生产管理知识生产能
力为甲醇制氢生产装
置设计冷凝器设计
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
,原料适用范围为天然气至干点小于 ℃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。
摘要
本次课程设计是设计生产能力为 4200m3/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、设备布置设计。
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 4200Nm3/h甲醇制氢生产装置。
二、设计参数：生产能为 4200Nm3/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。
四、图纸清单：
1、物料流程图
2、工艺流程图
3、换热器总装图
4、换热器零件图
5、管道布置图
6、管道空视图
目录
第一章工艺设计 1
.甲醇制氢物料衡算.1
依据 1
投料量计算 1
原料储液槽(V0101)1
换热器(E0101),汽化塔(T0101)、过热器(E0102)1
转化器(R0101)1
吸收和解析塔 1
热量恒算 2
气化塔顶温度确定 2
转化器(R0101)2
过热器(E0102)3
汽化塔(T0101)3
换热器(E0101)3
冷凝器(E0103)4
.冷凝器的计算与选型 5
.设计任务 5
.总体设计 5
.热工计算 5
详细结构设计与强度设计 11
结构设计 11
筒体 12
封头 12
管程接管补强计算（按照 GB150-1998等面积补强法）13
壳程接管补强计算（按照 GB150-1998等面积补强法）13
换热管（GB151-1999）14
折流板（GB151-1999）14
拉杆（GB151-1999）15
软件校核 15
固定管板换热器设计计算 15
前端管箱筒体计算 15
前端管箱封头计算 15
后端管箱筒体计算 15
后端管箱封头计算 15
开孔补强计算 15
延长部分兼作法兰固定式管板 15
第三章机器选型及管道设计 37
计量泵的选型 37
纯水计量泵 P0101选型 37
甲醇计量泵 P0102选型 37
已知条件：37
吸收液用泵 P0106选型 38
管子选型（确定几种主要管道尺寸的方法如下）38
材料选择 38
管子的规格尺寸的确定及必要的保温层设计 39
主要管道工艺参数汇总一览表 52
各部件的选择及管道图 53
管道上阀门的选型 53
管道法兰选型 53
管件选型 54
管道仪表流程图 54
管道布置图 55
管道空视图 55
第四章自动控制方案设计 55
选择一个单参数自动控制方案 55
流量控制系统流程图及其控制系统方框图 55
如何实现控制过程的具体说明 55
第五章经济评价 56
甲醇制氢装置的投资估算 56
单元设备价格估算 56
总投资估算 56
总成本费用估算与分析 57
参考文献 60
0
第一章 工艺设计
.甲醇制氢物料衡算.
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 ,醇水投料比 1:(mol)。
投料量计算
代如转化率数据
CH3OH—→↑+↑+
CO+—→↑+↑+↑
合并得到
CH3OH+—→↑+↑++
氢气产量为:4200m/h=
甲醇投料量为:
水投料量为:
原料储液槽(V0101)
进:甲醇
出:甲醇
换热器(E0101),汽化塔(T0101)、过热器(E0102)
没有物流变化
1
转化器(R0101)
进:甲醇
出:生成
剩余甲醇
剩余水
总计
吸收和解析塔
2
吸收塔的总压为 1．5MPa,其中 CO 的分压为 ,操作温度为常温(25℃).此
时,每 m吸收液可溶解 .此数据可以在一般化工基础数据手册中找到，二
氯
化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度数据见表 1一 l及表 1—2。
解吸塔操作压力为 ,CO溶解度为 ,则此时吸收塔的吸收能力为:
=
压力下=pM/RT=
CO体积量 V=
据此,所需吸收液量为
考虑吸收塔效率以及操作弹性需要,取吸收量为
可知系统压力降至 时,析出 CO量为 520m/h=2732kg/h.
7、PSA系统略.
8、各节点的物料量
综合上面的工艺物料衡算结果,给出物料流程图及各节点的物料量,
热量恒算
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 ,设温度为 T,根据汽液平衡关系有：
甲醇+水=
初设 T=170℃p甲醇=;p水=
p总=<
再设 T=175℃p甲醇=;p水
3
p总=
蒸气压与总压基本一致，可以认为操作压力为 时，汽化塔塔顶温度为 175
℃
转化器(R0101)
两步反应的总反应热为
Q=
=
此热量由导热油系统带来,反应温度为 280℃,可以选用导热油温度为 320℃,导
热油温度降设定为 5℃,从手册中查到导热油的物性参数,如比定压热容与温度的
关系,可得:
c==
取平均值 c=
则导热油用量 w=Q/(ct)=
过热器(E0102)
甲醇和水的饱和蒸气在过热器中 175℃过热到 280℃,此热量由导热油供给.
气体升温所需热量为:
Q=cmt=(+)(280-175)=
导热油 c=
t=Q/(cm)=
导热油出口温度为:=℃
汽化塔(T0101)
认为汽化塔仅有潜热变化。
4
175℃甲醇 H= H=203IkJ/kg
Q=+=
以 300℃导热油 c计算 c=
t=Q/(cm)=
则导热油出口温度 t==℃
导热油系统温差为 T==℃基本合适.
换热器(E0101)
壳程：甲醇和水液体混合物由常温（25℃）升至 175℃，其比热容数据也可以从
手册中得到，表 1一 5列出了甲醇和水液体的部分比定压热容数据。
液体混合物升温所需热量
Q=cmt=(+)(175-25)=
管程：没有相变化，同时一般气体在一定的温度范围内，热容变化不大，以恒定
值计算，这里取各种气体的比定压热容为：
则管程中反应后气体混合物的温度变化为：
t=Q/(cm)=
换热器出口温度为 =℃
冷凝器(E0103)
①CO,CO,H的冷却
Q=cmt=(++)(-40)=
5
②CHOH的量很小，在此其冷凝和冷却忽略不计。压力为 时水的冷凝热为：
H=2135KJ/kg,总冷凝热 Q=Hm=.067=
水显热变化 Q=cmt=(-40)=
Q=Q+Q+Q=
冷却介质为循环水，采用中温型凉水塔，则温差△T=10℃
用水量 w=Q/(ct)=
第二章设备设计计算和选型
.冷凝器的计算与选型
.设计任务
根据给定的工艺设计条件，此设计有相变热、冷流体间换热的管壳式换热器设计
任务。
.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、甲醇、二氧化碳和氢气的混合气走壳程，冷却水走管
程。
.热工计算
热工设计的计算步骤与结果列于下各表中。
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 冷却水
壳程流体名称 混合气体
冷却水的进出口温度 ； ℃ 给定 20；30
混合气体的进出口温度 ； ℃ 给定 ；40
6
冷却水混合气体工作压力 ； MPa 给定 ；
混合气体的质量流量 kg/s 给定
2，定性温度与物性参数
计算内容或项目 符号 单位 计算公式或来源 结果 备注
混合气体的定性温度 ℃ =()/2
冷却水的定性温度 ℃ =(+)/2 25
冷却水，混合气体密度 ； kg/
按定性温度查物
性表
997；
冷却水，混合气体比热容 ；
J/(kg ·
℃)
按定性温度查物
性表
4180；2580
冷却水，混合气体导热系
数
；
W/(m ·
℃)
按定性温度查物
性表
冷却水，混合气体的粘度 ； Pa·s
按定性温度查物
性表
-4
-4
冷却水，混合气体普朗特
数
； 查表或计算
；
3,物料与热量衡算
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
负荷 Q W 见汽化塔热量衡算
冷却水的质量流
量
kg/s 见过热器热量衡算
4，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
冷流体蒸发对数平
均温差
Δt ℃
Δ=(Δ-Δt)/ln(Δt/Δ
t)
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 R=（-）/（-）
7
参数 P P=（-）/(-)
温度校正系数 查图 4-2 1
有效平均温差 Δt ℃ Δ=Δ
5，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 W/(·℃) 参考表 4-1 600
初算传热面积 =Q/(Δt)
6,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
换热管材料 选用碳钢无缝钢管 φ25×
换热管内，外径 ；d m ；
换热管管长 L m
换热管根数 n n=/（πdL） 144
管程数
根据管内流体流速
范围选定
1
管程进出口接管尺
寸（外径*壁厚）
按接管内流体流速
＜3m/s合理选取
φ159×6 选取
壳程数 m 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= 或按标准
4
管束中心排管数
=（外加 6 根拉
杆）
壳体内径 m =S（-1）+（1-2）d
换热管长径比 L/ L/ 合理
实排换热器管根数 n 作图或按计算 150
折流板型式 选定
单弓形折流
板
折流板外径 m 按 GB151-1999
8
折流板缺口弦高 h m 取 h=
折流板间距 B m 取 B=（～1）
折流板数 =L/B-1 14
壳程进出口接管尺
寸（外径*壁厚）
m 合理选取 φ219×6 选取
7，管程传热与压降
计算内容或
项目
符号 单位 计算公式或来源 结果
备
注
管程流速 m/s =4/(nπ)
管程雷诺数 =/
换热器壁温 ℃ 假定 92
管程流体给
热系数
W/(·℃) =
（n=1/3）
管程进出口
处流速
m/s 4
管程摩擦因
子
查图 4-3
管内摩擦压
降
Δ Pa Δ=4L/()
回弯压降 Δ Pa Δ=4/2
进出口局部
压降
Δ Pa Δ=
管程压降 Δ Pa Δ=(Δ+Δ)+Δ
（）
管程最大允
许压降
[Δ] Pa 查表 4-3 35000
校核管程压
降
Δ＜[Δ]
合
理
8、壳程传热与压降
计算内容或项目 符号 单位 计算公式或来源 结果 备
9
注
壳程当量直径 D m D=
横过管束的流通
截面积
A A
壳程流体流速 u m/s u=
壳程雷诺数 Re Re=
壳程流体给热系
数
αo W/(·℃) αo=
折流板圆缺部分
的换热管数
nw 切口上管子按圆弧比计入 26
β值 β 按表 4-4
折流板圆缺部分
流通面积
Ab
折流板圆缺区流
体流速
ub m/s
圆缺区平均流速 um m/s um=
壳程进出口处流
速
uNs m/s uNs=
壳程摩擦因子 fo 查图 4-4
折流板间错流管
束压降
Δp Pa Δp=4fo
圆缺部分压降 Δp Pa Δp=
进出口局部压降 Δp Pa Δp=
壳程压降 Δp Pa Δp=Δp+Δp+Δp
壳程最大允许压
降
[Δp] Pa 查表 4-3 35000
合
理
校核壳程压降 Δp＜[Δp]
合
理
9，总传热系数
计算内容或项目 符号 单位 计算公式或来源 结果 备注
管内污垢热阻 ·℃/W 查表 4-5 ×10-5
管外污垢热阻 ·℃/W 查表 4-5 ×10-5
10
换热管材料导热
系数
W/(m·℃) 查表 3
管壁热阻 ·℃/W ×10-5
总传热系数 K W/(·℃) 按式 4-22
10传热面积与壁温核算
计算内容或项目 符号 单位 计算公式或来源 结果 备注
需要传热面积 A A=
实有传热面积 A 实
A 实=nπd(L-2S)设管板厚
度为
校核传热面积 ΔA ΔA=A 实/A
热流体传热面积 ℃ 按式 4-25
冷流体传热面积 ℃ 按式 4-26
管壁计算温度 ℃ 按式 4-24
校核管壁温度 Δ ℃ Δ=-
结论
设计符合要
求
详细结构设计与强度设计
确定所有零部件的尺寸和材料，并对换热设备所有受压元件进行强度计算
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 25×的无缝钢管，材料为 20G号钢。换热管排
列方式为三角形排列，共排换热管 144根，另外再设 6拉杆。
3，折流板：采用通用的单弯形折流板，材料为 Q235-B钢，板厚 4mm，板数 14块。
4，拉杆：采用 Q235-B钢，φ16mm，共 6根
5，筒体：材料采用 Q345R钢，筒体内径φ500mm，厚度由 GB150《钢制压力容器》
标准计算得到
6，封头：采用标准椭圆封头，材料采用 Q345R钢
7，管板：采用固定管板，其厚度可以按照 GB151《管壳式换热器》标准进行设计，
11
材料采用 16MnII钢
确定了换热器的结构以后，必须对换热器的所有受压元件进行强度计算。对钢制
的换热器，按照 GB150《钢制压力容器》标准进行设计。结果如表 4-6
结构设计
按照 GB150-1998《钢制压力容器》进行结构设计计算。
筒体
(1)筒体内径:600mm
计算压力：P=设计温度取 228C
筒体材料：Q345R焊接接头系数Φ=
钢板厚度负偏差 C1=,腐蚀裕量 C2=,厚度附加量 C=C1+C2=.
筒体的计算厚度计算
d==
考虑厚度附加量并圆整至钢板厚度系列，得材料名义厚度n=6mm.
强度校核
有效厚度e=n-C1-C2=
st==<=
符合强度要求。
（2）根据筒径选用非金属软垫片：石棉橡胶板
垫片厚度：3mm垫片外径:642mm垫片内径：604mm
根据筒体名义厚度选用甲型平焊法兰（JB4702）法兰材料：Q345R
DN 法兰外径 中心孔直径 法兰厚度 螺栓孔直径 螺纹规格 螺栓数量
600mm 730mm 690mm 40mm 23mm M20 24
12
表 3-2筒体法兰数据
封头
封头内径：600mm
设计压力：P=设计温度取 35C
封头材料：Q345R焊接接头系数Φ=
钢板厚度负偏差 C1=,腐蚀裕量 C2=,厚度附加量 C=C1+C2=.
封头的计算厚度计算
选用标准椭圆形封头，K=
==
考虑厚度附加量并圆整至钢板厚度系列，取封头名义厚度与筒体厚度相同，得材
料名义厚度n=6mm.
强度校核
有效厚度e=n-C1-C2=
t==<=189MPa
符合强度要求。
根据筒径选用标准椭圆形封头直边高：25mm曲边高：125mm壁厚：6mm
管程接管补强计算（按照 GB150-1998等面积补强法）
接管：φ1596材料：20G
δ==
d=
=6mmmm
13
=
补强满足要求,不需另加补强。
壳程接管补强计算（按照 GB150-1998等面积补强法）
接管：φ2196材料：20G
δ===
d=
=6mmmm
=
所增加的补强金属截面积
补强圈材料 Q345R，外径 300mm，厚度 6mm
补强满足要求。
换热管（GB151-1999）
管子材料：20G
根据上节中计算的管子内径选用尺寸：φ25×管长：4500根数：238
实排根数：244（外加 6根拉杆）排列形式：正三角形
中心距：32管束中心排管数：17长径比：9
折流板（GB151-1999）
材料：Q235-B形式：单弓形外直径：600管孔直径：
缺口弦高：120mm间距：300mm板数：14厚度：4mm
拉杆（GB151-1999）
直径：16螺纹规格：M16根数；6
14
软件校核
固定管板换热器设计计算
前端管箱筒体计算
前端管箱封头计算
后端管箱筒体计算
后端管箱封头计算
壳程圆筒计算
开孔补强计算
延长部分兼作法兰固定式管板
管箱法兰计算
15
固定管板换热器设计计算 计算单位 南京工业大学
设计计算条件
壳程 管程
设计压力 MPa 设计压力 MPa
设计温度 230 设计温度 30
壳程圆筒内径Di 600 mm
管箱圆筒内径
Di
600 mm
材料名称 Q345R 材料名称 Q345R
简图
计算内容
壳程圆筒校核计算
前端管箱圆筒校核计算
前端管箱封头(平盖)校核计算
后端管箱圆筒校核计算
后端管箱封头(平盖)校核计算
开孔补强设计计算
管板校核计算
16
17
前端管箱封头计算 计算单位 南京工业大学
计算所依据的标准 -2011
计算条件 椭圆封头简图
计算压力 Pc MPa
设计温度 t C
内径 Di mm
曲面深度 hi mm
材料 Q345R(板材)
设计温度许用应力t MPa
试验温度许用应力 MPa
钢板负偏差 C1 mm
腐蚀裕量 C2 mm
焊接接头系数
压力试验时应力校核
压力试验类型 液压试验
试验压力值 PT==(或由用户输入) MPa
压力试验允许通过的应力
t
Ts= MPa
试验压力下封头的应力 T== MPa
校核条件 TT
校核结果 合格
厚度及重量计算
形状系数 K==
计算厚度 h== mm
有效厚度 eh=nh-C1-C2= mm
最小厚度 min= mm
名义厚度 nh= mm
结论 满足最小厚度要求
重量 Kg
压力计算
最大允许工作压力 [Pw]== MPa
结论 合格
18
19
后端管箱封头计算 计算单位 南京工业大学
计算所依据的标准 -2011
计算条件 椭圆封头简图
计算压力 Pc MPa
设计温度 t C
内径 Di mm
曲面深度 hi mm
材料 Q345R(板材)
设计温度许用应力t MPa
试验温度许用应力 MPa
钢板负偏差 C1 mm
腐蚀裕量 C2 mm
焊接接头系数
压力试验时应力校核
压力试验类型 液压试验
试验压力值 PT==(或由用户输入) MPa
压力试验允许通过的应力
t
Ts= MPa
试验压力下封头的应力 T== MPa
校核条件 TT
校核结果 合格
厚度及重量计算
形状系数 K==
计算厚度 h== mm
有效厚度 eh=nh-C1-C2= mm
最小厚度 min= mm
名义厚度 nh= mm
结论 满足最小厚度要求
重量 Kg
压力计算
最大允许工作压力 [Pw]== MPa
结论 合格
20
21
壳程圆筒计算 计算单位 南京工业大学
计算所依据的标准 -2011
计算条件 筒体简图
计算压力 Pc MPa
设计温度 t C
内径 Di mm
材料 Q345R(板材)
试验温度许用应力 MPa
设计温度许用应力t MPa
试验温度下屈服点s MPa
钢板负偏差 C1 mm
腐蚀裕量 C2 mm
焊接接头系数
厚度及重量计算
计算厚度 == mm
有效厚度 e=n-C1-C2= mm
名义厚度 n= mm
重量 Kg
压力试验时应力校核
压力试验类型 液压试验
试验压力值 PT==(或由用户输入) MPa
压力试验允许通过
的应力水平T
Ts= MPa
试验压力下
圆筒的应力
T== MPa
校核条件 TT
校核结果 合格
压力及应力计算
最大允许工作压力 [Pw]== MPa
设计温度下计算应力 t== MPa
t MPa
校核条件 t≥t
结论 筒体名义厚度大于或等于 GB151中规定的最小厚度 ,合格
22
开孔补强计算 计算单位 南京工业大学
接管:N1,φ159×6 计算方法:-2011等面积补强法，单孔
设计条件 简图
计算压力 pc MPa
设计温度 30 ℃
壳体型式 圆形筒体
壳体材料
名称及类型
Q345R
板材
壳体开孔处焊接接头系数
φ
壳体内直径 Di 600 mm
壳体开孔处名义厚度δn 8 mm
壳体厚度负偏差 C1 mm
壳体腐蚀裕量 C2 2 mm
壳体材料许用应力[σ]t 189 MPa
接管轴线与筒体表面法线的夹角(°) 0
凸形封头上接管轴线与封头轴线的
夹角(°)
接管实际外伸长度 150 mm 接管连接型式 插入式接管
接管实际内伸长度 0 mm 接管材料 20(GB6479)
接管焊接接头系数 1 名称及类型 管材
接管腐蚀裕量 mm 补强圈材料名称
补强圈外径 mm凸形封头开孔中心至
封头轴线的距离
mm
补强圈厚度 mm
接管厚度负偏差 C1t mm 补强圈厚度负偏差 C1r mm
接管材料许用应力[σ]t MPa 补强圈许用应力[σ]t MPa
开孔补强计算
非圆形开孔长直径 149 mm 开孔长径与短径之比 1
壳体计算厚度δ mm 接管计算厚度δt mm
补强圈强度削弱系数 frr 0 接管材料强度削弱系数 fr
开孔补强计算直径 d 149 mm 补强区有效宽度 B 298 mm
接管有效外伸长度 h1 mm 接管有效内伸长度 h2 0 mm
23
开孔削弱所需的补强面积
A
113 mm2 壳体多余金属面积 A1 728 mm2
接管多余金属面积 A2 230 mm2 补强区内的焊缝面积 A3 12 mm2
A1+A2+A3=970 mm2，大于 A，不需另加补强。
补强圈面积 A4 mm2 A-(A1+A2+A3) mm2
结论:合格
24
开孔补强计算 计算单位 南京工业大学
接管:N2,φ219×6 计算方法:-2011等面积补强法，单孔
设计条件 简图
计算压力 pc MPa
设计温度 230 ℃
壳体型式 圆形筒体
壳体材料
名称及类型
Q345R
板材
壳体开孔处焊接接头系数
φ
1
壳体内直径 Di 600 mm
壳体开孔处名义厚度δn 6 mm
壳体厚度负偏差 C1 mm
壳体腐蚀裕量 C2 1 mm
壳体材料许用应力[σ]t MPa
接管轴线与筒体表面法线的夹角(°) 0
凸形封头上接管轴线与封头轴线的
夹角(°)
接管实际外伸长度 mm 接管连接型式 插入式接管
接管实际内伸长度 0 mm 接管材料 20(GB6479)
接管焊接接头系数 1 名称及类型 管材
接管腐蚀裕量 1 mm 补强圈材料名称 Q345R
补强圈外径 300 mm凸形封头开孔中心至
封头轴线的距离
mm
补强圈厚度 6 mm
接管厚度负偏差 C1t mm 补强圈厚度负偏差 C1r mm
接管材料许用应力[σ]t MPa 补强圈许用应力[σ]t MPa
开孔补强计算
非圆形开孔长直径 mm 开孔长径与短径之比 1
壳体计算厚度δ mm 接管计算厚度δt mm
补强圈强度削弱系数 frr 1 接管材料强度削弱系数 fr
开孔补强计算直径 d mm 补强区有效宽度 B mm
接管有效外伸长度 h1 mm 接管有效内伸长度 h2 0 mm
25
开孔削弱所需的补强面积
A
592 mm2 壳体多余金属面积 A1 398 mm2
接管多余金属面积 A2 153 mm2 补强区内的焊缝面积 A3 9 mm2
A1+A2+A3=560 mm2，小于 A，需另加补强。
补强圈面积 A4 462 mm2 A-(A1+A2+A3) 32 mm2
结论:合格
26
不带法兰固定式管板计算(b) 设计单位 南京工业大学
设计计算条件 简图
设计压力 Ps MPa
设计温度 t 230
平均金属温度 0
装配温度 15
材料名称 Q345R
设计温度下许用应力 MPa
平均金属温度下弹性模量
+
05
MPa
平均金属温度下热膨胀系数
-
05
mm/mm
壳程圆筒内径 600 mm
壳程圆筒名义厚度 6 mm
壳程圆筒有效厚度 mm
壳程圆筒内直径横截面积 A=Di2 +05 mm2
壳
程
圆
筒
壳程圆筒金属横截面积 As=s(DI+n) 8929 mm2
设计压力 MPa
设计温度 30
材料名称 Q345R
设计温度下弹性模量 +05 MPa
管箱圆筒名义厚度 8 mm
管
箱
圆
筒
管箱圆筒有效厚度 6 mm
材料名称 20(GB9948)
管子平均温度 t 0
设计温度下管子材料许用应力 MPa
设计温度下管子材料屈服应力 184 MPa
设计温度下管子材料弹性模量 +05 MPa
平均金属温度下管子材料弹性模量 +05 MPa
平均金属温度下管子材料热膨胀系数 -05 mm/mm
管子外径 d 25 mm
管子壁厚 mm
换
热
管
管子根数 n 150
27
换热管中心 S mm
一根管子金属横截面积 mm2
换热管长度 L1 4500 mm
换热管有效长度(两管板内侧间距)L 4380 mm
28
管束模数= 2041 MPa
管子回转半径 mm
管子受压失稳当量长度 350 mm
系数 Cr=
比值
管子稳定许用压应力()[]= MPa
换
热
管
管子稳定许用压应力()[]= MPa
材料名称 16MnDR
设计温度 230
设计温度下许用应力 MPa
设计温度下弹性模量 +05 MPa
管板腐蚀裕量 mm
管板输入厚度 60 mm
管板计算厚度 mm
隔板槽面积(包括拉杆和假管区面积)Ad 0 mm2
管板强度削弱系数
管板刚度削弱系数
管子加强系数,K=
管板和管子连接型式 焊接
管板和管子胀接(焊接)高度 l mm
胀接许用拉脱应力[q] MPa
管
板
焊接许用拉脱应力[q] MPa
材料名称
管箱法兰厚度 0 mm
比值
比值 0
系数(查<<GB151-1999>>图 25)
系数(查<<GB151-1999>>图 26) 0.
管
箱
法
兰
旋转刚度 MPa
注：
29
材料名称 16MnDR 壳体法兰厚度 0 mm
管板延长部分凸缘外直径 Df 0 mm
管板延长部分凸缘宽度 0 mm
比值 比值 0
系数(按s/Di,f”/Di)查<<GB151-1999>>图 25)
系数(查<<GB151-1999>>图 26)` -05
壳
体
法
兰
旋转刚度 MPa
旋转刚度(c型结构 0) MPa
旋转刚度无量纲参数
膨胀节总体轴向刚度 2 N/mm
管板第一弯矩系数 m1,(按 K,查<<GB151-1999>>图 27)
系数
系数(按查<<GB151-1999>>图 29)
换热管束与不带膨胀节壳体刚度之±
换热管束与带膨胀节壳体刚度之比 +05
系
数
计
算
管板第二弯矩系数 m2,按 K,Q(或 Qex)查<<GB151-1999>>图 28(a)
或(b)
+05
管板开孔后面积 +05 mm2
管板布管区面积
(三角形布管)
(正方形布管)
+05 mm2
管
板
参
数
管板布管区当量直径 mm
系数
系数
系数
系数(带膨胀节时代替 Q) +05
管板布管区当量直径与壳体内径之比
系
数
计
算
管板周边不布管区无量纲宽度 k=K
30
仅有壳程压力 Ps作用下的危险组合工况(Pt=0)
不计温差应力 计温差应力
换热管与壳程圆筒热膨胀变形差
=(t-t)-(t-t)
0
当量压力组合 MPa
有效压力组合 MPa
边界效应压力组合 MPa
边界效应压力组合系数
管板边缘力矩系数
管板边缘剪力系数
管板总弯矩系数 5412 5412
系数仅用于时 2465 2465
系数
当时,按 K 和 m 查图 31(a)实线当时,按 K
和 m查图 31(b)
5961 5961
系数
>0,=,
<0,=
5961 5961
管板径向应力系
数
带膨胀节 Q为 Q
=
管板布管区周
边
处径向应力系
数
=
管板布管区周
边
处剪切应力系
数
= -07 -07
计算值 许用值 计算值 许用值
管板径向应力
=
3
=
MPa
31
管板布管区周边处径向应力
=
3
=
MPa
管板布管区周边剪切应力 -0
5
=
-
05
=
MPa
32
换热管轴向应力
=
=
3=
=
MPa
壳程圆筒轴向应力 0.
=
0.
=
MPa
换热管与管板连接拉脱应力 q=
[q]=
3[q]焊接
[q]胀接
MPa
仅有管程压力 Pt作用下的危险组合工况(Ps=0)
不计温差应力 计温差应力
换热管与壳程圆筒热膨胀变形差
=(t-t)-(t-t) 0
当量压力组合 MPa
有效压力组合 +05 +05 MPa
边界效应压力组合 MPa
边界效应压力组合系数 -09 -09
管板边缘力矩系数 -09 -09
管板边缘剪力系数 -08 -08
管板总弯矩系数
系数 G1e仅用于时
系数 G1i
当时,按 K和 m查图 31(a)实线
当时,按 K和 m查图 31(b)
系数 G1
>0,=;
<0,=
管板径向应力
系数
带膨胀节 Q为 Q
= -07 -07
管板布管区周
边
= -08 -08
33
处径向应力系
数
管板布管区周
边
处剪切应力系
数
= -07 -07
34
计算值 许用值 计算值 许用值
管板径向应力
=
3
=
MPa
管板布管区周边处径向应力
=
3
=
MPa
管板布管区周边剪切应力
=
=
MPa
换热管轴向应力
=
=
3=
=
MPa
壳程圆筒轴向应力
-05
=
-0
5
=
MPa
换热管与管板连接拉脱应力 q=
[q]=
3[q]焊接
[q]胀接
MPa
计算结果 管板名义厚度 60 mm 管板校核通过
35
换热管内压计算 计算单位 南京工业大学
计算条件 换热管简图
计算压力 Pc MPa
设计温度 t C
内径 Di mm
材料 20(GB9948)(管材)
试验温度许用应力 MPa
设计温度许用应力t MPa
钢板负偏差 C1 mm
腐蚀裕量 C2 mm
焊接接头系数
厚度及重量计算
计算厚度 == mm
有效厚度 e=n-C1-C2= mm
名义厚度 n= mm
重量 Kg
压力及应力计算
最大允许工作压力 [Pw]== MPa
设计温度下计算应力 t== MPa
t MPa
校核条件 t≥t
结论 换热管内压计算合格
36
换热管外压计算 计算单位 南京工业大学
计算条件 换热管简图
计算压力 Pc MPa
设计温度 t C
内径 Di mm
材料名称 20(GB9948)(管材)
试验温度许用应力 MPa
设计温度许用应力t MPa
钢板负偏差 C1 mm
腐蚀裕量 C2 mm
焊接接头系数
厚度及重量计算
计算厚度 = mm
有效厚度 e=n-C1-C2= mm
名义厚度 n= mm
外压计算长度 L L= mm
外径 Do Do=Di+2n= mm
L/Do
Do/e
A值 A=0.
B值 B=
重量 kg
压力计算
许用外压力 [P]== MPa
结论 换热管外压计算合格
第三章机器选型及管道设计
整个系统有五处需要用泵:原料水输送计量泵 P0101、原料甲醇输送计量泵 P0102、
混合原料计量泵 P0103、冷却水用泵 P0104、吸收液用泵 P0106、导热油用泵 p0105
37
计量泵的选型
纯水计量泵 P0101选型
已知条件：
水的正常投料量为 25℃。密度为
操作情况为泵从纯水储槽中吸入水，送入原料液储罐，与甲醇混合
工艺所需正常的体积流量为：
泵的流量 Q＝×1715＝1800L/h
工艺估算所需扬程 10m,泵的扬程 H＝×10＝11m
折合成计量泵的压力：P=ρgh=997××11/106=
泵的选型：查表得，选用 JD-1850/型计量泵，流量为 400L/h，压力 ，
转速 126r/min，电机功率 ，满足要求
甲醇计量泵 P0102选型
已知条件：
甲醇正常投料量为 25℃，密度为
泵从甲醇储槽中吸入甲醇，送入原料液储罐，与水混合
工艺所需正常的体积流量为：
泵的流量：Q＝×2512＝
工艺估算所需扬程 10m,泵的扬程＝×10＝11m
折合成计量泵的压力：P=ρgh=807××11/106=
泵的选型：查表 6-27得，选用 JD-3000/型计量泵，流量为 3000L/h，压
力 ，转速 150r/min，电机功率 4KW，满足要求。
混合原料计量泵 P0103选型
38
已知条件：
原料的正常投料量为 25℃密度为
操作情况为泵从原料液储槽 V0101中吸入原料，送入预热器 E0101
工艺所需正常的体积流量为：
泵的流量 Q＝×＝
工艺估算所需扬程 10m,泵的扬程 H＝×10＝11m
折合程计量泵的压力：P=ρgh=860××11/106=
泵的选型：查表得，JD-5000/型计量泵,流量为 5000L/h，压力 ，
转速 115r/min，电机功率 ，满足要求。
冷却水用泵 P0104选型
已知条件:
水的输送温度 25℃,密度 997Kg/m3.泵的正常流量为 201000kg/h
操作情况,泵从水槽中吸入水,送入冷凝器 E0103中换热，再冷却送回水槽，
循环使用。
工艺所需的正常体积流量为/997=
泵的流量取正常流量的 倍:Q=×=
所需工艺泵的扬程估算:因水槽和冷却器液面均为大气压,故估算扬程只需
考虑最严格条件下的进出管道阻力损失和位高差，约为 35m.
泵的扬程取 倍的安全裕度：H=×35=
水泵选型，选用离心式水泵
查表得，IS125-100-250型水泵
最佳工况点：流量为 240m3/h，扬程 72m，转速 2900r/min，汽蚀余量 ，
39
泵效率 75%，轴功率为 ，电机功率为 75kw,满足要求。
导热油用泵 P0105选型
已知条件:
导热油的输送温度 320℃,密度 796Kg/m3.泵的正常流量为 218000kg/h
操作情况,泵从水槽中吸入水,送入汽化塔 T0101处理，再经 E0102过热器换
热，循环使用。
工艺所需的正常体积流量为 218000/796=
泵的流量取正常流量的 倍:Q=×=
所需工艺泵的扬程估算:因水槽和冷却器液面均为大气压,故估算扬程只需
考虑最严格条件下的进出管道阻力损失和位高差，约为 35m.
泵的扬程取 倍的安全裕度：H=×35=
泵的选型：查表得，200Y75A,流量为 300m³/h，转速 2950r/min，扬程 75m，
电机功率 22KW，满足要求。
吸收液用泵 P0106选型
已知条件:
吸收液的输送温度 25℃,密度 760kg/m3.泵的正常流量为
操作情况,泵从吸收液储槽中吸入吸收液,送入 T0102中，再回解析塔解析出
CO2，循环使用.
工艺所需的正常体积流量为
泵的流量取正常流量的 倍:Q=×=
所需工艺泵的扬程估算:因水槽和冷却器液面均为大气压,故估算扬程只需
考虑最严格条件下的进出管道阻力损失和位高差，约为 35m.
40
泵的扬程取 倍的安全裕度：H=×35=
泵的选型：查表得，选用 IS125-100-315型离心泵
最佳工况点：流量为 200m3/h，扬程 125m，转速 2900r/min，汽蚀余量 ，
泵效率 75%，轴功率为 ，电机功率为 110kw,满足要求。
管子选型（确定几种主要管道尺寸的方法如下）
材料选择
综合考虑设计温度、压力以及腐蚀性（包括氢腐蚀），本装置主管道选择 20g
无缝钢管，理由如下：
腐蚀性——本生产装置原料甲醇、导热油对材料无特殊腐蚀性；产品氢气对
产品可能产生氢腐蚀，但研究表明碳钢在 220℃以下氢腐蚀反应速度极慢，而且
氢分压不超过 时，不管温度有多高，都不会发生严重的氢腐蚀。本装置
中临氢部分最高工作温度为 300℃，虽然超过 220℃，但转化气中氢气的分压远
低于 。所以 20g无缝钢管符合抗腐蚀要求。
温度——20g无缝钢管的最高工作温度可达 475℃，温度符合要求。
经济性——20g无缝钢管属于碳钢管，投资成本和运行维护均较低。
管子的规格尺寸的确定及必要的保温层设计
①导热油管道的规格和保温结构的确定
流量＝218000kg/h＝218000/(796*3600)=
流速范围 ～
取吸油管中流速 u1=2m/s，出油管中流速 u2=2m/s。
则管径：
壁厚：
41
则：
查表吸油管和出油管都应选用 系列的管子
选择吸油管 RO0101DN250管道规格 无缝钢管
选择出油管 RO0102、RO0103、RO0104、RO0105DN250管道规格 273x8无缝钢
管
流速校正：
合格
合格
保温层计算:
管道外表面温度 T0=320℃,环境年平均温度 Ta=20℃,年平均风速为 2m/s，采
用岩棉管壳保温，保温结构单位造价为 750元/m3，贷款计息年数为 5年，复利率
为 10%，热价为 元/106kJ。
设保温层外表面温度为 30℃，岩棉在使用温度下的导热系数为
,
表面放热系数为
mm
p
Dp
t
i
t
ii
2
2,
2
100
1000
p
×1000= t
sm
D
q
u
v
/
22
1
1
sm
D
q
u
v
/
22
1
1
42
保温工程投资偿还年分摊率
S==
计算经济保温层经济厚度
Do,1=273mm=
Do,2=273mm=
即=
解上式得
D1,1==485mm
D1,2==485mm
保温层厚度为：
δ1=х(D1-D0)=х(485-273)=106mm
δ2=х(D1-D0)=х(485-219)=106mm
根据 GB50264-97 的 节“绝热总厚度δ80mm 时应分层敷设”及
GBJ126-89的规定，“当采用一种绝热制品，保温层厚度大于 100mm时，应分为两
层或多层，逐层施工，各层的厚度宜接近。”取保温层为两层，吸油管内层取
54mm，外层取 54mm，总厚度为 1084mm，出油管内层取 54mm，外层取 54mm，总厚
度为 108mm。
计算保温后的散热量
D2,1=+=
D1,1=+=
D2,2=+=
D1,2=+=
43
最大允许热损失量，查 GB50264-97附录 B:T0=300℃时为 186W/m2,320℃时的
最大允许热损失量 Q允 Q1= Q2=
计算保温后表面温度
计算出来的表面温度略低于最初计算导热系数时假设的表面温度 30℃,故保
温层可以满足工程要求。
① 醇原料管道的规格
流量＝
流速范围 ～
取吸水管中流速=1m/s，出水管中流速=
则管径：
壁厚：
则：
查表吸水管和出水管都应选用 系列的管子
选择吸水管 PL0101DN32管道规格 42x3无缝钢管
选择出水管 PL0102DN25管道规格 34x3无缝钢管
mmm
u
q
D vi
1,
mm
p
Dp
t
i
t
ii
2
1,
1
152
1000
p
×1000= t
44
流速校正：
合适。
②盐水原料管道的规格
流量 qv=
流速范围 ～
取吸水管中流速=1m/s，出水管中流速=
则管径：
壁厚：
则：
查表吸水管和出水管都应选用 系列的管子
选择吸水管 DNW0101DN25管道规格 34x3无缝钢管
选择出水管 DNW0102DN20管道规格 无缝钢管
sm
D
q
u
v
/
22
1
1
mmm
u
q
D vi
1,
mm
p
Dp
t
i
t
ii
2
2,
2
152
1000
p
×1000= t
sm
D
q
u
v
/
22
1
1
45
流速校正：
合适。
② 醇水混合后原料管道的规格
流量＝
流速范围 ～
取吸水管中流速=1m/s，出水管中流速=
则管径，壁厚：
则：
查表吸水管和出水管都应选用 系列的管子
选择吸水管 PL0103DN32管道规格 42x3无缝钢管
选择出水管 PL0104，PL0105DN25管道规格 34x3无缝钢管
流速校正：
合适。
mm
p
Dp
t
i
t
ii
2
2,
2
mmm
u
q
D vi
1,
152
1000
p
×1000= t
sm
D
q
u
v
/
22
1
1
46
③ 收液碳酸丙烯酯管道的规格
流量 qv＝119m3/h=119/3600=
流速范围 ～
取吸水管中流速=
则管径：
壁厚：
则：
查表吸水管应选用 系列的管子,出水管应选用 系列的管子
选择吸水管 PL0106DN150管道规格 168x5无缝钢管
选择出水管 PL0107、PL0108DN150管道规格 168x5无缝钢管
流速校正：
sm
D
q
u
v
/
22
2
2
mmm
u
q
D vi
2,
mm
p
Dp
t
i
t
ii
2
2,
2
152
1000
p
×1000= t
sm
D
q
u
v
/
22
1
1
47
合适。
④ 却水管道的规格
流量＝201000Kg/h＝201000／（997×3600）＝
流速范围 ～
取吸水管中流速=
则管径：
壁厚：
则：
则：
查表吸水管和出水管都应选用 系列的管子
选择吸水管 CWS0101DN200管道规格 219x6无缝钢管
选择出水管 CWS0102、CWS0103DN200管道规格 219x6无缝钢管
流速校正：
合适。
⑤ PG0101、PG0102、PG0103、PG0104混合气管道的规格
流量：qv＝
mmm
u
q
D vi
2,
mm
p
Dp
t
i
t
ii
2
1,
1
152
1000
p
×1000= t
48
流速范围 15～30m/s取为 15m/s
则管径：
壁厚：
则：
查表选用 系列得管子。
选择管道 PG0101、PG0102、PG0103、PG0104DN125管道规格 140x5无缝钢管
流速校正：
合适。
⑦保温层计算:
管道外表面温度 T0=320℃,环境年平均温度 Ta=20℃,年平均风速为 2m/s，采
用岩棉管壳保温，保温结构单位造价为 750元/m3，贷款计息年数为 5年，复利率
为 10%，热价为 元/106kJ。
设保温层外表面温度为 30℃，岩棉在使用温度下的导热系数为
,
表面放热系数为
保温工程投资偿还年分摊率
S==
mmm
u
q
D vi
mm
p
Dp
t
i
t
ii
2
200
℃
131
1000
p
×1000= t
℃
49
计算经济保温层经济厚度
Do=140mm=
即=
解上式得
D1==382mm
保温层厚度为：
δ=х(D1-D0)=х(382-140)=121mm
根据 GB50264-97 的 节“绝热总厚度δ80mm 时应分层敷设”及
GBJ126-89的规定，“当采用一种绝热制品，保温层厚度大于 100mm时，应分为两
层或多层，逐层施工，各层的厚度宜接近。”取保温层为两层，内层取 61mm，外
层取 61mm，总厚度为 122mm
计算保温后的散热量
D2=+=
D1=+=
最大允许热损失量，查 GB50264-97附录 B:T0=300℃时为 186W/m2,320℃时的
最大允许热损失量 Q允 Q=
计算保温后表面温度
计算出来的表面温度略低于最初计算导热系数时假设的表面温度 30℃,故保温层
830.
a
λ2
SP
TTλtp
D
D
lnD
3
ST
a0E31
1
o
50
可以满足工程要求。
⑧PG0105管道规格
混合气流量：
流速范围 15～30m/s取为 15m/s
则管径：
壁厚：
则：
查表选用 系列得管子。
选择管道 PG0105DN125管道规格 无缝钢管
流速校正：
合适。
⑨PG0106管道规格
H2流量：qv＝4200m³/h＝4200/3600＝
流速范围 15～30m/s取为 20m/s
则管径：
壁厚：
mm
p
Dp
t
i
t
ii
2
sm
D
q
u
v
/
22
mm
p
Dp
t
i
t
ii
2
51
则：
查表选用 系列得管子。
选择管道 PG0106DN250管道规格 273x6无缝钢管
流速校正：
合适。
⑩PG0107管道规格
CO2流量：qv＝³/h＝
流速范围 15～30m/s取为 15m/s
则管径：
壁厚：
则：
查表选用 系列得管子。
选择管道 PG0107DN100管道规格 无缝钢管
流速校正：
合适。
sm
D
q
u
v
/
22
mm
p
Dp
t
i
t
ii
2
sm
D
q
u
v
/
22
52
主要管道工艺参数汇总一览表
序号 所在管道编号 管内介质
设 计
压力
(MPa
)
设 计
温度
(℃)
流量
(m³/h)
状态 流速
公 称
直径
材料
1 PG0101-125M1B-H 200 气相 125 20g
2 PG0102-125M1B-H
甲醇
% 水
%
300 气相 125 20g
3 PG0103-125M1B-H 300 气相 125 20g
4 PG0104-125M1B-H
H210%
CO273%H2O1
7%
200 气相 125 20g
5 PG0105-125M1B
H212%
CO288%
50 气相 125 20g
6 PG0106-250M1B 氢气
50 气相 250 20g
7 PG0107-100L1B 二氧化碳 50 气相 100 0Cr18Ni9
8 RO0101-250L1B-H 导热油 320 液相 250 20g
9 RO0102-250L1B-H 导热油 320 液相 250 20g
10 RO0103-250L1B-H 导热油 320 液相 250 20g
11 RO0104-250L1B-H 导热油 320 液相 250 20g
12 RO0105-250L1B-H 导热油 320 液相 250 20g
13 PL0101-32L1B 甲醇 50
-
4
液相 32 20g
14 PL0102-25L1B 甲醇 50
-
4
液相 25 20g
15 PL0103-32L1B 原料液 50
-
4
液相 32 20g
16 PL0104-25M1B 原料液 50
-
4
液相 25 20g
17 PL0105-25M1B-H 原料液 200
-
4
液相 25 20g
18 PL0106-150L1B 吸收液 25 液相 150 20g
53
19 PL0107-150M1B 吸收液 25 液相 150 20g
20 PL0108-150M1B 吸收液 25 液相 150 20g
21 DNW0101-25L1B 脱盐水 50
-
4
液相 25 20g
22 DNW0102-20L1B 脱盐水 50
-
4
液相 20 20g
23 CWS0101-200L1B 冷却水 35 液相 200 镀锌管
24 CWS0102-200L1B 冷却水 35 液相 200 镀锌管
25 CWR0103-200L1B 冷却水 35 液相 200 镀锌管
各部件的选择及管道图
管道上阀门的选型
阀门选型序
号
所在管道编号
管内
介质
设计
压力
设 计
温度
公 称
直径 连接形式 阀门型号
1 PG0106-250M1B 氢气 50 250 法兰
闸阀：等
截止阀：
2 RO0101-250L1B-H 导热油 320 250 法兰
3 RO0105-250L1B-H 导热油 320 250 法兰
闸阀：、等
截止阀：等
4 PL0101-32L1B 甲醇 50 32 法兰
5 PL0102-25L1B 甲醇 50 25 法兰、螺纹
6 PL0103-32L1B 原料液 50 32 法兰
闸阀：、、等
截止阀：等
止回阀：
7 PL0104-25L1B 原料液 50 25 法兰
闸阀：
截止阀：
止回阀：
8 DNW0101-25L1B 脱盐水 50 25 法兰、螺纹
9 DNW0102-20L1B 脱盐水 50 20 法兰、螺纹
10 PG0107-100L1B 二氧化碳 50 100 螺纹
闸阀：等
截止阀：等
11 PL0106-150L1B 吸收液 25 150 法兰、螺纹
闸阀：
止回阀：
54
12 PL0107-150M1B 吸收液 25 150 法兰、螺纹
所选阀门均参照标准 JB308-75
管道法兰选型
法兰选型
序
号
所在管道编号 管内介质
设 计
压力
设 计
温度
公
称
直
径
阀门公
称压力
等级
法兰类型
密 封 面
型式
公 称 压
力等级
1 PG0101-125M1B-H 200
2 PG0102-125M1B-H
甲醇
%水 % 300
3 PG0103-125M1B-H 300
4 PG0104-125M1B-H
H210%
CO273%H2O17% 200
125
5 PG0105-125M1B
H212%
CO288%
50 125
6 PG0106-250M1B 氢气
50 250
7 PG0107-100L1B 二氧化碳 50 100
8 RO0101-250L1B-H 导热油 320 250
9 RO0102-250L1B-H 导热油 320
10 RO0103-250L1B-H 导热油 320
11 RO0104-250L1B-H 导热油 320
12 RO0105-250L1B-H 导热油 320
250
13 PL0101-32L1B 甲醇 50 32
14 PL0102-25L1B 甲醇 50 25
15 PL0103-32L1B 原料液 50 32
带颈平焊
法兰
凹凸面
续表
16 PL0104-25M1B 原料液 50 25
17 PL0105-25M1B-H 原料液 200 25
18 PL0106-150L1B 吸收液 25 150
19 PL0107-150M1B 吸收液 25 150
20 PL0108-150M1B 吸收液 25 150
凹凸面
21 DNW0101-25L1B 脱盐水 50 25
22 DNW0102-20L1B 脱盐水 50 20
23 CWS0101-200L1B 冷却水 35 200
带颈平焊
法兰
突面
55
24 CWS0102-200L1B 冷却水 35 200
25 CWR0103-200L1B 冷却水 35 200
管件选型
弯头采用 90°弯头，参考文献一，弯头曲率半径 R=,D0为外管。
管件与弯头处采用焊接连接。
管件与筒体连接处采用法兰连接，参见标准 HG20595.
管法兰、垫片，紧固件选择参见文献一，P189
管道仪表流程图
关于管道仪表流程图有以下说明：
图中，甲醇储罐、给水储罐未表现出来。
本章补充说明：本章有些数据是参照本组其他同学的设计、计算数据，而关于
解析塔、原料储罐的相关数据通过假设所得。
管道布置图
选取该区域的吸收塔区域来布置管线，具体管路布置清参考管道布置图，所含
设备有 P0105,P0106,V0101,T0101,T0102,T0103.
管道空视图
选取:P0106(a)-T0102(b)和 P0106(b)-T0103(c)两根管线作管道空视图，具体请
参见空视图。
第四章自动控制方案设计
选择一个单参数自动控制方案
本组选择温度作为控制系统进行设计。选择从 E0103冷凝器出来的气体温度
作为控制参数，冷却水的流量作为调节参数。
56
首先从被测点测出的温度通过测量元件及变送器，将所测数值与定值进行比
较，然后通过调节器读对执行器进行有所动作，以用来调节冷却水的流量，以利
于换热器出来的气体达到一个稳定的温度值，有效的控制好气体温度。
流量控制系统流程图及其控制系统方框图
温度控制系统流程图见 CAD图
如何实现控制过程的具体说明
当干扰发生时，例如冷却水流量加大，冷凝器壳程温度降低，测量元件（铂
热电阻温度计）检测到温度值经变送器送给调节器和设定值比较，调节器（反作
用）发出控制信号，加大调节阀的开度，调节阀反作用，冷却水流量减小，壳程
温度上升，克服干扰，达到控制目的。
第五章经济评价
甲醇制氢装置的投资估算
单元设备价格估算
在工艺流程和生产规模确定之后，经过物料衡算和初步工艺计算，可以初步确定
设备的大小和型号。
本套装置共有储槽和分离容器 4 台，分别为：原料液储槽（V0101,常温常压）；
气液分离罐（V0102，T=40℃，P=）,吸收液中间储罐(V0103,常温常压);
吸收液储罐(V0104,常温常压)。根据装置生产能力，初步估算容器的容积分别为：
V1=12m3，V2=12m3，V3=12m3，V4=12m3，其中，V1，V3，V4为平底平盖容器，计算其
质量分别为 WV1=WV3=WV4=2000kg。V2为立式椭圆封头容器，计算得 WV2=3948kg
该套装置共有 4台换热器，分别为预热器（E0101，P=），过热器（E0102，
P=），冷凝器（E0103，=），转化器（R0101，P=）。
57
根据热负荷初步估算个换热器的面积分别为：FE1= ，FE2= ，
FE3=42m2,FR1=120m2。采用固定管板式换热器，φ25×2的换热管，计算其质量分别
为：WE1=2717kg，WE2=1511kg，WE3=2045kg，WR1=4334kg。
该套装置共有 3 台塔设备，分别为气化塔（T0101），吸收塔（T0102），解吸塔
（ T0103 ）。 则 T0101 、 T0102 、 T0103 三 个 塔 的 质 量 分 别
为:2715kg,2759kg,4376kg。材料均选碳钢，设容器及他设备为每公斤 6 元，换
热器每公斤 12元，则静设备总价值为：万元。
该套装置共有 6 台泵，经询价每台泵 万元，因此，该套装置总设备约为：
万元。
总投资估算
用系数连乘法求总投资，各系数由表查得：k1＝，k2＝，k3＝
，k4＝，k5＝，k6＝，k7＝。已知设备费 A＝
万元，计算结果如下：
设备安装工程费率 B＝k1A=×=(万元)
设备安装费=B-A==(万元)
管道工程 C=k2B=×=(万元)
管道工程费=C-B==(万元)
电气工程费率 D=k3C=×=(万元)
电气工程费=D-C==(万元)
仪表工程费率 E=k4D=×=(万元)
仪表工程费=E-D==(万元)
建筑工程费率 F=k5E=×=(万元)
58
建筑工程费=F-E==(万元)
装置工程建设费率 G=k6F=×=(万元)
费用定额规定得费用=G-F==(万元)
总投资 H=k7G=×=(万元)
故甲醇制氢装置的投资估算额为 万元
总成本费用估算与分析
外购原材料
甲醇制氢装置材料主要是甲醇，消耗量为 300 天计算，年总
用量为 14598t，每吨按 2000元计，则费用为每年 2919万元。
外购燃料
导热油用量为 218000kg/h，温度由 320℃降到 170℃，年折合燃料费约为 480 万
元。
外购动力
甲醇制氢需水量为 17761t，每吨按 2 元计，年用水费用为
元。泵和风机主要消耗电能，按 80kw计，每年 7200h，则年消耗电能为
万度，每度按 元计，年电费为 46万元。动力费总计为 47万元。
工资
定员为 20人，每人每年工资按 10万元。则总工资 200万元。
职工福利费
按工资的 14%提取，计 28万元
固定资产折旧费
采用双倍余额递减法，计 18万元。
59
修理费：9万元
租赁费：本装置不发生此费用。
摊销费：2万元
财务费用：6万元（不计复利）
其他费用：20万元
税金（不计其他税）
该套装置氢产量为 375Kg/h，年产量约为 2700t，每吨售价按 万元，则氢产
品年收入为 1080万元。
该套装置食品二氧化碳产量为 ，每吨售价按
万元，则二氧化塔产品年收入为 万元。
两产品合计年销售收入 万元。销售税按 6%计，则年税金 万元。
固定成本与变动成本
变动成本总计：3472万元 固定成本总计：263万元
序号 项目 合计/万元 序号 项目 合计/万元
1 外购材料 2919 1 职工工资 200
2 外购燃料 480 2 职工福利费 28
3 外购动力 47 3 固定资产折旧费 18
4 周转资金借款利息
净支出
6 4 修理费 9
5 汇兑损失净支出 5 摊销费 2
6 金融机构手续费 6 长期负债利息净
支出
6
60
7 其他费用 20 7 税金
盈利能力分析
年（平均）利润总额=年（平均）产品销售收入-年（平均）总成本费用-年（平
均）销售税金=-263=（万元）
盈亏平衡分析
盈亏平衡分析是通过计算盈亏平衡点(BEF)分析项目成本与收益平衡关系的一种
方法。
盈亏平衡点通常用生产能力利用率或产量表示。其计算式为：
BEP（生产能力利用率=
=
=%
该值小，说明项目适应市场需求变化的能力大，抗风险能力强。
BEP（产量）=
=
=1532t
经上述计算可知，当本项目达到盈亏平衡点时，两种产品总产量为 1532t，即氢
气 197t,,食品二氧化碳 1335t。若产量小于此值，将出现亏损。
参考文献
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【3】黄振仁，魏新利﹒过程装备成套技术设计指南﹒化学工业出版社，2002
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【5】姜培正主编，过程流体机械.北京：化学工业出版社，2008
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【8】中华人民共和国行业标准.压力容器法兰.JB/T4700～4707-2000.北京：中
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【9】管国锋，赵汝薄.化工原理.北京：化学工业出版社，2008
【10】中华人民共和国国家标准.压力管道安全技术检查规程.TSGD0001-2007.北
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