甲醇制氫生產(chǎn)裝置計(jì)算書(shū)

甲醇制氫生產(chǎn)裝置計(jì)算書(shū)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(lèi)水蒸氣轉(zhuǎn)化法；④烴類(lèi)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(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)：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。與電解水制氫相比，單位氫氣成本較低。所用原料甲醇易得，運(yùn)輸、貯存方便?？梢宰龀山M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。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)管道設(shè)計(jì)自控設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、環(huán)境評(píng)價(jià)3甲醇制氫工藝設(shè)計(jì)3.1甲醇制氫工藝流程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(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1－23.2物料衡算1、依據(jù)甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)方程式:CHOH→CO↑+2H↑CO+HO→CO↑+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)?CHOH→0.99CO↑+1.98H↑+0.01CHOHCO+0.99HO→0.99CO↑+1.99H+0.01CO合并式(1-5),式(1-6)得到:CHOH+0.981HO→0.981CO↑+0.961H↑+0.01CHOH+0.0099CO↑氫氣產(chǎn)量為:3500m/h=156.25kmol/h甲醇投料量為:156.25/2.9601ⅹ32=1689.132kg/h水投料量為:1689.132/32ⅹ1.5ⅹ18=1425.205kg/h 3、原料液儲(chǔ)槽(V0101)進(jìn):甲醇1689.132kg/h,水1425.205kg/h出:甲醇1689.132kg/h,水1425.205kg/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1689.132kg/h,水1425.205kg/h,總計(jì)3114.337kg/h出:生成CO1689.132/32ⅹ0.9801ⅹ44=2276.338kg/hH1689.132/32ⅹ2.9601ⅹ2=312.5kg/hCO1689.132/32ⅹ0.0099ⅹ28=14.632kg/h剩余甲醇1689.132/32ⅹ0.01ⅹ32=16.89kg/h剩余水1425.205-1689.132/32ⅹ0.9801ⅹ18=493.976kg/h總計(jì)3114.336kg/h6、吸收塔和解析塔吸收塔的總壓為1．5MPa,其中CO的分壓為0.38MPa,操作溫度為常溫(25℃).此時(shí),每m吸收液可溶解CO11.77m.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1—2。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: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=316.158m/h據(jù)此,所需吸收液量為316.158/9.45=33.456m/h考慮吸收塔效率以及操作彈性需要,取吸收量為33.456m/h=100.368m/h可知系統(tǒng)壓力降至0.1MPa時(shí),析出CO量為316.158m/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、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=0.824MPap=1.3704<1.5MPa再設(shè)T=175℃p=2.4MPa;p=0.93MPap=1.51MPa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/(kg·K),c=2.81kJ/(kg·K)取平均值c=2.83kJ/(kg·K)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=2.826kJ/(kg·K),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=312.96℃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/kgQ=1689.132727.2+20311425.205=4.12310kJ/h以300℃導(dǎo)熱油c計(jì)算c=2.76kJ/(kg·K)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：

c10.47kJ/(kg·K)c14.65kJ/(kg·K)c4.19kJ/(kg·K)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=223.74℃6、冷凝器（EO103)

在E0103中包含兩方面的變化：①CO,CO,H的冷卻以及②CHOH,HO的冷卻和冷凝.

①CO,CO,H的冷卻Q=cmt=(10.472276.338+14.65312.5+4.1914.632)(223.7-40)=5.2310kJ/h②CHOH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/hQ=Q+Q+Q=5.715510kJ/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/(ct)=5.715510/(4.1910)=136408kg/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3114.336kg/h，壓力為1.5Mpa，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混合液體的密度＝729.85kg/m混合氣體的質(zhì)量流量m＝3114.337kg/h混合液體的質(zhì)量流量ml＝3114.337kg/h。則（）＝（）＝0.1483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U＝0.14式中＝0.047mPa*s由此可得泛點(diǎn)氣速u(mài)u＝＝＝0.7685取空塔氣速為泛點(diǎn)氣速的70％，得空塔氣速u(mài)u＝0.7u＝0.7*0.7940＝0.5380m/s由此可得填料塔的塔徑DD＝＝＝0.357圓整至D＝0.4m。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GB150－1998《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P＝1.1*1.5＝1.65Mpa.\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C＝0.5mm，腐蝕余量C＝1.0mm，厚度附加量C＝C+C＝1.5mm。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。考慮到與換熱器的連接，最終取名義厚度為＝8mm。封頭厚度計(jì)算選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，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。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10mm×6mm，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＝9.8HLt＝9.8×1.0×0.6×0.018×380=42.219N填料層持液量L＝3.43HLt×10-4＝3.43×1.0×0.6×0.018×860×10-4＝3.19×10-3N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：σ＝===62.55MPa式中s——柵條截面高度，mh——柵條截面寬度，mC——柵條材料腐蝕余量，mσ<[σ]t=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.換熱器段工藝計(jì)算明確設(shè)計(jì)任務(wù)按給定的工藝設(shè)計(jì)條件，此設(shè)計(jì)為有相變冷熱流體間換熱的管殼式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算任務(wù)?？傮w設(shè)計(jì)①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。②合理安排流程。安排甲醇水走管程，導(dǎo)熱油走殼程。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。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℃=(+)/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；Pa·s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Δt℃Δ=(Δ-Δt)/ln(Δt/Δt)133.9流程型式初步確定1—2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Δt℃Δ=Δ133.95，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/(Δt)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φ19×2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=/（πdL）96管程數(shù)根據(jù)管內(nèi)流體流速范圍選定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φ40×4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=（0.2～1）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φ133×47，管程傳熱與壓降計(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)果備注管程流速m/s=4/(nπ)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ΔPaΔ=4L/()6.5396回彎壓降ΔPaΔ=4/22.1799進(jìn)出口局部壓降ΔPaΔ=1.5/2363.5869管程壓降ΔPaΔ=(Δ+Δ)+Δ372.3064管程最大允許壓降[Δ]Pa查表4-335000校核管程壓降Δ＜[Δ]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/su=0.762殼程雷諾數(shù)ReRe=527253.2殼程流體給熱系數(shù)αoW/(·℃)αo=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16β值β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ΔpPaΔp=4fo2104.514圓缺部分壓降ΔpPaΔp=10555.548進(jìn)出口局部壓降ΔpPaΔp=1.513596.840殼程壓降ΔpPaΔp=Δp+Δp+Δp26256.90殼程最大允許壓降[Δp]Pa查表4-335000校核殼程壓降Δp＜[Δp]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4-535.2×10-5管外污垢熱阻·℃/W查表4-517.6×10-5換熱管材料導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·℃)查表351.8管壁熱阻·℃/W4.21×10-5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)=nπd(L-2S)設(shè)管板厚度為0.03m8.2516校核傳熱面積ΔAΔA=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4-24262.495校核管壁溫度Δ℃Δ=-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)型式換熱管及其排列方式：采用25×2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。拉桿：采用Q235-B鋼，12mm，共根筒體：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)算得到封頭：采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，材料采用16MnR鋼管板：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，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：①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。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。②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。③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)①導(dǎo)熱油管道的規(guī)格和保溫結(jié)構(gòu)的確定流量＝110035.3Kg/h＝0.028m3/s流速范圍0.5～2.0m/s取為2.0m/s則 Di＝＝133.5mm壁厚t＝＝＝0.267mmSch.x=1000×=1000×=3查表應(yīng)選用Sch.5系列得管子故選擇RO0101、RO0102、RO0103、RO0104管道規(guī)格為φ159×4.5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12W/(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δ=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29.4℃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δ=107mm的保溫層可以滿(mǎn)足工程要求.②甲醇原料管道的規(guī)格流量＝1013.479Kg/h＝0.00036m3/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 Di＝＝21.4mm/15.96mm故選擇PL0101管道規(guī)格為φ25×2無(wú)縫鋼管選擇PL0102管道規(guī)格為φ20×2無(wú)縫鋼管流速校正u1==1.04m/s,合適u2==1.79m/s③脫鹽水原料管道的規(guī)格流量＝855.123Kg/h＝0.00024m3/s計(jì)算過(guò)程同上選擇DNW0101管道規(guī)格為φ22×2無(wú)縫鋼管選擇DNW0102管道規(guī)格為φ18×2無(wú)縫鋼管流速校正u1==0.943m/su2==1.56m/s④甲醇水混合后原料管道的規(guī)格流量＝1868.802Kg/h＝0.00060m3/s計(jì)算過(guò)程同上選擇PL0103管道規(guī)格為φ32×2無(wú)縫鋼管選擇PL0104、PL0105管道規(guī)格為φ25×2無(wú)縫鋼管流速校正u1==0.974m/su2==1.732m/s⑤吸收液碳酸丙烯酯管道的規(guī)格流量＝42000Kg/h＝0.0012m3/s計(jì)算過(guò)程同上選擇PL0106管道規(guī)格為φ48×4無(wú)縫鋼管選擇PL0107、PL0108管道規(guī)格為φ38×3無(wú)縫鋼管流速校正u1==0.962m/su2==1.39m/s⑥冷卻水管道的規(guī)格流量＝95465Kg/h＝0.027m3/s計(jì)算過(guò)程同上選擇CWS0101管道規(guī)格為φ159×4.5無(wú)縫鋼管選擇CWS0102、CWR0101管道規(guī)格為φ133×4無(wú)縫鋼管流速校正u1==1.5m/su2==2.2m/s⑦PG0101、PG0102、PG0103、PG0104混合氣管道的規(guī)格流量＝1868.802Kg/h＝0.043m3/s計(jì)算過(guò)程同上200℃:壁厚t＝＝＝0.656mm300℃:壁厚t＝＝＝0.8mm選擇PG0101、PG0102、PG0103、PG0104管道規(guī)格為φ89×4.5無(wú)縫鋼管流速校正u1==8.55m/s⑧其它管道規(guī)格尺寸選擇PG0105管道規(guī)格為φ73×4PG0106管道規(guī)格為φ89×4.5PG0107管道規(guī)格為φ89×4.5PL0109管道規(guī)格為φ32×4類(lèi)似以上管道規(guī)格的計(jì)算過(guò)程,將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8.68020g4PG0103-80M1BH210%CO273%H2O17%3001869氣相8.68020g5PG0104-80M1B-H2001869氣相8.68020g6PG0105-65M1BH212%CO288%501553氣相5.46520g7RO0101-150L1B-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1.72020g15PL0105-20M1B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P01012.原料甲醇輸送計(jì)量泵P01023.混合原料計(jì)量泵P01034.吸收液用泵P01045.冷卻水用泵P0105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)罐，與水混合工藝所需正常的體積流量為：1013.479/0.807＝1255.86L/h泵的流量Q＝1.05×1255.86＝1318.65L/h工藝估算所需揚(yáng)程80m,泵的揚(yáng)程H＝1.1×80＝88m折合程計(jì)量泵的壓力：P=gh=807×9.81×88/106=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為：855.123/0.997＝857.70L/h泵的流量Q＝1.05×857.70＝900.58L/h工藝估算所需揚(yáng)程80m,泵的揚(yáng)程H＝1.1×80＝88m折合程計(jì)量泵的壓力：P=gh=997×9.81×88/106=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：1868.802/0.860＝2173.03L/h泵的流量Q＝1.05×2173.03＝2281.68L/h工藝估算所需揚(yáng)程80m,泵的揚(yáng)程H＝1.1×80＝88m折合程計(jì)量泵的壓力：P=gh=860×9.81×88/106=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:①吸收液的輸送溫度25℃,密度760Kg/m3.泵的正常流量為4200kg/h②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4200/1000=4.20m3/h泵的流量取正常流量的1.05倍:Q=1.05×4.20=4.41m3/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=1.1×35=38.5水泵選型，選用離心式水泵查表得，40W－40型水泵最佳工況點(diǎn)：揚(yáng)程40m,流量5.4m3/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:①水的輸送溫度25℃,密度997Kg/m3.泵的正常流量為95465kg/h②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)程工藝所需的正常體積流量為95465/997=95.75m3/h泵的流量取正常流量的1.05倍:Q=1.05×95.75=100.54m3/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=1.1×35=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120m3/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）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)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0.33209RO0103-150L1B-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0.3501521CWS0101-150L1B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)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)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?；旌蠚庵苯舆M(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)工藝上不合理。所以選擇導(dǎo)熱油流量作為控制參數(shù)。過(guò)程檢測(cè)儀表的選用根據(jù)生產(chǎn)工藝和用戶(hù)的要求，選用電動(dòng)單元組合儀表（DDZ-Ⅲ型）①測(cè)溫元件及變送器被控溫度在500℃以下，選用鉑熱電阻溫度計(jì)。為了提高檢測(cè)精確度，應(yīng)用三線制接法，并配用DDZ-Ⅲ型熱電阻溫度變送器=2\*GB3②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(guò)高，引起設(shè)備破壞、催化劑破壞等等，所以選擇氣開(kāi)形式的調(diào)節(jié)閥，正作用閥；根據(jù)過(guò)程特性與控制要求選用對(duì)數(shù)流量特形的調(diào)節(jié)閥；根據(jù)被控介質(zhì)流量選擇調(diào)節(jié)閥公稱(chēng)直徑和閥芯直徑的具體尺寸。Qmax=509Qmin=31.8m3/hP1=0.35MpaP2=0.3Mpar=1.070g/m3管徑159mm＝P1－P2＝0.05Mpa=0.49kgf/cm3Cvmax=1.167Q=1.167=878Cvmax=1.167Q=1.167=55據(jù)此選擇Cv和調(diào)節(jié)閥的口徑DN③調(diào)節(jié)器根據(jù)過(guò)程特性與工藝要求，選擇PID控制規(guī)律；根據(jù)構(gòu)成系統(tǒng)負(fù)反饋的原則，確定調(diào)節(jié)器為反作用。溫度控制系統(tǒng)流程圖及其控制系統(tǒng)方框圖溫度控制系統(tǒng)流程圖控制系統(tǒng)方框圖調(diào)節(jié)器參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)試湊：對(duì)于溫度控制系統(tǒng)，一般取δ＝20～60％，T1=3~10min，TD＝T1/4也可用臨界比例度法或衰減曲線法進(jìn)行參數(shù)整定6．如何實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程的具體說(shuō)明當(dāng)干擾發(fā)生時(shí)，例如甲醇水蒸汽流量加大，繼續(xù)反應(yīng)所需的熱量增加，反應(yīng)器溫度降低，測(cè)量元件（鉑熱電阻溫度計(jì)）檢測(cè)到溫度值，經(jīng)變送器送給調(diào)節(jié)器和設(shè)定值比較，調(diào)節(jié)器（反作用）發(fā)出控制信號(hào)，加大調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，調(diào)節(jié)閥正作用，導(dǎo)熱油流量增大，反應(yīng)器溫度上升，克服干擾，達(dá)到控制目的。7技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)甲醇制氫裝置的投資估算單元設(shè)備價(jià)格估算在工藝流程和生產(chǎn)規(guī)模確定之后，經(jīng)過(guò)物料衡算和初步工藝計(jì)算，可以初步確定設(shè)備的大小和型號(hào)。