甲醇制氫汽化塔設(shè)計(jì)

甲醇制氫汽化塔設(shè)計(jì)（共29頁）-本頁僅作為預(yù)覽文檔封面，使用時(shí)請刪除本頁-甲醇制氫生產(chǎn)裝置姓名：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)氫氣；③烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化法；④烴類部分氧化法；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)模用氫的場合，工藝路線復(fù)雜，流程長，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?3000mVh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式的裝置，操作方便，搬運(yùn)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。目錄前言設(shè)計(jì)任務(wù)書甲醇制氫工藝設(shè)計(jì)甲醇制氫工藝流程物料衡算熱量衡算汽化塔設(shè)計(jì)工藝計(jì)算填料段工藝計(jì)算結(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)評價(jià)、環(huán)境評價(jià)4．結(jié)束語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)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：進(jìn)入原料液儲罐，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H、CO的以及未反應(yīng)的甲醇和水蒸氣等首先與原料液換熱(E0101)22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CO、CO及其它雜質(zhì)，得到一定純度要求的氫氣。2屛序號123456rj3101.LLL￡gg負(fù):i￡u;;1101J.i'91：：13.-1791:^]：）.L3h少雖少顯::打855.123855.123血h.IM855.123術(shù):溺；^n.瀚少顯少顯〔門1365/20]365.720少顯8.nn98.7798.:I2.8^.500187.50018R.5001B7.5OO圖1—2物料衡算1、依據(jù)甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)方程式：CH3OH^COt+2H2丁

CO+HOTCOT+H222CHOH分解為CO轉(zhuǎn)化率99%,反應(yīng)溫度280°C,反應(yīng)壓力，醇水投料比31:(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)?CHOHTT+T+CHOH323CO+TT++222合并式(1-5),式(1-6)得到:CHOH+HOTCOT+HT+CHOH+COT32223氫氣產(chǎn)量為: 3500m3/h=h甲醇投料量為：x32二kg/h水投料量為： 32xx18=kg/h3、 原料液儲槽(V0101)進(jìn)：甲醇kg/h,水kg/h出：甲醇kg/h,水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(jìn)：甲醇kg/h,水kg/h,總計(jì)kg/h出：生成CO出：生成CO232xx44=kg/hH 32xx2=kg/h2CO 32xx28=kg/h剩余甲醇 32xx32 =kg/h剩余水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CO的分壓為MPa,操作溫度為常溫(25°C).2此時(shí)，每m3吸收液可溶解m3.此數(shù)據(jù)可以在一般化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊中找到,2二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1—2。解吸塔操作壓力為,CO溶解度為,則此時(shí)吸收塔的吸收能力為：2壓力下p=pM/RT=x[x+25)]=m3CO體積量V==m3/h2 CO2據(jù)此,所需吸收液量為/=m3/h考慮吸收塔效率以及操作彈性需要，取吸收量為m3/hx3=m3/h可知系統(tǒng)壓力降至?xí)r，析出CO量為m3/h=h.2混合氣體中的其他組分如氫氣,C0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.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,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，設(shè)溫度為T,根據(jù)汽液平衡關(guān)系有+=甲醇水初設(shè)T=170°C p二；p=MPa甲醇水p=<MPa總再設(shè)T=175°C p二；p=MPa甲醇水p=MPa總蒸氣壓與總壓基本一致，可以認(rèn)為操作壓力為時(shí)，汽化塔塔頂溫度為175°C.2、 轉(zhuǎn)換器(R0101)兩步反應(yīng)的總反應(yīng)熱為mol，于是,在轉(zhuǎn)化器內(nèi)需要供給熱量為：Q =xxx =x6h反應(yīng)此熱量由導(dǎo)熱油系統(tǒng)帶來，反應(yīng)溫度為280°C,可以選用導(dǎo)熱油溫度為320°C,導(dǎo)熱油溫度降設(shè)定為5°C,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：c=xc=(kg?K)p320克 p300克取平均值 c=kJ/(kg?K)p則導(dǎo)熱油用量 w=Q7(cAt)=x6x=h反應(yīng)p3、 過熱器(E0102)甲醇和水的飽和蒸氣在過熱器中175°C過熱到280°C,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=工cmAt=xxx(280-175)=x6hp導(dǎo)熱油c=kJ/(kg?K),于是其溫降為：pAt二Q/(cm)=x6x導(dǎo)熱油出口溫度為： 二°CP4、 汽化塔(T0101)認(rèn)為汽化塔僅有潛熱變化。175C甲醇H二kg水H二203lkJ/kgQ=xxx6kJ/h以300C導(dǎo)熱油c計(jì)算c=kJ/(kg?K)ppAt=Q/(cm)=x6(2.x.24)=CP則導(dǎo)熱油出口溫度t==C2導(dǎo)熱油系統(tǒng)溫差為AT==C基本合適.5、 換熱器(E0101)殼程：甲醇和水液體混合物由常溫(25C)升至175C，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=工cmAt=xxx(175-25)=x5hp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：沁kJ/(kg?K)pco2沁kJ/(kg?K)pH2c沁kJ/(kg?K)pco則管程中反應(yīng)后氣體混合物的溫度變化為：At=Q/(cm)=x5xxx換熱器出口溫度為 二CP6、冷凝器(E0103)在E0103中包含兩方面的變化：①CO,CO,H的冷卻以及②CHOH,H0的2232冷卻和冷凝.①CO,CO,H的冷卻22Q=EcmAt=xxxx=x6hp②CHOH的量很小，在此其冷凝和冷卻忽略不計(jì)。壓力為時(shí)水的冷凝熱3為：H=2135KJ/kg,總冷凝熱 Q=Hxm=x=x6h2水顯熱變化Q=cmAt=xxx5 Q=Q+Q+Q=x6h3p123冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，采用中溫型涼水塔，則溫差厶T=10°C用水量w=Q/(cAt)=x6x=x5h4汽化塔設(shè)計(jì)填料段填料段工藝計(jì)算物流名稱管程殼程/(kg/h)進(jìn)口/(kg/h)出 口/(kg/h)設(shè)計(jì)溫度/°C壓力/MPa進(jìn)出口/(kg/h)設(shè)計(jì)溫度/°C壓力/MPa甲醇280水二氧化碳—氧化碳?xì)錃鈱?dǎo)熱油90320已知進(jìn)入汽化器的混合液體質(zhì)量流量為h,操作壓力為，液體的入口溫度為175°C。氣體的質(zhì)量流量也為kg/h,壓力為Mpa,溫度為175°C。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p=m3()V混合液體的密度p=m3()l混合氣體的質(zhì)量流量m=hV混合液體的質(zhì)量流量ml=h。則m p 3114.337 16.05_1 (V) 0.5= ( ) 0.5=()m p 3114.337 729.85vl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?即Il2 卩0-2=U2U1—=F gp1式中e二160m-1 申二1.222() 卩=*s1由此可得泛點(diǎn)氣速uFi1 0.14x9.81x729.85計(jì)恤巴°.2“16°x1.222x16.05x0.°47°.2計(jì)恤巴°.2取空塔氣速為泛點(diǎn)氣速的70%，得空塔氣速uu=u=*=s()F由此可得填料塔的塔徑D―丁_I4x3114.337兀u3.14x0.538°x360°x16.05圓整至D=m。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=*=Mpa.\c設(shè)計(jì)溫度取最高工作溫度即40°C設(shè)備材料為16MnR焊接接頭系數(shù)0二0.85 (雙面對接焊，局部無損探傷)鋼板厚度負(fù)偏差c=,腐蝕余量c=,厚度附加量C=C+C=o1212筒體體的計(jì)算厚度計(jì)算pD 1.65x0.4O= c i 2[6]t0-p 2x170x0.85-1.65c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O=8mm。n考慮到與換熱器的連接，最終取名義厚度為O=8mm。n封頭厚度計(jì)算選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，其厚度為：pD 1.65x0.3 c i

2[O]t0-0.5*p 2x170x0.85—0.5x1.65c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，O=8mm。n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。填料高度取1000mm，故筒節(jié)長度取為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10mmX6mm，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支粱進(jìn)行，略去填料對塔壁的摩擦阻力，作用在柵條上的總載荷為：P=Pp+PL其中填料重量重力 Pp=pp=XXXX380二填料層持液量PL=plX10-4=XXXX860X10-4=X10-3N考慮柵條上載荷的不均勻性及安全系數(shù)，梁上彎矩為：M二(PL+Pp)L二(42.219+0.00319)x0.6二m

66柵條上的應(yīng)力為：M 6Mo=——=—W(s-C)(h-C)(h-C)= 6x4.222 ==(0.006-0.001)(0.01-0.001)(0.01-0.001)=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，mo<[o]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.1.1.2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)

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。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)目符號單位計(jì)算公式或來源結(jié)果備注管程流體名稱甲醇+水管殼流體名稱導(dǎo)熱油導(dǎo)熱油的進(jìn)出口溫度T；iT0°C給定313；甲醇+水的進(jìn)出口溫度t.；ti 0°C給定175；175甲醇+水，導(dǎo)熱油的工作壓力p；tpMPa給定;甲醇+水的質(zhì)量流量wtkg/s給定2，定性溫度與物性參數(shù)計(jì)算內(nèi)容或項(xiàng)目符號單位計(jì)算公式或來源結(jié)果備注甲醇+水的定性溫度tmCT=(T+T)/2m 1 2175導(dǎo)熱油的定性溫度TmCt=(t+1)/2m 1 2309甲醇+水，導(dǎo)熱油的密度p;pt skg/m3按定性溫度查物性表860；1070甲醇+水，導(dǎo)熱油的比熱容c；ct sJ/(kg?°C)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)九;九t sW/(m?°C)按定性溫度查物性表甲醇+水，導(dǎo)熱油的粘度卩;卩t sPa?s按定性溫度查物性表X；X甲醇+水導(dǎo)熱油普朗特?cái)?shù)Pr；Prt s查表或計(jì)算；物料與熱量衡算計(jì)算內(nèi)容或項(xiàng)目符號單位計(jì)算公式或來源結(jié)果備注換熱器效率1負(fù)荷QW見汽化塔熱量衡X

導(dǎo)熱油的質(zhì)量流量wskg/s見過熱器熱量衡^算4，有效平均溫差計(jì)算內(nèi)容或項(xiàng)目符號單位計(jì)算公式或來源結(jié)果備注逆流對數(shù)平均溫差A(yù)tlog°CAt=(At-Alog 1t)/1n(At/At)212流程型式初步確定1—2型管殼式換熱器1殼程一2管程參數(shù)RR=(Ti-T)/(t-00t)i1參數(shù)PP=(t-1)/(Ti-1)0 i i0溫度校正系數(shù)申查圖4-21有效平均溫差A(yù)t M—°CAt=申Atm log5，初算傳熱面積計(jì)算內(nèi)容或項(xiàng)目符號單位計(jì)算公式或來源結(jié)果備注初選總傳熱系數(shù)K0W/(m2?°C)參考表4-1600初算傳熱面積A0m2A=Q/(KA00t) M 6,換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容或項(xiàng)目符號單位計(jì)算公式或來源結(jié)果備注換熱管材料選用碳鋼無縫鋼管4)19X2換熱管內(nèi)，外徑d；dim;換熱管管長Lm選用9m標(biāo)準(zhǔn)管長折半換熱管根數(shù)nn二A/(nd0L)96管程數(shù)Nt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d*Sjtjt按接管內(nèi)流體流速V3m/s合理440X4

厚）選取殼程數(shù)Nsm1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二或按標(biāo)準(zhǔn)4管束中心排管數(shù)ncn二Jn（外加6c根拉桿）12殼體內(nèi)徑DimD=S(n-1)+i c(1-2)d換熱管長徑比L/DiL/Di3實(shí)排換熱器管根數(shù)n作圖或按計(jì)算102折流板型式選疋單弓形折流板折流板外徑Dm按GB151T999折流板缺口弦咼hm取h=D/折流板間距Bm取B=(?1)D/折流板數(shù)NbN二L/B—1b9殼程進(jìn)出口接管尺寸（外徑*壁厚）d*Sjs jsm合理選取4)133X47，管程傳熱與壓降計(jì)算內(nèi)容或項(xiàng)目符號單位計(jì)算公式或來源結(jié)果備注管程流速u/m/su=4wN/(pnnd2)i t T t i管程雷諾數(shù)ReiRe=dup/卩i iii i換熱器壁彳曰/溫t'w°C假定260管程流體給熱系數(shù)aiW/(m2?C)a-九Reo$pdi rni管程進(jìn)出口處流速uNtm/s4w/[p兀(d -2S)2]t t jt jt管程摩擦因子fi查表4-3管內(nèi)摩擦壓降△pfPa△p=4fNLpu2/d(卩/卩)mf it tii i w回彎壓降△p r Pa△p=4Npu2/2 r 1 1——i

進(jìn)出口局部壓降△pNtPa△p=pu22Nt tNt管程壓降△ptPa△p=(△p+△p)F+△pt f r i Nt作代工口曰_1_官程取大允許壓降[△p]tPa查表4-335000校核管程壓降△pVt[△p] t 合理8、殼程傳熱與壓降楠目00位自一6^源來或式公算計(jì)ml/芽吉幺-備注徑直量當(dāng)程士冗m722兀一一eDn流的積束面管截過通橫2rn?Z$□速流體流程士冗s0H0p=ou□數(shù)諾雷程士冗c〉0up一)￡-oeR□熱給體數(shù)流系程士冗411o("%0oe九D--oa部數(shù)缺詹湍的折分?管6□值npnp44-表按2mwn-2iD卩-lbA□缺速圓流板體流流折丄丿JAHsp--流均T缺園sw*owJ=mu□出速強(qiáng)流?s2s24wop兀UN□f4-4圖查Z/M笥降間壓板束流管折p+2CWp'2DDjof4=cp△□TnP△p2nA匕2cp=Tnp△△p2/2”w0p=p△

降pNs殼程壓降△psPa△p=^p+△p+△ps c b Ns殼程最大允許壓降[△p]Pa查表4-335000校核殼程壓降△pVs[△p]s合理9，總傳熱系數(shù)計(jì)算內(nèi)容或項(xiàng)目符號單位計(jì)算公式或來源結(jié)果備注管內(nèi)污垢熱阻rdim2?°C/W查表4-5X10-5管外污垢熱阻rd0m2?°C/W查表4-5X10-5換熱管材料導(dǎo)熱系數(shù)九wW/(m?°C)查表3管壁熱阻rwm2?°C/Wdl(d)r——ln( )w2九 d-28X10-5總傳熱系數(shù)KW/(m2?°C)按式4-2210傳熱面積與壁溫核算計(jì)算內(nèi)容或項(xiàng)目符號單位計(jì)算公式或來源結(jié)果備注需要傳熱面積Am2A=QKAtm實(shí)有傳熱面積A實(shí)m2A=nnd(L-2S)設(shè)管實(shí) t板厚度為校核傳熱面積△A△A=A/A實(shí)熱流體傳熱面積twh°C按式4-25冷流體傳熱面積twc°C按式4-26管壁計(jì)算溫度tC按式4-24校核管壁溫度△tC△t=t-1'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)型式換熱管及其排列方式：采用申25X2的無縫鋼管，材料為20號鋼。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，p12mm，共根筒體：材料采用16MnR鋼，筒體內(nèi)徑p500mm，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，必須對換熱器的所有受壓元件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。對鋼制的換熱器，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，編寫材料表等管道設(shè)計(jì)管子選型材料——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：腐蝕性一一本生產(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°C以下氫腐蝕反應(yīng)速度極慢，而且氫分壓不超過時(shí)，不管溫度有多高，都不會發(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°C，雖然超過220°C，但轉(zhuǎn)化氣中氫氣的分壓遠(yuǎn)低于。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(dá)475°C，溫度符合要求。經(jīng)濟(jì)性——20g無縫鋼管屬于碳鋼管，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。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qv=h=S流速范圍?S取為S則4qD=v=i\nupD 0.32x133.5TOC\o"1-5"\h\z壁厚t=i= =Q-p2x100x0.8-0.32ip 0.3=1000X占=1000X =3lol 100查表應(yīng)選用系列得管子故選擇R00101、R00102、R00103、R00104管道規(guī)格為?159X無縫鋼管流速校正u二血=snD2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°C,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°C,巖棉在使用溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)為

保溫工程投資償還年分?jǐn)偮?。_0.1x(1+0.1》S=G+0.1》—保溫工程投資償還年分?jǐn)偮省0.1x(1+0.1》S=G+0.1》—1計(jì)算經(jīng)濟(jì)保溫層經(jīng)濟(jì)厚度DDIn1

1D0P九t(T-T)3.795x10-3,——aPS1 T■a——=3.795x10-3」10xO'0609x8000X(32E刃-2xO'0609750x0.264 12查表得保溫層厚度&=107mm.計(jì)算保溫后的散熱量2n(T-T)0 a 1D2In1+入DDa0 1S2x3.14x(320-20) =m1 [0.159+0.212 2x0.0609In +0.0609 0.159 0.371x12計(jì)算保溫后表面溫度兀Da1s+T= 131244a兀x0.371x12+20=°C計(jì)算出來的表面溫度°C略低于最初計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)是假設(shè)的表面溫度30°C,故&=107mm的保溫層可以滿足工程要求.②甲醇原料管道的規(guī)格流量q=h=s—般吸水官中流速u=1m/s,出水官中流速u=sv12則D=,亙=/i 兀u故選擇PL0101管道規(guī)格為025X2無縫鋼管選擇PL0102管道規(guī)格為020X2無縫鋼管流速校正u二上紅二s,合適u二坐=s1兀D2 2兀D2③脫鹽水原料管道的規(guī)格流量q=h=s計(jì)算過程同上選擇DNW0101管道規(guī)格為022X2無縫鋼管選擇DNW0102管道規(guī)格為018X2無縫鋼管

流速校正U二上紅=s U二上紅=s1兀D2 2兀D2甲醇水混合后原料管道的規(guī)格流量qv=h=s計(jì)算過程同上選擇PL0103管道規(guī)格為032X2無縫鋼管選擇PL0104、PL0105管道規(guī)格為025X2無縫鋼管流速校正u二上紅=s u二上紅=s1兀D2 2兀D2吸收液碳酸丙烯酯管道的規(guī)格流量qv=42000Kg/h=s計(jì)算過程同上選擇PL0106管道規(guī)格為048X4無縫鋼管選擇PL0107、PL0108管道規(guī)格為038X3無縫鋼管流速校正u二上紅=s u二上紅=s1兀D2 2兀D2冷卻水管道的規(guī)格流量qv=95465Kg/h=s計(jì)算過程同上選擇CWS0101管道規(guī)格為0159X無縫鋼管選擇CWS0102、CWR0101管道規(guī)格為0133X4無縫鋼管流速校正u二上紅=s u二上紅=s1兀D2 2兀D2PG0101、PG0102、PG0103、PG0104混合氣管道的規(guī)格流量qv=h=s計(jì)算過程同上v200°C:壁厚t=1.6200°C:壁厚t=1.6x802x123x0.8—1.62鼻］$—pi300°C:壁厚300°C:壁厚t=1.6x802x101x0.8—1.6選擇PG0101、PG0102、PG0103、PG0104管道規(guī)格為089X無縫鋼管流速校正u二上紅=s1兀D2其它管道規(guī)格尺寸選擇PG0105管道規(guī)格為073X4 PG0106管道規(guī)格為089XPG0107管道規(guī)格為089X PL0109管道規(guī)格為032X4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：序號所在官道編號管內(nèi)介質(zhì)設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)溫度流量狀態(tài)流速公稱直徑材料

1PG0106—80M1B氫氣50氣相8020g2PG0101—80M1B2001869氣相8020g3PG0102-80M1B-H甲醇％水％3001869氣相8020g4PG0103-80M1B3001869氣相8020g5PG0104-80M1B-HH10%CO2273%HO17%22001869氣相8020g6PG0105-65M1BH12%CO88%501553氣相6520g7RO0101-150L1B-H導(dǎo)熱油320110035液相15020g8RO0102-150L1B-H導(dǎo)熱油320110035液相15020g9RO0103-150L1B-H導(dǎo)熱油320110035液相15020g10RO0104-150L1B-H導(dǎo)熱油320110035液相15020g11PL0101-20L1B甲醇常壓50液相2020g12PL0102-15L1B甲醇常壓50液相1520g13PL0103-32L1B原料液常壓501869液相3220g14PL0104-20M1B原料液501869液相2020g15PL0105-20M1B原料液2001869液相2020g16PL0106-40L1B吸收液504200液相4020g17PL0107-32L1B吸收液504200液相3220g18PL0108-32L1B吸收液5042000液相3220g19DNW0101-20L1B脫鹽水50855液相2020g20DNW0102-15L1B脫鹽水50855液相1520g21CWS0101-150L1B冷卻水5095465液相150鍍鋅管22CWS0102-125L1B冷卻水5095465液相125鍍鋅管23CWR0101-125L1B冷卻水8095465液相125鍍鋅管24PG0107-80L1B食品二氧化碳501366氣相11800Cr18Ni925PL0109-20M1B工藝?yán)淠?0280液相2020g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P01023?混合原料計(jì)量泵P0103 4.吸收液用泵P01045?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h。溫度為25°C。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：=h泵的流量Q=X=h工藝估算所需揚(yáng)程80m,泵的揚(yáng)程H=X80=88m折合程計(jì)量泵的壓力：P=pgh=807XX88/106=泵的選型：查表得，JD1600/型計(jì)量泵的流量為1600L/h，壓力，轉(zhuǎn)速115r/min,電機(jī)功率，滿足要求純水計(jì)量泵P0101選型已知條件：水的正常投料量為h。溫度為25°C。密度為L；操作情況為泵從純水儲槽中吸入水，送入原料液儲罐，與甲醇混合工藝所需正常的體積流量為：=h泵的流量Q=X=h工藝估算所需揚(yáng)程80m,泵的揚(yáng)程H=X80=88m折合程計(jì)量泵的壓力：P=pgh=997XX88/106二泵的選型：查表得，JD1000/型計(jì)量泵的流量為1000L/h，壓力，轉(zhuǎn)速115r/min,電機(jī)功率，滿足要求混合原料計(jì)量泵P0103選型已知條件：原料的正常投料量為h0溫度為25°C。密度為L；操作情況為泵從原料液儲槽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：=h泵的流量Q=X=h工藝估算所需揚(yáng)程80m,泵的揚(yáng)程H=X80=88m折合程計(jì)量泵的壓力：P=pgh=860XX88/106=泵的選型：查表得，JD2500/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.吸收液用泵P0104已知條件:①吸收液的輸送溫度25°C,密度760Kg/m3.泵的正常流量為4200kg/h②操作情況，泵從吸收液儲槽中吸入吸收液，送入T0102中，再回解析塔解析出CO，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4200/1000二m3/h泵的流量取正常流量的倍:Q=X=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)程取倍的安全裕度：H=X35=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rw/h，轉(zhuǎn)速2900r/min，電機(jī)功率為。選用該型號泵較合適。.冷卻水用泵P0105已知條件:①水的輸送溫度25°C,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=m3/h泵的流量取正常流量的倍:Q=X=rw/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)程取倍的安全裕度：H=X35=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120rw/h,轉(zhuǎn)速2900r/min,軸功率，電機(jī)功率為22KW，效率77%。允許氣蝕余量,選用該型號泵較合適。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，匯總于下表：序號所在管道編號管內(nèi)介質(zhì)設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)溫度公稱直徑閥門選型連接形式閥門型號1PG0106—80M1B氫氣5080法蘭閘閥：等，截止閥：2R00101—150L1B-H導(dǎo)熱油320150法蘭閘閥：、等，截止閥：等3RO0104-150L1B-H導(dǎo)熱油320150法蘭4PL0101-20L1B甲醇常壓5020法蘭閘閥：、、（螺紋）等，截止閥：等止回閥：5PL0102-15L1B甲醇常壓5015法蘭6PL0103-32L1B原料液常壓5032法蘭、螺紋7DNW0101-20L1B脫鹽水5020法蘭、螺紋8PG0107-80L1B食品 /=氧化碳5080螺紋閘閥：等，截止閥：等9PL0107-32L1B吸收液5032法蘭、螺紋閘閥：止回閥：10PL0109—20M1B工藝?yán)淠?020法蘭管道法蘭選型

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：序號所在官道編號管內(nèi)介質(zhì)設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)溫度公稱直徑閥門公稱壓力等級法蘭選型法蘭類型密封面型式公稱壓力等級1PG0106—80M1B氫氣5080帶頸平焊法蘭凹凸面2PG0101—80M1B混合氣體2003PG0102-80M1B-H3004PG0103—80M1B3005PG0104-80M1B-H2006PG0105—65M1B50657RO0101-150L1B-H導(dǎo)熱油3201508RO0102-150L1B-H導(dǎo)熱油3209RO0103-150L1B-H導(dǎo)熱油32010RO0104-150L1B-H導(dǎo)熱油32011PL0101-20L1B甲醇常壓502012PL0102-15L1B甲醇常壓501513PL0103-32L1B原料液常壓503214PL0104-20M1B原料液502015PL0105-20M1B原料液2002016PL0106-40L1B吸收液504017PL0107-32L1B吸收液503218PL0108-32L1B吸收液503219DNW0101-20L1B脫鹽水5020突面20DNW0102-15L1B脫鹽水501521CWS0101-150L1B冷卻水5015022CWS0102-125L1B冷卻水5012523CWR0101-125L1B冷卻水8012524PG0107-80L1B食品二氧化碳5080凹凸面25PL0109-20M1B工藝?yán)淠?020突面6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)。過程檢測儀表的選用根據(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）測溫兀件及變送器 被控溫度在500C以下，選用鉑熱電阻溫度計(jì)。為了提高檢測精確度，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、催化劑破壞等等，所以選擇氣開形式的調(diào)節(jié)閥，正作用閥；根據(jù)過程特性與控制要求選用對數(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)閥公稱直徑和閥芯直徑的具體尺寸。Qmax=509Qmin=m3/hP1=P2=Mpar二m3管徑159mmAp=P1—P2=Mpa二cm3Cvmax=*r/Ap=x509、.1.070/0.49=878Cvmax=ir/Ap=x31.8J1.070/0.49=55據(jù)此選擇Cv和調(diào)節(jié)閥的口徑DN調(diào)節(jié)器 根據(jù)過程特性與工藝要求，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

控制系統(tǒng)方框圖調(diào)節(jié)器參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)試湊：對于溫度控制系統(tǒng)，一般取&=20?60%,T=3~10min,T=1DT/411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)控制過程的具體說明當(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，測量元件（鉑熱電阻溫度計(jì)）檢測到溫度值，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，加大調(diào)節(jié)閥的開度，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)評價(jià)1．甲醇制氫裝置的投資估算（1）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。本套裝置共有儲槽和分離容器4臺，分別