年產(chǎn)65萬(wàn)噸煤制甲醇合成工段工藝設(shè)計(jì)

分類(lèi)號(hào)： TQ223.12年產(chǎn)65萬(wàn)噸甲醇合成工段工藝設(shè)計(jì)目錄摘要 1設(shè)計(jì)任務(wù) 2概述 3甲醇的性質(zhì)與用途 3甲醇的發(fā)展現(xiàn)狀 3合成甲醇的目的與意義 4甲醇合成工段設(shè)計(jì) 4甲醇合成方法的選擇 4甲醇合成反應(yīng)工藝條件的確定 8工藝流程的確定 12合成工段工藝計(jì)算 13甲醇合成工段物料衡算 13甲醇合成工段熱量衡算 21主要設(shè)備的工藝計(jì)算和設(shè)備選型 27甲醇合成塔的設(shè)計(jì)選型 27輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)選型 32甲醇合成工段安全技術(shù)與環(huán)境保護(hù) 35有毒物質(zhì)的預(yù)防 35甲醇的貯存 36設(shè)計(jì)結(jié)果匯總 38合成工段主要設(shè)備一覽表 38符號(hào)說(shuō)明一覽表 38結(jié)束語(yǔ) 39參考文獻(xiàn) 39致謝 40附錄 42PAGEPAGE10年產(chǎn)65萬(wàn)噸甲醇合成工段工藝設(shè)計(jì)李婧（西安文理學(xué)院，化學(xué)工程學(xué)院，西安，710065）摘要:Lurgi65萬(wàn)噸甲醇合成工藝關(guān)鍵詞：甲醇；合成；工藝設(shè)計(jì)TheTheprocessdesignofmethanolsynthesissectionwithproductionof650000tonsmethanolLi Jing（SchoolofChemicalEngineering,Xi'anUniversity,Xi'an,710065）Abstract:Thedesignisaccordingtotheprinciplesof“advancedtechnology,technologymature,economicalrationality,safetyandenvironmentalprotection”.ThisdesignadoptslowpressuresynthesistechnologyofGermanLurgicompanycombinedwiththecharacteristicsofthemethanol.Thedesignwithannualcapacityof650000tonsofmethanolsynthesisprocessistakingcoalasrawmaterial.Thedesignmaincontentareprocessdemonstration,materialbalancecalculationsandheatbalancecalculations,processcalculationandequipmentselectionandsoAnddrawthesynthesisreactorstructure,processflowdiagram,equipmentlayout,etc.Keywords:methanol;synthesis;processdesign項(xiàng)目生產(chǎn)量650000/項(xiàng)目生產(chǎn)量650000/操作條件序號(hào)設(shè)計(jì)內(nèi)容要求1工藝設(shè)計(jì)序號(hào)設(shè)計(jì)內(nèi)容要求1工藝設(shè)計(jì)選擇合適的工藝流程、工藝條件2工藝計(jì)算物料衡算、熱量衡算等3塔設(shè)備設(shè)計(jì)甲醇合成反應(yīng)器工藝尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算4換熱器傳熱面積的計(jì)算、規(guī)格選型5水冷器傳熱面積的計(jì)算、規(guī)格選型6分離器傳熱面積的計(jì)算、規(guī)格選型7.汽包傳熱面積的計(jì)算、規(guī)格選型8.壓縮機(jī)壓縮機(jī)規(guī)格選型

操作溫度操作壓力氫碳比 自選壓縮比空速300天/年，24h連續(xù)運(yùn)行9.10.11.

繪圖編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)參考文獻(xiàn)

圖，設(shè)備平面布置圖計(jì)結(jié)果一覽表、結(jié)束語(yǔ)十篇以上相關(guān)的中文文獻(xiàn)和兩篇英文文獻(xiàn)概述甲醇的性質(zhì)與用途甲醇性質(zhì)CH3OH32.00.7914(4201.11=1-97.64.℃，閃點(diǎn)（開(kāi)杯16℃，(2℃)1.328，表面張力25℃45.05mN/m20℃12.265kP，粘度（20℃）0.5945mPa。能與水、乙醇、乙醚、苯、酮類(lèi)和大多數(shù)其他有機(jī)體積比）化學(xué)性質(zhì)較活潑，能發(fā)生氧化、酯化、羰基化等化學(xué)反應(yīng)。甲醇用途甲醇是重要有機(jī)化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料，廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工，塑料，醫(yī)藥，林產(chǎn)品加工等領(lǐng)域。甲醇主要用于生產(chǎn)甲醛，消耗量要占到甲醇總產(chǎn)量的一半，1.2甲醇的發(fā)展現(xiàn)狀19572018的甲醇生產(chǎn)技術(shù)的代用燃料。20107726t/4915201512634t/a10.3%。近年我國(guó)新增20113004700t/a22.4%2200t25.6%2760t21.6%?，F(xiàn)如今，甲醇生產(chǎn)已經(jīng)成為我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展工業(yè)[3]。1.3合成甲醇的目的與意義的戰(zhàn)略意義。[4]。近年來(lái)，我國(guó)甲醇需求增長(zhǎng)MTBEMTBE甲醇合成工段設(shè)計(jì)甲醇合成方法的選擇合成甲醇工藝的選擇甲醇合成的主反應(yīng)是：CO+2H2CH3OH在合成反應(yīng)中，合成氣制甲醇的工藝按壓力分為高壓、中壓和低壓法。目前80%以上[6]。高壓法(25—35MPa)是最初生產(chǎn)甲醇的方法，采用鋅鉻催化劑，反應(yīng)溫度300～400℃，壓力25—35MPa。高壓法由于原料及動(dòng)力消耗大，反應(yīng)溫度高，狀態(tài)。中壓法(15～25MPa)目前，世界上新建或擴(kuò)建的甲醇裝置幾乎都采用低壓法或中壓法。低壓法（5.0—10.0MPa)2060年代后期發(fā)展起來(lái)的甲醇合成技術(shù)，ICI公司研究得出。低壓法基于高活性的銅系催化劑。銅系催化劑的活性(230～270℃)，因此，在較低的壓力下可獲得表2.1三種壓力合成甲醇法的操作條件Tab.2.1threekindsofpressuresynthesisoperatingconditionsTab.2.1threekindsofpressuresynthesisoperatingconditions高壓法中壓法低壓法操作壓力，MPa25~3515~255.0~10.0操作溫度，℃300~400250~350230~270催化劑Zn-CrCu-Zn-CrCu-Zn-AlCu-Zn-Cr比較以上三者的優(yōu)缺點(diǎn)，以投資成本，生產(chǎn)成本，產(chǎn)品收率為依據(jù)，本設(shè)計(jì)采用低壓法合成甲醇。甲醇合成塔的選擇型低壓甲醇裝置常用的合成反應(yīng)器。Lurgi管殼式甲醇合成反應(yīng)器Lurgi甲醇合成反應(yīng)器是德國(guó)LurgiLurgi合成塔既是反應(yīng)器，又是廢熱鍋爐，合成塔內(nèi)部類(lèi)似于一般的列管式換熱器，列管內(nèi)裝催化劑，管外為沸騰水，反應(yīng)氣體流經(jīng)反應(yīng)管，反應(yīng)放熱，熱量通過(guò)管壁傳給沸騰水，使其汽化，轉(zhuǎn)變成蒸汽，管中心與沸騰水相差僅10Lurgi管殼式甲醇合成反應(yīng)器具有以下優(yōu)點(diǎn)：①合成甲醇反應(yīng)器催化劑床層內(nèi)溫度較為均勻，大部分床層溫度在250~255℃之間，溫度變化小，催化劑使用壽命長(zhǎng)，并允許原料氣中含有較高的CO；控制；③回收的反應(yīng)熱位能高，熱量利用合理；④反應(yīng)器出口甲醇含量較高，催化劑利用率高；少，質(zhì)量高。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，裝卸催化劑不太方便。ICI多段冷激式甲醇反應(yīng)器ICI甲醇合成塔為多段冷激型反應(yīng)器，段內(nèi)絕熱，段間原料氣冷激。其主要優(yōu)點(diǎn)有：?jiǎn)嗡僮?，生產(chǎn)能力大；溫控方便；冷激采用菱形專(zhuān)利技術(shù)，催化基層上下貫通，催化劑裝卸方便。其缺點(diǎn)是反應(yīng)器內(nèi)有部分氣體與未反應(yīng)氣體返混，催化劑時(shí)空產(chǎn)率不高，用量較大，僅能回收低品位熱能。MHI/MGC 管殼-冷管復(fù)合型甲醇合成反應(yīng)器該反應(yīng)器為L(zhǎng)urgi反應(yīng)器的改進(jìn)型，該反應(yīng)器是在管殼反應(yīng)器的催化管內(nèi)加一根冷管，用于預(yù)熱原料氣。熱原料氣，可以省去一個(gè)換熱器。托普索）徑向流甲醇合成反應(yīng)器移走熱量，氣體在床層中向心流動(dòng)，該反應(yīng)器特點(diǎn)是：①?gòu)较蛄鲃?dòng)，壓降較小，可增大空速，提高產(chǎn)量；②可使用小粒徑催化劑，提高粒內(nèi)效率因子，提高宏觀(guān)反應(yīng)速度；2000噸天以上。林德）等溫型甲醇合成反應(yīng)器Linde為沸水，盤(pán)管外放置催化劑，反應(yīng)熱通過(guò)盤(pán)管內(nèi)沸水移走，其反應(yīng)器特點(diǎn)是：綜上所述，Lurgi超大型甲醇裝置多65催化劑的選用銅基催化劑和鋅鉻催化劑的比較如下表2.2表2.2 銅基催化劑和鋅鉻催化劑的比較[8]Tab.2.2comparisonofcopperbasedcatalystandzincchromiumcatalystTab.2.2comparisonofcopperbasedcatalystandzincchromiumcatalyst種類(lèi) 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)

適用的生產(chǎn)工藝銅基催化劑 活性溫度選擇性高

耐熱性差耐毒性差

中、低壓法（220~270℃，5-15MPa）鋅基催化劑

耐熱性高耐毒性高

高壓法活性溫度高 （350~400℃，25-32MPa）80年代中期淘汰。國(guó)內(nèi)外常用銅基催化劑的特性對(duì)比如下表2.3表2.3 國(guó)內(nèi)外常用銅基催化劑的特性對(duì)比[9]Tab.Tab.2.3comparisonofthecharacteristicsofcopperbasedcatalystsathomeandabroadCuOZnOCuOZnOAl2O3壓力/MPa溫度℃英國(guó)ICI51-36030107.8-11.8190~270德國(guó)GL104513244.9210~240美國(guó)C79-21.5-11.7220~330丹麥LMK4010-9.8220~270中國(guó)C302系列512085.0-10.0210~280中國(guó)XCN-98522085.0-10.0200~290

組分/%

操作條件本次設(shè)計(jì)采用由西南化工研究設(shè)計(jì)院開(kāi)發(fā)的XNC-98，該催化劑是納米級(jí)特殊載體制成的負(fù)載型催化劑，具有密度小、孔容大、孔分布合理、機(jī)械強(qiáng)度好、抗燒結(jié)性強(qiáng)、活性高、穩(wěn)定性和選擇性好的特點(diǎn)。XNC-98型低壓甲醇合成催化劑的物性情況[10]如下：外觀(guān)：有色金屬光澤的圓柱體堆積密度：1.3～1.5kg/L外型尺寸：Φ5×(.5)mm徑向抗壓強(qiáng)度：≥200N/cm催化劑活性和壽命：在該催化劑質(zhì)量檢驗(yàn)規(guī)定的活性檢測(cè)條件下，其活性為：230℃時(shí)：催化劑的時(shí)空收率≥1.20kg/(L.h)250℃時(shí)：催化劑的時(shí)空收率≥1.55kg/(L.h)在正常情況下，使用壽命為2年以上。甲醇合成反應(yīng)工藝條件的確定甲醇合成的反應(yīng)熱力學(xué)分析H2CH3OHCH3OH的量達(dá)到一定程度之后，CH3OHCOH2的反應(yīng)就開(kāi)始了。對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)甲醇而言總是希望盡量多的生成甲醇，即COH2生成CH3OH的逆向反應(yīng)盡量不進(jìn)行。學(xué)分析。（1）溫度反應(yīng)溫度是影響平衡常數(shù)的一個(gè)重要因素，關(guān)系式為：lgK3921/T7.971lg/T0.002499T2.953107T210.2T式中KT—用溫度表示的平衡常數(shù)；T—反應(yīng)溫度，K代入不同的溫度值，可得出不同溫度下的平衡常數(shù)。見(jiàn)表2.4：表2.4 甲醇合成不同溫度下的平衡常數(shù)Tab.2.4equilibriumconstantofmethanolsynthesisunderdifferenttemperatureTab.2.4equilibriumconstantofmethanolsynthesisunderdifferenttemperature反應(yīng)溫度/℃平衡常數(shù)Kp反應(yīng)溫度/℃平衡常數(shù)Kp0667.303002.42×10-410012.924001.079×10-52001.909×10-2從上表可以看出，甲醇合成反應(yīng)的平衡常數(shù)隨著溫度的上升，而很快減少。從這一點(diǎn)出發(fā)，高溫下對(duì)甲醇合成不利，甲醇合成宜在低溫下操作。壓力一氧化碳和氫氣合成甲醇是一個(gè)氣相可逆反應(yīng)，壓力對(duì)反應(yīng)起著重要作用，用氣體分壓來(lái)表示的平衡常數(shù)可用下面公式表示：p3K= CHOH3p p p22CO H2式中：Kp—甲醇的平衡常數(shù)；pCH3OH—甲醇平衡分壓；pCO—一氧化碳平衡分壓；pH2—?dú)錃馄胶夥謮?。?yīng)混合氣體的可壓縮性，此時(shí)應(yīng)采用逸度代替分壓。KKK

KV

V 2)f V P

V CH3

COH2式中：Kf—用逸度表示的平衡常數(shù)KV—用逸度系數(shù)表示的平衡常數(shù)VCH3OH、VCO、VH2—分別表示反應(yīng)混合氣體中的甲醇、一氧化碳、氫氣的逸度系數(shù)。Kf此甲醇合成反應(yīng)在高壓下進(jìn)行比較有利，可以得到較高的甲醇轉(zhuǎn)化率。反應(yīng)物濃度對(duì)于反應(yīng)起始混合物（mol）CO1+2H22=CH3OH0平衡混合物（mol）1-x2（1-x）x平衡濃度 (1-x)/(3-2x) 2(1-x)/(3-2x) x/(3-2x)式中：x—一氧化碳的轉(zhuǎn)化率則用反應(yīng)物濃度表示的平衡常數(shù)KN可表示為：K = -=-2

由此可以看出一氧化碳的轉(zhuǎn)化N (1----2 4(1-3率越高，甲醇在平衡混合物中的濃度也越大?？傊?，在一定的原料組成情況下，由于甲醇合成的反應(yīng)多是放熱的可逆反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)分子數(shù)減少，所以在熱力學(xué)角度考慮，溫度低，壓力高對(duì)生成甲醇的平衡有利。當(dāng)然生產(chǎn)條件的制定還要考慮動(dòng)力學(xué)的因素。甲醇合成的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析的影響，以尋求反應(yīng)能迅速進(jìn)行的條件。將H2、CO2加快甲醇合成速率的因素。特點(diǎn)是反應(yīng)主要在催化劑表面上進(jìn)行，可按下列五個(gè)過(guò)程進(jìn)行：①擴(kuò)散：氣體自氣相到催化劑表面的擴(kuò)散。②吸附：各種氣體組分在催化劑活性表面上進(jìn)行化學(xué)吸附③表面反應(yīng)：化學(xué)吸附的氣體，按照不同的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)假說(shuō)進(jìn)行反應(yīng)形成產(chǎn)物④解吸：反應(yīng)產(chǎn)物脫吸。⑤擴(kuò)散：反應(yīng)產(chǎn)物氣體自催化劑表面到氣相的擴(kuò)散。合成反應(yīng)的速率，決定于全過(guò)程中最慢步驟的完成速度，期中過(guò)程①和⑤進(jìn)速度，稱(chēng)為化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的控制步驟。影響甲醇合成反應(yīng)速率的因素很多，有溫度、壓力、組成、空速等，式中最主要的因素是反應(yīng)物料濃度和反應(yīng)溫度，稱(chēng)為壓力效應(yīng)和溫度效應(yīng)。根據(jù)阿勒尼烏斯公式導(dǎo)出溫度和反應(yīng)速度常數(shù)的關(guān)系式：其中：KrK0—頻率因子EaR—?dú)怏w常數(shù)T—反應(yīng)溫度,K

KKr

eEa/RT反應(yīng)速度。工業(yè)顆粒催化劑的宏觀(guān)反應(yīng)速率可用公式表示：rKCCeq)n CCeqCOCO的平衡濃度壓力11效應(yīng)由于不同的催化劑組成等生產(chǎn)條件的不同而不盡一致，但有一點(diǎn)是一致的，反應(yīng)速度隨著反應(yīng)物濃度的增加而單調(diào)漸增。反應(yīng)條件的確定料氣的組成、溫度、壓力、空速等[11]。反應(yīng)溫度甲醇合成反應(yīng)存在一個(gè)最適合的反應(yīng)溫度。XNC-98200~290℃。反應(yīng)壓力5.2MPa）合成甲醇。氣體組成對(duì)于甲醇合成原料氣，即合成工序的新鮮氣，應(yīng)維持氫碳比f(wàn)=(CO+CO2)=2.10~2.15CO2f2，而反應(yīng)過(guò)f遠(yuǎn)大于2，合成塔中氫氣過(guò)量，對(duì)減少副反應(yīng)是有利的。甲醇合成過(guò)程中，需要一定的二氧化碳存在以保持催化劑的高活性。一般不超過(guò)5%?？账貾AGEPAGE21速在8000~20000h-1之間，空速過(guò)低，結(jié)炭等副反應(yīng)加劇；空速過(guò)高，系統(tǒng)阻力加大或合成系統(tǒng)投資加大，能耗增加，催化劑的更換周期縮短?？账俚倪x擇需要根據(jù)每一種催化劑的特性，在一個(gè)相對(duì)比較小的范圍內(nèi)變化。XNC-98的空速要求是6000~20000h-1，本設(shè)計(jì)空速為13000h-1。工藝流程的確定氣體流程經(jīng)冷卻至40℃與來(lái)自甲醇合成的循環(huán)氣（4.8MPa（G）、40℃），一起進(jìn)入合5.2MPa（G），然后送甲醇合成工序。甲醇合成工藝流程[12](C1001)5.2MPa，與(E1001)中，與反應(yīng)器出口氣體換220反應(yīng)：CO+2H2=CH3OH+QCO2+3H2=CH3OH+H2O+Q甲醇合成塔(R1001)為列管式反應(yīng)器，管內(nèi)裝有XNC-98型甲醇合成催化劑，管外為沸騰鍋爐水，管程走反應(yīng)氣。反應(yīng)放出大量的熱，通過(guò)列管管壁傳給殼程的鍋爐水，產(chǎn)生大量中壓蒸汽(3.9MPa，100℃)進(jìn)入汽包(V1001)反應(yīng)氣由甲醇合成塔(R1001)（7%左右），經(jīng)入塔氣換熱器(E1001)145再進(jìn)甲醇水冷器(E1002A,B)40℃進(jìn)入甲醇分離器(V1002)的粗甲醇，粗甲醇去精餾系統(tǒng)。膜分離法回收氫氣，與脫硫脫碳?xì)饣旌?，作為新鮮氣。（工段。中壓蒸汽汽包排污

鍋爐給水

、壓縮機(jī)

火炬氣中壓蒸汽背壓蒸汽凈化氣汽包 甲醇合塔

冷器

離器

閃蒸氣粗甲醇Fig.1 flowFig.1 flowdiagramofmethanolsynthesisprocess合成工段工藝計(jì)算甲醇合成工段物料衡算設(shè)計(jì)條件及參數(shù)65300243.1Tab.3.1themolarmassofthesubstanceofthesynthesissection表3.1 合成工段各物質(zhì)的摩爾質(zhì)量Tab.3.1themolarmassofthesubstanceofthesynthesissection組分

CO2

CH4

N2

(CH3)2O

C4H9OH

H2O摩爾質(zhì)量 28 44 2

16 28 32 46

74 18精甲醇中甲醇含量：99.99%根據(jù)某化工廠(chǎng)得粗甲醇組成如下表3.2Tab.3.2 Tab.3.2 crudemethanol組分百分含量/%

甲醇92.99

二甲醚0.20

高級(jí)醇0.03

水6.78時(shí)產(chǎn)精甲醇：65×104/300×24=90.28t/h時(shí)產(chǎn)粗甲醇：90.28×99.99%/92.99%=97.08t/h合成過(guò)程的反應(yīng)方程：主反應(yīng)：CO+2H2→CH3OH式（1）CO2+3H2=CH3OH+H2O式（2）副反應(yīng)：2CO+4H2→(CH3)2O+H2O式（3）CO+3H2→CH4+H2O式（4）4CO+8H2→C4H9OH+3H2O式（5）CO2+H2→CO+H2O式（6）5%（2）。合成工段物料衡算根據(jù)粗甲醇組分，算得各組分的生成量為：甲醇=97.08×92.99%×1000=90274.692kg/h,即2821.084kmol/h二甲97.080.2%×1000194.160kg/h4.221/h97.080.03%×100029.124kg/h，0.394/h水=97.08×6.78%×1000=6582.024kg/h，即365.668kmol/h工業(yè)生產(chǎn)中測(cè)得低壓時(shí)，每生產(chǎn)一噸粗甲醇生成甲烷1.52m3（標(biāo)況），即0.34kmol的甲烷。故甲烷每小時(shí)生成量為：97.08×0.34=33.007kmol/h。忽略原料氣帶入水，根據(jù)（3）（4）（5）得反應(yīng)（6）生成水量為：365.668-4.221-33.007-3×0.394=327.258kmol/h, CO逆變換中生成的H2O為327.258kmol/h,即7330.579m3/h粗甲醇中氣體溶解量查《甲醇生產(chǎn)技術(shù)及進(jìn)展》[13]在5.06MPa，40℃時(shí)，每噸粗甲醇中溶其他組成如下表3.3：表3.3 每噸粗甲醇中合成氣溶解情況Tab.Tab.3.3 pertonofcrudesynthesisgasdissolvedinmethanolH2H2COCO2N2ArCH4溶解量（Nm3/t粗甲醇）4.3640.8157.7800.3650.2431.680粗甲醇中溶解的氣體量：n 97.084.364/h17.733kmol/hH2n 97.08×0.815=79.120m3/h=3.572kmol/hCOn 97.08×7.780=755.282m3/h=CO2n 97.08×0.365=35.434m3/h=N2n 97.08×0.243=23.590m3/h=hArn 97.08×1.680=163.094m3/h=CH4根據(jù)測(cè)定，40℃時(shí)液態(tài)甲醇中釋放CO、CO2、H2等混合氣中每立方米含37.14g甲醇，假定溶解氣全部釋放，則甲醇擴(kuò)散損失為：n損失CH3

n +n +nH CO CO2

+n +n +nrN A CHr2 4(423.657+79.120+755.282+35.434+23.590+163.094)×(37.14/1000)54.974kg/h=1.718kmol/h3.4表3.4 弛放氣組成Tab.3.4purgegascompositionTab.3.4purgegascomposition氣體CH3OHH2COCO2N2ArCH4組成/%0.6178.316.293.513.192.305.79由反應(yīng)方程及以上計(jì)算可得合成反應(yīng)中消耗原料情況如下表3.5：表3.5 合成反應(yīng)中消耗原料情況Tab.Tab.3.5 synthesisofrawmaterialsconsumption消耗項(xiàng)消耗原料氣組分/kmol/h反應(yīng)（1）CO2821.084CO2-H25642.168反應(yīng)（3）8.442-16.884反應(yīng)（4）33.007-99.021反應(yīng)（5）1.576-3.152反應(yīng)（6）（327.258）327.258327.258注：括號(hào)內(nèi)的為生成量；反應(yīng)（1）項(xiàng)不包括擴(kuò)散甲醇和弛放氣中甲醇消耗的原料氣量合成反應(yīng)中生成物情況如下表3.6：表3.6 合成反應(yīng)中生成物情況生成項(xiàng)Tab.3.6objectsgeneratedinthesynthesis/kmol/hreaction反應(yīng)（1）CH4-CH3OH 2821.084 -C4H9OH-H2O-反應(yīng)（3）-- 4.221-4.221反應(yīng)（4）33.007- --33.007反應(yīng)（5）-- -0.3941.182反應(yīng)（6）-- --327.258其他原料氣消耗如下表3.7：表3.7 其他原料氣消耗消耗項(xiàng)Tab.3.7 otherrawgasconsumption消耗原料氣組分/kmol/h粗甲醇中溶解CO3.572CO2 H2 N237.548 17.733 1.248Ar0.846CH47.169擴(kuò)散的甲醇1.718- 3.436 馳放氣0.0629G0.0351G 0.7831G 0.0319G0.023G0.0579G馳放氣中甲醇0.0061G- 0.0122G 注：G為馳放氣的量，m3/h新鮮氣和馳放氣氣量的確定由工藝流程可知，各組分的消耗總量與新鮮氣的進(jìn)料量相等。各組分等量關(guān)系如下：CO的消耗總量：2821.084+8.442+33.007+1.576-327.258+3.572+1.718+0.0629G+0.0061G=2542.141+0.069GH2的消耗總量：5642.168+16.884+99.021+3.152+327.258+17.733+3.436+0.7831G+0.0122G=6109.652+0.7953GCO2的消耗總量：327.258+37.548+0.0351G=364.806+0.0351GN2的消耗總量:1.248+0.0319GAr的消耗總量:0.846+0.023GCH4的消耗總量:7.169+0.0579G新鮮氣（合成氣）中惰性氣體（N2+Ar+CH4）百分比保持在0.41%，反應(yīng)過(guò)程中惰性氣體的量保持不變，（N2+Ar+CH4）=9.263+0.1128G，則9025.862+1.0122G=(9.263+0.1128G)/0.0041解得：G=255.460kmol/h,即馳放氣的量為255.460kmol/h，由此可得：G =9284.439kmol/h新鮮所以馳放氣的組成如下:表3.8馳放氣含量Tab.3.8theamountofpurgegasTab.3.8theamountofpurgegas氣體CH3OHH2COCO2N2ArCH4含量kmol/h1.558200.05116.0688.9678.1495.87614.791新鮮氣（合成氣）組成如下:表3.9 新鮮氣組成及含量Tab.Tab.3.9 thecompositionandcontentoffreshair氣體COCO2H2N2ArCH4組成%27.584.0367.990.150.0730.24含量kmol/h2559.768373.7736312.8199.3976.72321.960循環(huán)氣氣量的確定出塔氣量=新鮮氣量+循環(huán)氣量+主反應(yīng)生成氣量+副反應(yīng)生成氣量-主反應(yīng)消耗氣量-副反應(yīng)消耗氣量即：G出塔

=G +G新鮮 循

+G主生成

+G副生成

-G主消耗

-G副消耗G主生成G副生成G主消耗

=2821.084+1.718+1.558=2824.360kmol/h=4.221+33.007+0.394+4.221+33.007+1.182+327.258=403.290kol/h2821.0845642.1681.7183.4360.0061255.4600.0122255.4608473.08kmol/hG副消耗

=8.442+16.884+33.007+99.021+1.576+3.152+327.258+327.258=816.598kmol/h整理得G出塔

=G +3222.410循環(huán)合成塔出塔氣甲醇含量為5.84%，由甲醇的物料守恒得：(0.0061G解得：G

+0.0061×255.460+2821.084+1.718)/G循環(huán)=50404.799kmol/h循環(huán)

+3222.41=0.0584循環(huán)可得循環(huán)氣組成如下表3.11：表3.10 循環(huán)氣組成Tab.3.10 circulationgascomposition氣體CH3OHCO CO2 H2 N2ArCH4組成%0.616.29 3.51 78.31 3.192.305.79含量307.4693170.462 1769.208 39471.998 1607.9131159.3102918.438kmol/h循環(huán)比：R=G /G循環(huán) 新鮮

50404.799/9284.439=5.430入塔氣和出塔氣組成G入塔氣

=G新鮮氣

+G循環(huán)氣

=9284.439+50404.799=59689.238kmol/hG出塔氣

=G新鮮氣

+G循環(huán)氣

+G主生成

+G副生成

G主消耗

G副消耗=9284.439+50404.799+2824.36+403.29-8473.081-816.598=23627.209kmol/h入塔氣各組分組成2H的含量： G2HH2入

=6312.819+39471.998=45784.817kmol/hCO的含量： GCO入

=2559.768+3170.462=5730.230kmol/h2CO的含量： G2CO2入

=373.773+1769.208=2142.981kmol/h2N的含量： G2N2入

=9.397+1607.913=1617.310kmol/hAr的含量： GAr入

=6.723+1159.310=1166.033kmol/h4CH的含量： G4CHG4入GCH3OH的含量：

=21.960+2918.438=2940.398kmol/h=307.469kmol/hCHOH3 入59689.238kmol/h，組成如下：3.11入塔氣組成Tab.Tab.3.11 compositionofinletgasCH3OHH2COCO2NCH3OHH2COCO2N2ArCH40.51576.7059.6003.5902.7101.9544.926307.46945784.8175730.2302142.9811617.3101166.0332940.398由：出塔氣量=入塔氣量—反應(yīng)中消耗量+反應(yīng)中生成量出塔氣各組分含量:CH3OH的含量

CHOH

=307.469+2821.084+1.718+1.558=3131.829kmol/h3 出H2的含G =45784.817-5642.168-16.884-99.021-3.152-327.258-17.733-3.436H2出=39675.165kmol/hCO的含量：G =5730.230-2821.084-8.442-33.007-1.576-2.527-1.229+327.258CO出=3189.623kmol/hCO2的含量 GCO出N2的含量： GN2出Ar的含量： GAr

=2142.981-327.258=1815.723kmol/h=1617.310kmol/h=1166.233kmol/h出CH4的含量： GCH42HO的含量: G2HO

=2940.398kmol/h=4.221+33.007+1.182+327.258=365.668kmol/h2出32(CH)O的含量：G32(CH)O

=4.221kmol/hC4H9OH的含量：G

32出CHOH

=0.394kmol/h49 出出塔氣總量為53906.564kmol/h，組成如下：表3.12 出塔氣組成Tab.Tab.3.12 theoutletgascomposition氣體組成/%含量/ kmol/hCH3OH5.813131.829H273.6039675.165CO5.923189.623CO23.371815.723N23.001617.310Ar2.161166.033CH45.452940.398(CH3)2O0.00784.221C4H9OH0.000730.394H2O0.68365.668甲醇分離器出口氣體組成分離器出口組分=馳放氣氣體組分+循環(huán)氣氣體組分分離器出口氣體各組分組成：分出H2的含量： YH2 =200.051+39471.998=39672.049kmol/h分出COCO的含量： Y =16.068+3170.462=3186.530kmol/hCO分出分出分出CO2的含量： YCO2 N2的含量： YN2 =8.149+1607.913=1616.062kmol/h分出分出ArAr的含量： Y =5.876+1159.310=1165.186kmol/hAr分出分出分出CH4的含量： YCH4 CH3OH的含量：YCH3OH =1.558+307.469=309.027kmol/h分出分出分離器出口氣體總量為50660.258kmol/h,各組分含量如下:3.13Tab.分離器出口氣體組成outletgasofseparator氣體CH3OHH2CO CO2 N2ArCH4組成%0.6178.316.29 3.51 3.192.305.79含量kmol/h309.02739672.0493186.53 1778.175 1616.0621165.1862933.229分離器出口液體組分=出塔氣組分-分離器出口氣體組分，則各液體組分含量:分出分出XCH3OH X(CH3)2O =4.221kmol/h分出分出分出分出XC4H9OH XH2O =365.668kmol/h分出分出分離器液體總量為3193.085kmol/h，各組分含量如下：表3.14 分離器出口液體組成Tab.3.14Tab.3.14 liquidcompositionofseparator液體組成kmol/

CH3OH88.402822.802

(CH3)2O0.134.221

C4H9OH0.0120.394

H2O11.46365.668實(shí)際甲醇的年產(chǎn)量:G

=(2822.802×32×24×300)/1000=660373.581噸=66.037總?cè)f噸，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的65萬(wàn)噸年產(chǎn)量。（7）貯罐氣組成由粗甲醇中溶解氣體量可以計(jì)算貯罐氣組成。粗甲醇中溶解氣體量為：nH2=97.08×4.364=17.733kmol/hnCO=97.08×0.815=3.572kmol/hnCO2=97.08×7.780=37.548kmol/hnN2=97.08×0.365=1.248kmol/hnAr=97.08×0.243=0.846kmol/hnCH4=97.08×1.680=7.169kmol/h所以貯罐氣組成如下:表3.15 貯罐氣組成Tab.Tab.3.15 compositionofgasstoragetank氣體H2COCO2N2ArCH4組成%26.0345.24455.1241.8321.24210.524含量kmol/h17.7333.57237.5481.2480.8467.169甲醇合成工段熱量衡算合成塔熱量衡算相關(guān)計(jì)算式全塔熱平衡方程式為： ∑Q1+∑Qr=∑Q2+∑Q3+Q4式中：Q1——入塔氣各氣體組分熱量，kJ/hQr——合成反應(yīng)和副反應(yīng)的反應(yīng)熱，kJ/hQ2——出塔氣各氣體組分熱量，kJ/hQ3——合成塔熱損失，kJ/hQ4——蒸汽吸收的熱量，kJ/h∑Q1=∑（G1×Cp1×T1)式中：G1——入塔氣各組分流量，kmol/h；Cp1——T1——入塔氣體溫度，k；∑Q2=∑（G2×Cp2×T2）式中：G2——出塔氣各組分流量kmol/h；Cp2——出塔各組分的熱容，kJ/（m3.k）；T2——出塔氣體溫度，k；∑Qr=Qr1+Qr2+Qr3+Qr4+Qr5+Qr622式中：Qr1、Qr2、Qr3、Qr4、Qr5、Qr6、——分別為甲醇、甲烷、二甲醚、異丁醇、水的生成熱，kJ/h；式中：Gr——各組分生成量，kmol/h；△H——生成反應(yīng)的熱量變化，kJ/mol合成塔熱量計(jì)算已知：合成塔入塔氣為220℃，出塔氣為255℃，熱損失以5%計(jì)。合成甲醇的化學(xué)反應(yīng)為：主反應(yīng)：CO+2H2→CH3OH+102.37kJ/mol 副反應(yīng)：2CO+4H2→(CH3)2O+H2O+200.39kJ/mol CO+3H2→CH4+H2O+115.69kJ/mol ③4CO+8H2→C4H9OH+3H2O+49.62kJ/mol ④CO2+H2→CO+H2O-42.92kJ/mol ⑤合成塔入塔熱量計(jì)算查《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)》[14]得在498.15K、5.2MPa下各組分氣體的定壓熱容如下表所示：表3.16 各組分氣體定壓熱容Tab.Tab.3.16 componentsofgasheatcapacityatconstantpressure氣體kJ/(kmol·k)

H229.12

CO30.57

CO247.69

N230.23

Ar21.54

CH447.61由Qi=Cpi×Gi得入塔氣中各組分的熱量：Tab.3.17 components(exceptintothereactorheatTab.3.17 components(exceptintothereactorheatH2COCO2H2COCO2N2ArCH429.1230.5747.6930.2321.5447.6145784.8175730.2302142.9811617.3101166.2332940.3981.3330.1750.1020.04880.02510.140(kmol·k)含量kmol/h入塔熱量kJ（h·k106查得220℃時(shí)甲醇的焓值為42248.46kJ/kmol，含量為307.469kmol/h則每小時(shí)入塔熱量：PAGEPAGE32∑Qi=1.333×106+0.175×106+0.102×106+0.0488×106+0.0251×106+0.140×106=1.633×106kJ/（h·k）所以總熱量：∑Q1=1.633×106×498.15+42248.46×307.469=8.26×108kJ/h合成塔的反應(yīng)熱由Qri=△H×Gi得：各組分生成的熱量如下表3.18 甲醇合成塔內(nèi)反應(yīng)熱Tab.Tab.3.18 methanolsynthesistowerreactionheat氣體CH3OH(CH3)2OC4H9OHCH4CO生成熱kJ/mol102.3749.62200.39115.69-42.92生成量kmol/h2822.8024.2210.39433.007327.258反應(yīng)熱kJ/h×1082.8900.002090.000790.0382-0.140則合成塔每小時(shí)生成的反應(yīng)熱：∑Qr=2.890×108+0.00209×108+0.00079×108+0.0382×108-0.140×108=2.79×108kJ/h合成塔出塔熱量計(jì)算查《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)》得在528.15K、5.2MPa下各組分氣體的定壓熱容如下表所示：表3.19 組分氣體定壓熱容Tab.Tab.3.19 componentgasheatcapacityatconstantpressure氣體H2COCO2N2ArCH4熱容kJ/(kmol·k)29.1330.6948.2330.3221.4549.23由Qi=Cpi×Gi得出塔氣中各組分的熱量：25046883.2kJ/kmol3131.829kmol/h則每小時(shí)出塔熱量:Q2=(1.16+0.0979+0.0876+0.0490+0.0250+0.1450+406.48×10-6+66.72×10-6+0.0129)×106=1.58×106kJ/（h·k）總出塔熱量：∑Q2=1.58×106×528.15+46883.2×3131.829=9.81×108kJ/hTab.3.20 components(exceptCH3OH)Tab.3.20 components(exceptCH3OH)withasynthetictowerheat氣體 熱容kJ（kmol·）含量kmol/h出塔熱量kJ/（h·k）×106H2 29.1339672.0491.16CO 30.693189.6230.0979CO2 48.231815.7230.0876N2 30.321617.3100.0490Ar 21.451166.2330.0250CH4 49.232940.3980.1450(CH3)2O 96.304.221406.48×10-6C4H9OH 169.350.39466.72×10-6H2O 35.36（4） 合成塔熱量損失365.6680.0129假設(shè)合成塔的熱量損失為5%，則損失的這部分能量的值為：Q3=（∑Q1+∑Qr）×5%=（8.26×108+2.79×108)×5%=5.53×107kJ/h（5）蒸汽吸收的熱量全塔熱平衡方程式為：∑Q1+∑Qr=∑Q2+∑Q3+Q4 得蒸汽吸收的熱量為：Q4=∑Q1+∑Qr-∑Q2-Q3=8.26×108+2.79×108-9.81×108-5.53×107=6.87×107kJ/h水蒸氣入口溫度為200℃，出口溫度為2203.224kJ/（kg·k)Q=Cp×F×△t得：F= Q4

= 6.87×107水蒸氣的用量：

C3.224×293.15p=72689.521kg/h=72.689噸/h表3.21 合成塔的熱量平衡表Tab.Tab.3.21 Theheatbalanceofreactor氣體kJ/hkJ/h

氣體顯熱0.8260.981

反應(yīng)熱0.279-

-0.0553

蒸汽吸收-0.0687

合計(jì)1.1051.105入塔氣換熱器的熱量衡算入換熱器的合成氣（被加熱氣體）的熱量入換熱器的合成氣溫度為60℃，查《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)》得各組分的比熱容，由Qi=Cpi×Gi，計(jì)算得各組分帶進(jìn)換熱器的熱量如下表所示：表3.22 合成氣帶進(jìn)的熱量Tab.Tab.3.22 synthesisgasinto氣體CH3OHH2COCO2N2ArCH4熱容kJ/(kmol·k)46.6028.9230.9258.6631.0122.7841.11含量kmol/h307.46945784.8175730.23142.9811617.311166.0332940.398帶進(jìn)熱量kJ/(h·k×106)Q0.01431.3240.1770.1260.05020.02660.121入換熱器=0.0143×106+1.324×106+0.177×106+0.126×106+0.0502×106+0.0266×106+0.121×106=1.839×106kJ/（h·k）合成氣帶進(jìn)換熱器的總熱量：Q

=1.839×106×333.15=6.127×108kJ/h總?cè)霌Q熱器出換熱器的合成氣（被加熱氣體）的熱量由工藝流程可知，合成氣出換熱器的熱量與入合成塔的熱量相等，則合成氣出換熱器的熱量為：Q

=8.26×108kJ/h出換熱器入換熱器的出合成塔氣體的熱氣體）的熱量與合成塔出塔氣的熱量相等，即入換熱器的出合成塔氣熱量為：Q5=9.81×108kJ/h出換熱器的出合成塔氣體（熱氣體）的熱量減少值。由上面的計(jì)算得：合成氣經(jīng)過(guò)換熱器后熱量的增量為：Q =8.26×108-6.127×108=2.133×108kJ/h合成氣增量由此可得：出換熱器的出合成塔氣體熱量為：Q6=9.81×108-2.133×108=7.677×108kJ/h，出換熱器的熱氣體的溫度假設(shè)出換熱器的出合成塔氣各組分熱容與出合成塔時(shí)相同，則QnCp=1.58×106+46.60×3131.829=1.73×106kJ/（h·k）出口溫度：Q6/QnCp=7.677×108/（1.73×106）=418K,145℃。水冷器的熱量衡算入水冷器的熱量由工藝流程得：出換熱器的出合成塔氣體等于入水冷器的熱量，即：Q7=Q6=7.677×108kJ/h出水冷器的熱量145404MPa、40℃時(shí)的比熱容及帶出的熱量如下表所示。表3.23各組分帶出水冷器的熱量Tab.Tab.3.23 componentswithwatercoolerheat組分H228.8839672.049COH228.8839672.049CO30.923186.53CO254.341778.175N230.801616.062

kJ/（kmol·k）45.02

309.027

出塔熱量kJ/（h·k）×1060.01391.1460.09850.09660.0498Ar22.581165.1860.0263CH39.872933.2290.1169(CH3)2O67.854.221286.395×10-6C4H9OH194.500.39476.633×10-6H2O75.01365.6680.0274CH3OH(液相）84.832822.8020.2395計(jì)算如下：氣相帶出的熱量：-Q =（0.0139+1.146+0.0985+0.0966+0.0498+0.0263+0.1169）×106-水冷出氣=1.431×106kJ/（h·k）氣相總熱量:Q8=1.431×106×313.15=4.481×108kJ/h液相帶出的熱量:-Q =286.395+76.633+0.274×105、+2.395×105=2.673×105kJ/（h·k）-水冷出液液相總熱量：Q9=2.673×105×313.15=8.370×107kJ/h所以出水冷器總熱量：Q10=Q8+Q9=4.481×108+8.370×107=5.318×108kJ/h（3）冷卻水的用量假設(shè)冷卻水進(jìn)口溫度為25℃，出口溫度為60℃，由上面計(jì)算得：冷卻水吸收的熱量為：7 △Q =Q-Q=7.677×108-5.318×108=2.359×1087 水冷器則冷卻水的用量：2.3592.3591084.17435水冷器C水冷器C△t冷卻水

1614758.02kg/h1614.758噸/hp3.2.5甲醇分離器的熱量衡算物料進(jìn)入分離器后，氣相由分離器上部分出；液相由下部分出。甲醇分離器進(jìn)口的熱量由工藝流程得：甲醇分離器進(jìn)口的熱量與水冷器出口的熱量相等，即- Q =Q=5.318×108- 分離器進(jìn)甲醇分離器出口氣相的熱量分離器出口的氣相即為水冷器出口的氣相，則分離器氣相的熱量為：-- Q -- 分離器出氣甲醇分離器出口液相的熱量分離器出口的液相即為水冷器出口的液相，則分離器液相的熱量為：Q分離器-出-液=Q9=8.370×107kJ/h主要設(shè)備的工藝計(jì)算和設(shè)備選型甲醇合成塔的設(shè)計(jì)選型催化劑的使用量59689.238kmol/h,1337038.931m3/h，合成塔的空速為13000m3/(m3催化劑·h)，則催化劑的使用量為：V=1337038.931/13000=102.849m3塔體設(shè)計(jì)換熱面積的確定得每小時(shí)的傳熱量為：Q4=6.87×107kJ/h=1.908×107W[15]K=300W/（m2.℃），225255℃；殼程水蒸氣進(jìn)口溫度由200℃升至220℃，則：合成氣：225℃→255℃水蒸氣：220℃←200℃△t1=5℃ △t2=55℃合成塔的平均溫差△t

：△t2-△t155-520.85℃2m ln△t2△t1

ln555QK△t1.90810730020.85由公式Q=KS△tm得：傳熱面QK△t1.90810730020.85m換熱管數(shù)的確定查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》[16]，管殼式換熱器常用的無(wú)縫鋼管規(guī)格（外徑×厚度）見(jiàn)表4.1表4.1 換熱管規(guī)格碳鋼、低合金鋼Tab.4.1不銹鋼heatpipespecifications碳鋼、低合金鋼不銹鋼19×219×232×332×2.525×2.525×238×338×2.56000mm，7500mm，9000mm，12000mm。換熱管的換熱管長(zhǎng)度與公稱(chēng)直徑之比4~256~10。由《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》，選用材質(zhì)為00Cr18Ni5Mo3Si238×2.5的無(wú)縫不銹鋼鋼管，長(zhǎng)度為12000mm，正三角形排布，共需換熱管根數(shù)：n S

3050.36

2281根3.14dl 3.140.033012因需設(shè)置拉桿18根，故實(shí)際換熱管數(shù)為2263根。合成塔直徑的確定D=a（b-1）+2L式中：D—換熱管直徑，mma—相鄰兩換熱管間距，mmb—對(duì)角線(xiàn)管數(shù)n2263L—最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離，取L=2do。由換熱管外徑查得相鄰兩換熱管中心距為a=48mm，對(duì)角線(xiàn)管數(shù)：n2263b=1.1

=1.1×

=52.33，則合成塔殼體直徑為：D=a（b-1）+2L=48×（52.33-1）+2×2×38=2616mm，圓整為2800mm。合成塔的壁厚設(shè)計(jì)合成塔殼體材質(zhì)采用18MnMoNbR低合金鋼鋼材，壁厚的計(jì)算公式：PcDiδ=2[]tPc其中封頭與殼體采用雙面對(duì)接焊，100%無(wú)損檢測(cè)，故焊接系數(shù)=1.02403.35MPa，取設(shè)計(jì)壓力255（插值法[σ]255=190MPa，由此計(jì)算得合成塔殼體的計(jì)算壁厚： PcDi

52800

37.33mm，]tPc 21905取附加厚度C=1.25mm，則名義壁厚δn=37.33+1.25=38.58mm，圓整后取厚度為40mm。合成塔封頭設(shè)計(jì)上下封頭采用半球形封頭，材質(zhì)為18MnMoNbR。封頭內(nèi)徑為2800mm封頭的設(shè)計(jì)壁厚：Pci

52800 37.09mm2[]t-0.5Pc

2190-0.55取封頭的附加厚度為C=1.25mm，設(shè)計(jì)壁厚為38.34mm，所以封頭為DN2800×40。管子拉脫力的計(jì)算計(jì)算數(shù)據(jù)按表4.2選取。表4.2管殼式換熱器參數(shù)Tab.4.2tubeandshellheatexchangerparametersTab.4.2tubeandshellheatexchangerparameters項(xiàng)目管子殼體材質(zhì)00Cr18Ni5Mo3Si218MnMoNbR線(xiàn)膨脹系數(shù)（1℃）17.42×10-617.42×10-6彈性模量E/MPa0.167×1060.190×106尺寸38×2.5×120002800×40管子數(shù)2263管間距/mm48管殼壁溫差/℃20.85管子與管板的連接方式開(kāi)槽脹接脹接長(zhǎng)度L=50許用拉脫力/MPa4.0①在操作壓力下，每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力：qp

Pf3.14doo其中 f=0.866a2-（3.14/4）×d2=0.866×482-（3.14/4）×382=861.72mm2P=5.0MPa，L=76mmoq5.0861.720.72MPap 3.143850

σ（d2-d2）qt

t o iSdLo式中

E（tt

t）st A1ss s 3.14 3.14換熱器的總截面：A （d2-dn 382-3322263630642mm2t 4 o i 4則σ17.4210-60.18010620.8522.13MPat 1630642395640q2.13382-332.0Mat 43850由已知條件可知，qp和qt的作用方向相同，都使管子受壓，則換熱管的拉脫力： q=q+qp t

0.72+1.03=1.75MPa<[q]=4.0MPa因此，拉脫力在許用范圍內(nèi)。折流板的確定設(shè)置折流板的目的是為了提高殼程流體的流速，增加湍動(dòng)程度，并使管程流體垂直沖刷管束，以改善傳熱，增大殼程流體的傳熱系數(shù)，同時(shí)減少結(jié)構(gòu)，而且在臥式換熱器中還起支撐管束的作用。常見(jiàn)的折流板形式為弓形和圓盤(pán)—圓環(huán)形兩種，其中弓形折流板有單弓形，雙弓形和三弓形三種。本設(shè)計(jì)采用單弓形折流板，材質(zhì)為16MnR，折流板高度為h=（3/4）Di=（3/4)×2800=2100mm38mm2500mm，612mm管板的確定程、殼程壓力和溫度的作用。管板直徑2800mm，厚度150mm，管板通過(guò)雙面對(duì)接焊在筒體和封頭之間。支座的確定40mm2600mm，基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)徑2400mm3000mm34mmM3024個(gè)。（9）高度的計(jì)算：H=2800+12000+2600+34=17434mm。合成塔的設(shè)計(jì)如下表：Tab.4.3 synthesisTab.4.3 synthesistowerdesignsummary筒體280040數(shù)目管長(zhǎng)（mm）226312000H=17434mm封頭內(nèi)徑（mm）2800換熱管尺寸（mm）38×2.5（半球形）壁厚（mm)40數(shù)目6拉桿直徑（mm）數(shù)目1218折流板21002000輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)選型合成氣進(jìn)塔換熱器的設(shè)計(jì)（1）2.133×108kJ/h5.925×107WK=1000W/（m2.℃）加熱器與合成氣采用逆向換熱：出塔氣：255℃→145℃合成氣：225℃←60℃平均溫差：

△t1=30℃ △t2=85℃ △t85 2 1 mln△t2m△t1

ln8530QK△t5.925QK△t由Q=KS△tm得：傳熱面積S

1121.95m2100052.81m查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》，選用材質(zhì)為38×2.59000mm，正三角形排布，共需換熱管根數(shù)：n S

1121.95

1118根3.14dl 3.140.03309因需設(shè)置拉桿18根，故實(shí)際換熱管數(shù)為1100根。換熱管外徑查得相鄰兩換熱管中心距為a=48mm，對(duì)角線(xiàn)管數(shù)：b=1.1n=1.1×1100=36.48mm則換熱器直徑為：D=a（b-1）+2L=48×（36.48-1）+2×2×38=1855.04mm，圓整為2000mm。18MnMoNbR低合金鋼鋼材，壁厚的計(jì)算公式：δ= PcDi2[]t其中封頭與殼體采用雙面對(duì)接焊，100%無(wú)損檢測(cè)，故焊接系數(shù)=1.0殼程通入的是合成氣，壓力為5.2MPa，取設(shè)計(jì)壓力Pc=5.5MPa，外徑Di=2000mm，查得在225℃下的許用應(yīng)力為[σ]225=197MPa,由此計(jì)算得換熱器殼體的計(jì)算壁厚： δ= PcDi

5.52000

28.31mm,取附加厚度]tPc 2197-5.5C=1.25mm,則名義壁厚δn=28.31+1.25=29.56mm，圓整后取厚度為30mm。JB/T4746-2002標(biāo)準(zhǔn)[17]，封頭為33DN2000×30，曲面高度h1=500mm，直邊高度h2=50mm，材料為18MnMoNbR。1500mm38mm的換熱管折流板間距最大為2500mm1500mm618，直12mm。換熱器的設(shè)計(jì)如下表：筒體封頭（橢圓形）拉桿Tab.4.4內(nèi)徑（mm筒體封頭（橢圓形）拉桿Tab.4.4內(nèi)徑（mm）heatexchangerdesignsummary2000 數(shù)目1100壁厚（mm）30 換熱管 管長(zhǎng)（mm）9000內(nèi)徑（mm）2000尺寸（mm）38×2.5壁厚（mm)30數(shù)目6直徑（mm）12折流板長(zhǎng)度（mm）1500數(shù)目18間距（mm）1500水冷器的設(shè)計(jì)2.359×108kJ/h6.553×107WK=1000W/（m2.℃)出塔氣： 145℃→40℃冷卻水： 60℃←25℃△t1=85℃ △t2=15℃平均溫差：

△t85-15 1 mln△t1m△t2

ln8515Q 6.553107由Q=KS△tm得：傳熱面積 SK△tm

1205.48m2100054.36查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》，選用材質(zhì)為38×2.59000mm，正三角形排布，共需換熱管根數(shù)：n S

1205.48

1292根3.14dl 3.140.03309因需設(shè)置拉桿18根，故所需實(shí)際換熱管數(shù)為1274根。1274n換熱管外徑查得相鄰兩換熱管中心距為a=48mm，對(duì)角線(xiàn)管數(shù)：1274nb=1.1

=1.1×

=39mm則換熱器直徑為：D=a（b-1）+2L=48×（39-1）+2×2×38=1976mm，圓整PAGEPAGE43為2000mm。18MnMoNbR低合金鋼鋼材，壁厚的計(jì)算公式：δ= PcDi2[]t其中封頭與殼體采用雙面對(duì)接焊，100%無(wú)損檢測(cè)，故焊接系數(shù)=1.0殼程通入的是合成氣，壓力為5.2MPa，取設(shè)計(jì)壓力Pc=5.5MPa，外徑Di=2000mm，查得在40℃下的許用應(yīng)力為[σ]40=132MPa,由此計(jì)算得換熱器的計(jì)算壁厚： δ= PcDi

5.52000

42.55mm,取附加厚度C=1.25mm,]tPc 2132-5.5則名義壁厚δn=42.55+1.25=43.8mm，圓整后取厚度為46mm。DN2000×46h1=500mmh2=50mm18MnMoNbR。水冷器的設(shè)計(jì)如下表：Tab.4.5waterTab.4.5watercoolerdesignsummary筒體內(nèi)徑（mm）2000數(shù)目1274壁厚（mm）46換熱管管長(zhǎng)（mm）9000封頭內(nèi)徑（mm）2000尺寸（mm）38×2.5（橢圓形）壁厚（mm)46數(shù)目6拉桿直徑（mm）數(shù)目1218折流板15002000汽包的選型220100200℃。采用浮頭式換熱器，殼體與換熱管材質(zhì)為16MnR，由熱量衡算得熱負(fù)荷為6.87×107kJ/h，即1.908×107W，取傳熱系數(shù)K=1100W（m2.℃）熱源：220℃→200℃冷源：200℃←100℃△t1=20℃ △t2=100℃平均溫差△t

：△t

△t100-20 2 2m m ln△t2△t1

ln10020QK△t1.908107110049.72由Q=KS△tm得：傳熱面QK△t1.908107110049.72m查《典型化工單元操作設(shè)備設(shè)計(jì)》[18]得所需型號(hào)F1200Ⅵ-2.5-378.4，所選汽包具體參數(shù)如下：表4.6 選定換熱器相關(guān)參數(shù)Tab.Tab.4.6 selectedparametersofheatexchanger項(xiàng)目殼體/mm

參數(shù)1200

項(xiàng)目管子尺寸/mm

參數(shù)25×2.5公稱(chēng)壓強(qiáng)/MPa2.5管長(zhǎng)/m6公稱(chēng)面積/m2378.4中心排管子數(shù)21管程數(shù)6管子排列方法三角形4.2.4分離器的設(shè)計(jì)u=20m/s50660.258kmol/h，即1134789.779m3/h100層除沫層。1 100πu