南京工业大学甲醇制氢工艺设计反应器.docx
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南京工业大学甲醇制氢工艺设计反应器
南京工业大学甲醇制氢工艺设计(反应器)
、八
刖
氢气是一种重要的工业产品,它广泛用于石油、化工、建材、冶金、电子、医药、电力、轻工、气象、交通等工业部门和服务部门,由于使用要求的不同,这些部门对氢气的纯度、对所含杂质的种类和含量都有不相同的要求,特别是改革开放以来,随着工业化的进程,大量高精产品的投产,对高纯度的需求量正逐步加大,等等对制氢工艺和装置的效率、经济性、灵活性、安全都提出了更高的要求,同时也促进了新型工艺、高效率装置的开发和投产。
依据原料及工艺路线的不同,目前氢气主要由以下几种方法获得:
①电解水法;②氯碱工业中电解食盐水副产氢气;③烃类水蒸气转化法;④烃类部分氧化法;⑤煤气化和煤水蒸气转化法;⑥氨或甲醇催化裂解法;⑦石油炼制与石油化工过程中的各种副产氢;等等。
其中烃类水蒸气转化法是世界上应用最普遍的方法,但该方法适用于化肥及石油化工工业上大规模用氢的场合,工艺路线复杂,流程长,投资大。
随着精细
化工的行业的发展,当其氢气用量在200〜
3000m3/h时,甲醇蒸气转化制氢技术表现出很好的技术经济指标,受到许多国家的重视。
甲醇蒸气转化制氢具有以下特点:
(1)与大规模的天然气、轻油蒸气转化制氢或水煤气制氢相比,投资省,能耗低。
(2)与电解水制氢相比,单位氢气成本较低。
(3)所用原料甲醇易得,运输、贮存方便。
(4)可以做成组装式或可移动式的装置,操作方便,搬运灵活。
对于中小规模的用氢场合,在没有工业含氢尾气的情况下,甲醇蒸气转化及变压吸附的制氢路线是一较好的选择。
本设计采用甲醇裂解+吸收法脱二氧化碳+变压吸附工艺,增加吸收法的目的是为了提高氢气的回收率,同时在需要二氧化碳时,也可以方便的得到高纯度的二氧化碳。
1.设计任务书3
2.甲醇制氢工艺设计4
2.1甲醇制氢工艺流程4
2.2物料衡算4
2.3热量衡算6
3.反应器设计9
3.1工艺计算9
3.2结构设计13
4.管道设计....…
5.自控设计…
6.技术经济评价、环境评价
7.结束语....……
8.致谢
9.参考文献....…
附录:
1.反应器装配图,零件图
2.管道平面布置图
3.设备平面布置图
4.管道仪表流程图
5.管道空视图
6.单参数控制方案图
1、设计任务书
2、甲醇制氢工艺设计
2.1甲醇制氢工艺流程
甲醇制氢的物料流程如图1—2。
流程包括以下步骤:
甲醇与水按配比1:
1.5进入原料液储罐,通过计算泵进入换热器(E0101)预热,然后在汽化塔(T0101)汽化,在经过换热器(E0102)过热到反应温度进入转化器(R0101),转化反应生成H2、CO2的以及未反应的甲醇和水蒸气等首先与原料液换热(E0101)冷却,然后经水冷器(E0103)冷凝分离水和甲醇,这部分水和甲醇可以进入原料液储罐,水冷分离后的气体进入吸收塔,经碳酸丙烯脂吸收分离CO2,吸收饱和的吸收液进入解析塔降压解析后循环使用,最后进入PSA装置进一步脱除分离残余的CO2、
CO及其它杂质,得到一定纯度要求的氢气。
mA序号
1
2
3
4
5
6
7
8
g
10
组%态
L
L
L
L
£
£
g
g
£
CH3tU
1013.479
1013.479
1013.479
1011479
1013.479
10.135
10.B5
少量
少益
H20
855.123
855.123
855.123
05L123
855.:
23
296.386
286.386
002
1365.720
1365,720
1365.720
少量
CO
8.779
B.779
a779
8.779
H:
2
187,500
187.500
:
87.500
:
87.500
图1—2甲醇制氢的物料流程图及各节点物料
2.2物料衡算
1、依据
甲醇蒸气转化反应方程式:
CH3OHRCOf+2H2f
(1-1)
CO+H2O^CO2f+
H2f(1-2)
CH3OH分解为CO转化率99%,反应温度280°C,
反应压力1.5MPa,醇水投料比1:
1.5(mol).
2、投料计算量
代入转化率数据式(1-3)和式(1-4)变为:
CH3OHR0.99COf+1.98H2f+0.01CHOH
CO+0.99H2O^0.99CO2f+1.99H+0.01CO
合并式(1-5),式(1-6)得到:
CH3OH+0.981H2O^0.981CO2f+0.961H2f+0.01CHOH+0.0099COf
氢气产量为:
2400m3/h=107.143kmol/h
甲醇投料量为:
107.143/2.9601x32=1158.264kg/h
水投料量为:
1158.264/32x1.5x18=977.285kg/h
3、原料液储槽(V0101)
进:
甲醇1158.264kg/h,水977.285kg/h
出:
甲醇1158.264kg/h,水977.285kg/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1158.264kg/h,水977.285kg/h,总计2135.549kg/h
生成CO
=1560.920kg/h
=214.286kg/h
CO
=10.033kg/h
剩余甲醇
1158.264/32x0.9801x44
1158.264/32x2.9601x2
1158.264/32x0.0099x28
1158.264/32x0.01x32
=11.583kg/h
剩
余水
977.285-1158.264/32x0.9801x18=338.727kg/h
总计
2135.549kg/h
6、吸收塔和解析塔
吸收塔的总压为1.5MPa,其中CO2的分压为0.38MPa,操作温度为常温(25C).此时海m3吸收液可溶解CO211.77m3.此数据可以在一般化工基础数据手册中找到,二氯
化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度数据见表1一l及表1—2。
解吸塔操作压力为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
2=pM/RT=0.444/[0.0082(273.15+25)]=7.20kg
/m3
CO2体积量VCO2=1560.920/7.20=216.794m3/h
据此,所需吸收液量为216.794/9.45=22.94
m3/h
考虑吸收塔效率以及操作弹性需要,取吸收量
为22.94m3/h3=68.82m3/h
可知系统压力降至0.1MPa时,析出CO?
量为
216.794m3/h=1560.920kg/h.
混合气体中的其他组分如氢气,CO以及微量甲醇等也可以按上述过程进行计算,在此,忽略这些组分在吸收液内的吸收.
7、PSA系统
略.
8、各节点的物料量
综合上面的工艺物料衡算结果,给出物料流程图及各节点的物料量,见图1一2.
3.3热量衡算
1、汽化塔顶温确定
在已知汽相组成和总压的条件下,可以根据汽液平衡关系确定汽化塔的操作温度•甲醇和水的蒸气压数据可以从一些化工基础数据手册中得到:
表1-3列出了甲醇的蒸气压数据•水的物性数据在很多手册中都可以得到,这里从
略。
在本工艺过程中,要使甲醇水完全汽化,则其汽相分率必然是甲醇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?
K=1.5MPa
初设T=170°Cp甲醇=2.佃MPa;
p水=0.824MPa
p总=1.3704<1.5MPa
再设T=175Cp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175C.
2、转换器(R0101)
两步反应的总反应热为49.66kJ/mol,于是,在转化器内需要供给热量为:
Q反应=1158.2640.99/321000(-49.66)=-1.78106kJ/h
此热量由导热油系统带来,反应温度为280C,可以选用导热油温度为320C,导热油温
度降设定为5C,从手册中查到导热油的物性参数,如比定压热容与温度的关系,可得:
cp320?
=4.18680.68=2.85kJ/(kg•K),
Cp3oo?
=2.81kJ/(kg・K)
取平均值cp=2.83kJ/(kg・K)
则导热油用量w=Q反应/(cp,t)=
8.90105/(2.835)=62898kg/h
3、过热器(E0102)
甲醇和水的饱和蒸气在过热器中仃5C过热到280C,此热量由导热油供给.从手册中可以方便地得到甲醇和水蒸气的部分比定压热容数据,见表1-4.
气体升温所需热量为:
Q=Cpmt=(1.90579.126+4.82488.638)
(280-175)=3.63105kJ/h
导热油Cp=2.826kJ/(kg・K),于是其温降
m)=
t=Q/(c
3.63105/(2.82662898)=2.04°C
导热油出口温度为:
315-2.0=313.0C
4、汽化塔(TO101)
认为汽化塔仅有潜热变化。
175C甲醇H=727.2kJ/kg水H=203lkJ/kg
Q=579.126727.2+2031488.638=1.41106
kJ/h
以300C导热油cp计算cp=2.76kJ/(kg・K)
t=Q/(cPm)=1.41106/(2.7662898)=
8.12C
则导热油出口温度t2=313.0-8.仁304.9C
导热油系统温差为T=320-304.9=15.1C
基本合适.
5、换热器(EO101)
壳程:
甲醇和水液体混合物由常温(25C)升至仃5C,其比热容数据也可以从手册中得到,表1一5列出了甲醇和水液体的部分比定压热容数据。
液体混合物升温所需热量
q=cpmt=(579.1263.14+488.6384.30)
(175-25)=5.88105kJ/h
管程:
没有相变化,同时一般气体在一定的温度范围内,热容变化不大,以恒定值计算,这里取各种气体的比定压热容为:
C
pco210.47kJ/(kg
•K)
C
—14.65kJ/(kg
•K)
C
pco4.19kJ/(kg
•K)
则管程中反应后气体混合物的温度变化为:
t=Q/(cPm)=5.88105/(10.47780.452+14
.65107.142+4.19169.362)=56.3°C
换热器出口温度为280-56.3=223.7C
6、冷凝器(EO103)
在E0103中包含两方面的变化:
①CO2,CO,H2的冷却以及②CH3OH,H2O的冷却和冷凝.
1CO2,CO,H2的冷却
QhCpmt=(10.47780.452+14.6510
7.142+4.19过5.017)
(223.7-40)=1.79106kJ/h
2CH3OH的量很小,在此其冷凝和冷却忽略不计。
压力为1.5MPa时水的冷凝热为:
H=2135KJ/kg,总冷凝热
Q=Hm=2135169.362=3.62105kJ/h
水显热变化Q3=
Cpmt=4.19169.362(223.7-40)=1.30105kJ/
h
Q=Q1+Q+Q3=2.28106kJ/h
冷却介质为循环水,采用中温型凉水塔,则温差△T=10°C
用水量w=Q/(cpt)=
2.28106/(4.1910)=54415kg/
3、反应器设计计算
3.1工艺计算
已知甲醇制氢转化工艺的基本反应为:
CH3OH+H2O=CO2+3H2。
该反应在管式反应器进行,进出反应器的各物料的工艺参数如表3-1
所示。
物流名称
管程
壳程/(kg/h)
进口
/(kg/h)
出口
/(kg/h)
设计温度
/oC
压力
/MPa
进出
口
/(kg/h)
设计温度
/oC
压力
/MPa
甲醇
579.12
6
5.791
28
0
1.5
水
488.63
8
169.36
2
▲
780.45
氧
化
碳
2
氧
化
碳
5.017
氢
气
107.14
2
导执八、、油
62898
32
0
0.5
表3-1
反应器的物流表
(1)计算反应物的流量
对于甲醇,其摩尔质量为_32kg・k/mol,则其
摩尔流量为:
579.126/32=18.098kmol/h
对于水,其摩尔质量为18kg・k/mol,其摩尔
流量为:
488.638/18=27.147kmol/h
对于氢气,其摩尔质量为2kg・k/mol,其摩
尔流量为:
107.142/2=53.571kmol/h
对于一氧化碳,其摩尔质量为28kg-k/mol,
其摩尔流量为:
5.0仃/28=0.仃9kmol/h
进料气中甲醇的摩尔分率yA为:
何098
A18.09827.147
=0.4
对于甲醇和水,由于温度不太高(280°C),压
力不太大(1.5MPa),故可将其近似视为理想气体考虑。
有理想气体状态方程pV=nRT,可分别计算出进料气中甲醇和水的体积流量:
甲醇的体积流量Va为:
Va=
18.098*83143*(273.15280)
1.5*106
二55.489
m3/h
水的体积流量Vb为:
Vb=
27.147*8314.3*(273.15280)
1.5*106
-83.233
m3/h
进料气的总质量为:
m°=55.489+83.233=1067.764kg/h
(2)计算反应的转化率
进入反应器时甲醇的流量为579.126kg/h,出反应器时甲醇的流量为5.791kg/h,贝忡醇的转化率XAf为:
XAf=
579.126-5.791
579.126
100%=99%
即反应过程中消耗甲醇的物质的量为:
18.098X
99%=17.917kmol/h
(3)计算反应体系的膨胀因子
由体系的化学反应方程式可知,反应过程中气体的总物质的量发生了变化,可求出膨胀因子8A
对于甲醇有:
8A=十口=2
1
(4)计算空间时间
根据有关文献,方程为:
该反应为一级反应,反应动力学
rA=kpA
468600
k=5・5X10-ert
Ca=Cao
1xa
1'FaXa
上式两边同乘以RT,则得:
Pa=CaoRT
反应过程的空间时间T为:
XAfdxA
T=CAOJo
=Caof0dxA/[kCaoRT—]
1+3AyAXA
1
kRT
XAf
0
dXA
4686003
h),
k=5・5x10-eRTm/(kmol
R=8314.3kj(kmoiK),T=553・15K,3a=2,yA=0・4,代入上式,可得空间时间:
t=0.0038h
(5)计算所需反应器的容积
Vr=TVo
进料气的总体积流量为:
Vo=55.489+83.233=138.722m3/h=0.0385m3/s
则可得所需反应器的容积为:
Vr=TVo=0.0038x138.722=0.527m3
(6)计算管长
由文献可知,气体在反应器内的空塔流速为0.1m/s,考虑催化剂填层的空隙率对气体空塔速度的影响,取流动速度为a=0.2m/s,则反应管
的长度为:
l=tu=0.0038x3600X0.2=2.736m
根据GB151推荐的换热管长度,取管长l=3m反应器内的实际气速为:
U=T=00038聞"22讥
(7)计算反应热甲醇制氢的反应实际为两个反应的叠合,即
CH3OH=CO+2H2-90.8kj/mol
CO+H2O=CO2+H2+43.5kj/mol
反应过程中的一氧化碳全部由甲醇分解而得,由化学反应式可知,每转化Ikmol的甲醇就可生成Ikmol的一氧化碳,则反应过程中产生的一氧化碳的物质的量为17.917kmol/h。
反应器出口处的一氧化碳的物质的量为0.179kmol/h,转化的一氧化碳的物质的量为:
17.917-0.179=17.738kmol/h
一氧化碳的转化率为:
17738
Xco=*100%=99%
17.917
则反应过程中所需向反应器内供给的热量为:
Q=90.8X103X17.917-43.5X103X
仃.738=855.261X103kJ/h
(8)确定所需的换热面积
假定选用的管子内径为d,壁厚为t,则其外径为d+2t,管子数量为n根。
反应过程中所需的热量由导热油供给,反应
器同时作为换热器使用,根据GB151,320°C时钢的导热系数为入=44.9W/(m・°C),管外油侧的对流给热系数为ao=300W/
(m2・°C),管内侧的对流给热系数为ai=80W/(m2-°C),根据表5-2所列的壁面污垢系数查得,反应管内、外侧的污垢系数分别为0.0002m2-°C/W和0.0008m2-°C/W
总污垢系数为Rf=0.0002+0.0008=0.001m2•°C/W
根据传热学,反应器的传热系数为:
K=1/C
由于晋的值接近于1,对K带来的误差小于
d
1%;钢管的传热很快,对K的影响也很小,故可将上式简化为:
K=1/(丄+丄+Rf)=-~1——=59.4W/
aia0丄」+0.001
30080
(m2・°C)=213.84kJ/(h・m2・°C)
由于反应器所需的换热面积为:
F=2=855-261*103.99.988m2
K△t213.84*(320—280)
(9)计算管子的内径
反应器需要的换热面积为:
F=nndl
反应器内气体的体积流量为:
VO=n^u
4
联立上述两式,并将l=6m,u=0.22(m/s),F=99.988(m2)Vo=0.0385(m3/s)代入,即可得所需管子的内径为:
d=0.0210mo
根据计算所得的管子内径,按前述换热设备设计选择合适的管子型号和所需的管数及布管方式。
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
管程结构
换热管材料
换热管内径、
di;d
m
选用碳钢无缝钢管
①25X2
0.021;0.025
设
计
外径换热官管长
换热管根数
管程数
管程进出口接管尺
寸
r
(外径*壁厚)
LnNi
djt*Sjt
m
m
选用3m标准管长
A。
99.988
n==
ndL兀況0.025x3
根据管内流体流速
范围选定
按接管内流体流速
合理选取
3.0
325(圆整)
1
①60X1.6
壳程数
换热
管排
Ns
正三角形排列
1
正三角形排列
管
列形式
换热
S
m
S=1.25d或按标准
0.032
程结构设计
管中心距分程隔板槽两侧中心距
S
按标准
管束中心排管数
nc
”一寸行丿331(外加六根拉杆)
21
壳体内径
D
m
Di=S(Nc-1)+(1〜2)d
0.7
换热器长径比
L/Di
L/Di
4.28
合理
实排
执管
八、、口
根数
n
作图
351
折流板形式
折流
Db
m
选定
按GB151-1999
单弓形折流板
0.675
板外
直径
折流
h
m
取h=0.20Di
0.14
板缺
弦口
离
折流
B
m
取B=(0.2〜1)Di
0.33
板间
距
折流
N)
2=L/B-1
8
板数
壳程
djs*Sjs
合理选取
①114X2
选
进出
取
口?
接
管丿
寸
r
尺
3.2外壳结构设计
按照GB150-1998《钢制压力容器》进行结构设计计算。
1、筒体
(1)筒体内径:
700mm
设计压力:
Pc=1.1Pw=0.55MPa设计温度取350C
筒体材料:
16MnR
焊接接头系数①=0.8
钢板厚度负偏差Ci=0,腐蚀裕量C2=1.0mm厚度
附加量C=C1+C2=1.0mm.
筒体的计算厚度计算
PCD
2[ =0.55*700 2*134*1-0.55 二1.8mm 考虑厚度附加量并圆整至钢板厚度系列,得材料 名义厚度n=4mm.取n=6mm 强度校核 有效厚度e=n-Ci-C2=5mm 、=2、e=()-38.775MPaV=丨t=134MPa 2*5 符合强度要求。 (2)根据筒径选用非金属软垫片: 垫片厚度: 3垫片外径: 765垫片内 径: 715 根据筒体名义厚度选用乙型平焊法兰(J
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- 南京 工业大学 甲醇 工艺 设计 反应器