【正文】 (3)根據(jù)工藝參數(shù)進行結(jié)構(gòu)設計，完成后利用 SW6 進行校核，繪制反應器裝備圖； (4)最后撰寫畢業(yè)設計說明書。 5 第二章 甲醇制氫 工藝流程 甲醇制氫工藝流程 甲醇制 氫的物料流程如圖 1－ 2。流程包括以下步驟：甲醇與水按配比 1： 進入原料液儲罐，通過計算泵進入換熱器（ E0101）預熱，然后在汽化塔（ T0101）汽化，在經(jīng)過換熱器 (E0102)過熱到反應溫度進入轉(zhuǎn)化器 (R0101)，轉(zhuǎn)化反應生成H CO2 的以及未反應的甲醇和水蒸氣等首先與原料液換熱 (E0101)冷卻，然后經(jīng)水冷器 (E0103)冷凝分離水和甲醇，這部分水和甲醇可以進入原料液儲罐，水冷分離后的氣體進入吸收塔，經(jīng)碳酸丙烯脂吸收分離 CO2，吸收飽和的吸收液進入解析塔降壓解析后循環(huán)使用，最后進入 PSA 裝置進一步 脫除分離殘余的 COCO 及其它雜質(zhì)，得到一定純度要求的氫氣。 圖 1－ 2 甲醇制氫的物料流程圖及各節(jié)點物料量 物料衡算 依據(jù) 甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化反應方程式 : CH 3 OH → CO ↑ +2H 2 ↑ 6 （ 11） CO+H 2 O → CO 2 ↑ + H 2 ↑ （ 12） CH 3 OH 分解為 CO 轉(zhuǎn)化率 99%,反應溫度 280℃ ,反應壓力 ,醇水投料比1:(mol). 投料計算量 代入轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù) ,式 (13)和式 (14)變?yōu)?: CH3 OH=↑ + ↑ + CH3 OH CO+ O= ↑ + + 合并式 (15),式 (16)得到 : CH 3 OH+ H2 O= CO 2 ↑ + H2 ↑ + CH3 OH+ CO↑ 氫氣產(chǎn)量為 : 1200m3 /h= kmol/h 甲醇投料量為 : ⅹ 32= kg/h 水投料量為 : ⅹ ⅹ 18= kg/h 原料液儲槽 (V0101) 進 : 甲醇 kg/h , 水 kg/h 出 : 甲醇 kg/h , 水 kg/h 換熱器 (E0101),汽化塔 (T0101),過熱器 (E0103) 沒有物流變化 . 轉(zhuǎn)化器 (R0101) 進 : 甲醇 , 水 kg/h , 總計 kg/h 出 : 生成 CO2 ⅹ ⅹ 44 = kg/h H2 ⅹ ⅹ 2 = kg/h CO ⅹ ⅹ 28 = kg/h 剩余甲醇 ⅹ ⅹ 32 = kg/h 剩余水 ⅹ ⅹ 18= kg/h 7 總計 kg/h 吸收塔和解析塔 吸收塔的總壓為 1． 5MPa,其中 CO2 的分壓為 MPa ,操作溫度為常溫 (25℃ ). 此時 ,每 m3 吸收液可溶解 CO2 m3 .此數(shù)據(jù)可以在一般化工基礎數(shù)據(jù)手冊中找到，二氯 化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度數(shù)據(jù)見表 1 一 l 及表 1— 2。 解吸塔操作壓力為 , CO2 溶解度為 ,則此時吸收塔的吸收能力為 : = 壓力下 2co?=pM/RT=? 44/[? (+25)]=CO2 體積量 V2CO=據(jù)此 ,所需吸收液量為 考慮吸收塔效率以及操作彈性需要 ,取吸收量為 m3 /h 3? = m3 /h 可知系統(tǒng)壓力降至 時 ,析出 CO2 量為 /h= kg/h. 混合氣體中的其他組分如氫氣 ,CO 以及微量甲醇等也可以按上述過程進行計算 ,在此 ,忽略這些組分在吸收液內(nèi)的吸收 . 各節(jié)點的物料量 綜合上面的工藝物料衡算結(jié)果 ,給出物料流程圖及各節(jié)點的物料量 ,見圖 1 一2. 熱量衡算 汽化塔頂溫確定 在已知汽相組成和總壓的條件下，可以根據(jù)汽液平衡關(guān)系確定汽化塔的操作溫度甲醇和水的蒸氣壓數(shù)據(jù)可以從一些化工基礎數(shù)據(jù)手冊中得到：表 13 列出了甲醇的蒸氣壓數(shù)據(jù)在本工藝過程中 ,要使甲醇水完全汽化 ,則其汽相分率必然是甲醇 40%,水 60%(mol)且已知操作壓力為 ,設溫度為 T,根據(jù)汽液平衡關(guān)系有 + = 8 初設 T=170℃ p甲醇 =。 p水 = MPa p總 = MPa 再設 T=175℃ p甲醇 =。 p水 = MPa p總 = MPa 蒸氣壓與總壓基本一致 ,可以認為操作壓力為 時 ,汽化塔塔頂溫度為175℃ . 轉(zhuǎn)換器 (R0101) 兩步反應的總反應熱為 ,于是 ,在轉(zhuǎn)化器內(nèi)需要供給熱量為 : Q反應 =??1000?() =?105 kJ/h 此熱量由導熱油系統(tǒng)帶來 ,反應溫度為 280℃ ,可以選用導熱油溫度為 320℃ ,導熱油溫度降設定為 5℃ ,從手冊中查到導熱油的物性參 數(shù) ,如比定壓熱容與溫度的關(guān)系 ,可得 : c 230。320p =?=(kg K), c 230。300p =(kg K) 取平均值 cp = kJ/(kg K) 則導熱油用量 w=Q反應 /(cp ? t)= ? 105 /(? 5)=62898 kg/h 過熱器 (E0102) 甲醇和水的飽和蒸氣在過熱器中 175℃過熱到 280℃ ,此熱量由導熱油供給 .從手冊中可以方便地得到甲醇和水蒸氣的部分比定壓熱容數(shù)據(jù) ,見表 14. 氣體升溫所需熱量為 : Q=? cp m? t=(? +? ) ? (280175)=? 105 kJ/h 導熱油 cp = kJ/(kg K), 于是其溫降為 : ? t=Q/(cP m)= ?105 /(?62898)=℃ 導熱油出口溫度為 : =℃ 汽化塔（ TO101 ) 9 認為汽化塔僅有潛熱變化。 175 ℃ 甲醇 H = Q=?+2031?=? 106 kJ/h 以 300℃導熱油 cp 計算 cp = kJ/(kg K) ? t=Q/(cP m)=?106 /(?62898)=℃ 則導熱油出口溫度 t2 ==℃ 導熱油系統(tǒng)溫差為 ? T==℃ 基本合適 . 10 第三章 反應器設計計算 工藝計算 已知甲醇制氫轉(zhuǎn)化工藝的基本反應為： CH3OH+H2O=CO2+3H2。該反應在管式反應器進行，進出反應器的各物料的工藝參數(shù)如表 31 所示。 物流名稱 管程 殼程 /(kg/h) 進口/(kg/h) 出口/(kg/h) 設計溫度/oC 壓力 /MPa 進出口/(kg/h) 設計溫度/oC 壓力 /MPa 甲醇 280 水 二氧化碳 一氧化碳 氫氣 導熱油 62898 320 表 31 反應器的物流表 （ 1）計算反應物的流量 對 于 甲 醇， 其 摩爾 質(zhì) 量為 32 kg k/mol， 則 其摩 爾 流量 為 ：對于水 ，其摩爾質(zhì)量為 18 kg k/mol，其摩爾流量為： kmol/h 對于氫氣，其摩爾質(zhì)量為 2 kg k/mol,其摩爾流量為： kmol/h 對于一氧化碳，其摩爾質(zhì)量為 28 kg k/mol,其摩爾流量為： 進料氣中甲醇的摩爾分率 yA 為： yA= 09 ?? 對于甲醇和水，由于溫度不太高（ 280 oC），壓力不太大（ ），故可將 11 其近似視為理想氣體考慮。有理想氣體狀態(tài)方程 pV=nRT，可分別計算出進料氣中甲醇和水的體積流量： 甲醇的體積流量 VA 為： VA= 10* )(** 6 ?? m3/h 水的體積流量 VB為： VB= 10* )(** 6 ?? m3/h 進料氣 的總質(zhì)量為： mo= += kg/h （ 2）計算反應的轉(zhuǎn)化率 進入反應器時甲醇的流量為 kg/h，出反應器時甲醇的流量為 kg/h，則甲醇的轉(zhuǎn)化率 xAf為： xAf= %99%100* ?? 即反應過程中消耗甲醇的物質(zhì)的量為： 99%= kmol/h （ 3）計算反應體系的膨脹因子 由體系的化學反應方程式可知，反應過程中氣體的總物質(zhì)的量發(fā)生了變化，可求出膨脹因子δ A。對于甲醇有： δ A= 21 1113 ???? （ 4）計算空間時間 根據(jù)有關(guān)文獻，該反應為一級反應，反應動力學方程為： rA=kpA k= 104e RT68600 CA=CAOAAAxxAy11δ? ? 上式兩邊同乘以 RT，則得： pA=CAORTAAA xxAy11δ? ? 反應過程的空間時間τ為： 12 τ =CAO∫ Afx0AArdx = CAO∫ Afx0 Adx /[k CAORTAAA xxAy11δ? ? ] =kRT1∫ Afx0AAA x x??1 y1 Aδ dxA 將 k= 104e RT68600 m3/(kmol h)， R= )( Kkmolkj ， T=，δ A=2，yA=，代入上式，可得空間時間： τ = （ 5）計算所需反應器的容積 VR=τ VO 進料氣的總體積流量為： VO=+= m3 /h= m3 /s 則可得所需反應器的容積為： VR=τ VO = = m3 （ 6）計算管長 由文獻可知，氣體在反應器內(nèi)的空塔流速為 ，考慮催化劑填層 的空隙率對氣體空塔速度的影響，取流動速度為μ =，則反應管的長度為： l=τ u= 3600 = 根據(jù) GB151 推薦的換熱管長度，取管長 l=3m。 反應器內(nèi)的實際氣速為： u=τl = sm /* 3 ? （ 7）計算反應熱 甲醇制氫的反應實際為兩個反應的疊合，即 CH3OH=CO+CO+H2O=CO2+H2+ 反應過程中的一氧化碳全部由甲醇分解而得， 由化學反應式可知，每轉(zhuǎn)化1kmol 的甲醇就可生成 1kmol 的一氧化碳，則反應過程中產(chǎn)生的一氧化碳的物質(zhì) 13 的量為 。反應器出口處的一氧化碳的物質(zhì)的量為 ，轉(zhuǎn)化的一氧化碳的物質(zhì)的量為： = kmol/h 一氧化碳的轉(zhuǎn)化率為： xCO= %99%10 0*91 73 ? 則反應過程中所需向反應器內(nèi)供給的熱量為： Q= 103 103 = 103 kJ/h （ 8）確定所需的換熱面積 假定選用的管子內(nèi)徑為 d，壁厚為 t，則其外徑為 d+2t，管子數(shù)量為 n 根。 反應過程中所需的熱量由導熱油供給，反應器同時作為換熱器使用，根據(jù) GB151，320oC 時鋼的導熱系數(shù)為λ =（ m OC），管外油側(cè)的對流給熱系數(shù)為αo=300W/（ m2 OC），管內(nèi)側(cè)的對流給熱系數(shù)為αi=80 W/（ m2 OC），根據(jù)表 52所列的壁面污垢系數(shù)查得，反應管內(nèi)、外側(cè)的污垢 系數(shù)分別為 m2 OC/W 和 m2 OC/W 總污垢系數(shù)為 Rf=+= m2 OC/W 根據(jù)傳熱學，反應器的傳熱系數(shù)為： K=1/（ i1α dtd 2? + oα1 +λt +Rf） 由于 dtd 2? 的值接近于 1，對 K 帶來的誤差小于 1%；鋼管的傳熱很快，對 K的影響也很小， 故可將上式簡化為： K=1/ （ i1α + oα1 +Rf ） = 1 ??? W/ （ m2 OC ）=(h m2 OC) 由于反應器所需的換熱面積為： F= tΔKQ = )280320(* 10*3 ??m2 （ 9）計算管子的內(nèi)徑 反應器需要的換熱面積為： F=nπ dl 14 反應器內(nèi)氣體的體積流量為： VO=n4d2πu 聯(lián)立上述兩式，并將 l= 6m， u= (m/s) ， F= (m2 ) VO= (m3 /s) 代入，即可得所需管子的內(nèi)徑為： d=。 根據(jù)計算所得的管子內(nèi)徑，按前述換熱設備設計選擇合適的管子型號和所需的管數(shù)及布管方式。 結(jié)構(gòu)設計 計算內(nèi)容或項目 符號 單位 計算公式或來源 結(jié)果 備注 管 程 結(jié) 構(gòu) 設 計 換熱管材料 選用碳鋼無縫鋼管 Φ 25 2