生产能力为2800 m³/h 甲醇制氢生产装置设计前言氢气是一种重要的工业用品，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也有着不同的要求。
近年来随着中国改革开放的进程，随着大量高精产品的投产，对高纯氢气的需求量正在逐渐扩大。
烃类水蒸气转化制氢气是目前世界上应用最普遍的制氢方法，是由巴登苯胺公司发明并加以利用，英国ICI公司首先实现工业化。
这种制氢方法工作压力为2.0-4.0MPa,原料适用范围为天然气至干点小于215.6℃的石脑油。
近年来，由于转化制氢炉型的不断改进。
转化气提纯工艺的不断更新，烃类水蒸气转化制氢工艺成为目前生产氢气最经济可靠的途径。
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。
它具有以下的特点：1、与大规模天然气、轻油蒸气转化制氢或水煤气制氢比较，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，运输储存方便。
而且由于所用的原料甲醇纯度高，不需要在净化处理，反应条件温和，流程简单，故易于操作。
4、可以做成组装式或可移动式的装置，操作方便，搬运灵活。
前言 ----------------------------------------------- 2 目录 ----------------------------------------------- 3 摘要 ----------------------------------------------- 3 设计任务书 ----------------------------------------- 4 第一章工艺设计 ------------------------------------------ 51.1.甲醇制氢物料衡算 --------------------------------------1.2.热量恒算 ----------------------------------------------第二章设备设计计算和选型：塔、换热设备、反应器 ----- 82.1.解析塔的选择 ------------------------------------------2.2.换热设备的计算与选型 ----------------------------------2.3.反应器的设计与选型 ------------------------------------第三章机器选型------------------------------------------ 13 3.1.计量泵的选择 ------------------------------------------ 153.2.离心泵的选型第四章设备布置图设计---------------------------------- 15 4.1.管子选型 ---------------------------------------------- 17 4.2.主要管道工艺参数汇总一览表 ---------------------------- 84.3.各部件的选择及管道图 ----------------------------------第五章管道布置设计 ------------------------------- 16 5.1.选择一个单参数自动控制方案 ---------------------------- 21 5.2.换热器温度控制系统及方块图课设总结 ------------------------------------------- 28本次课程设计是设计生产能力为2800m3/h甲醇制氢生产装置。
在设计中要经过工艺设计计算，典型设备的工艺计算和结构设计，管道设计，单参数单回路的自动控制设计，机器选型和技术经济评价等各个环节的基本训练。
在设计过程中综合应用所学的多种专业知识和专业基础知识，同时获得一次工程设计时间的实际训练。
课程设计的知识领域包括化工原理、过程装备设计、过程机械、过程装备控制技术及应用、过程装备成套技术等课程。
本课程设计是以甲醇制氢装置为模拟设计对象，进行过程装备成套技术的全面训练。
设计包括以下内容和步骤：1、工艺计算。
2、生产装置工艺设计。
3、设备设计。
分组进行。
4、机器选型。
5、设备不知设计。
6、管道布置设计。
7、绘制管道空视图。
8、设计一个单参数、单回路的自动控制方案。
9、对该装置进行技术经济评价。
10、整理设计计算说明书。
设计任务书一、题目：生产能力为2800 m3/h甲醇制氢生产装置。
二、设计参数：生产能为2800 m3/h 。
三、计算内容：1、工艺计算：物料衡算和能量衡算。
2、机器选型计算。
3、设备布置设计计算。
4、管道布置设计计算。
四、图纸清单：1、物料流程图2、工艺流程图3、换热器总装图4、换热器零件图5、管道布置图6、管道空视图(PL0102-20L1B)第一章工艺设计1.1.甲醇制氢物料衡算.(1)依据甲醇蒸气转化反应方程式：CH3OH—→CO↑ + 2H2↑CO + H2O —→CO2↑ + H2CH3OHF分解为CO,转化率99%,CO变换转化率99*,反应温度 280℃,反应压力为1. 5 MPa,醇水投料比1:1.5(mol)。
(2)投料量计算代如转化率数据CH3OH —→ 0.99 CO↑ + 1.98 2H2↑ +0.01 CH3OHCO + 0.99 H2O —→ 0.99 CO2↑ + 0.99 H2↑+ 0.01 CO↑合并得到CH3OH + 0.9801 H2O —→0.9801 CO2↑ + 2.9601 H2↑ + 0.01 CH3OH+ 0.0099 CO氢气产量为：2800 m³/h=125 kmol/h甲醇投料量为： 125/2.9601 * 32=1351.312 kg/h水投料量为：1351.312/32 * 1.5 * 18=1140.168 kg/h(3)原料储液槽 (V0101)进：甲醇 1351.312 kg/h，水1140.168 kg/h。
出：甲醇 1351.312 kg/h，水 1140.168 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 1351.312 kg/h，水 1140.168 kg/h，总计2491.48 kg/h出：生成CO2 1351.312/32 * 0.9801 * 44=1821.48 kg/hH2 1351.312/32 * 2.9601 * 2=250 kg/hCO 1351.312/32 * 0.0099 * 28=11.704 kg/h剩余甲醇1351.312/32 * 0.01 * 32=13.512 kg/h剩余水 1140.168- 1351.312/32 * 0.9801 * 18 =395.181kg/h总计2491.48 kg/h(6)吸收和解析塔吸收塔总压为1.5Mpa,其中CO2分压为0.38Mpa,操作温度为常温(25℃)。
此时每m³吸收液可溶解CO211.77 m³.解吸塔的操作压力为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ρCO2 = pM /RT =4 * 44/[0.082 * (273.15 + 25)] =7.20 kg/m ³CO2体积重量 V CO2 =1821.48/7.20 =252.98 m³/h据此，所需吸收液的量为 252.98/9.45 =26.764 m³/h考虑吸收塔效率以及操作弹性需要，取吸收液量为26.764 * 3=80.296m³/h系统压力降至0.1MPa时，析出CO2 量为 346.04 m³/h = 1821.48 kg/h(7)PSA系统略。
(8)各节点的物料量综合上面的工艺物料恒算结果，给出物料流程图及各节点的物料量。
1.2热量恒算(1)气化塔顶温度确定要使甲醇完全汽化，则其气相分率必然是甲醇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 + 0.6 p水=1.5MPa初设 T=170℃ p甲醇=2.19MPa; p水 =0.824MPap总 =1.3704MPa < 1.5MPa再设 T=175℃p甲醇=2.4MPA; p水 0.93MPap总 =1.51MPa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)转化器(R0101)两步反应的总反应热为49.66 kj/mol,于是在转化器内需要共给热量为：Q反应=1351.312*0.99/32*1000*(-49.66)=-2.076*106 kj/h此热量有导热油系统带来，反应温度为280℃，可以选用导热油温度为320℃，导热油温降设定为5℃，从手册中查到导热油的物性参数，如必定压热容与温度的关系，可得：Cp320℃=4.1868*0.68=2.85 kj/(kg．K),Cp300℃=2.81 kj/(kg．K)取平均值Cp=2.83 kj/(kg．K)则导热油的用量 w=Q反应 /(CpΔt)= 2.076*106 / (2.83*5)=1.467*105 kg/h (3)过热器(E0102)甲醇和水的饱和正气在过热器中175℃过热到280℃，此热量由导热油供给。
气体升温所需热量为Q=ΣCp mΔt=（1.90*1351.312+4.82*1140.168*(280-175)=8.446*105 kj/h导热油 Cp=2.825 kj/(kg．K),于是其温度降为Δt=Q/(Cp m)= 2.117 * 105 /（2.86 * 3.668*104 ）=2.042℃导热油出口温度为：315-2.042=312.958(4)汽化塔(T0101)认为汽化塔仅有潜热变化。
175℃甲醇H=727.2 kj/kg 水 H=2031 kj/kgQ=1351.312 *727.2 +2031*1140.168=3.298*106 kj/h以300℃导热油Cp计算 Cp=2.76 kj/(kg．K)Δt=Q/(Cp m)=3.298*106 /2.76*1.467*105)=8.15℃则导热油出口温度t2 =312.958-8.15=304.808℃导热油系统温差为ΔT=320-304.808=15.192℃基本合适(5)换热器(E0101)壳程：甲醇和水液体混合物由常温(25℃)升至175℃液体混合物升温所需的热量Q=ΣcpmΔt=(1351.312*3.14 + 1140.168 *4.30)*(175-25)=1.372*105 kj/h管程：取各种气体的比定压热容为：CpCO2 ≈ 10.47 kj/(kg．K)CPH2 ≈ 14.65 kj/(kg．K)CPH20 ≈ 4.19 kj/(kg．K)则管程中反应后其体混合物的温度变化为：Δt=Q/(Cp * m)= 1.372*105 /(10.47*1821.104+14.65*250+4.19*395.2)= 56.26℃换热器出口温度 280-56.26=223.74℃(6)冷凝器(E0103)①CO2 、CO 、H2的冷却Q=ΣcpmΔt=(10.47*1821.104+14.65*250+4.19*11.704)*(223.736-40)=3.511 15*10 6 kj/h②压力为1.5MPa时水的冷凝热为：H=2135kj/kg,总冷凝热Q2 =H * m=2135 *395.2=8.438*105 kj/h水显热变化 Q3 =cpmΔt=4.19* 395.2*(223.74-40)=3.0417*105 kj/hQ= Q1+ Q2+ Q3=4.6594*106 kj/h冷却介质为循环水，才用中温型凉水塔，则温差ΔT=10℃用水量 w=Q/(cpΔt)= 4.6594*106/(4.19*10)=1.112*105 kg/h第二章设 备设计计算和选型2.1．选择解析塔工艺计算和结构设计如下：1) 工艺计算已知进入吸收塔的混合气体的质量流量为2082.8 kg/h,操作压力为1.5Mpa,气体的入口温度为40℃，用碳酸丙烯酯吸收CO2，吸收率为99%。