[发明专利]CO2

说明书

本发明提供了一种CO₂加氢合成甲醇膜反应器及总熵生产率最小优化方法，该反应器包括：反应管；渗透管，其同轴设置在反应管内，渗透管的材料为羟基方钠石渗透膜，反应管与渗透管之间填充有催化剂。本发明的反应器，通过在反应管内设置渗透管，渗透管由羟基方钠石渗透膜材料制成，反应中生成的水蒸气进入渗透管，渗透管内的水蒸气由吹扫气带出渗透管，如此使得反应不断朝正方向移动，进而提高CH₃OH的产率；本发明的最小优化方法，以固定的甲醇收率为约束，以总熵产生率最小为优化目标，得到最优的反应管管外热源温度，与参考反应器相比，在甲醇产率固定的条件下，该Case 1最优反应器的总熵产生率降低了7.96％。

技术领域

本发明涉及CO₂加氢合成甲醇技术领域，尤其涉及一种CO₂加氢合成甲醇膜反应器及总熵生产率最小优化方法。

背景技术

甲醇广泛应用于化工行业，可用于合成甲醛和醋酸等化学衍生物。甲醇还广泛应用于能源领域，它的辛烷值高，燃烧效率高；它在常温下是液体，可以作为储氢的载体。此外，它还是生物柴油和甲醇燃料电池的关键组成部分。甲醇合成工艺包括天然气合成甲醇、煤制甲醇、页岩气合成甲醇、生物制合成甲醇和等。由于天然气清洁且储量丰富，因此天然气合成甲醇在化工生产中占据重要地位。

在天然气合成甲醇的工艺流程中，天然气可通过水蒸气重整转化为富含甲烷、氢气(H₂)、一氧化碳、氮气和CO₂的合成气，合成气在高压中温条件下合成甲醇。现有技术公开了对包含CO₂回收单元的天然气合成甲醇工艺流程进行了炯分析，结果表明优化甲烷蒸汽重整单元和甲醇合成单元具有提升整体性能的潜力。提高CO₂加氢合成甲醇(MethanolSynthesis via CO₂Hydrogenation，MSCH) 反应器的性能有利于天然气合成甲醇工艺流程的性能。受热力学平衡限制， MSCH反应器的甲醇产率和CO₂转化率依然较低。基于此，有必要对现有的反应器结构进行改进。

同时，基于经典热力学的MSCH反应器和膜反应器的研究不涉及化学反应速率的概念，而实际化学反应均是在“有限时间”内或“有限面积”上进行“有限速率”的反应。因此，迫切需要利用有限时间热力学对实际化学反应器进行研究。有限时间热力学是20世纪70年代由芝加哥学派创立的一个现代热力学分支(工程界也称为“熵产最小化”理论，通过将热力学、传热学、流体力学和化学反应动力学等传输科学的基础理论相结合，在“有限时间”或“有限尺寸”约束下，利用最优控制理论等方法求解各类能量转换装置在不同优化目标时的最优性能和最优构型。

在MSCH膜反应器的有限时间热力学研究方面，现有技术公开建立了 MSCH膜反应器的一维瞬态模型，以甲醇产率最大为优化目标，在最大反应温度的约束下，得到了反应进口温度、冷却气进口温度和膜厚度的最优值。

熵产生率表征了反应器内不可逆过程的不可逆程度。根据Gouy-Stodola理论可知，不可逆过程的内部炯损等于环境温度与过程熵产的乘积。现有技术还公开了以MSCH反应的熵产生率最小和总熵产生率最小为优化目标，利用非线性规划和最优控制方法，在甲醇收率固定的约束下，对MSCH反应器进行最优构型优化设计。

然而，目前并没有公开对MSCH膜反应器的总熵产生率最小的最优构型优化设计。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种CO₂加氢合成甲醇膜反应器及总熵生产率最小优化方法，以解决现有技术中的甲醇产率和CO₂转化率较低的技术问题。

第一方面，本发明提供了一种CO₂加氢合成甲醇膜反应器，包括：

反应管；

渗透管，其同轴设置在反应管内，所述渗透管的材料为羟基方钠石渗透膜，所述反应管与所述渗透管之间填充有催化剂。