【正文】 甲醇制氫生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 甲醇制氫生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 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(duì)氫氣的純度、對(duì)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(duì)高純度的需求量正逐步加大，等等對(duì)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(chǎng)合，工藝路線復(fù)雜，流程長(zhǎng)，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(guó)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(duì)于中小規(guī)模的用氫場(chǎng)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。 甲醇制氫生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 目錄 1． 設(shè)計(jì)任務(wù)書 ……………………………… 3 2． 甲醇制氫工藝設(shè)計(jì) ……………………… 4 甲醇制氫工藝流程 ……………………………… 4 物料衡算 ………………………………………… 4 熱量衡算 ………………………………………… 6 3． 反應(yīng)器設(shè)計(jì) ………………………………. 9 工藝計(jì)算 ………………………………………… 9 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ……………………………………….... 13 4． 管道設(shè)計(jì) ………………………………………....… 5． 自控設(shè)計(jì) ………………………………………....… 6． 技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、環(huán)境評(píng)價(jià) ……………………… 7． 結(jié)束語(yǔ) ………………………………………....…… 8． 致謝 ………………………………………....……… 9． 參考文獻(xiàn) ………………………………………....… 附錄： ，零件圖 甲醇制氫生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 設(shè)計(jì)任務(wù)書 甲醇制氫生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 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 (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 甲醇制氫的物料流程圖及各節(jié)點(diǎn)物料量 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） 甲醇制氫生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 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 (13)和式 (14)變?yōu)?: CH3 OH→ ↑ + ↑ + OH CO+ O→ ↑ + + 合并式 (15),式 (16)得到 : CH3 OH+ O→ ↑ + ↑ + OH+↑ 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=原料液儲(chǔ)槽 (V0101) 進(jìn) : 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(jìn) : 甲醇 , 水 , 總計(jì) 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 總計(jì) 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(shí) ,每m3吸收液可溶解 CO2 .此數(shù)據(jù)可以在一般化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊(cè)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(shí)吸收塔的吸收能力為 : = 壓力下 2co?=pM/RT=? 44/[? (+25)]=CO2 體積量 V2CO=甲醇制氫生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 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? = /h 可知系統(tǒng)壓力降至 時(shí) ,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(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(cè)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(cè)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 = p總 = 再設(shè) T=175℃ p甲醇 =。 p水 = p總 = 蒸氣壓與總壓基本一致 ,可以認(rèn)為操作壓力為 時(shí) ,汽化塔塔頂溫度為 175℃ . 轉(zhuǎn)換器 (R0101) 兩步反應(yīng)的總反應(yīng)熱為 ,于是 ,在轉(zhuǎn)化器內(nèi)需要供給熱量為 : Q反應(yīng) =? ? 1000? () =? 105 kJ/h 此熱量由導(dǎo)熱油系統(tǒng)帶來 ,反應(yīng)溫度為 280℃ ,可以選用導(dǎo)熱油溫度為 320℃ ,導(dǎo)熱油溫度降設(shè)定為 5℃ ,從手冊(cè)中查到導(dǎo)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。30p =(kg K) 取平均值 cp =(kg K) 甲醇制氫生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 則導(dǎo)熱油用量 w=Q反應(yīng) /(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(dǎo)熱油供給 .從手冊(cè)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(dǎo)熱油 cp =(kg K),于是其溫降為 : ? t=Q/(cP m)=? 105 /(? 62898)=℃ 導(dǎo)熱油出口溫度為 : =℃ 汽化塔（ TO101 ) 認(rèn)為汽化塔僅有潛熱變化。 175 ℃ 甲醇 H = Q=? +2031? =? 106 kJ/h 以 300℃ 導(dǎo)熱油 cp 計(jì)算 cp =(kg K) ? t=Q/(cP m)=? 106 /(? 62898)=℃ 則導(dǎo)熱油出口溫度 t2 ==℃ 導(dǎo)熱油系統(tǒng)溫差為 ? T==℃ 基本合適 . 換熱器（ EO101) 殼程：甲醇和水液體混合物由常溫（ 25 ℃ ）升至 175 ℃ ，其比熱容數(shù)據(jù)也可以從手冊(cè)中得到，表 1 一 5 列出了甲醇和水液體的部分比定壓熱容數(shù)據(jù)。 液體混合物升溫所需熱量 Q=? cp m? t=(? +? )? (17525)=? 105 kJ/h 管程：沒有相變化，同時(shí)一般氣體在一定的溫度范圍內(nèi)，熱容變化不大，以恒定值計(jì)算，這里取各種氣體的比定壓熱容為： c2pco ?(kg K) c2pH ?(kg K) cpco ? kJ/(kg K) 則管程中反應(yīng)后氣體混合物的溫度變化為： ? t=Q/(cP m)=? 105 /(? +? +? )=℃ 換熱器出口溫度為 =℃ 冷凝器（ EO103) 甲醇制氫生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 在 E0103 中包含兩方面的變化：① CO2 ,CO,H2 的冷卻以及② CH3 OH ,H2 O 的冷卻和冷凝 . ① CO2 ,CO,H2 的冷卻 Q=? cp m? t=(? +? +? )? ()=1.79? 106 kJ/h ② CH3 OH 的量很小，在此其冷凝和冷卻忽略不計(jì)。壓力為 時(shí)水的冷凝熱為： H=2135KJ/kg,總冷凝熱 Q2 =H? m=2135? =? 105 kJ/h 水顯熱變化 Q3 =cp m? t=? ? ()=? 105 kJ/h Q=Q1 +Q2 +Q3 =? 106 kJ/h 冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，采用中溫型涼水塔，則溫差△ T=10℃ 用水量 w=Q/(cp ? t)=? 106 /(? 10)=54415kg/ 甲醇制氫生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 反應(yīng) 器設(shè)計(jì)計(jì)算 工藝計(jì)算 已知甲醇制氫轉(zhuǎn)化工藝的基本反應(yīng)為： CH3OH+H2O=CO2+3H2。該反應(yīng)在管式反應(yīng)器進(jìn)行，進(jìn)出反應(yīng)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(jìn)口/(kg/h) 出口/(kg/h) 設(shè)計(jì)溫度/oC 壓力 /MPa 進(jìn) 出 口/(kg/h) 設(shè)計(jì)溫度/oC 壓力 /MPa 甲醇 280 水 二氧化碳 一氧化碳 氫氣 導(dǎo)熱油 62898 320 表 31 反應(yīng)器的物流表 （ 1）計(jì)算反應(yīng)物的流量 對(duì)于甲醇，其摩爾質(zhì)量為 _32kg k/mol，則其摩爾流量為： 對(duì)于水 ，其摩爾質(zhì)量為 18kg k/mol，其摩爾流量為： 對(duì)于氫氣，其摩爾質(zhì)量為 2kg k/mol,其摩爾流量為： 對(duì)于一氧化碳，其摩爾質(zhì)量為 28kg k/mol,其摩爾流量為： 進(jìn)料氣中甲醇的摩爾分率 yA 為： yA= 4 9 0 9 ?? 對(duì)于甲醇和水，由于溫度不太高（ 280oC），壓力不太大（ ），故可將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(jì)算出進(jìn)料氣中甲醇和水的體積流量： 甲醇的體積流量 VA 為： VA= * )(* 3 1 4*6 ?? m3/h 水的體積流量 VB為： VB= * )(**6 ??m3/h 進(jìn)料氣的總質(zhì)量為： mo= += kg/h 甲醇制氫生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 （ 2）計(jì)算反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率 進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)甲醇的流量為 kg/h，出反應(yīng)器時(shí)甲醇的流量為 kg/h，則甲醇的轉(zhuǎn)化率 xAf為： xAf= %99%100* ?? 即反應(yīng)過程中消耗甲醇的物質(zhì)的量為：