甲醇制氫生產(chǎn)裝置計(jì)算說明書過程裝備與控制工程課程設(shè)計(jì)

計(jì)算說明書3.2物料衡算4.機(jī)器選型及管道設(shè)計(jì)4.1泵的選型4.2管子選型6.反應(yīng)器控制方案設(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，這些部門對氫氣的純度、對所含雜質(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)，對高純度的需求量正逐步加大，等等對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：①電解水法；②氯堿工業(yè)中電解食鹽水副產(chǎn)氫石其氫氣用量在200~mh氫技術(shù)表現(xiàn)出很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，受到許多國家的重視。甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化制氫具有以下點(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式的裝置，操作方便，搬運(yùn)靈活。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。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2和甲醇，這部分水和甲醇可以進(jìn)入原料液儲罐，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CO，吸收飽23.23.2物料衡算甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)方程式:32222 (1-2)32、投料計(jì)算量代入轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù),式(1-1)和式(1-2)變?yōu)?323222(1-4)2222甲醇水氫氣產(chǎn)量為:3000=133.929kmol/h甲醇投料量為:ⅹ32=1kg/h水投料量為:1447.828/32**18=1kg/h3、原料液儲槽(V0101)進(jìn):甲醇1kg/h,水1kg/hgh4、換熱器(E0101),汽化塔(T0101),過熱器(E0103)，沒有物流變化.5、轉(zhuǎn)化器(R0101)進(jìn):甲醇1kg/h,水1kg/h,總計(jì)2669.147kg/h出:生成CO/32**44=1kg/h2H/32**2=267.857kg/h2CO/32**28=1kg/h剩余甲醇/32**32=1kg/h剩余水1-/32**18=kg/h總計(jì)kg/h6、吸收塔和解析塔吸收塔的總壓為1．5MPa,其中COMPa,操作溫度為常溫(25℃).此時(shí),每m3吸收液可溶解COm3.此數(shù)據(jù)可以在一22般化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊中找到。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:2=CO體積量2co2O22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)的略.、各節(jié)點(diǎn)的物料量1、汽化塔頂溫確定和水的蒸氣壓數(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)溫初設(shè)T=170℃p=2.19MPa;p甲醇水p總p再設(shè)T=175℃p=2.4MPa;p甲醇水p總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℃.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:反應(yīng)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:p320?p300?取平均值ckJ/(kg·K)p則導(dǎo)熱油用量w=Q/(ct)=1065)=156890kg/h反應(yīng)p3、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.從手冊中可以方便地得到甲醇和水蒸氣氣體升溫所需熱量為:p導(dǎo)熱油ckJ/(kg·K),于是其溫降為:ptQcPm1.56*105)=5℃4、汽化塔(TO101)認(rèn)為汽化塔僅有潛熱變化。175℃kJ/kgpp則導(dǎo)熱油出口溫度t2=5451=03℃差為03=7℃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ckJ/(kg·K)2pco2ckJ/(kg·K)2pH2pco則管程中反應(yīng)后氣體混合物的溫度變化為：P換熱器出口溫度為280-=2℃6、冷凝器(EO103)ECOCOHCHOH,HO的冷卻和冷凝.223222p32h3p123冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，采用中溫型涼水塔，則溫差△T=10℃p4塔設(shè)備設(shè)計(jì)塔徑的計(jì)算D=D塔徑的計(jì)算分為兩個(gè)步驟：確定空塔氣速，計(jì)算塔徑D。計(jì)算填料塔的塔徑時(shí)，首先確定適宜的空塔氣速u，填料塔的空塔氣速必須小于泛點(diǎn)氣速uf，一般取其0.6-0.8ppV,L-分別為氣液相的密度，V,L-分別為氣液相的密度，kg/m3A-常數(shù)，與填料材質(zhì)和形狀有關(guān)A=0.100，e=0.934，a=219m2/m3t代入相關(guān)物性數(shù)據(jù)得Lg(u1/4fuf2.3.2塔徑的計(jì)算2.3.2D=DVV.冷卻水用泵P01054機(jī)器選型及管道設(shè)計(jì)4.1泵的選型(1)甲醇計(jì)量泵P0102選型已知條件：甲醇正常投料量為。溫度為25℃。密度為/L；操作情況為泵從甲醇儲槽中吸入甲醇，送入原料液儲罐，與水混合工藝所需正常的體積流量為：＝工藝估算所需揚(yáng)程80m,泵的揚(yáng)程H＝×80＝88m壓力：P=pgh=807××88/106泵的選型：查表得，型計(jì)量泵的流量為2500L/h，壓力，轉(zhuǎn)速115r/min，電機(jī)功率，滿足要求(2)純水計(jì)量泵P0101選型hL與甲醇混合工藝所需正常的體積流量為：＝工藝估算所需揚(yáng)程80m,泵的揚(yáng)程H＝×80＝88m壓力：P=pgh=997××88/106混合原料計(jì)量泵P0103選型V工藝所需正常的體積流量為：＝工藝估算所需揚(yáng)程80m,泵的揚(yáng)程H＝×80＝88m壓力：P=pgh=860××88/1062確定泵的流量及揚(yáng)程工藝所需的正常體積流量為m3/h泵的流量取正常流量的倍×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泵的揚(yáng)程取倍的安全裕度：×水泵選型，選用離心式水泵②操作情況,泵從水槽中吸入水,送入冷凝器E0103中換熱，再冷卻送回水槽，循環(huán)使用.確定泵的流量及揚(yáng)程泵的流量取正常流量的倍×3/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泵的揚(yáng)程取倍的安全裕度：×水泵選型，選用離心式水泵4.2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無縫鋼管，理由如下：①腐蝕性——本生產(chǎn)裝置原料甲醇、導(dǎo)熱油對材料無特殊腐蝕性；產(chǎn)品氫氣對產(chǎn)品可能產(chǎn)生氫腐蝕，但研究表合抗腐蝕要求。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)①導(dǎo)熱油管道的規(guī)格和保溫結(jié)構(gòu)的確定p保溫層計(jì)算:管道外表面溫度T=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0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70)|=09W/(m.K), (2)s保溫工程投資償還年分?jǐn)偮视?jì)算經(jīng)濟(jì)保溫層經(jīng)濟(jì)厚度D0DlnHaDlnHa-1DPSa0TS解上式得D=0.398m=398mm1保溫層厚度為δ(D-D)(398-180)=109mm10計(jì)算保溫后的散熱量(T-T)DDDDDDDD10.42ln1+2ln2+Da01S2最大允許熱損失量，查GB50264-97附錄B:T=300℃時(shí)為186W/m2,320℃時(shí)的最大允許熱損失量Q0允22saa12s計(jì)算出來的表面溫度℃略低于最初計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)假設(shè)的表面溫度30℃,故δ=110mm的保溫層可以滿足工程要求.②甲醇原料管道的規(guī)格則＝＝pD24ipD0.1根17.33i表2222③脫鹽水原料管道的規(guī)格則iiu壁厚t1＝pt2＝p表D0.0152④甲醇水混合后原料管道的規(guī)格流量qv＝2269.017一般吸水管中流速u1=1m/s,出水管中流速u=/s2則iiuit2＝p⑤吸收液碳酸丙烯酯管道的規(guī)格iiu一般吸水管中流速u1=1m/s,出水管中流速u=/s2則壁厚t1＝pt2＝p21D22D2⑥冷卻水管道的規(guī)格一般吸水管中流速u=1m/s,出水管中流速u=/s12則uui壁厚t1＝pt2＝p流速校正u=4qv=m/su=4qvD2D2=2.533m/siu30pi表⑧其它管道規(guī)格尺寸類似以上管道規(guī)格的計(jì)算過程,將本工藝所有主要管道工藝參數(shù)結(jié)果匯總于下表：所所在管道編號PG0107-351M1BPG0101-133M1BPG0102-133M1B-HPG0103-133M1BPG0104-133M1B-H狀態(tài)流速相氣相氣相氣相氣相2H0%CO料直徑H4522量67896789鍍鋅鍍鋅鍍鋅管0Cr18N相相相122220.825RO0102-180L1B-HRO0103-180L1B-HRO0104-180L1B-HPL0101-27L1BPL0102-21L1BPL0103-34L1BPL0104-27M1BPL0105-27M1B-HPL0106-168L1BPL0107-127L1BPL0108-127L1BDNW0101-25L1BDNW0102-19L1BCWS0102-133L1BCWR0101-133L1B食品二氧化碳PG0108-48L食品二氧化碳PL0109-25M1B從工藝流程圖可以知道需用閥門的設(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)選擇閥門的壓力等級和型式，閘閥：、等，截止閥：等閘閥：、、(螺紋)等，截閘閥：等，截止閥：等所在管道編號PG0106-95M1BRO0101-180L1B-HRO0104-180L1B-HPL0101-27L1BPL0102-21L1BPL0103-34L1BDNW0101-25L1BPG0107-48L1BPL0107-127L1BPL0109-25M1B連接形式法蘭蘭蘭法蘭法蘭法蘭質(zhì)氫氣料液脫鹽水食品二氧化碳工藝?yán)淠?23456789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)備、機(jī)器的接管和閥門等管件、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123456789所在管道編號PG0101-133M1BPG0102-133M1B-HPG0103-133M1BPG0104-133M1B-HPG0105-133M1BRO0101-150L1B-HRO0102-150L1B-HRO0103-150L1B-HRO0104-150L1B-HPL0101-27L1BPL0102-21L1BPL0103-34L1BPL0104-27M1BPL0105-27M1BPL0106-168L1BPL0107-127L1BPL0108-127L1BDNW0101-25L1BDNW0102-19L1BCWS0101-219L1BCWS0102-133L1BCWR0101-133L1BPG0107-48L1BPL0109-25M1B食品二氧化碳直徑稱壓力等級法蘭選型法蘭類密封面公稱壓型型式力等級帶頸平焊法蘭化學(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)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，對于反理。所以選擇導(dǎo)熱油流量作為控制參數(shù)。根據(jù)生產(chǎn)工藝和用戶的要求，選用電動單元組合儀表(DDZ-Ⅲ型)DDZ溫度變送器②調(diào)節(jié)閥根據(jù)生產(chǎn)工藝安全原則，若溫度太高，將可能導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)溫度過高，引起設(shè)備破壞、催化劑破壞流量選擇調(diào)節(jié)閥公稱直徑和閥芯直徑的具體尺寸。溫度控制系統(tǒng)流程圖控制系統(tǒng)方框圖也可用臨界比例度法或衰減曲線法進(jìn)行參數(shù)整定