课程设计过程装备跟控制工程建设.docx
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课程设计过程装备跟控制工程建设
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↑+H2
CH3OHF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↑+0.01CH3OH
CO+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CO2 337.828/32*0.9801*44=455.370kg/h
H2 337.828/32*2.9601*2=62.500kg/h
CO 337.828/32*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=9.45
0.4MPa压力下ρCO2=pM/RT=4*44/[0.082*(273.15+25)]=7.20kg/m³
CO2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=0.824MPa
p总=1.3704MPa<1.5MPa
再设T=175℃ p甲醇=2.4MPA;p水0.93MPa
p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/kg
Q=337.828*727.2+2031*285.042=8.246*105 kj/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/h
②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/h
Q=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;ps
MPa
已计算
1.5;1.5
管程的质量流量
Wt
kg/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
Q
W
3.43*105
壳程的质量流量
ws
kg/s
0.1730
(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
R
0.375
参数
P
0.588
温度校正系数
Φ
查图4-2
0.95
有效平均温差
ΔtM
℃
ΔtM=ΦΔtlog
141.041
(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
K0
W/(m2.℃)
参考表4-1
240
初算传热面积
A0
m2
2.815
(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;d
m
0.025;0.021
换热管管长
L
m
选用9m标准管长折半
1.5
换热管根数
n
24(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*Sjt
m
按接管内流体流速<3m/s合理选取
管程结构设计
壳程数
Ns
1
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
S
m
S=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
nc
7
壳体内径
Di
m
0.171
换热器长径比
L/Di
L/Di
8.771
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
Db
m
按GB151-1999
0.168
折流板缺口弦离
h
m
取
0.0342
折流板间距
B
m
取
0.171
折流板数
Nb
16
选取
壳程进出口接管尺寸
djs*Sjs
合理选取
(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)换热管及其排列方式:
采用的无缝钢管,材料为20号钢。
热管排列方式为三角形排列。
如图所示,共排列36根。
3)折流板:
采用通用的单弓形折流板,材料为Q235-B钢,板厚6mm,板数16块。
4)拉杆:
采用Q235-B,mm,共6根。
5)筒体:
材料采用16MnR钢,采用钢管,取Dn=219mm
6)封头:
采用标准椭圆形封头,材料采用16MnR钢。
取Dn=219mm采用标准封头,长径是短径的2倍,即54.75取55
筒体厚度,=1.05mm
考虑到内部压力较大,有腐蚀性等因素,取δ=4mm
封头h2=25mm h1=55mm
(图2-1)
7)法兰:
甲型。
垫片种类。
非金属轻垫片,石棉橡胶板
法兰材料:
板材16MnR
螺栓材料:
35
螺母材料:
Q235-B
筒体法兰
选用甲型平焊法兰JB4701-92,密封面选用平密封面
JB4701-92法兰PⅡ219-16M
DN=300D=430,D1=390,D2=355,D3=345,D4=345,δ=342,螺柱:
M20,16个
管程和壳程进出口接管法兰
选用带颈平焊钢制管法兰
尺寸分别为:
管程:
D=140,K=100,L=18,n=4,Th=M16,C=18,B1=39,N=60,R=5,H=30,质量=2.02kg
壳程:
D=185,K=145,L=18,n=4,Th=M16,C=2-,B1=78,N=104,R=6,H=32,质量=3.66
(图2-2)
8)管板:
采用固定式管板,其厚度可以按照GB151《管壳式换热器》标准进行设计,取40mm。
9)支座:
型式:
重型
安装形式,固定式,代号F
材料:
Q235-A.F
结构特征,包角,弯制,单筋,不带垫板
标记:
JB/T4712-92鞍座BV219-F
第三章机器选型
3.1计量泵的选择
往复泵是容积式泵。
在高压力小流量,输送粘度大的液体,要求精确计量即要求流量随压力变化小的情况下宜选用各种类型式的往复泵。
要求精确计量时,应用计量泵。
往复泵的流量可采用各种调节机构达到精确计量,即计量泵。
计量泵用于生产中需要精确计量,所输送介质的场合:
如注缓蚀剂,输送酸,碱等。
流量可在0-100%范围内调节,但一般应在30%-100%范围内使用,计量泵有柱塞式和隔膜式,柱塞式计量流量的精度高玉隔膜式。
J型计量泵适用于输送各种不含固体颗粒的腐蚀性和非腐蚀性介质。
甲醇制氢工艺需要精确的投料比,故应选用计量泵。
现工艺设计要求甲醇的投料量为337.826kg/h,水为285.041kg/h,现按工艺要求分别选择一台甲醇计量泵,一台纯水计量泵,一台原料计量泵。
已知条件:
1、甲醇正常投料量为337.826kg/h,温度为25℃,密度为0.807kg/h,操作情况为泵从甲醇储槽中吸入甲醇,送入与原料液储槽,与水混合。
2、水的正常投料量为285.041kg/h,温度为25℃,密度为0.997kg/h,操作情况为泵从纯水储槽中吸入水,送入原料液储槽,与甲醇混合。
3、 原料液储槽出来的量为甲醇337.826kg/h,水285.041kg/h,温度为25℃,操作情况为泵从原料液储槽中吸入原料液,送入换热器。
3.11甲醇计量泵选型
工艺所需正常的体积流量为:
337.826/0.807=418.61L/h
泵的流量Q=1.05*418.62=439.55L/h
工艺估算所需扬程30M,泵的扬程H=1.1*30=33M。
折合成计量泵的压力(泵的升压)P=ρHg=33*807*8.81/106=0.261Mpa
泵的选型,查文献一,JZ-500/0.63型计量泵的流量为500L/h,压力为0.63Mpa,转速为102r/min,进出口管径为15mm,电机功率为1.1KW,满足需要。
3.1.2纯水计量泵的选型
工艺所需正常的体积流量为:
285.041/0.997=285.90L/h
泵的流量Q=1.05*285.90=315.20L/h.
工艺估算所需扬程30M,泵的扬程:
H=1.1*30=33M
折合成泵的压力:
P=Hρg=33*997*9.81/106=0.323Mpa
泵的选型:
查文献一,JZ-400/0.8型计量泵的流量为400L/h,压力为0.8Mpa,转速为126r/min,进出口管径为15mm,电机功率为1.1KW,满足要求。
3.1.3原料计量泵的选型
原料液密度:
ρ=807*1/(1+1.5)+997*1.5/(1+1.5)=921kg/m3
工艺所需正常的体积流量为:
(285.041+337.826)/(0.921)=622.867/0.921=676.29L/h
泵的流量Q=1.05*676.29=710.10L/h
工艺估算所需的扬程80M,泵的扬程H=1.1*80=88M
折合成泵的压力P=ρHg=88*921*9.81/106=0.795MPa
泵的选型查文献一,JD-1000/1.3型计量泵的流量为1000L/h,压力为1.3MPa,转速为115r/min,电机功率为2.2KW,满足要求。
3.2离心泵的选型
3.2.1吸收剂循环泵
已知条件:
碳酸丙烯酯吸收剂的用量为20.07m3/h,温度为40℃,密度为1100kg/m3,由吸收塔出口出来经泵送到吸收塔,选择离心泵作为吸收剂的输送泵。
工艺所需正常的体积流量为:
20.07m3/h。
泵的流量Q=1.05*20.07=21.07m3/h
工艺估算所需的扬程30M
泵的扬程H=1.1*30=33M
泵的选型:
查文献一,选用B型单级离心泵,BJ(B)25-40型离心泵,流量为25m3/h,扬程为40m,转速为2950r/min,电机功率5.5KW,满足要求。
3.2.2冷却水泵。
已知条件:
冷凝水为循环水,采用中温型冷水塔,温差ΔT=10℃,用水量3.19*104kg/h,温度为常温25℃,密度为997kg/m3,在冷凝器中进行换热,采用B型单级离心泵。
工艺上所需正常体积流量为3.19*104/997=32m3/h
泵的流量:
Q=1.05*32=33.6m3/h
工艺估算所需的扬程30M
泵的扬程H=1.1*30=33M
泵的选型:
查文献一,选用B型单级离心泵BJ(B)50-40型离心泵,流量50m3/h,扬程42m,转速2950r/min,电机功率10KW,满足要求。
第四章 设备布置图设计
4.1设备布置方案
本次设备布置方案,采用设备在室外布置,具体设备布置方案和尺寸清参加设备布置图,比例为1:
100。
4.2主要设备的尺寸
代号
名称
高度mm
直径mm
V0101
甲醇储罐
1200
2000
V0102
纯水储罐
1200
2000
V0103
原料液储罐
1800
2000
T0101
气化塔
6600
800(400)
T0102
吸收塔
6600
2000(500)
T0103
解析塔
6600
2000(500)
R0101
转化器
5505(长度)
500
E0101
预热器
3574
219
E0102
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- 课程设计 过程 装备 控制工程 建设