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過 程 設 備 強 度 計 算 書 SW6-2011全 國 化 工 設 備 設 計 技 術 中 心 站 1機械與動力工程學院過程裝備與控制工程專業(yè)課程設計設計題目：生產(chǎn)能力為 800N m3/h 甲醇制氫生產(chǎn)裝置設計 設 計 人： 指導教師： 班 級： 組 號： 第一組 設計時間： 2012 年 12 月 24 日至 2013 年 1 月 18 日 過 程 設 備 強 度 計 算 書 SW6-2011全 國 化 工 設 備 設 計 技 術 中 心 站 2前 言氫氣是一種重要的工業(yè)產(chǎn)品，它廣泛用于石油、化工、建材、冶金、電子、醫(yī)藥、電力、輕工、氣象、交通等工業(yè)部門和服務部門，由于使用要求的不同，這些部門對氫氣的純度、對所含雜質(zhì)的種類和含量都有不相同的要求，特別是改革開放以來，隨著工業(yè)化的進程，大量高精產(chǎn)品的投產(chǎn)，對高純度的需求量正逐步加大，等等對制氫工藝和裝置的效率、經(jīng)濟性、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)。依據(jù)原料及工藝路線的不同，目前氫氣主要由以下幾種方法獲得：①電解水法；②氯堿工業(yè)中電解食鹽水副產(chǎn)氫氣；③烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化法；④烴類部分氧化法；⑤煤氣化和煤水蒸氣轉(zhuǎn)化法；⑥氨或甲醇催化裂解法；⑦石油煉制與石油化工過程中的各種副產(chǎn)氫；等等。其中烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化法是世界上應用最普遍的方法，但該方法適用于化肥及石油化工工業(yè)上大規(guī)模用氫的場合，工藝路線復雜，流程長，投資大。隨著精細化工的行業(yè)的發(fā)展，當其氫氣用量在 200～3000m 3/h 時，甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化制氫技術表現(xiàn)出很好的技術經(jīng)濟指標，受到許多國家的重視。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。對于中小規(guī)模的用氫場合，在沒有工業(yè)含氫尾氣的情況下，甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化及變壓吸附的制氫路線是一較好的選擇。本設計采用甲醇裂解+吸收法脫二氧化碳+變壓吸附工藝，增加吸收法的目的是為了提高氫氣的回收率，同時在需要二氧化碳時，也可以方便的得到高純度的二氧化碳。過 程 設 備 強 度 計 算 書 SW6-2011全 國 化 工 設 備 設 計 技 術 中 心 站 3目錄前 言 .2設計任務書 .4第一章 甲醇制氫工藝設計 .51.1 甲醇制氫工藝流程 51.2 物料衡算 .51.3 熱量衡算 .6第二章 反應器設計計算 .92.1 工藝計算 .92.2 結構設計 122.3.SW6 校核 16第三章 管道設計 353.1 管子選型 353.2 閥門選型 .393.3 管道法蘭選型 403.4 儀表選型 .41第四章 泵的選型 444.1 計量泵的選擇 444.2 離心泵的選型 45第五章 反應器控制方案設計 .475.1 被控參數(shù)選擇 475.2 控制參數(shù)選擇 .475.3 過程檢測儀表的選用 485.4 溫度控制系統(tǒng)流程圖及其控制系統(tǒng)方框圖 .485.5 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定 495.6 如何實現(xiàn)控制過程的具體說明 49第六章 技術經(jīng)濟評價 496.1 甲醇制氫裝置的投資估算 496.2 總成本費用估算與分析 516.3 財務評價 52參考文獻： .54過 程 設 備 強 度 計 算 書 SW6-2011全 國 化 工 設 備 設 計 技 術 中 心 站 4設計任務書一、題目：生產(chǎn)能力為 800N m3/h 甲醇制氫生產(chǎn)裝置。 二、設計參數(shù)：生產(chǎn)能為 800N m3/h 。三、計算內(nèi)容： 1、工藝計算：物料衡算和能量衡算。 2、機器選型計算。 3、設備布置設計計算。 4、管道布置設計計算。 四、圖紙清單： 1、工藝流程圖 2、反應器裝配圖3、反應器零件圖 4、管道儀表流程圖5、設備平面布置圖6、管道平面布置圖7、管道空視圖 （E0101(a)--T0101(a)，P0102(a)-- V0101(a)）8、單參數(shù)控制方案圖過 程 設 備 強 度 計 算 書 SW6-2011全 國 化 工 設 備 設 計 技 術 中 心 站 5第一章 甲醇制氫工藝設計1.1 甲醇制氫工藝流程甲醇制氫的物料流程如圖 1－2。流程包括以下步驟：甲醇與水按配比 1：1.5 進入原料液儲罐，通過計算泵進入換熱器（E0101）預熱，然后在汽化塔（T0101）汽化，在經(jīng)過換熱器(E0102) 過熱到反應溫度進入轉(zhuǎn)化器(R0101)，轉(zhuǎn)化反應生成 H2、CO 2 的以及未反應的甲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，這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)碳酸丙烯脂吸收分離 CO2，吸收飽和的吸收液進入解析塔降壓解析后循環(huán)使用，最后進入 PSA 裝置進一步脫除分離殘余的 CO2、CO 及其它雜質(zhì)，得到一定純度要求的氫氣。圖 2－1 甲醇制氫的物料流程圖及各節(jié)點物料量1.2 物料衡算1、依據(jù)甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化反應方程式:CH OH→CO↑+2H ↑ （1-1）32過 程 設 備 強 度 計 算 書 SW6-2011全 國 化 工 設 備 設 計 技 術 中 心 站 6CO+H O→CO ↑+ H ↑ （1-2）22CH OH 分解為 CO 轉(zhuǎn)化率 99%,反應溫度 280℃, 反應壓力 1.5MPa,醇水投料比 1:1.5(mol).32、投料計算量代入轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù),式(1-1)和式(1-2)變?yōu)?CH OH→0.99CO↑+ 1.98H ↑+0.01 CH OH （1-3）323CO+0.99H O→0.99CO ↑+ 1.99H +0.01CO （1-4 ）2合并式(1-3), 式 (1-4)得到:CH OH+0.981 H O→0.981 CO ↑+0.961 H ↑+0.01 CH OH+0.0099 CO↑32 23氫氣產(chǎn)量為: 800m /h=35.714 kmol/h3甲醇投料量為: 35.714/2.9601 32=386.087 kg/h?水投料量為: 386.087/32 1.5 18=325.761 kg/h3、原料液儲槽(V0101)進: 甲醇 386.087 kg/h , 水 325.761 kg/h出: 甲醇 386.087 kg/h , 水 325.761 kg/h4、換熱器 (E0101),汽化塔(T0101),過熱器(E0103)沒有物流變化.5、轉(zhuǎn)化器 (R0101)進 : 甲醇 386.087 kg/h , 水 325.761 kg/h , 總計 711.848kg/h出 : 生成 CO 386.087/32 0.9801 44 =520.305kg/h2?H 386.087/32 2.9601 2 =71.429 kg/hCO 386.087/32 0.0099 28 =3.344 kg/h剩余甲醇 386.087/32 0.01 32 =3.861kg/h剩余水 325.761-386.087/32 0.9801 18=112.909 kg/h總計 711.848 kg/h6、吸收塔和解析塔吸收塔的總壓為 1．5MPa,其中 CO 的分壓為 0.38 MPa ,操作溫度為常溫(25℃). 此時,每 m 吸收液可2 3溶解 CO 11.77 m .此數(shù)據(jù)可以在一般化工基礎數(shù)據(jù)手冊中找到。 23解吸塔操作壓力為 0.1MPa, CO 溶解度為 2.32,則此時吸收塔的吸收能力為:11.77-2.32=9.450.4MPa 壓力下 =pM/RT=0.4 44/[0.0082 (273.15+25)]=7.20kg/ m2co??3CO 體積量 V =520.305/7.20=72.265 m /h2CO3據(jù)此,所需吸收液量為 72.265 /9.45=7.647 m /h考慮吸收塔效率以及操作彈性需要,取吸收量為 7.647 m /h =22.941 m /h3?3可知系統(tǒng)壓力降至 0.1MPa 時,析出 CO 量為 72.265 m /h=520.305kg/h.2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。7、PSA 系統(tǒng)略.8、各節(jié)點的物料量綜合上面的工藝物料衡算結果,給出物料流程圖及各節(jié)點的物料量,見圖 2—1。1.3 熱量衡算1、汽化塔頂溫確定在已知汽相組成和總壓的條件下，可以根據(jù)汽液平衡關系確定汽化塔的操作溫度·甲醇過 程 設 備 強 度 計 算 書 SW6-2011全 國 化 工 設 備 設 計 技 術 中 心 站 7和水的蒸氣壓數(shù)據(jù)可以從一些化工基礎數(shù)據(jù)手冊中得到：表 1-3 列出了甲醇的蒸氣壓數(shù)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)且已知操作壓力為1.5MPa,設溫度為 T,根據(jù)汽液平衡關系有0.4p +0.6p =1.5MPa甲 醇 水初設 T=170℃ p =2.172MPa; p =0.824 MPa甲 醇 水p =1.3632圖 25)C 0.00蘭 系數(shù) ?” (按 ? h/Di ,? ”/Di ,查圖 26) 0.0003625旋轉(zhuǎn)剛度 ]2[1“h3i“fif“f ??EbK???????? 22.68 MPa材料名稱 Q345R殼 殼體法蘭厚度 ?f' 50 mm法蘭外徑 D760 mm體 法蘭寬度 2/)(fib?? 80 mm比值 si/ 0.008333法 比值 ?fi' 0.08333系數(shù) , 按 ? h/Di ,? ”/Di , 查圖 25 C' 0.00蘭 系數(shù) , 按 ? h/Di ,? ”/Di , 查圖 26 ?' 0.0004089旋轉(zhuǎn)剛度 ]'2[1s3i'fi'' ??EbKf ???????? 22.33 MPa法蘭外徑與內(nèi)徑之比 i 1.267殼體法蘭應力系數(shù) Y (按 K 查表 7-9) 8.349旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù) tff~4??0.0002578膨脹節(jié)總體軸向剛度 2Elitcr() 0 N/mm過 程 設 備 強 度 計 算 書 SW6-2011全 國 化 工 設 備 設 計 技 術 中 心 站 24管板第一彎矩系數(shù)(按 , 查 圖 27) Kf~ m10.06465系 系數(shù) ??m1~f 38.81系數(shù)(按 查圖 29) t G2 4.654換熱管束與不帶膨脹節(jié)殼體剛度之比 Q?EnaAts4.507數(shù) 換熱管束與帶膨脹節(jié)殼體剛度之比 LKexext)(?管板第二彎矩系數(shù)(按 K,Q 或 查 圖 28(a)或(b))exm2 2.833系數(shù)（帶膨脹節(jié)時 代替 Q） ex )(21GmM??0.0005461計 系數(shù) (按 K,Q 或 Qex 查圖 30) 3 0.003359法蘭力矩折減系數(shù) ?K~()f 0.07129管板邊緣力矩變化系數(shù) “ 1f???0.9474算 法蘭力矩變化系數(shù) ~ffM0.9325管 管板開孔后面積 Al = A - 0.25 n? d 2 1.404e+05 mm2板參管板布管區(qū)面積(三角形布管) St??086.(正方形布管 ) d22.572e+05 mm2數(shù) 管板布管區(qū)當量直徑 ?/4ttD572.2 mm系數(shù) ?Al/ 0.4965系 系數(shù) ??na 0.2985數(shù) 系數(shù) ???s0461.()/Q?7.055計 系數(shù)(帶膨脹節(jié)時 代替 Q) ex ??/)6.0()14.t Q???10.81算 管板布管區(qū)當量直徑與殼體內(nèi)徑之比 ?ttiD/ 0.9537管板周邊不布管區(qū)無量綱寬度 k = K(1-? t) 0.3352過 程 設 備 強 度 計 算 書 SW6-2011全 國 化 工 設 備 設 計 技 術 中 心 站 25僅有殼程壓力 Ps 作用下的危險組合工況 (Pt = 0)不計溫差應力 計溫差應力換熱管與殼程圓筒熱膨脹變形差= (t -t )- (t -t )??t0s00.0 -0.000531當量壓力組合 Pc?0.6 0.6 MPa有效壓力組合 tsaE????4.233 -25.09 MPa基本法蘭力矩系數(shù) MDmia~43??0.08501 -0.01434 管板邊緣力矩系數(shù) 1)(??0.08552 -0.01382管板邊緣剪力系數(shù) ??~3.319 -0.5365管板總彎矩系數(shù) ?122.192 -3.139系數(shù) 僅用于 時Ge1m?0KGe?30.4071 0.5831系數(shù) i當 時,按 K 和 m 查圖 31(a)實線0當 時,按 K 和 m 查圖 31（b）?0.9176 1.508系數(shù) 0 , = ,11ax()ei10, = ;11),(x1ie6.4mm b=2.53 b0 6.4mm DG= D 外 - 2b螺 栓 受 力 計 算預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷Wa Wa= π bDG y = 44196.4 N操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷Wp Wp = Fp + F = 558733.1 N所需螺栓總截面積 Am Am = max (Ap ,Aa ) = 3286.7 mm2實際使用螺栓總截面積 Ab Ab = = 8117.5214dn? mm2力 矩 計 算操FD = 0.785 pci2= 452160.0 NLD= L A+ 0.5δ 1= 44.5 mmMD= FD LD = 20121120.0 N.mm作FG = Fp = 63105.8 NLG= 0.5 ( Db - DG ) = 43.5 mmMG= FG LG = 2745135.8 N.mmMpFT = F-FD = 43184.6 NLT=0.5(LA + ? 1 + LG ) = 50.5 mmMT= FT LT = 2180833.0 N.mm外壓: M p = FD (LD - LG )+FT(LT-LG ); 內(nèi)壓: M p = MD+MG+MT Mp = 25047088.0 N.mm預緊 MaW = 1208838.4 N LG = 43.5 mm Ma=W LG = 52585136.0 N.mm計算力矩 Mo= Mp 與 Ma[? ]ft/[? ]f 中大者 Mo = 38639908.0 N.mm