南京工业大学甲醇制氢工艺设计(反应器)

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。目录1．设计任务书………………………………32．甲醇制氢工艺设计………………………42.1甲醇制氢工艺流程………………………………42.2物料衡算…………………………………………42.3热量衡算…………………………………………63．反应器设计……………………………….93.1工艺计算…………………………………………93.2结构设计………………………………………....134．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。图1－2甲醇制氢的物料流程图及各节点物料量2.2物料衡算1、依据甲醇蒸气转化反应方程式:CH3OH→CO↑+2H2↑（1-1）CO+H2O→CO2↑+H2↑（1-2）CH3OH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: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↑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/h3、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/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1158.264kg/h,水977.285kg/h,总计2135.549kg/h出:生成CO21158.264/32ⅹ0.9801ⅹ44=1560.920kg/hH21158.264/32ⅹ2.9601ⅹ2=214.286kg/hCO1158.264/32ⅹ0.0099ⅹ28=10.033kg/h剩余甲醇1158.264/32ⅹ0.01ⅹ32=11.583kg/h剩余水977.285-1158.264/32ⅹ0.9801ⅹ18=338.727kg/h总计2135.549kg/h6、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(25℃).此时,每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=9.450.4MPa压力下2co=pM/RT=0.444/[0.0082(273.15+25)]=7.20kg/m3CO2体积量V2CO=1560.920/7.20=216.794m3/h据此,所需吸收液量为216.794/9.45=22.94m3/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CO2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水=1.5MPa初设T=170℃p甲醇=2.19MPa;p水=0.824MPap总=1.37041.5MPa再设T=175℃p甲醇=2.4MPa;p水=0.93MPap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=1158.2640.99/321000(-49.66)=-1.78106kJ/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:cæ320p=4.18680.68=2.85kJ/(kg·K),cæ300p=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)=8.90105/(2.835)=62898kg/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=cpmt=(1.90579.126+4.82488.638)(280-175)=3.63105kJ/h导热油cp=2.826kJ/(kg·K),于是其温降为:t=Q/(cPm)=3.63105/(2.82662898)=2.04℃导热油出口温度为:315-2.0=313.0℃4、汽化塔（TO101)认为汽化塔仅有潜热变化。175℃甲醇H=727.2kJ/kg水H=203IkJ/kgQ=579.126727.2+2031488.638=1.41106kJ/h以300℃导热油cp计算cp=2.76kJ/(kg·K)t=Q/(cPm)=1.41106/(2.7662898)=8.12℃则导热油出口温度t2=313.0-8.1=304.9℃导热油系统温差为T=320-304.9=15.1℃基本合适.5、换热器（EO101)壳程：甲醇和水液体混合物由常温（25℃）升至175℃，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=cpmt=(579.1263.14+488.6384.30)(175-25)=5.88105kJ/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：c2pco10.47kJ/(kg·K)c2pH14.65kJ/(kg·K)cpco4.19kJ/(kg·K)则管程中反应后气体混合物的温度变化为：t=Q/(cPm)=5.88105/(10.47780.452+14.65107.142+4.19169.362)=56.3℃换热器出口温度为280-56.3=223.7℃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Q=cpmt=(10.47780.452+14.65107.142+4.195.017)(223.7-40)=1.79106kJ/h②CH3OH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Q2=Hm=2135169.362=3.62105kJ/h水显热变化Q3=cpmt=4.19169.362(223.7-40)=1.30105kJ/hQ=Q1+Q2+Q3=2.28106kJ/h冷却介质为循环水，采用中温型凉水塔，则温差△T=10℃用水量w=Q/(cpt)=2.28106/(4.1910)=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579.1265.7912801.5水488.638169.362二氧化碳780.452一氧化碳5.017氢气107.142导热油628983200.5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：5.017/28=0.179kmol/h进料气中甲醇的摩尔分率yA为：y