甲醇制氢工艺设计

前言氢气是一种重要的工业产品，它广泛用于石油、化工、建材、冶金、电子、医药、电力、轻工、气象、交通等工业部门和服务部门，由于使用要求的不同，这些部门对氢气的纯度、对所含杂质的种类和含量都有不相同的要求，特别是改革开放以来，随着工业化的进程，大量高精产品的投产，对高纯度的需求量正逐步加大，等等对制氢工艺和装置的效率、经济性、灵活性、安全都提出了更高的要求，同时也促进了新型工艺、高效率装置的开发和投产。依据原料及工艺路线的不同，目前氢气主要由以下几种方法获得电解水法；氯碱工业中电解食盐水副产氢气；烃类水蒸气转化法；烃类部分氧化法；煤气化和煤水蒸气转化法；氨或甲醇催化裂解法；石油炼制与石油化工过程中的各种副产氢；等等。其中烃类水蒸气转化法是世界上应用最普遍的方法，但该方法适用于化肥及石油化工工业上大规模用氢的场合，工艺路线复杂，流程长，投资大。随着精细化工的行业的发展，当其氢气用量在2003000M3/H时，甲醇蒸气转化制氢技术表现出很好的技术经济指标，受到许多国家的重视。甲醇蒸气转化制氢具有以下特点（1）与大规模的天然气、轻油蒸气转化制氢或水煤气制氢相比，投资省，能耗低。（2）与电解水制氢相比，单位氢气成本较低。（3）所用原料甲醇易得，运输、贮存方便。（4）可以做成组装式或可移动式的装置，操作方便，搬运灵活。对于中小规模的用氢场合，在没有工业含氢尾气的情况下，甲醇蒸气转化及变压吸附的制氢路线是一较好的选择。本设计采用甲醇裂解吸收法脱二氧化碳变压吸附工艺，增加吸收法的目的是为了提高氢气的回收率，同时在需要二氧化碳时，也可以方便的得到高纯度的二氧化碳。目录1设计任务书32甲醇制氢工艺设计421甲醇制氢工艺流程422物料衡算423热量衡算63反应器设计931工艺计算932结构设计134管道设计5自控设计6技术经济评价、环境评价7结束语8致谢9参考文献附录1反应器装配图，零件图2管道平面布置图3设备平面布置图4管道仪表流程图5管道空视图6单参数控制方案图1、设计任务书2、甲醇制氢工艺设计21甲醇制氢工艺流程甲醇制氢的物料流程如图12。流程包括以下步骤甲醇与水按配比115进入原料液储罐，通过计算泵进入换热器（E0101）预热，然后在汽化塔（T0101）汽化，在经过换热器E0102过热到反应温度进入转化器R0101，转化反应生成H2、CO2的以及未反应的甲醇和水蒸气等首先与原料液换热E0101冷却，然后经水冷器E0103冷凝分离水和甲醇，这部分水和甲醇可以进入原料液储罐，水冷分离后的气体进入吸收塔，经碳酸丙烯脂吸收分离CO2，吸收饱和的吸收液进入解析塔降压解析后循环使用，最后进入PSA装置进一步脱除分离残余的CO2、CO及其它杂质，得到一定纯度要求的氢气。图12甲醇制氢的物料流程图及各节点物料量22物料衡算1、依据甲醇蒸气转化反应方程式CHOHCO2H（11）32COHOCOH（12）2CHOH分解为CO转化率99,反应温度280,反应压力15MPA,醇水投料比115MOL32、投料计算量代入转化率数据,式13和式14变为CHOH099CO198H001CHOH323CO099HO099CO199H001CO2合并式15,式16得到CHOH09801HO09801CO29601H001CHOH00099CO32223氢气产量为1600M/H71429KMOL/H3甲醇投料量为71429/2960132772179KG/H水投料量为71429/296011518651526KG/H3、原料液储槽V0101进甲醇772179KG/H,水651526KG/H出甲醇772179KG/H,水651526KG/H4、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772179KG/H,水651526KG/H,总计1423705KG/H出生成CO772179/3209801441040617KG/H2H772179/32296012142858KG/HCO772179/3200099286689KG/H剩余甲醇772179/32001327722KG/H剩余水651526772179/320980118225819KG/H总计1423705KG/H6、吸收塔和解析塔吸收塔的总压为15MPA,其中CO的分压为038MPA,操作温度为常温25此时,每2M吸收液可溶解CO1177M此数据可以在一般化工基础数据手册中找到，二氯323化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度数据见表1一L及表12。解吸塔操作压力为01MPA,CO溶解度为232,则此时吸收塔的吸收能力为2117723294504MPA压力下PM/RT0444/000822731525720KG/M2CO3CO体积量V1040617/720144530M/H22CO3据此,所需吸收液量为144530/94515294M/H考虑吸收塔效率以及操作弹性需要,取吸收量为15294M/H45883M/H33可知系统压力降至01MPA时,析出CO量为144530M/H1040617KG/H2混合气体中的其他组分如氢气,CO以及微量甲醇等也可以按上述过程进行计算,在此,忽略这些组分在吸收液内的吸收7、PSA系统略8、各节点的物料量综合上面的工艺物料衡算结果,给出物料流程图及各节点的物料量,见图1一233热量衡算1、汽化塔顶温确定在已知汽相组成和总压的条件下，可以根据汽液平衡关系确定汽化塔的操作温度甲醇和水的蒸气压数据可以从一些化工基础数据手册中得到表13列出了甲醇的蒸气压数据水的物性数据在很多手册中都可以得到，这里从略。在本工艺过程中,要使甲醇水完全汽化,则其汽相分率必然是甲醇40,水60MOL且已知操作压力为15MPA,设温度为T,根据汽液平衡关系有04P06P15MPA甲醇水初设T170P219MPAP0824MPA甲醇水P13704图25C“000兰系数”按H/DI,”/DI,查图260000151旋转刚度21“H3I“FIF“FEBK9542MPA材料名称16MNR正火壳壳体法兰厚度F44MM法兰外径D860MM体法兰宽度2/FIB80MM比值SI/0006071法比值FI006286系数,按H/DI,”/DI,查图25C000兰系数,按H/DI,”/DI,查图2600001626旋转刚度21S3IFIEBKF8573MPA法兰外径与内径之比FI1229壳体法兰应力系数Y按K查表95955旋转刚度无量纲参数TFF40001777膨胀节总体轴向刚度2ELITCR0N/MM管板第一弯矩系数按,查图27KFM101075系系数M1F1473系数按查图29TFG22952换热管束与不带膨胀节壳体刚度之比QENAATS4445数换热管束与带膨胀节壳体刚度之比LKEXEXT管板第二弯矩系数按K,Q或查图28A或BEXM23591系数（带膨胀节时代替Q）EX21GMM0001768计系数按K,Q或QEX查图303001187法兰力矩折减系数KF01302管板边缘力矩变化系数“1F09722算法兰力矩变化系数FFM08734管管板开孔后面积ALA025ND2243E05MM2板参管板布管区面积三角形布管ST086正方形布管TD22563E05MM2数管板布管区当量直径/4TTAD5712MM系数AL/06314系系数NAL01719数系数S0461/Q5575计系数带膨胀节时代替QEX/6014TQ846算管板布管区当量直径与壳体内径之比TTID08161管板周边不布管区无量纲宽度KK1T0756仅有壳程压力PS作用下的危险组合工况PT0不计温差应力计温差应力换热管与壳程圆筒热膨胀变形差TTTTT0S0000001212当量压力组合PCS055055MPA有效压力组合TAE3066353MPA基本法兰力矩系数MDMIA4301441001252管板边缘力矩系数10145800108管板边缘剪力系数21470159管板总弯矩系数M12248405511系数仅用于时GE10KE30725401609系数I当时,按K和M查图31A实线当时,按K和M查图31（B）0138207278系数0,G11AXGEI10,G11,X1IEG64MMB253B064MMDGD外2B螺栓受力计算预紧状态下需要的最小螺栓载荷WAWABDGY2309417N操作状态下需要的最小螺栓载荷WPWPFPF2873019N所需螺栓总截面积AMAMMAXAP,AA16900MM2实际使用螺栓总截面积ABAB81175214DNMM2力矩计算操FD0785PCI22115575NLDLA051445MMMDFDLD94143090NMM作FGFP461650NLG05DBDG339MMMGFGLG15670646NMMMPFTFFD294340NLT05LA1LG457MMMTFTLT13457942NMM外压MPFDLDLGFTLTLG内压MPMDMGMTMP123271680NMM预紧MAW11180529NLG339MMMAWLG379521760NMM计算力矩MOMP与MAFT/F中大者MO280410980NMM螺栓间距校核实际间距1067NDLBMM最小间距560查GB15098表93MIMM最大间距1584AXMM形状常数确定10583HD0I0H/HO01KDO/DI12291610由K查表95得T1827Z4926Y9550U10495整体法兰查图93和图94FI090449VI046604000855EFHI0松式法兰查图95和图96FL000000VL000000000000L查图97由1/O得F219408整体法兰21OIHUD6100871松式法兰21OHD0002F13DFE1139/T07615234EF092剪应力校核计算值许用值结论预紧状态893LDWI1MPAN801校核合格操作状态229LIP2MPATN2校核合格输入法兰厚度F460MM时,法兰应力校核应力性质计算值许用值结论轴向应力14103I21OHDFMMPA1740或15FT3350按整体法兰设计2NT的任意式法兰,取15NT校核合格径向应力3130I2F0R13EMPA1160FT校核合格切向应力2661T0FIRMYDZ2MPA1160FT校核合格综合应力5,MAXTH8616MPA1160FT校核合格法兰校核结果校核合格开孔补强计算计算单位南京工业大学过程装备与控制工程系接管C,1142计算方法GB1501998等面积补强法,单孔设计条件简图计算压力PC055MPA设计温度350壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型16MNR正火板材壳体开孔处焊接接头系数08壳体内直径DI700MM壳体开孔处名义厚度N6MM壳体厚度负偏差C10MM壳体腐蚀裕量C21MM壳体材料许用应力T134MPA接管实际外伸长度200MM接管实际内伸长度0MM接管材料20G热轧接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量1MM补强圈材料名称补强圈外径MM凸形封头开孔中心至封头轴线的距离MM补强圈厚度MM接管厚度负偏差C1T0312MM补强圈厚度负偏差C1RMM接管材料许用应力T92MPA补强圈许用应力TMPA开孔补强计算壳体计算厚度18MM接管计算厚度T033MM补强圈强度削弱系数FRR0接管材料强度削弱系数FR0687开孔直径D1126MM补强区有效宽度B2252MM接管有效外伸长度H11501MM接管有效内伸长度H20MM开孔削弱所需的补强面积A2028MM2壳体多余金属面积A13604MM2接管多余金属面积A27372MM2补强区内的焊缝面积A336MM2A1A2A34037MM2，大于A，不需另加补强。补强圈面积A4MM2AA1A2A3MM2结论补强满足要求,不需另加补强。4、管道设计41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14MPA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14MPA。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。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导热油管道的规格和保温结构的确定流量1100353KG/H0028M3/S流速范围0520M/S取为20M/S则VQDI1335MMUQV4壁厚T0267MMITIP23208125SCHX100010003查表应选用SCH5系列得管子故选择RO0101、RO0102、RO0103、RO0104管道规格为15945无缝钢管流速校正U1584M/S24DQV保温层计算管道外表面温度T0320,环境年平均温度TA20,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00609W/MK,70201842表面放热系数为12W/M2K3636S保温工程投资偿还年分摊率S0264105计算经济保温层经济厚度STAHPTD2793LN03010316120692647538953查表得保温层厚度107MM计算保温后的散热量131244W/M123706915920LN632LN110SADTQ计算保温后表面温度294ASSTQ14计算出来的表面温度294略低于最初计算导热系数是假设的表面温度30,故107MM的保温层可以满足工程要求甲醇原料管道的规格流量1013479KG/H000036M3/S一般吸水管中流速U11M/S,出水管中VQ流速U218M/S则DI214MM/1596MMUQV4故选择PL0101管道规格为252无缝钢管选择PL0102管道规格为202无缝钢管流速校正U1104M/S,合适U2179M/S24QV24DQV脱盐水原料管道的规格流量855123KG/H000024M3/S计算过程同上V选择DNW0101管道规格为222无缝钢管选择DNW0102管道规格为182无缝钢管流速校正U10943M/SU2156M/S24DQV24DQV甲醇水混合后原料管道的规格流量1868802KG/H000060M3/S计算过程同上V选择PL0103管道规格为322无缝钢管选择PL0104、PL0105管道规格为252无缝钢管流速校正U10974M/SU21732M/S24DQV24DQV吸收液碳酸丙烯酯管道的规格流量42000KG/H00012M3/S计算过程同上VQ选择PL0106管道规格为484无缝钢管选择PL0107、PL0108管道规格为383无缝钢管流速校正U10962M/SU2139M/S24DV2DQV冷却水管道的规格流量95465KG/H0027M3/S计算过程同上VQ选择CWS0101管道规格为15945无缝钢管选择CWS0102、CWR0101管道规格为1334无缝钢管流速校正U115M/SU222M/S24DV2DQVPG0101、PG0102、PG0103、PG0104混合气管道的规格流量1868802KG/H0043M3/S计算过程同上VQ200壁厚T0656MMITIP261802300壁厚T08MMITID选择PG0101、PG0102、PG0103、PG0104管道规格为8945无缝钢管流速校正U1855M/S24QV其它管道规格尺寸选择PG0105管道规格为734PG0106管道规格为8945PG0107管道规格为8945PL0109管道规格为324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1PG010680M1B氢气501875气相828020G2PG010180M1B2001869气相868020G3PG010280M1BH甲醇545水4553001869气相868020G4PG010380M1B3001869气相868020G5PG010480M1BHH210CO273H2O172001869气相868020G6PG010565M1BH212CO28816501553气相546520G7RO0101150L1BH导热油06320110035液相1615020G8RO0102150L1BH导热油06320110035液相1615020G9RO0103150L1BH导热油06320110035液相1615020G10RO0104150L1BH导热油06320110035液相1615020G11PL010120L1B甲醇常压5010135液相102020G12PL010215L1B甲醇常压5010135液相181520G13PL010332L1B原料液常压501869液相103220G14PL010420M1B原料液16501869液相172020G15PL010520M1B原料液162001869液相172020G16PL010640L1B吸收液04504200液相104020G17PL010732L1B吸收液04504200液相143220G18PL010832L1B吸收液045042000液相143220G19DNW010120L1B脱盐水0350855液相092020G20DNW010215L1B脱盐水0350855液相161520G21CWS0101150L1B冷却水035095465液相15150镀锌管22CWS0102125L1B冷却水035095465液相22125镀锌管23CWR0101125L1B冷却水038095465液相22125镀锌管24PG010780L1B食品二氧化碳04501366气相11800CR18NI925PL010920M1B工艺冷凝水1650280液相032020G42泵的选型整个系统有五处需要用泵1原料水输送计量泵P01012原料甲醇输送计量泵P01023混合原料计量泵P01034吸收液用泵P01045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1013479KG/H。温度为25。密度为0807KG/L；操作情况为泵从甲醇储槽中吸入甲醇，送入原料液储罐，与水混合工艺所需正常的体积流量为1013479/0807125586L/H泵的流量Q105125586131865L/H工艺估算所需扬程80M,泵的扬程H118088M折合程计量泵的压力PGH80798188/1060697MPA泵的选型查表得，JD1600/08型计量泵的流量为1600L/H，压力08MPA，转速115R/MIN，电机功率22KW，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855123KG/H。温度为25。密度为0997KG/L；操作情况为泵从纯水储槽中吸入水，送入原料液储罐，与甲醇混合工艺所需正常的体积流量为855123/099785770L/H泵的流量Q1058577090058L/H工艺估算所需扬程80M,泵的扬程H118088M折合程计量泵的压力PGH99798188/1060861MPA泵的选型查表得，JD1000/13型计量泵的流量为1000L/H，压力13MPA，转速115R/MIN，电机功率22KW，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1868802KG/H。温度为25。密度为0860KG/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工艺所需正常的体积流量为1868802/0860217303L/H泵的流量Q105217303228168L/H工艺估算所需扬程80M,泵的扬程H118088M折合程计量泵的压力PGH86098188/1060742MPA泵的选型查表得，JD2500/08型计量泵的流量为2500L/H，压力08MPA，转速115R/MIN，电机功率22KW，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，循环使用确定泵的流量及扬程工艺所需的正常体积流量为4200/1000420M3/H泵的流量取正常流量的105倍Q105420441M3/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11倍的安全裕度H1135385水泵选型，选用离心式水泵查表得，40W40型水泵最佳工况点扬程40M,流量54M3/H,转速2900R/MIN，电机功率为40KW。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95465KG/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，循环使用确定泵的流量及扬程工艺所需的正常体积流量为95465/9979575M3/H泵的流量取正常流量的105倍Q105957510054M3/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11倍的安全裕度H1135385水泵选型，选用离心式水泵查表得，IS10065200型水泵最佳工况点扬程47M,流量120M3/H,转速2900R/MIN，轴功率199KW，电机功率为22KW，效率77。允许气蚀余量48M,选用该型号泵较合适。43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，汇总于下表阀门选型序号所在管道编号管内介质设计压力设计温度公称直径连接形式阀门型号1PG010680M1B氢气165080法兰闸阀Z41H16C等，截止阀J41H16C2RO0101150L1BH导热油03320150法兰3RO0104150L1BH导热油03320150法兰闸阀Z41H16C、Z41Y16C等，截止阀J41H16C等4PL010120L1B甲醇常压5020法兰5PL010215L1B甲醇常压5015法兰闸阀Z41H16C、Z41Y16C、Z15W10K（螺纹）6PL010332L1B原料液常压5032法兰、螺纹等，截止阀J41H16C等止回阀H41H167DNW010120L1B脱盐水035020法兰、螺纹Z15W10T8PG010780L1B食品二氧化碳045080螺纹闸阀Z41H16C等，截止阀J41H16C等9PL010732L1B吸收液045032法兰、螺纹闸阀Z15W10T止回阀H41H1610PL010920M1B工艺冷凝水165020法兰Z15W10T44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法兰选型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类型密封面型式公称压力等级1PG010680M1B氢气502PG010180M1B20025253PG010280M1BH3004PG010380M1B30040405PG010480M1BH200806PG010565M1B混合气体1650657RO0101150L1BH导热油033208RO0102150L1BH导热油033209RO0103150L1BH导热油0332010RO0104150L1BH导热油0332015011PL010120L1B甲醇常压502012PL010215L1B甲醇常压501513PL010332L1B原料液常压503214PL010420M1B原料液16502015PL010520M1B原料液1620020252516PL010640L1B吸收液04504017PL010732L1B吸收液04503218PL010832L1B吸收液04503210凹凸面1019DNW010120L1B脱盐水03502020DNW010215L1B脱盐水03501521CWS0101150L1B冷却水035015022CWS0102125L1B冷却水035012523CWR0101125L1B冷却水038012510带颈平焊法兰突面1024PG010780L1B食品二氧化碳04508010凹凸面1025PL010920M1B工艺冷凝水16502016突面165、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