甲醇制氫生產(chǎn)裝置計(jì)算書

甲醇制氫生產(chǎn)裝置計(jì)算書

前B

氫氣是一種重要的工業(yè)產(chǎn)品，它廣泛用于石油、化工、

建材、冶金、電子、醫(yī)藥、電力、輕工、氣象、交通等工業(yè)

部門和服務(wù)部門，由于使用要求的不同，這些部門對氫氣的

純度、對所含雜質(zhì)的種類和含量都有不相同的要求，特別是

改革開放以來，隨著工業(yè)化的進(jìn)程，大量高精產(chǎn)品的投產(chǎn)，

對高純度的需求量正逐步加大，等等對制氫工藝和裝置的效

率、經(jīng)濟(jì)性、靈活性、安全都提出了更高的要求，同時(shí)也促

進(jìn)了新型工藝、高效率裝置的開發(fā)和投產(chǎn)。

依據(jù)原料及工藝路線的不同，目前氫氣主要由以下幾種

方法獲得：①電解水法；②氯堿工業(yè)中電解食鹽水副產(chǎn)氫氣;

③燒類水蒸氣轉(zhuǎn)化法；④燒類部分氧化法；⑤煤氣化和煤水

蒸氣轉(zhuǎn)化法；⑥氨或甲醇催化裂解法；⑦石油煉制與石油化

工過程中的各種副產(chǎn)氫；等等。其中燒類水蒸氣轉(zhuǎn)化法是世

界上應(yīng)用最普遍的方法，但該方法適用于化肥及石汕化工工

業(yè)上大規(guī)模用氫的場合，工藝路線復(fù)雜，流程長，投資大。

隨著精細(xì)化工的行業(yè)的發(fā)展，當(dāng)其氫氣用量在200?

3000m3/h時(shí)，甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)表現(xiàn)出很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)

指標(biāo)，受到許多國家的重視。甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化制氫具有以下特

八占、、??

（1）與大規(guī)模的天然氣、輕油蒸氣轉(zhuǎn)化制氫或水煤氣制氫

相比，投資省，能耗低。

（2）與電解水制氫相比，單位氫氣成本較低。

（3）所用原料甲醇易得，運(yùn)輸、貯存方便。

（4）可以做成組裝式或可移動式的裝置，操作方便，搬運(yùn)

靈活。

對于中小規(guī)模的用氫場合，在沒有工業(yè)含氫尾氣的情況

下，甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化及變壓吸附的制氫路線是一較好的選擇。

本設(shè)計(jì)采用甲醇裂解+吸收法脫二氧化碳+變壓吸附工藝，增

加吸收法的目的是為了提高氫氣的回收率，同時(shí)在需要二氧

化碳時(shí)，也可以方便的得到高純度的二氧化碳。

目錄

1.刖S

2.設(shè)計(jì)任務(wù)書

3.甲醇制氫工藝設(shè)計(jì)

3.1甲醇制氫工藝流程

3.2物料衡算

3.3熱量衡算

4.汽化塔設(shè)計(jì)

4.1工藝計(jì)算

4.1.1填料段工藝計(jì)算

4.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.管道設(shè)計(jì)

2.自控設(shè)計(jì)

3.技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)、環(huán)境評價(jià)

3甲醇制氫工藝設(shè)計(jì)

3.1甲醇制氫工藝流程

甲醇制氫的物料流程如圖1—2。流程包括以下步驟：甲

醇與水按配比1：1.5進(jìn)入原料液儲罐，通過計(jì)算泵進(jìn)入換熱

器(E0101)預(yù)熱，然后在汽化塔(T0101)汽化，在經(jīng)過換

熱器(E0102)過熱到反應(yīng)溫度進(jìn)入轉(zhuǎn)化器(R0101),轉(zhuǎn)化反應(yīng)

生成H2、CO2的以及未反應(yīng)的甲醇和水蒸氣等首先與原料液

換熱(E0101)冷卻，然后經(jīng)水冷器(E0103)冷凝分離水和甲醇,

這部分水和甲醇可以進(jìn)入原料液儲罐，水冷分離后的氣體進(jìn)

入吸收塔，經(jīng)碳酸丙烯脂吸收分離C02,吸收飽和的吸收液

進(jìn)入解析塔降壓解析后循環(huán)使用，最后進(jìn)入PSA裝置進(jìn)一步

脫除分離殘余的CCh、CO及其它雜質(zhì)，得到一定純度要求

的氫氣。

V0101P0102E0101T0101E0102R0102E0103T0102T0103P0104

原料液貯罐泵預(yù)熱嶄汽化塔過熱器轉(zhuǎn)化器冷屐居吸收塔解析塔泵

,序號12345678910

\懶LLLL&￡gggg

CH30H1013.4791013.4791013.4791013.4791013.47910.13510.135少量少量

H20855.123855.123855.123855.123855.123296.386286.386少量少量

C021365.7201365.7201365.720少量

CO8.7798.7798.7798.779

H2187.500187.500187.500187.500

X

圖1一2

3.2物料衡算

1、依據(jù)

甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)方程式：

CH3OH->COt+2H2t

CO+H2O-CO2f+H2

CH30H分解為CO轉(zhuǎn)化率99%,反應(yīng)溫度280℃,反應(yīng)壓

力1.5MPa,醇水投料比1:1.5(mol).

2、投料計(jì)算量

代入轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù)，式(1?3)和式(1-4)變?yōu)?

CHQHf0.99COt+1.98H"+0.01CH30H

CO+0.99H,Of0.99CO"+1.99H2+0.01CO

合并式(1-5),式(1.6)得到：

CH.OH+0.981H2O-0.981CO2t+0.961H2t+0.01

CH3OH+0.0099COt

氫氣產(chǎn)量為：3500m3/h=156.25kmol/h

甲醇投料量為：156.25/2.9601x32=1689.132kg/h

水投料量為：1689.132/32x1,5x18=1425.205kg/h

3、原料液儲槽(V0101)

進(jìn)：甲醇1689.132kg/h,水1425.205kg/h

出：甲醇1689.132kg/h,水1425.205kg/h

4、換熱器(E0101),汽化塔(T0101),過熱器(E0103)

沒有物流變化.

5、轉(zhuǎn)化器(R0101)

進(jìn)：甲醇1689.132kg/h,水1425.205kg/h,總計(jì)

3114.337kg/h

出：生成CO,1689.132/32x0.9801x44

=2276.338kg/h

H21689.132/32x2.9601x2=312.5

kg/h

CO1689.132/32x0.0099x28=14.632

kg/h

剩余甲醇1689.132/32x0.01x32=16.89

kg/h

剩余水1425.205-1689.132/32x0.9801x

18=493.976kg/h

總計(jì)

3114.336kg/h

6、吸收塔和解析塔

吸收塔的總壓為1.5MPa,其中CO2的分壓為0.38MPa,

操作溫度為常溫(25℃).此時(shí)，每m：吸收液可溶解CO"1.77

nV.此數(shù)據(jù)可以在一般化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊中找到，二氯

化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度數(shù)據(jù)見表1-1及表1—2。

解吸塔操作壓力為0.IMPa,CO2溶解度為2.32,則此時(shí)吸收塔

的吸收能力為：

11.77-2.32=9.45

0.4MPa壓力下

3

A,i=pM/RT=0.4x44/[0.0082x(273.154-25)]=7.20kg/m

3

CO2體積量V◎=2276.338/7.20=316.158m/h

據(jù)此，所需吸收液量為316.158/9.45=33.456mVh

考慮吸收塔效率以及操作彈性需要，取吸收量為33.456

m7hx3=100.368mVh

可知系統(tǒng)壓力降至O.IMPa時(shí)，析出CO?量為316.158

m3/h=2276.338kg/h.

混合氣體中的其他組分如氫氣,CO以及微量甲醇等也

可以按上述過程進(jìn)行計(jì)算，在此，忽略這些組分在吸收液內(nèi)

的吸收.

7、PSA系統(tǒng)

略.

8、各節(jié)點(diǎn)的物料量

綜合上面的工藝物料衡算結(jié)果，給出物料流程圖及各節(jié)點(diǎn)

的物料量，見圖1一2.

3.3熱量衡算

1、汽化塔頂溫確定

在已知汽相組成和總壓的條件下，可以根據(jù)汽液平衡關(guān)

系確定汽化塔的操作溫度?甲醇

和水的蒸氣壓數(shù)據(jù)可以從一些化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊中得到：表

1-3列出了甲醇的蒸氣壓數(shù)據(jù)?

水的物性數(shù)據(jù)在很多手冊中都可以得到，這里從略。

在本工藝過程中,要使甲醇水完全汽化，則其汽相分率必

然是甲醇40%,水60%(mol)且已知操作壓力為1.5MPa,設(shè)溫

度為T,根據(jù)汽液平衡關(guān)系有

0.4p甲酹+0.6p水=1.5MPa

初設(shè)T=170℃p甲醇=2.19MPa;p水=0.824

MPa

p,=1.3704<1.5MPa

再設(shè)T=175℃p用=2.4MPa;p,1=0.93MPa

p,=1.51MPa

蒸氣壓與總壓基木一致,可以認(rèn)為操作壓力為1.5MPa

時(shí)，汽化塔塔頂溫度為175C.

2、轉(zhuǎn)換器(R0101)

兩步反應(yīng)的總反應(yīng)熱為49.66kJ/mol,于是,在轉(zhuǎn)化器內(nèi)

需要供給熱量為：

Q^=1689.132x0.99/32xl000x(-49.66)

=-2.596xl06kJ/h

此熱量由導(dǎo)熱油系統(tǒng)帶來，反應(yīng)溫度為280C,可以選用

導(dǎo)熱油溫度為320℃,導(dǎo)熱油溫度降設(shè)定為5℃,從手冊中查

到導(dǎo)熱油的物性參數(shù),如比定壓熱容與溫度的關(guān)系,可得：

cp320s=4.1868x0.68=2.85kJ/(kg?K),

c?300a.=2.81kJ/(kg-K)

取平均值c「2.83kJ/(kg?K)

則導(dǎo)熱油用量w=Q反應(yīng)/（c「△t）二

2.596x106/(2.83x5)=183486.24kg/h

3、過熱器(E0102)

甲醇和水的飽和蒸氣在過熱器中175℃過熱到280℃,此

熱量由導(dǎo)熱油供給.從手冊中可以方便地得到甲醇和水蒸氣

的部分比定壓熱容數(shù)據(jù),見表1-4.

氣體升溫所需熱量為：

Q=Zc,m△t=(1.90x1689.132+4.82x1425.205)

x(280-175)=1.0583xl06kJ/h

導(dǎo)熱油c/2.826kJ/(kg-K),于是其溫降為：

At=Q/(cpm)=

1.0583x107(2.826x183486.24)=2.04℃

導(dǎo)熱油出口溫度為：315-2.04=312.96℃

4、汽化塔(T0101)

認(rèn)為汽化塔僅有潛熱變化。

175℃甲醇H=727.2kJ/kg水H=203IkJ/kg

Q=1689.132x727.2+2031x1425.205=4.123x106

kj/h

以300℃導(dǎo)熱油,計(jì)算c-2.76kJ/(kg?K)

At=Q/(cpm)=

4.123x106/(2.76x183486.24)=8.14℃

則導(dǎo)熱油出口溫度t2=313-8.14=304.86℃

導(dǎo)熱油系統(tǒng)溫差為AT=320-304.9=15.14℃基本合

適.

5、換熱器(EO101)

殼程：甲醇和水液體混合物由常溫(25℃)升至

175℃,其比熱容數(shù)據(jù)也可以從手冊中得到，表1—5列

出了甲醇和水液體的部分比定壓熱容數(shù)據(jù)。

液體混合物升溫所需熱量

Q二Zc，m(1689.132x3.14+1425.205x4.30)

x(175-25)=17.15xl05kJ/h

管程：沒有相變化，同時(shí)一般氣體在一定的溫度范圍內(nèi)，

熱容變化不大，以恒定值計(jì)算，這里取各種氣體的比定壓熱

容為：

10.47kJ/(kg?K)

-14.65kJ/(kg?K)

c“。.4.19kJ/(kg?K)

則管程中反應(yīng)后氣體混合物的溫度變化為：

At=Q/(c,m)=17.15x107(10.47x2276.338+14.65x312.

5+4.19x493.976)=56.26℃

換熱器出口溫度為280-56.3=223.74℃

6、冷凝器(E0103)

在E0103中包含兩方面的變化：①CO2,CO,H2的冷卻

以及②CH30H,也0的冷卻和冷凝.

①CO2,CO,%的冷卻

Q二z

cpmAt=(10.47x2276.338+14.65x312.5+4.19x14.

632)x(223.7-40)=5.23xl06kJ/h

②CH’OH的量很小，在此其冷凝和冷卻忽略不計(jì)。壓

力為1.5MPa時(shí)水的冷凝熱為：

H=2135KJ/kg,總冷凝熱

5

Q2=Hxm=2135x493.976=1.055x10kJ/h

水顯熱變化Q3二

5

cpmAt=4.19x493.976x(223.7-40)=3.80xl0kJ/h

6

Q=Q.+Q2+Q3=5.7155xl0kJ/h

冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，采用中溫型涼水塔，則溫差△

T=10℃

用水量w=Q/(cf,At)二

5.7155xl06/(4.19xl0)=136408kg/h

4汽化塔設(shè)計(jì)

4.1填料段

4.1.1填料段工藝計(jì)算

物流殼程/(kg/h)

名稱

進(jìn)口出口設(shè)計(jì)壓力進(jìn)出設(shè)計(jì)壓力

/(kg/h/(kg/h溫度/MPa11溫度/MPa

))/℃/(kg/h/℃

)

甲醇1689.16.892801.5

132

水1425.493.9

20576

二氧2276.

化碳338

一氧14.63

化碳2

氫氣312.5

導(dǎo)熱903200.5

油

已知進(jìn)入汽化器的混合液體質(zhì)量流量為3114.337kg/h,操

作壓力為1.5Mpa,液體的入口溫度為175℃。氣體的質(zhì)量流

量也為3114.336kg/h,壓力為1.5Mpa,溫度為175℃。

4.1.L1填料塔段塔徑的計(jì)算：按汽液傳質(zhì)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

混合氣體的密度4=16.05kg/m3

混合液體的密度P,=729.85kg/n)3

混合氣體的質(zhì)量流量mv=3114.337kg/h

混合液體的質(zhì)量流量ml=3114.337kg/h。則

叫(Pv_)os—3114?337(16.05)0.5—Q]483

丁~p,3114.337729.85'

選用金屬鮑爾環(huán)散堆填料DN25,查埃克特通用關(guān)聯(lián)圖,

其縱坐標(biāo)為0.14.即

u:"例""=o.14

SP!

式中"⑹〃/(P=1.222=0.047mPa*s

由此可得泛點(diǎn)氣速L

尸%=匚厘」⑻X729.850.7685

,〃產(chǎn)V16Oxl.222xl6.O5xO.O4702

取空塔氣速為泛點(diǎn)氣速的70%,得空塔氣速U

u=0.7uf=0.7*0.7940=0.5380m/s

由此可得填料塔的塔徑D

D=匹=J4x3114337_____=0,357

3.14x0.5380x3600x16.05

圓整至D=0.4mo

4.1.2填料段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于該填料段的總高在10m以下，因此在設(shè)計(jì)中按照

GB150-1998《鋼制壓力容器》進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。

設(shè)計(jì)壓力Pc=l.1*1.5=1.65Mpa.\

設(shè)計(jì)溫度取最高工作溫度即40℃

設(shè)備材料為16MnR

焊接接頭系數(shù)。=0.85（雙面對接焊,局部無損探傷）

鋼板厚度負(fù)偏差C1=0.5mm,腐蝕余量C2=1.0mm,厚度

附加量C=C1+C2=1.5mmo

（1）筒體體的計(jì)算厚度計(jì)算

0。1.65x0.4=2.30mm

2x170x0.85-1.65

考慮厚度附加余量并圓整至鋼板厚度系列，取材料名義

厚度2=8mm。

考慮到與換熱器的連接，最終取名義厚度為b“=8mni。

（2）封頭厚度計(jì)算

選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，其厚度為:

______1.65x0.3

3==1.72mm

23]’0-0.5*o,.2x170x0.85-0.5x1.65

考慮厚度附加余量并圓整至鋼板厚度系列，取封頭名義

厚度與筒體厚度相同，

（3）筒體與封頭的連接采用螺拴法蘭聯(lián)接

由于塔徑較小，不宜設(shè)置人孔和手孔，況且操作壓力

較高，故采用螺拴法蘭聯(lián)接筒體和封頭，以便于填料的安

裝。

（4）填料高度取1000mm,故筒節(jié)長度取為1300mm。

（5）填料支承裝置

選用工業(yè)上最常采用的柵板支承填料。采用整體式

柵板，柵板安放在角鋼組成的支承圈上。柵板扁鋼截面

為10mmX6mnb扁鋼之間的間距為18nlm.

柵板強(qiáng)度計(jì)算采用按承受均布載荷的兩端簡支粱

進(jìn)行，略去填料對塔壁的摩擦阻力，作用在柵條上的總

載荷為：

P=P〃+PL

其中填料重量重力Pp=9.81111^=9.8X1.0X0.6

X0.018X380=42.219N

填料層持液量PL=3.43HLtP/X10"

=3.43X1.0X0.6X0.018X860X104=

3.19X103N

考慮柵條上載荷的不均勻性及安全系數(shù)，梁上彎矩

為：

M=

(PL+Pp)L(42.219+0.00319)x0.64222N/jp

66?

柵條上的應(yīng)力為：

O="二6M

VVU-C)(/?-C)(/z-C)

6x4,222

二---------------------------------------=62.5

(0.006-O.(X)1)(0.0!-().(X)1)(O.()1-().(X)1)

5MPa

式中s——柵條截面高度，m

h——柵條截面寬度，m

C——柵條材料腐蝕余量，m

。＜［。］』53MPa,因此所用柵條符合強(qiáng)度

要求.

(7)液體分布裝置

采用蓮蓬頭布液器，噴淋點(diǎn)數(shù)為每45cn)2塔截面設(shè)一個(gè)噴

淋點(diǎn)，噴淋點(diǎn)數(shù)為30。蓮蓬頭的安裝高度為lOOnrni.

1.1.2換熱器段工藝計(jì)算

(1)明確設(shè)計(jì)任務(wù)

按給定的工藝設(shè)計(jì)條件，此設(shè)計(jì)為有相變冷熱流體間換

熱的管殼式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算任務(wù)。

(2)總體設(shè)計(jì)

①確定結(jié)構(gòu)形式。由于介質(zhì)換熱溫差不大，在工藝和

結(jié)構(gòu)上均無特殊要求，因此選用固定管板式換熱器。

②合理安排流程。安排甲醇水走管程，導(dǎo)熱油走殼

程。

(3)熱工設(shè)計(jì)

熱工設(shè)計(jì)的計(jì)算步驟與結(jié)果列于下各表中。

1,原始數(shù)據(jù)

單計(jì)算公式

計(jì)算內(nèi)容或項(xiàng)目符號結(jié)果備注

位或來源

管程流體名稱甲醇+水

管殼流體名稱導(dǎo)熱油

導(dǎo)熱油的進(jìn)出口

L；T()℃給定313；304.9

溫度

甲醇+水的進(jìn)出

h；%℃給定175；175

口溫度

甲醇+水，導(dǎo)熱油Pt；MP給定1.5；0.3

的工作壓力P,a

甲醇+水的質(zhì)量kg/

嗎給定0.519

流量s

2,定性溫度與物性參數(shù)

計(jì)算公式備

計(jì)算內(nèi)容或項(xiàng)目符號單位結(jié)果

或來源注

甲醇+水的定性片（（十72）/

口℃175

溫度2

導(dǎo)熱油的定性溫

Tm℃乙二〃+，，）/2309

度

按定性溫

甲醇+水，導(dǎo)熱油kg/860；

度查物性

"Ps

的密度m31070

表

甲醇+水，導(dǎo)熱油J/(kg按定性溫3836；

g；、

的比熱容?℃)度查物性2760

表

W/(按定性溫

甲醇+水，導(dǎo)熱汕0.66；

4；4m?度查物性

的導(dǎo)熱系數(shù)0.99

℃)表

o.ixio-

按定性溫

3

甲醇+水，導(dǎo)熱油9?

4；4Pa*s度查物性

的粘度0.21x1

表

0-3

甲醇+水導(dǎo)熱油查表或計(jì)

Pr,;Pr,32.981；

普朗特?cái)?shù)算

45.296

3,物料與熱量衡算

計(jì)算內(nèi)容或計(jì)算公式或

單位結(jié)果備注

項(xiàng)目來源

換熱器效率1

5

負(fù)荷QW見汽化塔熱6.861xl0

量衡算

導(dǎo)熱油的質(zhì)見過熱器熱

嗎kg/s30.565

量流量量衡算

4,有效平均溫差

計(jì)算內(nèi)容或單

符號計(jì)算公式或來源結(jié)果備注

項(xiàng)目位

逆流對數(shù)平△%=(△%-△

△t|og℃133.9

均溫差

t2)/ln(At./At2)

初步確定1—21殼程一2

流程型式

型管殼式換熱器篦

參數(shù)RR二(77-八)/(、-,.)1

參數(shù)PP-（）/⑺-匕）0

溫度校正系

查圖4-21

數(shù)

有效平均溫△tiW℃133.9

差

5,初算傳熱面積

計(jì)算內(nèi)容或計(jì)算公式或

符號單位結(jié)果備注

項(xiàng)目來源

初選總傳熱W/(m2?

&參考表4-1600

系數(shù)℃)

初算傳熱面A)=Q/(K()△

4m28.540

積tj

6,換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

計(jì)算內(nèi)容或計(jì)算公式或

符號單位結(jié)果備注

項(xiàng)目來源

選用碳鋼無

換熱管材料619X2

縫鋼管

換熱管內(nèi)，0.019；

d,；dm

外徑0.015

換熱管管長Lm選用9m標(biāo)1.5

準(zhǔn)管長折半

n=AJ(nd

換熱管根數(shù)n96

L)

根據(jù)管內(nèi)流

管程數(shù)瓦體流速范圍1

選定

管程進(jìn)出口按接管內(nèi)流

接管尺寸體流速V

%”,“40X4

（外徑*壁3m/s合理

厚）選取

殼程數(shù)m1

分程隔板槽

兩側(cè)正方形

換熱管排列正三角

排列，其余

形式形排列

正三角形排

列

換熱管中心S=L25d或

Sm0.038

距按標(biāo)準(zhǔn)4

管束中心排nc=1.14n（外

nc12

管數(shù)力口6*艮拉桿）

。尸S(〃”)

殼體內(nèi)徑m0.5

+(1-2)d

換熱管長徑

L/D,LI03

比

實(shí)排換熱器作圖或按計(jì)

n102

管根數(shù)算

單弓形

折流板型式選定

折流板

按

折流板外徑&m0.497

GB151-1999

折流板缺口

hm取h=0.20D,0.100

弦高

取B=(0.2?

折流板間距Bm0.15

1)J

折流板數(shù)%N產(chǎn)L/B-l9

殼程進(jìn)出口

接管尺寸

dJSj,4)133X

m合理選取

（外徑*壁4

厚）

7,管程傳熱與壓降

計(jì)算內(nèi)

備

容或項(xiàng)idt單位計(jì)算公式或來源結(jié)果

注

目

管程流

uim/sw,—4w,N.r/(0n兀df)0.0356

速

管程雷

RefRe,=4與04592.4

諾數(shù)

換熱器℃假定260

壁溫

管程流W/(

m2?08

體給熱%a,.=0.0232ReprJd,3119.94

系數(shù)℃)

管程進(jìn)

出口處UNtm/s4嗎/[g4%—2S/]0.7508

流速

管程摩

力查表4-30.015

擦因子

△

管內(nèi)摩

△PfPaP/=4/6.5396

擦壓降

m

回彎壓

APr

Pa△pr=4zv,p,u；/22.1799

降

進(jìn)出口△363.586

Pa△PM=L5P,*J2

局部壓PM9

降

管程壓△〃,二(△Pf+AP"+A372.306

△P.Pa

降PM4

管程最

[△

大允許Pa查表4-335000

Pt]

壓降

校核管Ap,VA口

程壓降[△，]理

8、殼程傳熱與壓降

計(jì)算內(nèi)容符備

單位計(jì)算公式或來源結(jié)果

或項(xiàng)目號注

殼程當(dāng)量

D-D；—-

D,me叫0.1358

直徑

橫過管束

A,m2A,=0(S-d)8/S0.0375

的流通截

面積

殼程流體

um/s0.762

0AA

流速

殼程雷諾527253.

Re。Re0=5AA

Ps

數(shù)2

W/(

a

殼程流體13127.0

2

a0m?

給熱系數(shù)o=0.36—Re^Pr,/3(^)u,49

De4,

℃)

折流板圓

切口上管子按圓弧比計(jì)

缺部分的

nw16

入

換熱管數(shù)

B值B按表4-40.112

折流板圓

⑷：一〃㈤

缺部分流Abm22/40.0235

通面積

織

折流板圓Ubm/s%=1.2155

A4A

缺區(qū)流體

流速

圓缺區(qū)平

Urnm/sUn尸")*uh0.9624

均流速

殼程進(jìn)出

UNs=............--------

UNSm/s*o(0-2S*)r4.1162

口處流速

殼程摩擦

fo查圖4-40.046

因子

折流板間

A2104.51

錯流管束Pa△Pc=4f°^^(%+1)

Pc4

壓降

圓缺部分A10555.5

Pa

壓降P,48

進(jìn)出口局A13596.8

Pa

部壓降P's40

殼程壓降A(chǔ)Pa△P尸+功用26256.9

P、0

冗程最大[△

Pa查表4-335000

允許壓降PJ

校核殼程APv<合

壓降[△pj理

9,總傳熱系數(shù)

計(jì)算內(nèi)容符計(jì)算公式或來

單位結(jié)果備注

或項(xiàng)目號源

管內(nèi)污垢小.℃35.2X

rdi查表4-5

熱阻/W10-5

管外污垢川?℃17.6X

查表4-5

熱阻/W10-5

換熱管材

W/(m?

料導(dǎo)熱系心查表351.8

℃)

數(shù)

管壁熱阻乙,m2?℃4.21X

幾

10-5

AV—ln(---)

24d-28w

總傳熱系W/(m2?728.18

K按式4-22

數(shù)℃)0

10傳熱面積與壁溫核算

計(jì)算內(nèi)容符

單位計(jì)算公式或來源結(jié)果備注

號

或項(xiàng)目

需要傳熱

m2A二一^-

A37.0366

面積

A實(shí)=n兀d(L-2Sf)

實(shí)有傳熱

A實(shí)m2設(shè)管板厚度為8.2516

面積

0.03m

校核傳熱A

△A=A實(shí)/A1.1727

面積A

熱流體傳

j℃按式4-25284.418

熱面積

冷流體傳小℃按式4-26240.573

熱面積

管壁計(jì)算

兀℃按式4-24262.495

溫度

校核管壁△

℃△02.495

溫度4

設(shè)計(jì)符

結(jié)論

合要求

（4）詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)

確定所有零部件的尺寸和材料，并對換熱設(shè)備所有受壓

元件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算

1,換熱流程設(shè)計(jì)：采用殼程為單程，管程為單程的結(jié)構(gòu)

型式

2,換熱管及其排列方式：采用°25X2的無縫鋼管，材料

為20號鋼。換熱管排列方式為三角形排列，如圖，共排

換熱管131根，另外再設(shè)6拉桿

3,折流板:采用通用的單彎形折流板，材料為Q235-B鋼,

板厚6mm,板數(shù)4塊。

4,拉桿：采用Q235-B鋼，912mm,共根

5,筒體：材料采用16MnR鋼，筒體內(nèi)徑e500mm,厚度

由GB150《鋼制壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到

6,封頭：采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，材料采用16MnR鋼

7,管板：采用固定管板，其厚度可以按照GB151《管殼

式換熱器》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)

確定了換熱器的結(jié)構(gòu)以后，必須對換熱器的所有受壓元

件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。對鋼制的換熱器，按照GB150《鋼制壓力

容器》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)果如表4-6

（5）,繪制管殼式換熱器工程圖紙，編寫材料表等

5管道設(shè)計(jì)

5.1管子選型

（1）材料一一綜合考慮設(shè)計(jì)溫度、壓力以及腐蝕性（包括氫

腐蝕），本裝置主管道選擇20g無縫鋼管，理由如下:

①腐蝕性一一本生產(chǎn)裝置原料甲醇、導(dǎo)熱油對材料無

特殊腐蝕性；產(chǎn)品氫氣對產(chǎn)品可能產(chǎn)生氫腐蝕，但研究表

明碳鋼在220C以下氫腐蝕反應(yīng)速度極慢，而且氫分壓不

超過1.4MPa時(shí)，不管溫度有多高，都不會發(fā)生嚴(yán)重的氫

腐蝕。本裝置中臨氫部分最高工作溫度為300℃,雖然超

過220℃,但轉(zhuǎn)化氣中氫氣的分壓遠(yuǎn)低于1.4MPa。所以20g

無縫鋼管符合抗腐蝕要求。

②溫度一一20g無縫鋼管的最高工作溫度可達(dá)

475℃,溫度符合要求。

③經(jīng)濟(jì)性一一20g無縫鋼管屬于碳鋼管，投資成本

和運(yùn)行維護(hù)均較低。

二氧化碳用于食品，其管道選用不銹鋼。

(2)管子的規(guī)格尺寸的確定及必要的保溫層設(shè)計(jì)

①導(dǎo)熱油管道的規(guī)格和保溫結(jié)構(gòu)的確定

流量仆=110035.3Kg/h=0.028m3/s流速范圍

0.5~2.0m/s取為2.0m/s則

Di=J.=133.5mm

V701

壁厚t=「邛=mg=o.267mm

2[o-]7-p,2x100x0.8-0.32

Sch.x=1000X^=1000X.22=3

[a]10()

查表應(yīng)選用Sch.5系列得管子

故選擇ROOIOKR00102>R00103、R00104管道

規(guī)格為巾159X4.5無縫鋼管

流速校正u=^=l.584m/s

7CD2

保溫層計(jì)算：

管道外表面溫度To=32O,環(huán)境年平均溫度Ta=20℃,

年平均風(fēng)速為2m/s,采用巖棉管殼保溫,保溫結(jié)構(gòu)單位

造價(jià)為750元貸款計(jì)息年數(shù)為5年,復(fù)利率為10%,

熱價(jià)為10元/106kJ.

設(shè)保溫層外表面溫度為30℃,巖棉在使川溫

度下的導(dǎo)熱系數(shù)為

^=0.042+0.00018d320+30—70]=0609W/(

m.K),

表面放熱系數(shù)為

a、=1.163(6+3&)=1.163(6+3收卜12

W/(in2.K)

保溫工程投資償還年分?jǐn)偮?/p>

S=o.1x(1+?.1)5=0.264

(1+0.1)5-1

計(jì)算經(jīng)濟(jì)保溫層經(jīng)濟(jì)厚度

-2=3.795x1叭甲E

。0VPTS%

___Q_in_3/1Ox0.0609x8000x(320-20)2x0.0609_n

V750x0.26412

316

查表得保溫層厚度3=107mm.

計(jì)算保溫后的散熱量

249-()2x3.14x(320-20)=]3]

1,￡>,2"1,0.159+0.2122x0.0609,

-In—4-----

0.06090.1590.371x12

ADQ2as

244W/m

計(jì)算保溫后表面溫度

131.244

q20=29.4℃

03’^?xO.371x12+

計(jì)算出來的表面溫度29.4c略低于最初計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)

是假設(shè)的表面溫度30℃,故6=107mn)的保溫層可以滿

足工程要求.

②甲醇原料管道的規(guī)格

流量仆.=1013.479Kg/h=0.00036m3/s一般吸水管

中流速J=lm/s,出水管中流速U2=l,8m/s則

Di=、慳=21.4mm/15.96mm

Vmi

故選擇PL0101管道規(guī)格為“25X2無縫鋼管

選擇PL0102管道規(guī)格為4)20X2無縫鋼管

流速校正u尸黑二L04m/s,合適u2=^=1.79m/s

③脫鹽水原料管道的規(guī)格

流量/=855.123Kg/h=0.00024m3/s計(jì)算過程

同上

選擇DNW0101管道規(guī)格為@22義2無縫鋼

管

選擇DNW0102管道規(guī)格為@18X2無縫鋼

管

流速校正u尸至二0.943m/s

U2二出^=1.56m/s

④甲醇水混合后原料管道的規(guī)格

流量辦=1868.802Kg/h=0.00060m3/s計(jì)算過程

同上

選擇PL0103管道規(guī)格為*32X2無縫鋼管

選擇PL0104、PL0105管道規(guī)格為625X2

無縫鋼管

流速校正u尸理=0.974m/s

3二至二1.732m/s

7lD2

⑤吸收液碳酸丙烯酯管道的規(guī)格

流量俗=42000Kg/h=0.0012m3/s計(jì)算過程同上

選擇PL0106管道規(guī)格為648X4無縫鋼管

選擇PL0107、PL0108管道規(guī)格為“38X3

無縫鋼管

流速校正u尸理=0.962m/s

7d)'

u2=^-=l.39m/s

7TD~

⑥冷卻水管道的規(guī)格

流量%=95465Kg/h=0.027m3/s計(jì)算過程同上

選擇CWS010I管道規(guī)格為6159X4.5無縫

鋼管

選擇CWS0102、CWR0101管道規(guī)格為小

133X4無縫鋼管

流速校正5m/sU2=^-=2.2m/s

TTD2TID1

⑦PG0101、PG0102、PG0103、PG0104混合氣管道的規(guī)

格

流量辦=1868.8O2Kg/h=0.043m3/s計(jì)算過程同

2°°℃：壁厚t=3=24或葭

0.656mm

30°℃：壁厚t=^"=W=°.8mm

選擇PG010KPG0102、PGO1O3、PGO1O4管道

規(guī)格為689X4.5無縫鋼管

流速校正u尸黑二8.55m/s

⑧其它管道規(guī)格尺寸

選擇PG0105管道規(guī)格為73X4PG0106管道規(guī)格為（1）

89X4.5

PG0107管道規(guī)格為689X4.5PL0109管道規(guī)格

為“32X4

類似以上管道規(guī)格的計(jì)算過程，將本工藝所有主要管道

工藝參數(shù)結(jié)果匯總于下表:

設(shè)設(shè)公

序所在管道管內(nèi)介狀流

計(jì)計(jì)流量稱材料

號編號質(zhì)態(tài)速

壓溫直

力度徑

8

PGO106-80187.氣

1氫氣50?8020g

M1B5相

2

8

PG0101-80氣

2甲醇2001869*8020g

M1B相

54.5%6

水8

PG0102-80氣

345.5%1.63001869*8020g

M1B-H相

6

8

PG0103-80氣

4H210%3001869?80