【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于氨分解，尤其涉及氨分解反应器耗功率和换热率最小的最优构型的优化方法。
技术介绍
1、氢能在全球范围内被广泛认可为清洁能源，氢气的储存和运输是氢能发展中急需解决的问题。氨作为储氢载体具有较高的体积储氢密度、常温下易储存和易运输等优点，被认为是最有效的无碳氢载体之一。基于氨的本身的性质，其在储氢、氨氢内燃机、制氢等方面有着很多应用。氢气从氨中释放出来是氨储氢中的重要耗能步骤，热催化氨分解是最为成熟的氨制氢方法，通过对氨分解反应器开展热力学分析与优化能够有效提高氨分解制氢过程的能量利用效率。
2、氨分解反应最主要的目标是制取氢气，表征了氨的分解程度。许多学者通过数值模拟或者实验验证的方法研究了在不同温度、不同流率或者是不同反应器等条件下如何提高氢气产率。chiuta等对商用ru/al2o3催化剂在微通道反应器中氨分解产生氢气进行了实验验证和cfd模拟，结果表明温度为873k流量为500nmlmin-1时nh3转化率为99.8％。zhang等制备了一种新型膜反应器，反应器在低至400℃的操作温度下，nh3实现了完全转化，超过了平衡限制，得到了31.6mol·m-3·s-1的氢体积产率。
3、除了对目标产物(氢气)高效制取的研究，反应器的能量利用率以及反应器的能量来源也是学者关注的目标。由于氨分解温度与槽式太阳集热器温度匹配较好，许多学者对太阳能供热条件下的氨分解开展研究。deng等研究聚光太阳能驱动的新型单管氨基反应器，研究表明在催化剂颗粒直径减小、催化剂孔隙率从管中心开始沿径向线性减小、管内流入方
4、对比文件1(cn112871177a)公开了一种六铝酸盐耐高温催化材料在氨分解反应中的应用。六铝酸盐耐高温催化材料通式为：a1-xa′xbyal12-yo19，a位为ca、sr、ba、la、ce、pr离子中的一种；a′位为ca、sr、ba、la、ce、pr离子中的一种；b位为fe、co、ni、cu、zn、mn、cr、zr离子中的一种。a或a′位的取代量x为0≤x≤1，b位fe的取代量y为0≤y≤12，co、ni、cu、zn、mn、cr、zr的取代量y为0≤y≤3。该材料具有元素可调变性强，高温热稳定性好，活性组分均匀分散，抗高温烧结等特点，在氨分解反应中表现出优异的催化活性和稳定性。
5、对比文件2(cn116236980a)公开了一种螺旋式氨分解反应装置，包括本体、反应通道和加热通道，反应通道的反应出口位于本体的内部，反应通道以反应出口为起点向外盘旋延伸并且延伸出本体；加热通道的气体入口位于本体的内部，加热通道以气体入口为起点向外盘旋延伸并且延伸出本体，至少部分加热通道贴合在反应通道的外壁上，加热通道用于引入具有500℃以上的气体至本体内部。该螺旋式氨分解反应装置具有结构紧凑的特点，且装置能量利用率高，减少了对外界能量的消耗，同时也具有较高的氨分解反应效率，减少了残留氨气对环境的污染。
6、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
7、目前已发表的氨分解反应器的相关研究多数集中研究氨分解催化剂，部分研究新型氨分解反应器。而利用有限时间热力学理论对0.1～1mpa压力条件下氨分解反应器的耗功率，换热率的研究较少。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了氨分解反应器耗功率和换热率最小的最优构型的优化方法。
2、本专利技术是这样实现的，氨分解反应器耗功率和换热率最小的最优构型的优化方法，包括以下步骤：
3、步骤一，利用有限时间热力学理论对氨分解反应器进行建模；
4、步骤二，在固定的h2产率约束下，计算最优管外温度分布tw(z)使得氨分解反应器的换热率、耗功率最小；
5、步骤三，与一定传热反应器进行比较，分析反应器的长度和反应物初温及相应的影响规律。
6、进一步，所述步骤一中氨分解反应器是以ru/al2o3为催化剂的氨分解管式反应器。
7、进一步，所述步骤一中利用有限时间热力学理论对存在有限温差传热、有限压差流动、有限速率化学反应等不可逆性的氨反应器进行建模；分别建立氨分解参考反应器、换热率最小优化反应器和耗功率最小优化反应器三种反应器模型。
8、进一步，所述步骤二进行数值求解，将目标函数、守恒方程等连续的微分方程转化为离散的差分方程形式；方程组被离散为i＝1，…，n-1控制体函数转化为向量。
9、进一步，计算换热率最小：
10、
11、计算耗功率最小：
12、
13、式中，i为控制体的编号，下标m表示变量值采用的是相邻2个网格节点处函数值的平均值；
14、进一步，wc为催化剂累积质量：
15、wc＝(1-εb)ρcac,r
16、进一步，对于能量、动量和质量守恒方程式可分别离散化为如下形式：
17、能量守恒
18、
19、jq,r为通过反应管的热通量，r为氨分解本征反应速率，δh为反应焓，fk和cp,k分别是反应气中不同组分的摩尔流率和定压摩尔热容。
20、动量守恒
21、
22、re为反应混合物在催化剂床层内流动情况的无量纲数，ρrm为反应混合气体密度，dp为催化剂的颗粒直径。
23、质量守恒
24、
25、式中为换热率，din为反应器外管内径，为反应管壁与反应混合物之间的总换热系数，tw为管外热源温度，trm为反应混合物温度，εb为催化剂床层空隙率，ρc催化剂的表观密度，ac,r为反应管截面积。pi为耗功率，crm为反应混合气体流速，prm为反应混合气体压力。为化学计量系数。
26、进一步，所述步骤三得到较低的换热率，管外热源温度沿着管长先逐渐增大，一直增加到800k之后维持在800k一段管长，然后管外热源温度逐渐降低到620k。
27、进一步，所述步骤三得到较低的耗功率，管外热源温度在管的前半段沿管长的增加逐渐增加到800k，在反应管的后半段温度维持在800k。
28、进一步，所述步骤三反应物初温在350～450℃时随着反应物的初温提高，换热率在逐渐减小而耗功率逐渐增大；反应管长度取值在8～10m时随着反应管长度的增加，耗功率在不断增大，当以换热率最小为目标时反应管长度增加换热率逐渐减小，当以耗功最小为目标时反应管长度增加换热率越大。
29、本专利技术的另一目的在于提供一种氨分解反应器耗功率和换热率最小的最优构型的优化方法的氨分解反应器耗功率和换热率最小的最优构型的优化系统，包括：
30、氨分解反应器本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种氨分解反应器耗功率和换热率最小的最优构型的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的氨分解反应器耗功率和换热率最小的最优构型的优化方法，其特征在于，所述步骤一中氨分解反应器是以Ru/Al2O3为催化剂的氨分解管式反应器；利用有限时间热力学理论对存在有限温差传热、有限压差流动、有限速率化学反应等不可逆性的氨反应器进行建模；分别建立氨分解参考反应器、换热率最小优化反应器和耗功率最小优化反应器三种反应器模型。
3.如权利要求1所述的氨分解反应器耗功率和换热率最小的最优构型的优化方法，其特征在于，所述步骤二进行数值求解，将目标函数、守恒方程等连续的微分方程转化为离散的差分方程形式；方程组被离散为i＝1，…，n-1控制体函数转化为向量。
4.如权利要求1所述的氨分解反应器耗功率和换热率最小的最优构型的优化方法，其特征在于，计算换热率最小：
5.如权利要求4所述的氨分解反应器耗功率和换热率最小的最优构型的优化方法，其特征在于，WC为催化剂累积质量：
6.如权利要求1所述的氨分解反应器耗功率和换热率最小的最优
7.如权利要求1所述的氨分解反应器耗功率和换热率最小的最优构型的优化方法，其特征在于，所述步骤三得到较低的换热率，管外热源温度沿着管长先逐渐增大，一直增加到800K之后维持在800K一段管长，然后管外热源温度逐渐降低到620K。
8.如权利要求1所述的氨分解反应器耗功率和换热率最小的最优构型的优化方法，其特征在于，所述步骤三得到较低的耗功率，管外热源温度在管的前半段沿管长的增加逐渐增加到800K，在反应管的后半段温度维持在800K。
9.如权利要求1所述的氨分解反应器耗功率和换热率最小的最优构型的优化方法，其特征在于，所述步骤三反应物初温在350～450℃时随着反应物的初温提高，换热率在逐渐减小而耗功率逐渐增大；反应管长度取值在8～10m时随着反应管长度的增加，耗功率在不断增大，当以换热率最小为目标时反应管长度增加换热率逐渐减小，当以耗功最小为目标时反应管长度增加换热率越大。
10.如权利要求1～9任一项所述的一种氨分解反应器耗功率和换热率最小的最优构型的优化方法的氨分解反应器耗功率和换热率最小的最优构型的优化系统，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种氨分解反应器耗功率和换热率最小的最优构型的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的氨分解反应器耗功率和换热率最小的最优构型的优化方法，其特征在于，所述步骤一中氨分解反应器是以ru/al2o3为催化剂的氨分解管式反应器；利用有限时间热力学理论对存在有限温差传热、有限压差流动、有限速率化学反应等不可逆性的氨反应器进行建模；分别建立氨分解参考反应器、换热率最小优化反应器和耗功率最小优化反应器三种反应器模型。
3.如权利要求1所述的氨分解反应器耗功率和换热率最小的最优构型的优化方法，其特征在于，所述步骤二进行数值求解，将目标函数、守恒方程等连续的微分方程转化为离散的差分方程形式；方程组被离散为i＝1，…，n-1控制体函数转化为向量。
4.如权利要求1所述的氨分解反应器耗功率和换热率最小的最优构型的优化方法，其特征在于，计算换热率最小：
5.如权利要求4所述的氨分解反应器耗功率和换热率最小的最优构型的优化方法，其特征在于，wc为催化剂累积质量：
6.如权利要求1所述的氨分解反应器耗功率和换热率最小的最优构型的优化方法，其特征在于，对于能量、动量和...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄佳洛，夏少军，陈建利，李鹏蕾，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：
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