南京工业大学甲醇制氢工艺设计(反应器)

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、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。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。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，增加的二氧化碳。 3 4 4 4 6 9 9 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CH3OH→CO↑+2H2↑（1-1）代入转化率数据,式(1-3)和式(1-氢气产量为:2400m3/h=1没有物流变化.pcoVpcoV=pM/RT=0.4×44/[0.0082×(273.15+25)]=7.20kg/m3据此,所需吸收液量为216.794/9.45=22.94考虑吸收塔效率以及操作弹性需要,取吸收量为22.94m3/h×3=68.82m3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.略.在已知汽相组成和总压的条件下，可以根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0.4p+0.6p水=1.5MPa初设T=170℃p=2.19MPa;p总=1.3704<1.5MPap总=1.51MPa两步反应的总反应热为49.66kJ/mo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cp320æ=4.1868×0.68=2.85kJ/(kg·K),cp3取平均值cp=2.83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.从手册中可导热油出口温度为:315认为汽化塔仅有潜热变化。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。这里取各种气体的比定压热容为：则管程中反应后气体混合物的温度变化为：换热器出口温度为280-56.3=22冷凝.2,CO,H2的冷却进出反应器的各物料的工艺参数如表3-1所示。设计温度水对于氢气，其摩尔质量为2kg·k/mol,其摩尔流量为：1对于一氧化碳，其摩尔质量为28kg·k/mol,其摩尔流量为对于甲醇和水，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水的体积流量VB为：进料气的总质量为：mo=55.489+83.233=1067.764k转化率xAf为：即反应过程中消耗甲醇的物质的量为：18.098×99%=17.917km根据有关文献，该反应为一级反应，反应动力学方程为：反应过程的空间时间τ为：代入上式，可得空间时间：进料气的总体积流量为：VO=55.489+83.233=138.722m3则可得所需反应器的容积为：VR=τVO=0.0038×138.722=0.l=τu=0.0038×3600×0.反应器内的实际气速为：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的甲一氧化碳的转化率为：则反应过程中所需向反应器内供给的热量为：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，反根据传热学，反应器的传热系数为： d很小，故可将上式简化为：反应器需要的换热面积为：F=nτdl反应器内气体的体积流量为：联立上述两式，并将l=6m，u=0.22(m/s)，F=99.988(m2)VO=0.0385(m3代入，即可得所需管子的内径为：d=0.0210m。管方式。管程结构设计径nNimmm1管程结构设计折流板形式NsnhBNbmmmmmNb=L/B-113518设计压力：Pc=1.1pw=0.55MPa筒体材料：16MnR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垫片内根据筒体名义厚度选用乙型平焊法兰（JB4702）法兰材料：16MnR（1）封头内径：700mm封头材料：16MnR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：6管长：3000根管程数：1管程气体流速：8m进出口接管尺寸：φ60×1.6接管材法兰类型：板式平焊法兰（HG205934壳程数：1壳程进出口接管尺寸：φ114×2接管材法兰类型：板式平焊法兰（HG20593-4材料：16MnR形式板数：8厚度：6直径：16螺纹规格：M16根数；6（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jj水平地震载荷为：pe=αemogαe为地震系数，地震设计烈度为7时，αe＝0.24mo为设备总质量经计算该反应器的mo＝1119kg水平地震载荷为：pe=αemog＝0.24×1119×9.8＝2631.99N水平风载荷为：pw＝1.2fiq0D0H0=1.2×1.0×550×3400×1500＝3366N偏心载荷Ge＝0N偏心距Se＝0mm其中fi为风压高度变化系数，按设备质心所在高度。q0为基本风压，假设该填料塔安装在南京地区，南京地区的q0＝550N/m2。fi风压高度系数见参考资料。 +2(l2-s1)=867mm式中，δ2为耳式支座侧板厚度；δ3为耳式支座衬板厚度。满足支座本体允许载荷的要求。地角螺栓规格：M24螺栓材料：16MnR换热管管孔直径：25拉杆管孔直径：18厚度：50外径：860焊接接头系数ftf焊接接头系数f延长部分兼作法兰固定式管板系壳程圆筒设计压力ps。C。C。CEsmm/mm。C6壳体法兰设计温度下弹性模量Ef’壳程圆筒内直径横截面积A=0.25pDi2管箱圆设计温度Tt。C设计温度下弹性模量Eh值)dh4管箱法兰设计温度下弹性模量Et”。C平均金属温度下管子材料弹性模量Etmm/mm。C管子外径d管子壁厚dt2注：换热管换热管中心距S一根管子金属横截面积a=πδt(d-δt)管束模数Kt=Etna/LDi管子受压失稳当量长度lcr系数Cr=π管子稳定许用压应力(r管板设计温度tp。C设计温度下弹性模量Ep2管板输入厚度dn管板计算厚度d0K=焊接管箱法兰管箱法兰厚度δf"法兰外径Df基本法兰力矩MmN×mm管程压力操作工况下法兰力MpN×mm法兰宽度bf=(Df-Di)/2比值δh/Di系数C"(按dh/Di,dDi,查<<GB151-1999>>图25)系数w”(按dh/Di,dDi,查<<GB151-1999>>图26)壳体法兰厚度δf'法兰外径Df法兰宽度bf=(Df-Di)/2比值δs/Di比值δf'/Di系数C',按dh/Di,dDi,查<<GB151-1999>>图25'系数,按dh/Di,dDi,查<<GB151-1999>>图26法兰外径与内径之比K=Df/Di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0N/mm系数计算~管板第一弯矩系数(按K,Kf查<<GB151-1999>>图27)m1~系数(按KtKf查<<GB151－98>>图29)G2换热管束与带膨胀节壳体刚度之比Qex=管板第二弯矩系数(按K,Q或Qex查<<GB151-1999>>图28(a)或(b))m2系数（带膨胀节时Qex代替Q）~~法兰力矩折减系数ξ=Kf/(Kf+G3)~~~~"法兰力矩变化系数ΔMf=ΔMKfKf"管板参数管板开孔后面积Al=A-0.25npd2At=nS2+Ad管板布管区当量直径系数计算系数λ=Al/A系数β=na/Al系数Σs=0.4+0.6×(1+Q)/λ系数(带膨胀节时Qex代替Q)Σt=0.4(1+β)+(0.6+Q)/λ管板布管区当量直径与壳体内径之比pt=Dt/Di管板周边不布管区无量纲宽度k=K(1-rt)Y=αt(tt-t0)-αs(ts-t0)PP基本法兰力矩系数管板边缘力矩系数M=Mm+(ΔM)M1~管板边缘剪力系数v=ΨM当m>0时,按K和m查图31当m<0时,按K和m查图31（b）~~壳体法兰力矩系数Mws=ξMm-(ΔMf)M1壳体法兰应力1.5[σ]3[σ][σ]cr3[σ][σ]crφ[σ]3φ[σ]Y=αt(tt-t0)-αs(ts-t0)当量压力组合Pc=-Pt(1+β)~~管板边缘力矩系数M=Mp~管板边缘剪力系数v=ΨM=3mμK当m>0时,按K和m查图31（当m<0时,按K和m查31（b)p=壳体法兰力矩系数Mws=ξMp-M1σ=r~σrPaμ(|δ,λ(Diμ(|δ,1.5[σ]3[σ]vv3[σ]管板布管区周边剪切应力τp=p0.5[σ]1.5[σ]壳体法兰应力σf'=YwsPa1.5[σ]3[σ][σ]cr3[σ][σ]cr壳程圆筒轴向应力φ[σ]3φ[σ]管板名义厚度δn计算压力pc轴向外载荷FN外力矩MN.mm公称直径dB螺栓根径d1个垫片DiDoDbD外D内LeLAhNmy(MPa)bDG b=2.53b0DG=(D外+D内)/2预紧状态下需要的最小螺栓载荷WaN操作状态下需要的最小螺栓载荷WpN所需螺栓总截面积Am实际使用螺栓总截面积Ab操作MpFD=0.785DpcNLD=LA+0.5δ1MD=FDLDN.mmFG=FpNLG=0.5(Db-DG)MG=FGLGN.mmFT=F-FDNLT=0.5(LA+d1+LG)MT=FTLTN.mm外压:Mp=FD(LD-LG)+FT(LT-LG);内压:Mp=MD+MG+MTMpN.mmMaNLG=33.9Ma=WLG=37952176.0N.mm计算力矩Mo=Mp与Ma[s]ft/[s]f中大者N.mmL=ILmin=56.0(查GB150-98表9-3)ILK=Do/DI=1.229Z=4.926Y=9.550FI=0.90449=0.46604松式法兰FL=0.00000=0.00000f=2.19408d1=hoδd1=hoδd10.2η=d10.2g=y/Tβ=δfe+1=1.52λ=Y+ητ1=W=il8.93[σ]nWτ2=p=il2.29[τ]输入法兰厚度δf=46.0mm时,法兰应力校核 fMoσH==λδ12DσH==λδDi31.30σλδDi31.30σT=-ZσR=26.61max(0.5(σH+σR),0.5(σH+σT))=计算压力pc□601011开孔补强圈强度削弱系数frr0接管材料强度削弱系数fr接管有效外伸长度h10壳体多余金属面积A1接管多余金属面积A2补强区内的焊缝面积A3补强圈面积A4A-(A1+A2+A3)结论:补强满足要求,不需另加补强。(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：□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220□,但转化气中氢气的分压远低于1.4MPa。所以20g无缝钢管符合抗腐蚀要求。□温度——20g无缝钢管的最高工作温度可达475□,温度符合要求。□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。□导热油管道的规格和保温结构的确定流量qv＝110035.3Kg/h＝0.028m3/s流速范围0.5～2.0m/s取为2.0m/s则 流速校正=1.584m/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%,热价设保温层外表面温度为30□,岩棉在使用温度下的导热系数为αs=1.163保温工程投资偿还年分摊率==计算出来的表面温度29.4□略低于最初计算导热系数是假设的表面温度30□,故δ=107mm的保温层可以满足工程要求.□甲醇原料管道的规格流量qv＝1013.479Kg/h＝0.00036m3/s一般吸水管中流速u1=1m/s,出水管中流 =21.4mm/15.96mm□脱盐水原料管道的规格流量qv＝855.123Kg/h＝0.00024m3/s计算过程同上□甲醇水混合后原料管道的规格流量qv＝1868.802Kg/h＝0.00060m3/s计算过程同上流速校正=0.974m/s□吸收液碳酸丙烯酯管道的规格流量qv＝42000Kg/h＝0.0012m3/s计算过程同上□冷却水管道的规格流量qv＝95465Kg/h＝0.027m3/s流量qv＝1868.802Kg/h＝0.043m3/s计算过程同上200□:壁厚t＝＝0.656mm300□:壁厚t＝＝0.8mm□其它管道规格尺寸选择PG0105管道规格为φ73×4PPG0107管道规格为φ89×4.5PL0109管道规格为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：公称123H45H67H8H9HHB冷却水B冷却水B冷却水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P0102泵从甲醇储槽中吸入甲醇，送入原料液储罐工艺所需正常的体积流量为：1013.479/0.807＝1255.折合程计量泵的压力：P=pgh=807×9.81×88/106=0.697MPa工艺所需正常的体积流量为：855.123/0.997＝857.折合程计量泵的压力：P=pgh=997×9.81×88/106=0.861MPa工艺所需正常的体积流量为：1868.802/0.860＝2173.折合程计量泵的压力：P=pgh=860×9.81×88/106=0.742MPa已知条件:□吸收液的输送温度25