合成气制天然气反应器模拟和优化

【摘要】：通过对甲烷化反应系统分析,建立了一个第一甲烷化反应器出口部分循环的三级绝热固定床甲烷化工艺流程。选取一氧化碳甲烷化和水煤气变换反应为独立反应,CH4和CO2为关键组分,建立了绝热式固定床甲烷化反应器的一维拟均相数学模型。用Matlab采用Runge-Kutta法求解一维拟均相数学模型微分方程组。原料气流量800kmol/h,各组分摩尔分率CH4-0.0149, CO2-0.1010, CO-0.1290, H2-0.7515, H2O-0.0000, N2-0.0036,循环比为3.0,第一甲烷化反应器进口操作压力为3.0MPa,三级反应器进口温度都为553K时,第一、二、三甲烷化反应器出口温度分别为879K,725K和611K,CO转化率分别为86.48%,99.20%和100%,第三反应器出口CH4干基摩尔含量为95.49%。然后以一维拟均相数学模型为基础,建立二维拟均相数学模型,对径向反应温度和浓度分步进行初步研究,得到垂直于流动方向的温度差和浓度差很小,可不予考虑。基于甲烷化反应系统数学模型,考察了各工艺条件对反应器的影响。结果表明,原料气进料流量越大甲烷化反应位置越往后移；进料温度越高,反应器出口温度越高,CO转化率会相应降低；氢碳比对甲烷化反应影响不大,H/C在2.5-3.5之间都满足生产需要；H2O的加入会降低反应器出口温度和CO转化率,可以改变水的加入量调节反应器出口温度；操作压力越大越有利于甲烷化反应；循环比越大,反应器的出口温度明显降低,CO转化率和CH4干基摩尔含量都增大。用Aspen中转化率反应器模拟计算了一段循环、二段循环、三段循环和原料气分流二段循环工艺过程中产生的高压过热蒸汽、中压过热蒸汽和循环功耗,得到甲烷化工艺流程中余热回收最多、经济性最好的工艺流程是原料气分流二段循环工艺。一段循环副产高压过热蒸汽最多。 【关键词】：合成气 甲烷化 反应器模拟 绝热固定床 热量回收
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE665.3
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第1章 前言9-11
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 研究的主要内容10-11
• 第2章 文献综述11-25
• 2.1 甲烷化反应机理11-13
• 2.2 甲烷化催化剂13-15
• 2.3 甲烷化工艺15-19
• 2.4 反应动力学19-21
• 2.5 反应热力学21-22
• 2.6 甲烷化反应器开发与模拟研究进展22-25
• 第3章 甲烷化反应热力学和动力学25-33
• 3.1 理想气体状态下甲烷化反应热力学25-26
• 3.1.1 理想气体状态下甲烷化反应热效应25
• 3.1.2 理想气体状态甲烷化反应的平衡常数25-26
• 3.2 非理想气体状态下甲烷化反应热力学26-30
• 3.2.1 非理想状态方程的选用26-28
• 3.2.2 非理想气体状态甲烷化反应的热效应28-29
• 3.2.3 非理想气体状态甲烷化反应的平衡常数29
• 3.2.4 非理想气体状态甲烷化反应各组分定压热容29-30
• 3.3 甲烷化反应本征动力学研究30-32
• 3.4 小结32-33
• 第4章 甲烷化反应器模型的建立与模拟33-52
• 4.1 一维拟均相模型33-36
• 4.1.1 物料衡算33-35
• 4.1.2 热量衡算35-36
• 4.1.3 动量衡算36
• 4.2 甲烷化系统的分析36-40
• 4.2.1 平衡常数和CO转化率曲线36-37
• 4.2.2 多级绝热固定床工艺37-40
• 4.3 模型求解40-43
• 4.3.1 动力学方程40-42
• 4.3.2 模拟计算条件42-43
• 4.3.3 程序框图43
• 4.4 结果与讨论43-46
• 4.5 二甲烷化反应器模拟46-51
• 4.5.1 二维数学模型的建立47
• 4.5.2 求解方法47-49
• 4.5.3 模型参数49-50
• 4.5.4 程序框图50
• 4.5.5 计算结果50-51
• 4.6 小结51-52
• 第5章 甲烷化反应器工艺条件优化52-62
• 5.1 原料气工艺条件的影响52-57
• 5.1.1 进料流量52-53
• 5.1.2 进料温度53-55
• 5.1.3 原料气氢碳比55-56
• 5.1.4 水加入量的影响56-57
• 5.2 操作条件的影响57-60
• 5.2.1 操作压力57-58
• 5.2.2 循环比58-60
• 5.3 反应器长径比的影响60-61
• 5.4 小结61-62
• 第6章 余热回收62-71
• 6.1 托普索甲烷化工艺流程计算62-65
• 6.1.1 模拟过程描述62-64
• 6.1.2 模拟结果及讨论64-65
• 6.2 余热回收方案优化65-66
• 6.2.1 一段循环工艺65
• 6.2.2 三段循环工艺65
• 6.2.3 原料气分流二段循环工艺65-66
• 6.3 模拟计算结果66-67
• 6.4 小结67-71
• 第7章 结论71-72
• 符号说明72-73
• 参考文献73-78
• 致谢78-79
• 硕士学习期间发表论文情况79

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