课程设计～(过程装备与控制工程)

设计类型：过程装备与控制工程专业课程设计设计题目：生产能力为700m³/h甲醇制氢生产装置设计设计人：指导教师：班级：学号：设计完成时间：2003年1月10日星期五前言氢气是一种重要的工业用品，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也有着不同的要求。近年来随着中国改革开放的进程，随着大量高精产品的投产，对高纯氢气的需求量正在逐渐扩大。烃类水蒸气转化制氢气是目前世界上应用最普遍的制氢方法，是由巴登苯胺公司发明并加以利用，英国ICI公司首先实现工业化。这种制氢方法工作压力为2.0-4.0MPa,原料适用范围为天然气至干点小于215.6℃的石脑油。近年来，由于转化制氢炉型的不断改进。转化气提纯工艺的不断更新，烃类水蒸气转化制氢工艺成为目前生产氢气最经济可靠的途径。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。它具有以下的特点：1、与大规模天然气、轻油蒸气转化制氢或水煤气制氢比较，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，运输储存方便。而且由于所用的原料甲醇纯度高，不需要在净化处理，反应条件温和，流程简单，故易于操作。4、可以做成组装式或可移动式的装置，操作方便，搬运灵活。目录前言.2目录.3摘要.3设计任务书.4第一章工艺设计.5第二章设备设计计算和选型——换热设备.8第三章机器选型.13第四章设备布置图设计.15第五章管道布置设计.16第六章自动控制方案设计.21第七章工程项目的经济评价.24结束语：.28致谢：.29参考文献：.30摘要本次课程设计是设计生产能力为700m3/h甲醇制氢生产装置。在设计中要经过工艺设计计算，典型设备的工艺计算和结构设计，管道设计，单参数单回路的自动控制设计，机器选型和技术经济评价等各个环节的基本训练。在设计过程中综合应用所学的多种专业知识和专业基础知识，同时获得一次工程设计时间的实际训练。课程设计的知识领域包括化工原理、过程装备设计、过程机械、过程装备控制技术及应用、过程装备成套技术等课程。本课程设计是以甲醇制氢装置为模拟设计对象，进行过程装备成套技术的全面训练。设计包括以下内容和步骤：1、工艺计算。2、生产装置工艺设计。3、设备设计。分组进行。4、机器选型。5、设备不知设计。6、管道布置设计。7、绘制管道空视图。8、设计一个单参数、单回路的自动控制方案。9、对该装置进行技术经济评价。10、整理设计计算说明书。设计任务书一、题目：生产能力为700m3/h甲醇制氢生产装置二、设计参数：生产能为700m3/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)第一章工艺设计1.1.1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↑+H2CH3OHF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1.5MPa,醇水投料比1:1.5(mol)。(2)投料量计算代如转化率数据CH3OH—→0.99CO↑+1.982H2↑+0.01CH3OHCO+0.99H2O—→0.99CO2↑+0.99H2↑+0.01CO↑合并得到CH3OH+0.9801H2O—→0.9801CO2↑+2.9601H2↑+0.01CH3OH+0.0099CO氢气产量为：700m³/h=31.250kmol/h甲醇投料量为：31.250/2.9601*32=337.828kg/h水投料量为：337.828/32*1.5*18=285.042kg/h(3)原料储液槽(V0101)进：甲醇337.828kg/h，水285.042kg/h。出：甲醇337.828kg/h，水285.042kg/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337.828kg/h，水285.042kg/h，总计622.87kg/h出：生成CO2337.828/32*0.9801*44=455.370kg/hH2337.828/32*2.9601*2=62.500kg/hCO337.828/32*0.0099*28=2.926kg/h剩余甲醇337.828/32*0.01*32=3.378kg/h剩余水285.042-337.828/32*0.9801*18=98.796kg/h总计622.87kg/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CO211.77m³.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=9.450.4MPa压力下ρCO2=pM/RT=4*44/[0.082*(273.15+25)]=7.20kg/m³CO2体积重量VCO2=455.370/7.20=63.232m³/h据此，所需吸收液的量为63.232/9.45=6.691m³/h考虑吸收塔效率以及操作弹性需要，取吸收液量为6.691*3=20.074m³/h系统压力降至0.1MPa时，析出CO2量为86.510m³/h=455.370kg/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。1.1.2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+0.6p水=1.5MPa初设T=170℃p甲醇=2.19MPa;p水=0.824MPap总=1.3704MPa1.5MPa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)转化器(R0101)两步反应的总反应热为49.66kj/mol,于是在转化器内需要共给热量为：Q反应=337.826*0.99/32*1000*(-49.66)=-5.190*105kj/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320℃，导热油温降设定为5℃，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：Cp320℃=4.1868*0.68=2.85kj/(kg．K),Cp300℃=2.81kj/(kg．K)取平均值Cp=2.83kj/(kg．K)则导热油的用量w=Q反应/(CpΔt)=5.190*105/(2.83*5)=3.668*104kg/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=ΣCpmΔt=（1.90*337.828+4.82*285.042）*(280-175)=2.117*105kj/h导热油Cp=2.825kj/(kg．K),于是其温度降为Δt=Q/(Cpm)=2.117*105/（2.86*3.668*104）=2.042℃导热油出口温度为：315-2.042=312.958(4)汽化塔(T0101)认为汽化塔仅有潜热变化。175℃甲醇H=727.2kj/kg水H=2031kj/kgQ=337.828*727.2+2031*285.042=8.246*105kj/h以300℃导热油Cp计算Cp=2.76kj/(kg．K)Δt=Q/(Cpm)=2.36*106/2.76*3.668*104)=8.145℃则导热油出口温度t2=312.958-8.145=304.812℃导热油系统温差为ΔT=320-304.812=15.187℃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=(337.828*3.14+285.042*4.30)*(175-25)=3.430*105kj/h管程：取各种气体的比定压热容为：CpCO2≈10.47kj/(kg．K)CPH2≈14.65kj/(kg．K)CPH20≈4.19kj/(kg．K)则管程中反应后其体混合物的温度变化为：Δt=Q/(Cp*m)=3.430*105/(10.47*455.267+14.65*62.5+4.19*98.8)=56.264℃换热器出口温度280-56.264=223.736℃(6)冷凝器(E0103)①CO2、CO、H2的冷却Q1=ΣcpmΔt=(10.47*455.267+14.65*62.5+10.47*2.926)*(223.736-40)=1.05*106kj/h②压力为1.5MPa时水的冷凝热为：H=2135kj/kg,总冷凝热Q2=H*m=2135*98.8=2.109*105kj/h水显热变化Q3=cpmΔt=4.19*98..795*(223.736-40)=7.600*104kj/hQ=Q1+Q2+Q3=1.407*106kj/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)=1.407*106/(4.19*10)=3.359*104kg/h第二章设备设计计算和选型——换热设备1.1设计任务根据给定的工艺设计条件，此设计为无相变热、冷流体间换热的管壳式换热器设计任务。1.2总体设计①确定结构形式。由于介质换热温差不大，在工艺和结构上均无特殊要求，因此选用固定管板式换热器。②合理安排流程。安排水和甲醇的混合液体走管程，混合气体走壳程。1.3热工计算①原始数据计算内容或项目符号单位计算公式或来源结果备注管程流体名称甲醇和水混合液壳程流体名称混合气体管程进、出口的温度Ti;T0℃已计算25;175壳程进、出口的温度ti;t0℃已计算280;223.736管程、壳程的工作压力pt;psMPa已计算1.5;1.5管程的质量流量Wtkg/s已计算0．1730（表2-1）②物料与热量恒算计算内容或项目符号单位计算公式或来源结果备注换热器效率η取用0．98负荷QW3.43*105壳程的质量流量wskg/s0．1730（表2-2）③有效平均温差计算内容或项目符号单位计算公式或来源结果备注逆流对数平均温度Δtlog℃146.918流程型式初步确定1-2型管壳式换热器1壳程-2管程参数R0．375参数P0.588温度校正系数Φ查图4-20.95有效平均温差ΔtM℃ΔtM=ΦΔtlog141.041（表2-3）④初算传热面积计算内容或项目符号单位计算公式或来源结果备注初选总传热系数K0W/(m2．℃)参考表4-1240初算传热面积A0m22．815（表2-4）⑤换热器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设计换热管材料选用碳钢无缝钢管换热管内径、外径di;dm0.025;0.021换热管管长Lm选用9m标准管长折半1．5换热管根数n24(圆整)管程数Ni根据管内流体流速范围选定2管程进出口接管尺寸(外径*壁厚)djt*Sjtm按接管内流体流速3m/s合理选取管程结构设计壳程数Ns1换热管排列形式分程隔板槽两侧正方形排列，其余正三角形排列正三角形排列换热管中心距SmS=1.25d或按标准0.032分程隔板槽两侧中心距Sn按标准0．004管束中心排管数nc7壳体内径Dim0．171换热器长径比L/DiL/Di8．771合理实排热管根数n作图36折流板形式选定弹弓形折流板折流板外直径Dbm按GB151-19990.168（表2-5）⑥结构设计与强度设计1)换热流程设计：采用壳程为单程、管程为双程的结构型式.2)换热管及其