甲醇制氫設(shè)計(jì)工藝

1、前 言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(mén)和服務(wù)部門(mén)，由于使用要求的不同，這些部門(mén)對(duì)氫氣的純度、對(duì)所含雜質(zhì)的種類(lèi)和含量都有不相同的要求，特別是改革開(kāi)放以來(lái)，隨著工業(yè)化的進(jìn)程，大量高精產(chǎn)品的投產(chǎn)，對(duì)高純度的需求量正逐步加大，等等對(duì)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(kāi)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：電解水法；氯堿工業(yè)中電解食鹽水副產(chǎn)氫氣；烴類(lèi)水蒸氣轉(zhuǎn)化法；烴類(lèi)部分氧化法；煤氣化和煤水蒸氣轉(zhuǎn)化法；氨或甲醇催化裂解法；石油煉制與石油化工過(guò)

2、程中的各種副產(chǎn)氫；等等。其中烴類(lèi)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油化工工業(yè)上大規(guī)模用氫的場(chǎng)合，工藝路線復(fù)雜，流程長(zhǎng)，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2003000m3/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(guó)家的重視。甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化制氫具有以下特點(diǎn)：（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(dòng)式的裝置，操作方便，搬運(yùn)靈活。對(duì)于中小規(guī)模的用氫場(chǎng)合，在沒(méi)有工業(yè)含氫尾氣的情況下，甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化

3、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 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 32 甲醇制氫工藝設(shè)計(jì) 42.1 甲醇制氫工藝流程 42.2 物料衡算 42.3 熱量衡算 63 反應(yīng)器設(shè)計(jì) . 93.1 工藝計(jì)算 93.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 134 管道設(shè)計(jì).5 自控設(shè)計(jì).6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、環(huán)境評(píng)價(jià)7 結(jié)束語(yǔ).8 致謝.9 參考文獻(xiàn).附錄：1.反應(yīng)器裝配圖，零件圖2.管道平面布置圖3.設(shè)備平面布置圖4.管道儀表流程圖5.管道空視圖6.單參數(shù)控制方案圖1、設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)2、甲醇制氫

4、工藝設(shè)計(jì)2.1 甲醇制氫工藝流程甲醇制氫的物料流程如圖12。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(chǔ)罐，通過(guò)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(guò)換熱器(E0102)過(guò)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(chǔ)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CO2，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CO2、CO及其它雜質(zhì)，得到一定純度要

5、求的氫氣。圖12 甲醇制氫的物料流程圖及各節(jié)點(diǎn)物料量2.2 物料衡算1、依據(jù)甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)方程式: CHOHCO+2H （1-1）CO+HOCO+ H （1-2）CHOH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)?CHOH0.99CO+1.98H+0.01 CHOHCO+0.99HO0.99CO+ 1.99H+0.01CO合并式(1-5),式(1-6)得到: CHOH+0.981 HO0.981 CO+0.961 H+0.01 CHOH+0.0099 CO氫氣產(chǎn)量為: 1200m

6、/h=53.571 kmol/h甲醇投料量為: 53.571/2.960132=579.126 kg/h水投料量為: 579.126/321.518=488.638 kg/h3、原料液儲(chǔ)槽(V0101)進(jìn): 甲醇 579.126 kg/h , 水 488.638 kg/h出: 甲醇 579.126 kg/h , 水 488.638 kg/h4、換熱器 (E0101),汽化塔(T0101),過(guò)熱器(E0103)沒(méi)有物流變化.5、轉(zhuǎn)化器 (R0101)進(jìn) : 甲醇 579.126kg/h , 水488.638 kg/h , 總計(jì)1067.764 kg/h出 : 生成 CO 579.126/320.

7、980144 =780.452 kg/h H 579.126/322.96012 =107.142 kg/h CO 579.126/320.009928 =5.017 kg/h 剩余甲醇 579.126/320.0132 =5.791 kg/h 剩余水 488.638-579.126/320.980118=169.362 kg/h 總計(jì) 1067.764 kg/h6、吸收塔和解析塔 吸收塔的總壓為15MPa,其中CO的分壓為0.38 MPa ,操作溫度為常溫(25). 此時(shí),每m 吸收液可溶解CO11.77 m.此數(shù)據(jù)可以在一般化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到，二氯化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度數(shù)據(jù)見(jiàn)表1一

8、l及表12。解吸塔操作壓力為0.1MPa, CO溶解度為2.32,則此時(shí)吸收塔的吸收能力為:=9.450.4MPa壓力下 =pM/RT=0.444/0.0082(273.15+25)=7.20kg/ mCO體積量 V=780.452/7.20=108.396 m/h據(jù)此,所需吸收液量為 108.396/9.45=11.47 m/h考慮吸收塔效率以及操作彈性需要,取吸收量為 11.47 m/h=34.41 m/h可知系統(tǒng)壓力降至0.1MPa時(shí),析出CO量為108.396m/h=780.451 kg/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(guò)程進(jìn)行計(jì)算,在此,忽略這些組分在吸

9、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(jiàn)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(cè)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(cè)中都可以得到，這里從略。在本工藝過(guò)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(mén),根據(jù)汽液平衡關(guān)系有 0.4p+0.6p=1.5MPa初設(shè) T=170 p=2.19MPa; p

10、=0.824 MPa p=1.3704<1.5 MPa再設(shè) T=175 p=2.4MPa; p=0.93 MPa p=1.51 MPa蒸氣壓與總壓基本一致,可以認(rèn)為操作壓力為1.5MPa時(shí),汽化塔塔頂溫度為175.2、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=579.1260.99/321000(-49.66) =-8.9010 kJ/h此熱量由導(dǎo)熱油系統(tǒng)帶來(lái),反應(yīng)溫度為280,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(cè)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:c=4.18680.68=2.85kJ/

11、(kg·K), c=2.81kJ/(kg·K)取平均值 c=2.83 kJ/(kg·K)則導(dǎo)熱油用量 w=Q/(ct)= 8.9010/(2.835)=62898 kg/h3、過(guò)熱器(E0102)甲醇和水的飽和蒸氣在過(guò)熱器中175過(guò)熱到280,此熱量由導(dǎo)熱油供給.從手冊(cè)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(jiàn)表1-4.氣體升溫所需熱量為:Q= cmt=(1.90579.126+4.82488.638) (280-175)=3.6310kJ/h導(dǎo)熱油c=2.826 kJ/(kg·K), 于是其溫降為: t=Q/(cm)= 3.6310/(2.8

12、2662898)=2.04導(dǎo)熱油出口溫度為: 315-2.0=313.04、汽化塔（TO101 ) 認(rèn)為汽化塔僅有潛熱變化。175 甲醇H = 727.2kJ/kg 水 H = 203IkJ/kg Q=579.126727.2+2031488.638=1.4110 kJ/h以300導(dǎo)熱油c計(jì)算 c=2.76 kJ/(kg·K)t=Q/(cm)=1.4110/(2.7662898)=8.12則導(dǎo)熱油出口溫度 t=313.0-8.1=304.9導(dǎo)熱油系統(tǒng)溫差為T(mén)=320-304.9=15.1 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

13、數(shù)據(jù)也可以從手冊(cè)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= cmt=(579.1263.14+488.6384.30) (175-25)=5.8810kJ/h管程：沒(méi)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： c10.47 kJ/(kg·K) c14.65 kJ/(kg·K) c 4.19 kJ/(kg·K)則管程中反應(yīng)后氣體混合物的溫度變化為：t=Q/(cm)=5.8810/(10.47780.452+14.65107.142+4.19169.362)=56.3

14、換熱器出口溫度為 280-56.3=223.76、冷凝器（EO103) 在E0103 中包含兩方面的變化：CO, CO, H的冷卻以及CHOH , HO的冷卻和冷凝. CO, CO, H的冷卻Q=cmt=(10.47780.452+14.65107.142+4.195.017) (223.7-40)=1.7910kJ/h CHOH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 Q=Hm=2135169.362=3.6210kJ/h水顯熱變化Q= cmt=4.19169.362(223.7-40)=1.3010kJ/h Q=Q+Q+ Q=2

15、.2810kJ/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/( ct)= 2.2810/(4.1910)=54415kg/3、反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 工藝計(jì)算已知甲醇制氫轉(zhuǎn)化工藝的基本反應(yīng)為：CH3OH+H2O=CO2+3H2。該反應(yīng)在管式反應(yīng)器進(jìn)行，進(jìn)出反應(yīng)器的各物料的工藝參數(shù)如表3-1所示。物流名稱(chēng)管程殼程/(kg/h)進(jìn)口/(kg/h)出口/(kg/h)設(shè)計(jì)溫度/oC壓力/MPa進(jìn)出口/(kg/h)設(shè)計(jì)溫度/oC壓力/MPa甲醇579.1265.7912801.5水488.638169.362二氧化碳780.452一氧化碳5.017氫氣107.142導(dǎo)熱油62898

16、3200.5表3-1 反應(yīng)器的物流表（1）計(jì)算反應(yīng)物的流量對(duì)于甲醇，其摩爾質(zhì)量為_(kāi)32 kg·k/mol，則其摩爾流量為：579.126/32=18.098kmol/h對(duì)于水，其摩爾質(zhì)量為 18 kg·k/mol，其摩爾流量為：488.638/18=27.147 kmol/h對(duì)于氫氣，其摩爾質(zhì)量為 2 kg·k/mol,其摩爾流量為：107.142/2=53.571 kmol/h對(duì)于一氧化碳，其摩爾質(zhì)量為 28 kg·k/mol,其摩爾流量為：5.017/28=0.179 kmol/h進(jìn)料氣中甲醇的摩爾分率yA為：yA=對(duì)于甲醇和水，由于溫度不太高（28

17、0 oC），壓力不太大（1.5MPa），故可將其近似視為理想氣體考慮。有理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT，可分別計(jì)算出進(jìn)料氣中甲醇和水的體積流量：甲醇的體積流量VA為：VA= m3/h水的體積流量VB為：VB= m3/h進(jìn)料氣的總質(zhì)量為：mo= 55.489+83.233=1067.764 kg/h（2）計(jì)算反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)甲醇的流量為579.126 kg/h，出反應(yīng)器時(shí)甲醇的流量為5.791 kg/h，則甲醇的轉(zhuǎn)化率xAf為：xAf=即反應(yīng)過(guò)程中消耗甲醇的物質(zhì)的量為：18.098×99%=17.917 kmol/h（3）計(jì)算反應(yīng)體系的膨脹因子由體系的化學(xué)反應(yīng)方程式可知，反應(yīng)過(guò)程

18、中氣體的總物質(zhì)的量發(fā)生了變化，可求出膨脹因子A。對(duì)于甲醇有：A=（4）計(jì)算空間時(shí)間根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，該反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為：rA=kpAk=5.5×10-4e CA=CAO上式兩邊同乘以RT，則得：pA=CAORT反應(yīng)過(guò)程的空間時(shí)間為：=CAO = CAO /k CAORT=dxA將k=5.5×10-4em3/(kmol·h)，R=8314.3，T=553.15K，A=2，yA=0.4，代入上式，可得空間時(shí)間：=0.0038h（5）計(jì)算所需反應(yīng)器的容積VR=VO進(jìn)料氣的總體積流量為：VO=55.489+83.233=138.722 m/h=0.0385 m

19、/s則可得所需反應(yīng)器的容積為：VR=VO =0.0038×138.722=0.527 m（6）計(jì)算管長(zhǎng)由文獻(xiàn)可知，氣體在反應(yīng)器內(nèi)的空塔流速為0.1m/s，考慮催化劑填層的空隙率對(duì)氣體空塔速度的影響，取流動(dòng)速度為=0.2m/s，則反應(yīng)管的長(zhǎng)度為：l=u=0.0038×3600×0.2=2.736m根據(jù)GB151推薦的換熱管長(zhǎng)度，取管長(zhǎng)l=3m。反應(yīng)器內(nèi)的實(shí)際氣速為：u=（7）計(jì)算反應(yīng)熱甲醇制氫的反應(yīng)實(shí)際為兩個(gè)反應(yīng)的疊合，即CH3OH=CO+2H2-90.8kj/molCO+H2O=CO2+H2+43.5kj/mol反應(yīng)過(guò)程中的一氧化碳全部由甲醇分解而得，由化學(xué)反應(yīng)式

20、可知，每轉(zhuǎn)化1kmol的甲醇就可生成1kmol的一氧化碳，則反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的一氧化碳的物質(zhì)的量為17.917kmol/h。反應(yīng)器出口處的一氧化碳的物質(zhì)的量為0.179kmol/h，轉(zhuǎn)化的一氧化碳的物質(zhì)的量為：17.917-0.179=17.738 kmol/h一氧化碳的轉(zhuǎn)化率為：xCO=則反應(yīng)過(guò)程中所需向反應(yīng)器內(nèi)供給的熱量為：Q=90.8×10××10×17.738=855.261×10kJ/h（8）確定所需的換熱面積假定選用的管子內(nèi)徑為d，壁厚為t，則其外徑為d+2t，管子數(shù)量為n根。反應(yīng)過(guò)程中所需的熱量由導(dǎo)熱油供給，反應(yīng)器同時(shí)作為換熱器使用

21、，根據(jù)GB151，320oC時(shí)鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為=44.9W/（m·OC），管外油側(cè)的對(duì)流給熱系數(shù)為o=300W/（m2·OC），管內(nèi)側(cè)的對(duì)流給熱系數(shù)為i=80 W/（m2·OC），根據(jù)表5-2所列的壁面污垢系數(shù)查得，反應(yīng)管內(nèi)、外側(cè)的污垢系數(shù)分別為0.0002 m2·OC/W 和0.0008 m2·OC/W總污垢系數(shù)為Rf=0.0002+0.0008=0.001 m2·OC/W根據(jù)傳熱學(xué)，反應(yīng)器的傳熱系數(shù)為：K=1/（+Rf）由于的值接近于1，對(duì)K帶來(lái)的誤差小于1%；鋼管的傳熱很快，對(duì)K的影響也很小，故可將上式簡(jiǎn)化為：K=1/（+Rf）=

22、 W/（ m2·OC）=213.84kJ/(h·m·OC)由于反應(yīng)器所需的換熱面積為：F=m（9）計(jì)算管子的內(nèi)徑反應(yīng)器需要的換熱面積為：F=ndl反應(yīng)器內(nèi)氣體的體積流量為：VO=nu聯(lián)立上述兩式，并將l= 6m，u= 0.22(m/s) ，F(xiàn)= 99.988(m) VO= 0.0385(m/s) 代入，即可得所需管子的內(nèi)徑為：d=0.0210m。根據(jù)計(jì)算所得的管子內(nèi)徑，按前述換熱設(shè)備設(shè)計(jì)選擇合適的管子型號(hào)和所需的管數(shù)及布管方式。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容或項(xiàng)目符號(hào)單位計(jì)算公式或來(lái)源結(jié)果備注管程 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)換熱管材料選用碳鋼無(wú)縫鋼管25×2換熱管內(nèi)徑、外徑di;

23、dm0.021;0.025換熱管管長(zhǎng)Lm選用3m標(biāo)準(zhǔn)管長(zhǎng)3.0換熱管根數(shù)n325(圓整)管程數(shù)Ni根據(jù)管內(nèi)流體流速范圍選定1管程進(jìn)出口接管尺寸(外徑*壁厚)djt*Sjtm按接管內(nèi)流體流速合理選取60×1.6管程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)殼程數(shù)Ns1換熱管排列形式正三角形排列正三角形排列換熱管中心距SmS=1.25d或按標(biāo)準(zhǔn)0.032分程隔板槽兩側(cè)中心距Sn按標(biāo)準(zhǔn)管束中心排管數(shù)nc（外加六根拉桿）21殼體內(nèi)徑DimDi=S(Nc-1)+(12)d07換熱器長(zhǎng)徑比L/ DiL/ Di4.28合理實(shí)排熱管根數(shù)n作圖351折流板形式選定單弓形折流板折流板外直徑Dbm按GB151-19990.675折流板缺口

24、弦離hm取h=0.20Di0.14折流板間距Bm取B=(0.21)Di0.33折流板數(shù)NbNb=L/B-18殼程進(jìn)出口接管尺寸djs*Sjs合理選取114×2選取3.2 外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照GB150-1998鋼制壓力容器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。1、 筒體(1) 筒體內(nèi)徑:700mm設(shè)計(jì)壓力：P=1.1=0.55MPa 設(shè)計(jì)溫度取350° C筒體材料：16MnR 焊接接頭系數(shù) =0.8鋼板厚度負(fù)偏差C1=0,腐蝕裕量C2=1.0mm,厚度附加量C= C1+ C2=1.0mm.筒體的計(jì)算厚度計(jì)算 = =mm考慮厚度附加量并圓整至鋼板厚度系列，得材料名義厚度dn = 4mm.取強(qiáng)度校核

25、有效厚度de =dn - C1- C2=5mmst = = MPa <s f=134 MPa符合強(qiáng)度要求。（2）根據(jù)筒徑選用非金屬軟墊片： 墊片厚度：3 墊片外徑:765 墊片內(nèi)徑：715根據(jù)筒體名義厚度選用乙型平焊法蘭（JB4702） 法蘭材料：16MnR 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7008608154627M2424表3-2 筒體法蘭數(shù)據(jù)2、 封頭（1）封頭內(nèi)徑：700mm設(shè)計(jì)壓力：P=1.6MPa 設(shè)計(jì)溫度取300° C封頭材料：16MnR 焊接接頭系數(shù) =1.0鋼板厚度負(fù)偏差C1=0,腐蝕裕量C2=1.0mm,厚度附加量C= C1+ C2=

26、1.0mm.封頭的計(jì)算厚度計(jì)算選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，K=1.0d = =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dn = 6mm.強(qiáng)度校核 有效厚度de =dn - C1- C2=7mmst = =MPa<s f=144MPa符合強(qiáng)度要求。根據(jù)筒徑選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭直邊高：25 曲邊高：200 壁厚：67、換熱管（GB151-1999）管子材料：16MnR 根據(jù)上節(jié)中計(jì)算的管子內(nèi)徑選用尺寸：25×2 管長(zhǎng)：3000 根數(shù)：345實(shí)排根數(shù)：351（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)：21 長(zhǎng)徑比：4.28 8、管

27、程數(shù)據(jù)管程數(shù)：1 管程氣體流速：1m/s 進(jìn)出口接管尺寸：60×1.6 接管材料：16Mn法蘭類(lèi)型：板式平焊法蘭（HG20593-97） 法蘭材料：20R DN法蘭外徑中心孔直徑法蘭厚度法蘭內(nèi)徑螺栓孔直徑螺栓孔數(shù)螺紋規(guī)格501401101659144M12 表3-3 管程法蘭數(shù)據(jù)9、殼程數(shù)據(jù)殼程數(shù)：1 殼程液體流速：1.2m/s 進(jìn)出口接管尺寸：114×2 接管材料：16Mn法蘭類(lèi)型：板式平焊法蘭（HG20593-97） 法蘭材料：16MnR DN法蘭外徑中心孔直徑法蘭厚度法蘭內(nèi)徑螺栓孔直徑螺栓孔數(shù)螺紋規(guī)格10021017018116184M16 表3-4 殼程法蘭數(shù)據(jù)12

28、、折流板（GB151-1999）材料：16MnR 形式：?jiǎn)喂?外直徑：795.5 管孔直徑：25.4缺口弦高：140 間距：330 板數(shù)：8 厚度：613、拉桿（GB151-1999）直徑：16 螺紋規(guī)格：M16 根數(shù)；614、耳座（JB/T4725-92）（7）耳式支座選用及驗(yàn)算 由于該吸收塔相對(duì)結(jié)構(gòu)較小，故選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的耳式支座。根據(jù)JB/T473292 選用支座：JB/T473292，耳座A3，其允許載荷Q=30Kn,適用公徑DN 7001400，支座處許用彎矩M=8.35kN*m。支座材料Q235A*F。1) 支座承受的實(shí)際載荷計(jì)算 水平地震載荷為：p 為地震系數(shù)，地震設(shè)計(jì)烈度為7時(shí)

29、，0.24 為設(shè)備總質(zhì)量經(jīng)計(jì)算該反應(yīng)器的1119kg水平地震載荷為：p0.24×1119×9.82631.99N水平風(fēng)載荷為：p1.2×1.0×550×3400×15003366N偏心載荷G0 N偏心距S0 mm其中f為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按設(shè)備質(zhì)心所在高度。q為基本風(fēng)壓，假設(shè)該填料塔安裝在南京地區(qū)，南京地區(qū)的q550N/m。f風(fēng)壓高度系數(shù)見(jiàn)參考資料。水平力取p與 p兩者的大值，即PPe+0.25pw=2631.99+0.25*3366=3473.5N支座安裝尺寸為D：D= 式中，為耳式支座側(cè)板厚度；為耳式支座襯板厚度。支座承受的實(shí)際載

30、荷為Q：Q×1011.3KN<30 KN 式中，G為偏心載荷；S為偏心距。 滿(mǎn)足支座本體允許載荷的要求。2) 支座處圓筒所受的支座彎矩M計(jì)算 M因此，開(kāi)始選用的2A3支座滿(mǎn)足要求。形式：A3型高度：200 底板：L1:125 b1:80 1：8 s1:40筋板：L2:100 b2:100 2：5 墊板：L3：20 b3:160 3：6 e:24地角螺栓規(guī)格：M24 螺栓孔直徑：2715、管板材料：16MnR 換熱管管孔直徑：25 拉桿管孔直徑：18 厚度：50 外徑：8603.3 SW6校核內(nèi)筒體內(nèi)壓計(jì)算計(jì)算單位南京工業(yè)大學(xué)過(guò)程裝備與控制工程系計(jì)算條件筒體簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力 Pc 0

31、.55MPa設(shè)計(jì)溫度 t 350.00° C內(nèi)徑 Di 700.00mm材料 16MnR(正火) ( 板材 )試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力 s 170.00MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力 st 134.00MPa試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn) ss 345.00MPa鋼板負(fù)偏差 C1 0.00mm腐蝕裕量 C2 1.00mm焊接接頭系數(shù) f 0.80厚度及重量計(jì)算計(jì)算厚度 d = = 1.80mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 5.00mm名義厚度 dn = 6.00mm重量 355.17Kg壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核壓力試驗(yàn)類(lèi)型 液壓試驗(yàn)試驗(yàn)壓力值PT = 1.25P = 0.8700 (或由用戶(hù)輸入)MPa壓

32、力試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力水平 sTsT£ 0.90 ss = 310.50MPa試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力 sT = = 76.67 MPa校核條件 sT£ sT校核結(jié)果 合格壓力及應(yīng)力計(jì)算最大允許工作壓力 Pw= = 1.52057MPa設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算應(yīng)力 st = = 38.78MPastf 107.20MPa校核條件stf st結(jié)論 合格內(nèi)壓橢圓封頭校核計(jì)算單位 南京工業(yè)大學(xué)過(guò)程裝備與控制工程系計(jì)算條件橢圓封頭簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力 Pc 0.55MPa設(shè)計(jì)溫度 t 350.00° C內(nèi)徑 Di 700.00mm曲面高度 hi 175.00mm材料 16MnR(熱軋) (板材)

33、試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力 s 170.00MPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力 st 134.00MPa鋼板負(fù)偏差 C1 0.00mm腐蝕裕量 C2 1.00mm焊接接頭系數(shù) f 0.80厚度及重量計(jì)算形狀系數(shù) K = = 1.0000計(jì)算厚度 d = = 1.80mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 5.00mm最小厚度 dmin = 1.05mm名義厚度 dn = 6.00mm結(jié)論 滿(mǎn)足最小厚度要求重量 27.30 Kg壓 力 計(jì) 算最大允許工作壓力 Pw= = 1.52598MPa結(jié)論 合格延長(zhǎng)部分兼作法蘭固定式管板 設(shè)計(jì)單位 南京工業(yè)大學(xué)過(guò)程裝備與控制工程系 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 條 件 簡(jiǎn) 圖設(shè)計(jì)壓力

34、 ps0.55MPa設(shè)計(jì)溫度 Ts 350平均金屬溫度 ts314裝配溫度 to15殼材料名稱(chēng)16MnR(正火)設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力st134Mpa程平均金屬溫度下彈性模量 Es 1.84e+05Mpa平均金屬溫度下熱膨脹系數(shù)as1.3e-05mm/mm圓殼程圓筒內(nèi)徑 Di 700mm殼 程 圓 筒 名義厚 度 ds6mm殼 程 圓 筒 有效厚 度 dse4.25mm筒殼體法蘭設(shè)計(jì)溫度下彈性模量 Ef1.79e+05MPa殼程圓筒內(nèi)直徑橫截面積 A=0.25 p Di23.848e+05mm2殼程圓筒金屬橫截面積 As=pds ( Di+ds )9403mm2管設(shè)計(jì)壓力pt1.6MPa箱設(shè)計(jì)溫度

35、Tt300圓材料名稱(chēng)筒設(shè)計(jì)溫度下彈性模量 Eh1.846e+05MPa管箱圓筒名義厚度(管箱為高頸法蘭取法蘭頸部大小端平均值)dh16mm管箱圓筒有效厚度dhe4mm管箱法蘭設(shè)計(jì)溫度下彈性模量 Et”1.86e+05MPa材料名稱(chēng)20G(正火)換管子平均溫度 tt230設(shè)計(jì)溫度下管子材料許用應(yīng)力 stt92MPa設(shè)計(jì)溫度下管子材料屈服應(yīng)力sst147MPa熱設(shè)計(jì)溫度下管子材料彈性模量 Ett1.73e+05MPa平均金屬溫度下管子材料彈性模量 Et1.842e+05MPa平均金屬溫度下管子材料熱膨脹系數(shù)at1.244e-05mm/mm管管子外徑 d25mm管子壁厚dt2mm注：管子根數(shù) n35

36、1換熱管中心距 S32mm換一根管子金屬橫截面積144.5mm2換熱管長(zhǎng)度 L3000mm管子有效長(zhǎng)度(兩管板內(nèi)側(cè)間距) L12900mm管束模數(shù) Kt = Et na/LDi3790MPa管子回轉(zhuǎn)半徑 8.162mm熱管子受壓失穩(wěn)當(dāng)量長(zhǎng)度 lcr10mm系數(shù)Cr =152.4比值 lcr /i1.225管子穩(wěn)定許用壓應(yīng)力 () MPa管管子穩(wěn)定許用壓應(yīng)力 () 73.2MPa材料名稱(chēng)16MnR(正火)設(shè)計(jì)溫度 tp350管設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力116MPa設(shè)計(jì)溫度下彈性模量 Ep1.79e+05MPa管板腐蝕裕量 C2 2mm管板輸入厚度dn50mm管板計(jì)算厚度 d48mm隔板槽面積 (包括拉桿

37、和假管區(qū)面積)Ad0mm2板管板強(qiáng)度削弱系數(shù) h0.4管板剛度削弱系數(shù) m0.4管子加強(qiáng)系數(shù) K = 4.11管板和管子連接型式焊接管板和管子脹接(焊接)高度l3.5mm脹接許用拉脫應(yīng)力 qMPa焊接許用拉脫應(yīng)力 q46MPa管材料名稱(chēng)16MnR(正火)管箱法蘭厚度 46mm法蘭外徑 860mm箱基本法蘭力矩 7.515e+07N×mm管程壓力操作工況下法蘭力 3.266e+07N×mm法蘭寬度 80mm法比值0.005714比值0.06571系數(shù)(按dh/Di ,df”/Di , 查<<GB151-1999>>圖25)0.00蘭系數(shù)w”(按dh/D

38、i ,df”/Di ,查<<GB151-1999>>圖 26) 0.000151旋轉(zhuǎn)剛度 9.542MPa材料名稱(chēng)16MnR(正火)殼殼體法蘭厚度44mm法蘭外徑 860mm體法蘭寬度 80mm比值 0.006071法比值0.06286系數(shù), 按dh/Di ,df”/Di , 查<<GB151-1999>>圖25 0.00蘭系數(shù), 按dh/Di ,df”/Di , 查<<GB151-1999>>圖26 0.0001626旋轉(zhuǎn)剛度 8.573MPa法蘭外徑與內(nèi)徑之比 1.229殼體法蘭應(yīng)力系數(shù)Y (按 K 查<<

39、GB1501998>>表9-5) 9.55旋轉(zhuǎn)剛度無(wú)量綱參數(shù) 0.001777膨脹節(jié)總體軸向剛度 0N/mm管板第一彎矩系數(shù)(按,查<<GB151-1999>>圖 27) 0.1075系系數(shù) 14.73系數(shù)(按查<<GB15198>>圖 29) 2.952換熱管束與不帶膨脹節(jié)殼體剛度之比 4.445數(shù)換熱管束與帶膨脹節(jié)殼體剛度之比 管板第二彎矩系數(shù)(按K,Q或查<<GB151-1999>>圖28(a)或(b)3.591系數(shù)（帶膨脹節(jié)時(shí)代替Q） 0.001768計(jì)系數(shù) (按K,Q或Qex 查圖30) 0.0118

40、7法蘭力矩折減系數(shù) 0.1302管板邊緣力矩變化系數(shù) 0.9722算法蘭力矩變化系數(shù) 0.8734管管板開(kāi)孔后面積 Al = A - 0.25 npd 22.43e+05mm2板參管板布管區(qū)面積 (三角形布管) (正方形布管 ) 2.563e+05mm2數(shù)管板布管區(qū)當(dāng)量直徑 571.2mm系數(shù) 0.6314系系數(shù) 0.1719數(shù)系數(shù) 5.575計(jì)系數(shù)(帶膨脹節(jié)時(shí)代替Q) 8.46算管板布管區(qū)當(dāng)量直徑與殼體內(nèi)徑之比 0.8161管板周邊不布管區(qū)無(wú)量綱寬度 k = K(1-rt) 0.756僅有殼程壓力Ps作用下的危險(xiǎn)組合工況 (Pt = 0)不計(jì)溫差應(yīng)力計(jì)溫差應(yīng)力 換熱管與殼程圓筒熱膨脹變形差

41、=(t-t)-(t-t)0.0-0.001212 當(dāng)量壓力組合 0.550.55MPa 有效壓力組合 3.066-35.3MPa基本法蘭力矩系數(shù) 0.1441-0.01252 管板邊緣力矩系數(shù)0.1458-0.0108管板邊緣剪力系數(shù) 2.147-0.159管板總彎矩系數(shù) 2.484-0.5511系數(shù)僅用于 時(shí)0.72540.1609系數(shù) 當(dāng) 時(shí),按K和m 查圖31(a)實(shí)線當(dāng) 時(shí),按K和m 查圖31（b）1.3820.7278系數(shù) > 0 ,=, < 0 , =1.3820.7278管板徑向應(yīng)力系數(shù)帶膨脹節(jié)Q為Q= 0.14690.02068管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力系數(shù) =0.1

42、929-0.01143管板布管區(qū)周邊處剪切應(yīng)力系數(shù) =0.10640.02842殼體法蘭力矩系數(shù)0.01721-0.003174計(jì)算值許用值 計(jì)算值許用值管板徑向應(yīng)力 151.31.5 174245.13 348 MPa管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力113.71.5 174183.33 348 MPa管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力6.1260.5 58-18.851.5 174MPa殼體法蘭應(yīng)力 63.261.5 174134.33 348 MPa換熱管軸向應(yīng)力 19.19273.2104.83 27673.2MPa殼程圓筒軸向應(yīng)力 33.71107.2-103.7321.6MPa換熱管與管板連接拉脫應(yīng)力

43、q =10.04q4655.083q焊接 q脹接138MPa僅有管程壓力Pt作用下的危險(xiǎn)組合工況 (Ps = 0)不計(jì)溫差應(yīng)力 計(jì)溫差應(yīng)力 換熱管與殼程圓筒熱膨脹變形差 =(t-t)-(t-t)0.0-0.001212 當(dāng)量壓力組合 -1.875-1.875MPa 有效壓力組合 -13.54-51.9MPa操作情況下法蘭力矩系數(shù)-0.01419-0.0037管板邊緣力矩系數(shù) -0.01419-0.0037管板邊緣剪力系數(shù) -0.2089-0.05448管板總彎矩系數(shù) -0.8125-0.09322系數(shù)僅用于 時(shí)0.23720.02722系數(shù) 當(dāng) 時(shí),按K和m 查圖31（a）實(shí)線當(dāng) 時(shí),按K和m

44、 查31（b)0.89920.4274系數(shù) >0, =; <0 ,=0.89920.4274管板徑向應(yīng)力系數(shù)帶膨脹節(jié)Q為Q =0.024040.01366管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力系數(shù)=-0.01586-0.002174管板布管區(qū)周邊處剪切應(yīng)力系數(shù) = 0.026740.03195殼體法蘭力矩系數(shù) -0.003615-0.00225計(jì)算值許用值 計(jì)算值許用值管板徑向應(yīng)力 109.21.5 1742383 348 MPa管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力 82.671.5174170.13348 MPa管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力-6.7980.5 58-31.161.5 174MPa殼體法蘭應(yīng)力58.651.5 1741403 348 MPa換熱管軸向應(yīng)力 30.49273.2119.53 27673.2