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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:劉原亨
研究生(外文):Yuan-HengLiu
論文名稱:殼管式甲醇重組器之模式建立與控制應用
論文名稱(外文):The modelling of the shell-and-tube methanol reformer and its control applications
指導教授:吳煒吳煒引用關係
指導教授(外文):Wei Wu
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:化學工程學系
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:74
中文關鍵詞:產氫甲醇蒸氣重組殼管式重組器
外文關鍵詞:Hydrogen productionMethanol-Steam reformingShell-and-tube reformer
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近年來各國過量使用化石燃料來發展文明而加劇溫室效應,造成了全球暖化的氣候問題,為了減少對於化石燃料的用量,而開始致力於新能源或替代能源的開發。本論文是使用gPROMS與Aspen Plus軟體來模擬以甲醇為進料的產氫製程,並以數學方程式建立殼管式甲醇重組器之模型。在一般產氫製程中會使用到的反應器如甲醇蒸氣重組器、水煤氣反應器、優先氧化反應器與燃燒器等,而我們將以殼管式設計把吸熱反應的甲醇重組器與放熱反應的優先氧化反應器作結合,來減少反應器體積並縮小製程規模。
為了對系統有更進一步的了解,我們在穩態分析結果中獲得最佳之進料比例,並於動態模擬中使用比例-積分控制器來進行干擾消除與設定點追蹤的測試,而選擇以甲醇為操作變數時,能夠在動態下成功的控制出口之溫度。最後我們使用串級控制系統來進一步減少氧氣干擾造成的誤差並增進控制之效果。

In this research, the methanol-fueled hydrogen production process is simulated by the software, gPROMS and Aspen Plus. Then using the Mathematical formulas to build the model of the shell-and-tube methanol reformer. In general, the hydrogen production process consist of the methanol-steam reformer, the WGS (water-gas-shift) reactor, the PROX (preferential oxidation) reactor and the burner. However, with the shell-and-tube design, we combine the endothermic methanol-reformer with the exothermic PROX reactor for exchanging heat. The PROX reactor for heat supply is arranged as the shell side. Moreover this design can effectively decrease the reactor volume and reduce the process scale. In order to understand more about the system, we obtain the optimal operating conditions in steady state process and use the PI (proportional-integral) controller to control disturbance rejection and setpoint tracking test in dynamic process. It is effective to control the output temperature in dynamic simulation while we taking methanol as manipulated variable. Finally we use the cascade control system to reduce the error and enhance the control effect.
摘要 II
Abstract III
誌謝 IX
目錄 X
圖目錄 XIII
表目錄 XVI
符號表 XVII
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2氫氣 2
1.2.1氫氣介紹 2
1.2.2氫氣安全問題 2
1.3燃料電池 3
1.4文獻回顧與研究動機 5
第二章 建模理論 7
2.1 醇類重組產氫反應 7
2.1.1 甲醇重組反應 7
2.2 其他單元反應 10
2.2.1 燃燒器(Combustor) 10
2.2.2 熱交換器(Heat exchanger) 11
2.2.3 水煤氣反應器 12
2.2.4 優先氧化反應器PROX(Preferential oxidation reactor)13
2.3 控制策略 15
2.3.1 控制器簡介 15
2.3.2 控制器參數 16
2.4 gPROMS軟體 18
2.4.1 gPROMS軟體之發展歷史與應用 18
2.4.2 模擬軟體比較 18
第三章 產氫製程之穩態分析 21
3.1 甲醇重組設計之分析 21
3.1.1 甲醇自熱重組+PSA 產氫流程 21
3.1.2 甲醇自熱重組+PROX 產氫流程 23
3.2 殼管式甲醇重組器 24
3.2.1 反應器的設計 24
3.2.2 反應器的模型與參數 26
3.2.3 反應器的熱傳係數 28
3.2.4 邊界條件與數值方法 29
3.3 殼管式甲醇重組穩態分析 33
3.3.1 順流式操作分析 33
3.3.2 逆流式操作分析 37
3.3.3 殼管式重組器比較 38
第四章 殼管式重組器之動態模擬 45
4.1 殼管式重組器之開環路分析 45
4.1.1 甲醇進料改變對重組器之影響 46
4.1.2 水進料改變對重組器之影響 49
4.1.3 氧氣進料改變對重組器之影響 51
4.2 殼管式重組器之設定點追蹤 54
4.2.1 P控制系統 56
4.2.2 PI控制系統 58
4.3 殼管式重組器之干擾消除 61
4.3.1 水進料干擾對重組器之影響 61
4.3.2 空氣進料干擾對重組器之影響 64
4.3.3 串級控制系統 67
第五章 結論與未來展望 71
參考文獻 72

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