生產(chǎn)能力為2800 m3h 甲醇制氫生產(chǎn)裝置設計

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生產(chǎn)能力為 2800 m3/h 甲醇制氫生產(chǎn)裝置設計前 言氫氣是一種重要的工業(yè)用品，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、對所含雜質的種類和含量也有著不同的要求。近年來隨著中國改革開放的進程，隨著大量高精產(chǎn)品的投產(chǎn)，對高純氫氣的需求量正在逐漸擴大。 烴類水蒸氣轉化制氫氣是目前世界上應用最普遍的制氫方法，是由巴登苯胺公司發(fā)明并加以利用，英國 ICI 公司首先實現(xiàn)工業(yè)化。這種制氫方法工作壓力為 2.0-4.0MPa,原料適用范圍為天然氣至干點小于 215.6℃的石腦油。近年來，由于轉化制氫爐型的不斷改進。轉化氣提純工藝的不斷更新，烴類水蒸氣轉化制氫工藝成為目前生產(chǎn)氫氣最經(jīng)濟可靠的途徑。 甲醇蒸氣轉化制氫技術表現(xiàn)出很好的技術經(jīng)濟指標，受到許多國家的重視。它具有以下的特點： 1、與大規(guī)模天然氣、輕油蒸氣轉化制氫或水煤氣制氫比較，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，運輸儲存方便。而且由于所用的原料甲醇純度高，不需要在凈化處理，反應條件溫和，流程簡單，故易于操作。4、可以做成組裝式或可移動式的裝置，操作方便，搬運靈活。 目 錄前言 ----------------------------------------------- 2 目錄 ----------------------------------------------- 3 摘要 ----------------------------------------------- 3 設計任務書 ----------------------------------------- 4 第一章 工藝設計 ------------------------------------------ 5 1.1.甲醇制氫物料衡算 --------------------------------------1.2.熱量恒算 ---------------------------------------------- 第二章 設備設計計算和選型：塔、換熱設備、反應器 ----- 8 2.1.解析塔的選擇 ------------------------------------------ 2.2.換熱設備的計算與選型 ----------------------------------2.3.反應器的設計與選型 ------------------------------------ 第三章 機器選型 ------------------------------------------ 13 3.1.計量泵的選擇 ------------------------------------------ 153.2.離心泵的選型第四章 設備布置圖設計 ---------------------------------- 15 4.1.管子選型 ---------------------------------------------- 174.2.主要管道工藝參數(shù)匯總一覽表 ---------------------------- 84.3.各部件的選擇及管道圖 ---------------------------------- 第五章 管道布置設計 ------------------------------- 16 5.1.選擇一個單參數(shù)自動控制方案 ---------------------------- 215.2.換熱器溫度控制系統(tǒng)及方塊圖課設總結 ------------------------------------------- 28 摘 要本次課程設計是設計生產(chǎn)能力為 2800m3/h 甲醇制氫生產(chǎn)裝置。 在設計中要經(jīng)過工藝設計計算，典型設備的工藝計算和結構設計，管道設計，單參數(shù)單回路的自動控制設計，機器選型和技術經(jīng)濟評價等各個環(huán)節(jié)的基本訓練。 在設計過程中綜合應用所學的多種專業(yè)知識和專業(yè)基礎知識，同時獲得一次工程設計時間的實際訓練。課程設計的知識領域包括化工原理、過程裝備設計、過程機械、過程裝備控制技術及應用、過程裝備成套技術等課程。本課程設計是以甲醇制氫裝置為模擬設計對象，進行過程裝備成套技術的全面訓練。 設計包括以下內(nèi)容和步驟： 1、 工藝計算。 2、 生產(chǎn)裝置工藝設計。 3、 設備設計。分組進行。 4、 機器選型。 5、 設備不知設計。 6、 管道布置設計。 7、 繪制管道空視圖。 8、 設計一個單參數(shù)、單回路的自動控制方案。 9、 對該裝置進行技術經(jīng)濟評價。 10、整理設計計算說明書。 設計任務書一、題目：生產(chǎn)能力為 2800 m3/h 甲醇制氫生產(chǎn)裝置。 二、設計參數(shù)：生產(chǎn)能為 2800 m3/h 。三、計算內(nèi)容： 1、工藝計算：物料衡算和能量衡算。 2、機器選型計算。 3、設備布置設計計算。 4、管道布置設計計算。 四、圖紙清單： 1、物料流程圖 2、工藝流程圖 3、換熱器總裝圖4、換熱器零件圖 5、管道布置圖 6、管道空視圖(PL0102-20L1B) 第一章 工藝設計1.1.甲醇制氫物料衡算. (1)依據(jù) 甲醇蒸氣轉化反應方程式： CH3OH—→CO↑ + 2H2↑ CO + H2O —→CO2↑ + H2 CH3OHF 分解為 CO,轉化率 99%,CO 變換轉化率 99*,反應溫度 280℃,反應壓力為1. 5 MPa,醇水投料比 1:1.5(mol)。 (2)投料量計算 代如轉化率數(shù)據(jù) CH3OH —→ 0.99 CO↑ + 1.98 2H2↑ +0.01 CH3OH CO + 0.99 H2O —→ 0.99 CO2↑ + 0.99 H2↑+ 0.01 CO↑ 合并得到 CH3OH + 0.9801 H2O —→ 0.9801 CO2↑ + 2.9601 H2↑ + 0.01 CH3OH+ 0.0099 CO 氫氣產(chǎn)量為： 2800 m3/h=125 kmol/h 甲醇投料量為： 125/2.9601 * 32=1351.312 kg/h 水投料量為： 1351.312/32 * 1.5 * 18=1140.168 kg/h (3)原料儲液槽 (V0101) 進：甲醇 1351.312 kg/h，水 1140.168 kg/h。 出：甲醇 1351.312 kg/h，水 1140.168 kg/h。 (4) 換熱器(E0101),汽化塔(T0101)、過熱器(E0103) 沒有物流變化 (5) 轉化器(R0101) 進：甲醇 1351.312 kg/h，水 1140.168 kg/h，總計 2491.48 kg/h 出：生成 CO2 1351.312/32 * 0.9801 * 44=1821.48 kg/h H2 1351.312/32 * 2.9601 * 2=250 kg/h CO 1351.312/32 * 0.0099 * 28=11.704 kg/h 剩余甲醇 1351.312/32 * 0.01 * 32=13.512 kg/h 剩余水 1140.168- 1351.312/32 * 0.9801 * 18 =395.181kg/h 總計 2491.48 kg/h (6)吸收和解析塔 吸收塔總壓為 1.5Mpa,其中 CO2 分壓為 0.38Mpa,操作溫度為常溫(25℃)。此時每 m3吸收液可溶解 CO211.77 m3. 解吸塔的操作壓力為 0.1MPa, CO2 溶解度為 2.32 ，則此時吸收塔的吸收能力為: 11．77-2．32=9.45 0.4MPa 壓力下 ρCO2 = pM /RT =4 * 44/[0.082 * (273.15 + 25)] =7.20 kg/m3 CO2 體積重量 V CO2 =1821.48/7.20 =252.98 m3/h 據(jù)此，所需吸收液的量為 252.98/9.45 =26.764 m3/h 考慮吸收塔效率以及操作彈性需要，取吸收液量為 26.764 * 3=80.296m3/h 系統(tǒng)壓力降至 0.1MPa 時，析出 CO2 量為 346.04 m3/h = 1821.48 kg/h (7)PSA 系統(tǒng) 略。 (8)各節(jié)點的物料量 綜合上面的工藝物料恒算結果，給出物料流程圖及各節(jié)點的物料量。 1.2 熱量恒算 (1)氣化塔頂溫度確定 要使甲醇完全汽化，則其氣相分率必然是甲醇 40%,水 60%(mol),且已知操作壓力為 1.5MPa,設溫度為 T,根據(jù)汽液平衡關系有： 0.4p 甲醇 + 0.6 p 水=1.5MPa 初設 T=170℃ p 甲醇=2.19MPa; p 水 =0.824MPa p 總 =1.3704MPa 1.5MPa 再設 T=175℃ p 甲醇=2.4MPA; p 水 0.93MPa p 總 =1.51MPa 蒸氣壓與總壓基本一致，可以認為操作壓力為 1.5MPa 時，汽化塔塔頂溫度為175℃ (2)轉化器(R0101) 兩步反應的總反應熱為 49.66 kj/mol,于是在轉化器內(nèi)需要共給熱量為： Q 反應=1351.312*0.99/32*1000*(-49.66) =-2.076*106 kj/h 此熱量有導熱油系統(tǒng)帶來，反應溫度為 280℃，可以選用導熱油溫度為 320℃，導熱油溫降設定為 5℃，從手冊中查到導熱油的物性參數(shù)，如必定壓熱容與溫度的關系，可得： Cp320℃=4.1868*0.68=2.85 kj/(kg．K),Cp300℃=2.81 kj/(kg．K) 取平均值 Cp=2.83 kj/(kg．K) 則導熱油的用量 w=Q 反應 /(CpΔt)= 2.076*106 / (2.83*5)=1.467*105 kg/h (3)過熱器(E0102) 甲醇和水的飽和正氣在過熱器中 175℃過熱到 280℃，此熱量由導熱油供給。 氣體升溫所需熱量為 Q=ΣCp mΔt=（1.90*1351.312+4.82*1140.168*(280-175)=8.446*10 5 kj/h 導熱油 Cp=2.825 kj/(kg．K),于是其溫度降為 Δt=Q/(Cp m)= 2.117 * 105 /（2.86 * 3.668*104 ）=2.042℃ 導熱油出口溫度為 ：315-2.042=312.958 (4)汽化塔(T0101) 認為汽化塔僅有潛熱變化。 175℃ 甲醇 H=727.2 kj/kg 水 H=2031 kj/kg Q=1351.312 *727.2 +2031*1140.168=3.298*106 kj/h 以 300℃導熱油 Cp 計算 Cp=2.76 kj/(kg．K) Δt=Q/(Cp m)=3.298*106 /2.76*1.467*105)=8.15℃ 則導熱油出口溫度 t2 =312.958-8.15=304.808℃ 導熱油系統(tǒng)溫差為 ΔT=320-304.808=15.192℃ 基本合適 (5)換熱器(E0101) 殼程：甲醇和水液體混合物由常溫(25℃)升至 175℃ 液體混合物升溫所需的熱量 Q=ΣcpmΔt=(1351.312*3.14 + 1140.168 *4.30)*(175-25)=1.372*10 5 kj/h 管程： 取各種氣體的比定壓熱容為： CpCO2 ≈ 10.47 kj/(kg．K) CPH2 ≈ 14.65 kj/(kg．K) CPH20 ≈ 4.19 kj/(kg．K) 則管程中反應后其體混合物的溫度變化為：Δt=Q/(Cp * m)= 1.372*10 5 /(10.47*1821.104+14.65*250+4.19*395.2)= 56.26℃ 換熱器出口溫度 280-56.26=223.74℃ (6)冷凝器(E0103) ①CO2 、CO 、H2 的冷卻 Q1=ΣcpmΔt=(10.47*1821.104+14.65*250+4.19*11.704)*(223.736-40)=3.5115*10 6 kj/h ②壓力為 1.5MPa 時水的冷凝熱為： H=2135kj/kg,總冷凝熱 Q2 =H * m=2135 *395.2=8.438*105 kj/h 水顯熱變化 Q3 =cpmΔt=4.19* 395.2*(223.74-40)=3.0417*105 kj/h Q= Q1+ Q2+ Q3=4.6594*106 kj/h 冷卻介質為循環(huán)水，才用中溫型涼水塔，則溫差 ΔT=10℃ 用水量 w=Q/(cpΔt)= 4.6594*106/(4.19*10)=1.112*105 kg/h 第二章設 備設計計算和選型 2.1．選擇解析塔工藝計算和結構設計如下：1) 工藝計算 已知進入吸收塔的混合氣體的質量流量為 2082.8 kg/h,操作壓力為 1.5Mpa,氣體的入口溫度為 40℃，用碳酸丙烯酯吸收 CO2，吸收率為 99%。氣體總體積吸收系數(shù)取 9.875*10-5 kmol/(m .s.kpa)。3從工藝條件中可知，吸收劑碳酸丙烯酯的用量為 80.29m /h.3（1） 填料塔徑的計算混合氣體的密度 p =0.76 kg/m 混合劑碳酸丙烯酯的密度 p =1100 kg/m 。v3 l 3混合氣體的質量流量 m =20231.2 kg/h。則146.)07.(8.21*90)( 5.5. ??lvp選用金屬鮑爾環(huán)散堆填料 DN25,查?？颂赝ㄓ藐P聯(lián)圖，其縱坐標為 0.17，即uF20.lVg???式中： —填料因子，查參考文獻，對于 DN25 金屬鮑爾環(huán)散堆填料得 =160?；1?m—液體密度校正系數(shù) =??91.0?l?水——碳酸丙烯酯的動力系數(shù)， =1.897mpa.s 。lulu由此可求得泛點氣速 u =F smglv /31.897.1*60.16202. 2.0. ?????取空塔氣體速的 70%，得空塔氣速 usmuF/97.31.*70.?由此可求得填料塔的塔徑 DuVDS8.0917.*4356??圓整至 D=0.9m.(2)填料段壓力降計算實際空塔氣速度 smDus /910*1435860220???埃克特通用關聯(lián)圖的縱坐標可由下式計算01.10*8.9897.6610. 2.220 ??lvgu????？颂赝ㄓ藐P聯(lián)圖的橫坐標為 0.0596?？颂赝ㄓ藐P聯(lián)圖的壓力降 mkpa/5??（3）填料高度計算 采用對數(shù)平均推動力計算填料層高度 Z，可表示為：Z= myOGYKVNH???)(21式中 --按氣相傳質總系數(shù) K 計算的傳質單元高度。y--氣相傳質單元數(shù)OG根據(jù)工藝參數(shù)，進入吸收塔的氣體及排除吸收塔液相的組分摩爾濃度如下表組分摩爾濃度氣相組分 摩爾流率Kmol/h摩爾分數(shù) 液相組分 摩爾流率Kmol/h摩爾分數(shù)CO2 14681.4 0.246 碳酸丙烯酯 405929.2 0.9654CO 299.6 0.005 CO2 14534.6 0.0346H2 44645 0.749Y 1326.04.?? 0326.1.*326.0)9.1(2 ???YX =0.0346 X =0 Y =0.0692, Y =01*2* 058.036.94ln).().36.0(ln)()(*211 ???mK a=K ap=9.875*10 *1.5*10 =0.148 Kmol/(m .s)yG532V/ =(1.4681.4+299.6+44645)/(0.3 *1000*3600 )=0.0586 Kmol/(m .s)?2?2所以: Z= =myOGYKVNH????)(21 m1.2058.36*48.056??考慮一定的安全系數(shù)，確定填料的高度 Z=2.5m2）.填料塔結構設計由于該吸收塔的總高度在 10m 以下，因此在設計中按照 GB 150-1998 設計《鋼制壓力容器》進行結構設計計算設計壓力 P =1.1*1.5=1.65MPac設計溫度取最高工作溫度 40℃設備材料為 16MnR焊接接頭系數(shù) （雙面對接焊，局部無損探傷）85.0??鋼板厚度負偏差 C =0.5mm 腐蝕裕量 C =1.0mm，厚度附加量 C1 2mC5.21??下部液體儲存空間容積，一般比其所存儲液體相當于該塔 5-15m 的處理量考慮。選取下部筒體的直徑 D =2.0mmi(1)下部筒體的計算厚度計算:=1.65*2/(2*153*0.85-1.65)=12.8mmctiP?????][2圓整得名義厚度計算為 mn16??(2)下部筒體厚度計算：選用標準橢圓形封頭，其厚度為：mPDctic 7.12)65.80*532/(.)][2/( ???????圓整并取名義厚度與筒件厚度相同 mn16??(3)上部筒體的厚度計算mPDctic 83.)65.180*532/(6.0*1)][2/( ????????圓整得名義厚度計算為 mn8?(4) 上部設備封頭厚度計算。選用標準橢圓形封頭，氣厚度為： mPDPctic 82.3)65.1*08.153*2/(6.01)5.0][2/( ????????圓整并取名義厚度與筒件厚度相同 mn?（5）開孔及開孔補強計算：： 吸收塔上下塔連接部位的補強a補強面積 A= )1(*2retfd???因此處的開孔的橢圓形封頭中心 80%封頭內(nèi)徑直徑的范圍內(nèi) mPDKPctic 4.1)65.*08.153*2/(9.065).0][/(1 ???????所以 A= =(0.6+2*0.008)*0.0114=6.86*10*2retfd??? 23：人孔補強的計算：同理 有：ba mPKDPctic 7.12)65.*08.153*2/(6.1)5.0][2/( ????????所以 A= =（0.5+2*0.008）*0.0127=6.37*10(*retfd?? 3?:中心孔有效補強面積 A =ce 2332147.9A???：人孔有效補強面積 A = 10*8m因為兩孔的有效補強面積之和大于兩孔所需的補強面積，因此開孔處可不進行補強。（6）.填料塔支承裝置。采用柵板支承填料，為方便通過人孔裝拆，柵板制成 2 塊，柵板扁鋼截面為 10 *6 ，扁鋼之間的間距為 15 柵板強度計算按承受均布m載荷的兩端簡支梁進行。作用在柵板上的總載荷為 lpP??填料重力 =9.8*2.5*0.6*0.015*380=83.79NptpHLP?8.9?填料層液量:NLtL 344 10*9.810*5.60.2*31043. ???梁上的彎矩為： mLPM.6).7983()(6????柵條上應力為： ])/[/ 2chsW??Pa623333 10*.4])10*10)(*106/[(8.* ??? ??因為： 所以所用柵條符合強度要求MPat5]???（7）.耳式支座選用及驗算。支座安裝尺寸為 D 為：mSlbni 524.)(2)()2( 123 ???????][06.1*]4[ 3)0 QKNdSGphKgmQene ??所以可選用蓮蓬頭布液器，安裝高度萬為 2002.2.換熱設備的計算與選型1.1.1.設計任務 根據(jù)給定的工藝設計條件，此設計為無相變熱、冷流體間換熱的管殼式換熱器設計任務。 1.1.2.總體設計 ①確定結構形式。由于介質換熱溫差不大，在工藝和結構上均無特殊要求，因此選用固定管板式換熱器。 ②合理安排流程。安排水和甲醇的混合液體走管程，混合氣體走殼程。 1.1.3.熱工計算 ①原始數(shù)據(jù) 計算內(nèi)容或項目 符號 單位 計算公式或來源結果 備注管程流體名稱 甲醇和水混合液殼程流體名稱 混合氣體 管程進、出口的溫度 Ti;T0 ℃ 已計算 25; 175 殼程進、出口的溫度 ti;t0 ℃ 已計算 280;223.74 管程、殼程的工作壓力pt;ps MPa 已計算 1.5;1.5 管程的質量流量 Wt kg/s 已計算 0.692 （表 2-1） ②物料與熱量恒算計算內(nèi)容或項目 符號 單位 計算公式或來源 結果 備注換熱器效率 η 取用 0．98 負荷 Q W 1.372*105 殼程的質量流量 ws kg/s 0．692 （表 2-2） ③有效平均溫差計算內(nèi)容或項目 符號 單位 計算公式或來源 結果 備注逆流對數(shù)平均溫度 Δt log ℃ 146.92 流程型式 初步確定 1-2 型管殼式換熱器1 殼程-2管程參數(shù) R 0．375 參數(shù) P 0.588 溫度校正系數(shù) Φ 查圖 4-2 0.95 有效平均溫差 ΔtM ℃ ΔtM = ΦΔt log 141.041 （表 2-3） ④初算傳熱面積 計算內(nèi)容或項目 符號 單位 計算公式或來源 結果 備注初選總傳熱系數(shù) K0 W/(m2．℃) 參考表 4-1 240 初算傳熱面積 A0 m2 40.53 （表 2-4） ⑤換熱器結構設計 計算內(nèi)容或項目 符號 單位 計算公式或來源 結果 備注管程 結 構 設 計換熱管材料 選用碳鋼無縫鋼管 換熱管內(nèi)徑、外徑di;d m 0.025;0.021 換熱管管長 L m 選用 9m 標準管長折半 1．5 換熱管根數(shù) n 24(圓整) 管程數(shù) Ni 根據(jù)管內(nèi)流體流速范圍選定 2 管程進出口接管尺寸(外徑*壁厚)djt*Sjt m 按接管內(nèi)流體流速3m/s 合理選取 413?? 殼程數(shù) Ns 1 換熱管排列形式 分程隔板槽兩側正方形排列，其余正三角形排列正三角形排列 換熱管中心距 S m S=1.25d 或按標準 0.032 分程隔板槽兩側中心距Sn 按標準 0．004 管束中心排管數(shù) nc 7 殼體內(nèi)徑 Di m 0．171 換熱器長徑比 L/ Di L/ Di 8．771 合理實排熱管根數(shù) n 作圖 36 折流板形式 選定 彈弓形折流板折流板外直徑 Db m 按 GB151-1999 0.168 折流板缺口弦離 h m 取 0.0342 管程結構設計折流板間距 B m 取 0.171 （表 2-5） ⑥結構設計與強度設計 1)換熱流程設計：采用殼程為單程、管程為雙程的結構型式. 2)換熱管及其排列方式:采用的無縫鋼管，材料為 20 號鋼。熱管排列方式為三角形排列。如圖所示，共排列 36 根。 3)折流板：采用通用的單弓形折流板，材料為 Q235-B 鋼，板厚 6mm,板數(shù) 16 塊。4)拉桿：采用 Q235-B, mm,共 6 根。 5)筒體：材料采用 16MnR 鋼，采用鋼管，取 Dn=219mm 6)封頭：采用標準橢圓形封頭，材料采用 16MnR 鋼。 取 Dn=219mm 采用標準封頭，長徑是短徑的 2 倍，即 54.75 取 55 筒體厚度， =1.05mm 考慮到內(nèi)部壓力較大，有腐蝕性等因素，取 δ=4mm 封頭 h2=25mm h 1=55mm （圖 2-1） 7)法蘭：甲型。墊片種類。非金屬輕墊片，石棉橡膠板 法蘭材料：板材 16MnR 螺栓材料：35 螺母材料：Q235-B 筒體法蘭 選用甲型平焊法蘭 JB4701-92，密封面選用平密封面 折流板數(shù) Nb 16 選取殼程進出口接管尺寸djs*Sjs 合理選取 413?? JB4701-92 法蘭 PⅡ 219-16M DN=300 D=430,D1=390,D2=355,D3=345,D4=345,δ=342,螺柱：M20,16 個管程和殼程進出口接管法蘭 選用帶頸平焊鋼制管法蘭 尺寸分別為： 管程：D=140,K=100,L=18,n=4,Th=M16,C=18,B1=39,N=60,R=5,H=30,質量=2.02kg 殼程：D=185,K=145,L=18,n=4,Th=M16,C=2-,B1=78,N=104,R=6,H=32,質量=3.66 （圖 2-2） 8)管板：采用固定式管板，其厚度可以按照 GB151《管殼式換熱器》標準進行設計,取 40mm。 9)支座： 型式：重型 安裝形式，固定式，代號 F 材料：Q235-A．F 結構特征， 包角，彎制，單筋，不帶墊板 標記：JB/T 4712-92 鞍座 BV219-F 2.3.反應器的設計與選型(相管式感應器的設計)2.3.1.計算反應物的流量：對于甲醇其摩爾質量為 32kg/kmol,其摩爾流量為：1351.312÷32=42.229kmol/h對于水，其摩爾質量為 18kg/kmol,其摩爾流量為：1140.168÷18=63.371kmol/h對于氫氣，其摩爾質量為 2kg/kmol,其摩爾流量為：250÷2=125kmol/h對于一氧化碳，其摩爾質量為 28kg/kmol,其摩爾流量為：11.704÷28=0.418kgmol/h進料器中甲醇的摩爾分辨率 yA為:yA=42.229÷(42.229+63371)=0.4對于甲醇和水，由于其溫度不太高（280℃） ，壓力不太高，（1.5Mpa） ，故可將其近似視為理想氣體考慮，由理想氣體狀態(tài)方程 PV=nRT，可分別計算出進料器中甲醇和水的體積流量。甲醇的體積流量 vA為vA=nRT/P=42.229×8314.3×（273.15+280）÷（1.5×10 6）=129.476m3/h水的體積流量 vB為vB=63.371×8314.3×（273.15+280）÷（1.5×10 6）=194.298進料氣的總質量流量為m0=1351.312+1140.168=2491.48kg/h2.3.2：計算反應的轉化率：進入反應器的甲醇流量為 1351.312kg/h，出反應器的甲醇流量為13.512kg/h,則甲醇的轉化率為 XAfXAf=（1351.312-13.512）÷1351.312×100%=99%即反應過程中消耗甲醇的物質的量為：42.229×99%=41.807kmol/h2.3.3:計算反應體系的膨脹因子:由體系的化學反應方程式可知，在過程中氣體的總物質的量發(fā)生了變化，可求出膨脹因子 δ A,對于甲醇有：δ A=（3+1-1-1）÷1=22.3.4：計算空間時間：τ=1/KRT∫ 0Xaf(1+δ AyAXA)/(1-XA)dXA=1.0038h2.3.5:計算所需反應器的容積:vR=τv 0進料器的總體積流量為：v0=129.476+194.298=323.774m3/h=0.0899 m3/s則可得所需反應器的容積為：vR=τv 0=0.0038×3600×0.0899=1.23 m32.3.6：計算管長：由文獻可知，氣體在反應器內(nèi)的空塔流速為 0.1m/s 考慮催化劑填層的空隙率的氣密塔速度的影響，取流動速度為 v=0.2m/s,則反應器的長度為：L=τv=0.0038×3600×0.2=2.736m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：V=L/τ=3/(0.0038×3600)=0.22m/s2.3.7: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+2H2-90.8KJ/mol?CO+H2O CO2+H2+43.5KJ/mol反應過程中的一氧化碳全部由甲醇分解而得，由化學反應式可得，每轉化 1kmol 的甲醇就少 1.3 生成 1kmol 的一氧化碳，則反應過程中產(chǎn)生的一氧化碳物質的量為41.807kmol/h ,反應器出口處的一氧化碳的物質的量為 0.418kmol/h,轉化的一氧化碳的物質的量為：41.807-0.418=41.389kmol/h一氧化碳的轉化率為：Xco=41.389/41.807×100%=99%則反應過程中需向反應器內(nèi)供給的熱量為：Q=90.8×103×41.807-43.5×103×41.389=1995.654×103KJ/h2.3.8：確定所需的換熱面積：假定采用的管子內(nèi)徑為 d，壁厚為 t，則其外徑為 d+2t，管子的數(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) GB151，320℃的鋼的導熱系數(shù)為 λ=44。9w/（m 2.℃）管外油測的對流給熱系數(shù)為λ 0=300w/(m2.℃),管內(nèi)氣測的對流給熱系數(shù)為 λ i=80w/(m2.℃),反應管內(nèi)外的污垢系數(shù)分別為 0.0002m2.℃/w 和 0.0008m2.℃/w，總污垢系數(shù)為Rf=0.0002+0.0008=0.001m2.℃/w根據(jù)傳熱學，反應器的傳熱系數(shù)為：K=1÷[1/λ i.(d+2t)/d+1/λ 0+t/λ+R f]由于(d+2t)/d 的值接近 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÷(1/λ 0+1/λ i+Rf） =1÷（ 1/300+1/80+1/1000)=59.4w/(m2.℃)=213.84KJ/(h.m2.℃)反應器所需的換熱面積為：F=Q/K.△t=1995.654×10 3/[213.84×(320-280)]=233.3m22.3.9：計算管子的內(nèi)徑：反應器需要的換熱面積為：F=nлdL反應器內(nèi)的氣體的體積流量為：v 0=n.(Лd 2/4)v聯(lián)立上述量式：并將 L=3m v=0.22m/s F=233.3m2 v0=0.0899m3/s代入，即可得所需管子的內(nèi)徑為 d=0.021m.根據(jù)計算所得的管子直徑，按前述換熱設備設計選擇合適的管子型號和所需管束布管方式。第三章 機器選型3.1 計量泵的選擇 往復泵是容積式泵。在高壓力小流量，輸送粘度大的液體，要求精確計量即要求流量隨壓力變化小的情況下宜選用各種類型式的往復泵。要求精確計量時，應用計量泵。 往復泵的流量可采用各種調(diào)節(jié)機構達到精確計量，即計量泵。計量泵用于生產(chǎn)中需要精確計量，所輸送介質的場合：如注緩蝕劑，輸送酸，堿等。流量可在 0-100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，但一般應在 30%-100%范圍內(nèi)使用，計量泵有柱塞式和隔膜式，柱塞式計量流量的精度高玉隔膜式。J 型計量泵適用于輸送各種不含固體顆粒的腐蝕性和非腐蝕性介質。 甲醇制氫工藝需要精確的投料比，故應選用計量泵?，F(xiàn)工藝設計要求甲醇的投料量為 1351.312 kg/h,水為 1140.168 kg/h,現(xiàn)按工藝要求分別選擇一臺甲醇計量泵，一臺純水計量泵，一臺原料計量泵。 已知條件： 1、甲醇正常投料量為 1351.312 kg/h,溫度為 25℃,密度為 0.807kg/h，操作情況為泵從甲醇儲槽中吸入甲醇，送入與原料液儲槽，與水混合。 2、水的正常投料量為 1140.168 kg/h，溫度為 25℃,密度為 0.997kg/h,操作情況為泵從純水儲槽中吸入水，送入原料液儲槽，與甲醇混合。 3、 原料液儲槽出來的量為甲醇 1351.312kg/h,水 1140.168 kg/h,溫度為25℃，操作情況為泵從原料液儲槽中吸入原料液，送入換熱器。 3.1.1 甲醇計量泵選型 工藝所需正常的體積流量為：1351.312/0.807=1674.488L/h 泵的流量 Q=1.05*1674.488=1758.2124L/h 工藝估算所需揚程 30M,泵的揚程 H=1.1*30=33M。 折合成計量泵的壓力(泵的升壓)P=ρHg=33*807*8.81/10 6=0.261Mpa 泵的選型，查文獻一，JZ-1000/0.32 型計量泵的流量為 1000L/h,壓力為0.32Mpa,轉速為 126r/min,進出口管徑為 24mm,電機功率為 1.1KW,兩個并聯(lián)，滿足需要。 3.1.2 純水計量泵的選型 工藝所需正常的體積流量為：1140.168 /0.997=1143.599L/h 泵的流量 Q=1.05*1143.599=1200.779L/h. 工藝估算所需揚程 30M,泵的揚程：H=1.1*30=33M 折合成泵的壓力：P=Hρg=33*997*9.81/10 6=0.323Mpa 泵的選型：查文獻一，JZ-630/0.5 型計量泵的流量為 630L/h,壓力為 0.5Mpa,轉速為 126r/min,進出口管徑為 24mm,電機功率為 1.1KW, 兩個并聯(lián)，滿足要求。3.1.3 原料計量泵的選型 原料液密度：ρ=807*1/（1+1.5）+997*1.5/(1+1.5)=921kg/m 3 工藝所需正常的體積流量為：(1140.168 +1351.312)/(0.921)=2491.48/0.921=2705.19L/h 泵的流量 Q=1.05*2705.19=2840.45L/h 工藝估算所需的揚程 80M,泵的揚程 H=1.1*80=88M 折合成泵的壓力 P=ρHg=88*921*9.81/10 6=0.795MPa 泵的選型查文獻一，JD-1000/1.5 型計量泵的流量為 1000L/h,壓力為 1.3MPa,轉速為 115r/min,電機功率為 2.2KW, 三個并聯(lián)，滿足要求。 3.2 離心泵的選型 3.2.1 吸收劑循環(huán)泵 已知條件：碳酸丙烯酯吸收劑的用量為 80.29m3/h,溫度為 40℃,密度為1100kg/m 3,由吸收塔出口出來經(jīng)泵送到吸收塔，選擇離心泵作為吸收劑的輸送泵。 工藝所需正常的體積流量為:80.29m 3/h。 泵的流量 Q=1.05*80.29=84.304m3/h 工藝估算所需的揚程 30M 泵的揚程 H=1.1*30=33M 泵的選型：查文獻一，選用 IS 型單級離心泵，IS100-65-200 型離心泵，流量為 100m 3/h,揚程為 50m,轉速為 2900r/min,電機功率 17.9KW,滿足要求。 3.2.2 冷卻水泵。 已知條件：冷凝水為循環(huán)水，采用中溫型冷水塔,溫差 ΔT=10℃,用水量3.19*1140.168kg/h,溫度為常溫 25℃，密度為 997kg/m3,在冷凝器中進行換熱，采用 B 型單級離心泵。 工藝上所需正常體積流量為 3.19*1140.168/997=32m3/h 泵的流量：Q=1.05*32=33.6m 3/h 工藝估算所需的揚程 30M 泵的揚程 H=1.1*30=33M 泵的選型：查文獻一，選用 B 型單級離心泵 BJ(B)50-40 型離心泵,流量 50m 3/h，揚程 42m,轉速 2950r/min,電機功率 10KW,滿足要求。 第四章 管道布置設計4.1 管子選型（確定幾種主要管道尺寸的方法如下） 4.1.1 脫鹽水管徑確定 脫鹽水流量為 1140.168kg/h,密度為 997kg/m3,流速取 2m/s 由 V= 4*d2u 得 d= 12.2mm 根據(jù)標準選用 DN15 無縫鋼管，壁厚取為 2.5mm 4.1.2 走甲醇管的管徑確定 甲醇流量為 1351.312kg/h,密度為 807kg/m3,流速取為 2m/s 則 d= 13mm 根據(jù)標準選用 DN15 無縫鋼管，壁厚取 2.5MM 4.1.3 原料輸送管 原料液用量為 2491.48kg/h,密度為 921kg/m3,流速取為 2m/s 則 d=17.6mm 根據(jù)標準選用 DN20 無縫鋼管，壁厚度為 2.5mm 4.1.4 進入吸收塔混合氣體所需管徑尺寸確定 混合氣體質量為 2082.772kg/h,密度 0.557kg/m3,流速 35m/s 則 d=220mm 根據(jù)標準選用 DN225 無縫鋼管，壁厚度為 4mm 4.1.5 吸收液管子尺寸 吸收液量為 80.292m3/h,密度為 110kg/m3,流速 2.5m/s 則 d=36.6mm 根據(jù)標準選用 DN40 無縫鋼管，壁厚度為 3mm 4.1.6 冷卻水管子尺寸 冷卻水為 3.19*1140.168kg/h,密度為 997kg/m3,流速 2m/s 則 d=148mm 根據(jù)標準選 DN5150 無縫鋼管，壁厚為 4mm 4.2 主要管道工藝參數(shù)匯總一覽表 序號 管道編號 管內(nèi)介質 設計壓力 MPa設計溫度℃ 管子規(guī)格 材料1 DN0101-20L1B 脫鹽水 0.3 50 202 DN0102-20L1B 脫鹽水 0.3 50 203 PL0101-15L1B 甲醇 0.3 50 204 PL0102-15L1B 甲醇 0.3 50 205 PL0103-15L1B 原料液 0.3 50 206 PL0104-15L1B 原料液 1．6 50 207 PL0105-15L1B 原料液 1.6 175 208 PG0101-100N1B原料氣 1.6 175 209 PG0102-100N1B原料氣 1.6 280 2010 PG0103-100N1B原料氣 1.6 280 2011 PG0104-100N1B原料液 1.6 225 2012 PG0105-100N1B原料氣 1.6 50 2013 H0101-100N1B 氫氣 1.6 50 2014 PL0106-20N1B 碳酸丙烯酯1.65 50 2015 PL0107-20N1B 碳酸丙烯酯1.65 50 2016 PL0108-20N1B 碳酸丙烯酯1.65 50 2017 PG0106-80N1B 食品二氧化碳0．4 50 0Cr18Ni9Ti18 R00101-125L1B導熱油 0.6 320 2019 R00102-125L1B導熱油 0.6 320 2020 R00103-125L1B導熱油 0.6 320 2021 R00104-125L1B導熱油 0.6 320 2022 CWS0101-80L1B冷卻水 0.3 50 鍍鋅管23 CWR0101-80L1B冷卻水 0.3 50 鍍鋅管（表 5-1） 以上 20 號鋼軍參照 GB/T8163-1999 0Cr18Ni9Ti 參照標準 GB/T14976 鍍鋅管參照 GB/T14976 4.3 各部件的選擇及管道圖4.3.1 管道上閥門的選型 序號 管道編號 設計壓 MPa公稱直 DN/MM 連接形式 閥門型號1 DN0101-20L1B 0.3 25 法蘭 閘閥 Z25W-1.0T2 DN0102-20L1B 0.3 25 法蘭、螺紋 閘閥 Z25W-1.0T/止回閥 H11T-1.63 PL0101-15L1B 0.3 15 法蘭 Z15W-1.0K4 PL0102-15L1B 0.3 15 法蘭、螺紋Z15W-1.0K/H11W-1.6K5 PL0103-15L1B 0.3 15 法蘭 Z15W-1.0OK6 PL0104-15L1B 1.6 15 法蘭、螺紋Z15W-1.0K/H11W-16K7 PL0106-20N1B 1.65 20 法蘭、螺紋Z15W-1.0T/H11T-1.68 PL0108-20N1B 1.65 20 法蘭 Z15W-1.0T9 R00101-125L1B0.6 125 法蘭 Z41H-1.6C10 R00104-125L1B0.6 125 法蘭 Z41H-1.6C,J41H-1.6C11 CWS0101-80L1B0.3 80 法蘭 Z15W-1.0T12 CWE0101-80L1B0.3 80 法蘭 Z15W-1.0T13 H0101-100N1B 1.6 100 法蘭 Z41H-1.6C,J41H-1.6C14 PG0106-80N1B 0.4 80 法蘭 Z41H-1.6C,J41H-1.6C（表 5-2） 所選閥門軍參照標準 JB308-75 4.3.2 管件選型 彎頭采用 90°彎頭，參考文獻一，彎頭曲率半徑 R=1.5D0,D0 為外管。 管件與彎頭處采用焊接連接。 管件與筒體連接處采用法蘭連接，參見標準 HG20595. 管法蘭、墊片，緊固件選擇參見文獻一，P189 4.3.3 管道布置圖 選取該區(qū)域的中上部區(qū)域來布置管線，具體管路布置清參考 JQ11-032 管道布置圖，所含設備有 P0101,P0102,P0103,E0101,V0101 管線，支座情況清參見管道布置圖（具體定為參照參考文獻一） 4.3.4 管道空視圖 選取:PL0104-15L1B 和 PL0105-15L1B 兩根管線作管道空視圖，具體請參見空圖。4.3.5 法蘭選型 法蘭的選用主要根據(jù)工作壓力，管子外徑等參數(shù)，現(xiàn)將主要管道法蘭列表如下：管道編號 管內(nèi)介質 設計力 公稱直徑閥門公稱力等級(MPa)法蘭類型密封面形式公稱壓力等級(MPa)H0101-100N1B 氧氣 1.6 100 2.5 帶頸焊 凹凸面 2.5PG0101-100N1B 原料氣 1.6 100 2.5 帶頸焊 凹凸面 2.5PG0102-100N1B 原料氣 1.6 100 4.0 帶頸焊 凹凸面 4.0PG0103-100N1B 氫 10% 1.6 100 4.0 帶頸焊 凹凸面 4.0PG0104-100N1B 二氧化 73% 1.6 1OO 4.0 帶頸焊 凹凸面 4.0PG0105-100N1B 水 17% 1.6 100 2.5 帶頸焊 凹凸面 2.5PG0106-80N1B 食品二氧碳 0.4 80 1.6 帶頸焊 凹凸面 1.6R00101-125L1B 導熱油 0.6 125 1.6 帶頸焊 凹凸面 1.6R00104-125L1B 導熱油 0.6 125 1.6 帶頸焊 凹凸面 1.6PL0101-15L1B 甲醇 0.3 15 1.6 帶頸焊 凹凸面 1.6PL0102-15L1B 甲醇 0.3 15 1.6 帶頸焊 凹凸面 1.6PL0103-15L1B 原料液 0．3 15 2.5 帶頸焊 凹凸面 1．6PL0104-15L1B 原料液 1．6 15 2．5 帶頸焊 凹凸面 2．5PL0106-20N1B 吸收液 1.65 20 2.5 帶頸焊 凹凸面 2.5PL0107-20N1B 吸收液 1.65 20 2.5 帶頸焊 凹凸面 2.5PL0108-20N1B 吸收液 1.65 20 2.5 帶頸焊 凹凸面 2.5DN0101-20L1B 脫鹽水 0.3 25 1.0 帶頸焊 凸面 1.0DN0102-20L1B 脫鹽水 0.3 25 1.0 帶頸焊 凸面 1.0CWS0101-80L1B 冷卻水 0.3 80 1.0 帶頸焊 凸面 1.0CWR0101-80L1B 冷卻水 冷卻水 0.3 1.0 帶頸焊 凸面 1.0（表 5-3） 4.3.6 筒體保溫材料一覽表 序號 管道編號 設計溫度℃ 保溫層厚度 mm 保溫材料1 DN0101-20L1B 50 80 巖棉2 DN0102-20L1B 50 80 巖棉3 PL0101-15L1B 50 80 巖棉4 PL0102-15L1B 50 80 巖棉5 PL0103-15L1B 50 80 巖棉6 PL0104-15L1B 50 80 巖棉7 PL0105-15L1B 175 100 巖棉8 PL0106-20L1B 50 80 巖棉9 PL0107-20L1B 50 80 巖棉10 PL0108-20L1B 50 80 巖棉11 PG0101-100N1B 175 100 巖棉12 PG0102-100N1B 280 100 巖棉13 PG0103-100N1B 280 100 巖棉14 PG0104-100N1B 225 100 巖棉15 PG0105-100N1B 50 80 巖棉16 H0101-100N1B 50 80 巖棉17 PG0106-80N1B 50 80 巖棉18 R00101-125L1B 320 100 巖棉19 R00102-125L1B 320 100 巖棉20 R00103-125L1B 320 100 巖棉