南京工业大学甲醇制氢工艺设计(反应器)

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。与电解水制氢相比，单位氢气成本较低。所用原料甲醇易得，运输、贮存方便。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。目录设计任务书………………3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…………6反应器设计……………….93.1工艺计算…………93.2结构设计………....13管道设计………....…自控设计………....…技术经济评价、环境评价………结束语………....……致谢………....………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:CHOH→CO↑+2H↑（1-1）CO+HO→CO↑+H↑（1-2）CHOH分解为CO转化率99%,反应温度280℃,反应压力,醇水投料比(mol).2、投料计算量代入转化率数据,式(1-3)和式(1-4)变为:CH↑+0.01CHOH合并式(1-5),式(1-6)得到:CHOH+0.981HO→0.981CO↑+0.961H↑+0.01CHOH+0.0099CO↑氢气产量为:2400m/h=kmol/h甲醇投料量为:ⅹ32=kg/h水投料量为:/32ⅹⅹ18=kg/h 3、原料液储槽(V0101)进:甲醇kg/h,水kg/h出:甲醇kg/h,水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kg/h,水kg/h,总计kg出:生成CO/32ⅹⅹ44=kg/hH/32ⅹⅹ2=kg/hCO/32ⅹⅹ28=kg/h剩余甲醇/32ⅹⅹ32=kg/h剩余水-/32ⅹⅹ18=kg/h总计kg/h6、吸收塔和解析塔吸收塔的总压为1．5MPa,其中CO的分压为0.38MPa,操作温度为常温(25℃).此时,每m吸收液可溶解CO11.77m.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,CO溶解度为,则此时吸收塔的吸收能力为:压力下=p(273.15+25)]=/mCO体积量V=/7.20=m/h据此,所需吸收液量为/9.45=m/h考虑吸收塔效率以及操作弹性需要,取吸收量为m/h=m/h可知系统压力降至时,析出CO量为m/h=1kg/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,设温度为T,根据汽液平衡关系有p+p初设T=170℃p;p=0.824MPap=1.3704<1.5MPa再设T=175℃p;p=0.93MPap=1.51MPa蒸气压与总压基本一致,可以认为操作压力为时,汽化塔塔顶温度为175℃2、转换器(R0101)两步反应的总反应热为,于是,在转化器内需要供给热量为:Q=1000(-49.66)=-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c0.68=2.85kJ/(kg·K),c=2.81kJ/(kg·K)取平均值ckJ/(kg·K)则导热油用量w=Q/(ct)=105)=62898kg/h3、过热器(E0102)甲醇和水的饱和蒸气在过热器中175℃过热到280气体升温所需热量为:Q=cm488.638)10kJ/h导热油ckJ/(kg·K),于是其温降为:t=Q/(cm)=1062898)=℃导热油出口温度为:315-2.0=℃4、汽化塔（TO101)

认为汽化塔仅有潜热变化。

175727.2+203110kJ/h以300℃导热油c计算ckJ/(kg·K)t=Q/(c1062898)=℃则导热油出口温度t=313.0-8.1=℃导热油系统温差为T=320-304.9=℃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175Q=cm4.30)10kJ/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：

ckJ/(kg·K)ckJ/(kg·K)c4.19kJ/(kg·K)则管程中反应后气体混合物的温度变化为：t=Q/(c10169.362)=℃换热器出口温度为280-56.3=℃6、冷凝器（EO103)

在E0103中包含两方面的变化：①CO,CO,H的冷却以及②CHOH,HO的冷却和冷凝.

①CO,CO,H的冷却Q=cm5.017)10kJ/h②CHOH的量很小，在此其冷凝和冷却忽略不计。压力为1.5MPa时水的冷凝热为：H=2135KJ/kg,总冷凝热 Q=Hm=213510kJ/h水显热变化Q=cm10kJ/hQ=Q+Q+Q10kJ/h冷却介质为循环水，采用中温型凉水塔，则温差△T=10用水量w=Q/(ct)=1010)=54415kg/

3、反应器设计计算 3.1工艺计算已知甲醇制氢转化工艺的基本反应为：CH3OH+H2O=CO2+3H2。该反应在管式反应器进行，进出反应器的各物料的工艺参数如表3-1所示。物流名称管程壳程/(kg/h)进口/(kg/h)出口/(kg/h)设计温度/oC压力/MPa进出口/(kg/h)设计温度/oC压力/MPa甲醇280水二氧化碳一氧化碳氢气导热油62898320表3-1反应器的物流表（1）计算反应物的流量对于甲醇，其摩尔质量为_32k对于水，其摩尔质量为18kg·对于氢气，其摩尔质量为2kg·对于一氧化碳，其摩尔质量为28kg·进料气中甲醇的摩尔分率yA为：yA=对于甲醇和水，由于温度不太高（280oC），压力不太大（1.5MPa），故可将其近似视为理想气体考虑。有理想气体状态方程pV=nRT，可分别计算出进料气中甲醇和水的体积流量：甲醇的体积流量VA为：VA=m3/h水的体积流量VB为：VB=m3/h 进料气的总质量为：mo=+=kg（2）计算反应的转化率进入反应器时甲醇的流量为kg/h，出反应器时甲醇的流量为kg/h，则甲醇的转化率xxAf=即反应过程中消耗甲醇的物质的量为：×99%=kmol/h （3）计算反应体系的膨胀因子由体系的化学反应方程式可知，反应过程中气体的总物质的量发生了变化，可求出膨胀因子δA。对于甲醇有：δA=（4）计算空间时间根据有关文献，该反应为一级反应，反应动力学方程为：rA=kpA×10-4eCA=CAO上式两边同乘以RT，则得：pA=CAORT反应过程的空间时间τ为：τ=CAO∫=CAO∫/[kCAORT]=∫dxA×10-4em3/(kmol·，T=553.15K，δA=2，yA=，代入上式，可得空间时间：τ（5）计算所需反应器的容积VR=τVO进料气的总体积流量为：VO=+=m/h=385m/s则可得所需反应器的容积为：VR=τVO×=0.527（6）计算管长由文献可知，气体在反应器内的空塔流速为/s，考虑催化剂填层的空隙率对气体空塔速度的影响，取流动速度为μ=/s，则反应管的长度为：l=τ×3600×0.2=根据GB151推荐的换热管长度，取管长l=3m反应器内的实际气速为：u==（7）计算反应热甲醇制氢的反应实际为两个反应的叠合，即CH3OH=CO+2H2CO+H2O=CO2+H2 反应过程中的一氧化碳全部由甲醇分解而得，由化学反应式可知，每转化1kmol的甲醇就可生成1kmol的一氧化碳，则反应过程中产生的一氧化碳的物质的量为kmol/h。反应器出口处的一氧化碳的物质的量为79kmol/h，转化的一氧化碳的物质的量为：-=kmol/h一氧化碳的转化率为：xCO=则反应过程中所需向反应器内供给的热量为：×10××10×=×10kJ/h（8）确定所需的换热面积假定选用的管子内径为d，壁厚为t，则其外径为d+2t，管子数量为n根。反应过程中所需的热量由导热油供给，反应器同时作为换热器使用，根据GB151，320oC时钢的导热系数为λ=44.9W/（m·OC），管外油侧的对流给热系数为αo=300W/（m2·OC），管内侧的对流给热系数为αi=80W/（m2·OC），根据表5-2所列的壁面污垢系数查得，反应管内、外侧的污垢系数分别为0.0002m2·OC/W和0.0008m2·总污垢系数为Rf=0.0002+0.0008=0.001m2·O根据传热学，反应器的传热系数为：K=1/（+++Rf）由于的值接近于1，对K带来的误差小于1%；钢管的传热很快，对K的影响也很小，故可将上式简化为：K=1/（++Rf）=W/（m2·OC）=213.84kJ/(h·m·OC)由于反应器所需的换热面积为：F==m（9）计算管子的内径反应器需要的换热面积为：F=nπdl反应器内气体的体积流量为：VO=nu联立上述两式，并将l=6m，u(m/s)，F=(m)VO385(m/s)代入，即可得所需管子的内径为：d=。根据计算所得的管子内径，按前述换热设备设计选择合适的管子型号和所需的管数及布管方式。结构设计计算内容或项目符号单位计算公式或来源结果备注管

程结构设计换热管材料选用碳钢无缝钢管Φ25×2换热管内径、外径di;dm换热管管长Lm选用3m换热管根数n325(圆整)管程数Ni根据管内流体流速范围选定1管程进出口接管尺寸

(外径*壁厚)djt*Sjtm按接管内流体流速合理选取Φ60×管程结构设计壳程数Ns1换热管排列形式正三角形排列正三角形排列换热管中心距Sm分程隔板槽两侧中心距Sn按标准管束中心排管数nc（外加六根拉杆）21壳体内径DimDi=S(Nc-1)+(1~2)d0．7换热器长径比L/DiL/Di合理实排热管根数n作图351折流板形式选定单弓形折流板折流板外直径Dbm按GB151-1999折流板缺口弦离hm0.14折流板间距Bm取B=(0.2～1)Di0.33折流板数NbNb=L/B-18壳程进出口接管尺寸djs*Sjs合理选取Φ114×2选取3.2外壳结构设计按照GB150-1998《钢制压力容器》进行结构设计计算。筒体(1)筒体内径:7设计压力：P=MPa设计温度取350筒体材料：16MnR焊接接头系数Φ钢板厚度负偏差C1=0,腐蚀裕量C2=,厚度附加量C=C1+C2=.筒体的计算厚度计算δ==mm考虑厚度附加量并圆整至钢板厚度系列，得材料名义厚度n=4mm.取强度校核有效厚度e=n-C1-C2=5t==MPa<=134MPa符合强度要求。（2）根据筒径选用非金属软垫片：垫片厚度：3垫片外径:765垫片内径：715根据筒体名义厚度选用乙型平焊法兰（JB4702）法兰材料：16MnRDN法兰外径中心孔直径法兰厚度螺栓孔直径螺纹规格螺栓数量7008608154627M2424表3-2筒体法兰数据封头（1）封头内径：7设计压力：P=1.6MPa设计温度取3封头材料：16MnR焊接接头系数Φ钢板厚度负偏差C1=0,腐蚀裕量C2=,厚度附加量C=C1+C2=.封头的计算厚度计算==考虑厚度附加量并圆整至钢板厚度系列，取封头名义厚度与筒体厚度相同，得材料名义厚度n=6mm强度校核有效厚度e=n-C1-C2=7mmt==MPa<=144MPa符合强度要求。根据筒径选用标准椭圆形封头直边高：25曲边高：200壁厚：67、换热管（GB151-1999）管子材料：16MnR根据上节中计算的管子内径选用尺寸：φ25×2管长：3000根数：345实排根数：351（外加6根拉杆）排列形式：正三角形中心距：32管束中心排管数：21长径比：8、管程数据管程数：1管程气体流速：8m进出口接管尺寸：φ60×接管材料：16Mn法兰类型：板式平焊法兰（HG20593-97）法兰材料：20RDN法兰外径中心孔直径法兰厚度法兰内径螺栓孔直径螺栓孔数螺纹规格501401101659144M12表3-3管程法兰数据9、壳程数据壳程数：1壳程液体流速：1.5进出口接管尺寸：φ114×2接管材料：16Mn法兰类型：板式平焊法兰（HG20593-97）法兰材料：16MnRDN法兰外径中心孔直径法兰厚度法兰内径螺栓孔直径螺栓孔数螺纹规格10021017018116184M16表3-4壳程法兰数据12、折流板（GB151-1999）材料：16MnR缺口弦高：140间距：330板数：8厚度：613、拉杆（GB151-1999）直径：16螺纹规格：M16根数；614、耳座（JB/T4725-92）（7）耳式支座选用及验算由于该吸收塔相对结构较小，故选用结构简单的耳式支座。根据JB/T4732－92选用支座：JB/T4732－92，耳座A3，其允许载荷[Q]=30Kn,适用公径DN700～1400，支座处许用弯矩[M]=8.35kN*m。支座材料Q235－A*F。支座承受的实际载荷计算水平地震载荷为：p＝为地震系数，地震设计烈度为7时，为设备总质量经计算该反应器的＝1119kg水平地震载荷为：p＝×1119×9.8＝26N水平风载荷为：p＝××550×3400×1500＝3366N偏心载荷G＝0N偏心距S＝0mm其中f为风压高度变化系数，按设备质心所在高度。q为基本风压，假设该填料塔安装在南京地区，南京地区的q＝550N/m。f风压高度系数见参考资料。水平力取p与p两者的大值，即P＝Pe+0.25pw=2631.99+0.25*3366=3473.5N支座安装尺寸为D：D=式中，为耳式支座侧板厚度；为耳式支座衬板厚度。支座承受的实际载荷为Q：Q＝×10＝KN<＝30KN式中，G为偏心载荷；S为偏心距。满足支座本体允许载荷的要求。支座处圆筒所受的支座弯矩M计算M＝因此，开始选用的2A3支座满足要求。形式：A3型高度：200底板：L1:125b1:80δ1：8s1:40筋板：L2:100b2:100δ2：5垫板：L3：20b3:160δ3：6e:24地角螺栓规格：M24螺栓孔直径：2715、管板材料：16MnR换热管管孔直径：25拉杆管孔直径：18厚度：50外径：860SW6校核内筒体内压计算计算单位南京工业大学过程装备与控制工程系计算条件筒体简图计算压力PcMPa设计温度tC内径Dimm材料16MnR(正火)(板材)试验温度许用应力MPa设计温度许用应力tMPa试验温度下屈服点sMPa钢板负偏差C1mm腐蚀裕量C2mm焊接接头系数厚度及重量计算计算厚度=mm有效厚度e=n-C1-C2=mm名义厚度n=mm重量Kg压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值PTP=0.8700(或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平TT0.90s=MPa试验压力下圆筒的应力T==MPa校核条件TT校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力[Pw]==MPa设计温度下计算应力t==MPatMPa校核条件t≥t结论合格内压椭圆封头校核计算单位南京工业大学过程装备与控制工程系计算条件椭圆封头简图计算压力PcMPa设计温度tC内径Dimm曲面高度himm材料16MnR(热轧)(板材)试验温度许用应力MPa设计温度许用应力tMPa钢板负偏差C1mm腐蚀裕量C2mm焊接接头系数厚度及重量计算形状系数K==计算厚度=mm有效厚度e=n-C1-C2=mm最小厚度min=mm名义厚度n=mm结论满足最小厚度要求重量Kg压力计算最大允许工作压力[Pw]==MPa结论合格延长部分兼作法兰固定式管板设计单位南京工业大学过程装备与控制工程系设计计算条件简图设计压力psMPa设计温度Ts350平均金属温度ts314装配温度to15壳材料名称16MnR(正火)设计温度下许用应力[]t134Mpa程平均金属温度下弹性模量Es1.84e+05Mpa平均金属温度下热膨胀系数smm/mm圆壳程圆筒内径Di700mms6mmsemm筒壳体法兰设计温度下弹性模量Ef’1.79e+05MPa壳程圆筒内直径横截面积A=Di23.848e+05mm2壳程圆筒金属横截面积As=s(Di+s)9403mm2管设计压力ptMPa箱设计温度Tt300圆材料名称筒设计温度下弹性模量Eh1.846e+05MPa管箱圆筒厚度(管箱为高颈法兰取法兰颈部大小端平均值)h16mm管箱圆筒厚度he4mm管箱法兰设计温度下弹性模量Et”1.86e+05MPa材料名称20G(正火)换管子平均温度tt230设计温度下管子材料许用应力[]tt92MPa设计温度下管子材料屈服应力st147MPa热设计温度下管子材料弹性模量Ett1.73e+05MPa平均金属温度下管子材料弹性模量Et1.842e+05MPa平均金属温度下管子材料热膨胀系数tmm/mm管管子外径d25mm管子壁厚t2mm注：管子根数n351换热管中心距S32mm换一根管子金属横截面积mm2换热管长度L3000mm管子有效长度(两管板内侧间距)L12900mm管束模数Kt=Etna/LDi3790MPa管子回转半径mm热管子受压失稳当量长度lcr10mm系数Cr=比值lcr/i管子稳定许用压应力()MPa管管子稳定许用压应力()MPa材料名称16MnR(正火)设计温度tp350管设计温度下许用应力116MPa设计温度下弹性模量Ep1.79e+05MPa管板腐蚀裕量C22mm管板输入厚度n50mm管板计算厚度48mm隔板槽面积(包括拉杆和假管区面积)Ad0mm2板管板强度削弱系数管板刚度削弱系数管子加强系数K=管板和管子连接型式焊接管板和管子胀接(焊接)高度lmm胀接许用拉脱应力[q]MPa焊接许用拉脱应力[q]46MPa管材料名称16MnR(正火)管箱法兰厚度46mm法兰外径860mm箱基本法兰力矩7.515e+07Nmm管程压力操作工况下法兰力3.266e+07Nmm法兰宽度80mm法比值比值系数(按h/Di,/Di,查<<GB151-1999>>图25)兰系数”(按h/Di,/Di,查<<GB151-1999>>图26)旋转刚度MPa材料名称16MnR(正火)壳壳体法兰厚度44mm法兰外径860mm体法兰宽度80mm比值法比值系数,按h/Di,/Di,查<<GB151-1999>>图25兰系数,按h/Di,/Di,查<<GB151-1999>>图26旋转刚度MPa法兰外径与内径之比壳体法兰应力系数Y(按K查<<GB150－1998>>表9-5)旋转刚度无量纲参数膨胀节总体轴向刚度0N/mm管板第一弯矩系数(按,查<<GB151-1999>>图27)系系数系数(按查<<GB151－98>>图29)换热管束与不带膨胀节壳体刚度之比数换热管束与带膨胀节壳体刚度之比管板第二弯矩系数(按K,Q或查<<GB151-1999>>图28(a)或(b))系数（带膨胀节时代替Q）计系数(按K,Q或Qex查图30)法兰力矩折减系数管板边缘力矩变化系数算法兰力矩变化系数管管板开孔后面积Al=A-0.25nd22.43e+05mm2板参管板布管区面积(三角形布管)(正方形布管)2.563e+05mm2数管板布管区当量直径mm系数系系数数系数计系数(带膨胀节时代替Q)算管板布管区当量直径与壳体内径之比管板周边不布管区无量纲宽度k=K(1-t)

仅有壳程压力仅有壳程压力Ps作用下的危险组合工况(Pt=0)不计温差应力计温差应力换热管与壳程圆筒热膨胀变形差=(t-t)-(t-t)当量压力组合MPa有效压力组合MPa基本法兰力矩系数管板边缘力矩系数管板边缘剪力系数管板总弯矩系数系数仅用于时系数当时,按K和m查图31(a)实线当时,按K和m查图31（b）系数>0,=,<0,=管板径向应力系数带膨胀节Q为Q=管板布管区周边处径向应力系数=管板布管区周边处剪切应力系数=壳体法兰力矩系数计算值许用值计算值许用值管板径向应力1.51743348MPa管板布管区周边处径向应力1.51743348MPa管板布管区周边剪切应力0.5581.5174MPa壳体法兰应力1.51743348MPa换热管轴向应力923276MPa壳程圆筒轴向应力MPa换热管与管板连接拉脱应力q=[q]463[q]焊接[q]胀接138MPa仅有管程压力Pt作用下的危险组合工况(Ps=0)不计温差应力计温差应力换热管与壳程圆筒热膨胀变形差=(t-t)-(t-t)当量压力组合MPa有效压力组合MPa操作情况下法兰力矩系数管板边缘力矩系数管板边缘剪力系数管板总弯矩系数系数仅用于时系数当时,按K和m查图31（a）实线当时,按K和m查31（b)系数>0,=;<0,=管板径向应力系数带膨胀节Q为Q=管板布管区周边处径向应力系数=管板布管区周边处剪切应力系数=壳体法兰力矩系数计算值许用值计算值许用值管板径向应力1.51742383348MPa管板布管区周边处径向应力1743348MPa管板布管区周边剪切应力0.5581.5174MPa壳体法兰应力1.51741403348MPa换热管轴向应力923276MPa程圆筒轴向应力MPa换热管与管板连接拉脱应力q=[q]463[q]焊接[q]胀接138MPa计算结果管板名义厚度50mm管板校核通过窄面整体(或带颈松式)法兰计算计算单位南京工业大学过程装备与控制工程系设计条件简图设计压力pMPa计算压力pcMPa设计温度tC轴向外载荷FN外力矩MN.mm壳材料名称16MnR(正火)体许用应力MPa法材料名称16MnR(热轧)许用[]fMPa兰应力[]MPa材料名称40MnVB螺许用[]bMPa应力[]MPa栓公称直径mm螺栓根径d1mm数量n24个DiDo垫结构尺寸DbD外D内δ0mmLeLAhδ1材料类型软垫片Nmy(MPa)压紧面形状1a,1bbDG片b0≤b=b0b0≤DG=(D外+D内)/2b0>bb0>DG=D外-2b螺栓受力计算预紧状态下需要的最小螺栓载荷WaWa=πbDGy=N操作状态下需要的最小螺栓载荷WpWp=Fp+F=N所需螺栓总截面积AmAm=max(Ap,Aa)=mm2实际使用螺栓总截面积AbAb==mm2力矩计算操FDpc=NLD=LAδ1=mmMD=FDLD=N.mm作FG=Fp=NLG=0.5(Db-DG)=mmMG=FGLG=N.mmMpFT=F-FD=NLT=0.5(LA+1+LG)=mmMT=FTLT=N.mm外压:Mp=FD(LD-LG)+FT(LT-LG);内压:Mp=MD+MG+MTMp=N.mm预紧MaW=NLG=mmMa=WN.mm计算力矩Mo=Mp与Ma[]ft/[]f中大者Mo=N.mm螺栓间距校核实际间距=mm最小间距56.0(查GB150-98表9-3)mm最大间距mm形状常数确定h/ho=K=Do/DI=由K查表9-5得T=Z=Y=U=整体法兰查图9-3和图9-4FI=VI=松式法兰查图9-5和图9-6FL=VL=查图9-7由1/o得f=整体法兰=松式法兰=ψ=δfe+1==/T==剪应力校核计算值许用值结论预紧状态MPa校核合格操作状态MPa校核合格输入法兰厚度δf=mm时,法兰应力校核应力性质计算值许用值结论轴向应力MPa=174.0或=()校核合格径向应力MPa=校核合格切向应力MPa=校核合格综合应力=MPa=校核合格法兰校核结果校核合格开孔补强计算计算单位南京工业大学过程装备与控制工程系接管:C,φ114×2设计条件简图计算压力pcMPa设计温度350℃壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型16MnR(正火)板材壳体开孔处焊接接头系数φ壳体内直径Di700mm壳体开孔处名义厚度δn6mm壳体厚度负偏差C10mm壳体腐蚀裕量C21mm壳体材料许用应力[σ]t134MPa接管实际外伸长度200mm接管实际内伸长度0mm接管材料20G(热轧)接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量1mm补强圈材料名称凸形封头开孔中心至封头轴线的距离mm补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差C1tmm补强圈厚度负偏差C1rmm接管材料许用应力[σ]t92MPa补强圈许用应力[σ]tMPa开孔补强计算壳体计算厚度δmm接管计算厚度δtmm补强圈强度削弱系数frr0接管材料强度削弱系数fr开孔直径dmm补强区有效宽度Bmm接管有效外伸长度h1mm接管有效内伸长度h20mm开孔削弱所需的补强面积Amm2壳体多余金属面积A1mm2接管多余金属面积A2mm2补强区内的焊缝面积A336mm2A1+A2+A3=mm2，大于A，不需另加补强。补强圈面积A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2结论:补强满足要求,不需另加补强。4、管道设计4.1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、导热油对材料无特殊腐蚀性；产品氢气对产品可能产生氢腐蚀，但研究表明碳钢在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220②温度——20g无缝钢管的最高工作温度可达475℃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＝/h＝3/s流速范围0.5～2.0m/s取为/s则 Di＝＝壁厚t＝＝＝Sch.x=1000×=1000×=3故选择RO0101、RO0102、RO0103、RO0104管道规格为φ159×流速校正u==/s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,采用岩棉管壳保温,保温结构单位造价为750元/m3,贷款计息年数为5年,复利率为10%,热价为10元/106设保温层外表面温度为30℃0.0609W/(m.K),表面放热系数为12W/(m2.K)保温工程投资偿还年分摊率S=计算经济保温层经济厚度=查表得保温层厚度δ=107mm.计算保温后的散热量计算保温后表面温度==℃计算出来的表面温度℃略低于最初计算导热系数是假设的表面温度30℃,故δ=107mm②甲醇原料管道的规格流量＝/h＝3/s一般吸水管中流速u1=1m/s,出水管中流速u2=/s则 Di＝＝/故选择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==/s,合适u2==/s③脱盐水原料管道的规格流量＝/h＝3/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==/su2==/s④甲醇水混合后原料管道的规格流量＝/h＝3/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==/su2==/s⑤吸收液碳酸丙烯酯管道的规格流量＝42000Kg3/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==/su2==/s⑥冷却水管道的规格流量＝95465Kg/h＝3/s计算过程同上选择CWS0101管道规格为φ159×选择CWS0102、CWR0101管道规格为φ133×4无缝钢管流速校正u1==/su2==/s⑦PG0101、PG0102、PG0103、PG0104混合气管道的规格流量＝/h＝3/s计算过程同上200℃:壁厚t＝＝＝300℃:壁厚t＝＝＝选择PG0101、PG0102、PG0103、PG0104管道规格为φ89×流速校正u1==/s⑧其它管道规格尺寸选择PG0105管道规格为φ73×4PG0106管道规格为φ89×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：序号所在管道编号管内介质设计压力设计温度流量状态流速公称直径材料1PG0106-80M1B氢气50气相8020g2PG0101-80M1B甲醇54.5%水45.5%2001869气相8020g3PG0102-80M1B-H3001869气相8020g4PG0103-80M1BH210%CO273%H2O17%3001869气相8020g5PG0104-80M2001869气相8020g6PG0105-65M1BH212%CO288%501553气相6520g7RO0101-150L1B-H导热油0.6320110035液相15020g8RO0102-150L1B-H导热油0.6320110035液相15020g9RO0103-150L1B-H导热油0.6320110035液相15020g10RO0104-150L1B-H导热油0.6320110035液相15020g11PL0101-20甲醇常压50液相2020g12PL0102-15甲醇常压50液相1520g13PL0103-32原料液常压501869液相3220g14PL0104-20M原料液501869液相2020g15PL0105-20M原料液2001869液相2020g16PL0106-40吸收液504200液相4020g17PL0107-32吸收液504200液相3220g18PL0108-32吸收液5042000液相3220g19DNW0101-20L1B脱盐水50855液相2020g20DNW0102-15脱盐水50855液相1520g21CWS0101-150冷却水5095465液相150镀锌管22CWS0102-125冷却水5095465液相125镀锌管23CWR0101-125冷却水8095465液相125镀锌管24PG0107-80L1B食品二氧化碳501366气相11800Cr18Ni925PL0109-20M1B工艺冷凝水50280液相2020g4.2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P01023.混合原料计量泵P01034.吸收液用泵P01045.冷却水用泵P0105甲醇计量泵P0102选型已知条件：甲醇正常投料量为/h。温度为25℃。密度为/L；操作情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＝/h×1255.86＝/h工艺估算所需扬程80m×80＝88m折合程计量泵的压力：P=gh=807××88/1061600L/h，压力0.8MPa，转速115r/min，电机功率2.2KW，满足要求纯水计量泵P0101选型已知条件：水的正常投料量为/h。温度为25℃。密度为/L；操作情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＝/h×857.70＝/h工艺估算所需扬程80m×80＝88m折合程计量泵的压力：P=gh=997××88/1061000L/h，压力1.3MPa，转速115r/min，电机功率2.2KW，满足要求混合原料计量泵P0103选型已知条件：原料的正常投料量为/h。温度为25℃。密度为/L；操作情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＝/h×2173.03＝/h工艺估算所需扬程80m×80＝88m折合程计量泵的压力：P=gh=860××88/1062500L/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已知条件:①吸收液的输送温度25℃,密度760Kg/m3②操作情况,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m3/h×m3/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.×水泵选型，选用离心式水泵m3/h,转速2900r/min，电机功率为4.0KW。选用该型号泵较合适。（5）.冷却水用泵P0105已知条件:①水的输送温度25℃,密度997Kg/m3.泵的正常流量为②操作情况,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工艺所需的正常体积流量为95465/997=m×95.75=m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.×水泵选型，选用离心式水泵查表得，IS100-65-200型水泵最佳工况点：扬程47m,流量120m34.3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：序号所在管道编号管内介质设计压力设计温度公称直径阀门选型连接形式阀门型号1PG0106-80M1B氢气5080法兰2RO0101-150L1B-H导热油320150法兰3RO0104-150L1B-H导热油320150法兰4PL0101-20L1B甲醇常压5020法兰5PL0102-15L1B甲醇常压5015法兰6PL0103-32L1B原料液常压5032法兰、螺纹7DNW0101-20L1B脱盐水5020法兰、螺纹8PG0107-80L1B食品二氧化碳5080螺纹9PL0107-32吸收液5032法兰、螺纹10PL0109-20M1B工艺冷凝水5020法兰4.4管道法兰选型根据各管道的工