最新甲醇制氢汽化塔设计精品版.docx
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最新甲醇制氢汽化塔设计精品版
2020年甲醇制氢汽化塔设计精品版
甲醇制氢生产装置
计
算
书
姓名:
丁仕勇
单位:
机械学院控制0704
前言
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.前言
2.设计任务书
3.甲醇制氢工艺设计
3.1甲醇制氢工艺流程
3.2物料衡算
3.3热量衡算
4.汽化塔设计
4.1工艺计算
4.1.1填料段工艺计算
4.2结构设计
1.管道设计
2.自控设计
3.技术经济评价、环境评价
4.结束语
5.致谢
6.参考文献
附录:
1.汽化塔装配图
2.管道平面布置图
3.管道空视图
3甲醇制氢工艺设计
3.1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。
图1-2
3.2物料衡算
1、依据
甲醇蒸气转化反应方程式:
«SkipRecordIf...»CH«SkipRecordIf...»OH→CO↑+2H«SkipRecordIf...»↑
CO+H«SkipRecordIf...»O→CO«SkipRecordIf...»↑+H«SkipRecordIf...»
CH«SkipRecordIf...»OH分解为CO转化率99%,反应温度280℃,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:
CH«SkipRecordIf...»OH→0.99CO↑+1.98H«SkipRecordIf...»↑+0.01CH«SkipRecordIf...»OH
CO+0.99H«SkipRecordIf...»O→0.99CO«SkipRecordIf...»↑+1.99H«SkipRecordIf...»+0.01CO
合并式(1-5),式(1-6)得到:
CH«SkipRecordIf...»OH+0.981H«SkipRecordIf...»O→0.981CO«SkipRecordIf...»↑+0.961H«SkipRecordIf...»↑+0.01CH«SkipRecordIf...»OH+0.0099CO↑
氢气产量为:
3500m«SkipRecordIf...»/h=156.25kmol/h
甲醇投料量为:
156.25/2.9601ⅹ32=1689.132kg/h
水投料量为:
1689.132/32ⅹ1.5ⅹ18=1425.205kg/h
3、原料液储槽(V0101)
进:
甲醇1689.132kg/h,水1425.205kg/h
出:
甲醇1689.132kg/h,水1425.205kg/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1689.132kg/h,水1425.205kg/h,总计3114.337kg/h
出:
生成CO«SkipRecordIf...»1689.132/32ⅹ0.9801ⅹ44=2276.338kg/h
H«SkipRecordIf...»1689.132/32ⅹ2.9601ⅹ2=312.5kg/h
CO1689.132/32ⅹ0.0099ⅹ28=14.632kg/h
剩余甲醇1689.132/32ⅹ0.01ⅹ32=16.89kg/h
剩余水1425.205-1689.132/32ⅹ0.9801ⅹ18=493.976kg/h
总计3114.336kg/h
6、吸收塔和解析塔
吸收塔的总压为1.5MPa,其中CO«SkipRecordIf...»的分压为0.38MPa,操作温度为常温(25℃).此时,每m«SkipRecordIf...»吸收液可溶解CO«SkipRecordIf...»11.77m«SkipRecordIf...».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,CO«SkipRecordIf...»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«SkipRecordIf...»=pM/RT=0.4«SkipRecordIf...»44/[0.0082«SkipRecordIf...»(273.15+25)]=7.20kg/m«SkipRecordIf...»
CO«SkipRecordIf...»体积量V«SkipRecordIf...»=2276.338/7.20=316.158m«SkipRecordIf...»/h
据此,所需吸收液量为316.158/9.45=33.456m«SkipRecordIf...»/h
考虑吸收塔效率以及操作弹性需要,取吸收量为33.456m«SkipRecordIf...»/h«SkipRecordIf...»=100.368m«SkipRecordIf...»/h
可知系统压力降至0.1MPa时,析出CO«SkipRecordIf...»量为316.158m«SkipRecordIf...»/h=2276.338kg/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«SkipRecordIf...»+0.6p«SkipRecordIf...»=1.5MPa
初设T=170℃p«SkipRecordIf...»=2.19MPa;p«SkipRecordIf...»=0.824MPa
p«SkipRecordIf...»=1.3704<1.5MPa
再设T=175℃p«SkipRecordIf...»=2.4MPa;p«SkipRecordIf...»=0.93MPa
p«SkipRecordIf...»=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«SkipRecordIf...»=1689.132«SkipRecordIf...»0.99/32«SkipRecordIf...»1000«SkipRecordIf...»(-49.66)
=-2.596«SkipRecordIf...»10«SkipRecordIf...»kJ/h
此热量由导热油系统带来,反应温度为280℃,可以选用导热油温度为320℃,导热油温度降设定为5℃,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:
c«SkipRecordIf...»=4.1868«SkipRecordIf...»0.68=2.85kJ/(kg·K),c«SkipRecordIf...»=2.81kJ/(kg·K)
取平均值c«SkipRecordIf...»=2.83kJ/(kg·K)
则导热油用量w=Q«SkipRecordIf...»/(c«SkipRecordIf...»«SkipRecordIf...»t)=2.596«SkipRecordIf...»10«SkipRecordIf...»/(2.83«SkipRecordIf...»5)=183486.24kg/h
3、过热器(E0102)
甲醇和水的饱和蒸气在过热器中175℃过热到280℃,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=«SkipRecordIf...»c«SkipRecordIf...»m«SkipRecordIf...»t=(1.90«SkipRecordIf...»1689.132+4.82«SkipRecordIf...»1425.205)«SkipRecordIf...»(280-175)=1.0583«SkipRecordIf...»10«SkipRecordIf...»kJ/h
导热油c«SkipRecordIf...»=2.826kJ/(kg·K),于是其温降为:
«SkipRecordIf...»t=Q/(c«SkipRecordIf...»m)=1.0583«SkipRecordIf...
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