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1、南京工业大学机械学院2.过程装备与控制工程专业综合课程设计任务书设计题目：生产能力为2400 m3/h甲醇制氢生产装置设计设计人：陈侃班 级：控制0701学 号：27设计时间： 2010年12月21日2011年1月15日1. 前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
2、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2003000m3h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
3、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1. 前言2. 设计任务书3. 甲醇制氢工艺设计3.1 甲醇制氢工艺流程.3.2 物料衡算3.3 热量衡算.4. 吸收塔设计4.1 塔设备的选型4.2 结构设计4.2.1
4、填料段工艺计算4.2.2 填料段结构设计计算4.2 填料塔结构强度校核 5管道设计5.1 管子的选型5.2泵的选型5.3阀门的选型5.4 管道法兰的选型.6 反应器控制方案设计.7 技术经济评价 .参考文献3 甲醇制氢工艺设计3.1甲醇制氢工艺流程甲醇制氢的物料流程如图1。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
5、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使用，最后进入PSA装置进一步脱除分离残 余的C02、CO及其它杂质，得到一定纯度要求的氢气。3.2物料衡算1、依据甲醇蒸气转化反应方程式:CH OHCO f +2H f32CO+H OCO f+ H2 2 2CH OH分解为CO转化率99%,反应温度280C，反应压力1.5MPa,醇水投料比31:1.5(mol).2、投料计算量代入转化率数据,式(1-3)和式(1-4)变为:CH OH0.99COf+1.98H f+0.01 CH OH323CO+0.
6、99H O0.99CO f+ 1.99H +0.01CO2 2 2合并式(1-5),式(1-6)得到:CH OH+0.981 H O0.981 CO f+0.961 H f+0.01 CH OH+0.0099 COf32223氢气产量为: 3100m 3/h=3100/22.4=138.393 kmol/h甲醇投料量为: 138.393/2.9601*32=1496.088 kg/h 水投料量为: 1496.088/32*1.5*18=1262.325 kg/h3、原料液储槽(V0101)进：甲醇 1496.088kg/h ,水 1262.325 kg/h出: 甲醇1496. 088kg/h
7、,水1262.325 kg/h4、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 1496.088kg/h ,水 1262.325kg/h ,总计 2758.413kg/h出 :生成 CO1496.088/32*0.9801*44 =2016.184kg/h2H1496.088/32* 2.9601 * 2 =276.786 kg/h2CO1496.088/32*0.0099*28 =12.600 kg/h剩余甲醇1496.088/32*0.01*32=14.961kg/h剩余水 1262.325-1496.088/32*0.
8、9801*18=437.522kg/h 总计2758.053kg/h6、吸收塔和解析塔吸收塔的总压为1. 5MPa，其中CO2的分压为0.38 MPa，操作温度为常温(25C).此时,每m3吸收液可溶解CO 11.77 m3.此数据可以在一般化工基础数据手册中找到，二氯2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 p=pM/RT=0.4x44/0.0082x (273.15+25) =7.20kg/ m3co2CO 体积量 V=2016.184/7
9、.20=280.026m3/h2CO2据此,所需吸收液量为 280.026/9.45=29.632m3/h考虑吸收塔效率以及操作弹性需要,取吸收量为 29.632 m3/hx3=88.897 m3/h可知系统压力降至0.1MPa时，析出CO2量为280.026m3/h=2016.187kg/h.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1一2.33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
10、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=170Cp =2.172MPa； p =0.824 MPa甲醇 水p =1.36321.5 MPa总再设 T=175C p =2.425MPa； p =0.93 MPa甲醇 水p =1.528 MPa总蒸气压与总压基本一致,可以认为操作压力为1
11、.5MPa时，汽化塔塔顶温度为175C.2、转换器(R0101)两步反应的总反应热为49.66kJ/mol,于是，在转化器内需要供给热量为：Q =1496.088 x 0.99/32 x 1000 x (-49.66) 反应=-2.30x106kJ/h此热量由导热油系统带来，反应温度为280C，可以选用导热油温度为320C，导热油温 度降设定为5C,从手册中查到导热油的物性参数，如比定压热容与温度的关系,可得：c =4.1868x0.68=2.85kJ/(kg K), c =2.81kJ/(kg K)p 320比p 300比取平均值c =2.83 kJ/(kgK)p则导热油用量w=Q /(c
12、A t)=2.30 x 10 6 /(2.83 x 5)=1.625 x 105kg/h反应 p3、过热器(E0102)甲醇和水的饱和蒸气在过热器中175C过热到280C，此热量由导热油供给.从手册中可 以方便地得到甲醇和水蒸气的部分比定压热容数据，见表1-4.气体升温所需热量为：Q=工 c mAt=(1.90x 1496.088+4.82x 1262.325) x (280-175)=9.373 x 105kJ/h p导热油c =2.826 kJ/(kg K),于是其温降为：pAt=Q/(cPm)= 9.373x105/(2.826x162500)=2.04C导热油出口温度为： 315-2.
13、04=312.96C4、汽化塔(TO101 )认为汽化塔仅有潜热变化。175 C 甲醇 H = 727.2kJ/kg 水 H = 2031kJ/kg Q=1496.088x727.2+2031x1262.325=3.652x106kJ/h以 300C 导热油 c 计算 c =2.81 kJ/(kg K)ppAt=Q/(cPm)=3.625x106/(2.81x162500)=7.9C则导热油出口温度 t =312.96-7.9=304.97C2导热油系统温差为A T=320-304.97=15.03C基本合适.5、换热器(E0101)壳程：甲醇和水液体混合物由常温(25 C )升至175 C，
14、其比热容数据也可以从手 册中得到，表1一5 列出了甲醇和水液体的部分比定压热容数据。液体混合物升温所需热量Q= Z c mAt=(1496.088x3.14+1262.325x4.30) x (175-25)=1.519x 106kJ/h p管程：没有相变化，同时一般气体在一定的温度范围内，热容变化不大，以恒定值计算， 这里取各种气体的比定压热容为：c - 10.47 kJ/(kg K)pco2c - 14.65 kJ/(kg K)pH2c 4.19 kJ/(kg K) pco则管程中反应后气体混合物的温度变化为：At=Q/(c m)=1.519x106/(10.47x2016.184+14.65x276.786+4.19x437.522)=56.259C P换热器出口温度为 280-56.259=223.741C6、冷凝器(E0103)在E0103中包含两方面的变化：CO , CO, H的冷却以及CH OH , H O的冷却2 2 3 2和冷凝.
