【正文】 甲醇制氫生產(chǎn)裝置 計(jì) 算 說 明 書 姓名： 單位：控制 070408 目錄 1. 前言 2. 設(shè)計(jì)任務(wù)書 3. 甲醇制氫工藝設(shè)計(jì) 甲醇制氫工藝流程 物料衡算 熱量衡算 4. 機(jī)器選型及管道設(shè)計(jì) 泵的選型 管子選型 閥門選型 管道法蘭選型 5. 強(qiáng)度校核計(jì)算說明書 6. 反應(yīng)器控制方案設(shè)計(jì) 7. 技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)、環(huán)境評價(jià) 附錄： 裝配圖 1 前言 氫氣是一種重要的工業(yè)產(chǎn)品， 它廣泛用于石油、化工、建材、冶金、電子、醫(yī)藥、電力、輕工、氣象、交通等工業(yè)部門和服務(wù)部門，由于使用要求的不同，這些部門對氫氣的純度、對所含雜質(zhì)的種類和含量都有不相同的要求，特別是改革開放以來，隨著工業(yè)化的進(jìn)程，大量高精產(chǎn)品的投產(chǎn)，對高純度的需求量正逐步加大，等等對制氫工藝和裝置的效率、經(jīng)濟(jì)性、靈活性、安全都提出了更高的要求，同時(shí)也促進(jìn)了新型工藝、高效率裝置的開發(fā)和投產(chǎn)。 依據(jù)原料及工藝路線的不同，目前氫氣主要由以下幾種方法獲得： ① 電解水法；②氯堿工業(yè)中電解食鹽水副產(chǎn)氫氣；③烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化法；④烴類部分氧化法 ；⑤煤氣化和煤水蒸氣轉(zhuǎn)化法；⑥氨或甲醇催化裂解法；⑦石油煉制與石油化工過程中的各種副產(chǎn)氫；等等。其中烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化法是世界上應(yīng)用最普遍的方法，但該方法適用于化肥及石油化工工業(yè)上大規(guī)模用氫的場合，工藝路線復(fù)雜，流程長，投資大。隨著精細(xì)化工的行業(yè)的發(fā)展，當(dāng)其氫氣用量在 200～3000m3/h 時(shí)，甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)表現(xiàn)出很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，受到許多國家的重視。甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化制氫具有以下特點(diǎn)： （ 1） 與大規(guī)模的天然氣、輕油蒸氣轉(zhuǎn)化制氫或水煤氣制氫相比，投資省，能耗低。 （ 2） 與電解水制氫相比，單位氫氣成本較低。 （ 3） 所用原料甲醇易 得，運(yùn)輸、貯存方便。 （ 4） 可以做成組裝式或可移動(dòng)式的裝置，操作方便，搬運(yùn)靈活。 對于中小規(guī)模的用氫場合，在沒有工業(yè)含氫尾氣的情況下，甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化及變壓吸附的制氫路線是一較好的選擇。本設(shè)計(jì)采用甲醇裂解 +吸收法脫二氧化碳 +變壓吸附工藝，增加吸收法的目的是為了提高氫氣的回收率，同時(shí)在需要二氧化碳時(shí)，也可以方便的得到高純度的二氧化碳。 2 設(shè)計(jì)任務(wù)書 本次課程設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為 3000m3/h甲醇制氫生產(chǎn)裝置。 在設(shè)計(jì)中要經(jīng)過工藝設(shè)計(jì)計(jì)算，典型設(shè)備的工藝計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，管道設(shè)計(jì)，單參數(shù)單回路的自動(dòng)控制設(shè) 計(jì)，機(jī)器選型和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)等各個(gè)環(huán)節(jié)的基本訓(xùn)練。 在設(shè)計(jì)過程中綜合應(yīng)用所學(xué)的多種專業(yè)知識(shí)和專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)獲得一次工程設(shè)計(jì)時(shí)間的實(shí)際訓(xùn)練。課程設(shè)計(jì)的知識(shí)領(lǐng)域包括化工原理、過程裝備設(shè)計(jì)、過程機(jī)械、過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用、過程裝備成套技術(shù)等課程。本課程設(shè)計(jì)是以甲醇制氫裝置為模擬設(shè)計(jì)對象，進(jìn)行過程裝備成套技術(shù)的全面訓(xùn)練。 設(shè)計(jì)包括以下內(nèi)容和步驟： 工藝計(jì)算。 生產(chǎn)裝置工藝設(shè)計(jì)。 設(shè)備設(shè)計(jì)。分組進(jìn)行。 機(jī)器選型。 設(shè)備不知設(shè)計(jì)。 管道布置設(shè)計(jì)。 繪制管道空視圖。 設(shè) 計(jì)一個(gè)單參數(shù)、單回路的自動(dòng)控制方案。 對該裝置進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)。 整理設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。 設(shè)計(jì)任務(wù)書 一、題目：生產(chǎn)能力為 3000m3/h甲醇制氫生產(chǎn)裝置 二、設(shè)計(jì)參數(shù)：生產(chǎn)能為 3000m3/h 三、計(jì)算內(nèi)容： 工藝計(jì)算：物料衡算和能量衡算。 機(jī)器選型計(jì)算。 設(shè)備布置設(shè)計(jì)計(jì)算。 管道布置設(shè)計(jì)計(jì)算。 技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)計(jì)算。 四、圖紙清單： 甲醇制氫裝置物流圖 吸收塔 設(shè)備圖 管板零件圖 管道儀表流程圖 設(shè)備布置圖 管道布置圖 管道空視 圖 (PL010415L1B) 管道空視圖 (PL010515L1B) 3 甲醇制氫工藝設(shè)計(jì) 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(jìn)入原料液儲(chǔ)罐，通過計(jì)算泵進(jìn)入換熱器（ E0101）預(yù)熱，然后在汽化塔（ T0101）汽化，在經(jīng)過換熱器 (E0102)過熱到反應(yīng)溫度進(jìn)入轉(zhuǎn)化器 (R0101)，轉(zhuǎn)化反應(yīng)生成 H CO2 的以及未反應(yīng)的甲醇和水蒸氣等首先與原料液換熱 器 (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(jìn)入原料液儲(chǔ)罐，水冷分離后的氣體進(jìn)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(jìn)入解析塔降壓解析后循環(huán)使用，最后進(jìn)入 PSA裝置進(jìn)一步脫除分離殘余的 CO CO 及其它雜質(zhì)，得到一定純度要求的氫氣。 圖 1－ 2 物料衡算 依據(jù) 甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)方程式 : CH3 OH→ CO↑ +2H2 ↑ （ 11） CO+H2 O→ CO2 ↑ + H2 ↑ （ 12） CH3 OH 分解為 CO 轉(zhuǎn)化率 99%,反應(yīng)溫度 280℃ ,反應(yīng)壓力 ,醇水投料比 1:(mol). 投料計(jì)算量 代入轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù) ,式 (11)和式 (12)變?yōu)?: CH3 OH→ ↑ + ↑ + CH3 OH （ 13） CO+ O→ 2 ↑ + + （ 14） 合并式 (13),式 (14)得到 : CH3 OH+ H2 O→ CO2 ↑ + H2 ↑ + CH3 OH+ CO↑ 氫氣產(chǎn)量為 : 3000/=甲醇投料量為 : ⅹ 32= kg/h 水投料量為 : **18= kg/h 原料液儲(chǔ)槽 (V0101) 進(jìn) : 甲醇 , 水 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(jìn) : 甲醇 , 水 kg/h , 總計(jì) kg/h 出 : 生成 CO2 **44 =H2 **2 = kg/h CO **28 = kg/h 剩余甲醇 **32 =剩余水 **18= kg/h 總計(jì) 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(shí) ,每 m3 吸收液可溶解 CO2 m3 .此數(shù)據(jù)可以在一般化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊中找到。 解吸塔操作壓力為 , CO2 溶解度為 ,則此時(shí)吸收塔的吸收能力為 : = 2co?=pM/RT=? 44/[? (+25)]=CO2 體積量 V2CO=據(jù)此 ,所需吸收液量為 /= m3 /h 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(shí) ,析出 CO 2 量為 m3 /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(jìn)行計(jì)算 ,在此 ,忽略這些組分在吸收液內(nèi)的吸收。 PSA系統(tǒng) 略 . 各節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(chǔ)數(shù)據(jù) 手冊中得到：表 13 列出了甲醇的蒸氣 壓 數(shù)據(jù) 水的物性數(shù)據(jù)在很多手冊中都可以得到 ，這里從略。 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(shè)溫度為 T,根據(jù)汽液平衡關(guān)系有 + = 初設(shè) T=170℃ p甲醇 =。 p水 = MPa p總 = MPa 再設(shè) T=175℃