摘 要

随着氢能的利用越来越广泛，如何清洁而高效的生产氢气成为热门话题。长期以来制氢装置存在着能耗高，工艺流程复杂等问题，造成制取的氢气性价比不高，所以制氢装置节能也成为了一个迫在眉睫的问题。制氢装置的节能方法多种多样，如设备的改装，工艺流程的优化，催化剂的选择等等。换热网络改造是其中一种重要的方法，换热网络改造的目的是最大限度的利用能量，做到最经济，即总费用最低。本文利用Aspen Energy Analyzer对制氢装置的换热网络进行改造设计，Aspen Energy Analyzer的核心是夹点分析的方法。一个工艺流程当中，会有物流需要加热，也有物流需要冷却，可能还会用到冷公用工程和热公用工程对物流进行冷却和加热，这些都组成了该工艺流程的换热网络。原始换热网络有很多不合理的地方，对能量的利用不够充分，因此需要对其进行改造。Aspen Energy Analyzer能通过夹点分析的方法得出较优换热网络，再加上人工设计，最终的换热网络比原始网络会节省很多能量。本文中的制氢装置换热网络改造后比原换热网络节省了49.9%的费用，充分说明了换热网络改造的必要性。

关键词：制氢工艺，夹点分析，换热网络，总费用指数

Abstract

With As hydrogen energy is used more and more widely, how to produce hydrogen cleanly and efficiently has become a hot topic. Energy-saving methods of hydrogen production unit are diverse, so the heat exchange network reform one of the important methods, so the heat exchange network transformation is the purpose of the maximum use of energy, achieve the most economic, the lowest total cost. In this paper, Aspen Energy Analyzer is used to redesign the heat exchange network of the hydrogen production device. The core of Aspen Energy Analyzer is the method of pinch analysis. A technological process, there will be a logistics need to be heated, also have logistics need cooling, might need cold utilities and hot utility to cooling and heating of logistics, all of these make up the process of heat exchange network. There are many unreasonable aspects in the original heat exchange network, and the energy utilization is not enough, so it needs to be reformed. Aspen Energy Analyzer can get a better heat exchange network through the method of pinch analysis. In addition to manual design, the final heat exchange network will save a lot of Energy compared to the original network. After the modification of the heat exchange network of the hydrogen production unit in this paper, 49.9% of the cost is saved compared with the original heat exchange network.

Key Words： hydrogen production process，pinch analysis ，heat exchange network，total cost index

目录

第1章 绪论 1

1.1 制氢工艺背景及研究现状 1

1.2 三种典型制氢工艺介绍 2

1.2.1天然气制氢工艺 2

1.2.2甲醇转化制氢 3

1.2.3水电解制氢 3

1.3 三种制氢工艺的比较 3

1.3.1 技术的成熟可靠性 3

1.3.2 投资和成本 4

1.3.3 生产规模以及适用性 4

1.3.4 氢气的纯度和质量 4

1.3.5 比较结果 5

第2章 模拟天然气制氢工艺 6

2.1 Aspen及Aspen Energy Analyzer介绍 6

2.1.1 Aspen简介 6

2.1.2 AspenEnergy Analyzer简介 7

2.2 流程模拟 7

第3章 换热网络分析 9

3.1 制氢装置耗能分析 9

3.2 如何改造换热网络 9

3.3 原始换热网络 10

3.4 夹点的意义及选取的原则 10

3.4.1 夹点位置的确定 10

3.4.2 夹点技术的国内外应用现状 11

3.5 换热网络设计遵循的基本原则 11

3.6 利用Aspen Energy Analyzer得到夹点 11

3.7 换热网络改造 12

3.8 改造后的工艺流程 15

第4章 反应器设计 16

4.1 反应器选择及操作条件说明 16

4.1.1 反应器选择 16

4.1.2 操作条件说明 16

4.2 工艺计算 17

4.2.1 主要物性数据 17

4.2.2 计算得到管长 17

4.2.3 管数计算 18

4.2.4 压强计算公式 18

4.2.5 催化剂用量计算 19

4.2.6 换热面积计算 19

4.2.7 反应器外径设计 19

4.2.8 壁厚计算 20

4.2.9 筒体封头计算 20

4.2.10管板厚度计算 20

4.2.11 设计结果汇总 20

4.3 附属设备设计 21

4.3.1 燃烧器的结构和性能 21

4.3.2 燃烧器设计 21

4.3.3 燃烧器制造工艺 22

第5章 结论 23

参考文献 24

致 谢 25

1. 绪论

1.1 制氢工艺背景及研究现状

氢气是目前最重要的清洁能源之一，在环境污染日益严重且能源日益紧张的今天，氢能等清洁能源显得尤为重要。预计到2050年，氢能源将占总能源的1/5左右。氢气能源跟其他能源相比，最大的优点就是几乎不会对环境造成影响。另外，除了做为能源外，氢气还是重要的化工中间体，如氢气和氮气在高温高压和催化剂的条件下能合成氮气，目前，全世界大约2/3的氢气用来合成氮气。氢气在石油工业中也尤其重要，一些重要的石油工艺例如加氢裂化，催化加氢。加氢脱硫等都会大量的用到氢气，氢气还可以和氯气反应，在氯气中燃烧生成氯化氢，在溶于水形成盐酸。氢气和一氧化碳在一定条件下反应还可以制取甲醇，期应用也很广泛。除此之外，氢气还广泛利用到食品工业当中，去可以用来制造奶油，动植物油脂硬化也可以用到氢气。随着新技术的发展，越来越多的氢气被应用，氢气更加重要。总之，氢气已经成为当今社会不可缺少的物质能源。

目前全世界氢气消耗大约为5000万t，国内氢气用量为每年1000t，位居世界首位。与化石燃料储量耗尽有关的担忧，以及由汽车动力和发电来源造成的环境和公共健康问题，使氢与燃料电池共存，成为一种具有吸引力的替代能源。此外，氢具有提高燃料供应安全性的好处，因为它可以从多种主要能源中产生，如氢碳、生物质能、水或太阳能。预计未来的氢需求将会增加，因为它将开始用于燃料电池的应用。今天，最大的氢消耗发生在石油炼制和石化工业中，用于氨和甲醇合成。氢作为能量载体的大规模引入需要在制氢方面取得进展等人(指出，在较短的时间内，将会有一个短暂的周期，其中大规模的制氢将基于此优化和改进现有技术。蒸汽甲烷重整是氢生产中最重要、最常用的工艺之一。经过优化的现有技术有望在大型汽车氢和燃料电池技术市场引入的头几年提供大部分的氢供应。

氢气生产过程中会遇到较多的问题，最大的问题就是由于长期以来生产氢气的过程中缺乏系统节能的思想，因此生产氢气的过程中耗费的能量较多，氢气的生产性价比不高，在氢气消耗越来越多的今天，如何节能的生产氢气已经成为一个迫在眉睫的问题。

国内外研究现状中：换热网络的研究开始于20世纪中期，知道20世纪70年代，加点理论处现，换热网络优化问题才得到广泛关注，并进入快速发展阶段，目前仍是工程研究的热门性话题。Gundersen 和Naess玉1988年，Jezowski于1994年，Fuman于2002年，morar于2010年分别进行了专门的综述和分析。国内学者也对此做过专门的分析。典型的换热网络研究方法可以分为两种，夹点设计法和数学规划法。

1.2 三种典型制氢工艺介绍

典型的制氢工艺有三种，分别是天然气制氢工艺，甲醇转化制氢工艺和电解水制氢工艺，下面对三种工艺进行简单介绍并进行比较。

1.2.1 天然气制氢工艺

目前世界上主要采用天然气制氢技术大规模生产氢气，掌握了天然气制氢技术公司主要有法国的德西尼布公司，德国的卢奇公司，和德国的林德和和德国的伍德公司，此外还有英国的福斯特惠勒公司，丹麦的托普索公司也掌握了天然气制造氢气的工艺。中国石油公司掌握时间较短，目前还是处于努力追赶的阶段，离德国，法国等国还有一定的距离。

工业上天然气制取氢气的方法主要有三种，分别是蒸汽转化法（SMR），部分氧化（POM），自热重整（ATR）。蒸汽转化法是指的是在高温条件和催化剂的条件下，甲烷和水蒸气在反应器里发生反应，生成CO,H2,等合成气，然后合成气通入中变反应器，合成气在此发生中变反应，CO和H2反应生成CO2,为了提高氢气的纯度，还需脱出CO2,最常采用的是变压吸附的方法。甲烷和水蒸汽反应前还必须经过脱硫处理，使得硫的质量分数低于10^-7，此步骤的目的是防止催化剂中毒，然后在反应生成合成气体。此工艺得到的氢气的纯度可以达到99.9%。蒸汽转化法的流程图如图1.2所示。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：