甲醇制氫

甲醇蒸汽轉(zhuǎn)化制氫201*年11月

技術(shù)

工藝流程簡(jiǎn)述

圖1.所示是該技術(shù)的工藝流程簡(jiǎn)圖。

水及甲醇按一定比例在進(jìn)料罐中混合，然后經(jīng)進(jìn)料泵增壓至所需壓力后進(jìn)入換熱器，經(jīng)與反應(yīng)產(chǎn)物換熱后進(jìn)入汽化器，接著進(jìn)入反應(yīng)器。在反應(yīng)器中發(fā)生下列反應(yīng)：

CH3OHCO＋2H2-90.8kJ/mol（1）CO＋H2OCO2＋H2＋43.5kJ/mol（2）

整個(gè)的反應(yīng)過程是吸熱的。反應(yīng)器及汽化器所需要的熱量由循環(huán)的熱油提供。從反應(yīng)器出來的反應(yīng)產(chǎn)物在換熱器中與反應(yīng)進(jìn)料換熱后，再經(jīng)冷卻器冷卻后進(jìn)入水洗塔。水洗后的物料進(jìn)入變壓吸附分離裝置（PSA）。經(jīng)分離后得到產(chǎn)品氫氣，尾氣放空或回收處理。產(chǎn)品氫氣的規(guī)格為：

H2≥99.99%（vol%）

CO＋CO2≯0.893mol/m3(20ppm)

熱媒產(chǎn)品氫氣甲醇

213熱媒687910尾氣脫鹽水

圖1.工藝流程圖

451－進(jìn)料罐;2－汽化器;3－換熱器;4,5－進(jìn)料泵;6－反應(yīng)器;7－冷卻器;8－分液罐；9－水洗塔;10－變壓吸附分離裝置。

技術(shù)特點(diǎn)

(1)與大規(guī)模的天然氣、輕油蒸汽轉(zhuǎn)化制氫或水煤氣制氫相比，投資省，能耗低。眾所周知，由于上述制氫工藝，須在800℃以上的高溫下進(jìn)行，轉(zhuǎn)化爐等設(shè)備需要特殊材質(zhì)。同時(shí)需綜合考慮能量的平衡及利用，故不適用于小規(guī)模制氫。而甲醇蒸汽轉(zhuǎn)化制氫由于反應(yīng)溫度低（260℃～280℃），工藝條件緩和，燃料消耗也低。與同等規(guī)模的天然氣或輕油轉(zhuǎn)化制氫裝置相比，甲醇蒸汽轉(zhuǎn)化制氫的能耗約是前者的50%。

(2)與電解水制氫相比，單位氫氣成本較低。電解水制氫（規(guī)模一般小于200Nm３/h）是比較成熟的制氫方法，但由于它的電耗高（約5～8度/Nm３H2）等因素的影響，其單位氫氣成本較高。

(3)所用的原料甲醇易得，運(yùn)輸，貯存方便。而且由于所用的原料甲醇純度高，不需要再進(jìn)行凈化處理，反應(yīng)條件溫和，流程簡(jiǎn)單，故易于操作。

甲醇蒸汽轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)使用專門開發(fā)的雙功能催化劑，使流程更加簡(jiǎn)化，并節(jié)省了能量，消除了反應(yīng)器的熱點(diǎn)問題。裝置的主要設(shè)施露天建設(shè)，占地面積較小，可以節(jié)約建設(shè)投資，使生產(chǎn)的安全性得到更好的保證。

原料及公用工程消耗

甲醇0.58～0.63kg/Nm

3

H2(受產(chǎn)品氫氣純度影響)

脫鹽水0.32～0.35kg/Nm3H2

冷卻水32～50kg/Nm3H2(受環(huán)境影響)

電～0.08Kwh/Nm3H2

燃油(輕柴)～0.045kg/Nm3H2

主要的工藝設(shè)備

表

1.為主要的工藝設(shè)備一覽表。

表1.主要工藝設(shè)備一覽表

數(shù)量４臺(tái)（開、備）

１套１套１臺(tái)１臺(tái)３臺(tái)１臺(tái)１臺(tái)１臺(tái)

進(jìn)料泵熱媒爐變壓吸附分離裝置分解變換反應(yīng)器甲醇水洗塔換熱器進(jìn)料罐原料水罐分液罐

序號(hào)１２３４５６７８９

名稱

雙功能催化劑

甲醇蒸汽轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是采用了專門開發(fā)的雙功能甲醇蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑。它同時(shí)具有良好的甲醇蒸汽轉(zhuǎn)化和一氧化碳變換功能。表2是催化劑的物理特性。

由于催化劑的雙功能特性，使甲醇分解反應(yīng)（1）（吸熱反應(yīng)）和一氧化碳變換反應(yīng)（2）（放熱反應(yīng)）偶合在一起，在一種催化劑床層上同時(shí)進(jìn)行其總反應(yīng)為：

CH3OH＋H2OCO2＋3H2-47.3KJ/mol（3）

這種偶合的催化反應(yīng)效果不僅充分的利用了反應(yīng)熱節(jié)約了能量，簡(jiǎn)化了流程。同時(shí)在反應(yīng)器中甲醇分解產(chǎn)生的CO立即與H2O發(fā)生變換反應(yīng)，從而保持了一氧化碳低濃度，也促進(jìn)了甲醇的分解。

表2催化劑HZ01物理特性

序號(hào)12345678

項(xiàng)目

外觀

尺寸/mm平均側(cè)壓強(qiáng)度/N/顆比表面積/m2/g比孔容/ml/g平均孔半徑10/m堆積密度/kg/l使用溫度/℃

10

指標(biāo)黑色圓柱顆粒5×5.6～6.4

6541.350.21251351.4～1.6260～300

圖2.表示模擬計(jì)算的反應(yīng)器床層軸向不同位置的甲醇、CO2、CO、H2O和H2的濃度分布。從中可以看出，使用雙功能催化劑HZ01從反應(yīng)器進(jìn)口到出口的催化劑床層上，甲醇和水的濃度逐漸降低，而H2和CO2濃度逐漸升高；但CO始終保持較低濃度�？梢�，雙功能催化劑HZ01對(duì)甲醇分解和CO變換均具

床層高度L；cm有良好的性能。

圖2反應(yīng)器催化劑床層軸向氣體濃度分布

1－H2－HO3－CHOH4－CO5－CO

2232

單位氫氣生產(chǎn)成本估算

表3.是不同規(guī)模的甲醇蒸汽轉(zhuǎn)化制氫裝置單位氫氣成本

表3單位氫氣成本估算*

裝置規(guī)模單位氫氣成本

序號(hào)

（Nm3/H）（元/Nm3.H2）

1201*.5326001.33310001.174201*1.14

530001.11

640001.10

*甲醇價(jià)格按201*元/噸;公用工程、人員工資按石化行業(yè)的平均水平計(jì)算。

擴(kuò)展閱讀：甲醇制氫工藝設(shè)計(jì)

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(wù)部門，由于使用要求的不同，這些部門對(duì)氫氣的純度、對(duì)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(jìn)程，大量高精產(chǎn)品的投產(chǎn)，對(duì)高純度的需求量正逐步加大，等等對(duì)制氫工藝和裝置的效率、經(jīng)濟(jì)性、靈活性、安全都提出了更高的要求，同時(shí)也促進(jìn)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(yīng)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(chǎng)合，工藝路線復(fù)雜，流程長(zhǎng)，投資大。隨著精細(xì)化工的行業(yè)的發(fā)展，當(dāng)其氫氣用量在200～3000m3/h時(shí)，甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)表現(xiàn)出很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，受到許多國(guó)家的重視。甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化制氫具有以下特點(diǎn)：

（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(yùn)輸、貯存方便。

（4）可以做成組裝式或可移動(dòng)式的裝置，操作方便，搬運(yùn)靈活。

對(duì)于中小規(guī)模的用氫場(chǎng)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(shè)計(jì)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(shí)在需要二氧化碳時(shí)，也可以方便的得到高純度的二氧化碳。

目錄

1．設(shè)計(jì)任務(wù)書………………………………32．甲醇制氫工藝設(shè)計(jì)………………………4

2.1甲醇制氫工藝流程………………………………42.2物料衡算…………………………………………2.3熱量衡算…………………………………………

3．反應(yīng)器設(shè)計(jì)……………………………….3.1工藝計(jì)算…………………………………………3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………....

4．管道設(shè)計(jì)………………………………………....…5．自控設(shè)計(jì)………………………………………....…6．技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、環(huán)境評(píng)價(jià)………………………7．結(jié)束語………………………………………....……8．致謝………………………………………....………9．參考文獻(xiàn)………………………………………....…附錄：1.反應(yīng)器裝配圖，零件圖

2.管道平面布置圖3.設(shè)備平面布置圖4.管道儀表流程圖5.管道空視圖6.單參數(shù)控制方案圖

469

913

1、設(shè)計(jì)任務(wù)書

2、甲醇制氫工藝設(shè)計(jì)

2.1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(jìn)入原料液儲(chǔ)罐，通過計(jì)算泵進(jìn)入換熱器（E0101）預(yù)熱，然后在汽化塔（T0101）汽化，在經(jīng)過換熱器(E0102)過熱到反應(yīng)溫度進(jìn)入轉(zhuǎn)化器(R0101)，轉(zhuǎn)化反應(yīng)生成H2、CO2的以及未反應(yīng)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(jìn)入原料液儲(chǔ)罐，水冷分離后的氣體進(jìn)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(jìn)入解析塔降壓解析后循環(huán)使用，最后進(jìn)入PSA裝置進(jìn)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1－2甲醇制氫的物料流程圖及各節(jié)點(diǎn)物料量

2.2物料衡算

1、依據(jù)

甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)方程式:

CH3OH→CO↑+2H2↑（1-1）CO+H2O→CO2↑+H2↑（1-2）CH3OH分解為CO轉(zhuǎn)化率99%,反應(yīng)溫度280℃,反應(yīng)壓力1.5MPa,醇水投料比1:1.5(mol).2、投料計(jì)算量

代入轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù),式(1-3)和式(1-4)變?yōu)?

CH3OH→0.99CO↑+1.98H2↑+0.01CH3OHCO+0.99H2O→0.99CO2↑+1.99H2+0.01CO合并式(1-5),式(1-6)得到:

CH3OH+0.981H2O→0.981CO2↑+0.961H2↑+0.01CH3OH+0.0099CO↑氫氣產(chǎn)量為:1200m/h=53.571kmol/h

甲醇投料量為:53.571/2.960132=579.126kg/h水投料量為:579.126/321.518=488.638kg/h3、原料液儲(chǔ)槽(V0101)

進(jìn):甲醇579.126kg/h,水488.638kg/h出:甲醇579.126kg/h,水488.638kg/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(jìn):甲醇579.126kg/h,水488.638kg/h,總計(jì)1067.764kg/h出:生成CO2579.126/320.980144=780.452kg/hH2579.126/322.96012=107.142kg/hCO579.126/320.009928=5.017kg/h剩余甲醇579.126/320.0132=5.791kg/h剩余水488.638-579.126/320.980118=169.362kg/h總計(jì)1067.764kg/h6、吸收塔和解析塔

吸收塔的總壓為1．5MPa,其中CO2的分壓為0.38MPa,操作溫度為常溫(25℃).此時(shí),每m吸收液可溶解CO211.77m.此數(shù)據(jù)可以在一般化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到，二氯化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度數(shù)據(jù)見表1一l及表12。

解吸塔操作壓力為0.1MPa,CO2溶解度為2.32,則此時(shí)吸收塔的吸收能力為:11.77-2.32=9.45

0.4MPa壓力下co2=pM/RT=0.444/[0.0082(273.15+25)]=7.20kg/mCO2體積量VCO2=780.452/7.20=108.396m/h據(jù)此,所需吸收液量為108.396/9.45=11.47m/h

3333考慮吸收塔效率以及操作彈性需要,取吸收量為11.47m/h3=34.41m/h可知系統(tǒng)壓力降至0.1MPa時(shí),析出CO2量為108.396m/h=780.451kg/h.

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(jìn)行計(jì)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(diǎn)的物料量

綜合上面的工藝物料衡算結(jié)果,給出物料流程圖及各節(jié)點(diǎn)的物料量,見圖1一2.

3333.3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(guān)系確定汽化塔的操作溫度甲醇和水的蒸氣壓數(shù)據(jù)可以從一些化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊(cè)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(cè)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(shè)溫度為T,根據(jù)汽液平衡關(guān)系有0.4p甲醇+0.6p水=1.5MPa

初設(shè)T=170℃p甲醇=2.19MPa;p水=0.824MPap總=1.37043、過熱器(E0102)

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(cè)中可以方便地得到甲醇和水蒸氣的部分比定壓熱容數(shù)據(jù),見表1-4.氣體升溫所需熱量為:

Q=cpmt=(1.90579.126+4.82488.638)(280-175)=3.6310kJ/h導(dǎo)熱油cp=2.826kJ/(kgK),于是其溫降為:

t=Q/(cPm)=3.6310/(2.82662898)=2.04℃導(dǎo)熱油出口溫度為:315-2.0=313.0℃4、汽化塔（TO101)

認(rèn)為汽化塔僅有潛熱變化。

175℃甲醇H=727.2kJ/kg水H=203IkJ/kgQ=579.126727.2+2031488.638=1.4110kJ/h

以300℃導(dǎo)熱油cp計(jì)算cp=2.76kJ/(kgK)

655t=Q/(cPm)=1.41106/(2.7662898)=8.12℃

則導(dǎo)熱油出口溫度t2=313.0-8.1=304.9℃

導(dǎo)熱油系統(tǒng)溫差為T=320-304.9=15.1℃基本合適.5、換熱器（EO101)

殼程：甲醇和水液體混合物由常溫（25℃）升至175℃，其比熱容數(shù)據(jù)也可以從手冊(cè)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)。液體混合物升溫所需熱量

Q=cpmt=(579.1263.14+488.6384.30)(175-25)=5.8810kJ/h

管程：沒有相變化，同時(shí)一般氣體在一定的溫度范圍內(nèi)，熱容變化不大，以恒定值計(jì)算，這里取各種氣體的比定壓熱容為：cpco210.47kJ/(kgK)cpH214.65kJ/(kgK)cpco4.19kJ/(kgK)

則管程中反應(yīng)后氣體混合物的溫度變化為：

5t=Q/(cPm)=5.88105/(10.47780.452+14.65107.142+4.19169.362)=56.3℃

換熱器出口溫度為280-56.3=223.7℃6、冷凝器（EO103)

在E0103中包含兩方面的變化：①CO2,CO,H2的冷卻以及②CH3OH,H2O的冷卻和冷凝.

①CO2,CO,H2的冷卻Q=c

pmt=(10.47780.452+14.65107.142+4.195.017)

(223.7-40)=1.79106kJ/h

②CH3OH的量很小，在此其冷凝和冷卻忽略不計(jì)。壓力為1.5MPa時(shí)水的冷凝熱為：H=2135KJ/kg,總冷凝熱

Q2=Hm=2135169.362=3.6210kJ/h

55水顯熱變化Q3=cpmt=4.19169.362(223.7-40)=1.3010kJ/h

Q=Q1+Q2+Q3=2.2810kJ/h

冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，采用中溫型涼水塔，則溫差△T=10℃

6用水量w=Q/(cpt)=2.2810/(4.1910)=54415kg/

3、反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1工藝計(jì)算

已知甲醇制氫轉(zhuǎn)化工藝的基本反應(yīng)為：CH3OH+H2O=CO2+3H2。該反應(yīng)在管式反應(yīng)器進(jìn)行，進(jìn)出反應(yīng)器的各物料的工藝參數(shù)如表3-1所示。物流名稱管程甲醇水進(jìn)口/(kg/h)579.126488.638出口/(kg/h)5.791169.362780.4525.017107.14262898表3-1反應(yīng)器的物流表

（1）計(jì)算反應(yīng)物的流量

對(duì)于甲醇，其摩爾質(zhì)量為_32kgk/mol，則其摩爾流量為：579.126/32=18.098kmol/h

對(duì)于水，其摩爾質(zhì)量為18kgk/mol，其摩爾流量為：488.638/18=27.147kmol/h

對(duì)于氫氣，其摩爾質(zhì)量為2kgk/mol,其摩爾流量為：107.142/2=53.571kmol/h

對(duì)于一氧化碳，其摩爾質(zhì)量為28kgk/mol,其摩爾流量為：5.017/28=0.179kmol/h

進(jìn)料氣中甲醇的摩爾分率yA為：

yA=

3200.5設(shè)計(jì)溫度/oC280壓力/MPa1.5殼程/(kg/h)進(jìn)出口/(kg/h)設(shè)計(jì)溫度/oC壓力/MPa二氧化碳一氧化碳?xì)錃鈱?dǎo)熱油18.0980.4

18.09827.147對(duì)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氣體考慮。有理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT，可分別計(jì)算出進(jìn)料氣中甲醇和水的體積流量：

甲醇的體積流量VA為：

VA=

水的體積流量VB為：

VB=

進(jìn)料氣的總質(zhì)量為：

mo=55.489+83.233=1067.764kg/h

（2）計(jì)算反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率

進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)甲醇的流量為579.126kg/h，出反應(yīng)器時(shí)甲醇的流量為5.791kg/h，則甲醇的轉(zhuǎn)化率xAf為：

18.098*8314.3*(273.15280)3

55.489m/h61.5*1027.147*8314.3*(273.15280)83.233m3/h61.5*xAf=

579.1265.791*100%99%

579.126即反應(yīng)過程中消耗甲醇的物質(zhì)的量為：18.098×99%=17.917kmol/h

（3）計(jì)算反應(yīng)體系的膨脹因子由體系的化學(xué)反應(yīng)方程式可知，反應(yīng)過程中氣體的總物質(zhì)的量發(fā)生了變化，可求出膨脹因子δA。對(duì)于甲醇有：

δA=

31112

1（4）計(jì)算空間時(shí)間

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，該反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為：

rA=kpA

68600k=5.5×10eRT-4

CA=CAO

上式兩邊同乘以RT，則得：

1xA

1δAyAxApA=CAORT

反應(yīng)過程的空間時(shí)間τ為：

τ=CAO∫0Afx1xA

1δAyAxAdxArA1xA]

1δAyAxA=CAO∫0AfdxA/[kCAORT

x=

1x1δAyAxA∫0AfdxA

kRT1xA68600將k=5.5×10eRTm3/(kmolh)，R=8314.3kj(kmolT=553.15K，δA=2，yA=0.4，K)，

-4

代入上式，可得空間時(shí)間：

τ=0.0038h

（5）計(jì)算所需反應(yīng)器的容積

VR=τVO

進(jìn)料氣的總體積流量為：

VO=55.489+83.233=138.722m/h=0.0385m/s則可得所需反應(yīng)器的容積為：

VR=τVO=0.0038×138.722=0.527m

333

（6）計(jì)算管長(zhǎng)由文獻(xiàn)可知，氣體在反應(yīng)器內(nèi)的空塔流速為0.1m/s，考慮催化劑填層的空隙率對(duì)氣體空塔速度的影響，取流動(dòng)速度為μ=0.2m/s，則反應(yīng)管的長(zhǎng)度為：

l=τu=0.0038×3600×0.2=2.736m

根據(jù)GB151推薦的換熱管長(zhǎng)度，取管長(zhǎng)l=3m。反應(yīng)器內(nèi)的實(shí)際氣速為：

u=

3l0.22m/s=

τ0.0038*3600（7）計(jì)算反應(yīng)熱

甲醇制氫的反應(yīng)實(shí)際為兩個(gè)反應(yīng)的疊合，即

CH3OH=CO+2H2-90.8kj/molCO+H2O=CO2+H2+43.5kj/mol

反應(yīng)過程中的一氧化碳全部由甲醇分解而得，由化學(xué)反應(yīng)式可知，每轉(zhuǎn)化1kmol的甲醇就可生成1kmol的一氧化碳，則反應(yīng)過程中產(chǎn)生的一氧化碳的物質(zhì)的量為17.917kmol/h。反應(yīng)器出口處的一氧化碳的物質(zhì)的量為0.179kmol/h，轉(zhuǎn)化的一氧化碳的物質(zhì)的量為：

17.917-0.179=17.738kmol/h

一氧化碳的轉(zhuǎn)化率為：

xCO=

17.738*100%99%

17.91733則反應(yīng)過程中所需向反應(yīng)器內(nèi)供給的熱量為：

Q=90.8×10×17.917-43.5×10×17.738=855.261×10kJ/h

（8）確定所需的換熱面積

假定選用的管子內(nèi)徑為d，壁厚為t，則其外徑為d+2t，管子數(shù)量為n根。

反應(yīng)過程中所需的熱量由導(dǎo)熱油供給，反應(yīng)器同時(shí)作為換熱器使用，根據(jù)GB151，320oC

OO

時(shí)鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為λ=44.9W/（mC），管外油側(cè)的對(duì)流給熱系數(shù)為αo=300W/（m2C），管內(nèi)側(cè)的對(duì)流給熱系數(shù)為αi=80W/（m2OC），根據(jù)表5-2所列的壁面污垢系數(shù)查得，反應(yīng)管內(nèi)、外側(cè)的污垢系數(shù)分別為0.0002m2OC/W和0.0008m2OC/W總污垢系數(shù)為Rf=0.0002+0.0008=0.001m2OC/W根據(jù)傳熱學(xué)，反應(yīng)器的傳熱系數(shù)為：

K=1/（

由于

31d2t1t+++Rf）

αidαoλd2t的值接近于1，對(duì)K帶來的誤差小于1%；鋼管的傳熱很快，對(duì)K的影響也d很小，故可將上式簡(jiǎn)化為：

K=1/（

1112OO

59.4W/++Rf）=（m2C）=213.84kJ/(hmC)

11αiαo0.00130080由于反應(yīng)器所需的換熱面積為：

Q855.261*103F==99.988m2KΔt213.84*(320280)（9）計(jì)算管子的內(nèi)徑

反應(yīng)器需要的換熱面積為：F=nπdl反應(yīng)器內(nèi)氣體的體積流量為：πd2VO=nu

4聯(lián)立上述兩式，并將l=6m，u=0.22(m/s)，F(xiàn)=99.988(m)VO=0.0385(m/s)代入，即可得所需管子的內(nèi)徑為：d=0.0210m。根據(jù)計(jì)算所得的管子內(nèi)徑，按前述換熱設(shè)備設(shè)計(jì)選擇合適的管子型號(hào)和所需的管數(shù)及布管方式。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

23計(jì)算內(nèi)容或項(xiàng)目換熱管材料換熱管內(nèi)徑、外管徑程換熱管管長(zhǎng)結(jié)換熱管根數(shù)構(gòu)設(shè)計(jì)管程數(shù)管程進(jìn)出口接管尺寸(外徑*壁厚)管程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)殼程數(shù)換熱管排列形式換熱管中心距分程隔板槽兩側(cè)中心距管束中心排管數(shù)符號(hào)di;dLn單位mm計(jì)算公式或來源選用碳鋼無縫鋼管選用3m標(biāo)準(zhǔn)管長(zhǎng)結(jié)果Φ25×20.021;0.0253.0325(圓整)備注nNidjt*SjtmAodL99.9880.0253根據(jù)管內(nèi)流體流速范圍選定按接管內(nèi)流體流速合理選取1Φ60×1.6NsSSnncmnc1.1正三角形排列S=1.25d或按標(biāo)準(zhǔn)按標(biāo)準(zhǔn)1正三角形排列0.032211.1331（外加六根n殼體內(nèi)徑換熱器長(zhǎng)徑比實(shí)排熱管根數(shù)折流板形式折流板外直徑折流板缺口弦離折流板間距折流板數(shù)殼程進(jìn)出口接管尺寸DiL/DinDbhBNbdjs*Sjsmmmm拉桿）Di=S(Nc-1)+(1~2)dL/Di作圖選定按GB151-1999取h=0.20Di取B=(0.2～1)DiNb=L/B-1合理選取0．74.28合理351單弓形折流板0.6750.140.338Φ114×2選取3.2外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照GB150-1998《鋼制壓力容器》進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。1、筒體

(1)筒體內(nèi)徑:700mm

設(shè)計(jì)壓力：Pc=1.1pw=0.55MPa設(shè)計(jì)溫度取350C筒體材料：16MnR焊接接頭系數(shù)Φ=0.8鋼板厚度負(fù)偏差C1=0,腐蝕裕量C2=1.0mm,厚度附加量C=C1+C2=1.0mm.筒體的計(jì)算厚度計(jì)算

δ=2[]tP=cPcDi0.55*7001.8mm

2*134*10.55考慮厚度附加量并圓整至鋼板厚度系列，得材料名義厚度n=4mm.取n6mm強(qiáng)度校核

有效厚度e=n-C1-C2=5mm

Pc(Die)0.55*(700==2et

5)2*538.775MPa符合強(qiáng)度要求。

根據(jù)筒徑選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭直邊高：25曲邊高：200壁厚：67、換熱管（GB151-1999）管子材料：16MnR

根據(jù)上節(jié)中計(jì)算的管子內(nèi)徑選用尺寸：υ25×2管長(zhǎng)：3000根數(shù)：345實(shí)排根數(shù)：351（外加6根拉桿）排列形式：正三角形中心距：32管束中心排管數(shù)：21長(zhǎng)徑比：4.288、管程數(shù)據(jù)

管程數(shù)：1管程氣體流速：1m/s進(jìn)出口接管尺寸：υ60×1.6接管材料：16Mn

法蘭類型：板式平焊法蘭（HG20593-97）法蘭材料：20R

DN法蘭外徑中心孔直徑法蘭厚度法蘭內(nèi)徑螺栓孔直徑螺栓孔數(shù)螺紋規(guī)格501401101659144M12表3-3管程法蘭數(shù)據(jù)9、殼程數(shù)據(jù)

殼程數(shù)：1殼程液體流速：1.2m/s進(jìn)出口接管尺寸：υ114×2接管材料：16Mn

法蘭類型：板式平焊法蘭（HG20593-97）法蘭材料：16MnR

DN法蘭外徑中心孔直徑法蘭厚度法蘭內(nèi)徑螺栓孔直徑螺栓孔數(shù)螺紋規(guī)格10021017018116184M16表3-4殼程法蘭數(shù)據(jù)12、折流板（GB151-1999）

材料：16MnR形式：?jiǎn)喂�形外直徑�?95.5管孔直徑：25.4缺口弦高：140間距：330板數(shù)：8厚度：613、拉桿（GB151-1999）

直徑：16螺紋規(guī)格：M16根數(shù)；614、耳座（JB/T4725-92）（7）耳式支座選用及驗(yàn)算

由于該吸收塔相對(duì)結(jié)構(gòu)較小，故選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的耳式支座。

根據(jù)JB/T4732－92選用支座：JB/T4732－92，耳座A3，其允許載荷[Q]=30Kn,適用公徑DN700～1400，支座處許用彎矩[Mj]=8.35kN*m。支座材料Q235－A*F。

1)支座承受的實(shí)際載荷計(jì)算水平地震載荷為：pe＝emog

e為地震系數(shù)，地震設(shè)計(jì)烈度為7時(shí)，e＝0.24mo為設(shè)備總質(zhì)量經(jīng)計(jì)算該反應(yīng)器的mo＝1119kg

水平地震載荷為：pe＝emog＝0.24×1119×9.8＝2631.99N

水平風(fēng)載荷為：pw＝1.2fiq0D0H01.2×1.0×550×3400×1500＝3366N偏心載荷Ge＝0N偏心距Se＝0mm

其中fi為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按設(shè)備質(zhì)心所在高度。q0為基本風(fēng)壓，假設(shè)該填料塔安裝在南京地區(qū)，南京地區(qū)的q0＝550N/m。fi風(fēng)壓高度系數(shù)見參考資料。水平力取pe與pw兩者的大值，即P＝Pe+0.25pw=2631.99+0.25*3366=3473.5N支座安裝尺寸為D：

D=(Di2n23)(b222)2(l2s1)867mm式中，2為耳式支座側(cè)板厚度；3為耳式支座襯板厚度。支座承受的實(shí)際載荷為Q：Q","p":{"h":15.839,"w":7.919,"x":190.11,"y":508.468,"z":94},"ps":null,"t":"word","r":[5]},{"c":{"i內(nèi)筒體內(nèi)壓計(jì)算計(jì)算條件計(jì)算壓力Pc設(shè)計(jì)溫度t內(nèi)徑Di材料試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn)s鋼板負(fù)偏差C1腐蝕裕量C2焊接接頭系數(shù)t計(jì)算單位南京工業(yè)大學(xué)過程裝備與控制工程系筒體簡(jiǎn)圖MPa0.55C350.00mm700.0016MnR(正火)(板材)MPa170.00MPa134.00MPa345.00mm0.00mm1.000.80厚度及重量計(jì)算計(jì)算厚度=有效厚度名義厚度重量PcDi2[]tPcmm=1.80mmmmKge=n-C1-C2=5.00n=6.00355.17壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核壓力試驗(yàn)類型試驗(yàn)壓力值壓力試驗(yàn)允許通過的應(yīng)力水平T試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力校核條件校核結(jié)果液壓試驗(yàn)[]tPT=1.25P[]MPa=0.8700(或由用戶輸入)MPaT0.90s=310.50pT.(Die)MPa2e.T==76.67TT合格壓力及應(yīng)力計(jì)算最大允許工作壓力[Pw]=設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算應(yīng)力2e[]t(Die)MPa=1.52057MPa=38.78MPat=校核條件結(jié)論

tPc(Die)2e107.20≥tt合格

內(nèi)壓橢圓封頭校核計(jì)算條件計(jì)算壓力Pc設(shè)計(jì)溫度t內(nèi)徑Di曲面高度hi材料計(jì)算單位南京工業(yè)大學(xué)過程裝備與控制工程系橢圓封頭簡(jiǎn)圖MPaCmmmmMPaMPammmm0.55350.00700.00175.0016MnR(熱軋)(板材)試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力170.00設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力134.00t鋼板負(fù)偏差C1腐蝕裕量C2焊接接頭系數(shù)0.001.000.80厚度及重量計(jì)算形狀系數(shù)1Di262hiK=KPcDi2=1.0000計(jì)算厚度=有效厚度最小厚度名義厚度結(jié)論重量mm2[]t0.5Pc=1.80mmmmmmKge=n-C1-C2=5.00min=1.05n=6.00滿足最小厚度要求27.30壓力計(jì)算最大允許工作壓力[Pw]=結(jié)論2[]teKDi0.5eMPa=1.52598合格

延長(zhǎng)部分兼作法蘭固定式管板設(shè)計(jì)計(jì)算條件設(shè)計(jì)壓力ps設(shè)計(jì)溫度Ts平均金屬溫度ts裝配溫度to設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力[]Es圓殼程圓筒內(nèi)徑Di殼程圓筒名義厚度s殼程圓筒有效厚度se平均金屬溫度下熱膨脹系數(shù)st設(shè)計(jì)單位南京工業(yè)大學(xué)過程裝備與控制工程系簡(jiǎn)圖0.5535031415134MPaCCC殼材料名稱16MnR(正火)Mpa程平均金屬溫度下彈性模量1.84e+05Mpa1.3e-05mm/mmC70064.251.79e+052mmmmmmMPamm2筒殼體法蘭設(shè)計(jì)溫度下彈性模量Ef’管箱殼程圓筒內(nèi)直徑橫截面積A=0.25Di殼程圓筒金屬橫截面積As=s(Di+s)設(shè)計(jì)壓力pt設(shè)計(jì)溫度Tt3.848e+0594031.6300mm2MPaC圓材料名稱筒設(shè)計(jì)溫度下彈性模量Eh管箱圓筒名義厚度(管箱為高頸法蘭取法蘭頸部大小端平均值)h換管箱圓筒有效厚度he管箱法蘭設(shè)計(jì)溫度下彈性模量Et”材料名稱管子平均溫度tt設(shè)計(jì)溫度下管子材料許用應(yīng)力[]tt設(shè)計(jì)溫度下管子材料屈服應(yīng)力st1.846e+0516MPamm41.86e+0520G(正火)230921471.73e+051.842e+051.244e-05mmMPaCMPaMPaMPaMPamm/mm熱設(shè)計(jì)溫度下管子材料彈性模量Ett平均金屬溫度下管子材料彈性模量Et平均金屬溫度下管子材料熱膨脹系數(shù)tC管管子外徑d管子壁厚t252mmmm注：換管子根數(shù)n換熱管中心距S一根管子金屬橫截面積at(dt)換熱管長(zhǎng)度L管子有效長(zhǎng)度(兩管板內(nèi)側(cè)間距)L1管束模數(shù)Kt=Etna/LDi管子回轉(zhuǎn)半徑i0.25d2(d2t)235132144.53000290037908.162mmmm2mmmmMPammmmMPa熱管子受壓失穩(wěn)當(dāng)量長(zhǎng)度lcr系數(shù)Cr=10152.42Ett/st比值lcr/il[]crCrcr2(lcri)2i)管子穩(wěn)定許用壓應(yīng)力(1.2252Et管tlcr[]s1lcricrCr22Cri)管子穩(wěn)定許用壓應(yīng)力(73.2MPa管材料名稱設(shè)計(jì)溫度tptr設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力16MnR(正火)3501161.79e+052504800.40.4DiCMPaMPammmmmmmm2mmMPaMPa設(shè)計(jì)溫度下彈性模量Ep管板腐蝕裕量C2管板輸入厚度n管板計(jì)算厚度隔板槽面積(包括拉桿和假管區(qū)面積)Ad板管板強(qiáng)度削弱系數(shù)管子加強(qiáng)系數(shù)

管板剛度削弱系數(shù)K21318.Etna/EpL4.11K=管板和管子連接型式管板和管子脹接(焊接)高度l脹接許用拉脫應(yīng)力[q]焊接許用拉脫應(yīng)力[q]焊接3.5管材料名稱"管箱法蘭厚度f16MnR(正火)468607.515e+07MpmmmmNmmNmmmmMPa法蘭外徑Df箱基本法蘭力矩Mm法管程壓力操作工況下法蘭力法蘭寬度bf(DfDi)/2比值h/Di"比值f/Di3.266e+07800.0057140.065710.000.0001519.542"系數(shù)C(按h/Di,f”/Di,查圖25)蘭系數(shù)”(按h/Di,”f/Di,查圖26)旋轉(zhuǎn)剛度殼體法蘭材料名稱"f殼體法蘭厚度"12Efbf"Kf[12Dibf2f"DiEh"]316MnR(正火)44860800.0060710.062860.000.00016268.573mmmmmmMPa法蘭外徑Df法蘭寬度bf(DfDi)/2比值s/Di"比值f/Di"系數(shù)C,按h/Di,f”/Di,查圖25"系數(shù),按h/Di,”f/Di,查圖26K"f旋轉(zhuǎn)剛度"2"f12Efbf[12DibfDiE"]s3法蘭外徑與內(nèi)徑之比KDfDi1.229N/mm殼體法蘭應(yīng)力系數(shù)Y(按K查表9-5)9.55旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù)膨脹節(jié)總體軸向剛度Kf2E2(lcri)2~Kf4Kt0.001777系管板第一彎矩系數(shù)(按K,Kf查圖27)m1m1KKf~~~0.107514.732.9524.4453.5910.001768系數(shù)數(shù)系數(shù)(按KtKf查圖29)G2Etna換熱管束與不帶膨脹節(jié)殼體剛度之比QEsAs換熱管束與帶膨脹節(jié)殼體剛度之比QexEtna(EsAsKexL)EsAsKexL管板第二彎矩系數(shù)(按K,Q或Qex查圖28(a)或(b))m2m1M12K(QG2)系數(shù)（帶膨脹節(jié)時(shí)Qex代替Q）計(jì)系數(shù)(按K,Q或Qex查圖30)G3法蘭力矩折減系數(shù)Kf(KfG3)M~0.011870.13020.9722mm2mm2~~管板邊緣力矩變化系數(shù)算~~1KfK"f"法蘭力矩變化系數(shù)MfMKfKf0.87342.43e+052.563e+05管管板開孔后面積Al=A-0.25nd2板管板布管區(qū)面積參2(三角形布管)At0.866nSAd2(正方形布管)AtnSAd數(shù)系數(shù)計(jì)算管板布管區(qū)當(dāng)量直徑Dt4At/系數(shù)Al/A系數(shù)na/Al系數(shù)s0.40.6(1Q)/系數(shù)(帶膨脹節(jié)時(shí)Qex代替Q)t0.4(1)(0.6Q)/管板布管區(qū)當(dāng)量直徑與殼體內(nèi)徑之比tDt/Di管板周邊不布管區(qū)無量綱寬度k=K(1-t)571.20.63140.17195.5758.460.81610.756mm":null,"page":{"ph":1262.879,"pw":892.979,"v":6,"t":"1","pptlike":null,"cx":0,"cy":0,"cw":892.979,"ch":1262.879}})僅有殼程壓力Ps作用下的危險(xiǎn)組合工況(Pt=0)

系數(shù)G1e僅用于系數(shù)G1i當(dāng)m0時(shí),按K和m查圖31(a)實(shí)線當(dāng)~4Mm基本法蘭力矩系數(shù)MmDi3Pa換熱管與殼程圓筒熱膨脹變形差=t(tt-t0)-s(ts-t0)當(dāng)量壓力組合PcPs不計(jì)溫差應(yīng)力計(jì)溫差應(yīng)力0.0-0.0012120.553.0660.55-35.3MPaMPa有效壓力組合PasPsEt0.14410.14582.1472.4840.72541.382-0.01252-0.0108-0.159-0.55110.16090.7278管板邊緣力矩系數(shù)MMm(M)M1~~管板邊緣剪力系數(shù)M管板總彎矩系數(shù)mm1m21K~m0時(shí)G1e3mm0時(shí),按K和m查圖31（b）系數(shù)G1m>0,G1=max(G1e,G1i),m<0,G1=G1i1.3820.7278管板徑向應(yīng)力系數(shù)帶膨脹節(jié)Q為Qex管板布管區(qū)周邊r=1(1)G14QG2~~0.14690.02068=3"r處徑向應(yīng)力系數(shù)管板布管區(qū)周邊m(1)4K(QG2)0.19290.10640.01721計(jì)算值許用值-0.011430.02842-0.003174計(jì)算值許用值處剪切應(yīng)力系數(shù)~=11p~4QG2~殼體法蘭力矩系數(shù)MwsMm(Mf)M1~rrPaDi2trtrtrPa~"Dikk2"rr1(2m)m2mpPa~Dt2trptrtr殼體法蘭應(yīng)力"f4YMwsPa(~Di"f)263.2619.11.5tr174134.3104.83tr3483ttMPaMPa換熱管軸向應(yīng)力tt92GQ1tPc2PaQG2276cr73.2殼程圓筒軸向應(yīng)力A(1)PcaAs(QG2)tccr73.2-103.73ct33.71MPa107.2換熱管與管板連接拉脫應(yīng)力q=tadl321.655.083[q]焊接[q]脹接10.04[q]46MPa138僅有管程壓力Pt作用下的危險(xiǎn)組合工況(Ps=0)換熱管與殼程圓筒熱膨脹變形差=t(tt-t0)-s(ts-t0)當(dāng)量壓力組合PcPt(1)有效壓力組合不計(jì)溫差應(yīng)力計(jì)溫差應(yīng)力0.0-1.875-13.54-0.01419-0.01419-0.2089-0.81250.23720.8992-0.001212-1.875-51.9-0.0037-0.0037-0.05448-0.093220.027220.4274MPaMPaPatPtEtMp~操作情況下法蘭力矩系數(shù)4MpDPa3i管板邊緣力矩系數(shù)MM~~p管板邊緣剪力系數(shù)M管板總彎矩系數(shù)m系數(shù)G1e僅用于系數(shù)G1i當(dāng)當(dāng)~m1m21m0時(shí)G1e3mKm0時(shí),按K和m查圖31（a）實(shí)線m0時(shí),按K和m查31（b)系數(shù)G1m>0,G1=max(G1e,G1i);m管板布管區(qū)周邊3m(1)-0.01586處徑向應(yīng)力系數(shù)"r=4K(QG2)管板布管區(qū)周邊處剪切應(yīng)力系數(shù)~~-0.002174p=114QG2~0.02674-0.003615計(jì)算值許用值0.03195-0.00225計(jì)算值許用值殼體法蘭力矩系數(shù)MwsMpM1~2~MPaDi109.2管板徑向應(yīng)力rPra管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力1.5tr1741.5mm1m122383tr3483tr34882.67170.1MPaPa~"Di"rr2kk21(2m)m2m174~管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力PapDt-6.798p0.5tr581.5tr174-31.161401.5trMPa1743tr348MPaD殼體法蘭應(yīng)力YMwsPa(i)24f""f~58.65換熱管軸向應(yīng)力GQ1tPc2PQG2a30.492tt119.53ttMPa276cr73.2殼程圓筒軸向應(yīng)力tccr73.2-105.93ctcA(1)[PtP]As(QG2)a28.08MPa107.2321.662.813[q]焊接[q]脹接換熱管與管板連接拉脫應(yīng)力q=tadl5015.98mm[q]46MPa138計(jì)算結(jié)果管板名義厚度n管板校核通過窄面整體(或帶頸松式)法蘭計(jì)算設(shè)計(jì)條件設(shè)計(jì)壓力p計(jì)算壓力pc設(shè)計(jì)溫度t軸向外載荷F外力矩M殼材料名稱體許用應(yīng)力[]n法材料名稱許用[]f[]tft計(jì)算單位南京工業(yè)大學(xué)過程裝備與控制工程系簡(jiǎn)圖0.5500.550350.00.00.016MnR(正火)134.016MnR(熱軋)157.0116.040MnVB228.0170.024.020.824DiDbLe700.0815.022.5軟墊片DoD外LAN1a,1bMPaMPaCNN.mmMPaMPaMPa蘭應(yīng)力材料名稱[]b[]tb螺許用應(yīng)力MPaMPammmm個(gè)860.0765.031.525.0D內(nèi)hmb715.010.02.008.94δ0δ116.026.0栓公稱直徑dB螺栓根徑d1數(shù)量n墊結(jié)構(gòu)尺寸mm材料類型壓緊面形狀y(MPa)11.0DG747.1片b0≤6.4mmb=b0b0>6.4mmb=2.53b0b0≤6.4mmDG=(D外+D內(nèi))/2b0>6.4mmDG=D外-2b螺栓受力計(jì)算預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷Wa操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷WpWa=πbDGy=230941.7Wp=Fp+F=287301.9NN所需螺栓總截面積Am實(shí)際使用螺栓總截面積AbAm=max(Ap,Aa)=1690.0mm2mm2Ab=n42d1=8117.5力矩計(jì)算2DiF=0.785pc操DNLD=LA+0.5δ1=44.5LG=0.5(Db-DG)=33.9mmMD=FDLD=9414309.0MG=FGLG=1567064.6MT=FTLT=1345794.2N.mm=211557.5FG=Fp作=46165.0FT=F-FDMp=29434.0預(yù)緊Ma計(jì)算力矩Mo=Mp與Ma[]f/[]f中大者M(jìn)o=28041098.0tNNmmN.mmN.mmN.mmN.mmLT=0.5(LA+1+LG)mm=45.7外壓:Mp=FD(LD-LG)+FT(LT-LG);內(nèi)壓:Mp=MD+MG+MTMp=12327168.0W=1118052.9NLG=33.9mmMa=WLG=37952176.0N.mm螺栓間距校核實(shí)際間距最小間距DbLn=106.7Lmin56.0(查GB150-98表9-3)Lmax158.4形狀常數(shù)確定mmmm最大間距mmh0Di0105.83由K查表9-5得整體法蘭松式法蘭查圖9-7由1/o得h/ho=0.1T=1.827查圖9-3和圖9-4查圖9-5和圖9-6f=2.19408Z=4.926K=Do/DI=1.229Y=9.550VI=0.46604VL=0.00000蘭松式法101.6U=10.495eFIh00.00855FI=0.90449FL=0.00000整體法eFLh00.00000蘭U2d1hooVI=610087.1U2d1hooVL=0.03fd10.2=0.92

ψ==1.39δfe+1=/T=0.76計(jì)算值4fe131.52許用值MPa剪應(yīng)力校核預(yù)緊狀態(tài)結(jié)論校核合格1WDil8.93Wp10.8n操作狀態(tài)2Dil2.29MPa20.8tn校核合格輸入法蘭厚度δf=46.0mm時(shí),法蘭應(yīng)力校核應(yīng)力性質(zhì)軸向應(yīng)力fMo21Dit1.5[]f=174.0或MPa計(jì)算值許用值結(jié)論H校核合格141.032.5[]tn=335.0(按整體法蘭設(shè)計(jì)的任意式法蘭,取1.5[]n)t徑向應(yīng)力切向應(yīng)力R(1.33fe1)M0f2DiMPa31.30MPa[]tf=116.0[]tf=116.0校核合格TM0YZR2fDi26.61校核合格0.5(HR),0.5(HT))=綜合max(應(yīng)力86.16法蘭校核結(jié)果MPa[]tf=116.0校核合格校核合格

開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算接管:C,φ114×2設(shè)計(jì)條件計(jì)算壓力pc設(shè)計(jì)溫度殼體型式殼體材料名稱及類型計(jì)算單位南京工業(yè)大學(xué)過程裝備與控制工程系計(jì)算方法:GB150-1998等面積補(bǔ)強(qiáng)法,單孔簡(jiǎn)圖0.55350圓形筒體16MnR(正火)板材MPa℃接管材料名稱及類型殼體開孔處焊接接頭系數(shù)φ殼體內(nèi)直徑Di殼體厚度負(fù)偏差C1殼體腐蝕裕量C2殼體材料許用應(yīng)力[σ]t0.8mmmmmmmmMPammmmmmmmmmMPammmmmm70001134201*11殼體開孔處名義厚度δn6接管實(shí)際外伸長(zhǎng)度接管實(shí)際內(nèi)伸長(zhǎng)度接管焊接接頭系數(shù)接管腐蝕裕量凸形封頭開孔中心至封頭軸線的距離接管厚度負(fù)偏差C1t接管材料許用應(yīng)力[σ]t殼體計(jì)算厚度δ補(bǔ)強(qiáng)圈強(qiáng)度削弱系數(shù)frr開孔直徑d接管有效外伸長(zhǎng)度h1接管多余金屬面積A220G(熱軋)管材mmmmmmMPa補(bǔ)強(qiáng)圈材料名稱補(bǔ)強(qiáng)圈外徑補(bǔ)強(qiáng)圈厚度0.312921.80112.615.017.372補(bǔ)強(qiáng)圈厚度負(fù)偏差C1r補(bǔ)強(qiáng)圈許用應(yīng)力[σ]t接管計(jì)算厚度δt補(bǔ)強(qiáng)區(qū)有效寬度B接管有效內(nèi)伸長(zhǎng)度h2開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算0.33225.20360.436mmmmmmmm2mm2mm2接管材料強(qiáng)度削弱系數(shù)fr0.687開孔削弱所需的補(bǔ)強(qiáng)面積A202.8mm2殼體多余金屬面積A1mm2補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)的焊縫面積A3mm2A-(A1+A2+A3)A1+A2+A3=403.7mm2，大于A，不需另加補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)圈面積A4

結(jié)論:補(bǔ)強(qiáng)滿足要求,不需另加補(bǔ)強(qiáng)。4、管道設(shè)計(jì)

4.1管子選型

(1)材料綜合考慮設(shè)計(jì)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：

①腐蝕性本生產(chǎn)裝置原料甲醇、導(dǎo)熱油對(duì)材料無特殊腐蝕性；產(chǎn)品氫氣對(duì)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(shí)，不管溫度有多高，都不會(huì)發(fā)生嚴(yán)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(yuǎn)低于1.4MPa。所以20g無縫鋼管符合抗腐蝕要求。

②溫度20g無縫鋼管的最高工作溫度可達(dá)475℃，溫度符合要求。③經(jīng)濟(jì)性20g無縫鋼管屬于碳鋼管，投資成本和運(yùn)行維護(hù)均較低。二氧化碳用于食品，其管道選用不銹鋼。(2)管子的規(guī)格尺寸的確定及必要的保溫層設(shè)計(jì)

①導(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

Di＝

4qv＝133.5mmu＝

壁厚t＝

2pitpiD0.32133.5＝0.267mm

21000.80.32Sch.x=1000×

0.3p=1000×=3

100查表應(yīng)選用Sch.5系列得管子

故選擇RO0101、RO0102、RO0103、RO0104管道規(guī)格為υ159×4.5無縫鋼管流速校正u=

4qv=1.584m/s2D保溫層計(jì)算:

管道外表面溫度T0=320,環(huán)境年平均溫度Ta=20℃,年平均風(fēng)速為2m/s,采用巖

3

棉管殼保溫,保溫結(jié)構(gòu)單位造價(jià)為750元/m,貸款計(jì)息年數(shù)為5年,復(fù)利率為10%,熱

6

價(jià)為10元/10kJ.

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

0.0420.00018表面放熱系數(shù)為s1.1636332030700.0609W/(m.K),21.16363212W/(m2.K)

保溫工程投資償還年分?jǐn)偮?/p>S=

0.110.1510.151=0.2計(jì)算經(jīng)濟(jì)保溫層經(jīng)濟(jì)厚度

D1lnPtT0Ta2D13.795103HD0PTSS=3.795103

100.060980003202020.06090.316

7500.26412查表得保溫層厚度δ=107mm.

計(jì)算保溫后的散熱量

q2T0Ta23.1432020=131.244W/m10.1590.21220.06091D12lnln0.1590.37112D0D1S0.0609131.244q20=29.4℃Ta=

0.37112D1s計(jì)算保溫后表面溫度Ts計(jì)算出來的表面溫度29.4℃略低于最初計(jì)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.②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

速u2=1.8m/s則

Di＝

4qv＝21.4mm/15.96mmu故選擇PL0101管道規(guī)格為υ25×2無縫鋼管選擇PL0102管道規(guī)格為υ20×2無縫鋼管流速校正u1=

4qv4qv=1.04m/s,合適u2==1.79m/sD2D2③脫鹽水原料管道的規(guī)格

流量qv＝855.123Kg/h＝0.00024m3/s計(jì)算過程同上

選擇DNW0101管道規(guī)格為υ22×2無縫鋼管選擇DNW0102管道規(guī)格為υ18×2無縫鋼管流速校正u1=

4qv4qv=0.943m/su2==1.56m/sD2D2④甲醇水混合后原料管道的規(guī)格

流量qv＝1868.802Kg/h＝0.00060m3/s計(jì)算過程同上

選擇PL0103管道規(guī)格為υ32×2無縫鋼管

選擇PL0104、PL0105管道規(guī)格為υ25×2無縫鋼管流速校正u1=

4qv4qv=0.974m/su2==1.732m/s22DD⑤吸收液碳酸丙烯酯管道的規(guī)格

流量qv＝4201*Kg/h＝0.0012m3/s計(jì)算過程同上

選擇PL0106管道規(guī)格為υ48×4無縫鋼管

選擇PL0107、PL0108管道規(guī)格為υ38×3無縫鋼管流速校正u1=

4qv4qv=0.962m/su2==1.39m/sD2D2⑥冷卻水管道的規(guī)格

流量qv＝95465Kg/h＝0.027m3/s計(jì)算過程同上

選擇CWS0101管道規(guī)格為υ159×4.5無縫鋼管

選擇CWS0102、CWR0101管道規(guī)格為υ133×4無縫鋼管流速校正u1=

4qv4qv=1.5m/su2==2.2m/sD2D2⑦PG0101、PG0102、PG0103、PG0104混合氣管道的規(guī)格

流量qv＝1868.802Kg/h＝0.043m3/s計(jì)算過程同上

200℃:壁厚t＝

2pitpiD＝

1.680＝0.656mm

21230.81.61.680＝0.8mm

21010.81.6300℃:壁厚t＝

2pitpiD＝

選擇PG0101、PG0102、PG0103、PG0104管道規(guī)格為υ89×4.5無縫鋼管流速校正u1=

4qv=8.55m/s2D⑧其它管道規(guī)格尺寸

選擇PG0105管道規(guī)格為υ73×4PG0106管道規(guī)格為υ89×4.5

PG0107管道規(guī)格為υ89×4.5PL0109管道規(guī)格為υ32×4

類似以上管道規(guī)格的計(jì)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：序號(hào)12345678911121314151617所在管道編號(hào)PG0106-80M1BPG0101-80M1BPG0103-80M1BPG0105-65M1BRO0101-150L1B-HRO0102-150L1B-HRO0103-150L1B-HPL0101-20L1BPL0102-15L1BPL0103-32L1BPL0104-20M1BPL0105-20M1BPL0106-40L1BPL0107-32L1B管內(nèi)介質(zhì)氫氣甲醇54.5%1.6設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)溫度50201*00300201*00.60.60.60.6常壓常壓常壓1.61.60.40.432032032032050505050201*050流量187.5186918691869186915531100351100351100351100351013.51013.51869186918694201*200狀態(tài)流速公稱直徑材料氣相8.28020g氣相8.68020g氣相8.68020g氣相8.68020g氣相8.68020g氣相5.46520g液相1.615020g液相1.615020g液相1.615020g液相1.615020g液相1.02020g液相1.81520g液相1.03220g液相1.72020g液相1.72020g液相1.04020g液相1.43220gPG0102-80M1B-H水45.5%H210%CO2PG0104-80M1B-H73%H2O17%H212%CO288%導(dǎo)熱油導(dǎo)熱油導(dǎo)熱油導(dǎo)熱油甲醇甲醇原料液原料液原料液吸收液吸收液10RO0104-150L1B-H1819202122232425PL0108-32L1BDNW0101-20L1BDNW0102-15L1BCWS0101-150L1BCWS0102-125L1BCWR0101-125L1BPG0107-80L1BPL0109-20M1B吸收液脫鹽水脫鹽水冷卻水冷卻水冷卻水食品二氧化碳0.40.30.30.30.30.30.41.650505050508050504201*8558559546595465954651366280液相1.43220g液相0.92020g液相1.61520g液相1.5150鍍鋅管液相2.2125鍍鋅管液相2.2125鍍鋅管氣相11800Cr18Ni9液相0.32020g工藝?yán)淠��?.2泵的選型

整個(gè)系統(tǒng)有五處需要用泵:1.原料水輸送計(jì)量泵P01012.原料甲醇輸送計(jì)量泵P0102

3.混合原料計(jì)量泵P01034.吸收液用泵P01045.冷卻水用泵P0105（1）甲醇計(jì)量泵P0102選型

已知條件：甲醇正常投料量為1013.479kg/h。溫度為25℃。密度為0.807kg/L；操作情況為泵從甲醇儲(chǔ)槽中吸入甲醇，送入原料液儲(chǔ)罐，與水混合工藝所需正常的體積流量為：1013.479/0.807＝1255.86L/h泵的流量Q＝1.05×1255.86＝1318.65L/h

工藝估算所需揚(yáng)程80m,泵的揚(yáng)程H＝1.1×80＝88m

6

折合程計(jì)量泵的壓力：P=gh=807×9.81×88/10=0.697MPa

泵的選型：查表得，JD1600/0.8型計(jì)量泵的流量為1600L/h，壓力0.8MPa，轉(zhuǎn)速115r/min，電機(jī)功率2.2KW，滿足要求（2）純水計(jì)量泵P0101選型

已知條件：水的正常投料量為855.123kg/h。溫度為25℃。密度為0.997kg/L；操作情況為泵從純水儲(chǔ)槽中吸入水，送入原料液儲(chǔ)罐，與甲醇混合工藝所需正常的體積流量為：855.123/0.997＝857.70L/h泵的流量Q＝1.05×857.70＝900.58L/h

工藝估算所需揚(yáng)程80m,泵的揚(yáng)程H＝1.1×80＝88m

6

折合程計(jì)量泵的壓力：P=gh=997×9.81×88/10=0.861MPa

泵的選型：查表得，JD1000/1.3型計(jì)量泵的流量為1000L/h，壓力1.3MPa，轉(zhuǎn)速115r/min，電機(jī)功率2.2KW，滿足要求

（3）混合原料計(jì)量泵P0103選型

已知條件：原料的正常投料量為1868.802kg/h。溫度為25℃。密度為0.860kg/L；操作情況為泵從原料液儲(chǔ)槽V0101中吸入原料，送入預(yù)熱器E0101工藝所需正常的體積流量為：1868.802/0.860＝2173.03L/h泵的流量Q＝1.05×2173.03＝2281.68L/h

工藝估算所需揚(yáng)程80m,泵的揚(yáng)程H＝1.1×80＝88m

6

折合程計(jì)量泵的壓力：P=gh=860×9.81×88/10=0.742MPa

泵的選型：查表得，JD2500/0.8型計(jì)量泵的流量為2500L/h，壓力0.8MPa，轉(zhuǎn)速115r/min，電機(jī)功率2.2KW，滿足要求（4）.吸收液用泵P0104

3

已知條件:①吸收液的輸送溫度25℃,密度760Kg/m.泵的正常流量為4200kg/h

②操作情況,泵從吸收液儲(chǔ)槽中吸入吸收液,送入T0102中，再回解析塔解析出

CO2，循環(huán)使用.確定泵的流量及揚(yáng)程

3

工藝所需的正常體積流量為4200/1000=4.20m/h

3

泵的流量取正常流量的1.05倍:Q=1.05×4.20=4.41m/h

所需工藝泵的揚(yáng)程估算:因水槽和冷卻器液面均為大氣壓,故估算揚(yáng)程只需考慮最嚴(yán)格條件下的進(jìn)出管道阻力損失和位高差，約為35m.泵的揚(yáng)程取1.1倍的安全裕度：H=1.1×35=38.5

水泵選型，選用離心式水泵

3

查表得，40W－40型水泵最佳工況點(diǎn)：揚(yáng)程40m,流量5.4m/h,轉(zhuǎn)速2900r/min，電機(jī)功率為4.0KW。選用該型號(hào)泵較合適。

（5）.冷卻水用泵P0105

3

已知條件:①水的輸送溫度25℃,密度997Kg/m.泵的正常流量為95465kg/h

②操作情況,泵從水槽中吸入水,送入冷凝器E0103中換熱，再冷卻送回水槽，循

環(huán)使用.

確定泵的流量及揚(yáng)程

3

工藝所需的正常體積流量為95465/997=95.75m/h

3

泵的流量取正常流量的1.05倍:Q=1.05×95.75=100.54m/h

所需工藝泵的揚(yáng)程估算:因水槽和冷卻器液面均為大氣壓,故估算揚(yáng)程只需考慮最嚴(yán)格條件下的進(jìn)出管道阻力損失和位高差，約為35m.泵的揚(yáng)程取1.1倍的安全裕度：H=1.1×35=38.5水泵選型，選用離心式水泵

3

查表得，IS100-65-200型水泵最佳工況點(diǎn)：揚(yáng)程47m,流量120m/h,轉(zhuǎn)速2900r/min，軸功率19.9KW，電機(jī)功率為22KW，效率77％。允許氣蝕余量4.8m,選用該型號(hào)泵較合適。

4.3閥門選型

從工藝流程圖可以知道需用閥門的設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度和接觸的介質(zhì)特性，據(jù)此數(shù)據(jù)選擇閥門的壓力等級(jí)和型式，匯總于下表：序號(hào)12345678所在管道編號(hào)管內(nèi)介質(zhì)氫氣設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)公稱連接形壓力溫度直徑式1.60.30.3常壓常壓50320320505050505080150150201*322080法蘭法蘭法蘭法蘭法蘭法蘭、螺紋法蘭、螺紋螺紋閥門選型閥門型號(hào)閘閥：Z41H-1.6C等，截止閥：J41H-1.6C閘閥：Z41H-1.6C、Z41Y-1.6C等，截止閥：J41H-1.6C等閘閥：Z41H-1.6C、Z41Y-1.6C、Z15W-1.0K（螺紋）等，截止閥：J41H-1.6C等止回閥：H41H-1.6Z15W-1.0T閘閥：Z41H-1.6C等，截止PG0106-80M1BRO0101-150L1B-H導(dǎo)熱油RO0104-150L1B-H導(dǎo)熱油PL0101-20L1BPL0102-15L1BPL0103-32L1BDNW0101-20L1BPG0107-80L1B甲醇甲醇原料液常壓脫鹽水食品二0.30.氧化碳910PL0107-32L1BPL0109-20M1B吸收液工藝?yán)淠��?.41.650503220法蘭、螺紋法蘭閥：J41H-1.6C等閘閥：Z15W-1.0T止回閥：H41H-1.6Z15W-1.0T

4.4管道法蘭選型

根據(jù)各管道的工作壓力、工作溫度、介質(zhì)特性和與之連接的設(shè)備、機(jī)器的接管和閥門等管件、附件的連接型式和尺寸等依據(jù)選擇法蘭，將本工藝管道的有關(guān)參數(shù)匯總于下表：序號(hào)123456789111213141516171819202122232425所在管道編號(hào)PG0106-80M1BPG0101-80M1BPG0102-80M1B-HPG0103-80M1BPG0104-80M1B-HPG0105-65M1BRO0101-150L1B-HRO0102-150L1B-HRO0103-150L1B-HPL0101-20L1BPL0102-15L1BPL0103-32L1BPL0104-20M1BPL0105-20M1BPL0106-40L1BPL0107-32L1BPL0108-32L1BDNW0101-20L1BDNW0102-15L1BCWS0101-150L1BCWS0102-125L1BCWR0101-125L1BPG0107-80L1BPL0109-20M1B導(dǎo)熱油導(dǎo)熱油導(dǎo)熱油導(dǎo)熱油甲醇甲醇原料液原料液原料液吸收液吸收液吸收液脫鹽水脫鹽水冷卻水冷卻水冷卻水食品二氧化碳管內(nèi)介質(zhì)設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)溫度50200公稱直徑閥門公稱壓力等級(jí)2.5法蘭選型法蘭類型密封面型式公稱壓力等級(jí)2.54.0氫氣混合氣體1.6300300201*0804.0650.30.30.30.3常壓常壓常壓1.61.60.40.40.40.30.30.30.30.30.41.632032032032050505050201*05050505050508050501502.5201*322020403232201*15012512580201.01.6凹凸面突面1.01.61.0突面1.01.01.0帶頸平焊法蘭凹凸面2.510RO0104-150L1B-H工藝?yán)淠��?/p>

5、反應(yīng)器控制方案設(shè)計(jì)

1.被控參數(shù)選擇

化學(xué)反應(yīng)的控制指標(biāo)主要是轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)量、收率、主要產(chǎn)品的含量和產(chǎn)物分布等，溫度與上述這些指標(biāo)關(guān)系密切，又容易測(cè)量，所以選擇溫度作為反應(yīng)器控制中的被控變量以進(jìn)口溫度為被控變量的單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.控制參數(shù)選擇

影響反應(yīng)器溫度的因素主要有：甲醇水混合氣的流量、導(dǎo)熱油的流量�；旌蠚庵苯舆M(jìn)入干燥器，滯后最小，對(duì)于反應(yīng)溫度的校正作用最靈敏，但混合氣的流量是生產(chǎn)負(fù)荷，是保證產(chǎn)品氫氣量的直接參數(shù)，作為控制參數(shù)工藝上不合理。所以選擇導(dǎo)熱油流量作為控制參數(shù)。

3.過程檢測(cè)儀表的選用

根據(jù)生產(chǎn)工藝和用戶的要求，選用電動(dòng)單元組合儀表（DDZ-Ⅲ型）

①測(cè)溫元件及變送器被控溫度在500℃以下，選用鉑熱電阻溫度計(jì)。為了提高檢測(cè)精確度，應(yīng)用三線制接法，并配用DDZ-Ⅲ型熱電阻溫度變送器

②調(diào)節(jié)閥根據(jù)生產(chǎn)工藝安全原則，若溫度太高，將可能導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)溫度過高，引起設(shè)備破壞、催化劑破壞等等，所以選擇氣開形式的調(diào)節(jié)閥；根據(jù)過程特性與控制要求選用對(duì)數(shù)流量特形的調(diào)節(jié)閥；根據(jù)被控介質(zhì)流量選擇調(diào)節(jié)閥公稱直徑和閥芯直徑的具體尺寸。

③調(diào)節(jié)器根據(jù)過程特性與工藝要求，選擇PID控制規(guī)律；根據(jù)構(gòu)成系統(tǒng)負(fù)反饋的原則，確定調(diào)節(jié)器正、反作用。

4.溫度控制系統(tǒng)流程圖及其控制系統(tǒng)方框圖

溫度控制系統(tǒng)流程圖

控制系統(tǒng)方框圖

5.調(diào)節(jié)器參數(shù)整定

經(jīng)驗(yàn)試湊：對(duì)于溫度控制系統(tǒng)，一般取δ＝20～60％，T1=3~10min，TD＝T1/4也可用臨界比例度法或衰減曲線法進(jìn)行參數(shù)整定參考文獻(xiàn)：

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