甲醇制氫課程設(shè)計(jì)

前言輕工、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(duì)氫氣的純度、對(duì)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(kāi)放以來(lái)，隨著工業(yè)化的進(jìn)程，大靈活性、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：①電解水法；②氯堿工業(yè)中電解食鹽水副產(chǎn)氫氣；③烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化法；④烴類部分氧化法；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(guò)程中的各種副產(chǎn)氫；等等。其中烴類水蒸氣轉(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(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。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 4 63.反應(yīng)器設(shè)計(jì) 9 9 4.管道設(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Y△Y△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(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H?、CO?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CO?,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CO?、CO及其它雜質(zhì)，得到一定純度要求的氫氣。序號(hào)23456789組分狀態(tài)LLLLggggggCH3OH少量少量H20855.123855.123855.123855.123855.123少量少量少量圖1-2甲醇制氫的物料流程圖及各節(jié)點(diǎn)物料量甲醇蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)方程式：CH?OH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).CH?OH→0.99CO↑+1.98H?1+0.01CH?OHCO+0.99H,O→0.99CO,1+1.99H?+0.01COCH?OH+0.981H?O→0.981CO?t+0.961H?1+0.01CH?OH+0.0099CO1甲醇投料量為：53.571/2.9601x32=579.126kg/h進(jìn)：甲醇579.126kg/h,水488.638kg/h出：甲醇579.126kg/h,水488.638kg/h4、換熱器(E0101),汽化塔(TO101),過(guò)熱器(E0103)沒(méi)有物流變化.進(jìn)：甲醇579.126kg/h,水488.638kg/h,總計(jì)1067.764kg/hH?579.126/32x2.9601x2=107.142kg/h剩余水488.638-579.126/32x0.9801x18=169.362kg/h6、吸收塔和解析塔吸收塔的總壓為1.5MPa,其中CO?的分壓為0.38MPa,操作溫度為常溫(25℃).此時(shí)，每m3吸收液可溶解CO?11.77m3.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1一1及表1—2。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：0.4MPa壓力下po,=pM/RT=0.4×44/[0.0082×(273.15+25)]=7.20kg/m3CO?體積量Vco,=780.452/7.20=108.396m3/h忽略這些組分在吸收液內(nèi)的吸收.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1一2.1、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,根據(jù)汽液平衡關(guān)系有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℃.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：=-8.90×10?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：3、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：△t=Q/(cpm)=3.63×10?/(2.826×62898)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=320-304.9=15.1℃基本合適.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(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這里取各種氣體的比定壓熱容為：CpH,≈14.65kJ/(kg·K)Cpeo≈4.19kJ/(kg·K)則管程中反應(yīng)后氣體混合物的溫度變化為：△t=Q/(cpm)=5.88×10?/(10.47×780.452+14.65×107.142+4.19×169.362)=56.3℃換熱器出口溫度為280-56.3=223.7℃6、冷凝器(E0103)冷凝.(223.7-40)=1.79×10?冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，采用中溫型涼水塔，則溫差△T=10℃物流名稱管程殼程/(kg/h)設(shè)計(jì)溫度℃壓力/MPa設(shè)計(jì)溫度壓力/MPa甲醇水二氧化碳一氧化碳?xì)錃鈱?dǎo)熱油表3-1反應(yīng)器的物流表(1)計(jì)算反應(yīng)物的流量對(duì)于水，其摩爾質(zhì)量為18kg·k/mol,其摩爾流量為：488.638/18=27.147kmol/h對(duì)于甲醇和水，由于溫度不太高(280℃),壓力不太大(1.5MPa),故可將其近似視為理想(2)計(jì)算反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率即反應(yīng)過(guò)程中消耗甲醇的物質(zhì)的量為：18.098×99%=17.917kmol/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)程中氣體的總物質(zhì)的量發(fā)生了變化，可求出膨脹因子(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：上式兩邊同乘以RT,則得：反應(yīng)過(guò)程的空間時(shí)間r為：代入上式，可得空間時(shí)間：t=0.0038h(5)計(jì)算所需反應(yīng)器的容積VR=TVoVo=55.489+83.233=138.722m3/h=0.0385m3/s則可得所需反應(yīng)器的容積為：Vg=TVo=0.0038×138.722=0.527m3(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μ=0.2m/s,則反應(yīng)管的長(zhǎng)度為：1=tu=0.0038×3600×0.2=2.736m根據(jù)GB151推薦的換熱管長(zhǎng)度，取管長(zhǎng)1=3m。反應(yīng)器內(nèi)的實(shí)際氣速為：(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CH?OH=CO+2H?-90.8kj/molCO+H?O=CO?+H?+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=17.738kmol/h則反應(yīng)過(guò)程中所需向反應(yīng)器內(nèi)供給的熱量為：(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，根據(jù)GB151,320℃總污垢系數(shù)為R=0.0002+0.0008=0.001m2·°C/W根據(jù)傳熱學(xué)，反應(yīng)器的傳熱系數(shù)為：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：由于反應(yīng)器所需的換熱面積為：(9)計(jì)算管子的內(nèi)徑反應(yīng)器需要的換熱面積為：F=nπdl反應(yīng)器內(nèi)氣體的體積流量為：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)換熱管材料換熱管內(nèi)徑、外徑換熱管管長(zhǎng)換熱管根數(shù)管程數(shù)管程進(jìn)出口接管尺寸(外徑*壁厚)LnNimmmmm選用碳鋼無(wú)縫鋼管選用3m標(biāo)準(zhǔn)管長(zhǎng)根據(jù)管內(nèi)流體流速范圍選定按接管內(nèi)流體流速合理選取325(圓整)1管程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)殼程數(shù)換熱管排列形式換熱管中心距分程隔板槽兩側(cè)中心距管束中心排管數(shù)殼體內(nèi)徑換熱器長(zhǎng)徑比實(shí)排熱管根數(shù)折流板形式折流板外直徑折流板缺口弦離折流板間距折流板數(shù)殼程進(jìn)出口接管尺寸NsSnhBmmmmmmmm正三角形排列S=1.25d或按標(biāo)準(zhǔn)按標(biāo)準(zhǔn)拉桿)Di=S(Nc-1)+(1~2)d作圖選定按GB151-1999取h=0.20Di取B=(0.2～1)DiN?=L/B-1合理選取1正三角形排列單弓形折流板8合理選取按照GB150-1998《鋼制壓力容器》進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。鋼板厚度負(fù)偏差C?=0,腐蝕裕量C?=1.0mm,厚度附加量C=C?+C?=1.0mm.考慮厚度附加量并圓整至鋼板厚度系列，得材料名義厚度δn=4mm.取δ,=6mm(2)根據(jù)筒徑選用非金屬軟墊片：根據(jù)筒體名義厚度選用乙型平焊法蘭(JB4702)法蘭材料：16MnR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M24(1)封頭內(nèi)徑：700mm鋼板厚度負(fù)偏差C?=0,腐蝕裕量C?=1.0mm,厚度附加量C=C?+C?=1.0mm.封頭的計(jì)算厚度計(jì)算根據(jù)筒徑選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭直邊高：25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：φ25×2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：4.288、管程數(shù)據(jù)管程數(shù)：1管程氣體流速：1m/s進(jìn)出口接管尺寸：φ60×1.6接管材料：16Mn法蘭類型：板式平焊法蘭(HG20593-97)法蘭材料：20R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4M12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：φ114×2接管材料：16Mn法蘭類型：板式平焊法蘭(HG20593-97)法蘭材料：16MnR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4M16表3-4殼程法蘭數(shù)據(jù)材料：16MnR形式：?jiǎn)喂瓮庵睆剑?95.5管孔直徑：25.4缺口弦高：140間距：330板數(shù)：8厚度：6直徑：16螺紋規(guī)格：M16根數(shù)；6(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/T4732-92選用支座：JB/T4732-92,耳座A3,其允許載荷[Q]=30Kn,適用公徑DN700～1400,支座處許用彎矩[M;]=8.35kN*m。支座材料Q235-A*F。1)支座承受的實(shí)際載荷計(jì)算水平地震載荷為：p。=am。g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q?=550N/m2。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P=Pe+0.25pw=2631.99+0.25*3366=3473.5N支座安裝尺寸為D:D=√(D+2δ,+28,2-(b?-26,)+2(?-s)=867mm式中，δ?為耳式支座側(cè)板厚度；δ?為耳式支座襯板厚度。支座承受的實(shí)際載荷為Q:滿足支座本體允許載荷的要求。因此，開(kāi)始選用的2A3支座滿足要求。高度：200地角螺栓規(guī)格：M24材料：16MnR厚度：50螺栓孔直徑：27拉桿管孔直徑：18換熱管管孔直徑：25拉桿管孔直徑：18外徑：860內(nèi)筒體內(nèi)壓計(jì)算計(jì)算單位制工程系計(jì)算條件筒體簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力PMPa設(shè)計(jì)溫度tmm材料試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力[σMPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力[o]MPa試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn)σ?MPa鋼板負(fù)偏差Gmm腐蝕裕量Cmm焊接接頭系數(shù)φ厚度及重量計(jì)算計(jì)算厚度mm有效厚度mm名義厚度mm重量壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核壓力試驗(yàn)類型液壓試驗(yàn)試驗(yàn)壓力值(或由用戶輸入)MPa壓力試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力水平[σ]MPa試驗(yàn)壓力下圓筒的應(yīng)力MPa校核條件校核結(jié)果合格壓力及應(yīng)力計(jì)算最大允許工作壓力MPa設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算應(yīng)力MPaMPa校核條件結(jié)論合格內(nèi)壓橢圓封頭校核計(jì)算單位程系計(jì)算條件橢圓封頭簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力PMPaHi設(shè)計(jì)溫度t內(nèi)徑Dmm曲面高度h;mm材料16MnR(熱軋)(板材)試驗(yàn)溫度許用應(yīng)力[σMPa設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力[o]'MPa鋼板負(fù)偏差C?mm腐蝕裕量C?mm焊接接頭系數(shù)φ厚度及重量計(jì)算形狀系數(shù)計(jì)算厚度有效厚度mm最小厚度名義厚度結(jié)論重量壓力計(jì)算最大允許工作壓力MPa結(jié)論合格程系設(shè)計(jì)計(jì)算條件簡(jiǎn)圖殼程圓筒設(shè)計(jì)壓力p:MPa00設(shè)計(jì)溫度T,C平均金屬溫度tsC裝配溫度t。C材料名稱16MnR(正火)設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力[o]’Mpa平均金屬溫度下彈性模量EsMpa平均金屬溫度下熱膨脹系數(shù)mm/mmC殼程圓筒內(nèi)徑Dmm殼程圓筒名義厚度8mm殼程圓筒有效厚度δmm殼體法蘭設(shè)計(jì)溫度下彈性模量E;MPa殼程圓筒內(nèi)直徑橫截面積A=0.25mD;殼程圓筒金屬橫截面積A?=πδ,(Di+δs)管箱圓筒設(shè)計(jì)壓力p?MPa設(shè)計(jì)溫度TC材料名稱設(shè)計(jì)溫度下彈性模量Enmm管箱圓筒有效厚度δhemm管箱法蘭設(shè)計(jì)溫度下彈性模量E,”MPa換熱管材料名稱20G(正火)管子平均溫度trC設(shè)計(jì)溫度下管子材料許用應(yīng)力[o];MPa設(shè)計(jì)溫度下管子材料屈服應(yīng)力σMPa設(shè)計(jì)溫度下管子材料彈性模量E!MPa平均金屬溫度下管子材料彈性模量E,MPa平均金屬溫度下管子材料熱膨脹系數(shù)αmm/mmC管子外徑dmm管子壁厚δ;mm換熱管換熱管中心距S一根管子金屬橫截面積a=πδ(d-8)換熱管長(zhǎng)度L管子有效長(zhǎng)度(兩管板內(nèi)側(cè)間距)L,管束模數(shù)K,=E,na/LD管子回轉(zhuǎn)半徑i=0.25√d2+(d-26,)2管子受壓失穩(wěn)當(dāng)量長(zhǎng)度l系數(shù)C,=π√2E;/σ比值l/i管子穩(wěn)定許用壓應(yīng)力管子穩(wěn)定許用壓應(yīng)力(管板材料名稱16MnR(正火)設(shè)計(jì)溫度tp設(shè)計(jì)溫度下彈性模量E,管板腐蝕裕量C:管板輸入厚度δ管板計(jì)算厚度δ隔板槽面積(包括拉桿和假管區(qū)面積)Aa管板強(qiáng)度削弱系數(shù)η管板剛度削弱系數(shù)μ管子加強(qiáng)系數(shù)管板和管子連接型式焊接管板和管子脹接(焊接)高度1脹接許用拉脫應(yīng)力[q]焊接許用拉脫應(yīng)力[g]管箱法蘭材料名稱管箱法蘭厚度δ法蘭外徑D;mm基本法蘭力矩MmN·mm管程壓力操作工況下法蘭力M。N·mm法蘭寬度br=(D;-D;)/2mm比值δ”/D系數(shù)C(按δ/D,&ID;,查<<GB151-1999>>圖25系數(shù)o”(按δ/D,δ;ID,查<<GB151-1999>>圖26)旋轉(zhuǎn)剛度MPa殼體法蘭材料名稱16MnR(正火)殼體法蘭厚度0mm法蘭外徑Dmm法蘭寬度br=(De-D;)/2mm比值8;/D系數(shù)C,按8/D,&/D,查<<GB151-1999>>圖25系數(shù)河按δ/D,8ID,查<<GB151-1999>>圖26旋轉(zhuǎn)剛度MPa法蘭外徑與內(nèi)徑之比K=D?/D殼體法蘭應(yīng)力系數(shù)Y(按K查<<GB150-1998>>表9-5)旋轉(zhuǎn)剛度無(wú)量綱參數(shù)膨脹節(jié)總體軸向剛度N/mm系數(shù)計(jì)算管板第一彎矩系數(shù)(按K,K?查<<GB151-1999>圖27)m;系數(shù)系數(shù)(按K,K;查<<GB151-98>>圖29)G?奐熱管束與不帶膨脹節(jié)壹體則庭的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Qa查<<GB151-1999>>圖28(a)或(b)"z2系數(shù)(帶膨脹節(jié)時(shí)Q代替Q)系數(shù)(按K,Q或Q。查圖30)G?法蘭力矩折減系數(shù)管板邊緣力矩變化系數(shù)法蘭力矩變化系數(shù)AM,=△MK,/K;管板參數(shù)管板開(kāi)孔后面積A,=A-0.25nmd2mm2管板布管區(qū)面積(三角形布管)A?=0.866nS2+A?mm2(正方形布管)A?=nS2+A?管板布管區(qū)當(dāng)量直徑D,=√4A,/πmm系數(shù)計(jì)算系數(shù)λ=A,/A系數(shù)β=na/A系數(shù)Z,=0.4+0.6×(1+Q)/λ系數(shù)(帶膨脹節(jié)時(shí)Q代替Q)=0.4(1+β)+(0.6+Q)/λ管板布管區(qū)當(dāng)量直徑與殼體內(nèi)徑之比P=D,/D管板周邊不布管區(qū)無(wú)量綱寬度k=K(1-p僅有殼程壓力P、作用下的危險(xiǎn)組合工況(P,=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y=a,(t,-t?)-α,(ts-t?)當(dāng)量壓力組合P。=P有效壓力組合Pa=Z、P?+βyE,基本法蘭力矩系數(shù)管板邊緣力矩系數(shù)M=Mm+(△M)M?管板邊緣剪力系數(shù)v=wM管板總彎矩系數(shù)系數(shù)G。僅用于m>0時(shí)Gj=3mμ/K當(dāng)m>0時(shí)，按K和m查圖31(a)實(shí)線當(dāng)m<0時(shí)，按K和m查圖31(b)系數(shù)G?m>0,G=mx(Gj,G?),管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力系數(shù)管板布管區(qū)周邊處剪切應(yīng)力系數(shù)殼體法蘭力矩系數(shù)M=ξMm-(△M,)M?r殼體法蘭應(yīng)力換熱管軸向應(yīng)力MPa殼程圓筒軸向應(yīng)MPa3[q]焊接[q]脹接MPa僅有管程壓力P,作用下的危險(xiǎn)組合工況(P=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當(dāng)量壓力組合P=-P,(1+β)MPa有效壓力組合Pa=-2,P+βyE,MPa操作情況下法蘭力矩系數(shù)管板邊緣力矩系數(shù)M=M,管板邊緣剪力系數(shù)v=wM管板總彎矩系數(shù)系數(shù)G?。僅用于m>0時(shí)G=3mμ/K系數(shù)G當(dāng)m>0時(shí)，按K和m查圖31(a)實(shí)線當(dāng)m<0時(shí)，按K和m查31(b)系數(shù)g,m>0,G?=max(G?,G?);管板徑向應(yīng)力系數(shù)帶膨脹節(jié)Q為Q管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力系數(shù)管板布管區(qū)周邊處剪切應(yīng)力系數(shù)殼體法蘭力矩系數(shù)Mw=EMp-M計(jì)算值許用值許用值管板徑向應(yīng)力MPa管板布管區(qū)周邊處徑向應(yīng)力MPa管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力MPa殼體法蘭應(yīng)：MPa換熱管軸向應(yīng)力MPa殼程圓筒軸向應(yīng)力MPa換熱管與管板連接拉般應(yīng)3[q]焊接[q]脹接MPa計(jì)算結(jié)果管板名義厚度δ管板校核通過(guò)窄面整體(或帶頸松式)法蘭計(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設(shè)計(jì)條件簡(jiǎn)圖設(shè)計(jì)壓力pMPa計(jì)算壓力peMPa設(shè)計(jì)溫度t軸向外載荷FN外力矩MNmm殼體材料名稱16MnR(正火)許用應(yīng)力[σ];MPawwD法蘭材料名稱16MnR(熱軋)許用應(yīng)力MPaMPa螺栓材料名稱許用應(yīng)力MPaGDMPa公稱直徑dgmm螺栓根徑d?mm數(shù)量n個(gè)墊片結(jié)構(gòu)尺寸mmDh材料類型軟墊片Nm壓緊面形狀bb?>6.4mmDg=D?-2b螺栓受力計(jì)算預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷W?NN所需螺栓總截面積Ammm2實(shí)際使用螺栓總截面積A,mm2力矩計(jì)算作作操M(fèi)?NLp=L?+0.5δ?mmMp=FDLDNmmF?=FpNLa=0.5(D?-Dg)mmMg=FgLgNmmFr=F-FDNLn=0.5(LA+δ?+Lg)mmM?=FrLnNmm外壓：Mp=Fp(Lp-La)+F?(Lr-Lg);內(nèi)壓：Mp=Mp+Mg+MrM?=12327168.0N'mm預(yù)緊MNmmN'mm計(jì)算力矩M?=Mp與M?[o]}/[o]中大者M(jìn)。=28041098.0螺栓間距校核實(shí)際間距mm最小間距Lmin=56.4(查GB150-98表9-3)mm最大間距mm形狀常數(shù)確定由K查表9-5得整體法蘭查圖9-3和圖9-4松式法蘭查圖9-5和圖9-6查圖9-7由δ?/8。得w=δ剪應(yīng)力校核計(jì)算值許用值結(jié)論預(yù)緊狀態(tài)操作狀態(tài)校核合格輸入法蘭厚度δr=46.0mm時(shí)，法蘭應(yīng)力校核應(yīng)力性質(zhì)計(jì)算值許用值結(jié)論軸向應(yīng)力2.5[o]。=335.0(按整體法蘭設(shè)計(jì)的任意式法蘭，取1.5[o]。)徑向應(yīng)力g切向應(yīng)力綜合應(yīng)力max(0.5(oh+σR),0.5(σH+σr))法蘭校核結(jié)果校核合格開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)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)算方法：GB150-1998等面積補(bǔ)強(qiáng)法單孔設(shè)計(jì)條件簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力peMPaB設(shè)計(jì)溫度℃殼體型式圓形筒體殼體材料名稱及類型16MnR(正火)EA2A4殼體開(kāi)孔處焊接接頭系數(shù)φ殼體內(nèi)直徑DmmA1A;殼體開(kāi)孔處名義厚度δnmm殼體厚度負(fù)偏差C?0mm殼體腐蝕裕量C?1mm殼體材料許用應(yīng)力[o]'MPa接管實(shí)際外伸長(zhǎng)度接管實(shí)際內(nèi)伸長(zhǎng)度mm接管材料名稱及類型20G(熱軋)管材接管焊接接頭系數(shù)1接管腐蝕裕量1mm補(bǔ)強(qiáng)圈材料名稱凸形封頭開(kāi)孔中心至封頭軸線的距離mm補(bǔ)強(qiáng)圈外徑mm補(bǔ)強(qiáng)圈厚度mm接管厚度負(fù)偏差Cumm補(bǔ)強(qiáng)圈厚度負(fù)偏差Cirmm接管材料許用應(yīng)力[o]’MPa補(bǔ)強(qiáng)圈許用應(yīng)力[o]MPa開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算殼體計(jì)算厚度δmm接管計(jì)算厚度8補(bǔ)強(qiáng)圈強(qiáng)度削弱系數(shù)fr接管材料強(qiáng)度削弱系數(shù)f開(kāi)孔直徑d補(bǔ)強(qiáng)區(qū)有效寬度B接管有效外伸長(zhǎng)度h?接管有效內(nèi)伸長(zhǎng)度h?mm開(kāi)孔削弱所需的補(bǔ)強(qiáng)面積A殼體多余金屬面積A?接管多余金屬面積A?補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)的焊縫面積A?A?+A?+A?=403.7mm2,大于A,不需另加補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)圈面積A?A-(A?+A?+A?)(1)材料——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(wú)縫鋼管，理由如下：①腐蝕性——本生產(chǎn)裝置原料甲醇、導(dǎo)熱油對(duì)材料無(wú)特殊腐蝕性；產(chǎn)品氫氣對(duì)產(chǎn)品可能產(chǎn)生氫腐蝕，但研究表明碳鋼在220℃以下氫腐蝕反應(yīng)速度極慢，而且氫分壓不超過(guò)1.4MPa時(shí)，不管溫度有多高，都不會(huì)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(guò)220℃,但轉(zhuǎn)化氣中氫氣的分壓遠(yuǎn)低于1.4MPa。所以20g無(wú)縫鋼管符合抗腐蝕要求。②溫度——20g無(wú)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——20g無(wú)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)的確定查表應(yīng)選用Sch.5系列得管子故選擇RO0101、RO0102、RO0103、RO0104管道規(guī)格為φ159×4.5無(wú)縫鋼管保溫層計(jì)算：管道外表面溫度T?=320,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/m,貸款計(jì)息年數(shù)為5年，復(fù)利率為10%,熱價(jià)為10元/10kJ.設(shè)保溫層外表面溫度為30℃,巖棉在使用溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)為表面放熱系數(shù)為保溫工程投資償還年分?jǐn)偮视?jì)算經(jīng)濟(jì)保溫層經(jīng)濟(jì)厚度二計(jì)算保溫后的散熱量計(jì)算保溫后表面溫度計(jì)算出來(lái)的表面溫度29.4℃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δ②甲醇原料管道的規(guī)格速u?=1.8m/s則故選擇PL0101管道規(guī)格為φ25×2無(wú)縫鋼管選擇PL0102管道規(guī)格為φ20×2無(wú)縫鋼管③脫鹽水原料管道的規(guī)格流量qv=855.123Kg/h=0.00024m3/s計(jì)算過(guò)程同上選擇DNW0101管道規(guī)格為φ22×2無(wú)縫鋼管選擇DNW0102管道規(guī)格為φ18×2無(wú)縫鋼管④甲醇水混合后原料管道的規(guī)格選擇PL0103管道規(guī)格為φ32×2無(wú)縫鋼管選擇PL0104、PL0105管道規(guī)格為φ25×2無(wú)縫鋼管⑤吸收液碳酸丙烯酯管道的規(guī)格選擇PL0106管道規(guī)格為φ48×4無(wú)縫鋼管選擇PL0107、PL0108管道規(guī)格為φ38×3無(wú)縫鋼管選擇CWS0101管道規(guī)格為φ159×4.5無(wú)縫鋼管選擇CWS0102、CWR0101管道規(guī)格為φ133×4無(wú)縫鋼管⑦PG0101、PG0102、PG0103、PG0104混合氣管道的規(guī)格選擇PG0101、PG0102、PG0103、PG0104管道規(guī)格為φ89×4.5無(wú)縫鋼管選擇PG0105管道規(guī)格為φ73×4PG0106管道規(guī)格為φ89×4.5類似以上管道規(guī)格的計(jì)算過(guò)程，將本工藝所有主要管道工藝參數(shù)結(jié)果匯總于下表：序號(hào)所在管道編號(hào)管內(nèi)介質(zhì)設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)溫度流量狀態(tài)流速公稱直徑材料1PG0106-80M1B氫氣氣相2PG0101-80M1B甲醇54.5%水45.5%氣相3PG0102-80M1B-H氣相4PG0103-80M1B氣相5PG0104-80M1B-H氣相6PG0105-65M1B氣相7R00101-150L1B-H導(dǎo)熱油液相8R00102-150L1B-H導(dǎo)熱油液相9R00103-150L1B-H導(dǎo)熱油液相R00104-150L1B-H導(dǎo)熱油液相PL0101-20L1B甲醇常壓液相PL0102-15L1B甲醇常壓液相PL0103-32L1B原料液常壓液相PLO104-20M1B原料液液相PL0105-20M1B原料液液相PL0106-40L1B吸收液液相PLO107-32L1B吸收液液相PL0108-32L1B吸收液液相DNWO101-20L1B脫鹽水液相DNWO102-15L1B脫鹽水液相CWSO101-150L1B冷卻水液相鍍鋅管CWSO102-125L1B冷卻水液相鍍鋅管CWRO101-125L1B冷卻水液相鍍鋅管)ATPG0107-80L1B食品二氧化碳?xì)庀?Cr18Ni9PL0109-20M1B工藝?yán)淠合嗾麄€(gè)系統(tǒng)有五處需要用泵：1.原料水輸送計(jì)量泵P01012.原料甲醇輸送計(jì)量泵P01023.混合原料計(jì)量泵P01034.吸收液用泵P01045.冷卻水用泵P0105(1)甲醇計(jì)量泵P0102選型已知條件：甲醇正常投料量為1013.479kg/h。溫度為25℃。密度為0.807kg/L;操作情況為泵從甲醇儲(chǔ)槽中吸入甲醇，送入原料液儲(chǔ)罐，與水混合工藝所需正常的體積流量為：1013.479/0.807=1255.86L/h泵的流量Q=1.05×1255.86=1318.65L/h工藝估算所需揚(yáng)程80m,泵的揚(yáng)程H=1.1×80=88m泵的選型：查表得，JD1600/0.8型計(jì)量泵的流量為1600L/h,壓力0.8MPa,轉(zhuǎn)速115r/min,電機(jī)功率2.2KW,滿足要求(2)純水計(jì)量泵P0101選型已知條件：水的正常投料量為855.123kg/h。溫度為25℃。密度為0.997kg/L;操作情況為泵從純水儲(chǔ)槽中吸入水，送入原料液儲(chǔ)罐，與甲醇混合工藝所需正常的體積流量為：855.123/0.997=857.70L/h泵的流量Q=1.05×857.70=900.58L/h工藝估算所需揚(yáng)程80m,泵的揚(yáng)程H=1.1×80=88m折合程計(jì)量泵的壓力：P=pgh=997×9.81×88/10?=0.861MPa泵的選型：查表得，JD1000/1.3型計(jì)量泵的流量為1000L/h,壓力1.3MPa,轉(zhuǎn)速115r/min,電機(jī)功率2.2KW,滿足要求(3)混合原料計(jì)量泵P0103選型已知條件：原料的正常投料量為1868.802kg/h。溫度為25℃。密度為0.860kg/L;操作情況為泵從原料液儲(chǔ)槽VO101中吸入原料，送入預(yù)熱器E0101工藝所需正常的體積流量為：1868.802/0.860=2173.03L/h泵的流量Q=1.05×2173.03=2281.68L/h工藝估算所需揚(yáng)程80m,泵的揚(yáng)程H=1.1×80=88m折合程計(jì)量泵的壓力：P=pgh=860×9.81×88泵的選型：查表得，JD2500/0.8型計(jì)量泵的流量為2500L/h,壓力0.8MPa,轉(zhuǎn)速115r/min,電機(jī)功率2.2KW,滿足要求(4).吸收液用泵P0104已知條件：①吸收液的輸送溫度25℃,密度760Kg/m2.泵的正常流量為4200kg/h循環(huán)使用.確定泵的流量及揚(yáng)程工藝所需的正常體積流量為4200/1000=4.20m2/h泵的流量取正常流量的1.05倍：Q=1.05×4.20=4.41m/h所需工藝泵的揚(yáng)程估算：因水槽和冷卻器液面均為大氣壓，故估算揚(yáng)程只需考慮最嚴(yán)格條件下的進(jìn)出管道阻力損失和位高差，約為35m.泵的揚(yáng)程取1.1倍的安全裕度：H=1.1×35=38.5水泵選型，選用離心式水泵查表得，40W—40型水泵最佳工況點(diǎn)：揚(yáng)程40m,流量5.4m3/h,轉(zhuǎn)速2900r/min,電機(jī)功(5).冷卻水用泵P0105已知條件：①水的輸送溫度25℃,密度997Kg/m3.泵的正常流量為95465kg/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(yáng)程工藝所需的正常體積流量為95465/997=95.75m3/h泵的流量取正常流量的1.05倍：Q=1.05×95.75=100.54m3/h所需工藝泵的揚(yáng)程估算：因水槽和冷卻器液面均為大氣壓，故估算揚(yáng)程只需考慮最嚴(yán)格條件下的進(jìn)出管道阻力損失和位高差，約為35m.泵的揚(yáng)程取1.1倍的安全裕度：H=1.1×35=38.5水泵選型，選用離心式水泵查表得，IS100-65-200型水泵最佳工況點(diǎn)：揚(yáng)程47m,流量120m2/h,轉(zhuǎn)速2900r/min,軸功率19.9KW,電機(jī)功率為22KW,效率77%。允許氣蝕余量4.8m,選用該型號(hào)泵較合適。從工藝流程圖可以知道需用閥門的設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度和接觸的介質(zhì)特性，據(jù)此數(shù)據(jù)選擇閥門的壓力等級(jí)和型式，匯總于下表：序號(hào)所在管道編號(hào)管內(nèi)介質(zhì)設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)溫度公稱直徑閥門選型連接形式閥門型號(hào)1PG0106-80M1B氫氣法蘭閘閥：Z41H-1.6C等，截止閥：J41H-1.6C2R00101-150L1B-H導(dǎo)熱油法蘭閘閥：Z41H-1.6C、Z41Y-1.6C等，截止閥：J41H-1.6C等3R00104-150L1B-H導(dǎo)熱油法蘭4PL0101-20L1B甲醇常壓法蘭閘閥：Z41H-1.6C、Z41Y-1.6C、Z15W-1.0K(螺紋)等，截止閥：J41H-1.6C等止回閥：H41H-1.65PL0102-15L1B甲醇常壓法蘭6PL0103-32L1B原料液常壓螺紋7DNWO101-20L1B脫鹽水螺紋Z15W-1.OT8PG0107-80L1B食品二氧化碳螺紋閘閥：Z41H-1.6C等，截止閥：J41H-1.6C等9PL0107-32L1B吸收液螺紋H41H-1.6PL0109-20M1B工藝?yán)淠ㄌmZ1