生产能力为4200Nm3h甲醇制氢生产装置设计冷凝器设计..pdf
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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 3/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
2、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
3、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4200m 3/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
4、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、 整理设计计算说明书。 设计任务书 一、题目:生产能力为4200 Nm 3/h 甲醇制氢生产装置。 二、设计参数:生产能为4200Nm 3/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
5、 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 1 1.1. 甲醇制氢物料衡算. . 1 1.1.1依据 . 1 1.1.2投料量计算 1 1.1.3 原料储液槽(V0101). 1 1.1.4换热器 (E0101), 汽化塔 (T0101) 、过热器 (E0102) 1 1.1.5转化器 (R0101) . 1 1.1.6吸收和解析塔. 1 1.2 热量恒算 . 2 1.2.1气化塔顶温度确定 . 2 1.2.2转化器 (R0101) . 2 1.2.3过热器 (E0102) . 3 1.2.4汽化塔 (T0101) . 3 1.2.5换热器 (E0101) . 3
6、 1.2.6冷凝器 (E0103) . 4 2.1. 冷凝器的计算与选型 5 2.1.1.设计任务 . 5 2.1.2.总体设计 . 5 2.1.3.热工计算 . 5 2.1.4 详细结构设计与强度设计 . 11 2.2 结构设计 11 2.2.1 筒体 12 2.2.2封头 . 12 2.2.3管程接管补强计算(按照GB150-1998 等 面 积 补 强 法) 13 2.2.4 壳程接管补强计算(按照GB150-1998 等 面 积 补 强 法) 13 2.2.5 换热管( GB151-1999 ) 14 2.2.6 折流板( GB151-1999 ) 14 2.2.7 拉杆( GB151
7、-1999 ) 15 2.3SW6 软件校核 . 15 2.3.1 固定管板换热器设计计算 15 2.3.2 前端管箱筒体计算 15 2.3.3 前端管箱封头计算 . 15 2.3.4 后端管箱筒体计算 15 2.3.5 后端管箱封头计算 . 15 2.3.7 开孔补强计算 15 2.3.8 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 37 3.1 计量泵的选型 37 3.1.1纯水计量泵P0101 选型 37 3.1.2甲醇计量泵P0102 选型 37 已知条件: 37 3.1.6吸收液用泵P0106 选型 38 3.2 管子选型(确定几种主要管道尺寸的方法如下). 38 3
8、.2.1材料选择 38 3.2.2管子的规格尺寸的确定及必要的保温层设计. 39 3.3 主要管道工艺参数汇总一览表 52 3.4 各部件的选择及管道图 53 3.4.1管道上阀门的选型 . 53 3.4.2管道法兰选型. 54 3.4.3管件选型 54 3.4.4管道仪表流程图. 55 3.4.5管道布置图 55 3.4.6管道空视图 55 第四章自动控制方案设计 . 55 4.1 选择一个单参数自动控制方案 55 4.2 流量控制系统流程图及其控制系统方框图 55 4.3 如何实现控制过程的具体说明 55 第五章经济评价 56 5.1 甲醇制氢装置的投资估算 56 5.1.1 单元设备价格
9、估算 56 5.1.2 总投资估算 . 57 5.2 总成本费用估算与分析 . 57 参考文献 错误!未定义书签。 1 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.
10、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 : 4200m 3 /h=187.5kmol/h 甲醇投料量为 : 120.536/2.960132=2027.5 kg/h 水投料量为 : 2027.5/321.5 18=1710.3kg/h 1.1.3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/h 1.1.4 换热器 (E0101), 汽化塔
11、(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 2 2027.5/320.980144 =2732.032kg/h H 2 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/h 1.
12、1.6 吸收和解析塔 2 吸收塔的总压为 15MPa, 其中 CO 2 的分压为 0.38 MPa ,操作温度为常温 (25). 此时,每 m 3 吸收液可溶解CO 2 11.77 m 3 .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 2溶解度为 2.32,则此时吸收塔的吸收能力为 : 11.77-2.32 =9.45 0.4MPa压力下 2 co =pM/RT=0.444/ 0.0082(273.15+25) =7.20kg/ m 3 CO 2 体积量V 2 CO =2732.032/ 7.
13、20=379.89m 3 /h 据此,所需吸收液量为379.89/9.45=39.68 m 3 /h 考虑吸收塔效率以及操作弹性需要,取吸收量为39.68m 3 /h3=119m 3 /h 可知系统压力降至0.1MPa 时,析出 CO 2量为 520m 3 /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 +
14、0.6 p水=1.5MPa 初设 T=170 p 甲醇=2.19MPa; p 水 =0.824MPa p 总 =1.3704MPa 图 25) C “ 0.006052 系数(查图 26) “ 0.0001598 旋转刚度 “ h “ f 12 1 EK 2.677 MPa 注: 28 壳 体 法 兰 材料名称16MnDR壳体法兰厚度 f 0 mm 管板延长部分凸缘外直径Df0 mm 管板延长部分凸缘宽度 bDD ffi () / 20 mm 比值 si / D0.007833 比值 fi / D0 系数C (按s /Di,f”/Di) 查图 25) 0.004741 系数(查图 26)8.6
15、79e-05 旋转刚度 2 2 12 1 s 3 i fi f f f E DbD bE K f 1.463 MPa 系 数 计 算 旋转刚度 ( c 型结构 Kf “ 0) KKK fff “ 4.14 MPa 旋转刚度无量纲参数 K K K f f t 4 0.001593 膨胀节总体轴向刚度 Kex2 N/mm 管板第一弯矩系数m1,(按 K,Kf 查图 27) 0.02527 系数 m KK 1 f 6.018 系数 (按 KtK f 查图 29) G2 1.884 换热管束与不带膨胀节壳体刚度之Q ss t AE naE 2.969 换热管束与带膨胀节壳体刚度之比Q ex E na
16、E AK L E A K L tssex ssex () 6.122e+05 管板第二弯矩系数m2,按K,Q(或Qex) 查 图 28(a) 或 (b) 5.133e+05 管 板 参 数 管板开孔后面积Al A- 0.25 nd 2 2.091e+05 mm 2 管板布管区面积 (三角形布管 ) d 2 t 866.0AnSA (正方形布管 ) d 2 t AnSA 1.827e+05 mm 2 管板布管区当量直径 /4 tt AD482.3 mm 系 系数AA / l 0.7396 系数 l / Ana0.1268 29 数 计 算 系数 s 04 0 6 1. . ()Q3.62 系数(
17、带膨胀节时Qex代替 Q) t04 1 06 1. () . ()Q8.278e+05 管板布管区当量直径与壳体内径之比 itt / DD0.8038 管板周边不布管区无量纲宽度k=K ()1 t 0.5205 30 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-t0)-s(t s-t 0) 0.0 0 当量压力组合PP cs 1.5 1.5 MPa 有效压力组合 tssaEPP 5.43 5.43 MPa 边界效应压力组合 sb PCP0.007111 0.007111 MPa 边界效应压力组合系数 a b b
18、P P M 0.001771 0.001771 管板边缘力矩系数MM b 0.001771 0.001771 管板边缘剪力系数 M0.01066 0.01066 管板总弯矩系数 1 21 mm m 5412 5412 系数G e1 仅用于m0时 KmG e 3 1 2465 2465 系数G i 1 当m 0时 ,按 K 和m 查图31(a) 实线 当m0时,按 K 和 m 查图 31(b) 5961 5961 系数G1 m 0, G1=max(,)GG ei11 , m0, G1=max(,)GG ei11 ; m0, G1=Gi 1 0.6459 0.6459 管 板 径 向 应 力 系数
19、 带膨胀节Q 为 r= 2 1 )1( 4 1 GQ G 2.637e-07 2.637e-07 33 Q ex 管 板 布 管 区 周 边 处 径 向 应 力 系 数 r = 3 4 1 2 m K QG () ()2.548e-08 2.548e-08 管 板 布 管 区 周 边 处 剪 切 应 力 系 数 p = 2 1 4 1 GQ4.083e-07 4.083e-07 34 计算值许用值计算值许用值 管板径向应力 r r a i P D 2 12.57 1.5 r t =213.3 12.57 3 r t =426.6 MPa 管 板 布 管 区 周 边 处 径 向 应力 r a r
20、 i PD 2 1 2 2 2 k m k m m()6.237 1.5 r t =213.3 6.237 3 r t =426.6 MPa 管板布管区周边剪切应力 p a p i PD -1.535 0.5 r t =71.1 -1.535 1.5 r t =213.3 MPa 换热管轴向应力 tca P GQ QG P 12 23.251 t t = 122.6 cr = 77.88 3.251 3 t t = 367.8 cr = 77.88 MPa 壳程圆筒轴向应力 c s ta A A P QG P () () 1 2 1.44e-05 c t = 173.4 1.44e-0 5 3
21、 c t = 520.2 MPa 换热管与管板连接拉脱应力q = dl a t 2.09 q= 61.3 2.09 3q 焊接 q 胀接 183.9 MPa 计算结果 管板名义厚度 n 60 mm 管板校核通过 35 换热管内压计算计算单位南京工业大学 计算条件换热管简图 计算压力Pc0.30 MP 设计温度t230.00 C 内径Di20.00 mm 材料20(GB9948) ( 管材) 试验温度许用应力152.00 MP 设计温度许用应力 t 122.60 MP 钢板负偏差C10.00 mm 腐蚀裕量C20.00 mm 焊接接头系数1.00 厚度及重量计算 计算厚度 = P D P ci
22、t c 2 = 0.02mm 有效厚度 e =n - C1- C2= 2.50 mm 名义厚度 n = 2.50mm 重量6.24 Kg 压力及应力计算 最大允许工作压力Pw= 2 e t ie ()D = 27.24444 MPa 设计温度下计算应力 t = PD cie e () 2= 1.35 MPa t 122.60 MPa 校核条件 t t 结论换热管内压计算合格 36 换热管外压计算计算单位南京工业大学 计算条件换热管简图 计算压力Pc-1.50MPa 设计温度t230.00 C 内径Di20.00mm 材料名称20(GB9948) (管材 ) 试验温度许用应力152.00 MPa
23、 设计温度许用应力 t 122.60 MPa 钢板负偏差C10.00 mm 腐蚀裕量C20.00 mm 焊接接头系数1.00 厚度及重量计算 计算厚度 = 0.43mm 有效厚度 e =n - C1- C2= 2.50mm 名义厚度 n = 2.50 mm 外压计算长度L L=4500.00mm 外径Do Do= Di+2 n = 25.00 mm L/Do3.95 Do/e10.00 A 值A= 0.0124446 B 值B= 145.08 重量6.24kg 压力计算 许用外压力 P= B Do e / = 23.57495 MPa 结论换热管外压计算合格 37 第三章机器选型及管道设计 整
24、个系统有五处需要用泵 : 原料水输送计量泵P0101、原料甲醇输送计量泵 P0102、混合原料计量泵 P0103、冷却水用泵 P0104 、吸收液用泵 P0106、导热油 用泵 p0105 3.1 计量泵的选型 3.1.1 纯水计量泵 P0101选型 已知条件: 水的正常投料量为1710.326kg/h 。温度为 25。密度为 0.997kg/L ; 操作情况为泵从纯水储槽中吸入水,送入原料液储罐,与甲醇混合 工艺所需正常的体积流量为:1669.526/0.997 1715L/h 泵的流量 Q 1.05 17151800L/h 工艺估算所需扬程10m,泵的扬程 H1.1 1011m 折合成计量
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