化工工艺课程设计

长江大学工程技术学院化工工艺及设备课程设计设计题目：生产能力为3400m³/h甲醇制氢生产装置设计设计人：丁红林丁俊松艾龙白晓旭江龙江源高冉郭先锋陈晶晶指导教师：张慢来黄天成班级：装备0601班组号：1（1—11号）设计时间：2009年12月20日—2009年12月31日1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。2目录前言…………………………………………………………………………1目录…………………………………………………………………………2摘要…………………………………………………………………………3设计任务书…………………………………………………………………4第一章工艺设计…………………………………………………………51.1.甲醇制氢物料衡算……………………………………………………51.2.热量恒算………………………………………………………………6第二章设备设计计算和选型：换热设备…………………………92.1.换热设备的计算与选型………………………………………………9第三章机器选型…………………………………………………………133.1.计量泵的选择…………………………………………………………133.2.离心泵的选型…………………………………………………………15第四章管道布置设计……………………………………………………164.1.管子选型………………………………………………………………164.2.主要管道工艺参数汇总一览表………………………………………184.3.各部件的选择及管道图…………………………………………………19第五章自动控制方案设计…………………………………………225.1.选择一个单参数自动控制方案…………………………………………225.2.换热器温度控制系统及方块图…………………………………………22课设总结………………………………………………………………………23参考文献………………………………………………………………………243摘要本次课程设计是设计生产能力为3400m3/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；4、机器选型；5、管道布置设计；6、绘制管道空视图；7、设计一个单参数、单回路的自动控制方案；8、整理设计计算说明书。4设计任务书一、题目：生产能力为3400m3/h甲醇制氢生产装置。二、设计参数：生产能为3400m3/h。三、计算内容：1、工艺设计：物料衡算和能量衡算;2、设备设计:换热器的计算选型；3、机器设计：泵的计算选型；4、管道设计：管道布置图和空视图；四、图纸清单：1、工艺流程图2、物料流程图3、换热器总装图4、换热器零件图5、管道布置图6、管道空视图(PL0102-20L1B)5第一章工艺设计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↑+H2CH3OH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：3400m³/h=151.786kmol/h甲醇投料量为：151.786/2.9601×32=1640.874kg/h水投料量为：1640.874/32×1.5×18=1384.487kg/h(3)原料储液槽(V0101)进：甲醇1640.874kg/h，水1384.487kg/h。出：甲醇1640.874kg/h，水1384.487kg/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1640.874kg/h，水1384.487kg/h，总计3025.361kg/h出：生成CO21640.874/32×0.9801×44=2211.303kg/hH21640.874/32×2.9601×2=303.572kg/hCO1640.874/32×0.0099×28=14.214kg/h剩余甲醇1640.874/32×0.01×32=16.409kg/h剩余水1384.487-1640.874/32×0.9801×18=479.863kg/h6总计3025.361kg/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=2211.303/7.20=307.125m³/h据此，所需吸收液的量为307.125/9.45=32.500m³/h考虑吸收塔效率以及操作弹性需要，取吸收液量为32.500×3=97.500m³/h系统压力降至0.1MPa时，析出CO2量为307.125m³/h=2211.300kg/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。1.2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=1640.874×0.99/32×1000×(-49.66)=-2.521×106kJ/h7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)=2.521×106/(2.83×5)=1.782×105kg/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=（1.90×1640.874+4.82×1384.487）×(280-175)=1.028×106kJ/h导热油Cp=2.826kJ/(kg．K),于是其温度降为Δt=Q/(Cpm)=1.028×106/（2.826×1.782×105）=2.041℃导热油出口温度为：315-2.041=312.959(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=1640.874×727.2+2031×1384.487=4.005×106kJ/h以300℃导热油Cp计算Cp=2.76kJ/(kg．K)Δt=Q/(Cpm)=4.005×106/（2.76×1.782×105)=8.14℃则导热油出口温度t2=312.959-8.14=304.819℃导热油系统温差为ΔT=320-304.819=15.181℃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=(1640.874×3.14+1384.487×4.30)×(175-25)=1.666×106kJ/h管程：8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)=1.666×106/(10.47×2211.303+14.65×303.572+4.19×479.863)=56.3℃换热器出口温度280-56.3=223.7℃(6)冷凝器(E0103)①CO2、CO、H2的冷却Q1=ΣCpmΔt=(10.47×2211.303+14.65×303.572+4.19×14.214)×(223.7-40)=5.081×106kJ/h②压力为1.5MPa时水的冷凝热为：H=2135kJ/kg,总冷凝热Q2=H×m=2135×479.863=1.025×106kJ/h水显热变化Q3=CpmΔt=4.19×479.863×(223.7-40)=3.694×105kJ/hQ=Q1+Q2+Q3=6.475×106kJ/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)=6.475×106/(4.19×10)=1.545×105kg/h9第二章设备设计计算和选型2.1.换热设备的计算与选型2.1.1.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。2.1.2.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。2.1.3.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;223.7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0.84（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10换热器效率η取用0．98负荷QW1.666×106壳程的质量流量wskg/s0．84（表2-2）③有效平均