甲醇制氢汽化塔设计

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甲醇制氢生产装置

姓名：单位：机械学院控制计算书

丁仕勇

0704

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一致的要求，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：①电解水法；②氯碱工业中电解食盐水副产氢气；③烃类水蒸气转化法；④烃类部分氧化法；⑤煤气化和煤水蒸气转化法；⑥氨或甲醇催化裂解法；⑦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，工艺路线繁杂，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200～3000m3/h时，甲醇蒸气转化制氢技术表现出很好的技术经济指标，受到大量国家的重视。甲醇蒸气转化制氢具有以下特点：

（1）与大规模的自然气、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、贮存便利。

（4）可以做成组装式或可移动式的装置，操作便利，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状况下，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，也可以便利的得到高纯度的二氧化碳。

目录

1.前言2.设计任务书3.甲醇制氢工艺设计

3.1甲醇制氢工艺流程3.2物料衡算3.3热量衡算

4.汽化塔设计

4.1工艺计算4.1.1填料段工艺计算4.2结构设计

1．管道设计2．自控设计

3．技术经济评价、环境评价4．终止语5．致谢6．考虑吸收塔效率以及操作弹性需要,取吸收量为33.456m/h?3=100.368m/h可知系统压力降至0.1MPa时,析出CO2量为316.158m/h=2276.338kg/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.

3333.3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·水的物性数据在好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=170℃p甲醇=2.19MPa;p水=0.824MPap总=1.3704力，作用在栅条上的总载荷为：

P=?p+?L

其中填料重量重力?p＝9.8HLt?p＝9.8×1.0×0.6×0.018×380=42.219N

填料层持液量?L＝3.43HLt?l×10

-4

＝3.43×1.0×0.6×0.018×860×10-4＝3.19×10-3N

考虑栅条上载荷的不均匀性及安全系数，梁上弯矩为：M=

(PL?Pp)L(42.219?0.00319)?0.6==4.222N/m

66M6M=W(s?C)(h?C)(h?C)栅条上的应力为：

σ＝

=

6?4.222=62.55MPa

(0.006?0.001)(0.01?0.001)(0.01?0.001)式中s——栅条截面高度，m

h——栅条截面宽度，m

C——栅条材料腐蚀余量，m

σΔ进出口局部压降pNsΔps[Δps]Pa查表4-335000Pa2ΔpNs=1.5?suNs/213596.840壳程压降壳程最大允许压降PaΔps=Δpc+Δpb+ΔpNs26256.90Δps＜[Δ校核壳程压降ps]合理9，总传热系数

计算内容或项目管内污垢热阻管外污垢热阻换热管材料导热系数管壁热阻符号单位计算公式或来源查表4-5查表4-5查表3结果35.2×10-517.6×10-551.8备注rdird0m2·℃/Wm2·℃/WW/(m·℃)?wrwKm·℃/WW/(m·℃)22rwddln()4.21×10-52?wd?2?w按式4-22728.180总传热系数10传热面积与壁温核算

计算内容或项目需要传热面积符号A单位计算公式或来源A=结果7.0366备注m2QK?tm实有传热面积校核传热面积热流体传热面积冷流体传热面积管壁计算温度校核管壁温度A实ΔAm℃℃℃℃2A实=nπd(L-2St)设管板厚度为0.03mΔA=A实/A按式4-25按式4-26按式4-248.25161.1727284.418240.573262.4952.495twhtwctwΔtw?Δtw=tw-tw结论设计符合要求（4）详细结构设计与强度设计

确定所有零部件的尺寸和材料，并对换热设备所有受压元件进行强度计算1，换热流程设计：采用壳程为单程，管程为单程的结构型式

2，换热管及其排列方式：采用?25×2的无缝钢管，材料为20号钢。换热管排列方式为三角形排列，如图，共排换热管131根，另外再设6拉杆

3，折流板：采用通用的单弯形折流板，材料为Q235-B钢，板厚6mm，板数4块。4，拉杆：采用Q235-B钢，?12mm，共根

5，筒体：材料采用16MnR钢，筒体内径?500mm，厚度由GB150《钢制压力容器》标准计算得到

6，封头：采用标准椭圆封头，材料采用16MnR钢

7，管板：采用固定管板，其厚度可以依照GB151《管壳式换热器》标准进行设计

确定了换热器的结构以后，必需对换热器的所有受压元件进行强度计算。对钢制的换热器，依照GB150《钢制压力容器》标准进行设计。结果如表4-6

（5），绘制管壳式换热器工程图纸，编写材料表等

5管道设计

5.1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：

①腐蚀性——本生产装置原料甲醇、导热油对材料无特别腐蚀性；产品氢气对产品可能产生氢腐蚀，但研究说明碳钢在220℃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300℃，虽然超过220℃，但转化气中氢气的分压远低于1.4MPa。所以20g无缝钢管符合抗腐蚀要求。

②温度——20g无缝钢管的最高工作温度可达475℃，温度符合要求。③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

①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0.5～2.0m/s取为2.0m/s则

Di＝

4qv＝133.5mm?u＝

壁厚t＝

2?????pitpiD0.32?133.5＝0.267mm

2?100?0.8?0.32Sch.x=1000×

0.3p=1000×=3

100???查表应选用Sch.5系列得管子

应选择RO0101、RO0102、RO0103、RO0104管道规格为φ159×4.5无缝钢管流速校正u=

4qv=1.584m/s2?D保温层计算:

管道外表面温度T0=320,环境年平均温度Ta=20℃,年平均风速为2m/s,采用岩

3

棉管壳保温,保温结构单位造价为750元/m,贷款计息年数为5年,复利率为10%,热

6

价为10元/10kJ.

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

??0.042?0.00018??表面放热系数为?s?1.1636?3?320?30??70??0.0609W/(m.K),2?????1.1636?32?12W/(m2.K)

???保温工程投资归还年分摊率

S=

0.1??1?0.1?5?1?0.1?5?1=0.264

计算经济保温层经济厚度

D1lnP?t?T0?Ta?2?D1?3.795?10?3H?D0PTS?S=3.795?10?3

10?0.0609?8000??320?20?2?0.0609??0.316

750?0.26412查表得保温层厚度δ=107mm.

计算保温后的散热量

q?2??T0?Ta?2?3.14??320?20??=131.244W/m

10.159?0.2122?0.06091D12ln?ln?0.1590.371?12?D0D1?S0.0609131.244q?20=29.4℃?Ta=

??0.371?12?D1?s计算保温后表面温度Ts?计算出来的表面温度29.4℃略低于最初计算导热系数是假设的表面温度30℃,故δ

=107mm的保温层可以满足工程要求.②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u1=1m/s,出水管中流

速u2=1.8m/s则

Di＝

4qv＝21.4mm/15.96mm?u应选择PL0101管道规格为φ25×2无缝钢管选择PL0102管道规格为φ20×2无缝钢管流速校正u1=

4qv4qv=1.04m/s,适合u2==1.79m/s22?D?D③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φ22×2无缝钢管选择DNW0102管道规格为φ18×2无缝钢管流速校正u1=

4qv4qv=0.943m/su2==1.56m/s22?D?D④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φ32×2无缝钢管

选择PL0104、PL0105管道规格为φ25×2无缝钢管流速校正u1=

4qv4qv=0.974m/su2==1.732m/s22?D?D⑤吸收液碳酸丙烯酯管道的规格

流量qv＝42000Kg/h＝0.0012m3/s计算过程同上

选择PL0106管道规格为φ48×4无缝钢管

选择PL0107、PL0108管道规格为φ38×3无缝钢管流速校正u1=

4qv4qv=0.962m/su2==1.39m/s22?D?D⑥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φ159×4.5无缝钢管

选择CWS0102、CWR0101管道规格为φ133×4无缝钢管流速校正u1=

4qv4qv=1.5m/su2==2.2m/s22?D?D⑦PG0101、PG0102、PG0103、PG0104混合气管道的规格

流量qv＝1868.802Kg/h＝0.043m3/s计算过程同上

200℃:壁厚t＝

2?????pitpiD＝

1.6?80＝0.656mm

2?123?0.8?1.61.6?80＝0.8mm

2?101?0.8?1.6300℃:壁厚t＝

2?????pitpiD＝

选择PG0101、PG0102、PG0103、PG0104管道规格为φ89×4.5无缝钢管流速校正u1=

4qv=8.55m/s2?D⑧其它管道规格尺寸

选择PG0105管道规格为φ73×4PG0106管道规格为φ89×4.5

PG0107管道规格为φ89×4.5PL0109管道规格为φ32×4

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1234567所在管道编号PG0106-80M1BPG0101-80M1BPG0103-80M1BPG0105-65M1BRO0101-150L1B-H管内介质氢气甲醇54.5%1.6设计压力设计温度50200300300200500.3320流量187.518691869186918691553110035状态流速公称直径材料气相8.28020g气相8.68020g气相8.68020g气相8.68020g气相8.68020g气相5.46520g液相1.615020gPG0102-80M1B-H水45.5%H210%CO2PG0104-80M1B-H73%H2O17%H212%CO288%导热油

控制系统方框图

5.调理器参数整定

经验试凑：对于温度控制系统，一般取δ＝20～60％，T1=3~10min，TD＝T1/4也可用临界比例度法或衰减曲线法进行参数整定

6．如何实现控制过程的具体说明

当干扰发生时，例如甲醇水蒸汽流量加大，继续反应所需的热量增加，反应器温度降低，测量元件（铂热电阻温度计）检测到温度值，经变送器送给调理器和设定值比较，调理器（反作用）发出控制信号，加大调理阀的开度，调理阀正作用，导热油流量增大，反应器温度上升，战胜干扰，达到控制目的。

7技术经济评价

1．甲醇制氢装置的投资估算

（1）单元设备价格估算

在工艺流程和生产规模确定之后，经过物料衡算和初步工艺计算，可以初步确定设备的大小和型号。

本套装置共有储槽和分开容器4台，分别为：原料液储槽（V0101,常温常压）；气液分开罐（V0102，T=40℃，P=1.5MPa）,吸收液中间储罐(V0103,常温常压);吸收液储罐(V0104,常温常压)。根据装置生产能力，初步估算容器的容积分别为：V1=5m3，V2=3m3，V3=V4=8m3

其中，V2，V3，V4为平底平盖容器，计算其质量分别为WV1=750kg，WV3=WV4=1220kg。V2为立式椭圆封头容器，计算得WV2=1220kg

该套装置共有4台换热器，分别为换热器（E0101，P=1.5MPa），过热器（E0102，P=1.5Mpa），冷凝器（E0103，=1.5MPa），转化器（R0101，P=1.5Mpa）。根据热负荷初步估算个换热器的面积分别为：FE1=19m2，FE2=FE3=18.7m2,FR1=159.7m2。采用浮头式换热器，φ19×2的换热管，计算其质量分别为：WE1=825.83kg，WE2=WE3=812kg，WR1=7700kg。

该套装置共有3台塔设备，分别为气化塔（T0101），吸收塔（T0102），解吸塔（T0103）。

则T0101、T0102、T0103三个塔的质量分别为:1887kg,5578kg,5578kg。材料均选碳钢，设容器及他设备为每斤6元，换热器每公斤12元，则静设备总价值为：21.92万元。

该套装置共有8台泵，经询价每台泵1.2万元，因此，该套装置总设备约为：31.52万元。

（2）总投资估算

用系数连乘法求总投资，各系数由表查得：k1＝1.059，＝1.2528，k3＝1.0483，k4＝1.0277，k5＝1.0930，k6＝1.0803，k7＝11.3061。已知设备费A＝31.52万元，计算结果如下：设备安装工程费率B＝k1A=1.0559×31.52=33.28(万元)设备安装费=B-A=33.28-31.52=1.76(万元)管道工程C=k2B=1.2528×33.28=41.69(万元)管道工程费=C-B=41.69-33.28=8.41(万元)

电气工程费率D=k3C=1.0483×41.69=43.7(万元)电气工程费=D-C=43.7-41.69=2.01(万元)

仪表工程费率E=k4D=1.0277×43.7=44.91(万元)仪表工程费=E-D=44.91-43.7=1.21(万元)

建筑工程费率F=k5E=1.093×44.91=49.09(万元)建筑工程费=F-E=49.09-44.91=4.18(万元)

装置工程建设费率G=k6F=1.0803×49.09=53.03(万元)费用定额规定得费用=G-F=53.03-49.09=3.94(万元)总投资H=k7G=1.3061×53.03=69.26(万元)故甲醇制氢装置的投资估算额为70万元

2.总成本费用估算与分析

????????????外购原材料：1285.7万元外购燃料：118.8万元外购动力：24.1万元工资：15万元

职工福利费：2.1万元固定资产折旧费：18万元修理费：9万元摊销费：2万元

财务费用：6万元（不计复利）税金：118.2万元（不计其他税）其他费用：20万元固定成本与变动成本固定成本总计：49.1万元序号项目1234567职工工资职工福利费固定资产折旧费修理费摊销费长期负债利息净支出税金合计/万元152.118926项目外购材料外购燃料外购动力周转资金借款利息净支出汇兑损失净支出金融机构手续费其他费用合计/万元1285.7118.824.1620变动成本总计：1454.6万元序号12345673.盈亏平衡分析

盈亏平衡分析是通过计算盈亏平衡点(BEF)分析项目成本与收益平衡关系的一种方法。盈亏平衡点寻常用生产能力利用率或产量表示。其计算式为：BEP（生产能力利用率）=

年固定总成本?100%

年产品销售收入?年可变总成本?年销售税金=

49.1?100%=12.34%

1970.6?1454.6?118.2BEP（产量）=

年固定总成本

单位产品价格?单位产品可变成本?单位产品销售税金49.1?648t

1970.6/5250?1454.6/5250?118.2/5250=

该值小，说明项目适应市场需求变化的能力大，抗风险能力强。

经上述计算可知，当本项目达到盈亏平衡点时，两种产品总产量为648t，即甲醇74t,食品二氧化碳574t。若产量小于此值，将出现亏损。

89111213141516171819202122232425

RO0102-150L1B-HRO0103-150L1B-HPL0101-20L1BPL0102-15L1BPL0103-32L1BPL0104-20M1BPL0105-20M1BPL0106-40L1BPL0107-32L1BPL0108-32L1BDNW0101-20L1BDNW0102-15L1BCWS0101-150L1BCWS0102-125L1BCWR0101-125L1BPG0107-80L1BPL0109-20M1B导热油导热油导热油甲醇甲醇原料液原料液原料液吸收液吸收液吸收液脱盐水脱盐水冷却水冷却水冷却水食品二氧化碳0.30.30.3常压常压常压1.61.60.40.40.40.30.30.30.30.30.41.632032032050505050200505050505050508050501100351100351100351013.51013.518691869186942004200420008558559546595465954651366280液相1.615020g液相1.615020g液相1.615020g液相1.02020g液相1.81520g液相1.03220g液相1.72020g液相1.72020g液相1.04020g液相1.43220g液相1.43220g液相0.92020g液相1.61520g液相1.5150镀锌管液相2.2125镀锌管液相2.2125镀锌管气相11800Cr18Ni9液相0.32020g10RO0104-150L1B-H工艺冷凝水5.2泵的选型

整个系统有五处需要用泵:1.原料水输送计量泵P01012.原料甲醇输送计量泵P0102

3.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1013.479kg/h。温度为25℃。密度为0.807kg/L；操作状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：1013.479/0.807＝1255.86L/h泵的流量Q＝1.05×1255.86＝1318.65L/h

工艺估算所需扬程80m,泵的扬程H＝1.1×80＝88m

6

折合程计量泵的压力：P=?gh=807×9.81×88/10=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；操作状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：855.123/0.997＝857.70L/h泵的流量Q＝1.05×857.70＝900.58L/h

工艺估算所需扬程80m,泵的扬程H＝1.1×80＝88m

6

折合程计量泵的压力：P=?gh=997×9.81×88/10=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；操作状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：1868.802/0.860＝2173.03L/h泵的流量Q＝1.05×2173.03＝2281.68L/h

工艺估算所需扬程80m,泵的扬程H＝1.1×80＝88m

6

折合程计量泵的压力：P=?gh=860×9.81×88/10=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

3

已知条件:①吸收液的输送温度25℃,密度760Kg/m.泵的正常流量为4200kg/h

②操作状况,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

3

工艺所需的正常体积流量为4200/1000=4.20m/h

3

泵的流量取正常流量的1.05倍:Q=1.05×4.20=4.41m/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=1.1×35=38.5

水泵选型，选用离心式水泵

3

查表得，40W－40型水泵最正确工况点：扬程40m,流量5.4m/h,转速2900r/min，电机功率为4.0KW。选用该型号泵较适合。

（5）.冷却水用泵P0105

3

已知条件:①水的输送温度25℃,密度997Kg/m.泵的正常流量为95465kg/h

②操作状况,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

3

工艺所需的正常体积流量为95465/997=95.75m/h

3

泵的流量取正常流量的1.05倍:Q=1.05×95.75=100.54m/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=1.1×35=38.5水泵选型，选用离心式水泵

3

查表得，IS100-65-200型水泵最正确工况点：扬程47m,流量120m/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,选用该型号泵较适合。

5.3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1所在管道编号PG0106-80M1B管内介质氢气设计设计公称连接形压力温度直径式1.65080法兰阀门选型阀门型号闸阀：Z41H-1.6C等，截止阀：J41H-1.6C2345678910RO0101-150L1B-H导热油RO0104-150L1B-H导热油PL0101-20L1BPL0102-15L1BPL0103-32L1BDNW0101-20L1BPG0107-80L1BPL0107-32L1BPL0109-20M1B甲醇甲醇0.30.3常压常压3203205050505050505015015020153220803220法兰法兰法兰法兰法兰、螺纹法兰、螺纹螺纹法兰、螺纹法兰闸阀：Z41H-1.6C、Z41Y-1.6C等，截止阀：J41H-1.6C等闸阀：Z41H-1.6C、Z41Y-1.6C、Z15W-1.0K（螺纹）等，截止阀：J41H-1.6C等止回阀：H41H-1.6Z15W-1.0T闸阀：Z41H-1.6C等，截止阀：J41H-1.6C等闸阀：Z15W-1.0T止回阀：H41H-1.6Z15W-1.0T原料液常压脱盐水食品二氧化碳吸收液工艺冷凝水0.30.40.41.6

5.3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、机器的接纳和阀门等管件、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1234567891112131415161718所在管道编号PG0106-80M1BPG0101-80M1BPG0102-80M1B-HPG0103-80M1BPG0104-80M1B-HPG0105-65M1BRO0101-150L1B-HRO0102-150L1B-HRO0103-150L1B-HPL0101-20L1BPL0102-15L1BPL0103-32L1BPL0104-20M1BPL0105-20M1BPL0106-40L1BPL0107-32L1BPL0108-32L1B导热油导热油导热油导热油甲醇甲醇原料液原料液原料液吸收液吸收液吸收液0.3