甲醇制氫生產(chǎn)裝置課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　前 言</b></p><p>　　氫氣是一種重要的工業(yè)產(chǎn)品，它廣泛用于石油、化工、建材、冶金、電子、醫(yī)藥、電力、輕工、氣象、交通等工業(yè)部門和服務(wù)部門，由于使用要求的不同，這些部門對(duì)氫氣的純度、對(duì)所含雜質(zhì)的種類和含量都有不相同的要求，特別是改革開放以來(lái)，隨著工業(yè)化的進(jìn)程，大量高精產(chǎn)品的投產(chǎn)，對(duì)高純度的需求量正逐步加大，等等對(duì)制氫工藝和裝置的效率、經(jīng)濟(jì)性、靈

2、活性、安全都提出了更高的要求，同時(shí)也促進(jìn)了新型工藝、高效率裝置的開發(fā)和投產(chǎn)。</p><p>　　依據(jù)原料及工藝路線的不同，目前氫氣主要由以下幾種方法獲得：①電解水法；②氯堿工業(yè)中電解食鹽水副產(chǎn)氫氣；③烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化法；④烴類部分氧化法；⑤煤氣化和煤水蒸氣轉(zhuǎn)化法；⑥氨或甲醇催化裂解法；⑦石油煉制與石油化工過(guò)程中的各種副產(chǎn)氫；等等。其中烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化法是世界上應(yīng)用最普遍的方法，但該方法適用于化肥及石油化工工業(yè)上大規(guī)

3、模用氫的場(chǎng)合，工藝路線復(fù)雜，流程長(zhǎng)，投資大。隨著精細(xì)化工的行業(yè)的發(fā)展，當(dāng)其氫氣用量在200～3000m3/h時(shí)，甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)表現(xiàn)出很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，受到許多國(guó)家的重視。甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化制氫具有以下特點(diǎn)：</p><p>　　與大規(guī)模的天然氣、輕油蒸氣轉(zhuǎn)化制氫或水煤氣制氫相比，投資省，能耗低。</p><p>　　與電解水制氫相比，單位氫氣成本較低。</p><p&

4、gt;　　所用原料甲醇易得，運(yùn)輸、貯存方便。</p><p>　　可以做成組裝式或可移動(dòng)式的裝置，操作方便，搬運(yùn)靈活。</p><p>　　對(duì)于中小規(guī)模的用氫場(chǎng)合，在沒(méi)有工業(yè)含氫尾氣的情況下，甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化及變壓吸附的制氫路線是一較好的選擇。本設(shè)計(jì)采用甲醇裂解+吸收法脫二氧化碳+變壓吸附工藝，增加吸收法的目的是為了提高氫氣的回收率，同時(shí)在需要二氧化碳時(shí)，也可以方便的得到高純度的二氧化碳。&l

5、t;/p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　一、題目：生產(chǎn)能力為1600 Nm3/h甲醇制氫生產(chǎn)裝置。</p><p>　　二、設(shè)計(jì)參數(shù)：生產(chǎn)能為1600 Nm3/h。</p><p>　　1、工藝計(jì)算：物料衡算和熱量衡算。</p><p><b>　　2、機(jī)器選型

6、計(jì)算。</b></p><p>　　3、設(shè)備布置設(shè)計(jì)計(jì)算。</p><p>　　4、管道布置設(shè)計(jì)計(jì)算。</p><p><b>　　三、圖紙清單：</b></p><p>　　1、預(yù)熱器總裝配圖1張，1號(hào)</p><p>　　2、預(yù)熱器零件圖2號(hào)，2張</p><p

7、>　　3、管道儀表流程圖2號(hào)，1張</p><p>　　4、設(shè)備平面布置圖2號(hào)，1張</p><p>　　5、管道平面布置圖2號(hào)，1張</p><p>　　6、管道空視圖3號(hào)，2張</p><p>　　7、自動(dòng)控制方案圖3號(hào)，1張</p><p><b>　　甲醇制氫工藝設(shè)計(jì)</b><

8、/p><p>　　2.1 甲醇制氫工藝流程</p><p>　　甲醇制氫的物料流程如圖1－2。流程包括以下步驟：甲醇與水按配比1：1.5進(jìn)入原料液儲(chǔ)罐，通過(guò)計(jì)算泵進(jìn)入換熱器（E0101）預(yù)熱，然后在汽化塔（T0101）汽化，在經(jīng)過(guò)換熱器(E0102)過(guò)熱到反應(yīng)溫度進(jìn)入轉(zhuǎn)化器(R0101)，轉(zhuǎn)化反應(yīng)生成H2、CO2的以及未反應(yīng)的甲醇和水蒸氣等首先與原料液換熱(E0101)冷卻，然后經(jīng)水冷器(E0

9、103)冷凝分離水和甲醇，這部分水和甲醇可以進(jìn)入原料液儲(chǔ)罐，水冷分離后的氣體進(jìn)入吸收塔，經(jīng)碳酸丙烯脂吸收分離CO2，吸收飽和的吸收液進(jìn)入解析塔降壓解析后循環(huán)使用，最后進(jìn)入PSA裝置進(jìn)一步脫除分離殘余的CO2、CO及其它雜質(zhì)，得到一定純度要求的氫氣。</p><p>　　圖1－2 甲醇制氫的物料流程圖及各節(jié)點(diǎn)物料量</p><p><b>　　2.2 物料衡算</b>

10、</p><p><b>　　1、依據(jù)</b></p><p>　　甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)方程式：</p><p>　　CHOH→CO↑+2H↑</p><p>　　CO+HO→CO↑+ H↑</p><p>　　CHOH分解為CO轉(zhuǎn)化率99%，反.應(yīng)溫度280℃，反應(yīng)壓力1.5MPa，醇水投料比1：1

11、.5(mol)。</p><p><b>　　2、投料計(jì)算量</b></p><p>　　代入轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù)，式(1-3)和式(1-4)變?yōu)椋?lt;/p><p>　　CHOH→0.99CO↑+1.98H↑+0.01 CHOH</p><p>　　CO+0.99HO→0.99CO↑+ 1.99H+0.01CO</p>

12、<p>　　合并式(1-5)，式(1-6)得到：</p><p>　　CHOH+0.9801 HO→0.9801 CO↑+2.9601 H↑+0.01 CHOH+0.0099 CO↑</p><p>　　氫氣產(chǎn)量為：1600m/h=71.429 kmol/h</p><p>　　甲醇投料量為：71.429/2.9601ⅹ32=772.179kg/h

13、</p><p>　　水投料量為：71.429/2.9601ⅹ1.5ⅹ18=651.526 kg/h</p><p>　　3、原料液儲(chǔ)槽(V0101)</p><p>　　進(jìn)：甲醇 772.179 kg/h水 651.526 kg/h</p><p>　　出：甲醇 772.179 kg/h水651.526 kg/h</p>

14、;<p>　　4、換熱器 (E0101)，汽化塔(T0101)，過(guò)熱器(E0103)</p><p><b>　　沒(méi)有物流變化.</b></p><p>　　5、轉(zhuǎn)化器 (R0101)</p><p>　　進(jìn)：甲醇 772.179 kg/h；水651.526kg/h；總計(jì)1423.705kg/h</p><p

15、><b>　　出：生成</b></p><p><b>　　6、吸收塔和解析塔</b></p><p>　　吸收塔的總壓為1．5MPa，其中CO的分壓為0.38 MPa ，操作溫度為常溫(25℃). 此時(shí)，每m 吸收液可溶解CO11.77 m.此數(shù)據(jù)可以在一般化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到，二氧化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度數(shù)據(jù)見(jiàn)表1一l及表1—2。

16、</p><p>　　解吸塔操作壓力為0.1MPa， CO溶解度為2.32，則此時(shí)吸收塔的吸收能力為：</p><p>　　11.77-2.32=9.45</p><p>　　0.4MPa壓力下=pM/RT=0.444/[0.0082(273.15+25)]=7.20kg/m</p><p>　　CO體積量V=1040.617/7.20=14

17、4.530 m/h</p><p>　　據(jù)此，所需吸收液量為144.530/9.45= 15.294m/h</p><p>　　考慮吸收塔效率以及操作彈性需要，取吸收量為 15.294 m/h=45.883 m/h</p><p>　　可知系統(tǒng)壓力降至0.1MPa時(shí)，析出CO量為144.530 m/h=1040.617 kg/h.</p><p&

18、gt;　　混合氣體中的其他組分如氫氣，CO以及微量甲醇等也可以按上述過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，在此，忽略這些組分在吸收液內(nèi)的吸收.</p><p><b>　　7、PSA系統(tǒng)</b></p><p><b>　　略.</b></p><p><b>　　8、各節(jié)點(diǎn)的物料量</b></p><p

19、>　　綜合上面的工藝物料衡算結(jié)果，給出物料流程圖及各節(jié)點(diǎn)的物料量，見(jiàn)圖1一2.</p><p><b>　　2.3 熱量衡算</b></p><p><b>　　1、汽化塔頂溫確定</b></p><p>　　在已知汽相組成和總壓的條件下，可以根據(jù)汽液平衡關(guān)系確定汽化塔的操作溫度·</p>&

20、lt;p>　　甲醇和水的蒸氣壓數(shù)據(jù)可以從一些化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊(cè)中得到：表1-3列出了甲醇的蒸氣壓數(shù)據(jù)；水的物性數(shù)據(jù)在很多手冊(cè)中都可以得到，這里從略。</p><p>　　在本工藝過(guò)程中，要使甲醇水完全汽化，則其汽相分率必然是甲醇40%，水60%(mol)且已知操作壓力為1.5MPa，設(shè)溫度為T，根據(jù)汽液平衡關(guān)系有</p><p>　　0.4p+0.6p=1.5MPa</p>

21、<p><b>　　初設(shè) T=170℃</b></p><p>　　p=2.19MPa; p=0.824 MPa</p><p>　　p=1.3704<1.5 MPa</p><p><b>　　再設(shè) T=175℃</b></p><p>　　p=2.4MPa; p=0.93

22、 MPa</p><p>　　p=1.51 MPa</p><p>　　蒸氣壓與總壓基本一致，可以認(rèn)為操作壓力為1.5MPa時(shí)，汽化塔塔頂溫度為175℃.</p><p>　　2、轉(zhuǎn)換器(R0101)</p><p>　　兩步反應(yīng)的總反應(yīng)熱為49.66kJ/mol，于是，在轉(zhuǎn)化器內(nèi)需要供給熱量為：</p><p>　　

23、Q=772.179×0.99/32×1000×(-49.66)</p><p>　　=-1.19106 kJ/h</p><p>　　此熱量由導(dǎo)熱油系統(tǒng)帶來(lái)，反應(yīng)溫度為280℃，可以選用導(dǎo)熱油溫度為320℃，導(dǎo)熱油溫度降設(shè)定為5℃，從手冊(cè)中查到導(dǎo)熱油的物性參數(shù)，如比定壓熱容與溫度的關(guān)系，可得：</p><p>　　c=4.18680.6

24、8=2.85kJ/(kg·K)， c=2.81kJ/(kg·K)</p><p>　　取平均值c=2.83 kJ/(kg·K)</p><p>　　則導(dǎo)熱油用量w=Q/(ct)= 1.19/(2.835)=84099 kg/h</p><p>　　3、過(guò)熱器(E0102)</p><p>　　甲醇和水的飽和蒸氣在

25、過(guò)熱器中175℃過(guò)熱到280℃，此熱量由導(dǎo)熱油供給.從手冊(cè)中可以方便地得到甲醇和水蒸氣的部分比定壓熱容數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1-4</p><p>　　氣體升溫所需熱量為：</p><p>　　Q= cmt=(1.90772.179+4.82651.526) (280-175)=4.8310kJ/h</p><p>　　導(dǎo)熱油c=2.826 kJ/(kg·K)，于是其

26、溫降為：</p><p>　　t=Q/(cm)= 3.6310/(2.82662898)=2.04℃</p><p>　　導(dǎo)熱油出口溫度為：315-2.0=313.0℃</p><p>　　4、汽化塔（TO101 ) </p><p>　　認(rèn)為汽化塔僅有潛熱變化。175 ℃時(shí)甲醇H = 727.2kJ/kg；水H = 203IkJ/kg<

27、;/p><p>　　Q=772.1779727.2+2031651.526=1.8810 kJ/h</p><p>　　以300℃導(dǎo)熱油計(jì)算c=2.76 kJ/(kg·K)</p><p>　　t=Q/(cm)=1.8810/(2.7683840)=8.12℃</p><p>　　則導(dǎo)熱油出口溫度：t=313.0-8.1=304.9℃&

28、lt;/p><p>　　導(dǎo)熱油系統(tǒng)溫差為：T=320-304.9=15.1℃，基本合適。</p><p>　　5、換熱器（EO101)</p><p>　　殼程：甲醇和水液體混合物由常溫（25 ℃ ）升至175 ℃ ，其比熱容數(shù)據(jù)也可以從手冊(cè)中得到，表1 一5 列出了甲醇和水液體的部分比定壓熱容數(shù)據(jù)。液體混合物升溫所需熱量</p><p>　　

29、Q= cmt=(772.1793.14+651.5264.30) (175-25)=7.8410kJ/h</p><p>　　管程：沒(méi)有相變化，同時(shí)一般氣體在一定的溫度范圍內(nèi)，熱容變化不大，以恒定值計(jì)算，這里取各種氣體的比定壓熱容為：</p><p>　　c10.47 kJ/(kg·K)</p><p>　　c14.65 kJ/(kg·K)<

30、;/p><p>　　c 4.19 kJ/(kg·K)</p><p>　　則管程中反應(yīng)后氣體混合物的溫度變化為：</p><p>　　t=Q/(cm)=7.8410/(10.471040.617+14.65142.858+4.19225.819)=56.3℃</p><p>　　換熱器出口溫度為280-56.3=223.7℃</p

31、><p>　　6、冷凝器（EO103) </p><p>　　在E0103 中包含兩方面的變化：</p><p>　?、貱O， CO， H的冷卻以及②CHOH ， HO的冷卻和冷凝. </p><p>　　CO， CO， H的冷卻</p><p>　　Q=cmt=(10.471040.617+14.65142.858+1.

32、046.689) (223.7-40)=2.3910kJ/h</p><p>　　CHOH的量很小，在此其冷凝和冷卻忽略不計(jì)。壓力為1.5MPa時(shí)水的冷凝熱為：</p><p>　　H=2135KJ/kg，總冷凝熱Q=Hm=2135225.819=4.8210kJ/h</p><p>　　水顯熱變化Q=cmt=4.19225.819(223.7-40)=1.7410

33、kJ/h</p><p>　　Q=Q+Q+Q=3.04610kJ/h</p><p>　　冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，采用中溫型涼水塔，則溫差△T=10℃</p><p>　　用水量W=Q/( ct)= 3.04610/(4.1910)=72697kg/h</p><p><b>　　過(guò)熱器工藝設(shè)計(jì)</b></p>

34、<p>　　3.1 過(guò)熱器工藝計(jì)算</p><p><b>　　原始數(shù)據(jù)</b></p><p><b>　　定性溫度與物性參數(shù)</b></p><p><b>　　物料與熱量衡算</b></p><p><b>　　有效平均溫度</b><

35、/p><p><b>　　初算傳熱面積</b></p><p><b>　　換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　管程傳熱與壓降</b></p><p><b>　　殼程傳熱與壓降</b></p><p><b>

36、;　　總傳熱系數(shù)</b></p><p><b>　　傳熱面積與壁溫核算</b></p><p>　　3.2 過(guò)熱器外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　按照GB150-1998《鋼制壓力容器》進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。</p><p><b>　　筒體</b></p><p&g

37、t;　　（1）筒體內(nèi)徑: ，</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)壓力： 設(shè)計(jì)溫度取280℃</p><p>　　筒體材料：16MnR 焊接接頭系數(shù) Φ=0.9</p><p>　　鋼板厚度負(fù)偏差,腐蝕裕量,</p><p><b>　　厚度附加量,,</

38、b></p><p><b>　　筒體的計(jì)算厚度計(jì)算</b></p><p>　　考慮厚度附加量并圓整至鋼板厚度系列，并按GB－151換熱器最小厚度標(biāo)準(zhǔn)，得材料名義厚度。</p><p><b>　　強(qiáng)度校核 </b></p><p><b>　　有效厚度</b><

39、/p><p><b>　　符合強(qiáng)度要求。</b></p><p>　?。?）根據(jù)筒徑選用非金屬軟墊片： </p><p>　　墊片厚度：5mm 墊片外徑:354mm 墊片內(nèi)徑：310mm</p><p>　　根據(jù)筒體名義厚度選用凸面平焊鋼制管法蘭（JB4702） 法蘭材料：16MnR <

40、;/p><p>　　表3-2 筒體法蘭數(shù)據(jù)</p><p><b>　　封頭</b></p><p><b>　?。?）封頭內(nèi)徑：，</b></p><p>　　設(shè)計(jì)壓力：P=1.5MPa ,設(shè)計(jì)溫度取280 C</p><p>　　封頭材料：16MnR 焊接接頭系數(shù) Φ

41、=0.9</p><p>　　鋼板厚度負(fù)偏差,腐蝕裕量,厚度附加量，</p><p><b>　　封頭的計(jì)算厚度計(jì)算</b></p><p>　　選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，K=1.0</p><p>　　考慮厚度附加量并圓整至鋼板厚度系列，并按GB－151換熱器最小厚度標(biāo)準(zhǔn)，取封頭名義厚度與筒體厚度相同，得材料名義厚度。<

42、;/p><p><b>　　強(qiáng)度校核 </b></p><p><b>　　有效厚度，</b></p><p><b>　　，符合強(qiáng)度要求。</b></p><p>　　根據(jù)筒徑選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭直邊高：25mm，曲面高：125mm，壁厚：6mm。</p><p

43、>　　換熱管（GB151-1999）</p><p>　　管子材料：16MnR </p><p>　　根據(jù)上節(jié)中計(jì)算的管子內(nèi)徑選用尺寸：，管長(zhǎng)：2000mm，根數(shù)：54</p><p>　　實(shí)排根數(shù)：67（外加6根拉桿） 排列形式：正三角形 </p><p>　　中心距：32mm 管束中

44、心排管數(shù)：8 </p><p><b>　　管程數(shù)據(jù)</b></p><p>　　管程數(shù)：1 管程流體流速：1.5m/s </p><p>　　進(jìn)出口接管尺寸： 接管材料：16MnR</p><p>　　法蘭類型：凸面平焊鋼制管法蘭（HG20593

45、-97） 法蘭材料：20R </p><p>　　表3-3 管程法蘭數(shù)據(jù)</p><p><b>　　殼程數(shù)據(jù)</b></p><p>　　殼程數(shù)：1 殼程氣體流速：0.04m/s </p><p>　　進(jìn)出口接管尺寸： 接管材料：16MnR&

46、lt;/p><p>　　法蘭類型：凸面平焊鋼制管法蘭（HG20593-97） 法蘭材料：20R </p><p>　　表3-4 殼程法蘭數(shù)據(jù)</p><p>　　折流板（GB151-1999）</p><p>　　材料：16MnR 形式：?jiǎn)喂?外直徑：197 管孔直徑：22.35</p>

47、<p>　　缺口弦高：40mm 間距：200mm 板數(shù)：8 厚度：6</p><p>　　拉桿（GB151-1999）</p><p>　　直徑：16 螺紋規(guī)格：M16 根數(shù)；6</p><p><b>　　管箱設(shè)計(jì)</b></p><p>

48、;　　1）箱體內(nèi)徑：300mm</p><p>　　設(shè)計(jì)壓力：P=1.5MPa 設(shè)計(jì)溫度取280℃</p><p>　　封頭材料：16MnR 焊接接頭系數(shù) Φ=0.9</p><p>　　鋼板厚度負(fù)偏差,腐蝕裕量,厚度附加量，</p

49、><p>　　封頭的計(jì)算厚度計(jì)算，</p><p>　　選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，K=1.0</p><p>　　考慮厚度附加量并圓整至鋼板厚度系列，取封頭名義厚度與筒體厚度相同，得材料名義厚度n = 8mm.</p><p><b>　　強(qiáng)度校核 </b></p><p><b>　　有效厚度&

50、lt;/b></p><p><b>　　，符合強(qiáng)度要求。</b></p><p>　　取前箱體長(zhǎng)300mm，后箱體長(zhǎng)200mm。</p><p><b>　　鞍式支座 </b></p><p>　　公稱直徑 350mm 型式 重型BI（120°包角，焊制，單筋

51、，帶墊板）</p><p><b>　　管板法蘭</b></p><p>　　材料：16MnR 換熱管管孔直徑：25.4 拉桿管孔直徑：13.6 </p><p>　　厚度：18 外徑：與管板制成一體</p><p><b>