甲醇制氢2500课程设计.doc
甲醇制氢2500课程设计
设计任务书
一、题目：生产能力为2500m3/h甲醇制氢生产装置
二、设计参数：生产能为2500m3/h
三、计算内容：
1、工艺计算：物料衡算和能量衡算。
2、机器选型计算。
3、设备布置设计计算。
4、管道布置设计计算。
5、技术经济评价计算。
四、图纸清单：
1、甲醇制氢装置物流图
2、换热器设备图
3、管板零件图
4、管道仪表流程图
5、设备布置图
6、管道布置图
7、管道空视图(PL0104-15L1B)
8、管道空视图(PL0105-15L1B)
工艺设计
甲醇制氢物料衡算.
(1)依据
甲醇蒸气转化反应方程式：
CH3OH—→CO↑+ 2H2↑
CO + H2O —→CO2↑+ H2
CH3OHF分解为CO,转化率99%,CO变换转化率99%,反应温度280℃,反应压力为1. 5 MPa,醇水投料比1:1.5(mol)。
(2)投料量计算
代入转化率数据
CH3OH —→0.99 CO↑+ 1.98 2H2↑+0.01
CH3OH
CO + 0.99 H2O —→0.99 CO2↑+ 0.99 H2↑+ 0.01 CO↑
合并得到
CH3OH + 0.9801 H2O →0.9801 CO2↑+
2.9601 H2↑+ 0.01 CH3OH+ 0.0099 CO
氢气产量为：2500m3/h=111.607 kmol/h
甲醇投料量为：111.607/2.9601×32=1206.528kg/h
水投料量为：1206.528/32×1.5×18=1018.008 kg/h
(3)原料储液槽(V0101)
进：甲醇1206.528kg/h，水1018.008kg/h。出：甲醇1206.528kg/h，水1018.008 kg/h。
(4) 换热器(E0101),汽化塔(T0101)、过热器(E0103)
没有物流变化
(5) 转化器(R0101)
进：甲醇1206.528kg/h，水1018.008kg/h，总计2224.536kg/h
出：生成CO21206.528 /32×0.9801×44=1625.962kg/h
H21206.528/32 ×
2.9601 × 2= 22
3.215kg/h
CO 1206.528 /32 ×0.0099 × 28=10.451kg/h
剩余甲醇1206.528/32×0.01×32=12.065kg/h
剩余水1018.008- 1206.528/32×
0.9801×18 =352.842kg/h
总计2224.536 kg/h
(6)吸收和解析塔
吸收塔总压为1.5Mpa,其中CO2分压为0.38Mpa,操作温度为常温(25℃)。此时每m3吸收液可溶解CO2 11.77 m3.
解吸塔的操作压力为0.1MPa, CO2溶解度为2.32 ，
则此时吸收塔的吸收能力为:
11．77-2．32=9.45
0.4MPa压力下ρCO2 = pM /RT =4×44/[0.082×(273.15 + 25)] =7.20 kg/m3
CO2体积重量V CO2=1625.962/7.20 =225.828m3/h
据此，所需吸收液的量为225.828/9.45 =23.897 m3/h
考虑吸收塔效率以及操作弹性需要，取吸收液量为23.897×3=71.691m3/h
系统压力降至0.1MPa时，析出CO2 量为225.828m3/h =1625.962 kg/h
(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。
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+ 0.6 p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49.66 kj/mol,于是在转化器内需要共给热量为：
Q反应=1206.528×0.99/32×1000×(-49.66)
= －1.854×10 6 kJ/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360℃，导热油温降设定为25℃，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：
Cp360℃=2.93 kJ/(kg．K),Cp300℃=2.81 kJ/(kg．K)
取平均值Cp=2.93 kJ/(kg．K)
/(CpΔt)= 1.854×10 6/ 则导热油的用量w=Q
反应
(2.93×55)=11504.8 kg/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=ΣCp mΔt=（1.90×1206.528+4.82×1018.008）×(280-175)=755916.2 kJ/h
导热油Cp=2.825 kj/(kg．K),于是其温度降为
Δt=Q/(Cp m)=755916.2 /（2.93 ×11504.8）=22.4℃
导热油出口温度为：295-10.1= 282.5
(4) 汽化塔(T0101)
认为汽化塔仅有潜热变化。
175℃甲醇H=727.2 kJ/kg 水H=2031 kJ/kg
Q=1206.528 ×727.2 +2031×1018.008=2944961.4 kJ/h
以300℃导热油Cp计算Cp=2.76 kj/(kg．K) Δt=Q/(Cp m)=2944961.4 /（ 2.76×11504.8)=92.7℃
则导热油出口温度t2 =282.5-92.7=189.75℃
导热油系统温差为ΔT=360-189.75=170.25℃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=(1206.528×3.14 + 1018.008 ×4.30)×(175-25)=12.25×105 kJ/h
管程：取各种气体的比定压热容为：
Cp CO2≈10.47 kJ/(kg．K)
Cp H2≈14.65 kJ/(kg．K)
Cp H20≈4.19 kJ/(kg．K) 则管程中反应后其体混合物的温度变化为：
Δt=Q/(Cp ×m)= 12.25×105 /(10.47×1625.962+14.65×223.215+4.19×352.842)
= 56.3℃
换热器出口温度280-56.3=223.7℃
(6) 冷凝器(E0103)
①CO2 、CO 、H2的冷却
Q1=ΣcpmΔt=(10.47×1625.962+14.65×223.215+4. 19×352.842)×(223.7-40)=4.0×10 6 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 ×352.842=7.53×105 kJ/h
水显热变化Q3 =CpmΔt=4.19×352.8×(223.7-40)=2.72×105 kJ/h
Q= Q1+ Q2+ Q3=5.025×106 kJ/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)= 5.025×106/(4.19×10)=119928.4 kg/h