱蒸汽、中壓過熱蒸汽和循環(huán)功耗,得到甲烷化工藝流程中余熱回收最多、經(jīng)濟(jì)性最好的工藝流程是原料氣分流二段循環(huán)工藝。一段循環(huán)副產(chǎn)高壓過熱蒸汽最多。 【關(guān)鍵詞】：合成氣 甲烷化 反應(yīng)器模擬 絕熱固定床 熱量回收
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TE665.3
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第1章 前言9-11
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 研究的主要內(nèi)容10-11
• 第2章 文獻(xiàn)綜述11-25
• 2.1 甲烷化反應(yīng)機(jī)理11-13
• 2.2 甲烷化催化劑13-15
• 2.3 甲烷化工藝15-19
• 2.4 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)19-21
• 2.5 反應(yīng)熱力學(xué)21-22
• 2.6 甲烷化反應(yīng)器開發(fā)與模擬研究進(jìn)展22-25
• 第3章 甲烷化反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)25-33
• 3.1 理想氣體狀態(tài)下甲烷化反應(yīng)熱力學(xué)25-26
• 3.1.1 理想氣體狀態(tài)下甲烷化反應(yīng)熱效應(yīng)25
• 3.1.2 理想氣體狀態(tài)甲烷化反應(yīng)的平衡常數(shù)25-26
• 3.2 非理想氣體狀態(tài)下甲烷化反應(yīng)熱力學(xué)26-30
• 3.2.1 非理想狀態(tài)方程的選用26-28
• 3.2.2 非理想氣體狀態(tài)甲烷化反應(yīng)的熱效應(yīng)28-29
• 3.2.3 非理想氣體狀態(tài)甲烷化反應(yīng)的平衡常數(shù)29
• 3.2.4 非理想氣體狀態(tài)甲烷化反應(yīng)各組分定壓熱容29-30
• 3.3 甲烷化反應(yīng)本征動(dòng)力學(xué)研究30-32
• 3.4 小結(jié)32-33
• 第4章 甲烷化反應(yīng)器模型的建立與模擬33-52
• 4.1 一維擬均相模型33-36
• 4.1.1 物料衡算33-35
• 4.1.2 熱量衡算35-36
• 4.1.3 動(dòng)量衡算36
• 4.2 甲烷化系統(tǒng)的分析36-40
• 4.2.1 平衡常數(shù)和CO轉(zhuǎn)化率曲線36-37
• 4.2.2 多級(jí)絕熱固定床工藝37-40
• 4.3 模型求解40-43
• 4.3.1 動(dòng)力學(xué)方程40-42
• 4.3.2 模擬計(jì)算條件42-43
• 4.3.3 程序框圖43
• 4.4 結(jié)果與討論43-46
• 4.5 二甲烷化反應(yīng)器模擬46-51
• 4.5.1 二維數(shù)學(xué)模型的建立47
• 4.5.2 求解方法47-49
• 4.5.3 模型參數(shù)49-50
• 4.5.4 程序框圖50
• 4.5.5 計(jì)算結(jié)果50-51
• 4.6 小結(jié)51-52
• 第5章 甲烷化反應(yīng)器工藝條件優(yōu)化52-62
• 5.1 原料氣工藝條件的影響52-57
• 5.1.1 進(jìn)料流量52-53
• 5.1.2 進(jìn)料溫度53-55
• 5.1.3 原料氣氫碳比55-56
• 5.1.4 水加入量的影響56-57
• 5.2 操作條件的影響57-60
• 5.2.1 操作壓力57-58
• 5.2.2 循環(huán)比58-60
• 5.3 反應(yīng)器長(zhǎng)徑比的影響60-61
• 5.4 小結(jié)61-62
• 第6章 余熱回收62-71
• 6.1 托普索甲烷化工藝流程計(jì)算62-65
• 6.1.1 模擬過程描述62-64
• 6.1.2 模擬結(jié)果及討論64-65
• 6.2 余熱回收方案優(yōu)化65-66
• 6.2.1 一段循環(huán)工藝65
• 6.2.2 三段循環(huán)工藝65
• 6.2.3 原料氣分流二段循環(huán)工藝65-66
• 6.3 模擬計(jì)算結(jié)果66-67
• 6.4 小結(jié)67-71
• 第7章 結(jié)論71-72
• 符號(hào)說明72-73
• 參考文獻(xiàn)73-78
• 致謝78-79
• 碩士學(xué)習(xí)期間發(fā)表論文情況79

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