生产能力为4200nm3h甲醇制氢生产装置设计冷凝器设计

1、机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业课程设计设计题目：生产能力为4200m/h 甲醇制氢生产装置设计 设 计 人： 邱宏伟 指导教师： 班 级： 过程装备与控制工程07班 组 号： 7（21） 设计时间： 2016年12月20日2017年1月14日 前 言氢气是一种重要的工业用品，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也有着不同的要求。近年来随着中国改革开放的进程，随着大量高精产品的投产，对高纯氢气的需求量正在逐渐扩大。 烃类水蒸气转化制氢气是目前世界上应用最普遍的制氢方法，是由巴登苯胺公司发明并加以利用，英国ICI公司首先实现工业化。这种制氢方法工作压力为2.0-4.0MPa,原料适用范围为天然气至干点小于215.6的石脑油。近年来，由于转化制氢炉型的不断改进。转化气提纯工艺的不断更新，烃类水蒸气转化制氢工艺成为目前生产氢气最经济可靠的途径。 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。它具有以下的特点： 1、与大规模天然气、轻油蒸气转化制氢或

2、水煤气制氢比较，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，运输储存方便。而且由于所用的原料甲醇纯度高，不需要在净化处理，反应条件温和，流程简单，故易于操作。 4、可以做成组装式或可移动式的装置，操作方便，搬运灵活。 摘 要本次课程设计是设计生产能力为4200m3/h甲醇制氢生产装置。 在设计中要经过工艺设计计算，典型设备的工艺计算和结构设计，管道设计，单参数单回路的自动控制设计，机器选型和技术经济评价等各个环节的基本训练。 在设计过程中综合应用所学的多种专业知识和专业基础知识，同时获得一次工程设计时间的实际训练。课程设计的知识领域包括化工原理、过程装备设计、过程机械、过程装备控制技术及应用、过程装备成套技术等课程。本课程设计是以甲醇制氢装置为模拟设计对象，进行过程装备成套技术的全面训练。 设计包括以下内容和步骤： 1、工艺计算。 2、生产装置工艺设计。 3、设备设计。分组进行。 4、机器选型。 5、设备布置设计。 6、管道布置设计。 7、绘制管道空视图。 8、设计一个单参数、单回路的自动控制方案。 9、对该装置进行技术经济评价。 10、 整理设计

3、计算说明书。 设计任务书一、题目：生产能力为4200 Nm3/h甲醇制氢生产装置。 二、设计参数：生产能为4200Nm3/h 。三、计算内容： 1、工艺计算：物料衡算和能量衡算。 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。 四、图纸清单： 1、物料流程图 2、工艺流程图 3、换热器总装图4、换热器零件图 5、管道布置图 6、管道空视图 目录第一章 工艺设计11.1.甲醇制氢物料衡算.11.1.1依据11.1.2投料量计算11.1.3原料储液槽 (V0101)11.1.4换热器(E0101),汽化塔(T0101)、过热器(E0102)11.1.5转化器(R0101)11.1.6吸收和解析塔11.2热量恒算21.2.1气化塔顶温度确定21.2.2转化器(R0101)21.2.3过热器(E0102)31.2.4汽化塔(T0101)31.2.5换热器(E0101)31.2.6冷凝器(E0103)42.1.冷凝器的计算与选型52.1.1.设计任务52.1.2.总体设计52.1.3.热工计算52.1.4详细结构设计与强度设计112.2 结构设计112.2.1筒体122.2.

4、2封头122.2.3管程接管补强计算（按照GB150-1998 等 面 积 补 强 法）132.2.4壳程接管补强计算（按照GB150-1998 等 面 积 补 强 法）132.2.5换热管（GB151-1999）142.2.6折流板（GB151-1999）142.2.7拉杆（GB151-1999）152.3SW6软件校核152.3.1 固定管板换热器设计计算152.3.2前端管箱筒体计算152.3.3 前端管箱封头计算152.3.4后端管箱筒体计算152.3.5 后端管箱封头计算152.3.7开孔补强计算152.3.8延长部分兼作法兰固定式管板15第三章 机器选型及管道设计373.1计量泵的选型373.1.1纯水计量泵P0101选型373.1.2甲醇计量泵P0102选型37已知条件：373.1.6吸收液用泵P0106选型383.2管子选型（确定几种主要管道尺寸的方法如下）383.2.1材料选择383.2.2管子的规格尺寸的确定及必要的保温层设计393.3主要管道工艺参数汇总一览表523.4 各部件的选择及管道图533.4.1管道上阀门的选型533.4.2管道法兰选型533.4.3管件

5、选型543.4.4管道仪表流程图543.4.5管道布置图553.4.6管道空视图55第四章自动控制方案设计554.1选择一个单参数自动控制方案554.2流量控制系统流程图及其控制系统方框图554.3如何实现控制过程的具体说明55第五章 经济评价565.1甲醇制氢装置的投资估算565.1.1单元设备价格估算565.1.2总投资估算565.2总成本费用估算与分析57参考文献60第一章 工艺设计1.1.甲醇制氢物料衡算. 1.1.1依据 甲醇蒸气转化反应方程式： CH3OHCO + 2H2 CO + H2O CO2 + H2 CH3OHF分解为CO,转化率99,CO变换转化率99,反应温度 280,反应压力为1. 5 MPa,醇水投料比1:1.5(mol)。 1.1.2投料量计算 代如转化率数据 CH3OH 0.99 CO + 1.98 2H2 +0.01 CH3OH CO + 0.99 H2O 0.99 CO2 + 0.99 H2+ 0.01 CO 合并得到 CH3OH + 0.9801 H2O 0.9801 CO2 + 2.9601 H2 + 0.01 CH3OH+ 0.0099 CO

6、氢气产量为: 4200m/h=187.5kmol/h甲醇投料量为: 120.536/2.960132=2027.5 kg/h水投料量为: 2027.5/321.518=1710.3kg/h1.1.3原料储液槽 (V0101) 进 : 甲醇 2027.5 kg/h , 水1710.3 kg/h出: 甲醇 2027.5 kg/h , 水1710.3kg/h1.1.4换热器(E0101),汽化塔(T0101)、过热器(E0102) 没有物流变化 1.1.5转化器(R0101) 进 : 甲醇 2027.5kg/h , 水1710.3 kg/h , 总计2402.489kg/h出 : 生成 CO 2027.5/320.980144 =2732.032kg/h H 2027.5/322.96012 =375.071kg/h CO 2027.5/320.009928 =17.688kg/h 剩余甲醇 2027.5/320.0132 20.271kg/h 剩余水 1710.3-2027.5/320.980118=590.067 kg/h 总计 3737.64kg/h1.1.6吸收和解析塔 59吸收塔的

7、总压为15MPa,其中CO的分压为0.38 MPa ,操作温度为常温(25). 此时,每m 吸收液可溶解CO11.77 m.此数据可以在一般化工基础数据手册中找到，二氯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: 11.77-2.32=9.450.4MPa压力下 =pM/RT=0.444/0.0082(273.15+25)=7.20kg/ mCO体积量 V=2732.032/7.20=379.89m/h据此,所需吸收液量为 379.89/9.45=39.68 m/h考虑吸收塔效率以及操作弹性需要,取吸收量为 39.68m/h=119m/h可知系统压力降至0.1MPa时,析出CO量为520m/h=2732kg/h.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,1.2热量恒算 1.2.1气化塔顶温度确定 要使甲醇完全汽化，则其气相分率必然是甲醇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

8、.6 p水=1.5MPa 初设 T=170 p甲醇=2.19MPa; p水 =0.824MPa p总 =1.3704MPa 1.5MPa 再设 T=175 p甲醇=2.4MPA; p水 0.93MPa p总 =1.51MPa 蒸气压与总压基本一致，可以认为操作压力为1.5MPa时，汽化塔塔顶温度为175 1.2.2转化器(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=2027.50.99/(-49.66) =-3.0910kJ/h此热量由导热油系统带来,反应温度为280,可以选用导热油温度为320,导热油温度降设定为5,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=4.18680.68=2.85kJ/(kgK), c=2.81kJ/(kgK)取平均值 c=2.83 kJ/(kgK)则导热油用量 w=Q/(ct)=2.00210/(2.835)=2.1810kg/h1.2.3过热器(E0102) 甲醇和水的饱和蒸气在过热器中175过热到280,此热量由导热油供给.气体升温所需热量为:Q= cmt=(1.5+4.3) (280-175)=12.710kJ/h导热油c=2.826 kJ/(kgK), 于是其温降为: t=Q/(cm)= 8.1610/(

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