南京工業(yè)大學(xué)甲醇制氫工藝設(shè)計(jì)

1、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， 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、高效率裝置的開發(fā)和投產(chǎn)。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： 電解水法； 氯堿 工業(yè)中電解食鹽水副產(chǎn)氫氣； 烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化法； 烴類部分氧化法； 煤氣化和煤水蒸 氣轉(zhuǎn)化法； 氨

2、或甲醇催化裂解法； 石油煉制與石油化工過程中的各種副產(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)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)：（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)于中小規(guī)模的用

3、氫場(chǎng)合， 在沒有工業(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。目錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)書 32 甲醇制氫工藝設(shè)計(jì) 42.1 甲醇制氫工藝流程 42.2 物料衡算42.3 熱量衡算63 反應(yīng)器設(shè)計(jì) . 93.1 工藝計(jì)算93.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 134 管道設(shè)計(jì) 5 自控設(shè)計(jì) 6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、環(huán)境評(píng)價(jià) 7 結(jié)束語(yǔ) 8 致謝 9 參考文獻(xiàn) 附錄： 1.反應(yīng)器裝配圖，零件圖2. 管道平面布置圖3. 設(shè)備平面布置圖4. 管道儀表流程

4、圖5. 管道空視圖6. 單參數(shù)控制方案圖1、設(shè)計(jì)任務(wù)書2、甲醇制氫工藝設(shè)計(jì)2.1 甲醇制氫工藝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)過換 熱器 (E0102)過熱到反應(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

5、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 12 甲醇制氫的物料流程圖及各節(jié)點(diǎn)物料量2.2 物料衡算1、依據(jù)甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)方程式1-1)CH 3 OH CO +2H 2CH 3OH 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)?CH 3 OH 0.99CO +1.98H2 +0.01 CH3OHCO+0.99H 2 O 0.99CO 2 + 1.99H2 +0.01CO合并式 (1-5),式(1-6)得到 :CH 3

6、 OH+0.981 H 2 O 0.981 CO 2 +0.961 H2 +0.01 CH3 OH+0.0 099 CO氫氣產(chǎn)量為 :2400m 3 /h=107.143 kmol/h甲醇投料量為 : 107.143/2.960132=1158.264 kg/h水投料量為 :1158.264/32 1.5 18=977.285 kg/h3、原料液儲(chǔ)槽 ( V0101 )進(jìn) : 甲醇 1158.264 kg/h , 水 977.285 kg/h出 : 甲醇 1158.264 kg/h , 水 977.285 kg/h4、換熱器 ( E0101), 汽化塔 ( T0101), 過熱器 ( E010

7、3) 沒有物流變化 .5、轉(zhuǎn)化器 (R0101)進(jìn) : 甲醇 1158.264 kg/h , 水 977.285 kg/h , 總計(jì) 2135.549 kg/h出 : 生成 CO 21158.264/320.980144 =1560.920 kg/hH 21158.264/32 2.96012 =214.286 kg/hCO1158.264/32 0.0099 28 =10.033 kg/h剩余甲醇1158.264/320.0132 =11.583 kg/h剩余水 977.285-1158.264/320.980118=338.727 kg/h 總計(jì) 2135.549 kg/h6、吸收塔和解析

8、塔吸收塔的總壓為 1 5MPa,其中 CO2 的分壓為 0.38 MPa ,操作溫度為常溫 33每 m3 吸收液可溶解 CO 2 11.77 m 3 .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 化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度數(shù)據(jù)見表1一 l 及表 12。解吸塔操作壓力為 0.1MPa, CO2 溶解度為 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co2 =pM/RT=0.4 44/0.0082 (273.15+25)=7.20kg/ m 31:1.5 (mol ).(25). 此時(shí) ,氯CO 2 體積量V CO2 =1560.920/7.20=216

9、.794 m 3 /h可知系統(tǒng)壓力降至 0.1MPa 時(shí),析出 CO 2量為 216.794m 3 /h=1560.920 kg/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、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)·

10、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)系有初設(shè) T=170 0.4p 甲醇 +0.6p水 =1.5MPap甲醇 =2.19MPa ; p 水 =0.824 MPap總=1.3704<1.5 MPa再設(shè) T=175p甲醇 =2.4MPa ; p水 =0.93 MPap 總 =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

11、 49.66kJ/mol , 于是,在轉(zhuǎn)化器內(nèi)需要供給熱量為 :Q 反應(yīng) =1158.264 0.99/32 1000 (-49.66)=-1.78 106 kJ/h此熱量由導(dǎo)熱油系統(tǒng)帶來 , 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 p320? =4.18680.68=2.85kJ/(kg ·K), cp300? =2.81kJ/(kg·K)取平均值 cp =2.83 kJ/(kg ·K)則導(dǎo)熱油用量w=Q 反應(yīng) /(c p t)=8.9010 5 /

12、(2.83 5)=62898 kg/h3、過熱器 (E0102)甲醇和水的飽和蒸氣在過熱器中 175過熱到 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) , 見表 1-4.氣體升溫所需熱量為 :Q= c p m t=(1.90 579.126+4.82 488.638) (280-175)=3.63 105 kJ/h導(dǎo)熱油 c p =2.826 kJ/(kg ·K), 于是其溫降為 :t=Q/(c P m)= 3.63 10 5 /(2.826 62898)=2.04 導(dǎo)熱油出口溫度為 : 315-2.0=313.0 4、汽化塔( TO1

13、01 ) 認(rèn)為汽化塔僅有潛熱變化。175 甲醇 H = 727.2kJ/kg水 H = 203IkJ/kgQ=579.126 727.2+2031 488.638=1.41 10 6 kJ/h以 300導(dǎo)熱油 c p 計(jì)算 c p =2.76 kJ/(kg · K)t=Q/(c P m)=1.41 10 6 /(2.76 62898)=8.12 則導(dǎo)熱油出口溫度 t 2 =313.0-8.1=304.9 導(dǎo)熱油系統(tǒng)溫差為 T=320-304.9=15.1 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

14、，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Q= c p m t=(579.126 3.14+488.638 4.30) (175-25)=5.88 10 5 kJ/h管程： 沒有相變化， 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：cpco210.47 kJ/(kg·K)cpH214.65 kJ/(kg·K)cpco4.19 kJ/(kg·K)則管程中反應(yīng)后氣體混合物的溫度變化為：t=Q/(c P m)=5.88 10 5 /(10.47 780.452+14.65 107.

15、142+4.19 169.362)=56.3 換熱器出口溫度為 280-56.3=223.7 6、冷凝器( EO103)在 E0103 中包含兩方面的變化： CO 2 , CO, H 2 的冷卻以及 CH 3 OH , H 2 O 的冷卻和冷凝 . CO 2 , CO, H 2 的冷卻Q= c p m t=(10.47 780.452+14.65 107.142+4.19 5.017)6 (223.7-40)=1.7910 6kJ/h CH 3 OH 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Q2 =H m=2135 169.3

16、62=3.62 10 5 kJ/h水顯熱變化 Q3= c p m t=4.19 169.362 (223.7-40)=1.3010 5 kJ/hQ=Q1+Q2+ Q 3 =2.28 10 6 kJ/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 w=Q/( c p t)= 2.2810 6 /(4.19 10)=54415kg/18.098對(duì)于甲醇和水，由于溫度不太高（ 氣體考慮。有理想氣體狀態(tài)方程 甲醇的體積流量 V A 為：18.098 * 8314.3 * (273.15 280) VA=1.5*10655.489m3/h3、反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 工藝計(jì)算已知甲醇制氫轉(zhuǎn)化工藝

17、的基本反應(yīng)為： CH3OH+H2O=CO2+3H2 。該反應(yīng)在管式反應(yīng)器進(jìn)行， 進(jìn)出反應(yīng)器的各物料的工藝參數(shù)如表 3-1 所示。物流名稱管程殼程 /(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579.1265.7912801.5水488.638169.362二氧化碳780.452一氧化碳5.017氫氣107.142導(dǎo)熱油628983200.5表 3-1 反應(yīng)器的物流表（1）計(jì)算反應(yīng)物的流量對(duì)于甲醇，其摩爾質(zhì)量為 _32 kg· k/mol ，則其摩爾流量為： 579.126/32=18.098kmol

18、/h對(duì)于水，其摩爾質(zhì)量為 18 kg·k/mol ，其摩爾流量為： 488.638/18=27.147 kmol/h對(duì)于氫氣，其摩爾質(zhì)量為 2 kg· k/mol, 其摩爾流量為： 107.142/2=53.571 kmol/h對(duì)于一氧化碳，其摩爾質(zhì)量為 28 kg·k/mol, 其摩爾流量為： 5.017/28=0.179 kmol/h進(jìn)料氣中甲醇的摩爾分率 yA 為：yA=0.418.098 27.147280 oC），壓力不太大（ 1.5MPa），故可將其近似視為理想 pV=nRT ，可分別計(jì)算出進(jìn)料氣中甲醇和水的體積流量：水的體積流量 V B 為：27.1

19、47 * 8314.3* ( 273.15 280) V B=61.5*10683.233m3/h進(jìn)料氣的總質(zhì)量為：mo= 55.489+83.233=1067.764 kg/h（2）計(jì)算反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率 進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)甲醇的流量為 轉(zhuǎn)化率 xAf 為：579.126 kg/h ，出反應(yīng)器時(shí)甲醇的流量為 5.791kg/h，則甲醇的xAf=579.126 5.791579.126*100%99%即反應(yīng)過程中消耗甲醇的物質(zhì)的量為：18.098× 99%=17.917 kmol/h（3）計(jì)算反應(yīng)體系的膨脹因子由體系的化學(xué)反應(yīng)方程式可知， 反應(yīng)過程中氣體的總物質(zhì)的量發(fā)生了變化，可求出膨脹因子A

20、。對(duì)于甲醇有：3111A=4）計(jì)算空間時(shí)間根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，該反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為：rA=kpAk=5.5× 10-4e68600RTCA=CAO11 x A AyAxA上式兩邊同乘以 RT，則得：1 xApA=C AO RT1 A yA xA反應(yīng)過程的空間時(shí)間為： =CAO xAf0dxArA= CAO xAf0dx A /k CAORT11 x A AyA xA1kRTxAf0AyA xA dxA1 xA，A=2，yA=0.4，68600將 k=5.5 ×10-4e RT m3/(kmol ·h)，R=8314.3 kj ( kmol·K )

21、 ，T=553.15K 代入上式，可得空間時(shí)間：=0.0038h（ 5）計(jì)算所需反應(yīng)器的容積 VR=VO 進(jìn)料氣的總體積流量為：33 V O=55.489+83.233=138.722 m /h=0.0385 m /s 則可得所需反應(yīng)器的容積為：VR=VO =0.0038×138.722=0.527 m3（ 6）計(jì)算管長(zhǎng)由文獻(xiàn)可知， 氣體在反應(yīng)器內(nèi)的空塔流速為 0.1m/s，考慮催化劑填層的空隙率對(duì)氣體空塔速度的影響，取流動(dòng)速度為 =0.2m/s ，則反應(yīng)管的長(zhǎng)度為： l=u=0.0038×3600×0.2=2.736m 根據(jù) GB151 推薦的換熱管長(zhǎng)度，取管長(zhǎng)

22、 l=3m 。反應(yīng)器內(nèi)的實(shí)際氣速為：l3u= =0.22m/ s 0.0038* 3600（7）計(jì)算反應(yīng)熱 甲醇制氫的反應(yīng)實(shí)際為兩個(gè)反應(yīng)的疊合，即CH 3OH=CO+2H 2-90.8kj/molCO+H 2O=CO 2+H2+43.5kj/mol 反應(yīng)過程中的一氧化碳全部由甲醇分解而得，由化學(xué)反應(yīng)式可知，每轉(zhuǎn)化 1kmol 的甲 醇就可生成 1kmol 的一氧化碳，則反應(yīng)過程中產(chǎn)生的一氧化碳的物質(zhì)的量為17.917kmol/h 。反應(yīng)器出口處的一氧化碳的物質(zhì)的量為 0.179kmol/h ，轉(zhuǎn)化的一氧化碳的物質(zhì)的量為：17.917-0.179=17.738 kmol/h 一氧化碳的轉(zhuǎn)化率為：

23、17.738xCO=*100% 99%17.917則反應(yīng)過程中所需向反應(yīng)器內(nèi)供給的熱量為：Q=90.8 × 10 3 ×17.917-43.5×103×17.738=855.261×103kJ/h（8）確定所需的換熱面積假定選用的管子內(nèi)徑為 d，壁厚為 t，則其外徑為 d+2t ，管子數(shù)量為 n 根。反應(yīng)過程中所需的熱量由導(dǎo)熱油供給， 反應(yīng)器同時(shí)作為換熱器使用， 根據(jù) GB151，320oC 時(shí)鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為 =44.9W（/ m·OC），管外油側(cè)的對(duì)流給熱系數(shù)為 o=300W（/ m2·OC）， 管內(nèi)側(cè)的對(duì)流給熱系數(shù)為 i

24、=80 W/ （m 2· OC），根據(jù)表 5-2 所列的壁面污垢系數(shù)查得， 反應(yīng)管內(nèi)、外側(cè)的污垢系數(shù)分別為0.0002 m2·OC/W 和 0.0008 m2·OC/W總污垢系數(shù)為 Rf=0.0002+0.0008=0.001 m2·OC/W 根據(jù)傳熱學(xué)，反應(yīng)器的傳熱系數(shù)為：1 d 2t 1 tK=1/ （+ + +Rf）i d o 由于 d 2t 的值接近于 1，對(duì) K 帶來的誤差小于 1% ；鋼管的傳熱很快， 對(duì) K 的影響也d很小，故可將上式簡(jiǎn)化為：11K=1/(+Rf )=i o13001259.4 W/( m2·OC)=213.84k

25、J/(h·m2 ·OC) 10.00180由于反應(yīng)器所需的換熱面積為：99.988 m 2Q855.261* 103F= =Kt 213.84 * (320 280)（9）計(jì)算管子的內(nèi)徑 反應(yīng)器需要的換熱面積為： F=ndl 反應(yīng)器內(nèi)氣體的體積流量為：2dVO=n u4聯(lián)立上述兩式， 并將 l= 6m，u= 0.22(m/s) ，F(xiàn)= 99.988(m 2) VO= 0.0385(m 3 /s) 代入，即可得所需管子的內(nèi)徑為： d=0.0210m 。根據(jù)計(jì)算所得的管子內(nèi)徑， 按前述換熱設(shè)備設(shè)計(jì)選擇合適的管子型號(hào)和所需的管數(shù)及布管方式。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

26、來源結(jié)果備注換熱管材料選用碳鋼無(wú)縫鋼管25×2換熱管內(nèi)徑、外di ;dm0.021;0.025管徑程換熱管管長(zhǎng)Lm選用 3m標(biāo)準(zhǔn)管長(zhǎng)3.0結(jié) 構(gòu)換熱管根數(shù)nAo 99.988325（ 圓整 ）設(shè)dL 0.025 3計(jì)管程數(shù)Ni根據(jù)管內(nèi)流體流速范圍選定1管程進(jìn)出口接管djt *Sjtm按接管內(nèi)流體流速合理選取 60×1.6尺寸(外徑*壁厚 )殼程數(shù)Ns1換熱管排列形式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)0.032分程隔板槽兩側(cè)Sn按標(biāo)準(zhǔn)中心距管管束中心排管數(shù)ncnc 1.1 n 1.1 331（外加六根21程拉桿)結(jié)殼體內(nèi)徑DimDi=S（Nc-1

27、）+（12）d07構(gòu)換熱器長(zhǎng)徑比L/ D iL/ D i4.28合理設(shè)實(shí)排熱管根數(shù)n作圖351計(jì)折流板形式選定單弓形折流板折流板外直徑Dbm按 GB151-19990.675折流板缺口弦離hm取 h=0.20Di0.14折流板間距Bm取 B=（0.2 1）Di0.33折流板數(shù)NbNb=L/B-18殼程進(jìn)出口接管djs *Sjs合理選取114×2選取尺寸3.2 外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照 GB150-1998 鋼制壓力容器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。1、筒體（1） 筒體內(nèi)徑 :700mm設(shè)計(jì)壓力： Pc=1.1 pw =0.55MPa 設(shè)計(jì)溫度取 350 C 筒體材料： 16MnR 焊接接頭系數(shù) =0.8

28、 鋼板厚度負(fù)偏差 C1 =0,腐蝕裕量 C2=1.0mm,厚度附加量 C= C1+ C 2=1.0mm. 筒體的計(jì)算厚度計(jì)算PcDi0.55* 7001.8mmn = 4mm.取 n 6mmt2 Pc 2*134*1 0.55考慮厚度附加量并圓整至鋼板厚度系列，得材料名義厚度 強(qiáng)度校核有效厚度 e = n - C1- C2=5mmPc(Die)2e0.55* (7002* 55)38.775 MPa <=134 MPa符合強(qiáng)度要求。（2）根據(jù)筒徑選用非金屬軟墊片：墊片厚度： 3 墊片外徑 :765 墊片內(nèi)徑： 715DN法蘭外徑中心孔直徑法蘭厚度螺栓孔直徑螺紋規(guī)格螺栓數(shù)量70086081

29、54627M2424根據(jù)筒體名義厚度選用乙型平焊法蘭（ JB4702）法蘭材料： 16MnR表 3-2 筒體法蘭數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)壓力：P=1.6MPa 設(shè)計(jì)溫度取 300 C封頭材料：16MnR 焊接接頭系數(shù) =1.02、 封頭（ 1）封頭內(nèi)徑： 700mm鋼板厚度負(fù)偏差 C1 =0,腐蝕裕量 C2=1.0mm,厚度附加量 C= C1+ C 2=1.0mm. 封頭的計(jì)算厚度計(jì)算選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭， K=1.0KPcDi1.0 1.6 800t=2 0.5Pc 2 134 1-0.5 1.64.790mm考慮厚度附加量并圓整至鋼板厚度系列， n = 6mm.強(qiáng)度校核有效厚度 e = n - C1- C2

30、=7mm取封頭名義厚度與筒體厚度相同， 得材料名義厚度Pc(KDi 0.5 e)2e1.6 (1.0 800 0.5 7)91.829 MPa< =144MPa符合強(qiáng)度要求。根據(jù)筒徑選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭直邊高： 25 曲邊高： 200 壁厚： 6 7、換熱管( GB151-1999 )管子材料： 16MnR根據(jù)上節(jié)中計(jì)算的管子內(nèi)徑選用尺寸：25×2管長(zhǎng)： 3000根數(shù)： 345實(shí)排根數(shù)： 351(外加 6 根拉桿)排列形式：正三角形中心距： 32管束中心排管數(shù)：21長(zhǎng)徑比： 4.288、管程數(shù)據(jù)管程數(shù)： 1管程氣體流速：8m/s進(jìn)出口接管尺寸： 60× 1.6接管材料：

31、 16Mn法蘭類型：板式平焊法蘭( HG20593-97 ) 法蘭材料： 20RDN法蘭外徑中心孔直徑法蘭厚度法蘭內(nèi)徑螺栓孔直徑螺栓孔數(shù)螺紋規(guī)格501401101659144M12表 3-3 管程法蘭數(shù)據(jù)9、殼程數(shù)據(jù)殼程數(shù)： 1 殼程液體流速： 1.5m/s材料： 16MnR 形式：?jiǎn)喂瓮庵睆剑?795.5管孔直徑： 25.4缺口弦高： 140 間距： 330 板數(shù)： 8厚度： 6進(jìn)出口接管尺寸： 114× 2接管材料： 16Mn法蘭類型：板式平焊法蘭( HG20593-97 ) 法蘭材料： 16MnRDN法蘭外徑中心孔直徑法蘭厚度法蘭內(nèi)徑螺栓孔直徑螺栓孔數(shù)螺紋規(guī)格10021017

32、018116184M16表 3-4 殼程法蘭數(shù)據(jù)12、折流板( GB151-1999 )13、拉桿( GB151-1999 )直徑： 16 螺紋規(guī)格： M16 根數(shù)； 614、耳座( JB/T4725-92 )(7)耳式支座選用及驗(yàn)算 由于該吸收塔相對(duì)結(jié)構(gòu)較小，故選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的耳式支座。根據(jù) JB/T4732 92 選用支座：JB/T4732 92，耳座 A3，其允許載荷 Q=30Kn, 適用公徑DN 7001400，支座處許用彎矩 M j =8.35kN*m 。支座材料 Q235 A*F。1) 支座承受的實(shí)際載荷計(jì)算 水平地震載荷為： p e emo ge為地震系數(shù)，地震設(shè)計(jì)烈度為 7 時(shí)，

33、 e 0.24mo 為設(shè)備總質(zhì)量經(jīng)計(jì)算該反應(yīng)器的 mo 1119kg水平地震載荷為： pe emog 0.24 ×1119×9.82631.99N水平風(fēng)載荷為： pw 1.2 fiq0D0H0 1.2×1.0 ×550×3400×15003366N偏心載荷 Ge 0 N偏心距 Se0 mm其中 f i 為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按設(shè)備質(zhì)心所在高度。q 0為基本風(fēng)壓，假設(shè)該填料塔安裝在南京地區(qū)，南京地區(qū)的 q 0 550N/m2 。 f i 風(fēng)壓高度系數(shù)見參考資料。水平力取 p e與 p w 兩者的大值，即 PPe+0.25pw=2631.9

34、9+0.25*3366=3473.5N 支座安裝尺寸為 D：D= (Di 2 n 2 3)2 (b2 2 2 ) 2(l2 s1) 867mm式中， 2 為耳式支座側(cè)板厚度；3 為耳式支座襯板厚度。支座承受的實(shí)際載荷為 Q：Q m0g Ge 4(Ph GeSe) ×10 3 11.3KN< Q 30 KNkn nd式中， Ge 為偏心載荷； Se 為偏心距。滿足支座本體允許載荷的要求。2) 支座處圓筒所受的支座彎矩 ML 計(jì)算q*(l2 s1)10311.3* (12510350) 0.85kN M I因此，開始選用的 2A3 支座滿足要求。形式： A3 型高度： 200筋板：

35、 L2:100 b2:100 2： 5地角螺栓規(guī)格： M24底板： L1:125 b1:80 1：8 s1:40 墊板： L3：20 b3:160 3：6 e:24 螺栓孔直徑： 27換熱管管孔直徑： 25外徑： 860拉桿管孔直徑： 1815、管板 材料： 16MnR 厚度： 503.3 SW6 校核內(nèi)筒體內(nèi)壓計(jì)算計(jì)算單位南京工業(yè)大學(xué)過程裝備與控 制工程系計(jì)算條件筒體簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力 Pc0.55MPa設(shè)計(jì)溫度 t350.00C內(nèi)徑 Di700.00mm材料16MnR( 正火 ) ( 板材 )試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力170.00MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力 t134.00MPa試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn) s345.00

36、MPa鋼板負(fù)偏差 C10.00mm腐蝕裕量 C21.00mm焊接接頭系數(shù)0.80厚度及重量計(jì)算計(jì)算厚度PcDi= 2 Pc = 1.80mm有效厚度e = n - C1- C 2= 5.00mm名義厚度n = 6.00mm重量355.17Kg壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核壓力試驗(yàn)類型液壓試驗(yàn)試驗(yàn)壓力值PT = 1.25 P t = 0.8700 ( 或由用戶輸入 )MPa壓力試驗(yàn)允許通過 的應(yīng)力水平 TT 0.90 s = 310.50MPa試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力pT.(Die)T = 2 e.= 76.67MPa校核條件TT校核結(jié)果合格壓力及應(yīng)力計(jì)算最大允許工作壓力2 e t Pw = (Di e) =

37、1.52057MPa設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算應(yīng)力Pc (Di e)t = 2 e = 38.78MPat107.20MPa校核條件tt結(jié)論合格內(nèi)壓橢圓封頭校核計(jì)算單位南京工業(yè)大學(xué)過程裝備與控制 工程系計(jì)算條件橢圓封頭簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力 Pc0.55MPa設(shè)計(jì)溫度 t350.00C內(nèi)徑 Di700.00mm曲面高度 hi175.00mm材料16MnR（ 熱軋） （板材 ）試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力170.00MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力 t134.00MPa鋼板負(fù)偏差 C10.00mm腐蝕裕量 C21.00mm焊接接頭系數(shù)0.80厚度及重量計(jì)算形狀系數(shù)21 2 Di K = 62hi= 1.0000計(jì)算厚度KPcDi= 2 t

38、 0.5Pc = 1.80mm有效厚度e = n - C1- C2= 5.00mm最小厚度min = 1.05mm名義厚度n = 6.00mm結(jié)論滿足最小厚度要求重量27.30Kg壓力計(jì)算最大允許工作壓力2 t ePw= KDi 0.5 e = 1.52598MPa結(jié)論合格延長(zhǎng)部分兼作法蘭固定式管板設(shè)計(jì)單位南京工業(yè)大學(xué)過程裝備與控制工程系設(shè)計(jì)計(jì)算條件設(shè)計(jì)壓力ps0.55MPa設(shè)計(jì)溫度Ts350C平均金屬溫度 t s314C裝配溫度to15C材料名稱16MnR（ 正火 ）設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力 t134Mpa平均金屬溫度下彈性模量Es1.84e+05Mpa平均金屬溫度下熱膨脹系數(shù)s1.3e-05mm

39、/mm C700mm殼程圓筒內(nèi)徑 D i殼程 圓 筒 名義厚度 s殼程 圓 筒 有效厚度 se殼體法蘭設(shè)計(jì)溫度下彈性模量E f'殼程圓筒內(nèi)直徑橫截面積 A= 0.25 D i2殼程圓筒金屬橫截面積 As= s( Di+ s )設(shè)計(jì)壓力 pt設(shè)計(jì)溫度 Tt材料名稱設(shè)計(jì)溫度下彈性模量 Eh管箱圓筒名 義厚度 (管箱為高頸法蘭取法蘭頸部大小端平均管箱圓筒有 效厚度 he管箱法蘭設(shè)計(jì)溫度下彈性模量E t”材料名稱管子平均溫度 tt設(shè)計(jì)溫度下管子材料許用應(yīng)力 tt 設(shè)計(jì)溫度下管子材料屈服應(yīng)力st設(shè)計(jì)溫度下管子材料彈性模量E tt平均金屬溫度下管子材料彈性模量Etmm4.25mm1.79e+053

40、.848e+0594031.6300MPa2mm22 mm2MPa1.846e+05MPa16mmmm1.86e+0520G（正火）230921471.73e+051.842e+05MPaMPaMPaMPaMPa平均金屬溫度下管子材料熱膨脹系數(shù)1.244e-05mm/mm C管子外徑 d25mm管子壁厚 tmm注：管子根數(shù) n351換熱管中心距 S32mm換一根管子金屬橫截面積 a t （d t ）144.52 mm換熱管長(zhǎng)度 L3000mm管子有效長(zhǎng)度 （兩管板內(nèi)側(cè)間距 ） L12900mm管束模數(shù) Kt = Et na/LD i3790MPa管子回轉(zhuǎn)半徑 i 0.25 d (d 2 t )

41、8.162mm熱管子受壓失穩(wěn)當(dāng)量長(zhǎng)度 lcr10mm系數(shù)Cr =2Et / s152.4比值 lcr /i1.225Cr lcr cr2管子穩(wěn)定許用壓應(yīng)力 ( r i )2(l cr i)MPa管t l i Cr lcr crs 1 lcr i管子穩(wěn)定許用壓應(yīng)力 ( r i ) 22Cr73.2MPa材料名稱16MnR( 正火 )設(shè)計(jì)溫度 tp350C管t設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力 r116MPa設(shè)計(jì)溫度下彈性模量 Ep1.79e+05MPa管板腐蝕裕量 C22mm管板輸入厚度 n50mm管板計(jì)算厚度48mm隔板槽面積 （ 包括拉桿和假管區(qū)面積 ）Ad0mm2板管板強(qiáng)度削弱系數(shù)0.4管板剛度削弱系數(shù)0

42、.4K2 1.318 Di Etna / Ep L 管子加強(qiáng)系數(shù) t p K =4.11管板和管子連接型式焊接管板和管子脹接 （焊接 ）高度 l3.5mm脹接許用拉脫應(yīng)力 qMPa焊接許用拉脫應(yīng)力 q46MPa管箱法材料名稱16MnR( 正火 )管箱法蘭厚度 f46mm法蘭外徑 Df860mm基本法蘭力矩 M m7.515e+07N mm管程壓力操作工況下法蘭力 M p3.266e+07N mm法蘭寬度 bf (Df Di) /280mm比值 h / Di0.005714比值 f / Di0.06571系數(shù) C"(按 h/Di, f”/Di , 查<<GB151-1999

43、>> 圖25)0.00系數(shù) ”(按 h/Di , f”/Di ,查<<GB151-1999>> 圖 26)0.000151" " 3" 1 2Ef" bf 2 f""Kf" f f fEh " 旋轉(zhuǎn)剛度 12 Di bf Di9.542MPa殼體法材料名稱16MnR( 正火 )殼體法蘭厚度 f44mm法蘭外徑 Df860mm法蘭寬度 bf (Df Di )/280mm比值 s / Di0.006071比值 f / Di0.06286系數(shù) C' , 按 h/Di, f”/D

44、i , 查<<GB151-1999>> 圖250.00系數(shù) , 按 h/Di , f”/Di , 查<<GB151-1999>> 圖260.0001626' ' 3'1 2E'f bf2 'fK 'f1 f ffEs'f12 Di bfDis旋轉(zhuǎn)剛度 i f i8.573MPa法蘭外徑與內(nèi)徑之比 K Df Di1.229殼體法蘭應(yīng)力系數(shù) Y (按 K 查<<GB150 1998>> 表9-5)9.55 K fK f f 旋轉(zhuǎn)剛度無(wú)量綱參數(shù) f 4 Kt0.001777

45、膨脹節(jié)總體軸向剛度2(lcr i)20N/mm管板第一彎矩系數(shù) (按 K , Kf 查 <<GB151-1999>> 圖 27) m10.1075系m1系數(shù) K K f14.73系數(shù)(按 Kt Kf 查<<GB151 98>>圖 29) G22.952Et na 換熱管束與不帶膨脹節(jié)殼體剛度之比 Q Es As4.445數(shù)QEtna(EsAs Kex L)Qex 換熱管束與帶膨脹節(jié)殼體剛度之比EsAsK exL管板第二彎矩系數(shù) (按K,Q或Qex查<<GB151-1999>> 圖28(a)或(b) m23.591m1M1

46、系數(shù)(帶膨脹節(jié)時(shí) Qex 代替 Q)2K(Q G2)0.001768計(jì)系數(shù) (按K,Q或Qex 查圖 30) G30.01187法蘭力矩折減系數(shù) K f (K f G3)0.13021M" 管板邊緣力矩變化系數(shù) Kf K f0.9722算法蘭力矩變化系數(shù) M fM K f Kf0.8734管管板開孔后面積 Al = A - 0.25 n d 22.43e+052mm2板參管板布管區(qū)面積2(三角形布管 )A t 0.866 nS Ad2(正方形布管 ) A t nSAd2.563e+052 mm數(shù)管板布管區(qū)當(dāng)量直徑Dt4At /571.2mm系數(shù)Al / A0.6314系系數(shù)na/ A

47、l0.1719數(shù)系數(shù) s 0.4 0.6 (1 Q)/5.575計(jì)系數(shù)(帶膨脹節(jié)時(shí) Qex代替 Q) t 0.4(1 ) (0.6 Q)/8.46算管板布管區(qū)當(dāng)量直徑與殼體內(nèi)徑之比 t Dt / Di0.8161管板周邊不布管區(qū)無(wú)量綱寬度 k = K(1- t)0.756不計(jì)溫差應(yīng)力計(jì)溫差應(yīng)力換熱管與殼程圓筒熱膨脹變形差t (t t -t 0 )- s(t s -t 0)當(dāng)量壓力組合Pc Ps有效壓力組合 Pas PsEt0.00.553.066-0.0012120.55MPa-35.3MPa基本法蘭力矩系數(shù)Mm4M mDi3 Pa0.1441-0.01252管板邊緣力矩系數(shù) M M m (

48、M )M10.1458-0.0108管板邊緣剪力系數(shù)2.147-0.159管板總彎矩系數(shù) m m1 m 212.484-0.5511系數(shù) G1e 僅用于 m 0 時(shí) G1e 3m K0.72540.1609系數(shù) G1i當(dāng) m 0時(shí) ,按 K 和 m 查圖 31(a)實(shí)線當(dāng) m 0時(shí),按K和m 查圖 31(b)系數(shù) G1m > 0 , G1 = maxG( 1e,G1i ),m< 0G1= G1i管板徑向應(yīng)力系數(shù)帶膨脹節(jié) Q為Q exr=1 (1 )G14 Q G 2管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力系數(shù)' =3 m(1 )rr 4 K(Q G2)管板布管區(qū)周邊處剪切應(yīng)力系數(shù)殼體法蘭力矩系數(shù) MwsMm ( M f )M12 Pa D i1.3821.3820.14690.19290.10640.01721計(jì)算值許用值0.72780.72780.02068-0.011430.02842-0.