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1、甲醇制氢生产装置设计毕业设计任务书甲醇制氢生产装置设计毕业设计任务书甲醇制氢生产装置设计毕业设计任务书 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
2、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
3、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,增加吸收甲醇制氢生产装置设计毕业设计任务书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。目目 录录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.甲醇制氢生产装置设计毕业设计任务书5 自控设计.6 技术经济评价、环境评价7 结束语.8 致谢
4、.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、设计任务书甲醇制氢生产装置设计毕业设计任务书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(E010
5、1)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甲醇制氢生产装置设计毕业设计任务书离 CO2,吸收饱和的吸收液进入解析塔降压解析后循环使用,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 1 2甲 醇 制 氢 的 物 料 流 程 图 及 各 节 点 物 料甲醇制氢生产装置设计毕业设计任务书量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
6、 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 +0.01CH OH323CO+0.99H O0.99CO +1.99H +0.01CO222合 并式(1-5),式(1-6)得到:CH OH+0.981H O0.981CO +0.961H +0.01CH OH+0.0099CO32223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: 579.126/3
7、21.518=488.638kg/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) 没 有物流变化. 5、转化器 (R0101) 进 :甲醇 579.126kg/h , 水 488.638kg/h , 总计 1067.764 kg/h甲醇制氢生产装置设计毕业设计任务书出 :生成 CO 579.126/320.980144 =780.452 kg/h2H 579.126/322.96012 =107
8、.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 15MPa,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 11.77m .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
9、.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=11.47 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=34.41m /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 氢甲醇制氢生产装置设计毕业设计任务
10、书气, C O 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 热量衡算热量衡算甲醇制氢生产装置设计毕业设计任务书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
11、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=170p=2.19MPa; p=0.824MPa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
12、系数,按h/Di,” /Di , 查图25C0.00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甲醇制氢生产装置设计毕业设计任务书甲醇制氢生产装置设计毕业设计任务书管板第一弯矩系数(按,查图 27) KKfm10.1075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
13、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) AnSAtd086
14、62.(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甲醇制氢生产装置设计毕业设计任务书仅有壳程压力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 0KmGe310.72540