甲醇制氢装置的投资估算结构设计文档格式.docx

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（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。

1.1.2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+0.6p水=1.5MPa

初设T=170℃ p甲醇=2.19MPa;

p水=0.824MPa

p总=1.3704MPa<

1.5MPa

再设T=175℃ p甲醇=2.4MPA;

p水0.93MPa

p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49.66kj/mol,于是在转化器内需要共给热量为：

Q反应=337.826*0.99/32*1000*（-49.66）

=-5.190*105kj/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=2.85kj/（kg．K）,Cp300℃=2.81kj/（kg．K）

取平均值 Cp=2.83kj/（kg．K）

则导热油的用量w=Q反应/（CpΔt）=5.190*105 /（2.83*5）=3.668*104kg/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=ΣCpmΔt=（1.90*337.828+4.82*285.042）*（280-175）=2.117*105kj/h

导热油Cp=2.825kj/（kg．K）,于是其温度降为

Δt=Q/（Cpm）=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=727.2kj/kg水H=2031kj/kg

Q=337.828*727.2+2031*285.042=8.246*105kj/h

以300℃导热油Cp计算Cp=2.76kj/（kg．K）

Δt=Q/（Cpm）=2.36*106/2.76*3.668*104）=8.145℃

则导热油出口温度t2=312.958-8.145=304.812℃

导热油系统温差为ΔT=320-304.812=15.187℃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=（337.828*3.14+285.042*4.30）*（175-25）=3.430*105kj/h

管程：

取各种气体的比定压热容为：

CpCO2≈10.47kj/（kg．K）CPH2≈14.65kj/（kg．K）CPH20≈4.19kj/（kg．K）

则管程中反应后其体混合物的温度变化为：

Δt=Q/（Cp*m）=3.430*105/（10.47*455.267+14.65*62.5+4.19*98.8）=56.264℃

换热器出口温度280-56.264=223.736℃

（6） 冷凝器（E0103）

①CO2、CO、H2的冷却

Q1=ΣcpmΔt=（10.47*455.267+14.65*62.5+10.47*2.926）*（223.736-40）=1.05*106

kj/h

②压力为1.5MPa时水的冷凝热为：

H=2135kj/kg,总冷凝热Q2=H*m=2135*98.8=2.109*105kj/h

水显热变化Q3=cpmΔt=4.19*98..795*（223.736-40）=7.600*104kj/hQ=Q1+Q2+Q3=1.407*106kj/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）=1.407*106/（4.19*10）=3.359*104kg/h

第二章设备设计计算和选型——换热设备

1.1设计任务

根据给定的工艺设计条件，此设计为无相变热、冷流体间换热的管壳式换热器设计任务。

1.2总体设计

①确定结构形式。

由于介质换热温差不大，在工艺和结构上均无特殊要求，因此选用固定管板式换热器。

②合理安排流程。

安排水和甲醇的混合液体走管程，混合气体走壳程。

1.3热工计算

①原始数据

计算内容或项目 符号 单位 计算公式或来源结果 备注管程流体名称 甲醇和水混合

液

壳程流体名称 混合气体

管程进、出口的温度 Ti;

T0 ℃ 已计算 25;

175

壳程进、出口的温度 ti;

t0 ℃ 已计算 280;

223.736

管程、壳程的工作压力 pt;

ps MPa 已计算 1.5;

1.5

管程的质量流量 Wt kg/s 已计算 0．1730

（表2-1）

②物料与热量恒算

计算内容或项目 符号 单位 计算公式或来源 结果 备注换热器效率 η 取用 0．98

负荷 Q W 3.43*105

壳程的质量流量 ws kg/s 0．1730

（表2-2）

③有效平均温差

计算内容或项目 符号 单位计算公式或来源 结果 备注逆流对数平均温度 Δtlog℃ 146.918

流程型式 初步确定1-2型管壳式换热

器

1壳程-2

管程

参数

R

0．375

P

0.588

温度校正系数

Φ

查图4-2

0.95

有效平均温差

（表2-3）

ΔtM

℃

ΔtM=ΦΔtlog

141.041

④初算传热面积

计算内容或项目

符号

单位

计算公式或来源

结果

备注

初选总传热系数 K0 W/（m2．℃）参考表4-1 240

初算传热面积 A0 m2 2．815

（表2-4）

⑤换热器结构设计

计算内容或项目 符号 单位 计算公式或来源 结果 备注管换热管材料 选用碳钢无缝钢管

程换热管内径、外径

di;

d m 0.025;

0.021

结换热管管长 L m 选用9m标准管长折半 1．5

换热管根数 n 24（圆整）

构管程数 Ni 根据管内流体流速范围选定 2

管程进出口接管设尺寸

计

管程结

壳程数

换热管排列形式

Ns

1

分程隔板槽两侧正方形排列，其余正正三角形排

三角形排列 列

构

换热管中心距

S

m

S=1.25d或按标准 0.032

设

分程隔板槽两侧

中心距

Sn

按标准 0．004

管束中心排管数壳体内径

换热器长径比

实排热管根数

ncDiL/n

Di

7

0．171

L/Di 8．771

作图 36

合理

折流板形式

选定 弹弓形折流

板

折流板外直径

折流板缺口弦离

Dbh

mm

按GB151-1999 0.168

取 0.0342

折流板间距

B

取 0.171

折流板数

Nb

16

选取

（外径*壁厚）

djt*Sjt m 按接管内流体流速<

3m/s合理选取

壳程进出口接管尺寸



djs*Sjs 合理选取

（表2-5）

⑥结构设计与强度设计

1）换热流程设计：

采用壳程为单程、管程为双程的结构型式.

2）换热管及其排列方式:

采用的无缝钢管，材料为20号钢。

热管排列方式为三角形排列。

如图所示，共排列36根。

3）折流板：

采用通用的单弓形折流板，材料为Q235-B钢，板厚6mm,板数16块。

4）拉杆：

采用Q235-B,mm,共6根。

5）筒体：

材料采用16MnR钢，采用钢管，取Dn=219mm

6）封头：

采用标准椭圆形封头，材料采用16MnR钢。

取Dn=219mm采用标准封头，长径是短径的2倍，即54.75取55

筒体厚度，=1.05mm

考虑到内部压力较大，有腐蚀性等因素，取δ=4mm封头h2=25mm h1=55mm

（图2-1）

7）法兰：

甲型。

垫片种类。

非金属轻垫片，石棉橡胶板法兰材料：

板材16MnR

螺栓材料：

35

螺母材料：

Q235-B筒体法兰

选用甲型平焊法兰JB4701-92，密封面选用平密封面JB4701-92法兰PⅡ219-16M

DN=300D=430,D1=390,D2=355,D3=345,D4=345,δ=342,螺柱：

M20,16个

管程和壳程进出口接管法兰选用带颈平焊钢制管法兰

尺寸分别为：

D=140,K=100,L=18,n=4,Th=M16,C=18,B1=39,N=60,R=5,H=30,质量=2.02kg壳程：

D=185,K=145,L=18,n=4,Th=M16,C=2-,B1=78,N=104,R=6,H=32,质量=3.66

（图2-2）

8）管板：

采用固定式管板，其厚度可以按照GB151《管壳式换热器》标准进行设计,取

40mm。

9）支座：

型式：

重型

安装形式，固定式，代号F

材料：

Q235-A．F

结构特征，包角，弯制，单筋，不带垫板标记：

JB/T4712-92鞍座BV219-F

第三章机器选型

3.1计量泵的选择

往复泵是容积式泵。

在高压力小流量，输送粘度大的液体，要求精确计量即要求流量随压力变化小的情况下宜选用各种类型式的往复泵。

要求精确计量时，应用计量泵。

往复泵的流量可采用各种调节机构达到精确计量，即计量泵。

计量泵用于生产中需要精确计量，所输送介质的场合：

如注缓蚀剂，输送酸，碱等。

流量可在0-100%范围内调节，但一般应在30%-100%范围内使用，计量泵有柱塞式和隔膜式，柱塞式计量流量的精度高玉隔膜式。

J型计量泵适用于输送各种不含固体颗粒的腐蚀性和非腐蚀性介质。

甲醇制氢工艺需要精确的投料比，故应选用计量泵。

现工艺设计要求甲醇的投料量为

337.826kg/h,水为285.041kg/h,现按工艺要求分别选择一台甲醇计量泵，一台纯水计量泵，一台原料计量泵。

已知条件：

1、甲醇正常投料量为337.826kg/h,温度为25℃,密度为0.807kg/h，操作情况为泵从甲醇储槽中吸入甲醇，送入与原料液储槽，与水混合。

2、水的正常投料量为285.041kg/h，温度为25℃,密度为0.997kg/h,操作情况为泵从纯水储槽中吸入水，送入原料液储槽，与甲醇混合。

3、 原料液储槽出来的量为甲醇337.826kg/h,水285.041kg/h,温度为25℃，操作情况为泵从原料液储槽中吸入原料液，送入换热器。

3.11甲醇计量泵选型

工艺所需正常的体积流量为：

337.826/0.807=418.61L/h泵的流量Q=1.05*418.62=439.55L/h

工艺估算所需扬程30M,泵的扬程H=1.1*30=33M。

折合成计量泵的压力（泵的升压）P=ρHg=33*807*8.81/106=0.261Mpa

泵的选型，查文献一，JZ-500/0.63型计量泵的流量为500L/h,压力为0.63Mpa,转速为

102r/min,进出口管径为15mm,电机功率为1.1KW,满足需要。

3.1.2纯水计量泵的选型

285.041/0.997=285.90L/h泵的流量Q=1.05*285.90=315.20L/h.

工艺估算所需扬程30M,泵的扬程：

H=1.1*30=33M

折合成泵的压力：

P=Hρg=33*997*9.81/106=0.323Mpa

泵的选型：

查文献一，JZ-400/0.8型计量泵的流量为400L/h,压力为0.8Mpa,转速为

126r/min,进出口管径为15mm,电机功率为1.1KW,满足要求。

3.1.3原料计量泵的选型

原料液密度：

ρ=807*1/（1+1.5）+997*1.5/（1+1.5）=921kg/m3

（285.041+337.826）/（0.921）=622.867/0.921=676.29L/h泵的流量Q=1.05*676.29=710.10L/h

工艺估算所需的扬程80M,泵的扬程H=1.1*80=88M

折合成泵的压力P=ρHg=88*921*9.81/106=0.795MPa

泵的选型查文献一，JD-1000/1.3型计量泵的流量为1000L/h,压力为1.3MPa,转速为

115r/min,电机功率为2.2KW,满足要求。

3.2离心泵的选型

3.2.1吸收剂循环泵

碳酸丙烯酯吸收剂的用量为20.07m3/h,温度为40℃,密度为1100kg/m3,由吸收塔出口出来经泵送到吸收塔，选择离心泵作为吸收剂的输送泵。

工艺所需正常的体积流量为:

20.07m3/h。

泵的流量Q=1.05*20.07=21.07m3/h

工艺估算所需的扬程30M

泵的扬程H=1.1*30=33M

查文献一，选用B型单级离心泵，BJ（B）25-40型离心泵，流量为25m3/h,扬程为40m,转速为2950r/min,电机功率5.5KW,满足要求。

3.2.2冷却水泵。

冷凝水为循环水，采用中温型冷水塔,温差ΔT=10℃,用水量3.19*104kg/h,

温度为常温25℃，密度为997kg/m3,在冷凝器中进行换热，采用B型单级离心泵。

工艺上所需正常体积流量为3.19*104/997=32m3/h

泵的流量：

Q=1.05*32=33.6m3/h工艺估算所需的扬程30M

查文献一，选用B型单级离心泵BJ（B）50-40型离心泵,流量50m3/h，扬程

42m,转速2950r/min,电机功率10KW,满足要求。

第四章 设备布置图设计

4.1设备布置方案

本次设备布置方案，采用设备在室外布置，具体设备布置方案和尺寸清参加设备布置图，比例为1:

100。

4.2主要设备的尺寸

代号

名称

高度mm

直径mm

V0101

甲醇储罐

1200

2000

V0102

纯水储罐

V0103

原料液储罐

1800

T0101

气化塔

6600

800（400）

T0102

吸收塔

2000（500）

T0103

解析塔

R0101

转化器

5505（长度）

500

E0101

预热器

3574

219

E0102

过热器

E0103

冷凝器

计量泵

流量L/h

压力MPa

转速r/min

电机功率KW

甲醇计量泵

JZ-500/0.63

0.63

102

1.1

纯水计量泵

JZ-400/0.8

400

0.8

126

原料液计量泵

JD-1000/1.3

1000

1.3

115

2.2

往复泵

电机功率

吸收剂循环泵

BJ（B）25-40

25

40

2950

5.5

冷却水循环泵

BJ（B）50-40

50

42

10

（表4-1）

第五章管道布置设计

5．1管子选型（确定几种主要管道尺寸的方法如下）

5.11脱盐水管径确定

脱盐水流量为285.04kg/h,密度为997kg/m3,流速取2m/s

由V=/4*d2u得d===7.11mm

根据标准选用DN1.5无缝钢管，壁厚取为1.5mm

5.1.2走甲醇管的管径确定

甲醇流量为337.826kg/h,密度为807kg/m3,流速取为2m/s

则d===8.61mm

根据标准选用DN15无缝钢管，壁厚取1.5MM

5.1.3原料输送管

原料液用量为622.867kg/h,密度为921kg/m3,流速取为2m/s

则d==10.94mm

根据标准选用DN15无缝钢管，壁厚度为2.5mm

5.1.4进入吸收塔混合气体所需管径尺寸确定

混合气体质量为520.693kg/h,密度0.557kg/m3,流速35m/s

则d==97.2mm

根据标准选用DN100无缝钢管，壁厚度为4mm

5.1.5吸收液管子尺寸

吸收液量为20.073m3/h,密度为110kg/m3,流速2.5m/s

则d==18.3mm

根据标准选用DN20无缝钢管，壁厚度为3mm

5.1.6冷却水管子尺寸

冷却水为3.19*104kg/h,密度为997kg/m3,流速2m/s

则d==75mm

根据标准选DN8-无缝钢管，壁厚为3mm

5.2主要管道工艺参数汇总一览表

序号

管道编号

管内介质

设计压力MPa

设计温度℃

管子规格

材料

DN0101-20L1B

脱盐水

0.3

20

2

DN0102-20L1B

3

PL0101-15L1B

甲醇

4

PL0102-15L1B

5

PL0103-15L1B

原料液

6

PL0104-15L1B

1．6

PL0105-15L1B

1.6

8

PG0101-100N1B

原料气

9

PG0102-100N1B

280

PG0103-100N1B

11

PG0104-100N1B

225

12

PG0105-100N1B

13

H0101-100N1B

氢气

14

PL0106-20N1B

碳酸丙烯

酯

1.65

15

PL0107-20N1B

PL0108-20N1B

17

PG0106-80N1B

食品二氧

化碳

0．4

0Cr18Ni9Ti