甲醇制氢装置的投资估算结构设计.docx
《甲醇制氢装置的投资估算结构设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《甲醇制氢装置的投资估算结构设计.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
甲醇制氢装置的投资估算结构设计
甲醇制氢装置的投资估算结构设计
第一章工艺设计
1.1.1甲醇制氢物料衡算.
（1）依据甲醇蒸气转化反应方程式：
CH30—fCO+2H2T
CO+H2O>COT+H2
CH3OH分解为CO转化率99%,CO变换转化率99*,反应温度280C,反应压力为1.5MPa,醇水投料比1:
1.5（mol）。
（2）投料量计算
代如转化率数据
CH3OH—f0.99COT+1.982H2T+0.01CH3OH
CO+0.99H2O—f0.99CO2T+0.99H2T+0.01COT
合并得到
CH3OH+0.9801H2O—f0.9801CO2T+2.9601H2T+0.01CH3OH+0.0099CO
氢气产量为：
700m3/h=31.250kmol/h
甲醇投料量为：
31.250/2.9601*32=337.828kg/h
水投料量为：
337.828/32*1.5*18=285.042kg/h
（3）原料储液槽（V0101）
进：
甲醇337.828kg/h，水285.042kg/h。
出：
甲醇337.828kg/h，水285.042kg/h。
⑷换热器（E0101）,汽化塔（T0101）、过热器（E0103）没有物流变化
（5）转化器（R0101）
进：
甲醇337.828kg/h，水285.042kg/h，总计622.87kg/h
出：
生成CO2
337.828/32*0.9801*44=455.370kg/h
H2
337.828/32*2.9601*2=62.500kg/h
CO
337.828/32*0.0099*28=2.926kg/h
剩余甲醇
337.828/32*0.01*32=3.378kg/h
剩余水
285.042-337.828/32*0.9801*18=98.796kg/h
总计
622.87kg/h
（6）吸收和解析塔
吸收塔总压为1.5Mpa,其中C02分压为0.38Mpa,操作温度为常温（25C）。
此时每m3吸收液可溶解CO211.77m3.
解吸塔的操作压力为0.1MPa,C02溶解度为2.32，则此时吸收塔的吸收能力为:
11．77-2．32=9.45
0.4MPa压力下pC02=pM/RT=4*44/[0.082*（273.15+25）]=7.20kg/m3
CO2体积重量VCO2=455.370/7.20=63.232m3/h据此，所需吸收液的量为63.232/9.45=6.691m3/h考虑吸收塔效率以及操作弹性需要，取吸收液量为6.691*3=20.074m3/h
系统压力降至0.1MPa时，析出CO2量为86.510m3/h=455.370kg/h
（7）PSA系统略。
（8）各节点的物料量综合上面的工艺物料恒算结果，给出物料流程图及各节点的物料量。
1.1.2热量恒算
（1）气化塔顶温度确定
要使甲醇完全汽化，则其气相分率必然是甲醇40%,水60%（mol）,且已知操作压力为1.5MPa,设温度为T,根据汽液平衡关系有：
0.4p甲醇+0.6p水=1.5MPa
初设T=170°Cp甲醇=2.19MPa;p水=0.824MPa
p总=1.3704MPa<1.5MPa
再设T=175Cp甲醇=2.4MPA;p水0.93MPa
p总=1.51MPa
蒸气压与总压基本一致，可以认为操作压力为1.5MPa时，汽化塔塔顶温度为175C
⑵转化器（R0101）
两步反应的总反应热为49.66kj/mol,于是在转化器需要共给热量为：
Q反应=337.826*0.99/32*1000*（-49.66）
5
=-5.190*105kj/h
此热量有导热油系统带来，反应温度为280C，可以选用导热油温度为320C，导热油温
降设定为5C,从手册中查到导热油的物性参数，如必定压热容与温度的关系，可得：
Cp320C=4.1868*0.68=2.85kj/（kg．K）,Cp300C=2.81kj/（kg．K）
取平均值Cp=2.83kj/（kg．K）
则导热油的用量w=Q反应/（Cp△t）=5.190*105/（2.83*5）=3.668*104kg/h
⑶过热器（E0102）
甲醇和水的饱和正气在过热器中175C过热到280C，此热量由导热油供给。
气体升温所需热量为
Q=2CpmAt=（1.90*337.828+4.82*285.042）*（280-175）=2.117*105kj/h
导热油Cp=2.825kj/（kg.K）,于是其温度降为
At=Q/（Cpm）=2.117*105/（2.86*3.668*104）=2.042C
导热油出口温度为：
315-2.042=312.958
⑷汽化塔（T0101）
认为汽化塔仅有潜热变化。
175C甲醇H=727.2kj/kg水H=2031kj/kg
Q=337.828*727.2+2031*285.042=8.246*105kj/h
以300C导热油Cp计算Cp=2.76kj/（kg.K）
64
△t=Q/（Cpm）=2.36*10/2.76*3.668*10）=8.145C
则导热油出口温度t2=312.958-8.145=304.812C
导热油系统温差为△T=320-304.812=15.187C基本合适
⑸换热器（E0101）
壳程：
甲醇和水液体混合物由常温（25C）升至175C液体混合物升温所需的热量
Q=2cprnXt=（337.828*3.14+285.042*4.30）*（175-25）=3.430*105kj/h
管程：
取各种气体的比定压热容为：
CpCO〜10.47kj/（kg.K）
CPH〜14.65kj/（kg.K）
CPHD〜4.19kj/（kg.K）则管程中反应后其体混合物的温度变化为：
△t=Q/（Cp*m）=3.430*105/（10.47*455.267+14.65*62.5+4.19*98.8）=56.264C
换热器出口温度280-56.264=223.736C
⑹冷凝器（E0103）
①CO、CO、H2的冷却
Q=2cprnXt=（10.47*455.267+14.65*62.5+10.47*2.926）*（223.736-40）=1.05*106kj/h
②压力为1.5MPa时水的冷凝热为：
H=2135kj/kg,总冷凝热Q2=H*m=2135*98.8=2.109*105kj/h
水显热变化Qa=cpm\t=4.19*98..795*（223.736-40）=7.600*104kj/h
Q=Q1+Q2+Q3=1.407*106kj/h
冷却介质为循环水，才用中温型凉水塔，则温差△T=10C
用水量w=Q/（cpAt）=1.407*106/（4.19*10）=3.359*104kg/h
第二章设备设计计算和选型——换热设备
1.1设计任务
根据给定的工艺设计条件，此设计为无相变热、冷流体间换热的管壳式换热器设计任务
1.2总体设计
1确定结构形式。
由于介质换热温差不大，在工艺和结构上均无特殊要求，因此选用固定管板式换热器。
2合理安排流程。
安排水和甲醇的混合液体走管程，混合气体走壳程。
1.3
热工计算
①原始数据
计算容或项目
符号
单位
计算公式或来源
结果备注
管程流体名称
甲醇和水混合
液
壳程流体名称
混合气体
管程进、出口的温度
Ti;T0
已计算
25;175
壳程进、出口的温度
ti;t0
已计算
280;223.736
管程、壳程的工作压力
pt;ps
MPa
已计算
1.5;1.5
管程的质量流量
Wt
kg/s
已计算
0．1730
（表2-1）
②物料与热量恒算
计算容或项目
符号
单位
计算公式或来源
结果备注
换热器效率
n
取用
0．98
负荷
Q
W
3.43*105
壳程的质量流量
ws
kg/s
0．1730
（表2-2）
③有效平均温差
计算容或项目
符号
单位
计算公式或来源
结果
备注
初选总传热系数
K0
W/（m2．
C）参考表4-1
240
初算传热面积
A0
2m
2．815
（表2-4）
参数
P
温度校正系数
O
有效平均温差
AtMC
（表2-3）
④初算传热面积
⑤换热器结构设计
计算容或项目
符号
单位
计算公式或来源
结果
备注
管换热管材料
程换热管径、外径
di;d
m
选用碳钢无缝钢管
0.025;0.021
换热管管长
L
m
选用9m标准管长折半
1．5
结换热管根数
n
24（圆整）
管程数
Ni
根据管流体流速围选定
2
构管程进出口接管
djt*Sjt
m
按接管流体流速<3m/s合理选取
尺寸
设（外径*壁厚）
计
管壳程数
Ns
1
程换热管排列形式
分程隔板槽两侧正方形排列，其余正
正三角形排
结
三角形排列
列
构换热管中心距
S
m
S=1.25d或按标准
0.032
设分程隔板槽两侧
计中心距
Sn
按标准
0．004
管束中心排管数
nc
7
壳体径
Di
m
0．171
换热器长径比
L/Di
L/Di
8．771
合理
实排热管根数
n
作图
36
折流板形式
选定
弹弓形折流
板
折流板外直径
Db
m
按GB151-1999
0.168
折流板缺口弦离
h
m
取
0.0342
折流板间距
B
m
取
0.171
折流板数
Nb
16
选取
壳程进出口接管
djs*Sjs
合理选取
尺寸
表2-5）⑥结构设计与强度设计
1）换热流程设计：
采用壳程为单程、管程为双程的结构型式.
2）换热管及其排列方式:
采用的无缝钢管，材料为20号钢。
热管排列方式为三角形排列如图所示，共排列36根。
3）折流板：
采用通用的单弓形折流板，材料为Q235-B钢，板厚6mm板数16块。
4）拉杆：
采用Q235-B,mm,共6根。
5）筒体：
材料采用16MnR钢，采用钢管，取D=219mm
6）封头：
采用标准椭圆形封头，材料采用16MnR钢。
取D=219mn采用标准封头，长径是短径的2倍，即54.75取55
筒体厚度，=1.05mm
考虑到部压力较大，有腐蚀性等因素，取S=4mm
封头h2=25mmh1=55mm
（图2-1）
7）法兰：
甲型。
垫片种类。
非金属轻垫片，石棉橡胶板
法兰材料：
板材16MnR
螺栓材料：
35
螺母材料：
Q235-B
筒体法兰
选用甲型平焊法兰JB4701-92，密封面选用平密封面
JB4701-92法兰PH219-16M
DN=300D=430,Di=390,D2=355,D3=345,D4=345,S=342,螺柱：
M20,16个
管程和壳程进出口接管法兰
选用带颈平焊钢制管法兰尺寸分别为：
管程：
D=140,K=100,L=18,n=4,Th=M16,C=18,B仁39,N=60,R=5,H=30,质量=2.02kg
壳程：
D=185,K=145,L=18,n=4,Th=M16,C=2-,B1=78,N=104,R=6,H=32,质量=3.66
（图2-2）
8）管板：
采用固定式管板，其厚度可以按照GB15K管壳式换热器》标准进行设计,取40mm
9）支座：
型式：
重型
安装形式，固定式，代号F
材料：
Q235-A．F
结构特征，包角，弯制，单筋，不带垫板
标记：
JB/T4712-92鞍座BV219-F
第三章机器选型
3.1计量泵的选择
往复泵是容积式泵。
在高压力小流量，输送粘度大的液体，要求精确计量即要求流量随压力变化小的情况下宜选用各种类型式的往复泵。
要求精确计量时，应用计量泵。
往复泵的流量可采用各种调节机构达到精确计量，即计量泵。
计量泵用于生产中需要精确计量，所输送介质的场合：
如注缓蚀剂，输送酸，碱等。
流量可在0-100%围调节，
但一般应在30%-100%围使用，计量泵有柱塞式和隔膜式，柱塞式计量流量的精度高玉隔膜式。
J型计量泵适用于输送各种不含固体颗粒的腐蚀性和非腐蚀性介质。
甲醇制氢工艺需要精确的投料比，故应选用计量泵。
现工艺设计要求甲醇的投料量为
337.826kg/h,水为285.041kg/h,现按工艺要求分别选择一台甲醇计量泵，一台纯水计量泵，一台原料计量泵。
已知条件：
1、甲醇正常投料量为337.826kg/h,温度为25C,密度为0.807kg/h，操作情况为泵从甲醇储槽中吸入甲醇，送入与原料液储槽，与水混合。
2、水的正常投料量为285.041kg/h，温度为25C,密度为0.997kg/h,操作情况为泵从纯水储槽中吸入水，送入原料液储槽，与甲醇混合。
3、原料液储槽出来的量为甲醇337.826kg/h,水285.041kg/h,温度为25C，操作情况为泵从原料液储槽中吸入原料液，送入换热器。
3.11甲醇计量泵选型
工艺所需正常的体积流量为：
337.826/0.807=418.61L/h
泵的流量Q=1.05*418.62=439.55L/h
工艺估算所需扬程30M泵的扬程H=1.1*30=33M
折合成计量泵的压力（泵的升压）P=pHg=33*807*8.81/106=0.261Mpa
泵的选型，查文献一，JZ-500/0.63型计量泵的流量为500L/h,压力为0.63Mpa,转速为102r/min,进出口管径为15mm电机功率为1.1KW,满足需要。
3.1.2纯水计量泵的选型
工艺所需正常的体积流量为：
285.041/0.997=285.90L/h
泵的流量Q=1.05*285.90=315.20L/h.
工艺估算所需扬程30M泵的扬程：
H=1.1*30=33M
折合成泵的压力：
P=Hpg=33*997*9.81/106=0.323Mpa
泵的选型：
查文献一，JZ-400/0.8型计量泵的流量为400L/h,压力为0.8Mpa,转速为126r/min,进出口管径为15mm电机功率为1.1KW,满足要求。
3.1.3原料计量泵的选型
3
原料液密度：
P=807*1/（1+1.5）+997*1.5心+1.5）=921kg/m
工艺所需正常的体积流量为：
（285.041+337.826）/（0.921）=622.867/0.921=676.29L/h泵的流量Q=1.05*676.29=710.10L/h
工艺估算所需的扬程80M,泵的扬程H=1.1*80=88M
折合成泵的压力P=pHg=88*921*9.81/106=0.795MPa
泵的选型查文献一，JD-1000/1.3型计量泵的流量为1000L/h,压力为1.3MPa,转速为
115r/min,电机功率为2.2KW,满足要求。
3.2离心泵的选型
3.2.1吸收剂循环泵
已知条件：
碳酸丙烯酯吸收剂的用量为20.07m3/h,温度为40C,密度为1100kg/m3,由
吸收塔出口出来经泵送到吸收塔，选择离心泵作为吸收剂的输送泵。
工艺所需正常的体积流量为:
20.07m3/h
泵的流量Q=1.05*20.07=21.07m3/h
工艺估算所需的扬程30M
泵的扬程H=1.1*30=33M
泵的选型：
查文献一，选用B型单级离心泵，BJ（B）25-40型离心泵，流量为25m3/h,扬程为40m,转速为2950r/min,电机功率5.5KW,满足要求。
3.2.2冷却水泵。
已知条件：
冷凝水为循环水，采用中温型冷水塔，温差△T=10C,用水量3.19*104kg/h,温度为常温25E，密度为997kg/m3,在冷凝器中进行换热，采用B型单级离心泵。
工艺上所需正常体积流量为3.19*104/997=32m3/h
泵的流量：
Q=1.05*32=33.6m3/h
工艺估算所需的扬程30M
泵的扬程H=1.1*30=33M
泵的选型：
查文献一，选用B型单级离心泵BJ（B）50-40型离心泵,流量50m3/h，扬程42m,转速2950r/min,电机功率10KW满足要求。
第四章设备布置图设计
4.1设备布置方案
本次设备布置方案，采用设备在室外布置，具体设备布置方案和尺寸清参加设备布置图，比例为1:
100。
4.2主要设备的尺寸
代号
名称
高度mm
直径mm
V0101
甲醇储罐
1200
2000
V0102
纯水储罐
1200
2000
V0103
原料液储罐
1800
2000
T0101
气化塔
6600
800（400）
T0102
吸收塔
6600
2000（500）
T0103
解析塔
6600
2000（500）
R0101
转化器
5505（长度）
500
E0101
预热器
3574
219
E0102
过热器
3574
219
E0103
冷凝器
3574
219
计量泵
代号
流量
L/h
压力MPa转速r/min
电机功率KW
甲醇计量泵
JZ-500/0.63500
0.63
102
1.1
纯水计量泵
JZ-400/0.8
400
0.8
126
1.1
原料液计量泵
JD-1000/1.31000
1.3
115
2.2
往复泵
代号
流量
L/h
压力MPa转速r/min
电机功率
吸收剂循环泵
BJ（B）25-40
25
40
2950
5.5
冷却水循环泵
BJ（B）50-40
50
42
2950
10
表4-1）
第五章管道布置设计
5．1管子选型（确定几种主要管道尺寸的方法如下）
5.11脱盐水管径确定
脱盐水流量为285.04kg/h,密度为997kg/m3,流速取2m/s由V=/4*d2u得d===7.11mm
根据标准选用DN1.5无缝钢管，壁厚取为1.5mm
5.1.2走甲醇管的管径确定
甲醇流量为337.826kg/h,密度为807kg/m3,流速取为2m/s
则d===8.61mm
根据标准选用DN15无缝钢管，壁厚取1.5MM
5.1.3原料输送管
原料液用量为622.867kg/h,密度为921kg/m3,流速取为2m/s
则d==10.94mm
根据标准选用DN15无缝钢管，壁厚度为2.5mm
5.1.4进入吸收塔混合气体所需管径尺寸确定
混合气体质量为520.693kg/h,密度0.557kg/m3,流速35m/s
则d==97.2mm
根据标准选用DN10C无缝钢管，壁厚度为4mm
5.1.5吸收液管子尺寸吸收液量为20.073m3/h,密度为110kg/m3,流速2.5m/s
则d==18.3mm
根据标准选用DN20无缝钢管，壁厚度为3mm
5.1.6冷却水管子尺寸
冷却水为3.19*104kg/h,密度为997kg/m3,流速2m/s则d==75mm
根据标准选DN8无缝钢管，壁厚为3mm
5.2主要管道工艺参数汇总一览表
序号
管道编号管介质
设计压力
MPa设计温度C
管子规格材料
1
DN0101-20L1B脱盐水
0.3
50
20
2
DN0102-20L1B脱盐水
0.3
50
20
3
PL0101-15L1B甲醇
0.3
50
20
4
PL0102-15L1B甲醇
0.3
50
20
5
PL0103-15L1B原料液
0.3
50
20
6
PL0104-15L1B原料液
1．6
50
20
7
PL0105-15L1B原料液
1.6
175
20
8
PG0101-100N1原料气
1.6
175
20
9
PG0102-100N1原料气
1.6
280
20
10
PG0103-100N1原料气
1.6
280
20
11
PG0104-100N1原料液
1.6
225
20
12
PG0105-100N1原料气
1.6
50
20
13
H0101-100N1B氢气
1.6
50
20
14
PL0106-20N1B碳酸丙烯
酯
1.65
50
20
15
PL0107-20N1B碳酸丙烯
酯
1.65
50
20
16
PL0108-20N1B碳酸丙烯
酯
1.65
50
20
17
PG0106-80N1B食品二氧
化碳
0．4
50
0Cr18Ni9Ti
18
R00101-125L1B导热油
0.6
320
20
19
R00102-125L1B导热油
0.6
320
20
20
R00103-125L1B导热油
0.6
320
20
21
R00104-125L1B导热油
0.6
320
20
22
CWS0101-80L1冷却水
0.3
50
镀锌管
23
CWR0101-80L1冷却水
0.3
50
镀锌管
表5-1）以上20号钢军参照GB/T8163-19990Cr18Ni9Ti参照标准GB/T14976
镀锌管参照GB/T14976
5.3管道上阀门的选型
序号
管道编号设计压力
公称直径
连接形式阀门型号
MPa
DN
升级会员 