【正文】 熱油供給，反應(yīng)器同時(shí)作為換熱器使用，根據(jù) GB151，320oC 時(shí)鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為λ =（ m h)， R= ) k/mol,其摩爾流量為： kmol/h 對(duì)于一氧化碳，其摩爾質(zhì)量為 28 kg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。 K) 則導(dǎo)熱油用量 w=Q反應(yīng) /(cp ? t)= ? 105 /(? 5)=62898 kg/h 過(guò)熱器 (E0102) 甲醇和水的飽和蒸氣在過(guò)熱器中 175℃過(guò)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(jiàn)表 14. 氣體升溫所需熱量為 : Q=? cp m? t=(? +? ) ? (280175)=? 105 kJ/h 導(dǎo)熱油 cp = kJ/(kg320p =?=(kg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) 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。其主要缺點(diǎn)是，反應(yīng)速率很低時(shí)所需管道過(guò)長(zhǎng)，工業(yè)上不易實(shí)現(xiàn)。反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)可以是單管，也可以是多管并聯(lián)；可以是空管，如管式裂解爐，也可以是在管內(nèi)填充顆粒狀催化劑的填充管，以進(jìn)行多相催化反應(yīng)，如列管式固定床反應(yīng)器。該技術(shù)流程簡(jiǎn)潔、占地小，投資省、產(chǎn)品成 本低 。 反應(yīng)產(chǎn)物凈化系統(tǒng)可根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)要求選擇，變壓吸附及膜分離技術(shù)是非常實(shí)用的氣體凈化技術(shù)。甲醇催化分解制氫是甲醇制氫的三種途徑之一。在絕熱反應(yīng)系統(tǒng)中，蒸汽與甲醇混合物經(jīng)過(guò)一系列絕熱催化劑床層，床層之間配備換熱器。甲醇蒸汽重整制氫工藝工業(yè)化多年，經(jīng)歷了多次技術(shù)改進(jìn)，已相當(dāng)成熟。目前解決上述問(wèn)題的方法是采用微反應(yīng)器技術(shù)強(qiáng)化傳熱 傳質(zhì)。燃料電池要應(yīng)用于移動(dòng)電源 , 制氫燃料處理系統(tǒng)必須滿足體積小質(zhì)量輕、啟動(dòng)和負(fù)荷響應(yīng)時(shí)間短可靠性高和成本低的特殊要求 ,而將常規(guī)尺度的燃料重整系 統(tǒng)小型化是不現(xiàn)實(shí)的。液相醇類烴類重整現(xiàn)場(chǎng)制氫技術(shù)具有能量密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高的液體燃料容易運(yùn)輸、 補(bǔ)充和儲(chǔ)存在經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面也具有很明顯的優(yōu)勢(shì) 是最現(xiàn)實(shí)的燃料電池氫源技。氫能源因其燃燒熱值高并且清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而受到人們的廣泛關(guān)注。最后反應(yīng)做出實(shí)驗(yàn)得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果。近年來(lái)，由于精細(xì)化工、蒽醌法制雙氧水、粉末冶金、油脂加氫、林業(yè)品和農(nóng)業(yè)品加氫、生物工程、石油煉制加氫及氫燃料清潔汽車等的迅速發(fā)展，對(duì)純氫需求量急速增加。氫氣在工業(yè)上有著廣泛的用途。 并設(shè)計(jì)反應(yīng)器外的加熱層和電阻絲 ,對(duì)金屬絲進(jìn)行催化劑的涂敷。尋找一種高效、清潔、環(huán)保的能源來(lái)替代汽油、柴油成為未來(lái)研究的重要趨勢(shì)。因?yàn)榧儦鋬r(jià)格安全性差 、輸送儲(chǔ)存及加注困難限制了燃料電池的規(guī)模應(yīng)用。蒸汽重整是目前 .使用最廣泛的制氫方式 ,目前全世界一半以上的氫氣是由蒸汽重整而制得的 [ 5 ]甲醇 水蒸汽重整 (MSR)制氫因反應(yīng)溫度低、產(chǎn)物氫氣含量高等優(yōu)勢(shì)成為解決質(zhì)子交換 [ 6 ]膜燃料電池 PEMFC)氫源的有效途徑 。但 MSR 是強(qiáng)吸熱過(guò)程，常規(guī)固定床反應(yīng)器采用顆粒催化劑受熱質(zhì)傳輸?shù)南拗贫憩F(xiàn)為慢反應(yīng)，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，催 化劑床層存在 “ 冷 點(diǎn)” 問(wèn)題難以實(shí)現(xiàn)等溫操作。 甲醇蒸汽重整是吸熱反應(yīng)，可以認(rèn)為是甲醇分解和一氧化碳變換反應(yīng)的綜合結(jié)果。等溫反應(yīng)系統(tǒng)采用管式反應(yīng)器，管殼中充滿熱載體進(jìn)行換熱，保持恒溫反應(yīng)。甲醇因其能量密度高、易于儲(chǔ)運(yùn)處理、運(yùn)價(jià)低廉而被認(rèn)為是一種氫的最佳載體。除此之外， 甲醇分解氣燃燒溫度較低，因而燃燒尾氣中 NOX 含量較低，經(jīng)驗(yàn) 3 證明 NOX 的排放量可降低一個(gè)數(shù)量級(jí) 。 甲醇制氫是 適用于中小型用氫規(guī)模的制氫裝置技術(shù) ， 該技術(shù)主要是以甲醇、水為原料，經(jīng)催化轉(zhuǎn)化，變壓吸附分離技術(shù)得到氫氣。這種反應(yīng)器可以很長(zhǎng)，如丙烯二聚的反應(yīng)器管長(zhǎng)以公里計(jì)。此外，管式反應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)分段溫度控制。 (1)熟悉熟悉甲醇制氫工藝流程； (2)利用 ChemCAD 軟件進(jìn)行反應(yīng)器的工藝設(shè)計(jì)； (3)根據(jù)工藝參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成后利用 SW6 進(jìn)行校核，繪制反應(yīng)器裝備圖； (4)最后撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 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=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(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(guò)程進(jìn)行計(jì)算 ,在此 ,忽略這些組分在吸收液內(nèi)的吸收 . 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(jiàn)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 p水 = MPa p總 = MPa 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(lái) ,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。 K) 取平均值 cp = kJ/(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 . 10 第三章 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。 k/mol，其摩爾流量為： kmol/h 對(duì)于氫氣，其摩爾質(zhì)量為 2 kg對(duì)于甲醇有： δ A= 21 1113 ???? （ 4）計(jì)算空間時(shí)間 根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，該反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)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(yīng)過(guò)程的空間時(shí)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反應(yīng)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(yīng)過(guò)程中所需向反應(yīng)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。 OC），根據(jù)表 52所列的壁面污垢系數(shù)查得，反應(yīng)管內(nèi)、外側(cè)的污垢 系數(shù)分別為 m2 OC ）=(h 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 計(jì)算內(nèi)容或項(xiàng)目 符號(hào) 單位 計(jì)算公式或來(lái)源 結(jié)果 備注 管 程 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 換熱管材料 選用碳鋼無(wú)縫鋼管 Φ 25 2 換熱管內(nèi)徑、外徑 di。 （ 2）根據(jù)筒徑 選用非金屬軟墊片： 墊片厚度： 3 墊片外徑 :765 墊片內(nèi)徑： 715 根據(jù)筒體名義厚度 選用乙型平焊法蘭（ JB4702） 法蘭材料： 16MnR 構(gòu)設(shè)計(jì) 換熱器長(zhǎng)徑比 L/ Di L/ Di 合理 實(shí)排熱管根數(shù) n 作圖 351 折流板形式 選定 單弓形折流板 折流板外直徑 Db m 按 GB1511999 折流板缺口弦離 h m 取 h= 折流板間距 B m 取 B=(～ 1)Di 折流板數(shù) Nb Nb=L/B1 8 殼程進(jìn)出口接管尺寸 djs*Sjs 合理選取 Φ 114 2 選取 16 DN 法蘭外徑 中心孔直徑 法蘭厚度 螺栓孔直徑 螺紋規(guī)格 螺栓數(shù)量 700 860 815 46 27 M24 24 表 32 筒體法蘭數(shù)據(jù) 封頭 （ 1）封頭內(nèi)徑： 700mm 設(shè)計(jì)壓力： P= 設(shè)計(jì)溫度取 300? C 封頭材料： 16MnR 焊接接頭系數(shù) Φ= 鋼板厚度負(fù)偏差 C1=0,腐蝕裕量 C2=,厚度附加量 C= C1+ C2=. 封頭的計(jì)算厚度計(jì)算 選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭， K= ? = ct ic ][2 PDKP??? = 90m ???? ?? 考慮厚度附加量并圓整至鋼板厚度系列，取封頭名義厚度與筒體厚度相同，得材料名義厚度 ?n = 6mm. 強(qiáng)度校核 有效厚度 ?e =?n C1 C2=7mm ?t = e eic 2 )( ? ??KDP= 972 ?? ???? ）（ MPa???t ?=144MPa 符合強(qiáng)度要求。 1) 支座承受的實(shí)際載荷計(jì)算 水平地震載荷為： pe ＝ gmoe? e? 為地震系數(shù)，地震設(shè)計(jì)烈度為 7時(shí)， e? ＝ om 為設(shè)備總質(zhì)量經(jīng)計(jì)算該反應(yīng)器的 om ＝ 1119kg 水平地震載荷為： pe＝ gmoe? ＝ 1119 ＝ 18 水平風(fēng)載荷為： pw ＝ ?HDqf i 550 3400 1500＝ 3366 偏心載荷 Ge ＝ 0 N 偏心距 Se ＝ 0 mm 其中 fi 為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按設(shè)備質(zhì)心所在高度。 支座承受的實(shí)際載荷為 Q： Q＝ ?????? ??? nd SGPhkn Ggm eee )(40 103? ＝ ??Q ＝ 30 KN 式中， Ge 為偏心載荷； Se 為偏心距。 44 mm 法蘭外徑 Df 860 mm 體 法蘭寬度 2/)( ff iDDb ?? 80 mm 比值 ?s i/D 法 比值 ?f i39。22[121 s3i39。 ~ 39。( )? 4 2 ???rt 174 3 ???rt 348 MPa 換熱管軸向應(yīng)力 ? ? ?t c aP G G P? ? ????? ???1 2 2 ???tt 92 ? ??cr 3 ???tt 276 ? ??cr MPa 殼程圓筒軸向應(yīng)力 ? ? ?c s aAA Q G P? ??( )( )1 2 ? ???ct ? ?3??ct MPa 換熱管與管板連接拉脫應(yīng)力 q =??dlat [q] 46 3[q]焊接 [q]脹接 138 MPa 僅有管程壓力 Pt作用下的危險(xiǎn)組合工況 (Ps = 0) 不計(jì)溫差應(yīng)力 計(jì)溫差應(yīng)力 換熱管與殼程圓筒熱膨脹變形差 ? =?t (tt t0 )?s (ts t0 ) 當(dāng)量壓力組合 )1( ???? tc PP MPa 有效壓力組合 ttta EPP ?????? MPa 操作情況下法蘭力矩系數(shù)M MD Pp pi a~ ? 4 3? ? 管板邊緣力矩系數(shù) M Mp~ ~? 管板邊緣剪力系數(shù) ? ?? M~ 管板總彎矩系數(shù) m m m? ??1 21 ?? 系數(shù) Ge1 僅用于 m?0 時(shí) G m Ke1 3? ? 31 管板布管區(qū)周邊 處剪切應(yīng)力系數(shù) ~?p = 14 1 2???Q