甲醇制氢生产装置计算书姓名：丁仕勇单位：机械学院控制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. 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．结束语5．致谢6．参考文献附录：1.汽化塔装配图2.管道平面布置图3.管道空视图3甲醇制氢工艺设计3.1 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1－23.2 物料衡算1、依据甲醇蒸气转化反应方程式:CH3OH→CO↑+2H2↑CO+H2O→CO2↑+ H2CH 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 3OH →0.99CO ↑+1.98H 2↑+0.01 CH 3OH CO+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: 3500m 3/h=156.25kmol/h甲醇投料量为: 156.25/2.9601ⅹ32=1689.132 kg/h 水投料量为: 1689.132/32ⅹ1.5ⅹ18=1425.205 kg/h 3、原料液储槽(V0101)进: 甲醇 1689.132 kg/h , 水 1425.205 kg/h 出: 甲醇 1689.132 kg/h , 水 1425.205 kg/h 4、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 1689.132 kg/h , 水 1425.205 kg/h , 总计 3114.337 kg/h 出 : 生成 CO 2 1689.132/32ⅹ0.9801ⅹ44 =2276.338 kg/h H 2 1689.132/32ⅹ2.9601ⅹ2 =312.5 kg/h CO 1689.132/32ⅹ0.0099ⅹ28 =14.632 kg/h 剩余甲醇 1689.132/32ⅹ0.01ⅹ32 =16.89 kg/h 剩余水 1425.205-1689.132/32ⅹ0.9801ⅹ18=493.976 kg/h 总计 3114.336 kg/h 6、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 =2276.338/7.20=316.158 m 3/h据此,所需吸收液量为 316.158 /9.45=33.456 m3/h考虑吸收塔效率以及操作弹性需要,取吸收量为 33.456 m3/h3⨯=100.368 m3/h可知系统压力降至0.1MPa时,析出CO2量为316.158 m3/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1一2.3.3 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=1689.132⨯0.99/32⨯1000⨯(-49.66)=-2.596⨯106kJ/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 c p =2.83 kJ/(kg ·K)则导热油用量 w=Q 反应/(c p ∆t)= 2.596⨯106/(2.83⨯5)=183486.24kg/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⨯1689.132+4.82⨯1425.205) ⨯(280-175)=1.0583⨯106kJ/h 导热油c p =2.826 kJ/(kg ·K), 于是其温降为:∆t=Q/(c P m)= 1.0583⨯106/(2.826⨯183486.24)=2.04℃ 导热油出口温度为: 315-2.04=312.96 ℃ 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/kg Q=1689.132⨯727.2+2031⨯1425.205=4.123⨯106 kJ/h以300℃导热油c p 计算 c p =2.76 kJ/(kg ·K)∆t=Q/(c P m)= 4.123⨯106/(2.76⨯183486.24)=8.14℃则导热油出口温度 t 2=313-8.14=304.86℃导热油系统温差为∆T=320-304.9=15.14℃ 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=(1689.132⨯3.14+1425.205⨯4.30) ⨯(175-25)=17.15⨯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 ·K) c 2pH ≈14.65 kJ/(kg ·K) c 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)=17.15⨯105/(10.47⨯2276.338+14.65⨯312.5+4.19⨯493.976)=56.26℃换热器出口温度为 280-56.3=223.74℃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.① CO2, CO, H2的冷却Q=∑ c p m∆t=(10.47⨯2276.338+14.65⨯312.5+4.19⨯14.632) ⨯(223.7-40)=5.23⨯106kJ/h② CH3OH的量很小，在此其冷凝和冷却忽略不计。