天然气蒸汽转化—PSA联合制氢中转化反应器模型研究及系统开发应用

【摘要】：本文建立了北京燕山石化公司2×10~4m~2n／h天然气蒸汽转化—PSA联合制氢装置工艺流程的仿真系统，超实时模拟了开停车、正常、异常工况的动态现象，取得了良好的实际效果。 着重对工艺流程中的关键设备——转化反应器进行了详细的研究，阐述了公认的反应机理，选用的动力学方程式在仿真操作温度范围内不但准确度高而且其形式比机理模型简单。作者独立推导了甲烷蒸汽转化反应动力学模型，详细阐述了反应动力学方程式、物料平衡方程式、能量平衡方程式。 针对以往含氢动态系统模拟过程中存在的速度和精度难以兼得的矛盾，在深入分析天然气制氢装置特点的基础上，利用双层法的思想，引入适用于含氧系统的EDTF-PR状态方程作为机理模型，成功地开发了适用于天然气蒸汽转化法制氢的全流程动态模拟软件，该模拟系统能较真实地反映装置开停车及事故状态的动态效果，可用于操作人员的现场培训，也可用于操作人员进行生产工艺优化和控制方案的研究。 实际应用表明所开发的数学模型能够有效地用于制氢装置的模拟。该系统：1)小仅可用于天然气系统，也可用于其它大型制氢装置的仿真；2)不仅可用于仿真培训，还可帮助工艺人员对装置进行动态分析；3)可进行设计检验和案例研究。 【关键词】：天然气蒸汽转化 动态模型 氢气 转化炉
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2001
【分类号】：TQ116.2
【目录】：

• 第一章 引言8-28
• 1．1 氢气的发展及生产技术概况8-15
• 1．1．1 世界氢气工业正在蓬勃发展8
• 1．1．2 氢气的应用8-10
• 1．1．3 氢气的生产技术概况10-14
• 1．1．4 国外制氢工业发展趋势14-15
• 1．2 化工过程模拟与仿真优化15-25
• 1．2．1 化工流程模拟发展简史16-17
• 1．2．2 化工流程稳态模拟17-19
• 1．2．3 化工流程动态模拟19-21
• 1．2．4 化工流程的优化与先进控制21-25
• 1．3 天然气蒸汽转化反应的模型化25-28
• 1．3．1 建立数学模型的方法25
• 1．3．2 建立数学模型的原则25-26
• 1．3．3 反应器的数学模型26-28
• 第二章 天然气蒸汽转化—PSA联合制氢系统理论分析及工艺过程28-33
• 2．1 甲烷蒸汽转化的理论分析28
• 2．2 变压吸附(PSA)的原理28
• 2．3 燕山石化天然气制氢生产工艺流程28-31
• 2．3．1 进料系统29
• 2．3．2 脱硫部分29
• 2．3．3 转化部分29-30
• 2．3．4 变换部分30
• 2．3．5 PSA单元30
• 2．3．6 热回收及产汽系统30-31
• 2．4 主要工艺过程操作条件31-33
• 2．4．1 加氢反应器31
• 2．4．2 脱硫反应器31
• 2．4．3 转化炉辐射段31
• 2．4．4 中温变换反应器31-32
• 2．4．5 PSA单元操作条件32-33
• 第三章 天然气制氢模拟系统概述33-38
• 3．1 系统概述33-34
• 3．1．1 系统的构成33
• 3．1．2 系统的特点33-34
• 3．2 系统功能设计34-36
• 3．2．1 软件功能设计34-36
• 3．2．2 软件运行环境36
• 3．3 工艺模型概述36-37
• 3．4 制氢工艺全流程模拟的程序流程图37-38
• 第四章 物性数据的计算38-42
• 4．1 系统各组分物性数据详表38-41
• 4．2 物性数据计算说明41-42
• 第五章 动态流程模拟闪蒸模型的建立和求解42-48
• 5．1 动态流程模拟中闪蒸模型的建立42-44
• 5．2 闪蒸模型的数值解法44-45
• 5．3 物性计算及状态方程的选择45-46
• 5．4 ETDF-PR方程及其逸度系数模型46-47
• 5．5 闪蒸模型求解的程序流程图47-48
• 第六章 蒸汽转化系统动态数学模型的建立48-60
• 6．1 甲烷蒸汽转化反应动力学模型48-51
• 6．1．1 反应机理48-50
• 6．1．2 扩散作用对甲烷蒸汽转化反应的影响50-51
• 6．2．转化过程的析碳与除碳51-54
• 6．2．1 析碳热力学51-53
• 6．2．2 析碳动力学53-54
• 6．2．3 防止炭黑的生成条件及除碳方法54
• 6．3 转化炉的数学模型54-60
• 6．3．1 实际应用的甲烷综合速率表达式54-56
• 6．3．2 物料平衡方程56-58
• 6．3．3 能量平衡方程58-60
• 第七章 分析和讨论60-65
• 7．1 动态模拟中含氢物系热力学性质计算及模型求解策略60-61
• 7．2 模拟结果的比较61-63
• 7．3 天然气制氢工艺仿真系统的使用效果63
• 7．4 展望63-65
• 第八章 结论65-67
• 符号说明67-70
• 参考文献70-72
• 附录：工艺流程图72-91
• 致谢91

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