甲醇制氢工艺设计

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1、前前 言言氢气是一种重要的工业产品，它广泛用于石油、化工、建材、冶金、电子、医药、电力、轻工、气象、交通等工业部门和服务部门，由于使用要求的不同，这些部门对氢气的纯度、对所含杂质的种类和含量都有不相同的要求，特别是改革开放以来，随着工业化的进程，大量高精产品的投产，对高纯度的需求量正逐步加大，等等对制氢工艺和装置的效率、经济性、灵活性、安全都提出了更高的要求，同时也促进了新型工艺、高效率装置的开发和投产。依据原料及工艺路线的不同，目前氢气主要由以下几种方法获得：电解水法；氯碱工业中电解食盐水副产氢气；烃类水蒸气转化法；烃类部分氧化法；煤气化和煤水蒸气转化法；氨或甲醇催化裂解法；石油炼制与石油化

2、工过程中的各种副产氢；等等。其中烃类水蒸气转化法是世界上应用最普遍的方法，但该方法适用于化肥及石油化工工业上大规模用氢的场合，工艺路线复杂，流程长，投资大。随着精细化工的行业的发展，当其氢气用量在 2003000m3/h 时，甲醇蒸气转化制氢技术表现出很好的技术经济指标，受到许多国家的重视。甲醇蒸气转化制氢具有以下特点：（1）与大规模的天然气、轻油蒸气转化制氢或水煤气制氢相比，投资省，能耗低。（2）与电解水制氢相比，单位氢气成本较低。（3）所用原料甲醇易得，运输、贮存方便。（4）可以做成组装式或可移动式的装置，操作方便，搬运灵活。对于中小规模的用氢场合，在没有工业含氢尾气的情况下，甲醇蒸气转化

3、及变压吸附的制氢路线是一较好的选择。本设计采用甲醇裂解+吸收法脱二氧化碳+变压吸附工艺，增加吸收法的目的是为了提高氢气的回收率，同时在需要二氧化碳时，也可以方便的得到高纯度的二氧化碳。目录目录1 设计任务书 32 甲醇制氢工艺设计 42.1 甲醇制氢工艺流程 42.2 物料衡算 42.3 热量衡算 63 反应器设计 . 93.1 工艺计算 93.2 结构设计 . 134 管道设计.5 自控设计.6 技术经济评价、环境评价7 结束语.8 致谢.9 参考文献.附录：1.反应器装配图，零件图2.管道平面布置图3.设备平面布置图4.管道仪表流程图5.管道空视图6.单参数控制方案图 1 1、设计任务书、

4、设计任务书 2 2、甲醇制氢工艺设计、甲醇制氢工艺设计2.1 甲醇制氢工艺流程甲醇制氢工艺流程甲醇制氢的物料流程如图 12。流程包括以下步骤：甲醇与水按配比 1：1.5 进入原料 液储罐，通过计算泵进入换热器（E0101）预热，然后在汽化塔（T0101）汽化，在经过换 热器(E0102)过热到反应温度进入转化器(R0101)，转化反应生成 H2、CO2的以及未反应的 甲醇和水蒸气等首先与原料液换热(E0101)冷却，然后经水冷器(E0103)冷凝分离水和甲醇， 这部分水和甲醇可以进入原料液储罐，水冷分离后的气体进入吸收塔，经碳酸丙烯脂吸收 分离 CO2，吸收饱和的吸收液进入解析塔降压解析后循环

5、使用，最后进入 PSA 装置进一步 脱除分离残余的 CO2、CO 及其它杂质，得到一定纯度要求的氢气。图 12 甲醇制氢的物料流程图及各节点物料量2.2 物料衡算物料衡算1、依据甲醇蒸气转化反应方程式:CH OHCO+2H （1-1）32CO+H OCO + H （1-2）222CH OH 分解为 CO 转化率 99%,反应温度 280,反应压力 1.5MPa,醇水投料比 1:1.5(mol).32、投料计算量代入转化率数据,式(1-3)和式(1-4)变为:CH OH0.99CO+1.98H +0.01 CH OH323CO+0.99H O0.99CO + 1.99H +0.01CO222合并

6、式(1-5),式(1-6)得到:CH OH+0.981 H O0.981 CO +0.961 H +0.01 CH OH+0.0099 CO32223氢气产量为: 1200m /h=53.571 kmol/h3甲醇投料量为: 53.571/2.960132=579.126 kg/h 水投料量为: 579.126/321.518=488.638 kg/h 3、原料液储槽(V0101) 进: 甲醇 579.126 kg/h , 水 488.638 kg/h 出: 甲醇 579.126 kg/h , 水 488.638 kg/h 4、换热器 (E0101),汽化塔(T0101),过热器(E0103)

7、 没有物流变化. 5、转化器 (R0101) 进 : 甲醇 579.126kg/h , 水 488.638 kg/h , 总计 1067.764 kg/h出 : 生成 CO 579.126/320.980144 =780.452 kg/h2H 579.126/322.96012 =107.142 kg/h2CO 579.126/320.009928 =5.017 kg/h剩余甲醇 579.126/320.0132 =5.791 kg/h剩余水 488.638-579.126/320.980118=169.362 kg/h总计 1067.764 kg/h 6、吸收塔和解析塔吸收塔的总压为 15M

8、Pa,其中 CO 的分压为 0.38 MPa ,操作温度为常温(25). 此时,2每 m 吸收液可溶解 CO 11.77 m .此数据可以在一般化工基础数据手册中找到，二氯3 23化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度数据见表 1 一 l 及表 12。解吸塔操作压力为 0.1MPa, CO 溶解度为 2.32,则此时吸收塔的吸收能力为:211.77-2.32=9.450.4MPa 压力下 =pM/RT=0.444/0.0082(273.15+25)=7.20kg/ m 2co3CO 体积量 V=780.452/7.20=108.396 m /h22CO3据此,所需吸收液量为 108.396/9.45=11

9、.47 m /h3考虑吸收塔效率以及操作弹性需要,取吸收量为 11.47 m /h=34.41 m /h333可知系统压力降至 0.1MPa 时,析出 CO 量为 108.396m /h=780.451 kg/h.23混合气体中的其他组分如氢气,CO 以及微量甲醇等也可以按上述过程进行计算,在此, 忽略这些组分在吸收液内的吸收. 7、PSA 系统 略. 8、各节点的物料量 综合上面的工艺物料衡算结果,给出物料流程图及各节点的物料量,见图 1 一 2.3.3 热量衡算热量衡算1、汽化塔顶温确定 在已知汽相组成和总压的条件下，可以根据汽液平衡关系确定汽化塔的操作温度甲 醇 和水的蒸气压数据可以从一

10、些化工基础数据手册中得到：表 1-3 列出了甲醇的蒸气压数 据 水的物性数据在很多手册中都可以得到，这里从略。 在本工艺过程中,要使甲醇水完全汽化,则其汽相分率必然是甲醇 40%,水 60%(mol)且 已知操作压力为 1.5MPa,设温度为 T,根据汽液平衡关系有0.4p+0.6p=1.5MPa甲醇水初设 T=170 p=2.19MPa; p=0.824 MPa甲醇水p=1.3704图25)C“0.00兰系数”(按h/Di ,” /Di ,查图 26) 0.000151旋转刚度 22121“ h3i“ ffif“ f“ fEDbDbEK 9.542MPa材料名称16MnR(正火正火)壳 壳体

11、法兰厚度f44mm法兰外径 Df860mm体 法兰宽度 2/ )(ffiDDb80mm比值 si/ D0.006071法 比值fi/ D0.06286系数, 按h/Di ,” /Di , 查图25 C0.00兰 系数, 按h/Di ,” /Di , 查图26 0.0001626旋转刚度 22121 s3ifif EDbDbEKff f8.573MPa法兰外径与内径之比 KDDfi1.229壳体法兰应力系数Y (按 K 查表9-5) 9.55旋转刚度无量纲参数 tf fKKK40.001777膨胀节总体轴向刚度 222E litcr()0N/mm管板第一弯矩系数(按,查图 27) KKfm10.

12、1075系系数 mK K1 f14.73系数(按查图 29) KtKf G22.952换热管束与不带膨胀节壳体刚度之比 Q E na E Atss4.445数换热管束与带膨胀节壳体刚度之比 LKAELKAEnaEQex exssexsst)(管板第二弯矩系数(按K,Q或查图28(a)或(b)Qexm23.591系数（带膨胀节时代替Q） Qex)(2211GQKmM0.001768计 系数 (按K,Q或Qex 查图30) G30.01187法兰力矩折减系数 KKG ()ff30.1302管板边缘力矩变化系数 “ 1ffKKM0.9722算 法兰力矩变化系数 “ fffKKMM0.8734管管板开

13、孔后面积 Al = A - 0.25 nd 22.43e+05mm2板参管板布管区面积(三角形布管) AnSAtd08662.(正方形布管 ) AnSAtd22.563e+05mm2数 管板布管区当量直径 /4ttAD 571.2mm系数 AAl/0.6314系 系数 naA/l0.1719数 系数 s04061.() /Q5.575计 系数(带膨胀节时代替Q) Qex/ )6 . 0()1 (4 . 0tQ8.46算 管板布管区当量直径与壳体内径之比 tti DD/0.8161管板周边不布管区无量纲宽度 k = K(1-t) 0.756仅有壳程压力Ps作用下的危险组合工况 (Pt = 0)不计温差应力计温差应力换热管与壳程圆筒热膨胀变形差=(t -t )-(t-t )tt0ss00.0-0.001212当量压力组合 PPcs0.550.55MPa有效压力组合 tssaEPP3.066-35.3MPa基本法兰力矩系数 MM D Pmmia430.1441-0.01252管板边缘力矩系数1 )(MMMMm0.1458-0.0108管板边缘剪力系数 M2.147-0.159管板总弯矩系数 mmm 12 1 2.484-0.5511系数仅用于 时Ge1m 0KmGe31