考虑流量波动的绿氨反应器随机规划优化设计

摘要

利用风、光等可再生能源电解水制氢合成绿氨不仅可以减少弃风、弃光等能源浪费，也可以减少传统合成氨生产过程产生的碳排放。然而，由于风、光等可再生能源具有不稳定性，其电解产生的H₂流量会有波动，从而引起绿氨反应器进料流量不稳定，可能造成合成氨反应热平衡和动力学平衡失稳，使得反应无法在最佳工况下进行。传统氨合成反应器难以适配绿氨生产过程对平稳运行的要求，针对此，本文提出了一种基于动力学和热力学原理的随机规划建模框架，对合成氨反应器进行设计研究，以提高合成氨反应器在变负荷工况下的适应能力。该框架耦合了电解水制氢、合成氨反应和氨冷分离等关键工序，从全流程角度系统分析了进料流量波动对绿氨生产过程的影响机制，比较了绝热式冷激反应器和间接冷却反应器，并对间接冷却反应器的拓扑结构进行了设计，确定了反应器各床层体积和换热面积。结果表明：所设计的间接冷却反应器具备在多工况下稳定运行的能力，同时能够提升反应单程转化率；NH₃产量比优化前增加了18%，每年增加约8 000 t；在年度成本增加不大的条件下，每吨NH₃的成本降低了4.5%，并且每吨NH₃的能耗降低了76 MJ，对年产50 000 t的绿氨生产过程，全年可节约3.8×10～6 MJ能量。

关键词

随机规划 / 化学反应器 / 优化设计 / 绿氨 / 再生能源 / 过程系统