1、甲醇制氫生產(chǎn)裝置計(jì)算書(shū)姓名：丁仕勇單位：機(jī)械學(xué)院控制0704前言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(mén)和服務(wù)部門(mén)，由于使用要求的不同，這些部門(mén)對(duì)氫氣的純度、對(duì)所含雜質(zhì)的種類(lèi)和含量都有不相同的要求，特別是改革開(kāi)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(kāi)發(fā)和投產(chǎn)。依據(jù)原料及工藝路線(xiàn)的不同，目前氫氣主要由以下幾種方法獲得：電解水法；氯堿工業(yè)中電解食鹽水副產(chǎn)氫氣；烴類(lèi)水蒸氣轉(zhuǎn)化法；烴類(lèi)部分氧化法；煤氣化

2、和煤水蒸氣轉(zhuǎn)化法；氨或甲醇催化裂解法；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(lèi)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)模用氫的場(chǎng)合，工藝路線(xiàn)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2003000m3/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)：（1） 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。（2） 與電解水制氫相比，單位氫氣成本較低。（3） 所用原料甲醇易得，運(yùn)輸、貯存方便。（4） 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。對(duì)于中

3、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(xiàn)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。目錄1. 前言2. 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)3. 甲醇制氫工藝設(shè)計(jì)3.1 甲醇制氫工藝流程3.2 物料衡算3.3 熱量衡算4. 汽化塔設(shè)計(jì)4.1 工藝計(jì)算4.1.1 填料段工藝計(jì)算4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1 管道設(shè)計(jì)2 自控設(shè)計(jì)3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、環(huán)境評(píng)價(jià)4 結(jié)束語(yǔ)5 致謝6 參考文獻(xiàn)附錄：1.汽化塔裝配圖 2.管道平面布置圖 3.管道空視圖3甲醇制氫工藝設(shè)計(jì)3.1 甲醇制氫工藝

4、流程甲醇制氫的物料流程如圖12。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(E0103)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。圖123.2 物料

5、衡算1、依據(jù)甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)方程式: CHOHCO+2HCO+HOCO+ HCHOH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1:1.5(mol).2、投料計(jì)算量 代入轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù),式(1-3)和式(1-4)變?yōu)?CHOH0.99CO+1.98H+0.01 CHOHCO+0.99HO0.99CO+ 1.99H+0.01CO合并式(1-5),式(1-6)得到: CHOH+0.981 HO0.981 CO+0.961 H+0.01 CHOH+0.0099 CO氫氣產(chǎn)量為: 3500m/h=156.25kmol/h甲醇投料量為: 156.25/2.960132=1689.

6、132 kg/h水投料量為: 1689.132/321.518=1425.205 kg/h3、原料液儲(chǔ)槽(V0101)進(jìn): 甲醇 1689.132 kg/h , 水 1425.205 kg/h出: 甲醇 1689.132 kg/h , 水 1425.205 kg/h4、換熱器 (E0101),汽化塔(T0101),過(guò)熱器(E0103)沒(méi)有物流變化.5、轉(zhuǎn)化器 (R0101)進(jìn) : 甲醇 1689.132 kg/h , 水 1425.205 kg/h , 總計(jì) 3114.337 kg/h出 : 生成 CO 1689.132/320.980144 =2276.338 kg/h H 1689.132

7、/322.96012 =312.5 kg/h CO 1689.132/320.009928 =14.632 kg/h 剩余甲醇 1689.132/320.0132 =16.89 kg/h 剩余水 1425.205-1689.132/320.980118=493.976 kg/h 總計(jì) 3114.336 kg/h6、吸收塔和解析塔 吸收塔的總壓為15MPa,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，二氯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12。解吸塔操作壓力為0.1MPa, CO溶解度

8、為2.32,則此時(shí)吸收塔的吸收能力為: 11.77-2.32=9.450.4MPa壓力下 =pM/RT=0.444/0.0082(273.15+25)=7.20kg/ mCO體積量 V=2276.338/7.20=316.158 m/h據(jù)此,所需吸收液量為 316.158 /9.45=33.456 m/h考慮吸收塔效率以及操作彈性需要,取吸收量為 33.456 m/h=100.368 m/h可知系統(tǒng)壓力降至0.1MPa時(shí),析出CO量為316.158 m/h=2276.338kg/h.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.7、

9、PSA系統(tǒng)略.8、各節(jié)點(diǎn)的物料量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1一2.3.3 熱量衡算1、汽化塔頂溫確定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。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(mén),根據(jù)汽液平衡關(guān)系有 0.4p+0.6p=1.5MPa初設(shè) T=170 p=2.19MPa; p=0.824 MPa p=1.37041.

10、5 MPa再設(shè) T=175 p=2.4MPa; p=0.93 MPa p=1.51 MPa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175.2、轉(zhuǎn)換器(R0101)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: Q=1689.1320.99/321000(-49.66) =-2.59610kJ/h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:c=4.18680.68=2.85kJ/(kgK), c=2.81kJ/(kgK)取平均

11、值 c=2.83 kJ/(kgK)則導(dǎo)熱油用量 w=Q/(ct)= 2.59610/(2.835)=183486.24kg/h3、過(guò)熱器(E0102)甲醇和水的飽和蒸氣在過(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.氣體升溫所需熱量為:Q= cmt=(1.901689.132+4.821425.205) (280-175)=1.058310kJ/h導(dǎo)熱油c=2.826 kJ/(kgK), 于是其溫降為: t=Q/(cm)= 1.058310/(2.826183486.24)=2.04導(dǎo)熱油出口溫度為: 315-2.04=31

12、2.96 4、汽化塔（TO101 ) 認(rèn)為汽化塔僅有潛熱變化。175 甲醇H = 727.2kJ/kg 水 H = 203IkJ/kg Q=1689.132727.2+20311425.205=4.12310 kJ/h以300導(dǎo)熱油c計(jì)算 c=2.76 kJ/(kgK)t=Q/(cm)= 4.12310/(2.76183486.24)=8.14則導(dǎo)熱油出口溫度 t=313-8.14=304.86導(dǎo)熱油系統(tǒng)溫差為T(mén)=320-304.9=15.14 基本合適.5、換熱器（EO101)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

13、的部分比定壓熱容數(shù)據(jù)。液體混合物升溫所需熱量Q= cmt=(1689.1323.14+1425.2054.30) (175-25)=17.1510kJ/h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： c10.47 kJ/(kgK) c14.65 kJ/(kgK) c 4.19 kJ/(kgK)則管程中反應(yīng)后氣體混合物的溫度變化為：t=Q/(cm)=17.1510/(10.472276.338+14.65312.5+4.19493.976)=56.26換熱器出口溫度為 280-56.3=223.746、冷凝器（EO103) 在E01

14、03 中包含兩方面的變化：CO, CO, H的冷卻以及CHOH , HO的冷卻和冷凝. CO, CO, H的冷卻Q= cmt=(10.472276.338+14.65312.5+4.1914.632) (223.7-40)=5.2310kJ/h 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：H=2135KJ/kg,總冷凝熱 Q=Hm=2135493.976=1.05510kJ/h水顯熱變化Q= cmt=4.19493.976(223.7-40)=3.8010kJ/h Q=Q+Q+ Q=7.0310kJ/h冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，采用中溫型涼水塔，則溫差T=10用水量

15、w=Q/( ct)= 5.715510/(4.1910)= 1.6810kg/h4 汽化塔設(shè)計(jì)4.1 填料段4.1.1 填料段工藝計(jì)算物流名稱(chēng)管程殼程/(kg/h)進(jìn)口/(kg/h)出口/(kg/h)設(shè)計(jì)溫度/oC壓力/MPa進(jìn)出口/(kg/h)設(shè)計(jì)溫度/oC壓力/MPa甲醇1689.13216.892801.5水1425.205493.976二氧化碳2276.338一氧化碳14.632氫氣312.5導(dǎo)熱油903200.5 已知進(jìn)入汽化器的混合液體質(zhì)量流量為3114.337kg/h，操作壓力為1.5Mpa，液體的入口溫度為175。氣體的質(zhì)量流量也為3114.336 kg/h，壓力為1.5 Mp

16、a，溫度為175。4.1.1.1 填料塔段塔徑的計(jì)算：按汽液傳質(zhì)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算混合氣體的密度16.05kg/m（9.51）混合液體的密度729.85kg/m（886.10）混合氣體的質(zhì)量流量m3114.337kg/h混合液體的質(zhì)量流量ml3114.337kg/h。則 （）（）0.1483（0.1036） 選用金屬鮑爾環(huán)散堆填料DN25，查?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖，其縱坐標(biāo)為0.14.即 U0.14（0.146）式中 （1.128） 0.047mPa*s由此可得泛點(diǎn)氣速u(mài) u0.7685（1.167）取空塔氣速為泛點(diǎn)氣速的70，得空塔氣速u(mài) u0.7 u0.7*0.79400.5380m/s（0.817）

17、由此可得填料塔的塔徑DD0.357(0.372)圓整至D0.4 m。4.1.2 填料段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于該填料段的總高在10m以下，因此在設(shè)計(jì)中按照GB1501998鋼制壓力容器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。 設(shè)計(jì)壓力P1.1*1.51.65 Mpa. 設(shè)計(jì)溫度取最高工作溫度即40設(shè)備材料為16MnR 焊接接頭系數(shù) （雙面對(duì)接焊，局部無(wú)損探傷） 鋼板厚度負(fù)偏差C0.5mm，腐蝕余量C1.0mm，厚度附加量CC+C1.5mm。（1） 筒體體的計(jì)算厚度計(jì)算 2.30mm 考慮厚度附加余量并圓整至鋼板厚度系列，取材料名義厚度8mm?？紤]到與換熱器的連接，最終取名義厚度為8mm。（2） 封頭厚度計(jì)算選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭

18、，其厚度為： 1.72mm 考慮厚度附加余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，8mm。（3） 筒體與封頭的連接采用螺拴法蘭聯(lián)接由于塔徑較小，不宜設(shè)置人孔和手孔，況且操作壓力較高，故采用螺拴法蘭聯(lián)接筒體和封頭，以便于填料的安裝。（4） 填料高度取1000mm，故筒節(jié)長(zhǎng)度取為1300mm。（5） 填料支承裝置 選用工業(yè)上最常采用的柵板支承填料。采用整體式柵板，柵板安放在角鋼組成的支承圈上。柵板扁鋼截面為10mm6mm，扁鋼之間的間距為18mm. 柵板強(qiáng)度計(jì)算采用按承受均布載荷的兩端簡(jiǎn)支粱進(jìn)行，略去填料對(duì)塔壁的摩擦阻力，作用在柵條上的總載荷為： P= + L 其中填料重量重力 9.

19、8HLt9.81.00.60.018380=42.219N 填料層持液量L3.43HLt10-43.431.00.60.01886010-43.1910-3 N考慮柵條上載荷的不均勻性及安全系數(shù)，梁上彎矩為： M = =4.222N/m柵條上的應(yīng)力為： =62.55MPa式中 s柵條截面高度，m h柵條截面寬度，mC柵條材料腐蝕余量，mt=153MPa,因此,所用柵條符合強(qiáng)度要求.（7） 液體分布裝置采用蓮蓬頭布液器，噴淋點(diǎn)數(shù)為每45cm2塔截面設(shè)一個(gè)噴淋點(diǎn)，噴淋點(diǎn)數(shù)為30。蓮蓬頭的安裝高度為100mm.1.1.2 換熱器段工藝計(jì)算(1) 明確設(shè)計(jì)任務(wù)按給定的工藝設(shè)計(jì)條件，此設(shè)計(jì)為有相變冷熱流

20、體間換熱的管殼式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算任務(wù)。 (2) 總體設(shè)計(jì)確定結(jié)構(gòu)形式。由于介質(zhì)換熱溫差不大，在工藝和結(jié)構(gòu)上均無(wú)特殊要求，因此選用固定管板式換熱器。合理安排流程。安排甲醇水走管程，導(dǎo)熱油走殼程。(3) 熱工設(shè)計(jì)熱工設(shè)計(jì)的計(jì)算步驟與結(jié)果列于下各表中。1， 原始數(shù)據(jù)計(jì)算內(nèi)容或項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算公式或來(lái)源結(jié)果備注管程流體名稱(chēng)甲醇+水管殼流體名稱(chēng)導(dǎo)熱油導(dǎo)熱油的進(jìn)出口溫度；給定313；304.9甲醇+水的進(jìn)出口溫度；給定175；175甲醇+水，導(dǎo)熱油的工作壓力；MPa給定1.5；0.3甲醇+水的質(zhì)量流量kg/s給定0.5192，定性溫度與物性參數(shù)計(jì)算內(nèi)容或項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算公式或來(lái)源結(jié)果備注甲醇+水的定性溫度=

21、(+)/2175導(dǎo)熱油的定性溫度=()/2309甲醇+水，導(dǎo)熱油的密度；kg/按定性溫度查物性表860；1070甲醇+水，導(dǎo)熱油的比熱容；J/(kg)按定性溫度查物性表3836；2760甲醇+水，導(dǎo)熱油的導(dǎo)熱系數(shù)；W/(m)按定性溫度查物性表 0.66；0.99甲醇+水，導(dǎo)熱油的粘度；Pas按定性溫度查物性表0.110-3；0.2110-3甲醇+水導(dǎo)熱油普朗特?cái)?shù)；查表或計(jì)算 32.981；45.2963,物料與熱量衡算計(jì)算內(nèi)容或項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算公式或來(lái)源結(jié)果備注換熱器效率1負(fù)荷QW見(jiàn)汽化塔熱量衡算6.861105導(dǎo)熱油的質(zhì)量流量kg/s見(jiàn)過(guò)熱器熱量衡算30.5654，有效平均溫差計(jì)算內(nèi)容或項(xiàng)目

22、符號(hào)單位計(jì)算公式或來(lái)源結(jié)果備注逆流對(duì)數(shù)平均溫差t=(-t)/ln(t/t)133.9流程型式初步確定12型管殼式換熱器1殼程2管程參數(shù)RR=（-）/（-）1參數(shù)PP=（-）/(-)0溫度校正系數(shù)查圖4-21有效平均溫差t=133.95，初算傳熱面積計(jì)算內(nèi)容或項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算公式或來(lái)源結(jié)果備注初選總傳熱系數(shù)W/()參考表4-1600初算傳熱面積=Q/(t)8.5406,換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容或項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算公式或來(lái)源結(jié)果備注換熱管材料選用碳鋼無(wú)縫鋼管192換熱管內(nèi)，外徑；dm0.019；0.015換熱管管長(zhǎng)Lm選用9m標(biāo)準(zhǔn)管長(zhǎng)折半1.5換熱管根數(shù)nn=/（d L）96管程數(shù)根據(jù)管內(nèi)流體流速范圍

23、選定1管程進(jìn)出口接管尺寸（外徑*壁厚）按接管內(nèi)流體流速3m/s 合理選取404殼程數(shù)m1換熱管排列形式分程隔板槽兩側(cè)正方形排列，其余正三角形排列正三角形排列換熱管中心距SmS=1.25d或按標(biāo)準(zhǔn)40.038管束中心排管數(shù)=1.1（外加6根拉桿）12殼體內(nèi)徑m=S（-1）+（1-2）d0.5換熱管長(zhǎng)徑比L/L/3實(shí)排換熱器管根數(shù)n作圖或按計(jì)算102折流板型式選定單弓形折流板折流板外徑m按GB151-19990.497折流板缺口弦高h(yuǎn)m取h=0.200.100折流板間距Bm取B=（0.21）0.15折流板數(shù)=L/B-19殼程進(jìn)出口接管尺寸（外徑*壁厚）m合理選取13347，管程傳熱與壓降計(jì)算內(nèi)容或

24、項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算公式或來(lái)源結(jié)果備注管程流速m/s=4/(n)0.0356管程雷諾數(shù)=/4592.4換熱器壁溫假定260管程流體給熱系數(shù)W/()=0.023/3119.94管程進(jìn)出口處流速m/s40.7508管程摩擦因子查表4-30.015管內(nèi)摩擦壓降Pa=4L/()6.5396回彎壓降Pa=4/22.1799進(jìn)出口局部壓降Pa=1.5/2363.5869管程壓降Pa=(+)+372.3064管程最大允許壓降Pa查表4-335000校核管程壓降合理8、殼程傳熱與壓降計(jì)算內(nèi)容或項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算公式或來(lái)源結(jié)果備注殼程當(dāng)量直徑DmD=0.1358橫過(guò)管束的流通截面積AA0.0375殼程流體流速u(mài)m/s

25、u=0.762殼程雷諾數(shù)ReRe=527253.2殼程流體給熱系數(shù)oW/()o=0.3613127.09折流板圓缺部分的換熱管數(shù)nw切口上管子按圓弧比計(jì)入16值按表4-40.112折流板圓缺部分流通面積Ab0.0235折流板圓缺區(qū)流體流速u(mài)bm/s1.2155圓缺區(qū)平均流速u(mài)mm/sum=0.9624殼程進(jìn)出口處流速u(mài)Nsm/suNs=4.1162殼程摩擦因子fo查圖4-40.046折流板間錯(cuò)流管束壓降pPap=4 fo2104.514圓缺部分壓降pPap=10555.548進(jìn)出口局部壓降pPap=1.513596.840殼程壓降pPap=p+p+p26256.90殼程最大允許壓降pPa查表4

26、-335000校核殼程壓降pp合理9，總傳熱系數(shù)計(jì)算內(nèi)容或項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算公式或來(lái)源結(jié)果備注管內(nèi)污垢熱阻/W查表4-535.210-5管外污垢熱阻/W查表4-517.610-5換熱管材料導(dǎo)熱系數(shù)W/(m)查表351.8管壁熱阻/W4.2110-5總傳熱系數(shù)KW/()按式4-22728.18010傳熱面積與壁溫核算計(jì)算內(nèi)容或項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算公式或來(lái)源結(jié)果備注需要傳熱面積AA=7.0366實(shí)有傳熱面積A實(shí)A實(shí)=nd(L-2S)設(shè)管板厚度為0.03m8.2516校核傳熱面積AA =A實(shí)/ A1.1727熱流體傳熱面積按式4-25284.418冷流體傳熱面積按式4-26240.573管壁計(jì)算溫度按式4

27、-24262.495校核管壁溫度=-2.495結(jié)論設(shè)計(jì)符合要求（4）詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)確定所有零部件的尺寸和材料，并對(duì)換熱設(shè)備所有受壓元件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算1， 換熱流程設(shè)計(jì)：采用殼程為單程，管程為單程的結(jié)構(gòu)型式2， 換熱管及其排列方式：采用252的無(wú)縫鋼管，材料為20號(hào)鋼。換熱管排列方式為三角形排列，如圖，共排換熱管131根，另外再設(shè)6拉桿3， 折流板：采用通用的單彎形折流板，材料為Q235-B鋼，板厚6mm，板數(shù)4塊。4， 拉桿：采用Q235-B鋼，12mm，共 根5， 筒體：材料采用16MnR鋼，筒體內(nèi)徑500mm，厚度由GB150鋼制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到6， 封頭：采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，材料

28、采用16MnR鋼7， 管板：采用固定管板，其厚度可以按照GB151管殼式換熱器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)確定了換熱器的結(jié)構(gòu)以后，必須對(duì)換熱器的所有受壓元件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。對(duì)鋼制的換熱器，按照GB150鋼制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)果如表4-6（5），繪制管殼式換熱器工程圖紙，編寫(xiě)材料表等5 管道設(shè)計(jì)5.1 管子選型(1) 材料綜合考慮設(shè)計(jì)溫度、壓力以及腐蝕性（包括氫腐蝕），本裝置主管道選擇20g無(wú)縫鋼管，理由如下：腐蝕性本生產(chǎn)裝置原料甲醇、導(dǎo)熱油對(duì)材料無(wú)特殊腐蝕性；產(chǎn)品氫氣對(duì)產(chǎn)品可能產(chǎn)生氫腐蝕，但研究表明碳鋼在220以下氫腐蝕反應(yīng)速度極慢，而且氫分壓不超過(guò)1.4MPa時(shí)，不管溫度有多高，都不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的氫腐蝕。

29、本裝置中臨氫部分最高工作溫度為300，雖然超過(guò)220，但轉(zhuǎn)化氣中氫氣的分壓遠(yuǎn)低于1.4MPa。所以20g無(wú)縫鋼管符合抗腐蝕要求。溫度20g無(wú)縫鋼管的最高工作溫度可達(dá)475，溫度符合要求。經(jīng)濟(jì)性20g無(wú)縫鋼管屬于碳鋼管，投資成本和運(yùn)行維護(hù)均較低。二氧化碳用于食品，其管道選用不銹鋼。(2) 管子的規(guī)格尺寸的確定及必要的保溫層設(shè)計(jì)導(dǎo)熱油管道的規(guī)格和保溫結(jié)構(gòu)的確定流量110035.3Kg/h0.028m3/s 流速范圍0.52.0m/s 取為2.0m/s 則Di133.5mm 壁厚t0.267mm Sch.x=1000=1000=3查表應(yīng)選用Sch.5系列得管子故選擇RO0101、RO0102、RO0

30、103、RO0104管道規(guī)格為1594.5無(wú)縫鋼管流速校正 u=1.584m/s 保溫層計(jì)算:管道外表面溫度T0=320,環(huán)境年平均溫度Ta=20,年平均風(fēng)速為2m/s,采用巖棉管殼保溫,保溫結(jié)構(gòu)單位造價(jià)為750元/m3,貸款計(jì)息年數(shù)為5年,復(fù)利率為10%,熱價(jià)為10元/106kJ.設(shè)保溫層外表面溫度為30,巖棉在使用溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)為0.0609W/(m.K),表面放熱系數(shù)為 12 W/(m2.K)保溫工程投資償還年分?jǐn)偮蔛=0.264計(jì)算經(jīng)濟(jì)保溫層經(jīng)濟(jì)厚度 =0.316查表得保溫層厚度=107mm. 計(jì)算保溫后的散熱量=131.244W/m計(jì)算保溫后表面溫度 =29.4計(jì)算出來(lái)的表面溫度2

31、9.4略低于最初計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)是假設(shè)的表面溫度30,故=107mm的保溫層可以滿(mǎn)足工程要求.甲醇原料管道的規(guī)格流量1013.479Kg/h0.00036m3/s 一般吸水管中流速u(mài)1 =1m/s,出水管中流速u(mài)2=1.8m/s 則Di21.4mm /15.96mm故選擇PL0101管道規(guī)格為252無(wú)縫鋼管選擇PL0102管道規(guī)格為202無(wú)縫鋼管流速校正 u1=1.04m/s,合適 u2=1.79m/s脫鹽水原料管道的規(guī)格流量855.123Kg/h0.00024m3/s 計(jì)算過(guò)程同上選擇DNW0101管道規(guī)格為222無(wú)縫鋼管選擇DNW0102管道規(guī)格為182無(wú)縫鋼管流速校正 u1=0.943m/s

32、 u2=1.56m/s甲醇水混合后原料管道的規(guī)格流量1868.802Kg/h0.00060m3/s 計(jì)算過(guò)程同上選擇PL0103管道規(guī)格為322無(wú)縫鋼管選擇PL0104 、PL0105管道規(guī)格為252無(wú)縫鋼管流速校正 u1=0.974m/s u2=1.732m/s吸收液碳酸丙烯酯管道的規(guī)格流量42000Kg/h0.0012m3/s 計(jì)算過(guò)程同上選擇PL0106管道規(guī)格為484無(wú)縫鋼管選擇PL0107 、PL0108管道規(guī)格為383無(wú)縫鋼管流速校正 u1=0.962m/s u2=1.39m/s冷卻水管道的規(guī)格流量95465Kg/h0.027m3/s 計(jì)算過(guò)程同上選擇CWS0101管道規(guī)格為159

33、4.5無(wú)縫鋼管選擇CWS0102 、CWR0101管道規(guī)格為1334無(wú)縫鋼管流速校正 u1=1.5m/s u2=2.2m/sPG0101、PG0102、PG0103、PG0104混合氣管道的規(guī)格流量1868.802Kg/h0.043m3/s 計(jì)算過(guò)程同上200:壁厚t0.656mm300:壁厚t0.8mm選擇PG0101、PG0102、PG0103、PG0104管道規(guī)格為894.5無(wú)縫鋼管流速校正 u1=8.55m/s 其它管道規(guī)格尺寸選擇PG0105管道規(guī)格為734 PG0106管道規(guī)格為894.5 PG0107管道規(guī)格為894.5 PL0109管道規(guī)格為324類(lèi)似以上管道規(guī)格的計(jì)算過(guò)程,將

34、本工藝所有主要管道工藝參數(shù)結(jié)果匯總于下表：序號(hào)所在管道編號(hào)管內(nèi)介質(zhì)設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)溫度流量狀態(tài)流速公稱(chēng)直徑材料1PG0106-80M1B氫氣1.650187.5氣相8.28020g2PG0101-80M1B甲醇54.5% 水45.5%2001869氣相8.68020g3PG0102-80M1B-H3001869氣相8.68020g4PG0103-80M1BH2 10% CO2 73% H2O 17%3001869氣相8.68020g5PG0104-80M1B-H2001869氣相8.68020g6PG0105-65M1BH212% CO288%501553氣相5.46520g7RO0101-150

35、L1B-H導(dǎo)熱油0.3320110035液相1.615020g8RO0102-150L1B-H導(dǎo)熱油0.3320110035液相1.615020g9RO0103-150L1B-H導(dǎo)熱油0.3320110035液相1.615020g10RO0104-150L1B-H導(dǎo)熱油0.3320110035液相1.615020g11PL0101-20L1B甲醇 常壓501013.5液相1.02020g12PL0102-15L1B甲醇 常壓501013.5液相1.81520g13PL0103-32L1B原料液常壓501869液相1.03220g14PL0104-20M1B原料液1.6501869液相1.720

36、20g15PL0105-20M1B原料液1.62001869液相1.72020g16PL0106-40L1B吸收液0.4504200液相1.04020g17PL0107-32L1B吸收液0.4504200液相1.43220g18PL0108-32L1B吸收液0.45042000液相1.43220g19DNW0101-20L1B脫鹽水0.350855液相0.92020g20DNW0102-15L1B脫鹽水0.350855液相1.61520g21CWS0101-150L1B冷卻水0.35095465液相1.5150鍍鋅管22CWS0102-125L1B冷卻水0.35095465液相2.2125鍍鋅

37、管23CWR0101-125L1B冷卻水0.38095465液相2.2125鍍鋅管24PG0107-80L1B食品二氧化碳0.4501366氣相11800Cr18Ni925PL0109-20M1B工藝?yán)淠?.650280液相0.32020g5.2 泵的選型整個(gè)系統(tǒng)有五處需要用泵:1.原料水輸送計(jì)量泵P0101 2.原料甲醇輸送計(jì)量泵P0102 3.混合原料計(jì)量泵P0103 4. 吸收液用泵P0104 5. 冷卻水用泵P0105（1） 甲醇計(jì)量泵P0102選型已知條件：甲醇正常投料量為1013.479kg/h。溫度為25。密度為0.807kg/L；操作情況為泵從甲醇儲(chǔ)槽中吸入甲醇，送入原料液儲(chǔ)

38、罐，與水混合工藝所需正常的體積流量為：1013.479/0.8071255.86L/h泵的流量Q1.051255.861318.65L/h工藝估算所需揚(yáng)程80m,泵的揚(yáng)程H1.18088m折合程計(jì)量泵的壓力：P=gh=8079.8188/106=0.697MPa泵的選型：查表得，JD1600/0.8型計(jì)量泵的流量為1600L/h，壓力0.8MPa，轉(zhuǎn)速115r/min，電機(jī)功率2.2KW，滿(mǎn)足要求（2） 純水計(jì)量泵P0101選型已知條件：水的正常投料量為855.123kg/h。溫度為25。密度為0.997kg/L；操作情況為泵從純水儲(chǔ)槽中吸入水，送入原料液儲(chǔ)罐，與甲醇混合工藝所需正常的體積流量

39、為：855.123/0.997857.70L/h泵的流量Q1.05857.70900.58L/h工藝估算所需揚(yáng)程80m,泵的揚(yáng)程H1.18088m折合程計(jì)量泵的壓力：P=gh=9979.8188/106=0.861MPa泵的選型：查表得，JD1000/1.3型計(jì)量泵的流量為1000L/h，壓力1.3MPa，轉(zhuǎn)速115r/min，電機(jī)功率2.2KW，滿(mǎn)足要求（3） 混合原料計(jì)量泵P0103選型已知條件：原料的正常投料量為1868.802kg/h。溫度為25。密度為0.860kg/L；操作情況為泵從原料液儲(chǔ)槽V0101中吸入原料，送入預(yù)熱器E0101 工藝所需正常的體積流量為：1868.802/0

40、.8602173.03L/h泵的流量Q1.052173.032281.68L/h工藝估算所需揚(yáng)程80m,泵的揚(yáng)程H1.18088m折合程計(jì)量泵的壓力：P=gh=8609.8188/106=0.742MPa泵的選型：查表得，JD2500/0.8型計(jì)量泵的流量為2500L/h，壓力0.8MPa，轉(zhuǎn)速115r/min，電機(jī)功率2.2KW，滿(mǎn)足要求（4）. 吸收液用泵P0104已知條件:吸收液的輸送溫度25,密度760Kg/m3.泵的正常流量為4200kg/h操作情況,泵從吸收液儲(chǔ)槽中吸入吸收液,送入T0102中，再回解析塔解析出CO2，循環(huán)使用.確定泵的流量及揚(yáng)程工藝所需的正常體積流量為4200/1

41、000=4.20 m3/h泵的流量取正常流量的1.05倍:Q=1.054.20=4.41 m3/h所需工藝泵的揚(yáng)程估算:因水槽和冷卻器液面均為大氣壓,故估算揚(yáng)程只需考慮最嚴(yán)格條件下的進(jìn)出管道阻力損失和位高差，約為35m.泵的揚(yáng)程取1.1倍的安全裕度：H=1.135=38.5水泵選型，選用離心式水泵查表得，40W40型水泵最佳工況點(diǎn)：揚(yáng)程40m,流量5.4 m3/h,轉(zhuǎn)速2900r/min，電機(jī)功率為4.0KW。選用該型號(hào)泵較合適。（5）.冷卻水用泵P0105已知條件:水的輸送溫度25,密度997Kg/m3.泵的正常流量為95465kg/h操作情況,泵從水槽中吸入水,送入冷凝器E0103中換熱，

42、再冷卻送回水槽，循環(huán)使用.確定泵的流量及揚(yáng)程工藝所需的正常體積流量為95465/997=95.75 m3/h泵的流量取正常流量的1.05倍:Q=1.0595.75=100.54 m3/h所需工藝泵的揚(yáng)程估算:因水槽和冷卻器液面均為大氣壓,故估算揚(yáng)程只需考慮最嚴(yán)格條件下的進(jìn)出管道阻力損失和位高差，約為35m.泵的揚(yáng)程取1.1倍的安全裕度：H=1.135=38.5水泵選型，選用離心式水泵查表得，IS100-65-200型水泵最佳工況點(diǎn)：揚(yáng)程47m,流量120 m3/h,轉(zhuǎn)速2900r/min，軸功率19.9KW，電機(jī)功率為22KW，效率77。允許氣蝕余量4.8m,選用該型號(hào)泵較合適。5.3閥門(mén)選型

43、從工藝流程圖可以知道需用閥門(mén)的設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度和接觸的介質(zhì)特性，據(jù)此數(shù)據(jù)選擇閥門(mén)的壓力等級(jí)和型式，匯總于下表：序號(hào)所在管道編號(hào)管內(nèi)介質(zhì)設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)溫度公稱(chēng)直徑閥門(mén)選型連接形式閥門(mén)型號(hào)1PG0106-80M1B氫氣1.65080法蘭閘閥：Z41H-1.6C等，截止閥：J41H-1.6C2RO0101-150L1B-H導(dǎo)熱油0.3320150法蘭閘閥：Z41H-1.6C、Z41Y-1.6C等，截止閥：J41H-1.6C等3RO0104-150L1B-H導(dǎo)熱油0.3320150法蘭4PL0101-20L1B甲醇常壓5020法蘭閘閥：Z41H-1.6C、Z41Y-1.6C、Z15W-1.0K（螺紋）

44、等，截止閥：J41H-1.6C等 止回閥：H41H-1.65PL0102-15L1B甲醇常壓5015法蘭6PL0103-32L1B原料液常壓5032法蘭、螺紋7DNW0101-20L1B脫鹽水0.35020法蘭、螺紋Z15W-1.0T8PG0107-80L1B食品二氧化碳0.45080螺紋閘閥：Z41H-1.6C等，截止閥：J41H-1.6C等9PL0107-32L1B吸收液0.45032法蘭、螺紋閘閥： Z15W-1.0T 止回閥：H41H-1.610PL0109-20M1B工藝?yán)淠?.65020法蘭Z15W-1.0T5.3管道法蘭選型根據(jù)各管道的工作壓力、工作溫度、介質(zhì)特性和與之連接的設(shè)

45、備、機(jī)器的接管和閥門(mén)等管件、附件的連接型式和尺寸等依據(jù)選擇法蘭，將本工藝管道的有關(guān)參數(shù)匯總于下表：序號(hào)所在管道編號(hào)管內(nèi)介質(zhì)設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)溫度公稱(chēng)直徑閥門(mén)公稱(chēng)壓力等級(jí)法蘭選型法蘭類(lèi)型密封面型式公稱(chēng)壓力等級(jí)1PG0106-80M1B氫氣1.650802.5帶頸平焊法蘭凹凸面2.52PG0101-80M1B混合氣體2003PG0102-80M1B-H3004.04.04PG0103-80M1B3005PG0104-80M1B-H2002.52.56PG0105-65M1B50657RO0101-150L1B-H導(dǎo)熱油0.33201508RO0102-150L1B-H導(dǎo)熱油0.33209RO0103-1

46、50L1B-H導(dǎo)熱油0.332010RO0104-150L1B-H導(dǎo)熱油0.332011PL0101-20L1B甲醇 常壓502012PL0102-15L1B甲醇 常壓501513PL0103-32L1B原料液常壓503214PL0104-20M1B原料液1.6502015PL0105-20M1B原料液1.62002016PL0106-40L1B吸收液0.450401.01.017PL0107-32L1B吸收液0.4503218PL0108-32L1B吸收液0.4503219DNW0101-20L1B脫鹽水0.350201.0突面1.020DNW0102-15L1B脫鹽水0.3501521CW

47、S0101-150L1B冷卻水0.35015022CWS0102-125L1B冷卻水0.35012523CWR0101-125L1B冷卻水0.38012524PG0107-80L1B食品二氧化碳0.450801.0凹凸面1.025PL0109-20M1B工藝?yán)淠?.650201.6突面1.66反應(yīng)器控制方案設(shè)計(jì)1. 被控參數(shù)選擇化學(xué)反應(yīng)的控制指標(biāo)主要是轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)量、收率、主要產(chǎn)品的含量和產(chǎn)物分布等，溫度與上述這些指標(biāo)關(guān)系密切，又容易測(cè)量，所以選擇溫度作為反應(yīng)器控制中的被控變量以進(jìn)口溫度為被控變量的單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2. 控制參數(shù)選擇影響反應(yīng)器溫度的因素主要有：甲醇水混合氣的流量、導(dǎo)熱油的流量。混合氣直接進(jìn)入干燥器，滯后最小，對(duì)于反應(yīng)溫度的校正作用最靈敏，但混合氣的流量是生產(chǎn)負(fù)荷，是保證產(chǎn)品氫氣量的直接參數(shù)，作為控制參數(shù)工藝上不