生產能力為2700Nm3h 甲醇制氫生產裝置設計

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南京工業(yè)大學機械與動力工程學院過程裝備與控制工程專業(yè)課程設計設計題目：生產能力為 2700Nm3/h 甲醇制氫生產裝置設計 設 計 人： 曹亞熹 王太彬 姚同林 徐征堯 環(huán)彬彬 楊靖 指導教師： 班 級： 過程裝備與控制工程 02班 組 號： 2（2 7 12 17 22 29） 設計時間： 2010 年 12月 20日—2011 年 1月 14日 前 言 .3摘 要 .4設計任務書 5第一章 工藝設計 61.1.甲醇制氫物料衡算. .71.1.1依據(jù) 71.1.2投料量計算 .71.1.3 原料儲液槽 (V0101)71.1.4換熱器(E0101),汽化塔(T0101)、過熱器(E0102) 71.1.5轉化器(R0101) 71.1.6吸收和解析塔 71.2熱量恒算 81.2.1氣化塔頂溫度確定 .81.2.2轉化器(R0101) 81.2.3過熱器(E0102) 91.2.4汽化塔(T0101) 91.2.5換熱器(E0101) 91.2.6冷凝器(E0103) 102.1.冷凝器的計算與選型 .112.1.1.設計任務 112.1.2.總體設計 112.1.3.熱工計算 112.1.4 詳細結構設計與強度設計 .172.2 結構設計 .172.2.1 筒體 .172.2.2封頭 182.2.3管程接管補強計算（按照 GB150-1998 等 面 積 補 強 法 ） 192.2.4 殼程接管補強計算（按照 GB150-1998 等 面 積 補 強 法 ） 192.2.5 換熱管（GB151-1999 ） 202.2.6 折流板（GB151-1999 ） 202.2.7 拉桿（GB151-1999 ） .202.3SW6 軟件校核 212.3.1 固定管板換熱器設計計算 212.3.2 前端管箱筒體計算 222.3.3 前端管箱封頭計算 .232.3.4 后端管箱筒體計算 242.3.5 后端管箱封頭計算 .252.3.7 開孔補強計算 .262.3.8 延長部分兼作法蘭固定式管板 28第三章 機器選型及管道設計 .393.1計量泵的選型 .393.1.1甲醇計量泵 P0102選型 .393.1.2純水計量泵 P0101選型 .393.1.3混合原料計量泵 P0103選型 393.1.4吸收液用泵 P0105選型 .403.1.5冷卻水用泵 P0104選型 .403.2管子選型（確定幾種主要管道尺寸 的方法如下） .413.2.1材料選擇 .413.2.2管子的規(guī)格尺寸的確定及必要的保溫層設計 .413.4.3管件選型 .473.4.4管道儀表流程圖 483.4.5管道布置圖 .483.4.6管道空視圖 .48第四章 自動控制方案設計 .494.1選擇一個單參數(shù)自動控制方案 .494.2溫度控制系統(tǒng)流程圖及其控制系統(tǒng)方框圖 .494.3如何實現(xiàn)控制過程的具體說明 .49第五章 技術經濟評價 505.1甲醇制氫裝置的投資估算 505.1.1單元設備價格估算 .505.2總成本費用估算與分析 515.3財務評價 535.3.1盈利能力分析 545.3.2清償能力分析 545.3.3盈虧平衡分析 55小結 56參考文獻 .56前 言氫氣是一種重要的工業(yè)用品，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、對所含雜質的種類和含量也有著不同的要求。近年來隨著中國改革開放的進程，隨著大量高精產品的投產，對高純氫氣的需求量正在逐漸擴大。 烴類水蒸氣轉化制氫氣是目前世界上應用最普遍的制氫方法，是由巴登苯胺公司發(fā)明并加以利用，英國 ICI公司首先實現(xiàn)工業(yè)化。這種制氫方法工作壓力為2.0-4.0MPa,原料適用范圍為天然氣至干點小于 215.6℃的石腦油。近年來，由于轉化制氫爐型的不斷改進。轉化氣提純工藝的不斷更新，烴類水蒸氣轉化制氫工藝成為目前生產氫氣最經濟可靠的途徑。 甲醇蒸氣轉化制氫技術表現(xiàn)出很好的技術經濟指標，受到許多國家的重視。它具有以下的特點： 1、與大規(guī)模天然氣、輕油蒸氣轉化制氫或水煤氣制氫比較，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，運輸儲存方便。而且由于所用的原料甲醇純度高，不需要在凈化處理，反應條件溫和，流程簡單，故易于操作。 4、可以做成組裝式或可移動式的裝置，操作方便，搬運靈活。 摘 要本次課程設計是設計生產能力為 2700m3/h甲醇制氫生產裝置。 在設計中要經過工藝設計計算，典型設備的工藝計算和結構設計，管道設計，單參數(shù)單回路的自動控制設計，機器選型和技術經濟評價等各個環(huán)節(jié)的基本訓練。 在設計過程中綜合應用所學的多種專業(yè)知識和專業(yè)基礎知識，同時獲得一次工程設計時間的實際訓練。課程設計的知識領域包括化工原理、過程裝備設計、過程機械、過程裝備控制技術及應用、過程裝備成套技術等課程。本課程設計是以甲醇制氫裝置為模擬設計對象，進行過程裝備成套技術的全面訓練。 設計包括以下內容和步驟： 1、 工藝計算。 2、 生產裝置工藝設計。 3、 設備設計。分組進行。 4、 機器選型。 5、 設備布置設計。 6、 管道布置設計。 7、 繪制管道空視圖。 8、 設計一個單參數(shù)、單回路的自動控制方案。 9、 對該裝置進行技術經濟評價。 10、 整理設計計算說明書。 設計任務書一、題目：生產能力為 2700 Nm3/h甲醇制氫生產裝置。 二、設計參數(shù)：生產能為 2700 Nm3/h 。三、計算內容： 1、工藝計算：物料衡算和能量衡算。 2、機器選型計算。 3、設備布置設計計算。 4、管道布置設計計算。 四、圖紙清單： 1、物料流程圖 2、工藝流程圖 3、換熱器總裝圖4、換熱器零件圖 5、管道布置圖 6、管道空視圖 第一章 工藝設計1.1.甲醇制氫物料衡算. 1.1.1依據(jù) 甲醇蒸氣轉化反應方程式： CH3OH—→CO↑ + 2H2↑ CO + H2O —→CO2↑ + H2 CH3OHF分解為 CO,轉化率 99％,CO 變換轉化率 99％,反應溫度 280℃,反應壓力為 1. 5 MPa,醇水投料比 1:1.5(mol)。 1.1.2投料量計算 代如轉化率數(shù)據(jù) CH3OH —→ 0.99 CO↑ + 1.98 2H2↑ +0.01 CH3OH CO + 0.99 H2O —→ 0.99 CO2↑ + 0.99 H2↑+ 0.01 CO↑ 合并得到 CH3OH + 0.9801 H2O —→ 0.9801 CO2↑ + 2.9601 H2↑ + 0.01 CH3OH+ 0.0099 CO 氫氣產量為: 2700m /h=120.536 kmol/h3甲醇投料量為: 120.536/2.9601ⅹ32=1303.045 kg/h水投料量為: 1303.045/32ⅹ1.5ⅹ18=1099.444 kg/h1.1.3 原料儲液槽 (V0101) 進 : 甲醇 1303.045 kg/h , 水 1099.444 kg/h出: 甲醇 1303.045 kg/h , 水 1099.444kg/h1.1.4換熱器(E0101),汽化塔(T0101)、過熱器(E0102) 沒有物流變化 1.1.5轉化器(R0101) 進 : 甲醇 1303.045kg/h , 水 1099.444 kg/h , 總計 2402.489kg/h出 : 生成 CO 1303.045/32ⅹ0.9801ⅹ44 =1756.032kg/h2H 1303.045/32ⅹ2.9601ⅹ2 =241.071kg/hCO 1303.045/32ⅹ0.0099ⅹ28 =11.288kg/h剩余甲醇 1303.045/32ⅹ0.01ⅹ32 =13.031kg/h剩余水 1099.444-1303.045/32ⅹ0.9801ⅹ18=381.067 kg/h總計 2402.489 kg/h1.1.6吸收和解析塔 吸收塔的總壓為 1．5MPa,其中 CO 的分壓為 0.38 MPa ,操作溫度為常溫(25℃). 2此時,每 m 吸收液可溶解 CO 11.77 m .此數(shù)據(jù)可以在一般化工基礎數(shù)據(jù)手冊3 3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 一 l 及表 1—2。解吸塔操作壓力為 0.1MPa, CO 溶解度為 2.32,則此時吸收塔的吸收能力為:211.77-2.32=9.450.4MPa壓力下 =pM/RT=0.4 44/[0.0082 (273.15+25)]=7.20kg/ m2co??3CO 體積量 V =1756.032/7.20=243.893m /h22CO3據(jù)此,所需吸收液量為 243.893/9.45=25.809 m /h考慮吸收塔效率以及操作彈性需要,取吸收量為 25.809m /h =77.427m /h3?3可知系統(tǒng)壓力降至 0.1MPa 時,析出 CO 量為 243.893m /h=1756.032kg/h.27、PSA 系統(tǒng) 略.8、各節(jié)點的物料量綜合上面的工藝物料衡算結果,給出物料流程圖及各節(jié)點的物料量 ,1.2熱量恒算 1.2.1氣化塔頂溫度確定 要使甲醇完全汽化，則其氣相分率必然是甲醇 40%,水 60%(mol),且已知操作壓力為 1.5MPa,設溫度為 T,根據(jù)汽液平衡關系有： 0.4p甲醇 + 0.6 p 水=1.5MPa 初設 T=170℃ p 甲醇=2.19MPa; p 水 =0.824MPa p 總 =1.3704MPa 1.5MPa 再設 T=175℃ p 甲醇=2.4MPA; p 水 0.93MPa p 總 =1.51MPa 蒸氣壓與總壓基本一致，可以認為操作壓力為 1.5MPa時，汽化塔塔頂溫度為175℃ 1.2.2轉化器(R0101) 兩步反應的總反應熱為 49.66kJ/mol,于是,在轉化器內需要供給熱量為:Q =1303.045 0.99/32 1000 (-49.66)反 應 ??=-2.002 10 kJ/h?6此熱量由導熱油系統(tǒng)帶來,反應溫度為 280℃,可以選用導熱油溫度為 320℃,導熱油溫度降設定為 5℃,從手冊中查到導熱油的物性參數(shù),如比定壓熱容與溫度的關系,可得:c =4.1868 0.68=2.85kJ/(kg·K), c =2.81kJ/(kg·K)?320p??30p取平均值 c =2.83 kJ/(kg·K)p則導熱油用量 w=Q /(c t)=2.002 10 /(2.83 5)=141484kg/h反 應 p??61.2.3過熱器(E0102) 甲醇和水的飽和蒸氣在過熱器中 175℃過熱到 280℃,此熱量由導熱油供給.氣體升溫所需熱量為:Q= c m t=(1.90 1303.045+4.82 1099.444) (280-175)=8.16 10 kJ/h?p????5導熱油 c =2.826 kJ/(kg·K), 于是其溫降為:t=Q/(c m)= 8.16 10 /(2.826 141484)=2.04℃P5導熱油出口溫度為: 315-2.1=312.9℃1.2.4汽化塔(T0101) 認為汽化塔僅有潛熱變化。175 ℃ 甲醇 H = 727.2kJ/kg 水 H = 203IkJ/kgQ=1303.045 727.2+2031 1099.444=3.18 10 kJ/h??6以 300℃導熱油 c 計算 c =2.76 kJ/(kg·K)ppt=Q/(c m)= 3.18 10 /(2.76 141484)=8.14℃?P6則導熱油出口溫度 t =312.9-8.14=304.8℃2導熱油系統(tǒng)溫差為 T=320-304.8=15.2℃ 基本合適.1.2.5換熱器(E0101) 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 一 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= c m t=(1303.045 3.14+1099.444 4.30) (175-25)=13.23 10 kJ/h?p????5管程：沒有相變化，同時一般氣體在一定的溫度范圍內，熱容變化不大，以恒定值計算，這里取各種氣體的比定壓熱容為：c 10.47 kJ/(kg·K)2po?c 14.65 kJ/(kg·K)2Hc 4.19 kJ/(kg·K)po則管程中反應后氣體混合物的溫度變化為：t=Q/(c m)=13.23 10 /(10.47 1756.032+14.65 241.071+4.19 381.067)=?P?5 ??56.26℃換熱器出口溫度為 280-56.26=223.74℃1.2.6冷凝器(E0103) ① CO , CO, H 的冷卻22Q= c m t=(10.47 1756.032+14.65 241.071+1.04 11.288) (223.7-?p?????40)=4.03 10 kJ/h6② CH OH 的量很小，在此其冷凝和冷卻忽略不計。壓力為 1.5MPa時水的冷3凝熱為：H=2135KJ/kg,總冷凝熱 Q =H m=2135 381.067=8.14 10 kJ/h2??5水顯熱變化 Q = c m t=4.19 381.067 (223.7-40)=2.93 10 kJ/h3p?Q=Q +Q + Q =5.14 10 kJ/h1236冷卻介質為循環(huán)水，采用中溫型涼水塔，則溫差△T=10℃用水量 w=Q/( c t)= 5.14 10 /(4.19 10)=122563kg/hp??6第二章 設備設計計算和選型2.1.冷凝器的計算與選型2.1.1.設計任務 根據(jù)給定的工藝設計條件，此設計有相變熱、冷流體間換熱的管殼式換熱器設計任務。 2.1.2.總體設計 ①確定結構形式。由于介質換熱溫差不大，在工藝和結構上均無特殊要求，因此選用固定管板式換熱器。 ②合理安排流程。安排水、甲醇、二氧化碳和氫氣的混合氣走殼程，冷卻水走管程。 2.1.3.熱工計算 熱工設計的計算步驟與結果列于下各表中。1， 原始數(shù)據(jù)計算內容或項目 符號 單位 計算公式或來源 結果 備注管程流體名稱 冷卻水殼程流體名稱 混合氣體冷卻水的進出口溫度；iT0℃ 給定 20；30混合氣體的進出口溫度 ；it℃ 給定 223.7；40冷卻水混合氣體工作壓力；tpsMPa 給定 0.3；1.5混合氣體的質量流量 swkg/s 給定 0.6672，定性溫度與物性參數(shù)計算內容或項目 符號 單位 計算公式或來源 結果 備注混合氣體的定性溫度 mt℃ =( )/2mt21t? 131.85冷卻水的定性溫度 T℃ =( + )/2T25冷卻水，混合氣體密度 ；t?skg/ 3按定性溫度查物性表997；1.74冷卻水，混合氣體比熱容 ；tcsJ/(kg·℃)按定性溫度查物性表4180；2580冷卻水，混合氣體導熱系數(shù)；t?sW/(m·℃)按定性溫度查物性表0.680.11冷卻水，混合氣體的粘度 ；t?sPa·s按定性溫度查物性表8.937 10-5?3.25 10-4冷卻水，混合氣體普朗特數(shù)；tPrs查表或計算 5.594；0.76323,物料與熱量衡算計算內容或項目 符號 單位 計算公式或來源 結果 備注換熱器效率 ?0.98負荷 Q W 見汽化塔熱量衡算 5.14 106?冷卻水的質量流量twkg/s 見過熱器熱量衡算 34.054，有效平均溫差計算內容或項目 符號 單位 計算公式或來源 結果 備注冷流體蒸發(fā)對數(shù)平均溫差Δt log℃Δ =(Δ -Δ t )/ln(Δtlogt12/Δt )76.5流程型式初步確定 1—2型管殼式換熱器1 殼程—2 管程參數(shù) R R=（ - ）/（ - ）Ti0ti18.37參數(shù) P P=（ - ） /( - )0tiTit0.0491溫度校正系數(shù) ?查圖 4-2 1有效平均溫差 Δt M℃ Δ = Δmt?logt76.55，初算傳熱面積計算內容或項目 符號 單位 計算公式或來源 結果 備注初選總傳熱系數(shù) 0KW/( ·℃)2m參考表 4-1 800初算傳熱面積 A=Q/( Δ t )0A0KM83.9876,換熱器結構設計計算內容或項目 符號 單位 計算公式或來源 結果 備注換熱管材料 選用碳鋼無縫鋼管 φ25 ×2.5換熱管內，外徑 ；dim 0.02；0.025換熱管管長 L m 4.5換熱管根數(shù) n n= /（πd L）0A238管程數(shù) tN根據(jù)管內流體流速范圍選定2管程進出口接管尺寸（外徑*壁厚）jtjtSd*按接管內流體流速＜3m/s 合理選取φ159×6 選取殼程數(shù) sNm 1換熱管排列形式分程隔板槽兩側正方形排列，其余正三角形排列正三角形排列換熱管中心距 S mS=1.25d 或按標準40.032管束中心排管數(shù) cn=1.1 （外加cn6 根拉桿）17.183殼體內徑 iDm=S（ -1）iDcn+（1-2）d0.6換熱管長徑比 L/ i L/ i 7.5 合理實排換熱器管根數(shù) n 作圖或按計算 244折流板型式 選定單弓形折流板折流板外徑 bDm 按 GB151-1999 0.5955折流板缺口弦高 h m 取 h=0.20 iD0.12折流板間距 B m取 B=（0.2～1）i0.3折流板數(shù) bN=L/B-1bN14殼程進出口接管尺寸（外徑*壁厚）jsjSd*m 合理選取 φ219×6 選取7，管程傳熱與壓降計算內容或項目符號 單位 計算公式或來源 結果備注管程流速 ium/s =4 /( nπ )iutwTNt?2id0.91管程雷諾數(shù) iRe= /iReii?20371換熱器壁溫 wt?℃ 假定 92管程流體給熱系數(shù)i?W/( 2m·℃)=0.023 /i??nrp8.0eid4345.81管程進出口處流速Ntum/s 4 ])2(/[jtjttt Sw???2.012管程摩擦因子if 查圖 4-3 0.0084管內摩擦壓降Δ fpPa Δ =4 L / ( )fpitNi?2uidw?m7240.6回彎壓降 Δ rPa Δ =4 /2rt2i 3302.46進出口局部壓降Δ NtpPa Δ =1.5 /2Ntpt?2Nu3027管程壓降 Δ tPa Δ =(Δ +Δ ) +ΔtfriFtp17787.3管程最大允許壓降[Δ ]tpPa 查表 4-3 35000校核管程壓降Δ ＜[Δtp]t合理8、殼程傳熱與壓降計算內容或項目 符號 單位 計算公式或來源 結果備注殼程當量直徑 D em D =eind?2?0.1121橫過管束的流通截面積A s2A SBis/)(?0.0394殼程流體流速 u 0m/s u =0sw?9.73殼程雷諾數(shù) Re 0Re =0seD?58391.8殼程流體給熱系數(shù)α oW/( 2m·℃)α o=0.36 e?14.03/15.0)(PrRw21656.92折流板圓缺部分的換熱管數(shù)nw 切口上管子按圓弧比計入 26β 值 β 按表 4-4 0.112折流板圓缺部分流通面積Ab 2m4/22dnDAwib????0.02756折流板圓缺區(qū)流體流速ub m/s bsbu?13.91圓缺區(qū)平均流速 um m/s um= ?011.634殼程進出口處流速uNs m/s uNs= 20)(4jsjsSdw???11.94殼程摩擦因子 fo 查圖 4-4 0.041折流板間錯流管束壓降Δp cPa Δp =4 foc )1(20?besiNDu1084.49圓缺部分壓降 Δp bPa Δp =b20/cbms?695.13進出口局部壓降ΔpNsPa Δp =1.5Ns/2Nsu183.06殼程壓降 Δp sPa Δp =Δp +Δp +Δpscbs1962.68殼程最大允許壓降[Δp]sPa 查表 4-3 35000合理校核殼程壓降Δp ＜ [Δsp ]s合理9，總傳熱系數(shù)計算內容或項目 符號 單位 計算公式或來源 結果 備注管內污垢熱阻 dir·℃/W2m查表 4-5 17.6×10-5管外污垢熱阻 0·℃/W 查表 4-5 17.6×10-5換熱管材料導熱系數(shù)w?W/(m·℃ ) 查表 3 448.85管壁熱阻 r·℃/W2mwr)2ln(wd???5.71×10-5總傳熱系數(shù) K W/( ·℃)2m按式 4-22 1094.310 傳熱面積與壁溫核算計算內容或項目 符號 單位 計算公式或來源 結果 備注需要傳熱面積 A 2mA= mtKQ?61.4實有傳熱面積 A 實 2A 實 =nπd(L-2S )設管板t厚度為 0.03m82.99校核傳熱面積 ΔA ΔA =A 實 / A 1．35熱流體傳熱面積 wht℃ 按式 4-25 126.5冷流體傳熱面積 c℃ 按式 4-26 58.9管壁計算溫度 wt℃ 按式 4-24 92.7校核管壁溫度 Δ ℃ Δ = -wt?0.7結論設計符合要求2.1.4 詳細結構設計與強度設計確定所有零部件的尺寸和材料，并對換熱設備所有受壓元件進行強度計算1，換熱流程設計：采用殼程為單程，管程為雙程的結構型式2，換熱管及其排列方式：采用 25×2.5的無縫鋼管，材料為 20G號鋼。換熱?管排列方式為三角形排列，共排換熱管 238根，另外再設 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 4mm，板數(shù) 14塊。4，拉桿：采用 Q235-B鋼，φ16mm，共 6 根5，筒體：材料采用 Q345R鋼，筒體內徑 φ500mm，厚度由 GB150《鋼制壓力容器》標準計算得到6，封頭：采用標準橢圓封頭，材料采用 Q345R鋼7，管板：采用固定管板，其厚度可以按照 GB151《管殼式換熱器》標準進行設計，材料采用 16MnII鋼確定了換熱器的結構以后，必須對換熱器的所有受壓元件進行強度計算。對鋼制的換熱器，按照 GB150《鋼制壓力容器》標準進行設計。結果如表 4-62.2 結構設計按照 GB150-1998《鋼制壓力容器》進行結構設計計算。2.2.1 筒體(1) 筒體內徑:600mm計算壓力：P =1.7MPa 設計溫度取 228? Cc筒體材料：Q345R 焊接接頭系數(shù) Φ=1.0鋼板厚度負偏差 C1=0.3,腐蝕裕量 C2=1.0mm,厚度附加量 C= C1+ C2=1.3mm.筒體的計算厚度計算? = = 2.8mmPDcit2[]???考慮厚度附加量并圓整至鋼板厚度系列，得材料名義厚度? n = 6mm.強度校核 有效厚度? e =?n - C1- C2=4.7mm?t = = 109.36 MPa ??? ?= 183.00 MPaPDcie()?2 t符合強度要求。（2）根據(jù)筒徑選用非金屬軟墊片：石棉橡膠板 墊片厚度：3mm 墊片外徑:642mm 墊片內徑：604mm根據(jù)筒體名義厚度選用甲型平焊法蘭（JB4702） 法蘭材料：Q345R DN 法蘭外徑 中心孔直徑 法蘭厚度 螺栓孔直徑 螺紋規(guī)格 螺栓數(shù)量600mm 730mm 690mm 40mm 23mm M20 24表 3-2 筒體法蘭數(shù)據(jù)2.2.2封頭封頭內徑：600mm設計壓力：P=0.4MPa 設計溫度取 35? C封頭材料：Q345R 焊接接頭系數(shù) Φ=0.85鋼板厚度負偏差 C1=0.3,腐蝕裕量 C2=1.0mm,厚度附加量 C= C1+ C2=1.3mm.封頭的計算厚度計算選用標準橢圓形封頭，K=1.0? = =0.75mmcti5.0][2PDK???考慮厚度附加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，得材料名義厚度? n = 6mm.強度校核 有效厚度? e =?n - C1- C2=4.7mm?t = =25.63MPa??? ?=189MPaeic2)5.0(?KDP t符合強度要求。根據(jù)筒徑選用標準橢圓形封頭直邊高：25mm 曲邊高：125mm 壁厚：6mm2.2.3管程接管補強計算（按照 GB150-1998 等 面 積 補 強 法 ）接管：φ159 6 材料：20G ?δ = =0.8mmPDcit2[]???d=150.2mm=6mm mmtn?126.4etntC????0.78?rf=425.8 mm2)1(2dretfA??50.3.4md217230.4mntBB???????30.20m115nthh?接 管 實 際 外 伸 高 度3.02 0ntd???接 管 實 際 內 伸 高 度 21()2()18.7meet rABf???2 2943trthfhC??23m6?2e12351.98AA?補強滿足要求,不需另加補強。2.2.4 殼程接管補強計算（按照 GB150-1998 等 面 積 補 強 法 ）接管：φ219 6 材料：20G?δ = = =1.44mmPDcit2[]???PDcit2[]???d= 210.2mm=6mm mmtn?124.etntC??0.765?rf=594.35mm2)1(2dretfA???2d40.m234. 40.mntBB????35.1501135.ntdhh??接 管 實 際 外 伸 高 度3.1m0220mntd???接 管 實 際 內 伸 高 度 21()2()361.5eet rABf???2 24trthfhC??23m6?2e12359.AA?所增加的補強金屬截面積 2434.me??補強圈材料 Q345R，外徑 300mm，厚度 6mm補強滿足要求。2.2.5 換熱管（ GB151-1999）管子材料：20G 根據(jù)上節(jié)中計算的管子內徑選用尺寸：φ25×2.5 管長：4500 根數(shù)：238實排根數(shù)：244（外加 6根拉桿） 排列形式：正三角形 中心距：32 管束中心排管數(shù)：17 長徑比：9 2.2.6 折流板（ GB151-1999）材料：Q235-B 形式：單弓形 外直徑：600 管孔直徑：25.4缺口弦高：120mm 間距：300 mm 板數(shù)：14 厚度：4mm2.2.7 拉桿（ GB151-1999）直徑：16 螺紋規(guī)格：M16 根數(shù)；62.3SW6 軟件校核2.3.1 固定管板換熱器設計計算2.3.2 前端管箱筒體計算2.3.3 前端管箱封頭計算2.3.4 后端管箱筒體計算2.3.5 后端管箱封頭計算2.3.6 殼程圓筒計算2.3.7 開孔補強計算2.3.8 延長部分兼作法蘭固定式管板2.3.9 管箱法蘭計算第三章 機器選型及管道設計整個系統(tǒng)有五處需要用泵:原料水輸送計量泵 P0101、原料甲醇輸送計量泵P0102、混合原料計量泵 P0103、冷卻水用泵 P0104、吸收液用泵 P01053.1計量泵的選型3.1.1甲醇計量泵 P0102選型已知條件：甲醇正常投料量為 1303.045kg/h。溫度為 25℃。密度為0.807kg/L；操作情況為泵從甲醇儲槽中吸入甲醇，送入原料液儲罐，與水混合工藝所需正常的體積流量為 1303.045/0.807＝1614.678L/h泵的流量 Q＝1.05×1614.678＝1694.41L/h工藝估算所需揚程 10m,泵的揚程 H＝1.1×10＝11m折合程計量泵的壓力：P= gh=807×9.81×11/106=0.087MPa?泵的選型：查表得，JD1990/1.1 型計量泵的流量為 1990L/h，壓力 1.1MPa，轉速 1400r/min，電機功率 2.2KW，滿足要求3.1.2純水計量泵 P0101選型已知條件：水的正常投料量為 1099.444kg/h。溫度為 25℃。密度為0.997kg/L；操作情況為泵從純水儲槽中吸入水，送入原料液儲罐，與甲醇混合工藝所需正常的體積流量為：1099.444/0.997＝1102.752L/h泵的流量 Q＝1.05×1102.752＝1157.89L/h工藝估算所需揚程 10m,泵的揚程 H＝1.1×10＝11m折合程計量泵的壓力：P= gh=997×9.81×11/106=0.108MPa?泵的選型：查表得，JD1250/1 型計量泵的流量為 1250L/h，壓力 1MPa，轉速91r/min，電機功率 2.2KW，滿足要求3.1.3混合原料計量泵 P0103選型已知條件：原料的正常投料量為 2402.489kg/h。溫度為 25℃。密度為0.860kg/L；操作情況為泵從原料液儲槽 V0101中吸入原料，送入預熱器 E0101 工藝所需正常的體積流量為：2402.489/0.860＝2793.592L/h泵的流量 Q＝1.05×2793.592＝2933.271L/h工藝估算所需揚程 10m,泵的揚程 H＝1.1×10＝11m折合程計量泵的壓力：P= gh=860×9.81×11/106=0.093MPa?泵的選型：查表得，2JD3960/0.6 型計量泵的流量為 3960L/h，壓力 0.6MPa，轉速 1400r/min，電機功率 2.2KW，滿足要求3.1.4吸收液用泵 P0105選型已知條件:①吸收液的輸送溫度 25℃,密度 760Kg/m3.泵的正常流量為 77.427 m3/h。②操作情況,泵從吸收液儲槽中吸入吸收液,送入 T0102中，再回解析塔解析出 CO2，循環(huán)使用.確定泵的流量及揚程工藝所需的正常體積流量為 77.427 m3/h泵的流量取正常流量的 1.05倍:Q=1.05×77.427=81.298 m 3/h所需工藝泵的揚程估算:因水槽和冷卻器液面均為大氣壓,故估算揚程只需考慮最嚴格條件下的進出管道阻力損失和位高差，約為 35m.泵的揚程取 1.1倍的安全裕度：H=1.1×35=38.5泵的選型：查表得，選用 100Y60A型離心泵，流量為 90m3/h，揚程 49 m，轉速2950r/min,電機功率 22kw,滿足要求。3.1.5冷卻水用泵 P0104選型已知條件:①水的輸送溫度 25℃,密度 997Kg/m3.泵的正常流量為 122563kg/h②操作情況,泵從水槽中吸入水,送入冷凝器 E0103中換熱，再冷卻送回水槽，循環(huán)使用.確定泵的流量及揚程工藝所需的正常體積流量為 122563/997=122.932 m3/h泵的流量取正常流量的 1.05倍:Q=1.05×122.932=129.078m 3/h所需工藝泵的揚程估算:因水槽和冷卻器液面均為大氣壓,故估算揚程只需考慮最嚴格條件下的進出管道阻力損失和位高差，約為 25m.泵的揚程取 1.1倍的安全裕度：H=1.1×25=27.5水泵選型，選用離心式水泵查表得，IS150-125-315 型水泵最佳工況點：揚程 32m,流量 200 m3/h,轉速1450r/min，軸功率 22.35KW，電機功率為 30KW，效率 78％。允許氣蝕余量 3m,選用該型號泵較合適。3.2管子選型（確定幾種主要管道尺寸的方法如下）3.2.1材料選擇綜合考慮設計溫度、壓力以及腐蝕性（包括氫腐蝕），本裝置主管道選擇 20 g無縫鋼管，理由如下： 腐蝕性——本生產裝置原料甲醇、導熱油對材料無特殊腐蝕性；產品氫氣對產品可能產生氫腐蝕，但研究表明碳鋼在 220℃以下氫腐蝕反應速度極慢，而且氫分壓不超過 1.4MPa時，不管溫度有多高，都不會發(fā)生嚴重的氫腐蝕。本裝置中臨氫部分最高工作溫度為 300℃，雖然超過 220℃，但轉化氣中氫氣的分壓遠低于 1.4MPa。所以 20g無縫鋼管符合抗腐蝕要求。溫度——20g 無縫鋼管的最高工作溫度可達 475℃，溫度符合要求。經濟性——20g 無縫鋼管屬于碳鋼管，投資成本和運行維護均較低。3.2.2管子的規(guī)格尺寸的確定及必要的保溫層設計①導熱油管道的規(guī)格和保溫結構的確定流量 ＝141484Kg/h＝0.049m 3/s 流速范圍 0.5～4.0m/s 取為vq2.0m/s 則Di＝ ＝176.6mm uqv?4壁厚 t＝ ＝ ＝0.664mm ??itip???26.08127.??Sch.x=1000× =1000× =6.查表應選用 Sch.10系列得管子故選擇 R0101管道規(guī)格為 DN200，壁厚為 5.9mm , 流速校正 u= =1.56m/s24Dqv?E0102管道規(guī)格為 DN150,壁厚為 5mm,流速校正 u= =2.77m/s24Dqv?T0101管道規(guī)格為 DN125,壁厚為 4.5mm, 流速校正 u= =3.993m/s24Dqv?保溫層計算:管道外表面溫度 T0=320,環(huán)境年平均溫度 Ta=20℃,年平均風速為2m/s,采用巖棉管殼保溫,保溫結構單位造價為 750元/m 3,貸款計息年數(shù)為 5年,復利率為 10%,熱價為 10元/10 6kJ.設保溫層外表面溫度為 30℃,巖棉在使用溫度下的導熱系數(shù)為0.0609W/(m.K),????????????7023018.42.?表面放熱系數(shù)為12 W/(m2.K)?????36.36.??s保溫工程投資償還年分攤率S= =0.264??1.05???計算經濟保溫層經濟厚度=??STaHPtD???279.3ln0301???0.316????? 12069.264.75389.5.3查表得保溫層厚度 R0101:δ=113mm; E0102:δ=107mm; T0101:δ=103mm. 計算保溫后的散熱量(R0101,DN200)=156.783W????1245.0219.60ln6.134.2ln110 ????????SaDTq???/m計算保溫后表面溫度 = =29.34℃assTq???11245.07836?計算出來的表面溫度 29.34℃略低于最初計算導熱系數(shù)是假設的表面溫度 30℃,故 δ=113mm 的保溫層可以滿足工程要求.計算保溫后的散熱量(E0102,DN150)=131.244W????1237.0159.20ln6.4.32ln110 ????????SaDTq???/m計算保溫后表面溫度 = =29.4℃assTq???11237.04?計算出來的表面溫度 29.4℃略低于最初計算導熱系數(shù)是假設的表面溫度30℃,故 δ=107mm 的保溫層可以滿足工程要求.計算保溫后的散熱量(T0101,DN125)=118.824W????1239.01.2630ln69.4.2ln110 ????????SaDTq???/m計算保溫后表面溫度 = =29.3℃assTq???11239.084?計算出來的表面溫度 29.3℃略低于最初計算導熱系數(shù)是假設的表面溫度30℃,故 δ=103mm 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 ＝1303.048Kg/h＝0.00045m 3/s 一般吸水管中流速 u1 =1m/s,出vq水管中流速 u2=1.8m/s 則Di＝ ＝23.9mm /17.8mmuqv?4故選擇 PL0101管道規(guī)格為 DN25,壁厚為 2mm 選擇 PL0102管道規(guī)格為 DN20,壁厚為 1.8mm. 流速校正 u 1= =0.65m/s,合適 u 2= =1.05m/s24Dqv?24Dqv?③脫鹽水原料管道的規(guī)格流量 ＝1099.4471Kg/h＝0.00025m 3/s 計算過程同上v選擇 DNW0101管道規(guī)格為 DN20，壁厚為 1.8mm。 選擇 DNW0102管道規(guī)格為 DN15，壁厚為 1.6mm。流速校正 u 1= =0.586m/s u2= =0.972m/s24Dqv?24Dqv?④甲醇水混合后原料管道的規(guī)格流量 ＝0.00074m 3/s 計算過程同上vq選擇 PL0103管道規(guī)格為 DN32，壁厚為 2.6mm，選擇 PL0104 、PL0105 管道規(guī)格為 DN25，壁厚為 2mm。流速校正 u 1= =0.788m/s u2= =1.212m/s24Dqv?24Dqv?⑤吸收液碳酸丙烯酯管道的規(guī)格流量 ＝731.679Kg/h＝0.022m 3/s 計算過程同上vq選擇 PL0107管道規(guī)格為 DN100，壁厚為 5mm選擇 PL0106 、PL0108、PL0109 管道規(guī)格為 DN80，壁厚為4mm流速校正 u 1= =2.8m/s u2= =4.38m/s24Dqv?24Dqv?⑥冷卻水管道的規(guī)格流量 ＝122563Kg/h＝0.034m 3/s 計算過程同上vq選擇 CWS0101、CWS0102 管道規(guī)格為 DN150，壁厚為 5mm 選擇 CWS0103管道規(guī)格為 DN125，壁厚為 4.5mm 流速校正 u 1= =1.73m/s u2= =2.53m/s24Dqv?24Dqv?⑦PG0101、PG0102、PG0103、PG0104 混合氣管道的規(guī)格流量 ＝2402.489Kg/h＝0.054m 3/s 計算過程同上vq200℃:壁厚 t＝ ＝ ＝0.656mm??itip???26.1802.??流速校正 u 1= =10.74m/s24Dv?300℃:壁厚 t＝ ＝ ＝3mm??itip???6.18023.??流速校正 u 1= =8m/s24qv?300℃:壁厚 t＝ ＝ ＝2mm??itipD???6.1802.??流速校正 u 1= =9.98m/s24qv?選擇 PG0101管道規(guī)格為 DN89，壁厚為 4mm 選擇 PG0102、PG0103 管道規(guī)格為 DN300mm，壁厚為 5.9mm 選擇 PG0104管道規(guī)格為 DN200mm，壁厚為 5.9mm ⑧其它管道規(guī)格尺寸選擇 PG0105管道規(guī)格為 DN200，壁厚為 5.9mm PG0107，PG0106 管道規(guī)格為 DN80，壁厚為 4mm 3.3主要管道工藝參數(shù)匯總一覽表序號所在管道編號 管內介質設計壓力設計溫度流量 狀態(tài)流速公稱直徑材料1 PG0106-80M1B 氫氣 50 241.07 氣相 11 80 20g2 PG0101-80M1B 200 2402.5 氣相 11 80 20g3 PG0102-300M1B-H甲醇 54.5% 水 45.5% 300 2402.5 氣相 8 300 20g4 PG0103-300M1B 300 2402.5 氣相 8 300 20g5 PG0104-200M1B-HH2 10% CO2 73% H2O17%200 2402.5 氣相 10 200 20g6 PG0105-200M1BH212%CO288%1.650 2008.4 氣相 10 200 20g7 RO0101-200L1B-H 導熱油 0.6 320 141484 液相 1.6 200 20g8 RO0102-200L1B-H 導熱油 0.6 320 141484 液相 1.6 200 20g9 RO0103-150L1B-H 導熱油 0.6 320 141484 液相 2.7 150 20g10 RO0104-125L1B-H 導熱油 0.6 320 141484 液相 3.9 125 20g11 PL0101-25L1B 甲醇 常壓 50 1303.05 液相 0.7 25 20g12 PL0102-20L1B 甲醇 常壓 50 1303.05 液相 1.1 20 20g13 PL0103-32L1B 原料液 常壓 50 2402.5 液相 0.8 32 20g14 PL0104-25M1B 原料液 1.6 50 2402.5 液相 1.2 25 20g15 PL0105-32M1B 原料液 1.6 200 2402.5 液相 0.8 32 20g16 PL0106-80L1B 吸收液 0.4 25 85169.7 液相 4.4 80 20g17 PL0107-100L1B 吸收液 0.4 25 85169.7 液相 2.8 100 20g18 PL0108-80L1B 吸收液 0.4 25 85169.7 液相 4.4 32 20g19 DNW0101-20L1B 脫鹽水 0.3 50 1099.44 液相 0.6 20 20g20 DNW0102-15L1B 脫鹽水 0.3 50 1099.44 液相 1.0 15 20g21 CWS0101-150L1B 冷卻水 0.4 35 122563 液相 1.7 150 鍍鋅管22 CWS0102-150L1B 冷卻水 0.4 35 122563 液相 1.7 150 鍍鋅管23 CWR0103-125L1B 冷卻水 0.4 35 122563 液相 2.5 125 鍍鋅管24 PG0107-80L1B 二氧化碳 0.4 50 1756.03 氣相 11 80 0Cr18Ni925 PL0109-80L1B 吸收液 0.4 25 85169.7 液相 2.8 20 20g以上 20號鋼均參照 GB/T8163-1999 鍍鋅管參照 GB/T149763.4 各部件的選擇及管道圖3.4.1管道上閥門的選型閥門選型序號所在管道編號管內介質設計壓力設計溫度公稱直徑連接形式閥門型號1 PG0106-80M1B 氫氣 1.6 50 80 法蘭閘閥：Z41H-1.6C 等，截止閥：J41H-1.6C2 RO0101-200L1B-H 導熱油 0.6 320 200 法蘭3 RO0104-125L1B-H 導熱油 0.6 320 125 法蘭閘閥：Z41H-16C、Z41Y-16C等，截止閥：J41H-16C 等4 PL0101-25L1B 甲醇 常壓 50 25 法蘭5 PL0102-20L1B 甲醇 常壓 50 20 法蘭6 PL0103-32L1B 原料液 常壓 50 32 法蘭閘閥：Z41H-16C、Z41Y-16C、等，截止閥：J41H-16C等 止回閥：H41H-2.57 DNW0101-20L1B 脫鹽水 0.3 50 20 法蘭 Z15W-10T8 DNW0101-15L1B 脫鹽水 0.3 50 15 法蘭 Z15W-10T9 PG0107-80L1B二氧化碳 0.4 50 80法蘭閘閥：Z41H-16C 等，截止閥：J41H-16C 等10 PL0108-80L1B 吸收液 0.4 25 80 法蘭閘閥： Z15W-1.0T 止回閥：H41H-1.611 PL0107-100L1B 吸收液 0.4 25 20 法蘭 Z15W-1.0T所選閥門軍參照標準 JB308-753.4.2管道法蘭選型法蘭選型序號所在管道編號 管內介質設計壓力設計溫度公稱直徑閥門公稱壓力等級法蘭類型密封面型式公稱壓力等級1 PG0106-80M1B 氫氣 50 802 PG0101-80M1B 2002.5 2.53 PG0102-300M1B-H 3004 PG0103-300M1B 300300 4.0 4.05 PG0104-200M1B-H 2286 PG0105-200M1B混合氣體 1.6507 RO0101-200L1B-H 導熱油 0.6 3208 RO0102-200L1B-H 導熱油 0.6 3202009 RO0103-150L1B-H 導熱油 0.6 320 15010 RO0104-125L1B-H 導熱油 0.6 320 12511 PL0101-25L1B 甲醇 常壓 50 2512 PL0102-20L1B 甲醇 常壓 50 2013 PL0103-32L1B 原料液 常壓 50 3214 PL0104-25M1B 原料液 1.6 50 2515 PL0105-32M1B 原料液 1.6 200 322.5 2.516 PL0106-80L1B 吸收液 0.4 25 8017 PL0107-100L1B 吸收液 0.4 25 10018 PL0108-80L1B 吸收液 0.4 25 801.0凹凸面1.019 DNW0101-20L1B 脫鹽水 0.3 50 2020 DNW0102-15L1B 脫鹽水 0.3 50 1521 CWS0101-150L1B 冷卻水 0.4 3522 CWS0102-150L1B 冷卻水 0.4 3515023 CWR0101-125L1B 冷卻水 0.4 35 1251.0帶頸平焊法蘭突面 1.0