1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

1．研究背景

世界经济的现代化，得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。因而它是建筑在化石能源基础之上的一种经济。然而，这一经济的资源载体将在21世纪上半叶接近枯竭。化石能源与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，最终葬送现代市场经济。

氢气市场应用领域广阔，广泛应用于化工、冶金、电力、电子等行业，用作保护气体、还原气体、原料气体和燃料电池燃料。其次，氢的热值高，反应速度快，获得途径多，储存形式多样。并且氢的燃烧，水是它的唯一产物，已普遍被人们认为是一种最理想的新世纪无污染的绿色能源。由于其经济性、机动性、环境友好性，因此扩大氢生产资源、开发新的制氢工艺以及改进现有制氢工艺，受到人们的普遍关注。

这需要我们去开发新的能源，氢气便是这样一种很好的清洁能源。

目前关于制氢工艺已经有了很深入的研究，其中对于甲醇制氢很多学者专家均表示积极态度。在叶其葳《工厂各种制氢工艺的比较和工业选用研究》一文中，通过经济性比较、工厂规模和下游配套用户比较、工艺模拟比较、工艺操作比较四个板块对甲醇制氢、天然气重整制氢、气化合成气制氢对比，最终认为甲醇制氢是目前以及未来最为合适的工艺路线，

类似的，在程亮《制氢工艺技术比较》一文中，简述了制氢工艺的几个方法，得出结论：目前随着化工行业的发展，市场上对氢气的需求会越来越多，但根据我国国情，对于缺少煤、石油、天然气的地区，化工企业要走下去只有甲醇水蒸气重整制氢，其表现出很好的技术经济指标。

因而，本设计同样采用甲醇制氢。

首先是项目的可行性，在连云港市环境保护科学研究所《3#215;1200Nm³/h 甲醇裂解制氢项目》中通过建设项目概况，建设项目周围环境、建设项目环境影响预测及拟采取的主要措施与效果等论述了该项目的可行性，同时目前世界上已经很多地区开始甲醇制氢工艺，已经有了可以实施的例子。

本设计的设计流程部分参考《甲醇制氢工艺设计》一文，当然，本设计流程是简化的，原料混合、加压、加热、反应等等。对于催化剂的选用，参考祁文旭，张娜等人的《CuO/ZnO/CeO₂-ZrO₂ 催化甲醇水蒸气重整制氢性能》，张磊，潘立卫等人的《CuO/ZnO/CeO₂-ZrO₂催化剂上甲醇水蒸气重整制氢反应机理研究》，相应的反应条件也在其中。热力学分析则参考韩峭峰，李永峰，董新法等《甲醇水蒸汽重整制氢反应的热力学分析》。

2．氢气的制备方法

（1）制氢工艺比较：

主要制氢工艺技术方法

1．电解水制氢

水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。水为原料制氢过程是氢气与氧燃烧生成水的逆过程，因此只要提供一定形式一定的能量，则可使水分解。提供电能使水分解制得氢气的效率一般在75～85％，其工艺过程简单，无污染，目前国内经济规模是300m³/h以下，主要是要求配电的功率太大，单套装置无法实现大型化，因此其应用受到一定的限制。

2．天然气转化制氢

该法是在有催化剂存在下与水蒸气反应转化制得氢气，反应在800～820℃下进行。用该法制得的气体组成中，氢气体积含量可达74％，大多数大型合成氨合成甲醇工厂均采用天然气为原料，催化水蒸气转化制氢的工艺，该工艺流程复杂，投资大，能耗高，考虑到这些因素的影响，目前天然气制氢经济规模在1000～5000Nm³/h，而后我国曾开发间歇式天然气蒸汽转化制氢工艺，制取小型合成氨厂的原料，这种方法不必采用高温合金转化炉，装置投资成本低。其生产成本主要取决于原料来源，我国天然气分布不均，采用该方法受到限制。

3．煤焦化或煤气化转化法制氢

以煤为原料制取含氢气体的方法主要有两种：一是煤的焦化(或称高温干馏)，二是煤的气化。焦化是指煤在隔绝空气条件下，在900～1000℃制取焦炭，副产品为焦炉煤气，焦炉煤气组成中含氢气55～60％ (体积)、甲烷23～27％、一氧化碳6～8％等，而后将其中的萘、硫等杂质去除，通过变压吸附装置将焦炉煤气中的氢气提纯，该工艺流程复杂，投资大，规模大能耗高，同时受到焦化行业的制约。

大型工业煤气化炉如鲁奇炉是一种固定床式气化炉，所制得煤气体积组成为氢气37～39％、一氧化碳17～18％ 、二氧化碳32％、甲烷8～10％ 。我国拥有大型鲁奇炉，每台产气量可达l00000m³/h，另一种新型炉型为气流床煤气化炉，称德士古煤气化炉，用水煤浆为原料， 目前已建有工业生产装置生产合成氨、合成甲醇原料气，其煤气体积组成为氢气35～36％、一氧化碳44～51％ 、二氧化碳13～18％、甲烷0.1％ ，甲烷含量低为其特点。采用煤气化制氢方法，其设备费占投资主要部分，因此水煤气制氢适合100000 m³以上的大型氢气用户，一般用于合成氨和甲醇生产中。

4．甲醇水蒸气转化制氢

甲醇与脱盐水的蒸汽混合物在转化器中加压加热催化和转化一步完成，生成以氢气和二氧化碳为主的转化气(其组成为氢气体积74.5％ 、二氧化碳24.5％ 、一氧化碳l％。采用甲醇水蒸气转化制氢技术，工艺流程简单，投资少，操作方便灵活，制氢规模在5000～10000 Nm³/h， 甲醇的消耗可降至最低，目前山西最具代表的精细化工企业山西三维集团股份有限公司将陆续建设两套8400Nm³/h甲醇水蒸气转化制氢装置，因此，该工艺技术将成为今后精细化工企业制氢技术的典范。

（2）选择甲醇水蒸气转化制氢原因

工艺比较

序号	制氢工艺	原材料	比较
1	电解水制氢	水	1. 装置规模小，建设周期短，工艺流程简单，操作灵活方便； 2. 耗电量大。
2	天然气转化制氢	天然气，水	1. 受天然气资源分布不均的影响； 2. 工艺流程复杂置建设周期长，投资大。
3	煤焦化或煤气化转化法制氢	煤，水	1. 受炭资源分布不均，煤焦化行业的影响； 2. 工艺流程复杂置建设周期长，投资大。
4	甲醇水蒸气转化制氢	甲醇，水	1. 原料甲醇易得，运输、储存方便； 2. 投资成本低，建设周期短，能耗低； 3. 工艺流程简单，操作灵活方便。

（3）结论

目前大规模氢气生产主要依靠烃类和煤炭,但工艺复杂，投资大。电解水制氢能耗高，光催化及耦合核能、太阳能或光催化制氢反应条件苛刻，目前还未广泛工业化。然而，甲醇水蒸气转化制氢是一个综合各个方面都很有优势的方式，并且已经有过该项目的成功应用，值得推广。

参考文献

[1]叶其葳，工厂各种制氢工艺的比较和工业选用研究[D]，上海：上海外国语大学，2012.

[2]程亮，制氢工艺技术比较[J]，中国化工贸易，2013(1)：119.

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本课题要研究或解决的问题：

本次课题为3000nm³/h甲醇制氢装置的设计，采用甲醇水蒸气制氢方法，进行工艺流程设计与计算、设备设计和选型、带控制点工艺流程设计、工段平立面布置设计并绘制带控制点的工艺流程图和工段设备布置图及管道布置图。根据设计结果列出管道特性表、管段表，统计出材料表，书写工艺设计说明书和计算书。

拟采用的研究手段：

1.收集文献，确定合理工艺路线。根据甲醇水蒸汽重整制氢过程的宏观动力学及反应行为确定反应器结构。