甲醇制氢装置的投资估算结构设计.docx

1、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 f CO + 2H2 TCO + H2O COT + H2CH3OH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. 5 MPa, 醇水投料比 1:1.5(mol) 。(2)投料量计算代如转化率数据CH3OHf 0.99 CO T + 1.98 2H2 T +0.01 CH3OHCO + 0.99 H2O f 0.99 CO2T + 0.99 H2 T+ 0.01 COT合并得到CH3OH + 0.9801 H2O

2、 f 0.9801 CO2T + 2.9601 H2 T + 0.01 CH3OH+ 0.0099 CO氢气产量为： 700 m3 /h=31.250 kmol/h甲醇投料量为： 31.250/2.9601 * 32=337.828 kg/h水投料量为： 337.828/32 * 1.5 * 18=285.042 kg/h(3)原料储液槽 (V0101)进：甲醇 337.828 kg/h ，水 285.042 kg/h 。出：甲醇 337.828 kg/h ，水 285.042 kg/h 。 换热器(E0101),汽化塔(T0101)、过热器(E0103) 没有物流变化(5) 转化器 (R01

3、01)进：甲醇 337.828 kg/h ，水 285.042 kg/h ，总计 622.87 kg/h出：生成 CO2337.828/32 * 0.9801 * 44=455.370 kg/hH2337.828/32 * 2.9601 * 2=62.500 kg/hCO337.828/32 * 0.0099 * 28=2.926 kg/h剩余甲醇337.828/32 * 0.01 * 32=3.378 kg/h剩余水285.042- 337.828/32 * 0.9801 * 18 =98.796 kg/h总计622.87 kg/h(6) 吸收和解析塔吸收塔总压为1.5Mpa,其中C02分压

4、为0.38Mpa,操作温度为常温(25 C)。此时每m3吸收 液可溶解 CO211.77 m3 .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 77-232=9.450.4MPa压力下 p C02 = pM /RT =4 * 44/0.082 * (273.15 + 25) =7.20 kg/m 3CO2体积重量 V CO2 =455.370/7.20 =63.232 m 3 /h 据此，所需吸收液的量为 63.232/9.45 =6.691 m 3 /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=20.074m 3

5、 /h系统压力降至0.1MPa时，析出CO2量为86.510 m 3 /h = 455.370 kg/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 + 0.6 p 水=1.5MPa初设 T=170C p 甲醇=2.19MPa; p 水=0.824MPap 总 =1.3704MPa 1.5MPa再设 T=175C p 甲醇=2.4MP

6、A; p 水 0.93MPap 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 转化器(R0101)两步反应的总反应热为 49.66 kj/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*10 5 kj/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=2.85 kj/(kg K),Cp300 C =2.81 kj

7、/(kg K)取平均值 Cp=2.83 kj/(kg K)则导热油的用量 w=Q反应 /(Cp t)= 5.190*10 5 / (2.83*5)=3.668*10 4 kg/h 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=2 Cp mA t= ( 1.90*337.828+4.82*285.042 ) *(280-175)=2.117*10 5 kj/h导热油Cp=2.825 kj/(kg . K),于是其温度降为At=Q/(Cp m)= 2.117 * 10 5 /(2.86 * 3.668*10 4 )=2.042C导

8、热油出口温度为 ：315-2.042=312.958 汽化塔(T0101)认为汽化塔仅有潜热变化。175C 甲醇 H=727.2 kj/kg 水 H=2031 kj/kgQ=337.828 *727.2 +2031*285.042=8.246*10 5 kj/h以 300C 导热油 Cp计算 Cp=2.76 kj/(kg . K)64 t=Q/(Cp m)=2.36*10 /2.76*3.668*10 )=8.145 C则导热油出口温度 t2 =312.958- 8.145=304.812 C导热油系统温差为 T=320-304.812=15.187 C基本合适 换热器(E0101)壳程：甲醇

9、和水液体混合物由常温(25 C)升至175C 液体混合物升温所需的热量Q=2 cprnX t=(337.828*3.14 + 285.042 *4.30)*(175 -25)=3.430*10 5 kj/h管程：取各种气体的比定压热容为：CpCO 10.47 kj/(kg . K)CPH 14.65 kj/(kg . K)CPHD 4.19 kj/(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*10 5 /(10.47*455.267+14.65*62.5+4.19*98.8)= 56.264 C换热器出口温度 280- 56.264=223.7

10、36C 冷凝器(E0103)CO、CO、H2的冷却Q =2 cprnX t=(10.47*455.267+14.65*62.5+10.47*2.926)*(223.736 -40)=1.05*10 6 kj/h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*10 5 kj/h水显热变化 Qa =cpm t=4.19* 98.795*(223.736 -40)=7.600*10 4 kj/hQ= Q1+ Q2+ Q3=1.407*106 kj/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/(cp

11、 A t)= 1.407*10 6/(4.19*10)=3.359*10 4 kg/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;T 0已计算25;175壳程进、出口的温度t i ;t 0已计算280 ;223.73

12、6管程、壳程的工作压力pt;p sMPa已计算1.5;1.5管程的质量流量Wtkg/s已计算01730(表 2-1)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098负荷QW3.43*105壳程的质量流量wskg/s01730(表 2-2)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K0W/(m2C） 参考表 4-1240初算传热面积A02 m2815（表 2-4）参数P温度校正系数O有效平均温差A tM C（表 2-3 ）初算传热面积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;dm选用碳钢

13、无缝钢管0.025;0.021换热管管长Lm选用9m标准管长折半1 5结 换热管根数n24（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 *Sjtm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Ns1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SmS=1.25d 或按标准0.032设 分程隔板槽两侧计 中心距Sn按标准0004管束中心排管数nc7壳体径Dim0171换热器长径比L/ D iL/ D i8771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Dbm按 GB151-19990.

14、168折流板缺口弦离hm取0.0342折流板间距Bm取0.171折流板数Nb16选取壳程进出口接管djs *Sjs合理选取尺寸表 2-5 ) 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=219mm6） 封头：采用标准椭圆形封头，材料采用 16M nR钢。取D=219mn

15、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=25mm h1=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 PH 219-16MDN=300 D=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=14

16、0,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40mm9） 支座：型式：重型安装形式，固定式，代号 F材料： Q235-AF结构特征， 包角，弯制，单筋，不带垫板标记： JB/T 4712-92 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

17、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 285.041 kg/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

18、原料计量泵。已知条件：1、 甲醇正常投料量为337.826 kg/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*41

19、8.62=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=p Hg=33*807*8.81/10 6=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=Hp g=33*99

20、7*9.81/10 6=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=p Hg=

21、88*921*9.81/10 6=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/m 3,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

22、，BJ(B)25-40型离心泵，流量为25m 3/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,

23、 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 mmV0101甲醇储罐12002000V0102纯水储罐12002000V0103原料液储罐18002000T0101气化塔6600800(400)T0102吸收塔66002000(500)T0103解析塔66002000(500)R0101转化器5505(长度)500E0101预热器3574219E0102过热器3574219E0103冷凝器3574219

24、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-500/0.63 5000.631021.1纯水计量泵JZ-400/0.84000.81261.1原料液计量泵JD-1000/1.3 10001.31152.2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)25-40254029505.5冷却水循环泵BJ(B)50-405042295010表 4-1 )第五章管道布置设计51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=

25、 /4*d 2u 得 d= = =7.11mm根据标准选用 DN1.5 无缝钢管，壁厚取为 1.5mm5.1.2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1.5MM5.1.3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2.5mm5.1.4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=

26、 =97.2mm根据标准选用DN10C无缝钢管，壁厚度为4mm5.1.5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3mm5.1.6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3mm5.2 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1DN0101-20L1B 脱盐水0.350202DN0102-20L1B 脱盐水0.350203PL01

27、01-15L1B 甲醇0.350204PL0102-15L1B 甲醇0.350205PL0103-15L1B 原料液0.350206PL0104-15L1B 原料液1 650207PL0105-15L1B 原料液1.6175208PG0101-100N1 原料气1.6175209PG0102-100N1 原料气1.62802010PG0103-100N1 原料气1.62802011PG0104-100N1 原料液1.62252012PG0105-100N1 原料气1.6502013H0101-100N1B 氢气1.6502014PL0106-20N1B 碳酸丙烯酯1.65502015PL010

28、7-20N1B 碳酸丙烯酯1.65502016PL0108-20N1B 碳酸丙烯酯1.65502017PG0106-80N1B 食品二氧化碳04500Cr18Ni9Ti18R00101-125L1B导热油0.63202019R00102-125L1B导热油0.63202020R00103-125L1B导热油0.63202021R00104-125L1B导热油0.63202022CWS0101-80L1 冷却水0.350镀锌管23CWR0101-80L1冷 却水0.350镀锌管表 5-1 ) 以上 20 号钢军参照 GB/T8163-1999 0Cr18Ni9Ti 参照标准 GB/T14976镀锌管参照 GB/T149765.3 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MPaDN