甲醇合成塔的设计
甲醇合成塔正文
3.2．管板表面带极堆焊
甲醇合成塔的上、下管板管 程侧表面要求进行耐腐蚀材料堆 焊，堆焊焊接材料各不相同 ： 过渡层309L+耐蚀层308L； 过渡层309L+耐蚀层347； 过渡层309L+耐蚀层2209； 过 渡 层 309L+ 耐 蚀 层 309LMo ； EQNiCrMo-3（Inconel 625）；
甲醇合成塔制造过程工艺难点： 2205双相不锈钢材料的焊接 ； 管板表面带极堆焊 ； 中间管板与筒体焊接 ； 设备各部分的焊后热处理 。
3.1．2205双相不锈钢的焊接
对于2205型双相不锈钢材料， 焊接材料选用Ni含量比母材高一级 的ER2209氩弧焊丝，以获得较高比 例的奥氏体；焊接过程必须采用适 当的热输入保证焊接接头获得好的 奥氏体相变并防止金属间沉淀相的 析出，从而使焊接接头具有良好的 机械性能和耐腐蚀性能。
甲醇合成塔结构示意图
2．主体材料介绍
2.1 13MnNiMoNbR材料，交货状态 为正火加回火，材料焊接性能分析 ： Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15
2.2 SAF2205奥氏体－铁素体双相 不锈钢材料，耐点蚀系数： PRE=Cr+3.3Mo+16N
3．甲醇合成塔焊接制造工艺
3.3．中间管板与筒体焊接
甲醇合成塔产品结构最大特点是具 有中间管板，其与筒体焊接结构形式分 为以下三种： A. 管板与筒体T型全焊透角接； B. 加强筒体锻件与管板对接； C. 碗形管板锻件与两侧筒体对接；
中间管板筒体连接形式
3.4．设备各部分的焊后热处理
甲醇合成塔封头、壳体材质按照标 准要求，设备焊后必须进行消除应力热 处理，换热管材质为SAF2205不能经历主 体材料的焊后消除应力热处理过程，所 以必须对甲醇合成塔各部件分别进行热 处理，最终合拢焊缝采用电加热器进行 局部热处理。
甲醇合成塔设计说明书
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)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③I.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：上述反应所释放的反应热5167773kJ/h。
关于年产40万吨煤制甲醇合成塔设计
摘要甲醇不单单是一种有机物燃料也是化工生产的重要原料，有很大的市场。
且随着甲醇汽油在国内的推广使用，未来甲醇的下游需要量肯定会大量增加。
甲醇汽油的推广及劣质煤生产甲醇都能缓解现在的环境问题。
甲醇不仅作为最有希望代替汽油的清洁燃料，而且由于其在许多工业生产中使用范围广，使的人们越来越关注甲醇的发展。
甲醇反应合成塔是合成甲醇的过程中最重要的一个设备，它的选择是否经济、合理将直接影响甲醇生产。
本设计选用的甲醇合成塔是德国Lurgi公司的固定管板列管甲醇合成反应器双塔并联生产，采用低压合成法工艺，使用国产的XNC-98型催化剂进行设计。
本论文对年产40万吨甲醇合成塔进行设计。
对合成塔进行了物料和热量衡算。
关键词：甲醇；合成塔；设计；衡算目录摘要 (I)目录............................................................... I I 第一章绪论.. (1)1.2甲醇的性质及用途 (1)1.2.1甲醇的性质 (1)1.2.2甲醇的用途 (1)1.3国内外研究现状 (2)1.4设计的目的和意义 (3)第二章甲醇的合成 (5)2.1制备方法 (5)2.2甲醇合成工艺的选择 (5)2.3甲醇合成塔的选择 (6)2.3.1国内外常用的甲醇合成反应器 (6)2.3.2甲醇合成塔的选用原则 (7)2.4甲醇合成催化剂的选用 (7)第三章工艺计算 (9)3.1甲醇合成工艺 (9)3.2甲醇合成塔的物料衡算 (9)3.2.1基础数据 (9)3.2.2合成塔的物料衡算 (10)3.3热量衡算 (16)3.3.1合成塔的热平衡计算 (16)3.3.2甲醇水冷器的热量计算 (20)第4章甲醇合成塔的设计计算 (23)4.1甲醇合成工艺参数 (23)4.2传热面积的计算 (23)4.3催化剂用量的计算 (23)4.4传热管数的计算 (23)4.5管子排列方式，管间距的计算 (24)4.6壳体直径的计算 (24)4.7合成塔壳体厚度的计算 (24)4.8合成塔封头的计算 (25)4.9封头与壳体的连接形式 (25)4.10反应管与管板的连接结构设计 (25)4.11管法兰的选用 (25)4.12管子拉脱力的计算 (25)4.13折流板的计算 (27)4.14管板的计算 (27)4.15容器的开孔补强 (27)4.16支座的计算 (27)4.17人孔的计算 (27)结论 (29)参考文献 (30)致谢 (33)第一章绪论1.2甲醇的性质及用途1.2.1甲醇的性质甲醇（Methanol，CH₃OH）又名木醇是重要的化工原料和燃料，是结构最为简单的饱和一元醇[1]。
甲醇合成塔介绍
在合成甲醇反应中，CO的单程转化率较低，为了克服传统的气相法合成甲醇工艺的缺点，近年开发了一些新型反应器，比较有代表性的有GSSTFR、RSIPR、气-液相并存式反应器和浆态床甲醇合成工艺。
1、 GSSTFR（气固固滴流流动反应器）
在反应器内用一种极细的吸附剂（如硅钢铝酸盐）与反应气体作逆向运动，反应过程中所生成的甲醇被固体吸附剂吸收，促使平衡向生成甲醇的方向移动。这种反应工艺一般是几个反应器串联使用，反应器之间有冷却器，将反应气体冷却到合适的温度。吸收甲醇的吸附剂有反应器外加热解吸，再生后的吸附剂可重复使用。该法的CO单程转化率可达100％。
该合成塔在国内小型的装置中应用较多，如哈气化2000年4万吨改造；2001年8万吨；2005年云南曲靖5.5万吨；渭化20万吨等，为了适应甲醇装置大型化的趋势，林达公司于2001年开发了优化甲醇工艺，并申请了PCT国际专利，该技术采用前后相连的自热式内冷式反应器和外冷反应器前后相连串联的方式。最大规模300t/d。
Lurgi管壳式反应器已在国内不少甲醇厂使用，但在大型化甲醇装置中因结构复杂、反应管数较多、体积大，国内目前。单塔最大生产能力为1250吨/天。产量增大时，反应器直径过大，而且由于管数太多，反应管长度只能做到10米，因此在设计与制造时就有困难了。鲁奇公司曾提出两塔并联的流程，近年来又提出与冷管型串联的流程以适应大型化生产的需求，但是都还未工业化。最大规模3000t/d(两个塔)，全世界现有29套甲醇装置（约40座合成塔）,总产能810万吨/年。
四、日本三菱MGC
气冷-水冷型。双套管反应器,内/外管间装触媒。内管冷气,外管管间沸水自然循环。反应接近最佳平衡线进行等温反应,单程转化率高,出塔浓度高,相同规模催化剂用量减少30％,循环量降低50％,蒸汽产量增加25％。设备复杂,造价高,床层阻力大,触媒装卸不方便。最大规模2500t/d。93年日本500t/d装置,99年沙特2500t/d。重庆化医与三菱85万吨/年(两塔)在建。
甲醇合成塔介绍
来??源：百川资讯更新时间：2011-09-0116:17【打印】【收藏】
关键字：甲醇?合成塔
摘??要：甲醇合成塔设计的关键技术之一就是要高效移走和利用甲醇合成反应所放出的巨大热量。
甲醇合成塔设计的关键技术之一就是要高效移走和利用甲醇
热性和热稳定性较好，反应温度接近等温，易于控制，一氧化碳与二氧化碳的单程转化率和气相产物中的甲醇百分含量高于传统的气-固相催化法。
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煤制甲醇工艺甲醇合成塔的工艺设计探讨
２甲醇合成塔工艺设计
２ ． １甲醇合 成塔 物性 参数 的确 定
根 据 煤 制 甲 醇 生 产 工 艺 条 件 ， 甲醇 合 成 塔 为 列 管 式 反 应 器 。 由于 甲醇合 成 过 程 属 于 吸 热 过
根 据 甲醇 合 成 的 工 况 要 求 ，合 成 塔 选 用 立 式 固定床气一 固相催 化反应器 。属于管壳 外冷． 绝 热复合型列管式反应器。列管 内填充Ｎ Ｃ ３ ０ ６ 型低 铜 锌 基 催 化 剂 ，当 合成 气 从 合 成 塔 顶 部 通 过 列 管 进入催化剂床层后 ，在压力 为５ ． １ ０ ＭＰ ａ 、温度 为
２ ２ ０ ～ ２ ６ ０ ℃下 的工 艺条件 下 ，Ｃ Ｏ、ＣＯ ２ 与Ｈ２ 参 与合 成反 应 ，反 应 的产 物 主 要 是 甲醇 和 水 ，此 外还 含 有 微 量 副产 物 等 有 机 杂 质 。 甲醇 合 成 过 程 中 有 两 个 反 应 同时 进 行 ， 均 属 于放 热 剧 烈 的化 学 反 应 。 为 保 证 反 应 的平 稳 进 行 ，反 应 热 主 要 经 过 列 管 式 反 应 器 的壳 程 内的 沸 腾 水移 走 。催 化 剂 床 层 温 度 及 合 成 塔 甲醇 气 出 口温度 主要 依 靠 控 制 分 汽 缸 压 力 来调 整 。经 合 成 塔 出来 的 温度 较 高 的气 相 产 物 与 温度 较低 的进 塔 合 成 气 通 过 合 成 气 预 热器 逆 流 换热，气相产物被冷却 ，温度下降￣ ］ １ ９ ０ ℃左右 ， 此 时 有 一 部 分 甲醇 蒸 汽 被 冷 凝 成 液 体 。该 气液 混 合 物 再 经 水 冷 器 进 一 步 降 温 冷 凝 ， 冷 却 至 温 度
甲醇合成塔介绍
甲醇合成塔介绍2011-09-01 16:17 【打印】【收藏】百川资讯更新时间：来源：甲醇合成塔关键字：甲醇合成塔设计的关键技术之一就是要高效移走和利用甲醇合成反应所放出的巨大热量。
摘要：甲醇合成塔设计的关键技术之一就是要高效移走和利用甲醇合成反应所放出的巨大热量。
甲醇合成反应器根据反应热回收方式不同有许多不同的类型，下面将应用较广的几种合成器分别予以简单介绍。
一、I.C.I反应器英国ICI公司低压法甲醇合成塔采用多层冷激式绝热反应器，内设3-6层催化剂，催化剂用量较大，合成气大部分作为冷激气体由置于催化剂床层不同高度平行设立的菱形分布器喷入合成塔，另一部分合成气由顶部进入合成塔，反应后的热气体与冷激气体均匀混合以调节催化床层反应温度，并保证气体在催化床层横截面上均匀分布。
反应最终气体的热量由废热锅炉产生低压蒸汽或用于加热锅炉给水回收。
该法循环气量比较大，反应器内温度分布不均匀，呈锯齿形。
ICI冷激塔结构简单、用材省且要求不高、并易于大型化。
单塔生产能力大。
但由于催化剂床层各段为绝热反应，使催化剂床层温差较大，在压力为8.4MPa和12000h-1空速下，当出塔气甲醇浓度为4%时，一、二两段升温约50℃，反应副产物多，催化剂使用寿命较短，循环气压缩功耗大，用冷原料气喷入各段触媒之间以降低反应气温度。
因此在降温的同时稀释了反应气中的甲醇含量，影响了触媒利用率，而且反应热只能在反应器出口设低压废锅回收低压蒸汽。
为了防止触媒过热，采用较大的空速，出塔气中甲醇含量不到4%。
最大规模3000t/d，全世界现有40多套。
二、德国林德Lurgi管壳式反应器水冷型。
图２Lurgi甲醇合成反应器是管壳式的结构。
管内装催化剂，管外充满中压沸腾水进行换热。
合成反应几乎是在等温条件下进行，反应器能除去有效的热量，可允许较高CO含量气体，采用低循环气流并限制最高反应温度，使反应等温进行，单程转化率高，杂质生成少，循环压缩功消耗低，而且合成反应热副产中压蒸汽，便于废热综合利用。
年产20万吨甲醇合成工艺设计 化工专业毕业设计 课程设计
年产20万吨甲醇合成工艺设计(一)概述甲醇作为及其重要的有机化工原料，是碳一化学工业的基础产品，在国民经济中占有重要地位。
长期以来，甲醇都是被作为农药，医药，染料等行业的工业原料，但随着科技的进步与发展，甲醇将被应用于越来越多的领域。
当今甲醇生产技术主要采用中压法和低压法两种工艺，并且以低压法为主，这两种方法生产的甲醇约占世界甲醇产量的80%以上。
高压法：(19.6-29.4Mpa)是最初生产甲醇的方法，采用锌铬催化剂，反应温度360-400℃，压力19.6-29.4Mpa。
高压法由于原料和动力消耗大，反应温度高，生成粗甲醇中有机杂质含量高，而且投资大，其发展长期以来处于停顿状态。
低压法：(5.0-8.0 Mpa)是20世纪60年代后期发展起来的甲醇合成技术，低压法基于高活性的铜基催化剂，其活性明显高于锌铬催化剂，反应温度低(240-270℃)。
在较低压力下可获得较高的甲醇收率，且选择性好，减少了副反应，改善了甲醇质量，降低了原料消耗。
此外，由于压力低，动力消耗降低很多，工艺设备制造容易。
中压法：(9.8-12.0 Mpa)随着甲醇工业的大型化，如采用低压法势必导致工艺管道和设备较大，因此在低压法的基础上适当提高合成压力，即发展成为中压法。
中压法仍采用高活性的铜基催化剂，反应温度与低压法相同，但由于提高了压力，相应的动力消耗略有增加。
目前，甲醇的生产方法还主要有①甲烷直接氧化法：2CH4+O2→2CH3OH.②由一氧化碳和氢气合成甲醇，③液化石油气氧化法（二）原料选取本设计选择中压法为生产甲醇的工艺，用CO和H2在加热压力下，在催化剂作用下合成甲醇主要反应式为：CO+ H2→CH3OH因此原料主要是:CO, H2催化剂:Cu。
（三）工艺过程设计经过净化的原料气，经预热加压，于5 Mpa、220 ℃下，从上到下进入Lurgi反应器，在铜基催化剂的作用下发生反应，出口温度为250 ℃左右，甲醇7%左右，因此，原料气必须循环，则合成工序配置原则为图2-3。
甲醇合成塔的设计
甲醇合成塔的设计 The manuscript was revised on the evening of 2021甲醇合成塔的设计Design of carbinol Synthetic Tower摘要：本文针对设备DN3400甲醇合成塔的设计要点进行了详细论述。
详细介绍了大直径不带法兰的立式列管固定床甲醇合成塔材料和加热方式的选择，以及各主要部件结构的设计特点。
Abstract: This text introduces the main point of designing de DN3400 carbinol synthetic tower, describes the section of material and heating method used to fabricate large diameter- non-flange, vertical pipe line carbinol synthetic tower. This text also explains the structure design character of the main components and parts.关键词：甲醇合成塔；工作原理；结构设计特点Key Words: Carbinol synthetic tower working theory structure design character1．引言甲醇工业始20世纪初，到20世纪60年代，甲醇工业取得重大进展。
1966年英国ICI公司首先推出了低压甲醇合成工艺—ICI工艺，此为低压法生产甲醇的开端。
所有中、低压法甲醇装置工艺过程类似，在压力为~、温度205℃~275℃操作。
各种工艺的主要区别在于反应器的设计、反应热的移走及回收利用方式的不同，另外，所用的催化剂亦有差异。
国内低压甲醇装置建设始于20世纪70年代，最早引进的是ICI公司的冷激型低压甲醇合成塔装置，数量不多。
合成塔)
合成塔介绍LurgiLurgi公司设计的低压甲醇合成塔为管壳式结构，管内装填催化剂，在中低压条件下进行甲醇合成反应，由管间沸水移出热量，并产生中压蒸汽，以控制床层温度，延长催化剂寿命，控制副反应的发生。
其主要性能特点是：采用管内装催化剂，管间走循环沸水，用很大的换热面积来移去反应热，理论上反应时催化剂层温差较小，达到接近等温反应的目的，使合成反应几乎是在等温条件下进行，采用低循环比。
为了适合装置大型化的发展，Lurgi公司对管壳式甲醇合成塔进行了改进，发明了两段等温甲醇合成工艺（气冷-水冷双塔），该工艺有两台管壳式甲醇合成塔组成，第一合成塔采用副产中压蒸气的方式移出反应热，第二台反应器产生的反应热则通过与新鲜合成气逆流换热方式脱除，在第二台反应器中，新鲜合成气在管内通过，反应气走壳层。
目前采用该技术建设的165万吨/年甲醇装置已经投产。
与单个管壳式合成塔工艺相比，两段等温甲醇合成工艺有以下特点：与单台反应塔相比，第一反应器尺寸减少了约50%。
减少了约50%的合成气循环比。
热量回收效率高，减少了冷却成本。
单系列能力可以达到5000吨/天以上。
整个合成回路（包括循环压缩机、热交换器等）的投资减少近40%。
）瑞士卡萨利（Casale）公司最早开发是立式绝热轴径向反应器，其特点是：环形的催化剂床顶端不封闭,侧壁不开孔，造成催化剂床层上部气流的轴向流动，床层主要部分气流为径向流动。
开发的大型轴径向甲醇合成塔的主要结构特点：环形的催化剂床顶端不封闭，侧壁不开孔，造成催化剂床层上部气流的轴向流动;床层主要部分气流为径向流动；催化剂筐的外壁开有不同分布的孔,以保证气流分布；各段床层底部封闭，反应后气体经中心管流入合成塔外的换热器,回收热由于不采用直接冷激，而采用塔外热交换，各床层段出口甲醇浓度较高，所需的床层段数较少。
由于床层阻力降的明显减少（比ICI轴向型塔减），所以可增加合成塔高度和减少壁厚，可选用高径比的塔，以降低造价。
甲醇合成塔的设计(最新整理)
规格（mm） δ=46(包括冲压减薄量)
δ=42 δ=60+5
φ38X2 δ=90+7
1
补强管锻件 法兰锻件
20MnMoⅢ 20MnMoⅢ
4.3 筒体与管板的焊接结构的设计 根据甲醇合成塔工作程序，在操作反应前
先要将催化剂颗粒装填在每根换热管内，催化剂 需要定期更换，从操作工艺条件上讲管，箱筒体与 管板之间采用法兰连接比较合理，但是由于其 直径较大，如果采用法兰连接将存在以下不利 因素：1）大直径法兰的密封性较难保证，若操作 失误易造成严重泄漏且，大直径法兰的成本造价2；高） 大直径法兰的密封垫片加工困难。为了防止设备 工作过程中的密封泄漏，减少法兰力矩对管板的 影响，降低制造成本，采用不兼做法兰的管板 结构最为合理。 4.4 在设计时将管箱封头处开设人孔并适当增 大管箱空间结构形式, 为了方便安装维修人员进入合成塔内进行催化剂的装填和对 合成塔的检查与维修，同时也节省了设备制造费用。 4.5 为使壳程进入时均匀且稳定地分布，脱盐水入口采用了环形管路和圆扁管入口设 计；同时，在反应管的指定位置上设置安装了防膜弹性挡圈以破坏沸腾液膜，提高传 热膜系数以利于传热。 4.6 反应管与管板的连接结构设计
高不会很高。
6.结束语 甲醇合成塔自设备投产后，运行情况一直良好，说明其选材、设计强度和结构完
全满足产品的工艺要求和生产能力，为同类产品设计提供了参考经验。
参考文献
1 GB150-1998 《钢制压力容器》国家技术监督局 1998-03-20 发布 2 GB151-1999 《管壳式换热器》国家技术监督局 中国标准出版社
头合成气入口处设置气体分布器，在管板的上部装填一层 200mm 高的绝热层催化剂， 绝热层催化剂上部填装耐火球φ8mm。下管板下面装填耐火球φ25mm。
甲醇合成塔的设计
甲醇合成塔的设计Design of carbinol Synthetic Tower摘要：本文针对设备DN3400甲醇合成塔的设计要点进行了详细论述。
详细介绍了大直径不带法兰的立式列管固定床甲醇合成塔材料和加热方式的选择，以及各主要部件结构的设计特点。
Abstract: This text introduces the main point of designing de DN3400 carbinol synthetic tower, describes the section of material and heating method used to fabricate large diameter- non-flange, vertical pipe line carbinol synthetic tower. This text also explains the structure design character of the main components and parts.关键词：甲醇合成塔；工作原理；结构设计特点Key Words: Carbinol synthetic tower working theory structure design character 1．引言甲醇工业始20世纪初，到20世纪60年代，甲醇工业取得重大进展。
1966年英国ICI公司首先推出了低压甲醇合成工艺—ICI工艺，此为低压法生产甲醇的开端。
所有中、低压法甲醇装置工艺过程类似，在压力为5.0Mpa~15.0Mpa、温度205℃~275℃操作。
各种工艺的主要区别在于反应器的设计、反应热的移走及回收利用方式的不同，另外，所用的催化剂亦有差异。
国内低压甲醇装置建设始于20世纪70年代，最早引进的是ICI公司的冷激型低压甲醇合成塔装置，数量不多。
某公司年产50万吨甲醇合成装置采用华东理工大学“绝热—管壳外冷复合式反应器”专利技术，我公司设计、制造的甲醇合成塔是此项目的关键设备，其建成投产后，运行状况一直良好，对兖矿高硫煤能够得到充分有效利用，减少资源浪费，使煤炭行业向高附加值—化工方向转化等方面，具有重要意义。
甲醇合成塔的制造工艺
制 造 安 装 甲醇合成塔的制造工艺Study on the Fabricating Procedure for Methanol Synthetic Column大连冰山集团金州重型机器厂徐庆坤 戈丰来 张英俊 In this paper,characteristics at structure design and material selection for methanol Tower are in2 troduced briefly.It is focused to discuss fabricating procedure and quality control point. 关键词:甲醇合成塔 管板 镶嵌 制造工艺 质量控制 随着石化工业的迅速发展,钢制管壳式换热设备愈来愈趋于大型化发展,虽然G B151—89《钢制管壳式换热器》只规定了钢制管壳式换热设备直径在 2000以下的设计、制造和验收,但现在钢制管壳式换热设备直径已远远大于 2000,甚至超过 4000。
1999年8月我厂首次试制成功一台直径为 2600的大型管壳式换热设备———甲醇合成塔。
甲醇合成塔是甲醇项目中的关键设备,此次我厂生产的甲醇合成塔其直径为 2600,结构虽不太复杂,但很有特色,制造难度较大,材料的选取也较为特殊。
该类设备在国内属首次试制,无成熟制造工艺可借鉴,具有一定的试验研究性质。
1 甲醇合成塔的技术特性表1项 目壳 程管 程设计压力 MPa511517设计温度 ℃265280操作压力 MPa319～5115115～517操作温度 ℃250～265255～280工作介质气水合成气水压试验压力 MPa61383腐蚀裕度 mm33换热面积 m21917设备总重 kg104600图1 甲醇合成塔总体结构示意图 甲醇合成塔的主要技术特性见表1。
・73・ 2 结构特点分析甲醇合成塔的结构特点见图1,由图1可见该设备结构较为特殊:(1)设备的上、下管板是镶嵌在筒体内部,且均为双面全焊透结构,焊肉较厚,因而易使管板产生焊接变形。
合成塔)
合成塔介绍德国Lurgi德国Lurgi公司设计的低压甲醇合成塔为管壳式结构，管内装填催化剂，在中低压条件下进行甲醇合成反应，由管间沸水移出热量，并产生中压蒸汽，以控制床层温度，延长催化剂寿命，控制副反应的发生。
其主要性能特点是：采用管内装催化剂，管间走循环沸水，用很大的换热面积来移去反应热，理论上反应时催化剂层温差较小，达到接近等温反应的目的，使合成反应几乎是在等温条件下进行，采用低循环比。
为了适合装置大型化的发展，Lurgi公司对管壳式甲醇合成塔进行了改进，发明了两段等温甲醇合成工艺（气冷-水冷双塔），该工艺有两台管壳式甲醇合成塔组成，第一合成塔采用副产中压蒸气的方式移出反应热，第二台反应器产生的反应热则通过与新鲜合成气逆流换热方式脱除，在第二台反应器中，新鲜合成气在管内通过，反应气走壳层。
目前采用该技术建设的165万吨/年甲醇装置已经投产。
与单个管壳式合成塔工艺相比，两段等温甲醇合成工艺有以下特点：——与单台反应塔相比，第一反应器尺寸减少了约50%。
——减少了约50%的合成气循环比。
——热量回收效率高，减少了冷却成本。
——单系列能力可以达到5000吨/天以上。
——整个合成回路（包括循环压缩机、热交换器等）的投资减少近40%。
（2）瑞士卡萨利（Casale）Casale公司最早开发是立式绝热轴径向反应器，其特点是：环形的催化剂床顶端不封闭,侧壁不开孔，造成催化剂床层上部气流的轴向流动，床层主要部分气流为径向流动。
Casale开发的大型轴径向甲醇合成塔的主要结构特点：——环形的催化剂床顶端不封闭，侧壁不开孔，造成催化剂床层上部气流的轴向流动;——床层主要部分气流为径向流动；——催化剂筐的外壁开有不同分布的孔,以保证气流分布；——各段床层底部封闭，反应后气体经中心管流入合成塔外的换热器,回收热量。
由于不采用直接冷激，而采用塔外热交换，各床层段出口甲醇浓度较高，所需的床层段数较少。
由于床层阻力降的明显减少（比ICI轴向型塔减少24%），所以可增加合成塔高度和减少壁厚，可选用高径比的塔，以降低造价。
甲醇合成塔设计说明书
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)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③I.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：上述反应所释放的反应热5167773kJ/h。
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甲醇合成塔的设计公司标准化编码 [QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-MQM9N]
甲醇合成塔的设计
Design of carbinol Synthetic Tower
摘要：本文针对设备DN3400甲醇合成塔的设计要点进行了详细论述。
详细介绍了大直径不带法兰的立式列管固定床甲醇合成塔材料和加热方式的选择，以及各主要部件结构的设计特点。
Abstract: This text introduces the main point of designing de DN3400 carbinol synthetic tower, describes the section of material and heating method used to fabricate large diameter- non-flange, vertical pipe line carbinol synthetic tower. This text also explains the structure design character of the main components and parts.
关键词：甲醇合成塔；工作原理；结构设计特点
Key Words: Carbinol synthetic tower working theory structure design character
1．引言
甲醇工业始20世纪初，到20世纪60年代，甲醇工业取得重大进展。
1966年英国ICI公司首先推出了低压甲醇合成工艺—ICI工艺，此为低压法生产甲醇的开端。
所有中、低压法甲醇装置工艺过程类似，在压力为~、温度205℃~275℃操作。
各种工艺的主要区别在于反应器的设计、反应热的移走及回收利用方式的不同，另外，所用的催化剂亦有差异。
国内低压甲醇装置建设始于20世纪70年代，最早引进的是ICI公司的冷激型低压甲醇合成塔装置，数量不多。
某公司年产50万吨甲醇合成装置采用华东理工大学“绝热—管壳外冷复合式反应器”专利技术，我公司设计、制造的甲醇合成塔是此项目的关键设备，其建成投产后，运行状
况一直良好，对兖矿高硫煤能够得到充分有效利
用，减少资源浪费，使煤炭行业向高附加值—化
工方向转化等方面，具有重要意义。
现将该设备
的主要设计过程进行简单的介绍。
2．甲醇合成塔的工作原理
新鲜气在离心式透平压缩机内加压至(A),与
循环气以1：5比例混合（入塔气），经过与出
塔气换热并升温至230℃后，从顶部的入口进入
甲醇合成塔，经过装填一定粒径的(Cu-Zn-AL)催
化剂在换热管内，在催化剂的作用下，CO、CO2
加氢合成甲醇，反应热传给壳程的沸腾水，产生
蒸汽进入汽包，反应器出口气温度约254℃，含甲醇%左右。
3.甲醇合成塔的结构
甲醇合成塔的型式为立式列管固定床，设备直径为φ3400，反应管为φ
38x2x6000列管，共计4513根，换热面积为3124m2，内装催化剂共26.3m3，催化剂床层高度为200mm。
主要由管板筒体裙座管箱换热管束等部件组成，其主要结构见图1。
甲醇合成塔的上下封头，采用半球封头。
上封
头合成气入口处设置气体分布器，在管板的上部装填一层200mm高的绝热层催化剂，绝热层催化剂上部填装耐火球φ8mm。
下管板下面装填耐火球φ25mm。
4.甲醇合成塔的设计
设计参数
材料的选择
材料的选择主要考虑甲醇合成塔工作过程中的介质特性和工艺条件，以及设备制造过程中材料的焊接性、工艺性和经济性。
筒体与管板的焊接结构的设计
先要将催化剂颗粒装填在每根换热管内，催化
剂需要定期更换，从操作工艺条件上讲，管箱
筒体与管板之间采用法兰连接比较合理，但是
由于其直径较大，如果采用法兰连接将存在以
下不利因素：1）大直径法兰的密封性较难保
证，若操作失误易造成严重泄漏，且大直径法
兰的成本造价高；2）大直径法兰的密封垫片
加工困难。
为了防止设备工作过程中的密封泄
漏，减少法兰力矩对管板的影响，降低制造成
本，采用不兼做法兰的管板结构最为合理。
在设计时将管箱封头处开设人孔并适当增大管
箱空间结构形式, 为了方便安装维修人员进入合成塔内进行催化剂的装填和对合成
塔的检查与维修，同时也节省了设备制造费用。
为使壳程进入时均匀且稳定地分布，脱盐水入口采用了环形管路和圆扁管入口设
计；同时，在反应管的指定位置上设置安装了防膜弹性挡圈以破坏沸腾液膜，提高
传热膜系数以利于传热。
反应管与管板的连接结构设计Array反应管与管板的焊接接头的强度和密封性
是设计的关键点之一。
对于复合管板的场合、
密封性能要求较高的场合、承受振动和疲劳载
荷的场合、有间隙腐蚀的场合，一般采用强度
焊加贴胀或者强度胀加密封焊。
由于本设备的
工作温度255℃，对于管板与换热管的拉脱强
度和密封性要求较高，因此反应管与管板采用
强度焊加贴胀的连接方式，既满足温度要求，
也满足强度及密封性要求，也避免设备在工作
中出现振动、间隙腐蚀等影响反应管与管板焊接接头强度及密封性的情况。
为了保证制造过程中的焊接和密封性能，从设计角度对反应管与管板的焊接和胀接过程提出以下控制要求：(1)反应管与管板的焊接选用氩弧焊。
先将反应管与管板点焊，然后分区焊接，管束在焊完第一道焊缝并经氨渗透试验合格后再焊接第二道焊缝，并要求第二道焊缝起弧点与第一道焊缝起弧点交错180°，且第二道焊缝要全部覆盖第一道焊缝。
(2)由于管板厚度较厚，有冷作硬化向，规定在胀管时采用液压胀管方式，以避免管子内壁产生冷作裂纹，且控制贴胀量小于6%。
为了确保贴胀的质量，对换热管与管板的贴胀要求做胀接工艺评定。
工艺评定时：（1）测定胀管输入压力（2）检查换热管贴胀部分：不允许有剥离、皱折、刮伤和过度硬化等现象发生。
壳体上的接管开孔均采用整体补强型式，为降低焊接接头处的应力集中，接管（补强管）插入筒体并与其内壁齐平，除图示外，焊接接头采用双面焊的全焊透形式，不允许有明显的凹坑存在；焊角接头应圆滑过渡，保证圆角R，接管（补强管）内壁根部应保证倒圆角R。
由于管程介质为易燃易爆的中度危害气体，且管程和壳程的操作压力均较高，为保证介质不泄漏，管程和壳程的管法兰均选用凹凸面长颈对焊法兰。
本设备壳程与汽包连通使用，汽包上已设置了安全泄放装置和压力表等安全附件；在管程进气口管路上已设置了安全泄放装置和压力表，所以，甲醇合成塔本身在设计中不再设置安全附件。
强度计算:
甲醇合成塔的公称直径为DN3400mm,超出现行国内外换热器标准规范，没有合适的标准规范遵循。
各国换热器标准规范规定的最大公称直径见表
4.10.1零部件的强度计算
管箱封头、筒节、壳程筒体以及开孔补强等强度计算依据GB150-1998进行，根据SW6-98《压力容器强度设计软件包》计算结果，确定各零部件的计算厚度和名义厚度。
4.10.2管板的强度计算
管板的计算首先根据同类型设备的使用经验，参照文献对管板进行初步设计：建立力学模型，认为换热管对管板是固定支承，管板是在换热管固定支承下的平板，换热管在操作中保持刚性；计算管板抗弯刚度并分别对换热管中心、布管区周边、管板边缘的径向应力，各种工况下的换热管轴向应力以及换热管与管板连接的拉脱力进行强度校核；再对管板进行有限元分析验证。
依据有限元分析结果对初步设计结果进行调整并再次进行有限元分析验证，从而获得满足工艺要求的计算结果。
设备制造检验的基本要求
注：1）焊接完成24小时后和水压试验后，对焊缝外表面进行100%MT,按JB/ I级合格。
2）堆焊表面及堆焊后表面分别进行100%PT,按JB/ I级合格。
为了进一步确认保证换热管与管板连接处密封的可靠稳定，在管程和壳程分别进行水压试验合格后，对壳程气密性试验特别提出采用灵敏度高地内部充氦法进行检漏，要求泄漏不大于s。
5.甲醇合成塔的优点和特色
1) 反应热利用合理，每吨甲醇可副产中压蒸汽1t,提高了能源再利用效率。
2) 全塔几乎处在等温反应条件下操作，其温度由汽包压力控制，操作方便，操作弹性大。
3)适用于低温活性较高的催化剂，催化剂使用寿命较长。
4)当入塔气中含有毒物时，中毒的是绝热层催化剂，因绝热层直径大，中毒区的床高不会很高。
6.结束语
甲醇合成塔自设备投产后，运行情况一直良好，说明其选材、设计强度和结构完全满足产品的工艺要求和生产能力，为同类产品设计提供了参考经验。
参考文献
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中华人民共和国劳动部
中国石油化工总公司
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国家石油和化学工业局7 JB/T4709-2000《钢制压力容器焊接规程》国家机械工业局 2000-08-15发布
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