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: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 (42.1 甲醇制氢工艺流程 (42.2 物料衡算 (42.3 热量衡算 (63.反应器设计 (93.1 工艺计算 (93.2 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2.1 甲醇制氢工艺流程甲醇制氢的物料流程如图1-2。
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(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1-2 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:CH3OH→CO↑+2H2↑(1-1CO+H 2O →CO 2↑+ H 2↑ (1-2CH 3OH 分解为CO 转化率99%,反应温度280℃,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(1-3和式(1-4变为:CH 3O H →0.99CO ↑+1.98H 2↑+0.01 CH 3OHCO+0.99H 2O →0.99CO 2↑+ 1.99H 2+0.01CO合并式(1-5,式(1-6得到:CH 3OH+0.981 H 2O →0.981 CO 2↑+0.961 H 2↑+0.01 CH 3OH+0.0099 CO ↑ 氢气产量为: 1200m 3/h=53.571 kmol/h甲醇投料量为: 53.571/2.9601ⅹ32=579.126 kg/h水投料量为: 579.126/32ⅹ1.5ⅹ18=488.638 kg/h3、原料液储槽(V0101进: 甲醇 579.126 kg/h , 水 488.638 kg/h出: 甲醇 579.126 kg/h , 水 488.638 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 579.126kg/h , 水488.638 kg/h , 总计1067.764 kg/h出 : 生成 CO 2579.126/32ⅹ0.9801ⅹ44 =780.452 kg/hH 2579.126/32ⅹ2.9601ⅹ2 =107.142 kg/hCO 579.126/32ⅹ0.0099ⅹ28 =5.017 kg/h剩余甲醇 579.126/32ⅹ0.01ⅹ32 =5.791 kg/h剩余水 488.638-579.126/32ⅹ0.9801ⅹ18=169.362 kg/h总计 1067.764 kg/h6、吸收塔和解析塔吸收塔的总压为1.5MPa,其中CO 2的分压为0.38 MPa ,操作温度为常温(25℃. 此时,每m 3吸收液可溶解CO 211.77 m 3.此数据可以在一般化工基础数据手册中找到,二氯化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度数据见表1一l 及表1—2。
解吸塔操作压力为0.1MPa, CO 2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2co ρ=pM/RT=0.4⨯44/[0.0082⨯(273.15+25]=7.20kg/ m 3CO 2体积量 V 2CO =780.452/7.20=108.396 m 3/h据此,所需吸收液量为108.396/9.45=11.47 m3/h考虑吸收塔效率以及操作弹性需要,取吸收量为11.47 m3/h3⨯=34.41 m3/h可知系统压力降至0.1MPa时,析出CO2量为108.396m3/h=780.451 kg/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1一2.3.3 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=170℃p甲醇=2.19MPa; p水=0.824 MPap总=1.3704<1.5 MPa再设T=175℃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175℃. 2、转换器(R0101两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=579.126⨯0.99/32⨯1000⨯(-49.66=-8.90⨯105 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:cæ320p =4.1868⨯0.68=2.85kJ/(kg·K, cæ300p=2.81kJ/(kg·K取平均值 cp=2.83 kJ/(kg·K则导热油用量 w=Q 反应/(c p ∆t= 8.90⨯105/(2.83⨯5=62898 kg/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,见表1-4.气体升温所需热量为:Q=∑ c p m ∆t=(1.90⨯579.126+4.82⨯488.638 ⨯(280-175=3.63⨯105kJ/h导热油c p =2.826 kJ/(kg ·K, 于是其温降为:∆t=Q/(c P m= 3.63⨯105/(2.826⨯62898=2.04℃导热油出口温度为: 315-2.0=313.0℃4、汽化塔(TO101认为汽化塔仅有潜热变化。
175 ℃甲醇H = 727.2kJ/kg 水 H = 203IkJ/kgQ=579.126⨯727.2+2031⨯488.638=1.41⨯106 kJ/h以300℃导热油c p 计算 c p =2.76 kJ/(kg ·K∆t=Q/(c P m=1.41⨯106/(2.76⨯62898=8.12℃则导热油出口温度 t 2=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、换热器(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,表1 一5 列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=∑ c p m ∆t=(579.126⨯3.14+488.638⨯4.30 ⨯(175-25=5.88⨯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 2pco ≈10.47 kJ/(kg ·Kc 2pH ≈14.65 kJ/(kg ·Kc pco ≈4.19 kJ/(kg ·K则管程中反应后气体混合物的温度变化为:∆t=Q/(c P m=5.88⨯105/(10.47⨯780.452+14.65⨯107.142+4.19⨯169.362=56.3℃换热器出口温度为 280-56.3=223.7℃6、冷凝器(EO103在E0103 中包含两方面的变化:①CO2, CO, H2的冷却以及②CH3OH, H2O的冷却和冷凝.①CO2, CO, H2的冷却Q=∑c p m∆t=(10.47⨯780.452+14.65⨯107.142+4.19⨯ 5.017 ⨯(223.7-40=1.79⨯106kJ/h②CH3OH的量很小,在此其冷凝和冷却忽略不计。