管子法兰阀门泵选型 反应器控制 经济分析.docx
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管子法兰阀门泵选型反应器控制经济分析
5管道设计
5.1管子选型
1.材料——综合考虑设计温度、压力以及腐蚀性（包括氢腐蚀），本装置主管道选择20g无缝钢管，理由如下：
●腐蚀性——本生产装置原料甲醇、导热油对材料无特殊腐蚀性；产品氢气对产品可能产生氢腐蚀，但研究表明碳钢在220℃以下氢腐蚀反应速度极慢，而且氢分压不超过1.4MPa时，不管温度有多高，都不会发生严重的氢腐蚀。
本装置中临氢部分最高工作温度为300℃，虽然超过220℃，但转化气中氢气的分压远低于1.4MPa。
所以20g无缝钢管符合抗腐蚀要求。
●温度——20g无缝钢管的最高工作温度可达475℃，温度符合要求。
●经济性——20g无缝钢管属于碳钢管，投资成本和运行维护均较低。
●注：
二氧化碳用于食品，其管道选用不锈钢。
2.管子的规格尺寸的确定及必要的保温层设计
①导热油管道的规格和保温结构的确定
流量
＝91872Kg/h＝0.033m3/s流速范围0.5～2.0m/s取为2.0m/s则
Di＝
＝145.0mm
壁厚t＝
＝
＝0.29mm
Sch.x=1000×
=1000×
=3
查表应选用Sch.5系列得管子
故选择RO0101、RO0102、RO0103、RO0104管道规格为φ159×4.5无缝钢管
流速校正u=
=1.998m/s
保温层计算:
管道外表面温度T0=320,环境年平均温度Ta=20℃,年平均风速为2m/s,采用岩棉管壳保温,保温结构单位造价为750元/m3,贷款计息年数为5年,复利率为10%,热价为10元/106kJ.
设保温层外表面温度为30℃,岩棉在使用温度下的导热系数为
0.0609W/（m.K）,
表面放热系数为
12W/（m2.K）
保温工程投资偿还年分摊率
S=
=0.264
计算经济保温层经济厚度
=
0.316
查表得保温层厚度δ=107mm.
计算保温后的散热量
=131.244W/m
计算保温后表面温度
=
=29.4℃
计算出来的表面温度29.4℃略低于最初计算导热系数是假设的表面温度30℃,
故δ=107mm的保温层可以满足工程要求.
②甲醇原料管道的规格
流量
＝844.566Kg/h＝0.000314m3/s一般吸水管中流速u1=1m/s,出水管中流速u2=1.8m/s则
Di＝
＝19.99mm/14.90mm
故选择PL0101管道规格为φ25×2无缝钢管
选择PL0102管道规格为φ20×2无缝钢管
流速校正u1=
=0.91m/s,合适u2=
=1.56m/s
③脱盐水原料管道的规格
流量
＝712.603Kg/h＝0.00021m3/s计算过程同上
选择DNW0101管道规格为φ22×2无缝钢管
选择DNW0102管道规格为φ18×2无缝钢管
流速校正u1=
=0.83m/su2=
=1.36m/s
④甲醇水混合后原料管道的规格
流量
＝1557.169Kg/h＝0.00053m3/s计算过程同上
选择PL0103管道规格为φ32×2无缝钢管
选择PL0104、PL0105管道规格为φ25×2无缝钢管
流速校正u1=
=0.86m/su2=
=1.53m/s
⑤吸收液碳酸丙烯酯管道的规格
流量
＝4200Kg/h＝0.0012m3/s计算过程同上
选择PL0106管道规格为φ159×4.5无缝钢管
选择PL0107、PL0108管道规格为φ133×4无缝钢管
流速校正u1=
=0.962m/su2=
=1.39m/s
⑥冷却水管道的规格
流量
＝82578Kg/h＝0.023m3/s计算过程同上
选择CWS0101管道规格为φ159×4.5无缝钢管
选择CWS0102、CWR0101管道规格为φ133×4无缝钢管
流速校正u1=
=1.3m/su2=
=1.87m/s
⑦PG0101、PG0102、PG0103、PG0104混合气管道的规格
流量
＝1646.15Kg/h＝0.038m3/s计算过程同上
200℃:
壁厚t＝
＝
＝0.656mm
300℃:
壁厚t＝
＝
＝0.8mm
选择PG0101、PG0102、PG0103、PG0104管道规格为φ89×4.5无缝钢管
流速校正u1=
=7.56m/s
⑧其它管道规格尺寸
选择PG0105管道规格为φ73×4PG0106管道规格为φ89×4.5
PG0107管道规格为φ89×4.5PL0109管道规格为φ32×4
类似以上管道规格的计算过程,将本工艺所有主要管道工艺参数结果汇总于下表：
序号
所在管道编号
管内介质
设计压力
设计温度
流量
状态
流速
公称直径
材料
1
PG0106-80M1B
氢气
1.6
50
165.18
气相
8.2
80
20g
2
PG0101-80M1B
甲醇54.5%水45.5%
200
1646.15
气相
8.6
80
20g
3
PG0102-80M1B-H
300
1646.15
气相
8.6
80
20g
4
PG0103-80M1B
H210%CO273%H2O17%
300
1646.15
气相
8.6
80
20g
5
PG0104-80M1B-H
200
1646.15
气相
8.6
80
20g
6
PG0105-65M1B
H212%CO288%
50
1636.38
气相
5.4
65
20g
7
RO0101-150L1B-H
导热油
0.3
320
96940
液相
1.6
150
20g
8
RO0102-150L1B-H
导热油
0.3
320
96940
液相
1.6
150
20g
9
RO0103-150L1B-H
导热油
0.3
320
96940
液相
1.6
150
20g
10
RO0104-150L1B-H
导热油
0.3
320
96940
液相
1.6
150
20g
11
PL0101-20L1B
甲醇
常压
50
892.83
液相
1.0
20
20g
12
PL0102-15L1B
甲醇
常压
50
892.83
液相
1.8
15
20g
13
PL0103-32L1B
原料液
常压
50
1646.15
液相
1.0
32
20g
14
PL0104-20M1B
原料液
1.6
50
1646.15
液相
1.7
20
20g
15
PL0105-20M1B
原料液
1.6
200
1646.15
液相
1.7
20
20g
16
PL0106-40L1B
吸收液
0.4
50
4200
液相
1.0
40
20g
17
PL0107-32L1B
吸收液
0.4
50
4200
液相
1.4
32
20g
18
PL0108-32L1B
吸收液
0.4
50
4200
液相
1.4
32
20g
19
DNW0101-20L1B
脱盐水
0.3
50
753.32
液相
0.9
20
20g
20
DNW0102-15L1B
脱盐水
0.3
50
753.32
液相
1.6
15
20g
21
CWS0101-150L1B
冷却水
0.3
50
82578
液相
1.5
150
镀锌管
22
CWS0102-125L1B
冷却水
0.3
50
82578
液相
2.2
125
镀锌管
23
CWR0101-125L1B
冷却水
0.3
80
82578
液相
2.2
125
镀锌管
24
PG0107-80L1B
食品二氧化碳
0.4
50
1203.2
气相
11
80
0Cr18Ni9
25
PL0109-20M1B
工艺冷凝水
1.6
50
261
液相
0.3
20
20g
5.2泵的选型
整个系统有五处需要用泵:
1.原料水输送计量泵P0101
2.原料甲醇输送计量泵P0102
3.混合原料计量泵P0103
4.吸收液用泵P0104
5.冷却水用泵P0105
（1）甲醇计量泵P0102选型
已知条件：
甲醇正常投料量为844.566kg/h。
温度为25℃。
密度为0.79kg/L；
操作情况为泵从甲醇储槽中吸入甲醇，送入原料液储罐，与水混合
a.确定泵的流量及扬程
工艺所需正常的体积流量为：
892.83/0.79＝1130.16L/h
泵的流量Q＝1.05×1130.16＝1186.67/h
工艺估算所需扬程80m,泵的扬程H＝1.1×80＝88m
折合程计量泵的压力：
P=
gh=790×9.81×88/106=0.682MPa
b.水泵选型，选用计量泵：
查表得，JD1600/0.8型计量泵的流量为1600L/h，压力0.8MPa，转速115r/min，电机功率2.2KW，满足要求
（2）纯水计量泵P0101选型
已知条件：
水的正常投料量为753.32kg/h。
温度为25℃。
密度为0.997kg/L；
操作情况为泵从纯水储槽中吸入水，送入原料液储罐，与甲醇混合
a.确定泵的流量及扬程
工艺所需正常的体积流量为：
753.32/0.997＝755.59/h
泵的流量Q＝1.05×755.59＝793.37L/h
工艺估算所需扬程80m,泵的扬程H＝1.1×80＝88m
折合程计量泵的压力：
P=
gh=997×9.81×88/106=0.861MPa
b.水泵选型，选用计量泵：
查表得，JD1000/1.3型计量泵的流量为1000L/h，压力1.3MPa，转速115r/min，电机功率2.2KW，满足要求
（3）混合原料计量泵P0103选型
已知条件：
原料的正常投料量为1557.169kg/h。
温度为25℃。
密度为0.860kg/L；
操作情况为泵从原料液储槽V0101中吸入原料，送入预热器E0101
a.确定泵的流量及扬程
工艺所需正常的体积流量为：
1557.169/0.860＝1914.13L/h
泵的流量Q＝1.05×1914.13＝2009.83L/h
工艺估算所需扬程80m,泵的扬程H＝1.1×80＝88m
折合程计量泵的压力：
P=
gh=860×9.81×88/106=0.742MPa
b.水泵选型，选用计量泵：
查表得，JD2500/0.8型计量泵的流量为2500L/h，压力0.8MPa，转速115r/min，电机功率2.2KW，满足要求
（4）吸收液用泵P0104
已知条件:
吸收液的输送温度25℃,密度760Kg/m3.泵的正常流量为4200kg/h
操作情况,泵从吸收液储槽中吸入吸收液,送入T0102中，再回解析塔解析出CO2，循环使用.
a.确定泵的流量及扬程
工艺所需的正常体积流量为4200/1000=4.20m3/h
泵的流量取正常流量的1.05倍:
Q=1.05×4.20=4.41m3/h
所需工艺泵的扬程估算:
因水槽和冷却器液面均为大气压,故估算扬程只需考虑最严格条件下的进出管道阻力损失和位高差，约为35m.
泵的扬程取1.1倍的安全裕度：
H=1.1×35=38.5
b.水泵选型，选用涡流式水泵
查表得，40W－40型水泵最佳工况点：
扬程40m,流量5.4m3/h,转速2900r/min，电机功率为4.0KW。
选用该型号泵较合适。
（5）冷却水用泵P0105
已知条件:
水的输送温度25℃,密度997Kg/m3.泵的正常流量为82578kg/h
操作情况,泵从水槽中吸入水,送入冷凝器E0103中换热，再冷却送回水槽，循环使用.泵的吸水高度Hg=2m,压送高度（即原料液储罐接管高度）Hp=3m,管路沿程损失系数λ=0.018,吸入管路长12m,其上装有吸入底阀（带滤网）1个,90度弯头1个,锥形渐缩过渡接管1个,压出管路长
a.确定泵的流量及扬程
工艺所需的正常体积流量为82578/997=82.83m3/h
泵的流量取正常流量的1.05倍:
Q=1.05×82.83=86.97m3/h
所需工艺泵的扬程估算:
因水槽和冷却器液面均为大气压,故估算扬程只需考虑最严格条件下的进出管道阻力损失和位高差，约为35m.
泵的扬程取1.1倍的安全裕度：
H=1.1×35=38.5m
b.水泵选型，选用离心式水泵
查表得，IS100-65-200型水泵最佳工况点：
扬程47m,流量120m3/h,转速2900r/min，轴功率19.9KW，电机功率为22KW，效率77％。
允许气蚀余量4.8m,选用该型号泵较合适。
5.3阀门选型
从工艺流程图可以知道需用阀门的设计压力、设计温度和接触的介质特性，据此数据选择阀门的压力等级和型式，汇总于下表：
序号
所在管道编号
管内
介质
设计
压力
设计温度
公称直径
阀门选型
连接形式
阀门型号
1
PG0106-80M1B
氢气
1.6
50
80
法兰
闸阀：
Z41H-1.6C等，截止阀：
J41H-1.6C
2
RO0101-150L1B-H
导热油
0.3
320
150
法兰
闸阀：
Z41H-1.6C、Z41Y-1.6C等，截止阀：
J41H-1.6C等
3
RO0104-150L1B-H
导热油
0.3
320
150
法兰
4
PL0101-20L1B
甲醇
常压
50
20
法兰
闸阀：
Z41H-1.6C、Z41Y-1.6C、Z15W-1.0K（螺纹）等，截止阀：
J41H-1.6C等止回阀：
H41H-1.6
5
PL0102-15L1B
甲醇
常压
50
15
法兰
6
PL0103-32L1B
原料液
常压
50
32
法兰、螺纹
7
DNW0101-20L1B
脱盐水
0.3
50
20
法兰、螺纹
Z15W-1.0T
8
PG0107-80L1B
食品二氧化碳
0.4
50
80
螺纹
闸阀：
Z41H-1.6C等，截止阀：
J41H-1.6C等
9
PL0107-125L1B
吸收液
0.4
50
125
法兰、螺纹
闸阀：
Z15W-1.0T止回阀：
H41H-1.6
10
PL0109-20M1B
工艺冷凝水
1.6
50
20
法兰
Z15W-1.0T
5.4管道法兰选型
根据各管道的工作压力、工作温度、介质特性和与之连接的设备、机器的接管和阀门等管件、附件的连接型式和尺寸等依据选择法兰，将本工艺管道的有关参数汇总于下表：
序号
所在管道编号
管内介质
设计压力
设计温度
公称直径
阀门公称压力等级
法兰选型
法兰类型
密封面型式
公称压力等级
1
PG0106-80M1B
氢气
1.6
50
80
2.5
带颈平焊法兰
凹凸面
2.5
2
PG0101-80M1B
混合气体
200
3
PG0102-80M1B-H
300
4.0
4.0
4
PG0103-80M1B
300
5
PG0104-80M1B-H
200
2.5
2.5
6
PG0105-65M1B
50
65
7
RO0101-150L1B-H
导热油
0.3
320
150
8
RO0102-150L1B-H
导热油
0.3
320
9
RO0103-150L1B-H
导热油
0.3
320
10
RO0104-150L1B-H
导热油
0.3
320
11
PL0101-20L1B
甲醇
常压
50
20
12
PL0102-15L1B
甲醇
常压
50
15
13
PL0103-32L1B
原料液
常压
50
32
14
PL0104-20M1B
原料液
1.6
50
20
15
PL0105-20M1B
原料液
1.6
200
20
16
PL0106-150L1B
吸收液
0.4
50
150
1.0
1.0
17
PL0107-125L1B
吸收液
0.4
50
125
18
PL0108-125L1B
吸收液
0.4
50
125
19
DNW0101-20L1B
脱盐水
0.3
50
20
1.0
突面
1.0
20
DNW0102-15L1B
脱盐水
0.3
50
15
21
CWS0101-150L1B
冷却水
0.3
50
150
22
CWS0102-125L1B
冷却水
0.3
50
125
23
CWR0101-125L1B
冷却水
0.3
80
125
24
PG0107-80L1B
食品二氧化碳
0.4
50
80
1.0
凹凸面
1.0
25
PL0109-20M1B
工艺冷凝水
1.6
50
20
2.5
突面
2.5
6反应器控制方案设计
1.被控参数选择
化学反应的控制指标主要是转化率、产量、收率、主要产品的含量和产物分布等，温度与上述这些指标关系密切，又容易测量，所以选择温度作为反应器控制中的被控变量
以进口温度为被控变量的单回路控制系统设计
2.控制参数选择
影响反应器温度的因素主要有：
甲醇水混合气的流量、导热油的流量。
混合气直接进入干燥器，滞后最小，对于反应温度的校正作用最灵敏，但混合气的流量是生产负荷，是保证产品氢气量的直接参数，作为控制参数工艺上不合理。
所以选择导热油流量作为控制参数。
3.过程检测仪表的选用
根据生产工艺和用户的要求，选用电动单元组合仪表（DDZ-Ⅲ型）
①测温元件及变送器被控温度在500℃以下，选用铂热电阻温度计。
为了提高检测精确度，应用三线制接法，并配用DDZ-Ⅲ型热电阻温度变送器
调节阀根据生产工艺安全原则，若温度太高，将可能导致反应器内温度过高，引起设备破坏、催化剂破坏等等，所以选择气开形式的调节阀，正作用阀；根据过程特性与控制要求选用对数流量特形的调节阀；根据被控介质流量选择调节阀公称直径和阀芯直径的具体尺寸。
Qmax=509m3/hQmin=31.8m3/h
P1=0.35MpaP2=0.3Mpa
r=0.816g/m3管径159mm
＝P1－P2＝0.05Mpa=0.49kgf/cm3
Cvmax=1.167Q
=1.167
=766
Cvmax=1.167Q
=1.167
=49.4
据此选择Cv和调节阀的口径DN
③调节器根据过程特性与工艺要求，选择PID控制规律；根据构成系统负反馈的原则，确定调节器为反作用。
4.温度控制系统流程图及其控制系统方框图
温度控制系统流程图
控制系统方框图
5.调节器参数整定
经验试凑：
对于温度控制系统，一般取δ＝20～60％，T1=3~10min，TD＝T1/4
也可用临界比例度法或衰减曲线法进行参数整定。
6．如何实现控制过程的具体说明
当干扰发生时，例如甲醇水蒸汽流量加大，继续反应所需的热量增加，反应器温度降低，测量元件（铂热电阻温度计）检测到温度值，经变送器送给调节器和设定值比较，调节器（反作用）发出控制信号，加大调节阀的开度，调节阀正作用，导热油流量增大，反应器温度上升，克服干扰，达到控制目的。
7技术经济评价
1．甲醇制氢装置的投资估算
（1）单元设备价格估算
在工艺流程和生产规模确定之后，经过物料衡算和初步工艺计算，可以初步确定设备的大小和型号。
本套装置共有储槽和分离容器4台，分别为：
原料液储槽（V0101,常温常压）；气液分离罐（V0102，T=40℃，P=1.5MPa）,吸收液中间储罐（V0103,常温常压）;吸收液储罐（V0104,常温常压）。
根据装置生产能力，初步估算容器的容积分别为：
V1=5m3，V2=3m3，V3=V4=8m3
其中，V2，V3，V4为平底平盖容器，计算其质量分别为WV1=750kg，WV3=WV4=1220kg。
V2为立式椭圆封头容器，计算得WV2=1220kg
该套装置共有4台换热器，分别为换热器（E0101，P=1.5MPa），过热器（E0102，P=1.5Mpa），冷凝器（E0103，=1.5MPa），转化器（R0101，P=1.5Mpa）。
根据热负荷初步估算个换热器的面积分别为：
FE1=19m2，FE2=FE3=18.7m2,FR1=159.7m2。
采用浮头式换热器，φ19×2的换热管，计算其质量分别为：
WE1=825.83kg，WE2=WE3=812kg，WR1=7700kg。
该套装置共有3台塔设备，分别为气化塔（T0101），吸收塔（T0102），解吸塔（T0103）。
则T0101、T0102、T0103三个塔的质量分别为:
1887kg,5578kg,5578kg。
材料均选碳钢，设容器及他设备为每斤6元，换热器每公斤12元，则静设备总价值为：
21.92万元。
该套装置共有8台泵，经询价每台泵1.2万元，因此，该套装置总设备约为：
31.52万元。
（2）总投资估算
用系数连乘法求总投资，各系数由表查得：
k1＝1.059，＝1.2528，k3＝1.0483，k4＝1.0277，k5＝1.0930，k6＝1.0803，k7＝11.3061。
已知设备费A＝31.52万元，计算结果如下：
设备安装工程费率B＝k1A=1.0559×31.52=33.28（万元）
设备安装费=B-A=33.28-31.52=1.76（万元）
管道工程C=k2B=1.2528×33.28=41.69（万元）
管道工程费=C-B=41.69-33.28=8.41（万元）
电气工程费率D=k3C=1.0483×41.69=43.7（万元）
电气工程费=D-C=43.7-41.69=2.01（万元）
仪表工程费率E=k4D=1.0277×43.7=44.91（万元）
仪表工程费=E-D=44.91-43.7=1.21（万元）
建筑工程费率F=k5E=1.093×44.91=49.09（万元）
建筑工程费=F-E=49.09-44.91=4.18（万元）
装置工程建设费率G=k6F=1.0803×49.09=53.03（万元）
费用定额规定得费用=G-F=53.03-49.09=3.94（万元）
总投资H=k7G=1.3061×53.03=69.26（万元）
故甲醇制氢装置的投资估算额为70万元
2.总成本费用估算与分析
（1）外购原材料：
1285.7万元
（2）外购燃料：
118.8万元
（3）外购动力：
24.1万元
（4）工资：
15万元
（5）职工福利费：
2.1万元
（6）固定资产折旧费：
18万元
（7）
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