甲醇制氢反应器工艺计算

1、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

2、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：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。与电解水制氢相比，单位氢气成本较低。所用原料甲醇易得，运输、贮存方便。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

3、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 TOC o 1-5 h z 设计任务书3 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 甲醇制氢工艺设计4 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 2.1甲醇制氢工艺流程 4 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 2.2物料衡算 4 HYPERLINK l bookmark59 o Curre

4、nt Document 2.3热量衡算 6反应器设计9 HYPERLINK l bookmark83 o Current Document 3.1工艺计算 9 HYPERLINK l bookmark149 o Current Document 3.2结构设计12管道设计自控设计技术经济评价、环境评价结束语致谢参考文献附录：1.反应器装配图零件图管道平面布置图设备平面布置图管道仪表流程图管道空视图1、设计任务书2、甲醇制氢工艺设计2.1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： 1.5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(

5、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。123456叮8310组51.LLLSE息：3二1un.彳31：.以31013.4791：13 一傅.I：. 1：打：).1 相恤：2n855.123沁

6、.W855.123敬.123土： E海.：晰?:86,386恤W.X：)365.7201：f ：)少鱼出E nn97798, F：INE.E0阮顽18r. 500187.50D图12甲醇制氢的物料流程图及各节点物料量2.2物料衡算1、依据甲醇蒸气转化反应方程式：(1-1)(1-2)CH3OH-CO f +2H2 (1-1)(1-2)CO+H2OCO2 f + H2 fCH 3 OH分解为CO转化率99%,反应温度280C ,反应压力1.5MPa,醇水投料比 1:1.5(mol).2、投料计算量代入转化率数据，式(1-1)和式(1-2)变为：CH3OHG.99CO f +1.98H2 f +0.

7、01 CH3OH(1-3)CO+0.99H2O-O.99CO2 f + 1.99H2+0.01CO(1-4)合并式(1-3),式(1-4)得到：CH3OH+0.981 H2OO.981 CO2 f +0.961 H2 f +0.01 CH3OH+0.0099 CO f氢气产量为：2100m 3 /h=93.750 kmol/h甲醇投料量为：93.750/2.9601x32=1013.479 kg/h水投料量为：1013.222/32x 1.5x 18=855.123 kg/h3、原料液储槽(V0101)进：甲醇 1013.479 kg/h ,水 855.123 kg/h出：甲醇 1013.47

8、9 kg/h ,水 855.123 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 1013.479kg/h ,水 855.123 kg/h ,总计 1868.802kg/h出：生成 CO21013.479/32x0.9801 x44 =1365.720kg/hH21013.479/32x2.9601x2 =187.500 kg/hCO1013.479/32 x 0.0099 x 28 =8.779 kg/h剩余甲醇1013.479/32x0.01 x32=10.135kg/h剩余水 855.123-1013.479

9、/32 x 0.9801 x 18=296.386 kg/h总计1868.602 kg/h6、吸收塔和解析塔吸收塔的总压为1.5MPa，其中CO2的分压为0.38 MPa，操作温度为常温(25C).此时,每m3吸收液可溶解CO2 11.77 m3 .此数据可以在一般化工基础数据手册中找到。解吸塔操作压力为0.1MPa, CO2溶解度为2.32，则此时吸收塔的吸收能力为：11.77-2.32=9.450.4MPa 压力下 p=pM/RT=0.4x 44/0.0082乂 (273.15+25) =7.20kg/ m3co2CO2 体积量V Cq=1365.720/7.20=189.683 m3/h

10、据此，所需吸收液量为189.683 /9.45=20.072 m3/h考虑吸收塔效率以及操作弹性需要，取吸收量为20.072 m3/hx 3=60.217 m3/h可知系统压力降至0.1MPa时，析出CO2量为189.683 m3/h=1365.718kg/h.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 2.2.3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

11、气压数据可以从一些化工基础数据手册中得到：表1-3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=170C p甲醇=2.19MPa; p水=0.824 MPap 总=1.37041.5 MPa再设 T=175C p甲醇=2.4MPa; p水=0.93 MPap 总=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175C.2、转换器(R

12、0101)两步反应的总反应热为49.66kJ/mol,于是，在转化器内需要供给热量为：Q反应=1013.479 x 0.99/32 x 1000 x (-49.66)=-1.557 x 10 6 kJ/h此热量由导热油系统带来，反应温度为280C，可以选用导热油温度为320C，导热油温 度降设定为5C,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：c 320位 =4.1868 x 0.68=2.85kJ/(kg K), c 300 =2.81kJ/(kg K)取平均值c ,=2.83 kJ/(kg K)则导热油用量 w=Q反应 /(cp A t)= 1.557x 106/(2.

13、83x5)=110247kg/h3、过热器(E0102)甲醇和水的饱和蒸气在过热器中175C过热到280C，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，见表1-4.气体升温所需热量为：Q= E c mAt=(1.90 x 1013.479+4.82x855.123) x (280-175)=6.35x 105kJ/h导热油c,=2.826 kJ/(kg - K),于是其温降为：A t=Q/(c p m)= 6.35 x 10 5 /(2.826 x 110035.3)=2.04C导热油出口温度为：315-2.04=313C4、汽化塔(TO101 )认为汽化塔仅

14、有潜热变化。175 C 甲醇 H = 727.2kJ/kg 水 H = 203IkJ/kgQ=1013.479 x 727.2+2031 x 855.123=2.47 x 10 6 kJ/h以300C导热油c ,计算c广2.76 kJ/(kg - K)A t=Q/(c p m)= 2.47 x 10 6 /(2.76 x 110035.3)=8.13C则导热油出口温度12=313-8.13=304.9C导热油系统温差为A T=320-304.9=15.1C基本合适.5、换热器(EO101)壳程：甲醇和水液体混合物由常温(25 C )升至175 C，其比热容数据也可以从手 册中得到，表1 一5列

15、出了甲醇和水液体的部分比定压热容数据。 液体混合物升温所需热量Q= E c, m A t=(1013.479x 3.14+855.123x4.30) x (175-25)=10.3x 105kJ/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：c pco - 10.47 kJ/(kg - K)c pH - 14.65 kJ/(kg - K)c po - 4.19 kJ/(kg - K)则管程中反应后气体混合物的温度变化为：A t=Q/(c p m)=10.3 x 10 5 /(10.47 x 1365.802+14.65 x 18

16、7.500+4.19 x 296.386)=56.3C换热器出口温度为 280-56.3=223.7C6、冷凝器(EO103)在E0103中包含两方面的变化：CO2 , CO, H2的冷却以及CH3OH , H2O的冷却和冷凝.CO2 , CO, H2的冷却Q= Z c p m A t=(10.47 x 1365.802+14.65 x 187.500+4.19 x 8.779)x (223.7-40)=3.14x 10 6 kJ/hCH3OH的量很小，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 Q2=Hxm=2135x 296.386=6.3

17、3x 105kJ/h水显热变化 Q 3 = c m A t=4.19 x 296.386 x (223.7-40)=2.28 x 10 5 kJ/hQ=Q 1+Q 2 + Q 3 =4.00 x 106 kJ/h冷却介质为循环水，采用中温型凉水塔，则温差 T=10C用水量 w=Q/( c A t)= 4.00 x 10 6 /(4.19 x 10)=95465kg/h3、反应器设计计算3.1工艺计算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/

18、(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1013.47910.1352801.5水855.123296.386二氧化碳1365.802一氧化碳8.779氢气187.500导热油903200.5表3-1反应器的物流表计算反应物的流量对于甲醇，其摩尔质量为 3kgk/mol，则其摩尔流量为：1013.479/32=31.671kmol/h 对于水，其摩尔质量为18 kg - k/mol，其摩尔流量为：855.123/18=47.507 kmol/h 对于氢气，其摩尔质量为2 kg - k/mol,其摩尔流量为：187.500/2=93.750 k

19、mol/h 对于一氧化碳，其摩尔质量为28 kg - k/mol，其摩尔流量为：8.779/28=0.314 kmol/h 进料气中甲醇的摩尔分率yA为:31.671 八y = = 0.4yA 31.671 + 47.507对于甲醇和水，由于温度不太高(280 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pV=nRT，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：1.5*10631.671* 8314.3 * (273.15 + 280)V= = 97.104 m3/h1.5*106A水的体积流量VB为：47.507 * 8314.3 *

20、 (273.15 + 280)1.5*106V = = 145.658 m31.5*106B进料气的总质量为:mo= 1013.479+855.123=1868.602 kg/h计算反应的转化率进入反应器时甲醇的流量为1013.479 kg/h，出反应器时甲醇的流量为10.135 kg/h，则甲 醇的转化率xAf为：x =1013.479-10.135 *100% = 99%Af 1013.479即反应过程中消耗甲醇的物质的量为：31.677X99%=31.354 kmol/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SAo对

21、于甲醇有：（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=kPA68600k=5.5X10-4e RT1 一 xCa=Ca0 1 + 5 yAxA A A上式两边同乘以RT,则得:1 一 xPA=CAORT1 + 5 A y： XA反应过程的空间时间T为:dxt =cao f jrA=CAO；XAf01 一 x=CAO；XAf0气屁 CAORT1 + 5 yAx AAA1kRT1kRTAf0将 k=5.5X10-4e RT m3/(kmol h)，R=8314.3kj; (kmol-K)，T=553.15K，5 A=2, yA=0.4, 代入上式，可得空间时间:t =

22、0.0038h（5）计算所需反应器的容积VR= TVo进料气的总体积流量为：VO=97.104+145.658=242.762 m3/h=0.0674 m3/s则可得所需反应器的容积为:VR= t Vo =0.0038 X 242.762=0.922 m3（6）计算管长由文献可知，气体在反应器内的空塔流速为0.1m/s，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U=0.2m/s，则反应管的长度为:l= t u=0.0038X3600X0.2=2.736m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= = 0.44m / st 0.0038*3600计算

23、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为14.98kmol/h。 反应器出口处的一氧化碳的物质的量为0.3kmol/h，转化的一氧化碳的物质的量为：31.354-0.314=31.04 kmol/h一氧化碳的转化率为：x = 31.04 *100% = 99%CO 31.354则反应过程中所需向反应器内供给的热量为:Q=90.8X103 X31.35

24、4-43.5X103X31.04=1496.7X103kJ/h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 时钢的导热系数为入=44.9W/(m -oC)，管外油侧的对流给热系数为a=300W/(m2 oC)， 管内侧的对流给热系数为=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 m2 - oC/W和0.0008 m2 - oC/W总污垢系数为 Rf=0.0002+0.0008=0.001 m2 - oC

25、/W根据传热学，反应器的传热系数为：K=1/(上罕 + + L +r) a i d a o 入 fd + 2t由于一的值接近于1，对K带来的误差小于1%；钢管的传热很快，对K的影响也d很小，故可将上式简化为：11K=1/(11K=1/(+ +R )= 11ai ao + + 0.001300 80=59.4 W/( m2 oC)=213.84kJ/(h m2oC)1496.7*1031496.7*103F= =174.98 m 2KNt 213.84*(320 - 280)/9)计算管子的内径反应器需要的换热面积为：F=n n dl 反应器内气体的体积流量为：n d2VO= u4联立上述两式，

26、并将 l= 6 m, u= 0.44(m/s), F= 174.98(m2) VO= 0.0674(m3/s)代入，即可得所需管子的内径为：d=0.0210m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。反应器外壳及封头尺寸及管板厚度均参照前述换热设备的设计方法和相关标准进行计 算。(10)催化剂支撑件催化剂支撑件置于反应管的底部(立式)或端部(卧式)，强度应能支撑催化剂的质量， 其自由截面积不小于催化剂的孔隙率。详细结构可参照填料塔。3.2结构设计按照GB150-1998钢制压力容器进行结构设计计算。1、筒体筒体内径:800mm设计压力：Pc=1.6M

27、Pa设计温度取350。C筒体材料：16MnR焊接接头系数0=1.0钢板厚度负偏差C1=0,腐蚀裕量C2=1.0mm,厚度附加量C= q+ C2=1.0mm. 筒体的计算厚度计算5 =2疽?尸=1.6*800= 4.805 mm22t 4 pc 2*134*1 -1.6考虑厚度附加量并圆整至钢板厚度系列，得材料名义厚度邕=8mm.强度校核有效厚度可=邕-C1- C2=7mmP (D +8 ) 1.6*(800 + 7)2*75 = c 2* e =_- = 92.229 MPa A补强满足要求，不需另加补强。1.0 x 1.6 x 1.0 x 1.6 x 800=4.790mm=4.790mm8

28、 = 29 t E Pc =2 x 134 x 1-0.5 x 1.6d=300+2X1.0=302mm8 =12.5mm8疽8广C1-C2 = 12.5 -1 = 11.5 mm8 =12.5mm8疽8广C1-C2 = 12.5 -1 = 11.5 mmf = 0.938A = d8 + 288 t(1 f )=302X4.805+2X4.805X11.5X(1-0.938) =1457.84 mm2B =2d=2x302=604mmn B = 604mmd+28 +28 =302+ 2x8+2x12.5=343mm n nth1 = K =、302x12.5 =61.440mm = h1

29、= 61.440mm接管实际外伸高度=200mmh 2 = d8 nt =、302x12.5 =61.440mm n h 2 = 0接管实际内伸高度=0A = (B d)(8 8) 28 (8 8)(1 f )1eet er=(604 302)(7 4.805) 2 x 11.5 x (7 4.805)(1 0.938) = 659.876mm2A = 2h (8 8 )f + 2h (8 C )f 21 e tt r 2 e t2 2=2 x 61.440 x (11.5 -1.776) x 0.938 + 0 = 1123.134mm2=30mm2=A】+ A2 + A3 = 659.87

30、6 +1123.134 + 30 = 1813.110mm2 AAe补强满足要求，不需另加补强。4、壳程接管补强计算(按照GB150-199等面积补强法)(1)出口接管PcDpq心 22QPc = 2。；QPc = 2*134*1-0.6 =1.802mm0.6*800d=200+2X1.0=202mm8 =9.5mm8 = 8 - C C = 9.5 1 = 8.5 mmf = 0.94A = d8288,(1 - f )=202X1.802+2X1.802X8.5X(1-0.94) =365.842 mm2B = Ed=2x202=404mmn B = 404mm+28 +28 =202+

31、2x8+2x9.5=237mm n nth1 = wn=202x9.5=43.806mm n h1 = 43.806mm接管实际外伸高度=200mmh 2 = A补强满足要求，不需另加补强。5、上接管补强计算(按照GB150-199等面积补强法)=4.457mmKPR 1.0 x 1.6 x =4.457mm2gt E pc =2 x 144 x 1-0.5 x 1.6d=150+2X 1.0=152mm5 =4.5mm8 = 8 C C = 4.5 1 = 3.5 mmntetnt 12fr = 0.938A = d8 + 288et (1 f) =152 X 4.457+2 X 4.457

32、 X 3.5 X( 1-0.938) =679.398 mm2B = 2d=2x152=304mmW B = 304mmd+28 +28 =152+2x8+2x4.5=177mm n nth1 = &=45=26.153mm w h1 = 26.153mm 接管实际外伸高度=200mmh 2 = 由元=(152x4.5=26.153mm W h 2 = 0 接管实际内伸高度=0A = (B d)(8 8) 28 (8 8)(1 f )eet er=(304 152)(7 4.457) 2 x 3.5 x (7 4.457)(1 0.938) = 536.998mm2A = 2h (8 8 )f

33、 + 2h (8 C )f1 et t r2 et 22=2 x 26.153 x (3.5 - 0.882) x 0.938 + 0 = 177.510mm2A = 30mm2 3A = A】+ A2 + A3 = 536.998 +177.510 + 30 = 744.508mm 2 A补强满足要求，不需另加补强。6、排液、排气口接管补强计算根据GB150第8.3节的规定，本开孔可不另行补强。7、换热管(GB151-1999)管子材料：16MnR根据上节中计算的管子内径选用尺寸：25X2管长：6000根数：372实排根数：374 实排根数：374 (外加6根拉杆)排列形式：正三角形中心距：

34、32管束中心排管数：22长径比：7.58、管程数据管程数：1管程数：1进出口接管尺寸：e 325X12.5管程气体流速：1m/s接管材料：16Mn9、壳程数据 壳程数：1壳程液体流速：1.2m/sDN法兰外径中心孔直径法兰厚度法兰内径螺栓孔直径螺栓孔数螺纹规格20032028022222188M16进出口接管尺寸：219X9.5接管材料：16Mn法兰类型：板式平焊法兰(HG20593-97)法兰材料：9、壳程数据 壳程数：1壳程液体流速：1.2m/sDN法兰外径中心孔直径法兰厚度法兰内径螺栓孔直径螺栓孔数螺纹规格20032028022222188M16进出口接管尺寸：219X9.5接管材料：1

35、6Mn法兰类型：板式平焊法兰(HG20593-97)法兰材料：16MnR表3-4壳程法兰数据10、上接管DN法兰外径中心孔直径法兰厚度法兰内径螺栓孔直径螺栓孔数螺纹规格15028524024161228M20接管材料：16Mn接管尺寸：e 159X4.5法兰类型：板式平焊法兰(HG20593-97)法兰材料：20R表3-5上接管法兰数据11、排气口、排液口DN法兰外径中心孔直径法兰厚度法兰内径螺栓孔直径螺栓孔数螺纹规格25115851633144M12接管尺寸：e 32X3接管材料：16Mn法兰类型：板式平焊法兰(HG20593-97)法兰材料：16MnR表3-6法兰数据12、折流板(GB15

36、1-1999)材料：16MnR 形式：单弓形 外直径：795.5缺口弦高：160 间距：600 板数：913、拉杆(GB151-1999)直径：16螺纹规格：M16管孔直径：25.4 厚度：12根数；614、耳座(JB/T4725-92)形式：A型高度：200底板：L1:160 b1:105 5 1： 10 s1:50筋板：L2:125b2:125 5 2： 6垫板：L3： 250b3:200 5 3： 8 e:30地角螺栓规格：M2415、管板材料：16MnR厚度：60螺栓孔直径：30换热管管孔直径：25.25 外径：960拉杆管孔直径：1816、栅板材料：Q235-A外径：780厚度：50

37、间距：19DN法兰外径中心孔直径法兰厚度法兰内径螺栓孔直径螺栓孔数螺纹规格300460410323282612M24表3-3管程法兰数据4、管道设计4.1管子选型材料一一综合考虑设计温度、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：腐蚀性一一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220C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300C，虽然超过220C，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

38、蚀要求。温度一一20g无缝钢管的最高工作温度可达475C，温度符合要求。经济性一一20g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。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qv = 110035.3Kg/h=0.028m3/s 流速范围 0.52.0m/s 取为 2.0m/s 贝D. = .、- = 133.5mmi 兀u、pD0.32 x 133.5壁厚 t= i= 0.267mm亦环二P2 x 100 x 0.8 - 0.32ip0.3Sch.x=1000X=1OOOX =3In J100查表应选用Sch.5系列得管

39、子故选择RO0101、RO0102、RO0103、RO0104管道规格为祖159X4.5无缝钢管流速校正 u= =1.584m/s兀D 2保温层计算：管道外表面温度T320,环境年平均温度Ta=20C，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30C,岩棉在使用温度下的导热系数为(320 + 30、X= 0.042 + 0.00018x 70 = 0.0609W/(m.K),I 2)12 W/(m212 W/(m2.K)气=1.163k + 3 拓)=1.163k +保温工程投

40、资偿还年分摊率=0.2640.1 xG + 0.1=0.264S=(1 + 0.1* -1计算经济保温层经济厚度D1 ln3.795X10-3 :匕巫T0 -Ta)D1 lnVPTS=0.316=3.795 x 10-3 1X 0.0609 X 8000 X(32 囱-2X 0.0609=0.316750 x 0.26412查表得保温层厚度5=107mm.计算保温后的散热量_ 2兀T - T)2 x 3.14 x(320 20)q = 1. D0 + 2 =1 _皿 0.159 + 0.212 + 2 x 0.0609 =131.244W/mX n D* D a 0.0609 n 0.159

41、0.371X 12计算保温后表面温度S长计算保温后表面温度S长131.244兀 x 0.371 x 12+ 20=29.4C计算出来的表面温度29.4C略低于最初计算导热系数是假设的表面温度30C,故5 =107mm的保温层可以满足工程要求.甲醇原料管道的规格流量qv =1013.479Kg/h=0.00036m3/s 一般吸水管中流速气=1m/s,出水管中流速 u1.8m/s贝D = = 21.4mm /15.96mmi 、，兀 u故选择PL0101管道规格为祖25 X 2无缝钢管选择PL0102管道规格为祖20X2无缝钢管流速校正 u = =1.04m/s，合适 u = =1.79m/s

42、1兀D 22兀D 2脱盐水原料管道的规格流量 qv =855.123Kg/h=0.00024m3/s 计算过程同上选择DNW0101管道规格为祖22X2无缝钢管选择DNW0102管道规格为祖18 X 2无缝钢管流速校正 u = =0.943m/su = =1.56m/s1兀D 22兀D 2甲醇水混合后原料管道的规格流量 qv =1868.802Kg/h=0.00060m3/s 计算过程同上选择PL0103管道规格为祖32 X 2无缝钢管选择PL0104、PL0105管道规格为25X2无缝钢管流速校正 uL =0.974m/su=兰红=1.732m/s1兀D 22兀D 2吸收液碳酸丙烯酯管道的规

43、格流量qv =42000Kg/h=0.0012m3/s计算过程同上选择PL0106管道规格为祖48X4无缝钢管选择PL0107、PL0108管道规格为祖38X3无缝钢管流速校正 u= =0.962m/su = =1.39m/s1兀D 22兀D 2冷却水管道的规格流量qv =95465Kg/h=0.027m3/s计算过程同上选择CWS0101管道规格为祖159X4.5无缝钢管选择CWS0102、CWR0101管道规格为祖133X4无缝钢管流速校正 u =q =1.5m/su =q =2.2m/s1兀D 22兀D 2PG0101、PG0102、PG0103、PG0104混合气管道的规格流量 qv

44、= 1868.802Kg/h=0.043m3/s 计算过程同上、 pD1.6 x 80200。：壁厚 t= = 0.656mm2kd -p2 x 123 x 0.8 -1.6i、 p D1.6 x 80300C :壁厚 t=i= = 0.8mm2lnJ. - p2 x 101 x 0.8 -1.6i选择PG0101、PG0102、PG0103、PG0104管道规格为祖89X4.5无缝钢管流速校正 u =(- =8.55m/s 1冗D 2其它管道规格尺寸选择PG0105管道规格为祖73 X 4PG0106管道规格为祖89 X 4.5PG0107管道规格为祖89 X 4.5PL0109管道规格为祖

45、32 X 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1PG0106-80M1B氢气1.650187.5气相8.28020g2PG0101-80M1B甲醇54.5%水 45.5%2001869气相8.68020g3PG0102-80M1B-H3001869气相8.68020g4PG0103-80M1BH 10% CO73% H2O 17%3001869气相8.68020g5PG0104-80M1B-H2001869气相8.68020g6PG0105-65M1BH12% CO288%501553气相5

46、.46520g7RO0101-150L1B-H导热油0.6320110035液相1.615020g8RO0102-150L1B-H导热油0.6320110035液相1.615020g9RO0103-150L1B-H导热油0.6320110035液相1.615020g10RO0104-150L1B-H导热油0.6320110035液相1.615020g11PL0101-20L1B甲醇常压501013.5液相1.02020g12PL0102-15L1B甲醇常压501013.5液相1.81520g13PL0103-32L1B原料液常压501869液相1.03220g14PL0104-20M1B原料液

47、1.6501869液相1.72020g15PL0105-20M1B原料液1.62001869液相1.72020g16PL0106-40L1B吸收液0.4504200液相1.04020g17PL0107-32L1B吸收液0.4504200液相1.43220g18PL0108-32L1B吸收液0.45042000液相1.43220g19DNW0101-20L1B脱盐水0.350855液相0.92020g20DNW0102-15L1B脱盐水0.350855液相1.61520g21CWS0101-150L1B冷却水0.35095465液相1.5150镀锌管22CWS0102-125L1B冷却水0.35

48、095465液相2.2125镀锌管23CWR0101-125L1B冷却水0.38095465液相2.2125镀锌管24PG0107-80L1B食品二氧化碳0.4501366气相11800Cr18Ni925PL0109-20M1B工艺冷凝水1.650280液相0.32020g4.2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P01034,吸收液用泵P0104 5,冷却水用泵P0105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25C。密度为0.807kg/L；操作情况为 泵从甲醇储槽中吸

49、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：1013.479/0.807= 1255.86L/h泵的流量 Q= 1.05X1255.86= 1318.65L/h工艺估算所需扬程80m,泵的扬程H=1.1X80 = 88m折合程计量泵的压力：P= P gh=807X9.81X88/106=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25C。密度为0.997kg/L；操作情况为 泵从纯水储槽中吸

50、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：855.123/0.997=857.70L/h泵的流量 Q =1.05X857.70 = 900.58L/h工艺估算所需扬程80m,泵的扬程H=1.1X80 = 88m折合程计量泵的压力：P= P gh=997X9.81X88/106=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25C。密度为0.860kg/L ；操作情况 为泵从原料液储槽

51、V0101中吸入原料，送入预热器E0101工艺所需正常的体积流量为：1868.802/0.860=2173.03L/h泵的流量 Q=1.05X2173.03 = 2281.68L/h工艺估算所需扬程80m,泵的扬程H=1.1X80 = 88m折合程计量泵的压力：P= P gh=860X9.81X88/106=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.吸收液用泵P0104已知条件:吸收液的输送温度25C,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

52、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 ma/h泵的流量取正常流量的1.05倍:Q=1.05X4.20=4.41 ma/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=1.1X35=38.5水泵选型，选用离心式水泵查表得，40W-40型水泵最佳工况点：扬程40m，流量5.4 ma/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

53、:水的输送温度25C,密度997Kg/ma.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=1.05X95.75=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=1.1X35=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

54、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。4.3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1PG0106-80M1B氢气1.65080法兰闸阀：Z41H-1.6C等，截止 阀：J41H-1.6C2R00101-150L1B-H导热油0.3320150法兰闸阀:Z41H-1.6C、Z41Y-1.6C 等，截止阀：J41H-1.6C等3R00104-150

55、L1B-H导热油0.3320150法兰4PL0101-20L1B甲醇常压5020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-1.65PL0102-15L1B甲醇常压5015法兰6PL0103-32L1B原料液常压5032法兰、螺纹7DNW0101-20L1B脱盐水0.35020法兰、螺纹Z15W-1.0T8PG0107-80L1B食品二0.45080螺纹闸阀：Z41H-1.6C等，截止氧化碳阀：J41H-1.6C 等9PL0107-32L1B吸收液0.45032法兰、螺纹闸阀：Z15W-1.0T止回阀：H41H-1.610PL0109-20M1B工艺冷 凝水1.65020法兰Z15W-1.0T4.4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1PG0106-80M1B氢气1.650802.5带颈平焊法兰凹凸面2.52PG0101-80M1B混合气体2003PG0102-80M1B-H3004.04.04PG0103-80M1B