南京工業(yè)大學甲醇制氫工藝設(shè)計(反應(yīng)器)

輕工、氣象、交通等工業(yè)部門和服務(wù)部門，由于使用要求的不同，這些部門對氫氣的純度、靈活性、安全都提出了更高的要求，同時也促進了新型工藝、高效率裝置的開發(fā)和投產(chǎn)。家的重視。甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化制氫具有以下特點：（1）與大規(guī)模的天然氣、輕油蒸氣轉(zhuǎn)化制氫或水煤氣制氫相比，投資省，能耗低。（2）與電解水制氫相比，單位氫氣成本較低。（3）所用原料甲醇易得，運輸、貯存方便。（4）可以做成組裝式或可移動式的裝置，操作方便，搬運靈活。制氫路線是一較好的選擇。本設(shè)計采用甲醇裂解+吸收法脫二氧化碳+變壓吸附工藝，增加的二氧化碳。 3 4 4 4 6 9 9 液儲罐，通過計算泵進入換熱器（E0101）預(yù)熱，然后在汽化塔（T0101）汽化，在經(jīng)過換醇和水蒸氣等首先與原料液換熱(E0101)冷卻，然后經(jīng)水冷器(E0103)冷凝分離水和甲醇部分水和甲醇可以進入原料液儲罐，水冷分離后的氣體進入吸收塔，經(jīng)碳酸丙烯脂吸收分CH3OH→CO↑+2H2↑（1-1）代入轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù),式(1-3)和式(1-氫氣產(chǎn)量為:2400m3/h=1沒有物流變化.pcoVpcoV=pM/RT=0.4×44/[0.0082×(273.15+25)]=7.20kg/m3據(jù)此,所需吸收液量為216.794/9.45=22.94考慮吸收塔效率以及操作彈性需要,取吸收量為22.94m3/h×3=68.82m3混合氣體中的其他組分如氫氣,CO以及微量甲醇等也可以按上述過程進行計算,在此,忽略這些組分在吸收液內(nèi)的吸收.略.在已知汽相組成和總壓的條件下，可以根據(jù)水的物性數(shù)據(jù)在很多手冊中都可以得到，這里從略。在本工藝過程中,要使甲醇水完全汽化,則其汽相分率必然是甲醇40%,水60%(mol)且已0.4p+0.6p水=1.5MPa初設(shè)T=170℃p=2.19MPa;p總=1.3704<1.5MPap總=1.51MPa兩步反應(yīng)的總反應(yīng)熱為49.66kJ/mo此熱量由導(dǎo)熱油系統(tǒng)帶來,反應(yīng)溫度為280℃,可以選用導(dǎo)熱油溫度為320℃,導(dǎo)熱油溫度cp320?=4.1868×0.68=2.85kJ/(kg·K),cp3取平均值cp=2.83甲醇和水的飽和蒸氣在過熱器中175℃過熱到280℃,此熱量由導(dǎo)熱油供給.從手冊中可導(dǎo)熱油出口溫度為:315認為汽化塔僅有潛熱變化。冊中得到，表1一5列出了甲醇和水液體的部分比定壓熱容數(shù)據(jù)。這里取各種氣體的比定壓熱容為：則管程中反應(yīng)后氣體混合物的溫度變化為：換熱器出口溫度為280-56.3=22冷凝.2,CO,H2的冷卻進出反應(yīng)器的各物料的工藝參數(shù)如表3-1所示。設(shè)計溫度水對于氫氣，其摩爾質(zhì)量為2kg·k/mol,其摩爾流量為：1對于一氧化碳，其摩爾質(zhì)量為28kg·k/mol,其摩爾流量為對于甲醇和水，由于溫度不太高（280oC壓力不太大（1.5MPa故可將其近似視為理想水的體積流量VB為：進料氣的總質(zhì)量為：mo=55.489+83.233=1067.764k轉(zhuǎn)化率xAf為：即反應(yīng)過程中消耗甲醇的物質(zhì)的量為：18.098×99%=17.917km根據(jù)有關(guān)文獻，該反應(yīng)為一級反應(yīng)，反應(yīng)動力學方程為：反應(yīng)過程的空間時間τ為：代入上式，可得空間時間：進料氣的總體積流量為：VO=55.489+83.233=138.722m3則可得所需反應(yīng)器的容積為：VR=τVO=0.0038×138.722=0.l=τu=0.0038×3600×0.反應(yīng)器內(nèi)的實際氣速為：反應(yīng)過程中的一氧化碳全部由甲醇分解而得，由化學反應(yīng)式可知，每轉(zhuǎn)化1kmol的甲一氧化碳的轉(zhuǎn)化率為：則反應(yīng)過程中所需向反應(yīng)器內(nèi)供給的熱量為：管內(nèi)側(cè)的對流給熱系數(shù)為αi=80W/（m2·OC根據(jù)表5-2所列的壁面污垢系數(shù)查得，反根據(jù)傳熱學，反應(yīng)器的傳熱系數(shù)為： d很小，故可將上式簡化為：反應(yīng)器需要的換熱面積為：F=nτdl反應(yīng)器內(nèi)氣體的體積流量為：聯(lián)立上述兩式，并將l=6m，u=0.22(m/s)，F(xiàn)=99.988(m2)VO=0.0385(m3代入，即可得所需管子的內(nèi)徑為：d=0.0210m。管方式。管程結(jié)構(gòu)設(shè)計徑nNimmm1管程結(jié)構(gòu)設(shè)計折流板形式NsnhBNbmmmmmNb=L/B-113518設(shè)計壓力：Pc=1.1pw=0.55MPa筒體材料：16MnR符合強度要求。（2）根據(jù)筒徑選用非金屬軟墊片：墊片厚度：3墊片外徑:765墊片內(nèi)根據(jù)筒體名義厚度選用乙型平焊法蘭（JB4702）法蘭材料：16MnR（1）封頭內(nèi)徑：700mm封頭材料：16MnR符合強度要求。根據(jù)筒徑選用標準橢圓形封頭直邊高：25曲邊高：200壁厚：6管長：3000根管程數(shù)：1管程氣體流速：8m進出口接管尺寸：φ60×1.6接管材法蘭類型：板式平焊法蘭（HG205934殼程數(shù)：1殼程進出口接管尺寸：φ114×2接管材法蘭類型：板式平焊法蘭（HG20593-4材料：16MnR形式板數(shù)：8厚度：6直徑：16螺紋規(guī)格：M16根數(shù)；6（7）耳式支座選用及驗算由于該吸收塔相對結(jié)構(gòu)較小，故選用結(jié)構(gòu)簡單的耳式支座。根據(jù)JB/T4732－92選用支座：JB/T4732－92，耳座jj水平地震載荷為：pe=αemogαe為地震系數(shù)，地震設(shè)計烈度為7時，αe＝0.24mo為設(shè)備總質(zhì)量經(jīng)計算該反應(yīng)器的mo＝1119kg水平地震載荷為：pe=αemog＝0.24×1119×9.8＝2631.99N水平風載荷為：pw＝1.2fiq0D0H0=1.2×1.0×550×3400×1500＝3366N偏心載荷Ge＝0N偏心距Se＝0mm其中fi為風壓高度變化系數(shù)，按設(shè)備質(zhì)心所在高度。q0為基本風壓，假設(shè)該填料塔安裝在南京地區(qū)，南京地區(qū)的q0＝550N/m2。fi風壓高度系數(shù)見參考資料。 +2(l2-s1)=867mm式中，δ2為耳式支座側(cè)板厚度；δ3為耳式支座襯板厚度。滿足支座本體允許載荷的要求。地角螺栓規(guī)格：M24螺栓材料：16MnR換熱管管孔直徑：25拉桿管孔直徑：18厚度：50外徑：860焊接接頭系數(shù)ftf焊接接頭系數(shù)f延長部分兼作法蘭固定式管板系殼程圓筒設(shè)計壓力ps。C。C。CEsmm/mm。C6殼體法蘭設(shè)計溫度下彈性模量Ef’殼程圓筒內(nèi)直徑橫截面積A=0.25pDi2管箱圓設(shè)計溫度Tt。C設(shè)計溫度下彈性模量Eh值)dh4管箱法蘭設(shè)計溫度下彈性模量Et”。C平均金屬溫度下管子材料彈性模量Etmm/mm。C管子外徑d管子壁厚dt2注：換熱管換熱管中心距S一根管子金屬橫截面積a=πδt(d-δt)管束模數(shù)Kt=Etna/LDi管子受壓失穩(wěn)當量長度lcr系數(shù)Cr=π管子穩(wěn)定許用壓應(yīng)力(r管板設(shè)計溫度tp。C設(shè)計溫度下彈性模量Ep2管板輸入厚度dn管板計算厚度d0K=焊接管箱法蘭管箱法蘭厚度δf"法蘭外徑Df基本法蘭力矩MmN×mm管程壓力操作工況下法蘭力MpN×mm法蘭寬度bf=(Df-Di)/2比值δh/Di系數(shù)C"(按dh/Di,dDi,查<<GB151-1999>>圖25)系數(shù)w”(按dh/Di,dDi,查<<GB151-1999>>圖26)殼體法蘭厚度δf'法蘭外徑Df法蘭寬度bf=(Df-Di)/2比值δs/Di比值δf'/Di系數(shù)C',按dh/Di,dDi,查<<GB151-1999>>圖25'系數(shù),按dh/Di,dDi,查<<GB151-1999>>圖26法蘭外徑與內(nèi)徑之比K=Df/Di殼體法蘭應(yīng)力系數(shù)Y(按K查<<GB150－1998>>表9-5)旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù)0N/mm系數(shù)計算~管板第一彎矩系數(shù)(按K,Kf查<<GB151-1999>>圖27)m1~系數(shù)(按KtKf查<<GB151－98>>圖29)G2換熱管束與帶膨脹節(jié)殼體剛度之比Qex=管板第二彎矩系數(shù)(按K,Q或Qex查<<GB151-1999>>圖28(a)或(b))m2系數(shù)（帶膨脹節(jié)時Qex代替Q）~~法蘭力矩折減系數(shù)ξ=Kf/(Kf+G3)~~~~"法蘭力矩變化系數(shù)ΔMf=ΔMKfKf"管板參數(shù)管板開孔后面積Al=A-0.25npd2At=nS2+Ad管板布管區(qū)當量直徑系數(shù)計算系數(shù)λ=Al/A系數(shù)β=na/Al系數(shù)Σs=0.4+0.6×(1+Q)/λ系數(shù)(帶膨脹節(jié)時Qex代替Q)Σt=0.4(1+β)+(0.6+Q)/λ管板布管區(qū)當量直徑與殼體內(nèi)徑之比pt=Dt/Di管板周邊不布管區(qū)無量綱寬度k=K(1-rt)Y=αt(tt-t0)-αs(ts-t0)PP基本法蘭力矩系數(shù)管板邊緣力矩系數(shù)M=Mm+(ΔM)M1~管板邊緣剪力系數(shù)v=ΨM當m>0時,按K和m查圖31當m<0時,按K和m查圖31（b）~~殼體法蘭力矩系數(shù)Mws=ξMm-(ΔMf)M1殼體法蘭應(yīng)力1.5[σ]3[σ][σ]cr3[σ][σ]crφ[σ]3φ[σ]Y=αt(tt-t0)-αs(ts-t0)當量壓力組合Pc=-Pt(1+β)~~管板邊緣力矩系數(shù)M=Mp~管板邊緣剪力系數(shù)v=ΨM=3mμK當m>0時,按K和m查圖31（當m<0時,按K和m查31（b)p=殼體法蘭力矩系數(shù)Mws=ξMp-M1σ=r~σrPaμ(|δ,λ(Diμ(|δ,1.5[σ]3[σ]vv3[σ]管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力τp=p0.5[σ]1.5[σ]殼體法蘭應(yīng)力σf'=YwsPa1.5[σ]3[σ][σ]cr3[σ][σ]cr殼程圓筒軸向應(yīng)力φ[σ]3φ[σ]管板名義厚度δn計算壓力pc軸向外載荷FN外力矩MN.mm公稱直徑dB螺栓根徑d1個墊片DiDoDbD外D內(nèi)LeLAhNmy(MPa)bDG b=2.53b0DG=(D外+D內(nèi))/2預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷WaN操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷WpN所需螺栓總截面積Am實際使用螺栓總截面積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外壓:Mp=FD(LD-LG)+FT(LT-LG);內(nèi)壓:Mp=MD+MG+MTMpN.mmMaNLG=33.9Ma=WLG=37952176.0N.mm計算力矩Mo=Mp與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松式法蘭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]輸入法蘭厚度δf=46.0mm時,法蘭應(yīng)力校核 fMoσH==λδ12DσH==λδDi31.30σλδDi31.30σT=-ZσR=26.61max(0.5(σH+σR),0.5(σH+σT))=計算壓力pc□601011開孔補強圈強度削弱系數(shù)frr0接管材料強度削弱系數(shù)fr接管有效外伸長度h10殼體多余金屬面積A1接管多余金屬面積A2補強區(qū)內(nèi)的焊縫面積A3補強圈面積A4A-(A1+A2+A3)結(jié)論:補強滿足要求,不需另加補強。(1)材料——綜合考慮設(shè)計溫度、壓力以及腐蝕性（包括氫腐蝕本裝置主管道選擇20g無縫鋼管，理由如下：□腐蝕性——本生產(chǎn)裝置原料甲醇、導(dǎo)熱油對材料無特殊腐蝕性；產(chǎn)品氫氣對產(chǎn)品可能產(chǎn)生氫腐蝕，但研究表明碳鋼在220□以下氫腐蝕反應(yīng)速度極慢，而且氫分壓不超過1.4MPa時，不管溫度有多高，都不會發(fā)生嚴重的氫腐蝕。本裝置中臨氫部分最高工作溫度為300□,雖然超過220□,但轉(zhuǎn)化氣中氫氣的分壓遠低于1.4MPa。所以20g無縫鋼管符合抗腐蝕要求?！鯗囟取?0g無縫鋼管的最高工作溫度可達475□,溫度符合要求?！踅?jīng)濟性——20g無縫鋼管屬于碳鋼管，投資成本和運行維護均較低。二氧化碳用于食品，其管道選用不銹鋼?！鯇?dǎo)熱油管道的規(guī)格和保溫結(jié)構(gòu)的確定流量qv＝110035.3Kg/h＝0.028m3/s流速范圍0.5～2.0m/s取為2.0m/s則 流速校正=1.584m/s保溫層計算:管道外表面溫度T0=320,環(huán)境年平均溫度Ta=20□,年平均風速為2m/s,采用巖棉管殼保溫,保溫結(jié)構(gòu)單位造價為750元/m3,貸款計息年數(shù)為5年,復(fù)利率為10%,熱價設(shè)保溫層外表面溫度為30□,巖棉在使用溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)為αs=1.163保溫工程投資償還年分攤率==計算出來的表面溫度29.4□略低于最初計算導(dǎo)熱系數(shù)是假設(shè)的表面溫度30□,故δ=107mm的保溫層可以滿足工程要求.□甲醇原料管道的規(guī)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□脫鹽水原料管道的規(guī)格流量qv＝855.123Kg/h＝0.00024m3/s計算過程同上□甲醇水混合后原料管道的規(guī)格流量qv＝1868.802Kg/h＝0.00060m3/s計算過程同上流速校正=0.974m/s□吸收液碳酸丙烯酯管道的規(guī)格流量qv＝42000Kg/h＝0.0012m3/s計算過程同上□冷卻水管道的規(guī)格流量qv＝95465Kg/h＝0.027m3/s流量qv＝1868.802Kg/h＝0.043m3/s計算過程同上200□:壁厚t＝＝0.656mm300□:壁厚t＝＝0.8mm□其它管道規(guī)格尺寸選擇PG0105管道規(guī)格為φ73×4PPG0107管道規(guī)格為φ89×4.5PL0109管道規(guī)格為類似以上管道規(guī)格的計算過程,將本工藝所有主要管道工藝參數(shù)結(jié)果匯總于下表：公稱123H45H67H8H9HHB冷卻水B冷卻水B冷卻水整個系統(tǒng)有五處需要用泵:1.原料水輸送計量泵P01012.原料甲醇輸送計量泵P0102泵從甲醇儲槽中吸入甲醇，送入原料液儲罐工藝所需正常的體積流量為：1013.479/0.807＝1255.折合程計量泵的壓力：P=pgh=807×9.81×88/106=0.697MPa工藝所需正常的體積流量為：855.123/0.997＝857.折合程計量泵的壓力：P=pgh=997×9.81×88/106=0.861MPa工藝所需正常的體積流量為：1868.802/0.860＝2173.折合程計量泵的壓力：P=pgh=860×9.81×88/106=0.742MPa已知條件:□吸收液的輸送溫度25