甲醇制氢课设.doc

_课程设计报告( 20162017年度第一学期) 名 称：化学反应工程 题 目：甲醇裂解制氢 院 系：环境科学与工程学院 班 级：能化1402 学 号：201405040207 学生姓名：冯慧芬 指导教师：郭天祥 成 绩： 精品资料目 录1、 设计任务书 1.1设计条件 1.2设计任务 1.3时间安排2、 反应过程的动力学数据 2.1反应过程及焓变 2.2反应动力学 2.3催化剂选择三、甲醇制氢工艺流程四、列管式固定床催化反应器工艺结构设计，工艺操作参数 4.1.工艺操作参数4.1.1温度4.1.2压力 4.2工艺结构设计五、反应核算 3.1物料衡算 3.2热量衡算六、其他设备的选择及参数 6.1泵的选型 6.2反应器控制方案设计 6.3.1被控参数的选择 6.3.2控制参数的选择 6.3.3过程检测仪表的选择 6.3.4示图7、 工艺系统图和设备图 7.1设备图7.1.1固定管板式换热器7.1.2列管式固定床反应器8、 心得体会9、 参考文献精品资料一、设计任务书1.1设计条件：（1）设计产量：1094吨/小时，设计裕量20%。（2）设计内容：甲醇裂解制氢 （3）设计要求: 甲醇转化率99%; 给出物料衡算过程; 给出热量衡算过程; 给出工艺操作参数 绘制工艺系统图和设备图 (CAD制图) （4）选用反应器：可选用但不限于列管式固定床催化反应器1.2设计任务： （1）查阅文献，获取反应过程的动力学数据 （2）选择工艺结构，优化计算工艺操作参数 （3）对选定的工艺过程进行物料衡算和热量衡算，进行工艺设计 （4）绘制工艺系统图和设备图 (CAD制图)1.3时间安排：（1）第17周布置任务，发放设计任务书。（2）每周1、3、5下午第四节课指导和答疑（地点在实验楼A五楼）。（3）第19周答辩。二、反应过程的动力学及催化剂2.1反应过程及焓变 在甲醇水蒸气重整制氢的化学反应中，主要有3 个反应，即： CH3OH=CO+2H2 1 CO+H2O=CO2+H2 2 CH3OH+ H2O= CO2+2H2 3 在已发表的文献中有的选择反应1,2为关键反应，有的选择反应1,3为关键反应，利用不同的关键反应和设计要求的对比，发现选择反应1,2为关键反应时结果较好 CH3OH=CO+2H2 H1=90.8kJ/mol CO+H2O=CO2+H2 H2=-43.5kJ/mol2.2反应动力学 已知甲醇制氢转化工艺的总基本反应为： CH3OH+H2O=CO2+3H2 根据有关文献，该反应为一级反应，反应动力学方程为： rA=kCA 由选择的催化剂，反应速率常数为： k=5.510-4exp（ ）m3/(kmolh)2.3催化剂选择 采用四川亚联生物化工研究所研制的甲醇裂解重整制氢型双功能催化剂，该催化剂具有耐高温且使用寿命长等优点，催化性能良好，在实验室中测量出了使用该催化剂的宏观动力学方程，在工业生产中也有广泛的应用，结合本实验后的设计温度压力等条件，可知实验的催化速率常数。 反应器中温度280，压力1.5Mpa，由选择的催化剂，知反应速率常数为： k=5.510-4exp（ ）m3/(kmolh) 3、 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1：1.8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4、 列管式固定床催化反应器工艺结构设计，工艺操作参数4.1.工艺操作参数4.1.1温度1、依据甲醇蒸气转化反应方程式: CHOHCO+2H （1-1）CO+HOCO+ H （1-2）CHOH转化率99%2、投料计算量 现有表明随着原料液中甲醇质量百分比的增加, 甲醇转化率大幅度降低，氢气的时空产率略有增加，但变化的幅度不大。甲醇在原料液中的比例越高，床层出口处的反应量越大。由于该反应体系为吸热反应因此床层出口处的温度相应降低，但降低不到1 %，因此甲醇在原料液中的比例适当降低将有利于提高甲醇的转化率。所以，本设计中甲醇和水的配料比定位1:1.5。 代入转化率数据,变为:CHOH0.99CO+1.98H+0.01 CHOHCO+0.99HO0.99CO+ 0.99H+0.01CO合并上两个式子得到: CHOH+0.9801 HO0.9801 CO+2.9601 H+0.01 CHOH+0.0099 CO氢气产量为: 1094t/h=1094000 kg/h甲醇投料量为: 547000/2.960132=5913313.739 kg/h水投料量为: 5913313.739/321.518=4989358.467 kg/h3、原料液储槽(V0101)进: 甲醇 5913313.739 kg/h , 水4989358.467 kg/h出: 甲醇 5913313.739 kg/h , 水 4989358.467 kg/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5913313.739 kg/h, 水4989358.467 kg/h, 总计10902672.21 kg/h出 : 生成 CO 5913313.739 /320.980144 =7969003.344kg/h H 5913313.739 /322.96012 =1094000kg/h CO 5913313.739 /320.009928 =51224.08kg/h 剩余甲醇 5913313.739/320.0132 =59133.137kg/h 剩余水 4989358.467-5913313.739/320.980118=1729311.644kg/h 总计 10902672.21kg/h5、转化器中反应速率(R0101)以甲醇为关键组分，则反应量: 甲醇5913313.739*0.99=5854180kg/h 选择的反应器是列管式固定床催化反应器，利用等温均相平推流模型平均反应速率和停留时间的关系： 根据GB151推荐的换热管长度，取管长l=6m，流速定位0.5m/s，估算反应的停留时间为0.0032s。在结合实际过程中的反应估算出反应温度为553K4.1.2压力 空间速度为SV=Vs0/Vr 设计裕度为20%，则Vr=(Vfan+Vcui)*1.2,结合实际估算出压力值1.5MPa4.2工艺结构设计已知甲醇制氢转化工艺的基本反应为：CH3OH+H2O=CO2+3H2。该反应在管式反应器进行，进出反应器的各物料的工艺参数如表3-1所示。物流名称管程壳程/(kg/h)进口/(kg/h)出口/(kg/h)设计温度/oC压力/MPa进出口/(kg/h)设计温度/oC压力/MPa甲醇5913313.73959133.1372801.5水4989358.4671729311.644二氧化碳7969003.344一氧化碳51224.08氢气1094000导热油6.41083200.5表3-1 反应器的物流表（1）计算反应物的流量进口处：对于甲醇，其摩尔质量为32g/mol，则其摩尔流量为：5913314/32=184791kmol/h对于水，其摩尔质量为18g/mol，其摩尔流量为：4989358/18=277187kmol/h出口处：对于甲醇，其摩尔质量为32g/mol，则其摩尔流量为：59133/32=1848kmol/h对于水，其摩尔质量为18g/mol，其摩尔流量为：1729312/18=96073kmol/h对于氢气，其摩尔质量为2g/mol,其摩尔流量为：1094000/2=5470003kmol/h对于一氧化碳，其摩尔质量为28g/mol,其摩尔流量为：51224/28=1829kmol/h对于二氧化碳，其摩尔质量为44g/mol,其摩尔流量为：7969003/44=181114kmol/h进料气中甲醇的摩尔分率y A为：y A =对于甲醇和水，由于温度不太高（280 o C），压力不太大（1.5MPa），故可将其近似视为理想气体考虑。有理想气体状态方程p V = n R T，可分别计算出进料气中甲醇和水的体积流量：甲醇的体积流量VA为：VA= m3/h水的体积流量VB为：VB= m3/h进料气的总质量为：m o=5.91106+4.99106=10.9106kg/h（2）计算反应的转化率进入反应器时甲醇的流量为5913313.739kg/h，出反应器时甲醇的流量为59133.137kg/h，则甲醇的转化率xAf为：xAf=即反应过程中消耗甲醇的物质的量为：1.8510599%=1.83105kmol/h（3）计算反应体系的膨胀因子由体系的化学反应方程式可知，反应过程中气体的总物质的量发生了变化，可求出膨胀因子A。对于甲醇有：A=（4）计算空间时间根据有关文献，该反应为一级反应，反应动力学方程为：rA=kCAk=5.510-4e CA=CAO反应过程的空间时间为：=CAO = CAO /k CAORT=dxA将k=5.510-4em3/(kmolh)，R=8314.3，T=553K，A=2，yA=0.4代入上式，可得空间时间：=0.0038h（5） 计算所需反应器的容积 VR=VO进料气的总体积流量为：VO=5.68105+8.49105 =1.42106 m/h=394.4m/s则可得所需反应器的容积为：VR=VO =0.00381.42106=5396m（6）计算管长 考虑催化剂填层的空隙率对气体空塔速度的影响，取流动速度为=0.4m/s，则反应管的长度为：l=u=0.003836000.4=5.472m根据GB151推荐的换热管长度，取管长l=6m反应器内的实际气速为：u=7）计算反应热甲醇制氢的反应实际为两个反应的叠合，即CH3OH=CO+2H2+90.8kJ/molCO+H2O=CO2+H2-43.5kJ/mol反应过程中的一氧化碳全部由甲醇分解而得，由化学反应式可知，每转化1kmol的甲醇就可生成1kmol的一氧化碳，则反应过程中产生的一氧化碳的物质的量1.85105kmol/h。反应器出口处的一氧化碳的物质的量为1829.43kmol/h，转化的一氧化碳的物质的量为：185000-1829.43=183170.57kmol/h一氧化碳的转化率为：XCO=则反应过程中所需向反应器内供给的热量为：Q=90.8101.85105-43.510183170.57=8.8109kJ/h（8）确定所需的换热面积 假定选用的管子内径为d，壁厚为t，则其外径为d+2t，管子数量为n根。反应过程中所需的热量由导热油供给，反应器同时作为换热器使用，根据GB151，320oC时钢的导热系数为=44.9W/（mOC），管外油侧的对流给热系数为o=300W/（m2OC），管内侧的对流给热系数为i=80 W/（m2OC），根据表5-2所列的壁面污垢系数查得，反应管内、外侧的污垢系数分别为0.0002 m2OC/W 和0.0008 m2OC/W总污垢系数为Rf=0.0002+0.0008=0.001 m2OC/W根据传热学，反应器的传热系数为：K=1/（+Rf）由于的值接近于1，对K带来的误差小于1%；钢管的传热很快，对K的影响也很小，故可将上式简化为：K=1/（+Rf）=1213.84kJ/(hmOC)由于反应器所需的换热面积为：F=6.2*106m（9）计算管子的内径反应器需要的换热面积为：F=ndl反应器内气体的体积流量为：VO=nu联立上述两式，并将l= 6m，u= 0.44(m/s) ，F= 6.2*106(m) VO= 394.4(m/s) 代入，即可得所需管子的内径为：d=0.0215m。根据计算所得的管子内径，按前述换热设备设计选择合适的管子型号和所需的管数及布管方式。结构设计计算内容或项目符号单位计算公式或来源结果备注管程 结 构 设 计换热管材料选用碳钢无缝钢管252换热管内径、外径di;dm0.021;0.025换热管管长Lm选用6m标准管长6.0换热管根数n270(圆整)管程数Ni根据管内流体流速范围选定1管程进出口接管尺寸(外径*壁厚)djt*Sjtm按接管内流体流速合理选取897管程结构设计壳程数Ns1换热管排列形式正三角形排列正三角形排列换热管中心距SmS=1.25d或按标准0.032分程隔板槽两侧中心距Sn按标准44管束中心排管数nc（外加六根拉杆）19壳体内径DimDi=S(Nc-1)+(12)d060换热器长径比L/ DiL/ Di10合理实排热管根数n作图 276折流板形式选定单弓形折流板折流板外直径Dbm按GB151-19990.575折流板缺口弦离hm取h=0.20Di0.12折流板间距Bm取B=(0.21)Di0.4折流板数NbNb=L/B-114壳程进出口接管尺寸djs*Sjs合理选取15912选取五、反应核算5.1物料衡算1、依据甲醇蒸气转化反应方程式: CHOHCO+2H （1-1）CO+HOCO+ H （1-2）CHOH转化率99%2、 投料计算量 CHOH+0.9801 HO0.9801 CO+2.9601 H+0.01 CHOH+0.0099 CO氢气产量为: 1094t/h=1094000 kg/h甲醇投料量为: 547000/2.960132=5913313.739 kg/h水投料量为: 5913313.739/321.518=4989358.467 kg/h3、原料液储槽(V0101)进: 甲醇 5913313.739 kg/h , 水4989358.467 kg/h 出: 甲醇 5913313.739 kg/h , 水 4989358.467 kg/h4、换热器 (E0101),汽化塔(T0101),过热器(E0103)没有物流变化.没有物流变化.5、列管式固定床反应器 (R0101)进 : 甲醇5913313.739 kg/h, 水4989358.467 kg/h, 总计10902672.21 kg/h出 : 生成 CO 5913313.739 /320.980144 =7969003.344kg/h H 5913313.739 /322.96012 =1094000kg/h CO 5913313.739 /320.009928 =51224.08kg/h 剩余甲醇 5913313.739/320.0132 =59133.137kg/h 剩余水 4989358.467-5913313.739/320.980118=1729311.644kg/h 总计 10902672.21kg/h计算反应物的流量进口处：对于甲醇，其摩尔质量为32g/mol，则其摩尔流量为：5913314/32=184791kmol/h对于水，其摩尔质量为18g/mol，其摩尔流量为：4989358/18=277187kmol/h出口处：对于甲醇，其摩尔质量为32g/mol，则其摩尔流量为：59133/32=1848kmol/h对于水，其摩尔质量为18g/mol，其摩尔流量为：1729312/18=96073kmol/h对于氢气，其摩尔质量为2g/mol,其摩尔流量为：1094000/2=5470003kmol/h对于一氧化碳，其摩尔质量为28g/mol,其摩尔流量为：51224/28=1829kmol/h对于二氧化碳，其摩尔质量为44g/mol,其摩尔流量为：7969003/44=181114kmol/h反应器物料衡算表甲醇水二氧化碳一氧化碳氢气总计进口流量（koml/h) 184791277187 0 0 0 461978进口浓度（%）40.060.00.0 0.0 0.0 100.0 出口流量(kmol/h)1848 96073181114 1829 5470003 5750867出口浓度(%)0.031.673.15 0.0395.12100.00 5.2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： 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+0.6p=1.5MPa初设 T=170 p=2.19MPa; p=0.824 MPa p=1.37041.5 MPa再设 T=175 p=2.4MPa; p=0.93 MPa p=1.51 MPa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175.2、转换器(R0101)两步反应的总反应热为47.3kJ/mol,于是,在转化器内需要供给热量为: Q=5913313.7390.99/32100047.3 =9.08109 kJ/h此热量由导热油系统带来,反应温度为280,可以选用导热油温度为320,导热油温度降设定为5,从手册中查到导热油的物性参数,如比定压热容与温度的关系,可得:取 c=2.83 kJ/(kgK)则导热油用量 w=Q/(ct)= 9.08109 /(2.835)=6.42108kg/h3、过热器(E0102)甲醇和水的饱和蒸气在过热器中175过热到280,此热量由导热油供给.从手册中可以方便地得到甲醇和水蒸气的部分比定压热容数据,气体升温所需热量为:Q= cmt=(1.905913313.739+4.824989358.467) (280-175)=3.7109 kJ/h导热油c=2.826 kJ/(kgK), 于是其温降为: t=Q/(cm)= 3.7109/(2.8266.42108)=2.04导热油出口温度为: 315-2.04=313.04、汽化塔（TO101 ) 认为汽化塔仅有潜热变化。175 甲醇H = 727.2kJ/kg 水 H = 2031kJ/kg Q=5913313.739727.2+20314989358.467=1.441010 kJ/h以300导热油c计算 c=2.76 kJ/(kgK)t=Q/(cm)=1.441010 /(2.766.42108)=8.1则导热油出口温度 t=313.0-8.1=304.9导热油系统温差为T=320-304.9=15.1 基本合适.5、预热器（EO101)壳程：甲醇和水液体混合物由常温（25 ）升至175 ，其比热容数据也可以从手册中得到，则液体混合物升温所需热量Q= cmt=(5913313.7393.14+4989358.4674.30) (175-25)=6109kJ/h管程：没有相变化，同时一般气体在一定的温度范围内，热容变化不大，以恒定值计算，这里取各种气体的比定压热容为： c1.02 kJ/(kgK) c14.65 kJ/(kgK) CpH2o 4.19 kJ/(kgK)则管程中反应后气体混合物的温度变化为：t=Q/(cm)=6109/(1.027969003.344+14.651094000+4.191729311.644)=191.07换热器出口温度为 280-191.07=896、冷凝器（EO103) 在E0103 中包含两方面的变化：CO, CO, H的冷却以及CHOH , HO的冷却和冷凝. CO,CO , H的冷却Q=cmt=(1.027969003.344+1.0151224.08+14.651094000) (89-40)=4.9105 kJ/h CHOH的量相对较小，在此其冷凝和冷却忽略不计。压力为1.5MPa时水的冷凝热为：H=2135KJ/kg,总冷凝热 Q=Hm=21351729311.644=3.69109kJ/h水显热变化Q= cmt=4.191729311.644(89-40)=3.6108kJ/h Q=Q+Q+ Q=4.05109kJ/h冷却介质为循环水，采用中温型凉水塔，则温差T=10用水量 w=Q/( ct)= 4.05109/(4.1910)=9.7107 kg/h6、 其他设备的选择及参数6.1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1013.479kg/h。温度为25。密度为0.807kg/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：1013.479 /0.8071255.86L/h泵的流量Q1.051255.861318.65L/h工艺估算所需扬程80m,泵的扬程H1.18088m折合程计量泵的压力：P=gh=8079.8188/106=0.697MPa泵的选型：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855.123kg/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，与甲醇混合工艺所需正常的体积流量为：855.123/0.997857.70L/h泵的流量Q1.05857.70900.58L/h工艺估算所需扬程80m,泵的扬程H1.18088m折合程计量泵的压力：P=gh=9979.8188/106=0.861MPa泵的选型：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1868.802kg/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 工艺所需正常的体积流量为：1868.802/0.8602173.03L/h泵的流量Q1.052173.032281.68L/h工艺估算所需扬程80m,泵的扬程H1.18088m折合程计量泵的压力：P=gh=8609.8188/106=0.742MPa泵的选型：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.确定泵的流量及扬程工艺所需的正常体积流量为4200/1000=4.20 m3/h泵的流量取正常流量的1.05倍:Q=1.054.20=4.41 m3/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=1.135=38.5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5.4 m3/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95465/997=95.75 m3/h泵的流量取正常流量的1.05倍:Q=1.0595.75=100.54 m3/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=1.135=38.5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120 m3/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.6.2反应器控制方案设计6.2.1被控参数的选择 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6.2.2控制参数的选择 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