甲醇制氢汽化塔设计[1]

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1、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：电解水法；氯碱工业中电解食盐水副产氢气；烃类水蒸气转化法；烃类部分氧化法；煤气化

2、和煤水蒸气转化法；氨或甲醇催化裂解法；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2003000m3/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

3、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。目录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

4、流程甲醇制氢的物料流程如图12。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123.2 物料

5、衡算1、依据甲醇蒸气转化反应方程式: CHOHCO+2HCO+HOCO+ HCHOH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:CHOH0.99CO+1.98H+0.01 CHOHCO+0.99HO0.99CO+ 1.99H+0.01CO合并式(1-5),式(1-6)得到: CHOH+0.981 HO0.981 CO+0.961 H+0.01 CHOH+0.0099 CO氢气产量为: 3500m/h=156.25kmol/h甲醇投料量为: 156.25/2.960132=1689.

6、132 kg/h水投料量为: 1689.132/321.518=1425.205 kg/h3、原料液储槽(V0101)进: 甲醇 1689.132 kg/h , 水 1425.205 kg/h出: 甲醇 1689.132 kg/h , 水 1425.205 kg/h4、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 1689.132 kg/h , 水 1425.205 kg/h , 总计 3114.337 kg/h出 : 生成 CO 1689.132/320.980144 =2276.338 kg/h H 1689.132

7、/322.96012 =312.5 kg/h CO 1689.132/320.009928 =14.632 kg/h 剩余甲醇 1689.132/320.0132 =16.89 kg/h 剩余水 1425.205-1689.132/320.980118=493.976 kg/h 总计 3114.336 kg/h6、吸收塔和解析塔 吸收塔的总压为15MPa,其中CO的分压为0.38 MPa ,操作温度为常温(25). 此时,每m 吸收液可溶解CO11.77 m.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12。解吸塔操作压力为0.1MPa, CO溶解度

8、为2.32,则此时吸收塔的吸收能力为: 11.77-2.32=9.450.4MPa压力下 =pM/RT=0.444/0.0082(273.15+25)=7.20kg/ mCO体积量 V=2276.338/7.20=316.158 m/h据此,所需吸收液量为 316.158 /9.45=33.456 m/h考虑吸收塔效率以及操作弹性需要,取吸收量为 33.456 m/h=100.368 m/h可知系统压力降至0.1MPa时,析出CO量为316.158 m/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、

9、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+0.6p=1.5MPa初设 T=170 p=2.19MPa; p=0.824 MP

10、a p=1.3704<1.5 MPa再设 T=175 p=2.4MPa; p=0.93 MPa p=1.51 MPa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=1689.1320.99/321000(-49.66) =-2.59610kJ/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=4.18680.68=2.85kJ/(kg·

11、;K), c=2.81kJ/(kg·K)取平均值 c=2.83 kJ/(kg·K)则导热油用量 w=Q/(ct)= 2.59610/(2.835)=183486.24kg/h3、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= cmt=(1.901689.132+4.821425.205) (280-175)=1.058310kJ/h导热油c=2.826 kJ/(kg·K), 于是其温降为: t=Q/(cm)= 1.058310/(2