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1、南京工业大学过程装备成套技术课程设计过热器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，当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
2、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：3）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。4）与电解水制氢相比，单位氢气成本较低。5）所用原料甲醇易得，运输、贮存方便。6）能够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
3、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，也能够方 便的得到高纯度的二氧化碳。1、设计任务书一、题目：生产能力为1600 Nm3/h甲醇制氢生产装置。二、设计参数：生产能为1600 Nm3/h。1、工艺计算：物料衡算和热量衡算。2、机器选型计算。3、设备布置设计计算。4、管道布置设计计算。三、图纸清单：1、预热器总装配图1张，1号2、预热器零件图2号，2张3、管道仪表流程图2号，1张4、设备平面布置图2号，1张5、管道平面布置
4、图2号，1张6、管道空视图3号，2张7、自动控制方案图3号，1张2、甲醇制氢工艺设计醇三2.1甲醇制氢工艺流程甲醇制氢的物料流程如图1 2。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，经过计算泵 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，这部分水和甲醇能 够进入原料液储罐，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
5、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量2.2物料衡算1、依据甲醇蒸气转化反应方程式：CH OHC。个+2H 个CO+H OCO 个+ H 个CH 3OH分解为CO转化率99%，反.应温度280C，反应压力1.5MPa，醇水投料比 1： 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 OHA0.99C。个+1.98H 个 +0.01 CH OHCO+0.99H OA0.99CO 个+ 1.99H +0.01CO合并式(1-5)，式(1-6)
6、得到：CH OH+0.9801 H OA0.9801 CO 个+2.9601 H 个 +0.01CH OH+0.0099 CO个氢气产量为：1600m 3/h=71.429 kmol/h甲醇投料量为： 71.429/2.9601 X 32=772.179kg/h水投料量为： 71.429/2.9601 X 1.5 X 18=651.526 kg/h3、原料液储槽(V0101)进：甲醇 772.179 kg/h 水 651.526 kg/h出：甲醇 772.179 kg/h 水 651.526 kg/h4、换热器(E0101)，汽化塔(T0101)，过热器(E0103)没有物流变化.5、转化器(
7、R0101)进： 甲醇 772.179 kg/h ；水 651.526kg/h ；总计 1423.705kg/h出：生成772.179/32x0.9801x44 =1040.617kg/hCO 2口772.179/32x2.9601x2 =142.858 kg/hH 2CO772.179/32x0.0099x28 =6.689 kg/h剩余甲醇772.179/32x0.01 x32=7.722kg/h剩余水651.526-772.179/32 x 0.9801 x 18=225.819 kg/h总计1423.705kg/h6、吸收塔和解析塔吸收塔的总压为1. 5MPa，其中CO?的分压为0.3
8、8 MPa，操 作温度为常温(25C).此时，每m3吸收液可溶解CO211.77 m3.此 数据能够在一般化工基础数据手册中找到，二氧化碳在碳酸丙烯 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，CO2溶解度为2.32，则此时吸收 塔的吸收能力为：11.77-2.32=9.450.4MPa压力下p =pM/RT=0.4 x 44/0.0082 乂 (273.15+25)=7.20kg/m 3 coCO 体积量 Vcq=1040.61/7.20=144.530 m3/h据此，所需吸收液量为144.530/9.45= 15.294m3/h考虑吸收塔效率以及操作弹性需要，取吸
9、收量为 15.294m 3/h 3 =45.883 m 3/h可知系统压力降至0.1MPa时，析出CO 2量为144.530 m 3/h=1040.617 kg/h.混合气体中的其它组分如氢气，CO以及微量甲醇等也能够按 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 2.2.3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，能够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能够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
10、手册 中都能够得到，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 甲醇 +0.6p 水=1.5MPa初设 T=170Cp 甲醇=2.19MPa; p 水=0.824 MPap 总=1.37041.5 MPa再设 T=175Cp 甲醇=2.4MPa; p 水=0.93 MPap 总=1.51 MPa蒸气压与总压基本一致，能够认为操作压力为1.5MPa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
11、：Q 反应=772.179 X 0.99/32 X 1000 X (-49.66)=-1.19 x 106 kJ/h此热量由导热油系统带来，反应温度为280C，能够选用导 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 =4.1868 x 0.68=2.85kJ/(kgK)，c =2.81kJ/(kg-K)取平均值c,=2.83kJ/(kgK)则导热油用量 w=Q反/Cp t)= 1.19x 106/(2.83X5)=84099 kg/h3、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
12、给.从手册中能够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= z c m a t=(1.90 x 772.179+4.82 x 651.526) x (280- 175)=4.83 x 10 5 kJ/h导热油c =2.826 kJ/(kgK)，于是其温降为：a t=Q/(c ? m)= 3.63 x 105/(2.826 x 62898)=2.04C导热油出口温度为：315-2.0=313.0C4、汽化塔(TO101 )认为汽化塔仅有潜热变化。175 C时甲醇H = 727.2kJ/kg；水H = 203IkJ/kgQ=772.1779 x 727.2+2
13、031x 651.526=1.88 x 10 6 kJ/h以300C导热油计算c =2.76 kJ/(kgK)At=Q/(c m)=1.88x 106/(2.76x83840)=8.12C则导热油出口温度：t =313.0-8.1=304.9C导热油系统温差为：aT=320-304.9=15.1C，基本合适。5、换热器(EO101)壳程：甲醇和水液体混合物由常温(25 C)升至175 C， 其比热容数据也能够从手册中得到，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= 2 c m At=(772.179乂 3.14+651.526乂4.30) 乂 (175-2
14、5)=7.84 x 10 5 kJ/h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吧-10.47 kJ/(kgK)c 忍 14.65 kJ/(kgK)c 牝 4.19 kJ/(kgK)则管程中反应后气体混合物的温度变化为：A t=Q/(c ? m)=7.84 x 105/(10.47 x 1040.617+14.65 x 142.858+4.19 x 2 25.819)=56.3C换热器出口温度为280-56.3=223.7C6、冷凝器(EO103)在E0103中包含两方面的变化：CO，CO，H的冷却以及CH3OH，H O的冷却
15、和冷凝.1、CO，CO，H的冷却Q= 2 c m A t=(10.47 x 1040.617+14.65 x 142.858+1.04 x 6.689)x (223.7-40)=2.39 x 10 6kJ/h2、CH 3OH的量很小，在此其冷凝和冷却忽略不计。压力为1.5MPa时水的冷凝热为：H=2135KJ/kg，总 冷 凝 热Q =H x m=2135 x 225.819=4.82 x 10 5 kJ/h水显热变化 Q =c m t=4.19 x 225.819 x (223.7-40)=1.74 x 10 5 kJ/hQ=Q +Q +Q =3.046 x 10 6 kJ/h冷却介质为循环水，采用中温型凉水塔，则温差 T=10C用水量 W=Q/( c A t)= 3.046x 106/(4.19乂 10)=72697kg/h3、过热器工艺设计3.1过热器工艺计算原始数据计算内容或项目
