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：

上述反应所释放的反应热5167773kJ/h。进入合成塔的热水温度215o C，出口225o C，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

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，△ t m = ((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× N3 = 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Q m = 68121.11 kg/h u =20 m/s d1 = 18.8× q v u = 1097 mm

2 甲醇出口管径q m = 68121.15 kg/h u =20 m/s d2 = 18.8× q v u = 1097 mm

3 循环冷却水进口管径q v = 3.579583 m3/h u =1.2 m/s d1 = 18.8× q v u = 32 mm

4 循环冷却水出口管径

q m = 2800 kg/h u =20m/s d1 = 18.8× q v 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，δt =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P c = 2.5Mpa

D i = 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，

δt =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δd=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