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 (3)2．甲醇制氢工艺设计 (4)2.1 甲醇制氢工艺流程 (4)2.2 物料衡算 (4)2.3 热量衡算 (6)3．反应器设计 (9)3.1 工艺计算 (9)3.2 结构设计 (13)4．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↑ （1-1）CO+H2O→CO2↑+ H2↑ （1-2）CH3OH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:CH3OH→0.99CO↑+1.98H2↑+0.01 CH3OHCO+0.99H 2O→0.99CO 2↑+ 1.99H 2+0.01CO 合并式(1-5),式(1-6)得到:CH 3OH+0.9801 H 2O→0.9801 CO 2↑+2.9601 H 2↑+0.01 CH 3OH+0.0099 CO↑ 氢气产量为: 1600m 3/h=71.429 kmol/h甲醇投料量为: 71.429/2.9601ⅹ32=772.179kg/h水投料量为: 71.429/2.9601ⅹ1.5ⅹ18=651.526 kg/h 3、原料液储槽(V0101)进: 甲醇 772.179 kg/h , 水 651.526 kg/h 出: 甲醇 772.179 kg/h , 水 651.526 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 772.179 kg/h , 水651.526kg/h , 总计1423.705kg/h 出 : 生成 CO 2 772.179/32ⅹ0.9801ⅹ44 =1040.617kg/h H 2 772.179/32ⅹ2.9601ⅹ2 =142.858 kg/h CO 772.179/32ⅹ0.0099ⅹ28 =6.689 kg/h 剩余甲醇 772.179/32ⅹ0.01ⅹ32 =7.722kg/h 剩余水 651.526-772.179/32ⅹ0.9801ⅹ18=225.819 kg/h 总计 1423.705kg/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=p M/RT=0.4⨯44/[0.0082⨯(273.15+25)]=7.20kg/ m 3CO 2体积量 V 2CO =1040.617/7.20=144.530 m 3/h 据此,所需吸收液量为 144.530/9.45= 15.294m 3/h考虑吸收塔效率以及操作弹性需要,取吸收量为 15.294 m 3/h 3⨯=45.883 m 3/h 可知系统压力降至0.1MPa 时,析出CO 2量为144.530 m 3/h=1040.617 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=772.179⨯0.99/32⨯1000⨯(-49.66)=-1.19⨯106 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/(cp∆t)=1.19⨯610/(2.83⨯5)=84099 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/kg Q=772.1779⨯727.2+2031⨯651.526=1.88⨯106 kJ/h以300℃导热油c p 计算 c p =2.76 kJ/(kg ·K)∆t=Q/(c P m)=1.88⨯106/(2.76⨯83840)=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 ·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)=7.84⨯105/(10.47⨯1040.617+14.65⨯142.858+4.19⨯225.819)=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：①CO 2, CO, H 2的冷却以及②CH 3OH , H 2O 的冷却和冷凝.① CO 2, CO, H 2的冷却 Q=∑cpm ∆t=(10.47⨯1040.617+14.65⨯142.858+1.04⨯ 6.689)⨯(223.7-40)=2.39⨯106kJ/h②CH3OH的量很小，在此其冷凝和冷却忽略不计。