甲醇合成塔设计说明书

1 甲醇合成塔设 计说明书

目录 第一章：设计方案的确定与说明 - 3

一、设计方案的确定 ..................... 3 2

二、方案说明 ....................... 3

第二章：设计计算与校核 ..................... 4

一、工艺计算 ........................ 4

二、主要接管尺寸计算 .................... 6

三、合成塔的总体结构 .................... 7

第三章：设计计算结果 ....................... 9第3 页共9 页

第一章：设计方案的确定与说明 一、设计方案的确定 传统的甲醇合成塔主要有一下几种： ①三管并流合成塔 ②单管并流合成塔 ③ I.C.I 四段冷激式合成塔 ④三菱瓦斯的四段冷激式合成塔 ⑤多段径向甲醇合 成塔 ⑥Lurgi 式甲醇合成 ⑦轴径向甲醇合成塔

三管并流合成塔 ,内件结构简单、操作稳定，但从气体并流换热的特点出发， 能起到冷管作用的仅是外管，而内管只是担负了输送气体的任务。

单管并流合成塔， 冷管的输气管和冷管的端部都连接在环管上， 而冷管与输 气管的气量和传热情况都不相同， 前者的温度要高得多， 如不考虑膨胀， 当受热 后，冷管与环管的连接部位会因热应力而断裂， 使合成塔操作恶化甚至无法生产。

Lurgi 式合成塔，合成塔既是反应器也是废热锅炉，合成甲醇所产生的反应 热由管外的沸腾水带走， 管外沸腾水与汽包维持自然循环， 汽包是那个装有压力 的控制器， 以维持恒定的压力， 因此管外沸腾水的温度是恒定的， 于是管内催化 剂的温度也几乎是恒定的，因此当操作条件发生变化时（如循环机故障等），催 化剂也没有超温的危险，仍然可以安全运转。

综合以上各甲醇合成塔的优缺点， 选择 Lurgi 式合成塔作为甲醇合成的设备。

二、方案说明 Lurgi 式合成塔，合成塔既是反应器也是废热锅炉，列管中装填 C306 型催 化剂，合成气在列管中反应，合成甲醇所产生的反应热由管外的 215℃， 25 bar 的沸腾水带走。 冷却水的流量通过流量调节阀进行调整， 以精确控制反应器的温 度，使其符合工艺要求。 第二章：设计计算与校核

一、工艺计算 甲醇合成塔各物流流量和摩尔分率由前期采用 Aspen Plus 软件进行的流程 模拟计算得到。 1、合成塔主要工艺参数 根据 Aspen 模拟，进出甲醇合成塔的反应物和所生成物的物流表如下： 第4 页共9 页

项目 反应物 生成物 温度℃ 230 250

压力 bar

20.45 19.95

摩尔流量 mol/h

5449.786 5264.868

质量流量 kg/h

68121.11 68121.16

摩 尔 分 数

CO 0.106 0.094 CO2 0.112 0.115 H2 0.62 0.605 CH4 0.097 0.101 H2O 0.007 0.008 N2 0.046 0.048 CH3OH 0.011 0.029

上述反应所释放的反应热 5167773kJ/h。进入合成塔的热水温度 215

oC，出口 225oC，水流量

2800KG／H。

2. 合成塔中反应管的设计选型 (1) 反应管选用无缝不锈钢管，材料为 0Cr19Ni9 取管长 l = 5.8m,内径 r = 34mm,外径 R =

38mm,壁厚 d = 2mm 每根反应管的外侧面积 s = 0.619522 ㎡,容积 V1 = 0.005266 m3

(2) 选用催化剂为 C306型，时空效率为 1.2 g/(ml.h) 由流程模拟计算得甲醇的质量流量为 4852 kg/h , 所需要的催化剂体积为 V2 = 4852000 ÷1.2 = 4042972 ml = 4.0 4m3 所需反应反应管数

量为 N1 ＝ 768 (根)

(3) 传热计算校核 ①计算总传热系数 第5 页共9 页

Dm=36mm D 内=34mm D 外 =38mm α内=3117 kJ/(㎡·h·℃) α外=3561 kJ/(㎡·h·℃) δ=3 λ=64.85 Rd=0.00012

K=1/( Dm ÷(α内×D 内 ) + Dm ÷(α外×D 外) +δ÷λ + Rd)

K = 1333 kg/ (㎡· h·℃) ②从流程模拟计算知道， Q = 5167773 kJ/h

反应物进入塔内的温度为 t01 = 230℃，生成物出塔的温度为 t02 = 250℃， 循环冷却水进入塔的温度为 t11 = 215℃，出塔温度为 t12 = 225℃ 所以，△ tm = ((t01-t11)+(t02-t12))/2 = 20℃ 换热面积 F = Q÷(K ×△ t m)= 193.8399 ㎡ N2= F÷s = 180 (根) 少于通过催化剂时空效率计算得出的反应管数量 768 根，故换热面积足够。 (4) 反应管的排列 考虑到等边三角形排列的优点： 管板的强度高、 流体走短路的机会少、 对流传热 系数高、相同壳程内可排列更多的反应管，本合成塔采用等边三角形排列。 排列间距 t = 1.5 R = 0.057 m

3、塔径的计算： 由《流体力学与传热》中的公式， D = t ×(ne - 1) + 2b'计算壳体的内径 管中心距 t = 1.5d0 =

0.057m 管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离 b'= 0.5d0 = 0.057 m

横过管束中心线的管数 ne = 1.1× N

3 = 29

D = 0.057×(27-1) + 2×0.057 = 1.71 m

、主要接管尺寸计算 1 合成气进气口管径 Qm = 68121.11 kg/h u =20 m/s d1 = 18.8× qv u = 1097 mm

2 甲醇出口管径 qm = 68121.15 kg/h u =20 m/s d2 = 18.8× qv u = 1097 mm 第6 页共9 页

3 循环冷却水进口管径 qv = 3.579583 m3/h u =1.2 m/s d1 = 18.8× qv u = 32 mm 4 循环冷却水出口管径第7 页共9 页 qm = 2800 kg/h u =20m/s d1 = 18.8× qv u = 222mm

三、合成塔的总体结构 1. 合成塔封头的设计 采用不锈钢 0Cr19Ni9 采用半球形封头。 内径 1710 mm . 壁厚计算： 计算压力 Pc = 2.5Mpa Di = 1710 mm 焊接接头系数 φ取 1.0 设计温度为 250℃，在该温度下，根据 JB/T4735-97 标准， 由公式δt = Pc×Di÷((4×δt×φ)-Pc)得， δ t =2.5×1710÷( 4×90×1.0-

2.5)=11.9mm 圆整后，取封头的壁厚 δn=12 mm

2. 合成塔圆筒壁厚的计算 采用不锈钢 0Cr19Ni9 计算压力 Pc = 2.5Mpa

Di = 1710 mm

焊接接头系数 φ取 1.0

设计温度为 250℃，在该温度下，根据 JB/T4735-97 标准， 由公式δt = Pc×Di/((2×δt×φ)-Pc)

得， δ t =2.5×1710/(2×90×1.0-2.5)=24.0 mm

查表得钢板负偏差 C1= 0.8，腐蚀裕量 C2 = 0,故壁厚附加量 C= C1+C2=0.8 所以，设计厚度 δ d=δ + C2=24.0 mm 在设计厚度的基础上，考虑钢板的负偏差 C1 后，向上圆整到钢板的标准厚度， 即容器的名义厚度，以 δn表示，δn = 25 mm

有效厚度 δe = δn-C=24.2 mm

应力校核， δt'=Pc(Di+δe) /(2 ×δe) =89.6 Mpa≤δt , 符合要求。 因此，圆筒壁厚取 25mm.

3. 合成塔的支座的设计 采用不锈钢 0Cr19Ni9

选用群是圆筒支座，内径 R1 = 1710 mm

高度 1800mm

δ t=90 Mpa

δ t=90 Mpa 第8 页共9 页

壁厚 10mm

4. 合成塔高度计算 管程排气管高度，取 100mm 群座高度 1800mm 筒体高度 5800+354× 2 = 6508 mm 两个半球形封头总高度 (855+ 12)× 2= 1734 mm 全塔总高 = 100+1800+6508+1734 =10142 mm =10.142 m