生产能力为2800m179h甲醇制氢生产装置设计.doc
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1、生产能力为2800 m/h 甲醇制氢生产装置设计前 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
2、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。 目 录前言 - 2 目录 - 3 摘要 - 3 设计任务书 - 4 第一章 工艺设计 - 5 1.1.甲醇制氢物料衡算 - 1.2.热量恒算 - 第二
3、章 设备设计计算和选型:塔、换热设备、反应器 - 8 2.1.解析塔的选择 - 2.2.换热设备的计算与选型 -2.3.反应器的设计与选型 - 第三章 机器选型 - 13 3.1.计量泵的选择 - 15 3.2.离心泵的选型第四章 设备布置图设计 - 15 4.1.管子选型 - 174.2.主要管道工艺参数汇总一览表 - 84.3.各部件的选择及管道图 - 第五章 管道布置设计 - 16 5.1.选择一个单参数自动控制方案 - 215.2.换热器温度控制系统及方块图课设总结 - 28 摘 要本次课程设计是设计生产能力为2800m3/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
4、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、设备不知设计。 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
5、行技术经济评价。 10、整理设计计算说明书。 设计任务书一、题目:生产能力为2800 m3/h甲醇制氢生产装置。 二、设计参数:生产能为2800 m3/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(PL0102-20L1B) 第一章 工艺设计1.1.甲醇制氢物料衡算. (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
6、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)。 (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 氢气产量为:2800 m/h=125 kmol/h 甲醇投料量为: 125/2.9601 * 32=1351.312 kg/h 水投料量为:1351.312/3
7、2 * 1.5 * 18=1140.168 kg/h (3)原料储液槽 (V0101) 进:甲醇 1351.312 kg/h,水1140.168 kg/h。 出:甲醇 1351.312 kg/h,水 1140.168 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 1351.312 kg/h,水 1140.168 kg/h,总计2491.48 kg/h 出:生成CO21351.312/32 * 0.9801 * 44=1821.48 kg/h H2 1351.312/32 * 2.9601 * 2=250
8、kg/h CO1351.312/32 * 0.0099 * 28=11.704 kg/h 剩余甲醇1351.312/32 * 0.01 * 32=13.512 kg/h 剩余水 1140.168- 1351.312/32 * 0.9801 * 18 =395.181kg/h 总计2491.48 kg/h (6)吸收和解析塔 吸收塔总压为1.5Mpa,其中CO2分压为0.38Mpa,操作温度为常温(25)。此时每m吸收液可溶解CO211.77 m. 解吸塔的操作压力为0.1MPa, CO2 溶解度为2.32 ,则此时吸收塔的吸收能力为: 1177-232=9.45 0.4MPa压力下 CO2 =
9、 pM /RT =4 * 44/0.082 * (273.15 + 25) =7.20 kg/m CO2体积重量 V CO2 =1821.48/7.20 =252.98 m/h 据此,所需吸收液的量为 252.98/9.45 =26.764 m/h 考虑吸收塔效率以及操作弹性需要,取吸收液量为26.764 * 3=80.296m/h 系统压力降至0.1MPa时,析出CO2 量为 346.04 m/h = 1821.48 kg/h (7)PSA系统 略。 (8)各节点的物料量 综合上面的工艺物料恒算结果,给出物料流程图及各节点的物料量。 1.2热量恒算 (1)气化塔顶温度确定 要使甲醇完全汽化,
10、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 + 0.6 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 (2)转化器(R0101) 两步反应的总反应热为49.66 kj/mol,于是在转化器内需要共给热量为: Q反应=1351.312*0.99/32*1000*(
11、49.66) =-2.076*106 kj/h 此热量有导热油系统带来,反应温度为280,可以选用导热油温度为320,导热油温降设定为5,从手册中查到导热油的物性参数,如必定压热容与温度的关系,可得: Cp320=4.1868*0.68=2.85 kj/(kgK),Cp300=2.81 kj/(kgK) 取平均值Cp=2.83 kj/(kgK) 则导热油的用量 w=Q反应 /(Cpt)= 2.076*106/ (2.83*5)=1.467*105 kg/h (3)过热器(E0102) 甲醇和水的饱和正气在过热器中175过热到280,此热量由导热油供给。 气体升温所需热量为 Q=Cp mt=(
12、1.90*1351.312+4.82*1140.168*(280-175)=8.446*105 kj/h 导热油 Cp=2.825 kj/(kgK),于是其温度降为 t=Q/(Cp m)= 2.117 * 105 /(2.86 * 3.668*104 )=2.042 导热油出口温度为 :315-2.042=312.958 (4)汽化塔(T0101) 认为汽化塔仅有潜热变化。 175 甲醇H=727.2 kj/kg 水 H=2031 kj/kg Q=1351.312 *727.2 +2031*1140.168=3.298*106 kj/h 以300导热油Cp计算 Cp=2.76 kj/(kgK)
13、 t=Q/(Cp m)=3.298*106 /2.76*1.467*105)=8.15 则导热油出口温度t2 =312.958-8.15=304.808 导热油系统温差为T=320-304.808=15.192 基本合适 (5)换热器(E0101) 壳程:甲醇和水液体混合物由常温(25)升至175 液体混合物升温所需的热量 Q=cpmt=(1351.312*3.14 + 1140.168 *4.30)*(175-25)=1.372*105 kj/h 管程: 取各种气体的比定压热容为: CpCO2 10.47 kj/(kgK) CPH2 14.65 kj/(kgK) CPH20 4.19 kj/
14、kgK) 则管程中反应后其体混合物的温度变化为:t=Q/(Cp * m)= 1.372*105 /(10.47*1821.104+14.65*250+4.19*395.2)= 56.26 换热器出口温度 280-56.26=223.74 (6)冷凝器(E0103) CO2 、CO 、H2的冷却 Q1=cpmt=(10.47*1821.104+14.65*250+4.19*11.704)*(223.736-40)=3.5115*10 6 kj/h 压力为1.5MPa时水的冷凝热为: H=2135kj/kg,总冷凝热Q2 =H * m=2135 *395.2=8.438*105 kj/h 水显热
15、变化 Q3 =cpmt=4.19* 395.2*(223.74-40)=3.0417*105 kj/h Q= Q1+ Q2+ Q3=4.6594*106 kj/h 冷却介质为循环水,才用中温型凉水塔,则温差T=10 用水量 w=Q/(cpt)= 4.6594*106/(4.19*10)=1.112*105 kg/h 第二章设 备设计计算和选型 2.1选择解析塔工艺计算和结构设计如下:1) 工艺计算 已知进入吸收塔的混合气体的质量流量为2082.8 kg/h,操作压力为1.5Mpa,气体的入口温度为40,用碳酸丙烯酯吸收CO2,吸收率为99%。气体总体积吸收系数取9.875*10-5 kmol/
16、m.s.kpa)。从工艺条件中可知,吸收剂碳酸丙烯酯的用量为80.29m/h.(1) 填料塔径的计算混合气体的密度p=0.76 kg/m 混合剂碳酸丙烯酯的密度p=1100 kg/m。混合气体的质量流量m=20231.2 kg/h。则 选用金属鲍尔环散堆填料DN25,查埃克特通用关联图,其纵坐标为0.17,即u式中: 填料因子,查参考文献,对于DN25金属鲍尔环散堆填料得=160;液体密度校正系数 =碳酸丙烯酯的动力系数,=1.897mpa.s 。由此可求得泛点气速u=取空塔气体速的70%,得空塔气速u 由此可求得填料塔的塔径D 圆整至D=0.9m.(2)填料段压力降计算实际空塔气速度埃克特
17、通用关联图的纵坐标可由下式计算埃克特通用关联图的横坐标为0.0596埃克特通用关联图的压力降(3)填料高度计算 采用对数平均推动力计算填料层高度Z,可表示为:Z=式中 -按气相传质总系数K计算的传质单元高度。 -气相传质单元数根据工艺参数,进入吸收塔的气体及排除吸收塔液相的组分摩尔浓度如下表 组分摩尔浓度气相组分摩尔流率Kmol/h摩尔分数液相组分摩尔流率Kmol/h摩尔分数CO214681.40.246碳酸丙烯酯405929.20.9654CO299.60.005CO214534.60.0346H2446450.749Y X=0.0346 X=0 Y=0.0692, Y=0Ka=Kap=9.
18、875*10*1.5*10=0.148 Kmol/(m.s)V/=(1.4681.4+299.6+44645)/(0.3*1000*3600)=0.0586 Kmol/(m.s)所以: Z=考虑一定的安全系数,确定填料的高度Z=2.5m2).填料塔结构设计由于该吸收塔的总高度在10m以下,因此在设计中按照GB 150-1998设计钢制压力容器进行结构设计计算 设计压力P=1.1*1.5=1.65MPa设计温度取最高工作温度 40设备材料为16MnR焊接接头系数 (双面对接焊,局部无损探伤)钢板厚度负偏差C=0.5mm 腐蚀裕量C=1.0mm,厚度附加量C下部液体储存空间容积,一般比其所存储液体
19、相当于该塔5-15m的处理量考虑。选取下部筒体的直径 D=2.0mm(1)下部筒体的计算厚度计算:=1.65*2/(2*153*0.85-1.65)=12.8mm圆整得名义厚度计算为(2)下部筒体厚度计算:选用标准椭圆形封头,其厚度为: 圆整并取名义厚度与筒件厚度相同 (3)上部筒体的厚度计算 圆整得名义厚度计算为 (4) 上部设备封头厚度计算。 选用标准椭圆形封头,气厚度为: 圆整并取名义厚度与筒件厚度相同(5)开孔及开孔补强计算: : 吸收塔上下塔连接部位的补强 补强面积 A= 因此处的开孔的椭圆形封头中心80%封头内径直径的范围内 所以A=(0.6+2*0.008)*0.0114=6.8
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