甲醇制氫設(shè)計工藝

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)濟性、靈活性、安全都提出了更高的要求，同時也促進了新型工藝、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；氨或甲醇催化裂解法；石油煉制與石油化工過程中的

2、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)模用氫的場合，工藝路線復(fù)雜，流程長，投資大。隨著精細化工的行業(yè)的發(fā)展，當(dāng)其氫氣用量在2003000m3/h時，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)化制氫具有以下特點：（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，搬運靈活。對于中小規(guī)模的用氫場合，在沒有工業(yè)含氫尾氣的情況下，甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化及變壓

3、吸附的制氫路線是一較好的選擇。本設(shè)計采用甲醇裂解+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，同時在需要二氧化碳時，也可以方便的得到高純度的二氧化碳。目錄1 設(shè)計任務(wù)書 32 甲醇制氫工藝設(shè)計 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 . 93.1 工藝計算 93.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 134 管道設(shè)計.5 自控設(shè)計.6 技術(shù)經(jīng)濟評價、環(huán)境評價7 結(jié)束語.8 致謝.9 參考文獻.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.管道儀表流程圖5.管道空視圖6.單參數(shù)控制方案圖1、設(shè)計任務(wù)書2、甲醇制氫工藝設(shè)

4、計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：進入原料液儲罐，通過計算泵進入換熱器（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入原料液儲罐，水冷分離后的氣體進入吸收塔，經(jīng)碳酸丙烯脂吸收分離CO2，吸收飽和的吸收液進入解析塔降壓解析后循環(huán)使用，最后進入PSA裝置進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

5、12 甲醇制氫的物料流程圖及各節(jié)點物料量2.2 物料衡算1、依據(jù)甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)方程式: CHOHCO+2H （1-1）CO+HOCO+ H （1-2）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1:1.5(mol).2、投料計算量代入轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù),式(1-3)和式(1-4)變?yōu)?CHOHCO+H CHOHOCO合并式(1-5),式(1-6)得到: CHOH+0.981 HO CO H CHOH+0.0099 CO氫氣產(chǎn)量為: 1200m/h=53.571 kmol/h甲醇投料量為: 53.571/2.960132=579.126 kg/h水投料量為: 579

6、.126/321.518=488.638 kg/h3、原料液儲槽(V0101)進: 甲醇 579.126 kg/h , 水 488.638 kg/h出: 甲醇 579.126 kg/h , 水 488.638 kg/h4、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 : 甲醇 /h , 水488.638 kg/h , 總計1067.764 kg/h出 : 生成 CO/320.980144 =780.452 kg/hH/322.96012 =107.142 kg/h CO /320.009928 =5.017 kg/h/320.01

7、32 =5.791 kg/h 剩余水 488.638-579.126/320.980118=169.362 kg/h 總計 1067.764 kg/h6、吸收塔和解析塔 吸收塔的總壓為15MPa,其中CO的分壓為 MPa ,操作溫度為常溫(25). 此時,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)手冊中找到，二氯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, CO溶解度為2.32,則此時吸收塔的吸收能力為:0.4MPa壓力下 44/(273.15+25)=/ mCO體積量 V/h據(jù)此,所需吸收液量為/h考慮吸收塔效率以及操作彈性需要,取吸

8、收量為 11.47 m/h=34.41 m/h可知系統(tǒng)壓力降至?xí)r,析出CO量為/h=780.451 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行計算,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,

9、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=170p=2.19MPa; p=0.824 MPa p=1.3704<1.5 MPa再設(shè) T=175p=2.4MPa; p=0.93 MPa p=1.51 MPa蒸氣壓與總壓基本一致,可以認為操作壓力為時,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: Q1000(-49.66)10 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)

10、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:c0.68=2.85kJ/(kg·K), c=2.81kJ/(kg·K)取平均值 c=2.83 kJ/(kg·K)則導(dǎo)熱油用量 w=Q/(c105)=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= cm488.638) 10kJ/h導(dǎo)熱油c=2.826 kJ/(kg·K), 于是其溫降為:t=Q/(c1062898)=2.04導(dǎo)熱

11、油出口溫度為: 315-2.0=4、汽化塔（TO101 ) 認為汽化塔僅有潛熱變化。175 727.2+203110 kJ/h以300導(dǎo)熱油c計算 c=2.76 kJ/(kg·K)t=Q/(c1062898)=8.12則導(dǎo)熱油出口溫度 t=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= cm4.30) 10kJ/h管程：沒有相變化，同時一般氣體在一定的溫度范

12、圍內(nèi)，熱容變化不大，以恒定值計算，這里取各種氣體的比定壓熱容為： c kJ/(kg·K) c14.65 kJ/(kg·K) c4.19 kJ/(kg·K)則管程中反應(yīng)后氣體混合物的溫度變化為：t=Q/(c10169.362)=56.3換熱器出口溫度為 280-56.3=6、冷凝器（EO103) 在E0103 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=cm5.017) 10kJ/h CHOH的量很小，在此其冷凝和冷卻忽略不計。壓力為1.5MPa時水的冷凝熱為：H=2135KJ/kg,總冷凝熱 Q=H

13、m=213510kJ/h水顯熱變化Q= cm10kJ/h Q=Q+Q+ Q10kJ/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/( c1010)=54415kg/3、反應(yīng)器設(shè)計計算3.1 工藝計算已知甲醇制氫轉(zhuǎn)化工藝的基本反應(yīng)為：CH3OH+H2O=CO2+3H2。該反應(yīng)在管式反應(yīng)器進行，進出反應(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)進口/(kg/h)出口/(kg/h)設(shè)計溫度/oC壓力/MPa進出口/(kg/h)設(shè)計溫度/oC壓力/MPa甲醇280水二氧化碳一氧化碳氫氣導(dǎo)熱油62898320表3-1 反應(yīng)器的物流表（1）計算反應(yīng)物的流量對于

14、甲醇，其摩爾質(zhì)量為_32 kg對于水，其摩爾質(zhì)量為18 kg對于氫氣，其摩爾質(zhì)量為2 kg對于一氧化碳，其摩爾質(zhì)量為28 kg進料氣中甲醇的摩爾分率yA為：yA=對于甲醇和水，由于溫度不太高（280 oC），壓力不太大（），故可將其近似視為理想氣體考慮。有理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT，可分別計算出進料氣中甲醇和水的體積流量：甲醇的體積流量VA為：VA= m3/h水的體積流量VB為：VB= m3/h進料氣的總質(zhì)量為：mo= 55.489+83.233=1067.764 kg/h（2）計算反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率進入反應(yīng)器時甲醇的流量為579.126 kg/h，出反應(yīng)器時甲醇的流量為5.791 kg/h，則甲

15、醇的轉(zhuǎn)化率xAf為：xAf=即反應(yīng)過程中消耗甲醇的物質(zhì)的量為：× kmol/h（3）計算反應(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。對于甲醇有：A=（4）計算空間時間根據(jù)有關(guān)文獻，該反應(yīng)為一級反應(yīng)，反應(yīng)動力學(xué)方程為：rA=kpA×10-4e CA=CAO上式兩邊同乘以RT，則得：pA=CAORT反應(yīng)過程的空間時間為：=CAO = CAO/k CAORT=dxA將×10-4em3/(kmol·h)，A=2，yA，代入上式，可得空間時間：（5）計算所需反應(yīng)器的容積VR=VO進料氣的總體積流量為：VO=

16、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 ×m（6）計算管長由文獻可知，氣體在反應(yīng)器內(nèi)的空塔流速為/s，考慮催化劑填層的空隙率對氣體空塔速度的影響，取流動速度為=/s，則反應(yīng)管的長度為：l=×3600×0.2=根據(jù)GB151推薦的換熱管長度，取管長l=3m。反應(yīng)器內(nèi)的實際氣速為：u=（7）計算反應(yīng)熱甲醇制氫的反應(yīng)實際為兩個反應(yīng)的疊合，即CH3OH=CO+2H2CO+H2O=CO2+H2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

17、應(yīng)過程中產(chǎn)生的一氧化碳的物質(zhì)的量為。反應(yīng)器出口處的一氧化碳的物質(zhì)的量為，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：xCO=則反應(yīng)過程中所需向反應(yīng)器內(nèi)供給的熱量為：×10××10××10kJ/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)器同時作為換熱器使用，根據(jù)GB151，320oC時鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為（m·OC），管外油側(cè)的對流給熱系數(shù)為o=300W/（m2·OC），管內(nèi)側(cè)的對流給熱

18、系數(shù)為i=80 W/（m2·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：K=1/（+Rf）由于的值接近于1，對K帶來的誤差小于1%；鋼管的傳熱很快，對K的影響也很小，故可將上式簡化為：K=1/（+Rf）= W/（ m2·OC）=213.84kJ/(h·m·OC)由于反應(yīng)器所需的換熱面積為：F=m（9）計算管子的內(nèi)徑反應(yīng)器需要的換熱面積

19、為：F=ndl反應(yīng)器內(nèi)氣體的體積流量為：VO=nu聯(lián)立上述兩式，并將l= 6m，u= 0.22(m/s) ，F(xiàn)= 99.988(m) VO= 0.0385(m/s) 代入，即可得所需管子的內(nèi)徑為：d=。根據(jù)計算所得的管子內(nèi)徑，按前述換熱設(shè)備設(shè)計選擇合適的管子型號和所需的管數(shù)及布管方式。結(jié)構(gòu)設(shè)計計算內(nèi)容或項目符號單位計算公式或來源結(jié)果備注管程 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計換熱管材料選用碳鋼無縫鋼管25×2換熱管內(nèi)徑、外徑di;dm換熱管管長Lm選用3m標(biāo)準管長換熱管根數(shù)n325(圓整)管程數(shù)Ni根據(jù)管內(nèi)流體流速范圍選定1管程進出口接管尺寸(外徑*壁厚)djt*Sjtm按接管內(nèi)流體流速合理選取管程結(jié)構(gòu)

20、設(shè)計殼程數(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Sm分程隔板槽兩側(cè)中心距Sn按標(biāo)準管束中心排管數(shù)nc（外加六根拉桿）21殼體內(nèi)徑DimDi=S(Nc-1)+(12)d07換熱器長徑比L/ DiL/ Di合理實排熱管根數(shù)n作圖351折流板形式選定單弓形折流板折流板外直徑Dbm按GB151-1999折流板缺口弦離hm折流板間距Bm取B=(0.21)Di折流板數(shù)NbNb=L/B-18殼程進出口接管尺寸djs*Sjs合理選取114×2選取3.2 外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計按照GB150-1998鋼制壓力容器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算。1、 筒體(1) 筒體內(nèi)徑:700mm設(shè)計壓力：P=MPa 設(shè)計

21、溫度取350°C筒體材料：16MnR 焊接接頭系數(shù) 鋼板厚度負偏差C1=0,腐蝕裕量C2=,厚度附加量C= C1+ C2=.筒體的計算厚度計算 = =mm考慮厚度附加量并圓整至鋼板厚度系列，得材料名義厚度dn =4mm.取強度校核有效厚度de =dn - C1- C2=5mmst = = MPa <sf=134 MPa符合強度要求。（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：715根據(jù)筒體名義厚度選用乙型平焊法蘭（JB4702）法蘭材料：16MnR DN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7008608154627M2424表3-2

22、 筒體法蘭數(shù)據(jù)2、 封頭（1）封頭內(nèi)徑：700mm設(shè)計壓力：P=1.6MPa 設(shè)計溫度取300° C封頭材料：16MnR 焊接接頭系數(shù) 鋼板厚度負偏差C1=0,腐蝕裕量C2=,厚度附加量C= C1+ C2=.封頭的計算厚度計算d = =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dn =6mm.強度校核有效厚度de =dn - C1- C2=7mmst = =MPa<sf=144MPa符合強度要求。根據(jù)筒徑選用標(biāo)準橢圓形封頭直邊高：25 曲邊高：200 壁厚：67、換熱管（GB151-1999）管子材料：16MnR 根據(jù)上節(jié)中計算的管子內(nèi)徑選

23、用尺寸：25×2 管長：3000 根數(shù)：345實排根數(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 長徑比：4.28 8、管程數(shù)據(jù)管程數(shù)：1 管程氣體流速：1m/s 進出口接管尺寸：60×1.6 接管材料：16Mn法蘭類型：板式平焊法蘭（HG20593-97）法蘭材料：20R DN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：/s 進出口接管尺寸：114×2 接管材料：16Mn法蘭類型：板式平焊法蘭（HG20593-97）法

24、蘭材料：16MnR DN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10021017018116184M16表3-4 殼程法蘭數(shù)據(jù)12、折流板（GB151-1999）材料：16MnR 形式：單弓形外直徑：795.5 管孔直徑：缺口弦高：140 間距：330 板數(shù)：8 厚度：613、拉桿（GB151-1999）直徑：16 螺紋規(guī)格：M16 根數(shù)；614、耳座（JB/T4725-92）（7）耳式支座選用及驗算 由于該吸收塔相對結(jié)構(gòu)較小，故選用結(jié)構(gòu)簡單的耳式支座。根據(jù)JB/T473292 選用支座：JB/T473292，耳座A3，其允許載荷Q=30Kn,適用公徑DN 7001400，

25、支座處許用彎矩M=8.35kN*m。支座材料Q235A*F。1) 支座承受的實際載荷計算 水平地震載荷為：p為地震系數(shù)，地震設(shè)計烈度為7時，為設(shè)備總質(zhì)量經(jīng)計算該反應(yīng)器的1119kg水平地震載荷為：p水平風(fēng)載荷為：p×1.0×550×3400×15003366N偏心載荷G0 N偏心距S0 mm其中f為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按設(shè)備質(zhì)心所在高度。q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q550N/m。f風(fēng)壓高度系數(shù)見參考資料。水平力取p與 p支座安裝尺寸為D：D= 式中，為耳式支座側(cè)板厚度；為耳式支座襯板厚度。支座承受的實際載荷為Q：Q×10

26、11.3KN<30 KN 式中，G為偏心載荷；S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M計算 M因此，開始選用的2A3支座滿足要求。形式：A3型高度：200 底板：L1:125 b1:80 1：8 s1:40筋板：L2:100 b2:100 2：5 墊板：L3：20 b3:160 3：6 e:24地角螺栓規(guī)格：M24 螺栓孔直徑：2715、管板材料：16MnR 換熱管管孔直徑：25 拉桿管孔直徑：18 厚度：50 外徑：8603.3 SW6校核內(nèi)筒體內(nèi)壓計算計算單位南京工業(yè)大學(xué)過程裝備與控制工程系計算條件筒體簡圖計算壓力 PcMPa設(shè)計溫度 t°

27、 C內(nèi)徑 Dimm材料 16MnR(正火) ( 板材 )試驗溫度許用應(yīng)力 sMPa設(shè)計溫度許用應(yīng)力 stMPa試驗溫度下屈服點 ssMPa鋼板負偏差 C1mm腐蝕裕量 C2mm焊接接頭系數(shù) f厚度及重量計算計算厚度d =mm有效厚度de =dn - C1- C2=mm名義厚度dn =mm重量Kg壓力試驗時應(yīng)力校核壓力試驗類型 液壓試驗試驗壓力值PT P = 0.8700 (或由用戶輸入)MPa壓力試驗允許通過的應(yīng)力水平 sTsT£ 0.90 ss =MPa試驗壓力下圓筒的應(yīng)力sT = = MPa校核條件sT£sT校核結(jié)果合格壓力及應(yīng)力計算最大允許工作壓力Pw= = MPa設(shè)

28、計溫度下計算應(yīng)力st = = MPastfMPa校核條件stfst結(jié)論 合格內(nèi)壓橢圓封頭校核計算單位南京工業(yè)大學(xué)過程裝備與控制工程系計算條件橢圓封頭簡圖計算壓力PcMPa設(shè)計溫度 t° C內(nèi)徑Dimm曲面高度himm材料 16MnR(熱軋) (板材)試驗溫度許用應(yīng)力sMPa設(shè)計溫度許用應(yīng)力stMPa鋼板負偏差C1mm腐蝕裕量C2mm焊接接頭系數(shù)f厚度及重量計算形狀系數(shù) K = = 計算厚度d = mm有效厚度de =dn - C1- C2=mm最小厚度dmin = mm名義厚度dn =mm結(jié)論滿足最小厚度要求重量 Kg壓力計算最大允許工作壓力Pw= = MPa結(jié)論合格延長部分兼作法蘭

29、固定式管板設(shè)計單位南京工業(yè)大學(xué)過程裝備與控制工程系設(shè)計計算條件簡圖設(shè)計壓力psMPa設(shè)計溫度Ts350平均金屬溫度 ts314裝配溫度to15殼材料名稱16MnR(正火)設(shè)計溫度下許用應(yīng)力st134Mpa程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)asmm/mm圓殼程圓筒內(nèi)徑Di700mm殼程圓筒名義厚度ds6mm殼程圓筒有效厚度dsemm筒殼體法蘭設(shè)計溫度下彈性模量Ef1.79e+05MPa殼程圓筒內(nèi)直徑橫截面積 A=pDi23.848e+05mm2殼程圓筒金屬橫截面積 As=pds(Di+ds)9403mm2管設(shè)計壓力ptMPa箱設(shè)計溫度Tt300圓材料名稱筒

30、設(shè)計溫度下彈性模量Eh1.846e+05MPa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值)dh16mm管箱圓筒有效厚度dhe4mm管箱法蘭設(shè)計溫度下彈性模量Et”1.86e+05MPa材料名稱20G(正火)換管子平均溫度 tt230設(shè)計溫度下管子材料許用應(yīng)力stt92MPa設(shè)計溫度下管子材料屈服應(yīng)力sst147MPa熱設(shè)計溫度下管子材料彈性模量Ett1.73e+05MPa平均金屬溫度下管子材料彈性模量Et1.842e+05MPa平均金屬溫度下管子材料熱膨脹系數(shù)atmm/mm管管子外徑d25mm管子壁厚dt2mm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mm2換

31、熱管長度L3000mm管子有效長度(兩管板內(nèi)側(cè)間距) L12900mm管束模數(shù)Kt = Et na/LDi3790MPa管子回轉(zhuǎn)半徑mm熱管子受壓失穩(wěn)當(dāng)量長度lcr10mm系數(shù)Cr =比值lcr /i管子穩(wěn)定許用壓應(yīng)力 () MPa管管子穩(wěn)定許用壓應(yīng)力() MPa材料名稱16MnR(正火)設(shè)計溫度tp350管設(shè)計溫度下許用應(yīng)力116MPa設(shè)計溫度下彈性模量Ep1.79e+05MPa管板腐蝕裕量C22mm管板輸入厚度dn50mm管板計算厚度d48mm隔板槽面積 (包括拉桿和假管區(qū)面積)Ad0mm2板管板強度削弱系數(shù)h管板剛度削弱系數(shù)m管子加強系數(shù)K = 管板和管子連接型式焊接管板和管子脹接(焊接

32、)高度lmm脹接許用拉脫應(yīng)力 qMPa焊接許用拉脫應(yīng)力 q46MPa管材料名稱16MnR(正火)管箱法蘭厚度46mm法蘭外徑860mm箱基本法蘭力矩7.515e+07N×mm管程壓力操作工況下法蘭力3.266e+07N×mm法蘭寬度80mm法比值比值系數(shù)(按dh/Di,df”/Di , 查<<GB151-1999>>圖25)蘭系數(shù)w”(按dh/Di,df”/Di ,查<<GB151-1999>>圖 26) 旋轉(zhuǎn)剛度MPa材料名稱16MnR(正火)殼殼體法蘭厚度44mm法蘭外徑860mm體法蘭寬度80mm比值法比值系數(shù),按dh/

33、Di,df”/Di , 查<<GB151-1999>>圖25蘭系數(shù),按dh/Di,df”/Di , 查<<GB151-1999>>圖26 旋轉(zhuǎn)剛度MPa法蘭外徑與內(nèi)徑之比殼體法蘭應(yīng)力系數(shù)Y (按K查<<GB1501998>>表9-5) 旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù)膨脹節(jié)總體軸向剛度0N/mm管板第一彎矩系數(shù)(按,查<<GB151-1999>>圖 27) 系系數(shù)系數(shù)(按查<<GB15198>>圖 29) 換熱管束與不帶膨脹節(jié)殼體剛度之比數(shù)換熱管束與帶膨脹節(jié)殼體剛度之比管板第二彎矩系數(shù)(按

34、K,Q或查<<GB151-1999>>圖28(a)或(b)系數(shù)（帶膨脹節(jié)時代替Q）計系數(shù) (按K,Q或Qex查圖30) 法蘭力矩折減系數(shù)管板邊緣力矩變化系數(shù)算法蘭力矩變化系數(shù)管管板開孔后面積Al = A - 0.25 npd 22.43e+05mm2板參管板布管區(qū)面積 (三角形布管) (正方形布管 ) 2.563e+05mm2數(shù)管板布管區(qū)當(dāng)量直徑mm系數(shù)系系數(shù)數(shù)系數(shù)計系數(shù)(帶膨脹節(jié)時代替Q) 算管板布管區(qū)當(dāng)量直徑與殼體內(nèi)徑之比管板周邊不布管區(qū)無量綱寬度k = K(1-rt)僅有殼程壓力Ps作用下的危險組合工況 (Pt = 0)不計溫差應(yīng)力計溫差應(yīng)力 換熱管與殼程圓筒熱膨

35、脹變形差 =(t-t)-(t-t) 當(dāng)量壓力組合 MPa 有效壓力組合 MPa基本法蘭力矩系數(shù) 管板邊緣力矩系數(shù)管板邊緣剪力系數(shù) 管板總彎矩系數(shù) 系數(shù)僅用于 時系數(shù) 當(dāng) 時,按K和m 查圖31(a)實線當(dāng) 時,按K和m 查圖31（b）系數(shù) > 0 ,=, < 0 , =管板徑向應(yīng)力系數(shù)帶膨脹節(jié)Q為Q= 管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力系數(shù) =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)計算值許用值 計算值許用值管板徑向應(yīng)力 1.5 1743 348 MPa管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力1.5 1743 348 MPa管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力0.5 581.5 174MPa殼體法蘭應(yīng)力1.5 1

36、743 348 MPa換熱管軸向應(yīng)力923 276MPa殼程圓筒軸向應(yīng)力MPa換熱管與管板連接拉脫應(yīng)力q=q463q焊接 q脹接138MPa僅有管程壓力Pt作用下的危險組合工況 (Ps = 0)不計溫差應(yīng)力計溫差應(yīng)力換熱管與殼程圓筒熱膨脹變形差=(t-t)-(t-t)當(dāng)量壓力組合MPa有效壓力組合MPa操作情況下法蘭力矩系數(shù)管板邊緣力矩系數(shù)管板邊緣剪力系數(shù)管板總彎矩系數(shù)系數(shù)僅用于時系數(shù)當(dāng)時,按K和m 查圖31（a）實線當(dāng)時,按K和m 查31（b)系數(shù)>0, =;<0 ,=管板徑向應(yīng)力系數(shù)帶膨脹節(jié)Q為Q=管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力系數(shù)=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)計算

37、值許用值計算值許用值管板徑向應(yīng)力1.5 1742383 348 MPa管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力1743348 MPa管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力0.5 581.5 174MPa殼體法蘭應(yīng)力1.5 1741403 348 MPa換熱管軸向應(yīng)力923 276MPa殼程圓筒軸向應(yīng)力MPa換熱管與管板連接拉脫應(yīng)力q=q463q焊接q脹接138MPa計算結(jié)果管板名義厚度50mm管板校核通過窄面整體(或帶頸松式)法蘭計算計算單位南京工業(yè)大學(xué)過程裝備與控制工程系設(shè)計條件簡圖設(shè)計壓力 pMPa計算壓力pcMPa設(shè)計溫度t° C軸向外載荷FN外力矩MN.mm殼材料名稱16MnR(正火)體許用應(yīng)力MPa法材料

38、名稱16MnR(熱軋)許用sfMPa蘭應(yīng)力stfMPa材料名稱40MnVB螺許用sbMPa應(yīng)力stbMPa栓公稱直徑d Bmm螺栓根徑d 1mm數(shù)量n24個DiDo墊結(jié)構(gòu)尺寸DbD外D內(nèi)0 mmLeLAh1材料類型軟墊片Nmy(MPa)壓緊面形狀1a,1bbDG片b0b= b0b0DG= ( D外+D內(nèi))/2b0 > bb0 > DG= D外- 2b螺栓受力計算預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷WaWa=bDGy= N操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷WpWp = Fp + F= N所需螺栓總截面積AmAm = max (Ap ,Aa ) = mm2實際使用螺栓總截面積AbAb = = mm2

39、力矩計算操FD pc = NLD= LA1 = mmMD= FD LD = N.mm作FG = Fp = NLG= 0.5 ( Db - DG ) = mmMG= FG LG = N.mmMpFT = F-FD = NLT=0.5(LA + d1 + LG ) = mmMT= FT LT = N.mm外壓: Mp = FD (LD - LG )+FT(LT-LG ); 內(nèi)壓: Mp = MD+MG+MT Mp = N.mm預(yù)緊MaW = NLG = mmMa=WLG = N.mm計算力矩Mo= Mp與Masft/sf中大者Mo = N.mm螺栓間距校核實際間距= mm最小間距56.0 (查GB

40、150-98表9-3)mm最大間距mm 形狀常數(shù)確定h/ho= K = Do/DI= 由K查表9-5得T=Z =Y =U=整體法蘭查圖9-3和圖9-4FI=VI=松式法蘭查圖9-5和圖9-6FL=VL=查圖9-7由d1/do 得f = 整體法蘭= 松式法蘭= =f e+1 =g = y/T= = 剪應(yīng)力校核計算值許用值結(jié)論預(yù)緊狀態(tài)MPa校核合格操作狀態(tài)MPa校核合格輸入法蘭厚度f = mm時, 法蘭應(yīng)力校核應(yīng)力性質(zhì)計算值許用值結(jié)論軸向應(yīng)力MPa =174.0 或 =( 按整體法蘭設(shè)計的任意式法蘭, 取 ) 校核合格徑向應(yīng)力MPa=校核合格切向應(yīng)力MPa=校核合格綜合應(yīng)力=MPa=校核合格法蘭校

41、核結(jié)果校核合格開孔補強計算計算單位南京工業(yè)大學(xué)過程裝備與控制工程系接管: C,114×2計算方法 : GB150-1998 等面積補強法, 單孔設(shè)計條件簡圖計算壓力pcMPa設(shè)計溫度350殼體型式圓形筒體殼體材料名稱及類型16MnR(正火)板材殼體開孔處焊接接頭系數(shù)殼體內(nèi)直徑Di700mm殼體開孔處名義厚度n6mm殼體厚度負偏差 C10mm殼體腐蝕裕量C21mm殼體材料許用應(yīng)力t134MPa接管實際外伸長度200mm接管實際內(nèi)伸長度0mm接管材料20G(熱軋)接管焊接接頭系數(shù)1名稱及類型管材接管腐蝕裕量1mm補強圈材料名稱凸形封頭開孔中心至封頭軸線的距離mm補強圈外徑mm補強圈厚度m

42、m接管厚度負偏差C1tmm補強圈厚度負偏差C1rmm接管材料許用應(yīng)力t92MPa補強圈許用應(yīng)力tMPa開孔補強計算殼體計算厚度mm接管計算厚度tmm補強圈強度削弱系數(shù) frr0接管材料強度削弱系數(shù)fr開孔直徑dmm補強區(qū)有效寬度Bmm接管有效外伸長度h1mm接管有效內(nèi)伸長度h20mm開孔削弱所需的補強面積Amm2殼體多余金屬面積A1mm2接管多余金屬面積A2mm2補強區(qū)內(nèi)的焊縫面積A336mm2A1+A2+A3= mm2 ，大于A，不需另加補強。補強圈面積A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2結(jié)論: 補強滿足要求,不需另加補強。4、管道設(shè)計4.1 管子選型(1) 材料綜合考慮設(shè)計溫度、壓力以

43、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：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1.4MPa時，不管溫度有多高，都不會發(fā)生嚴重的氫腐蝕。本裝置中臨氫部分最高工作溫度為300，雖然超過220，但轉(zhuǎn)化氣中氫氣的分壓遠低于1.4MPa。所以20g無縫鋼管符合抗腐蝕要求。溫度20g無縫鋼管的最高工作溫度可達475，溫度符合要求。經(jīng)濟性20g無縫鋼管屬于碳鋼管，投資成本和運行維護均較低。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)計導(dǎo)熱油管道的規(guī)格和保溫結(jié)構(gòu)的確定流量/h3/s 流速范圍2.0m/s 取為/s 則Di壁厚tSch.x=1000×=1000×=3故選擇RO0101、RO0102、RO0103、RO0104管道規(guī)格為159×無縫鋼管流速校正 u=/s 保溫層計算: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)單位造價為750元/m3,貸款計息年數(shù)為5年,復(fù)利率為10%,熱價為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