甲醇合成塔设计说明书.docx
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甲醇合成塔设计说明书
寸录
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°C，25bar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AspenPlus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：
项目
反应物
生成物
温度。
C
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°C，出口225°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0C门9Ni9取管长1=5.8m,内径r=34mmM径R=
38mm,壁厚d=2mm每根反应管的外侧面积s=0.619522皿,容积Vi=0.005266m3
（2）选用催化剂为C306型，时空效率为1.2g/（ml.h）由流程模拟计算得甲醇的质量流量为
4852kg/h,所需要的催化剂体积为V2=4852000-1.2=4042972ml=4.04m3所需反应反应管数
量为Ni=768（根）
（3）传热计算校核
①计算总传热系数
Dm=36mmD内=34mmD外=38mm
a内=3117kJ/（m・h・°C）a外=3561kJ/（m-h.°C）6=3入=64.85Rd=0.00012
K=1/（Dmm（a内xD内）+Dm-?
（a外xD外）+§一九+Rd）
K=1333kg/（ni・h・"C）
②从流程模拟计算知道，
Q=5167773kJ/h
反应物进入塔内的温度为toi=230°C，生成物出塔的温度为to2=25O°C，循环冷却水进入塔的温度为tn=215°C，出塔温度为ti2=225°C所以，△tm=（（toi-tl1）+（to2-ti2））/2=20°C换热面积F=Q-j-（KxAtm）=193.8399in
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=1.5R=0.057m
3、塔径的计算：
由《流体力学与传热》中的公式，D=tx（ne-1）+2b'i+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=0.057m
横过管束中心线的管数ne=1.1xN3=29
D=0.057x（27-1）+2x0.057=1.71m
、主要接管尺寸计算
1合成气进气口管径Qm=68121.11kg/hu=20m/sdi=18.8xqvu=1097mm
2甲醇出口管径qm=68121.15kg/hu=20m/sd2=18.8xqvu=1097mm
3循环冷却水进口管径qv=3.579583m3/hu=1.2m/sdi=18.8xqvu=32mm
4循环冷却水出口管径
qm=2800kg/hu=20m/sd1=18.8xqvu=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1710mm・壁厚计算：
计算压力Pc=2.5MpaDi=1710mm焊接接头系数cp取1.0设计温度为250°C，在该温度下，根据JB/T4735-97标准，由公式6t=PcxDi-（（4x8tx（p）-Pc）得，6t=2.5x1710三（4x90x1.0-
2.5）=11.9mm圆整后‘取封头的壁厚Sn=12mm
2.合成塔圆筒壁厚的计算
采用不锈钢0C门9Ni9计算压力Pc=2.5Mpa
Di=1710mm
焊接接头系数（P取1・0
设计温度为250匕，在该温度下，根据JB/T4735-97标准，由公式8t=PcxDi/（（2x8tx（p）-Pc）
得'5t=90Mpa
8t=2.5x1710/（2x90x1.0-2.5）=24.0mm
查表得钢板负偏差Ci=0.8，腐蚀裕量C2=0,故壁厚附加量
C=Ci+C2=0.8所以，设计厚度5d=8+C2=24.0mm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5n表示，5n=25mm
有效厚度6e=8n-C=24.2mm
应力校核'5t'=Pc（Di+6e）/（2x§e）=89.6Mpa<8t,符合要
求。
因此5圆筒壁厚取25mm.
5t=90Mpa
3.合成塔的支座的设计
采用不锈钢0C门9Ni9
选用群是圆筒支座，内径R1=1710mm
高度1800mm
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+354x2=
6508mm两个半球形封头总高度（855+12）x2=1734mm全塔总高=100+1800+6508+1734
=10142mm=10.142m
第三章：
设计计算结果
项目
合成塔圆筒
合成塔封头
裙式支座
内径（mm）
1710
1710
1710
高度（mm）
5800
867
1800
壁厚（mm）
25
12
10
项目
反应管
内径（mm）
34
外径（mm）
38
长度（mm）
5800
项目
反应物进料
管
生成物出口
管
循环冷却水进
口管
循环冷却水出
口管
内径（mm）
1097
1097
32
222
项目
管程排气管
全塔总高度
高度（mm）
100
10142
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