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甲醇合成设备解析
第八章甲醇合成反应器工艺结构
8.1 甲醇合成反应器工艺结构
（需进行机械强度计算、排管及机械设计）
甲醇合成反应器的外壳，直筒部分高约8900mm，上、下封头高约1900mm，筒体内径Φ3800mm。
在水入口与蒸汽出口处，壳体上、下设加强板。
进水口6只，60o均布，接近下管板，进水管深入筒体内约950mm，公称直径DN150，每只进水管向下开孔14只。
蒸汽出口6只，60o均布，接近上管板，蒸汽出口管公称直径DN250。
上封头有进气管，在中心处，公称直径DN600。
有人孔，倾斜45o处，公称直径DN500。
下封头有出气管，在底部中心处，公称直径DN600。
另有向下的卸触媒口3只，公称直径DN250。
上封头有两组热电偶插入口，公称直径DN40，每组热电偶测量3点温度，1点在绝热层，2点在管壳层。
热电偶插入口位置在Φ1900mm处。
热电偶测量点：
绝热层1点，（以上管板上平面向上计）50mm；管壳层2点，（以上管板向下计）2500mm、5000mm。
汽包顶在反应器上封头上，汽包底部与合成塔上升管出汽口距离为5m。
（2）管板与列管
列管焊接在管板上，管板焊接在筒体上，管板与筒体是同一类型材料。
列管为Φ44×2mm，长7500mm。
关于管子的用材，基于以下考虑，在催化剂存在下，CO会和Fe生成羰基铁，所以管子不能用碳钢，否则会产生羰基铁和石蜡，也不能用不锈钢，这样与外壳膨胀系数不同。
建议用特殊双相合金钢，如S31803，与外壳膨胀系数相同，管子焊接在管板上，用双相钢堆焊，焊接覆盖层厚度为7mm，管箱直筒段堆焊6mm304L。
上管板处（向上计）直筒段高650mm的筒体内侧以及下管板的管程侧用Inconiel625堆焊，厚6mm。
（3）进气分布器
进气分布器上开设条形进气孔。
（4）结构参数（mm）：
总高：
～14200
筒体高：
～8900
上、下封头高：
1900
筒体内径：
Φ3800
绝热层高度：
480
列管管长：
7500
列管管径：
Φ44×2
管心距：
51
管数：
4309根
换热面积（以外径计算）：
4348m2
（5）催化剂装填
上管板上部绝热层：
0.7854×3.82×0.48＝5.44m3
列管内冷却层：
0.7854×0.042×7.5×4309＝40.61m3
总计 46.06m3
催化剂型号：
国产C307或XNC98铜基催化剂，粒度Φ5×5mm。
（因还原后，催化剂体积收缩，催化剂的收缩全部在绝热层，上管板上方催化剂落入列管中。
还原后体积约42.88m3。
绝热层催化剂装填高度视催化剂收缩率而定。
）
（6）开工喷射器
合成塔催化剂还原升温时，靠开工喷射器加入中压蒸汽进行，中压蒸汽经开工喷射器后，带动锅炉水循环，使催化剂温度逐渐上升，其规格为Φ273mm/Φ108mm/Φ168mm，L=2624mm，材质为Q345R。
8.2 结构描述
甲醇合成反应器类似于一个立式副产蒸汽的管壳式固定管板换热器，管板与壳体之间直接焊接，无法兰连接。
反应器结构简图见附图。
反应器的上下封头，采用半球封头。
上封头合成气入口处设置气体分布器。
绝热层催化剂上部填装Φ10mm耐火球，装填高度为200mm。
下管板下面（以下管板下面往下计）装填Φ10mm耐火球300mm，再往下装填Φ25mm耐火球。
列管内装填催化剂，列管与管板的连接为贴胀加强度焊。
反应器的壳层筒体上端设有6根蒸汽出口管，下端有6根水进口管，为防止汽阻及加强换热管的固定，反应器的壳层设有支承挡圈。
催化剂的装卸口分别设置在反应器的侧封头上。
基础设计数据、接管管表、设计要求、件号对照表见下列各表。
基础设计数据
壳程
管程
设计压力，MPa（g）
4.5
6.5
工作压力，MPa（g）
3.8
5.65
液压试验压力，MPa（g）
设计温度，℃
275
280
换热管平均壁温，℃
249
259
工作温度，℃
249
210/260，最高265
物料名称
水/水蒸汽
反应气
程数
1
1
腐蚀裕度，mm
3.0
3.0
焊接接头系数（焊缝系数）
1.0
1.0
保温层
要求保温
基础设计图纸 接管口表
符号
公称直径DN
公称压力PN
密封面
用途
N1
600
－
焊
反应气进口
N2
600
－
RTJ
反应气出口
N3（6只）
150
－
焊
沸水进口
N4（6只）
250
－
焊
蒸汽出口
N5（3只）
250
11.0
RTJ
催化剂卸出口
N6
50
11.0
RTJ
管程排气口
N7（4只）
25
11.0
RTJ
壳程排气口
N8（2只）
25
11.0
RTJ
壳程排污口
N9（2只）
450
－
焊
检查口
N10（2只）
200
11.0
RTJ
热水进口
N11
100
11.0
RTJ
蒸汽进口
N12
150
11.0
焊接
热水出口
N13（2只）
25
11.0
RTJ
排污口
T（2只）
40
－
－
热电偶插入口
M（1只）
500
11.0
RTJ
人孔
基础设计技术要求
容器类别
三类
反应器级别
1级
设计、制造
GB150.1~150.4-2011《压力容器》
检验、验收规范
HG/T20583-2011《钢制化工容器制造技术要求》
GB151-1999《管壳式换热器》
安全技术监督规范
TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》
反应管与管板连接方式
强度焊加贴胀
焊接规程
NB/T47014-2011《压力容器焊接规程》
焊条型号
15CrMoR间：
R307
Q345R：
J507
焊缝系数
1.0
焊缝检查标准
JB/T4730-2005《压力容器无损检测》，射线，合格Ⅱ级
焊缝复查标准
JB/T4730-2005《压力容器无损检测》，超探，合格Ⅰ级
腐蚀裕度
3.0mm
保温层
要求保温
基础设计 件号对照表
件号
名称
数量
材料
1
反应器出口管
1
15CrMo
2
催化剂卸出口
3
15CrMo
3
底部裙座
1
组合件
4
球形封头
2
15CrMoR
5
催化剂支承
1
不锈钢
6
筒节A2
1
15CrMo
7
下管板
1
20MnMo+S30403
8
壳程排污口
2
20MnMoⅢ
9
筒节A1
1
16Mn
10
反应管（Φ44×2，H7500）
3052
S31803
11
拉杆（Φ16）
24
16Mn
12
螺母（M16）
48
13
定距管（Φ24×4）
72
14
保温圈
3
Q235-A
15
折流板
3
Q345R或Q235-A
16
筒体（Φ3800，H约6000）
1
Q345R
17
筒节B1
1
16Mn
18
蒸汽出口管
6
16Mn
19
壳程排气口
4
20MnMoⅢ
20
上管板
1
20MnMo+S30403
21
筒节B2
1
15CrMo
22
气体分布器
1
304不锈钢
23
管程排气口
1
15CrMo
24
反应气进口
1
15CrMo
25
催化剂（46.06m3）
铜基催化剂
26
壳程检查口
2
20MnMoⅢ
27
壳程检查口封头
2
Q345R
28
壳程水进口
6
20MnMoⅢ
29
耐火球Φ10
Al2O3
30
耐火球Φ25
Al2O3
第九章甲醇合成反应器设备建议
9.1 对设计标准的建议
甲醇合成反应器的设备设计、制造、检验，建议参考下列有关标准：
TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》
GB150.1~150.4－2011《压力容器》标准
GB151－1999《管壳式换热器》标准
NB/T47015－2011《压力容器焊接规程》
NB/T47014－2011《承压设备焊接工艺评定》
GB713－2009《锅炉和压力容器用钢板》标准
GB13296－2007《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》标准
GB-T1220－2007《不锈钢棒》标准
GB24511－2009《承压设备用不锈钢钢板及钢带》标准
JB/T4730－2005《压力容器无损检测》规程
NB/T47008－2010《承压设备用碳素钢和低合金钢锻件》规程
HG/T20615-2009《钢制管法兰》
9.2 对材质选择的建议
甲醇合成反应器的材质根据介质特性及操作温度、压力等选择，其基本选择原则为：
（1）合成气中有H2，根据H2的操作压力与温度，应考虑氢腐蚀影响。
（2）合成气中有CO、CO2和H2O，其中CO还可能与Fe、Ni等生成羰基铁、羰基镍，所以在选材时，要考虑避免生成羰基化物。
管程操作介质为合成气，壳程操作介质为水蒸汽。
对合成反应器的材质作如下建议：
（1）上下封头15CrMoR
（2）管板：
20MnMo+S30403
（3）换热管：
S31803
（4）筒体：
Q345R
（5）合成气进口分布器：
304不锈钢
合成气出口管：
15CrMo
装、卸触媒孔：
15CrMo
筒体加强管：
15CrMo
（6）堆焊焊条牌号及堆焊厚度：
在上管板与上封头内侧用Inconel625堆焊，厚6mm。
9.3 对焊接方式的建议
（1）封头与筒体之间的焊接
建议采用氩弧焊打底的全熔透焊接方式。
15CrMoR之间、15CrMoR与CrMo之间、15CrMoR与Q345R之间的焊接均应在另一侧做清根处理，并经磁粉检测合格后方可焊接。
（2）换热管与管板的焊接
采用贴胀加强焊连接，并采用先胀后焊的方法。
（3）管板表面及上封头内侧下部堆焊双相不锈钢
先将待堆焊表面进行机加工，经超声波检测合格后，先堆焊过渡层，然后中间清除应力热处理，清洗表面后，再堆焊盖面层，然后进行机加工，表面液体渗透检测，超声波检测堆焊层熔合质量，最后再以超声波测厚仪对堆焊层的厚度进行测量。
9.4 对制造、检验要求的建议
甲醇合成反应器的制造、检验及试验规范按GB150.1~150.4－2011、HG/T20583－2011及“甲醇合成反应器技术条件”的要求进行。
第十章合成工序其它设备
10.1 合成工序其它设备
合成工艺其它设备见下表。
位号
名称
数量
材质
规格
介质
操作温度
℃
操作压力
MPa（G）
V6103
汽包
1
Q345R
DN2200×4200
水、蒸汽
250.2
3.90
E6101
气－气换热器
1
15CrMoR
+304L
DN2400×10000
壳：
合成气
管：
反应气
壳：
50.0～221.3
管：
256.9～92.0
壳：
5.65
管：
5.35
E6102A/B
水冷器
1
C.S+304L
DN1700×7500
壳：
冷却水
管：
反应气
壳：
32.0～42.0
管：
92.0～40.0
壳：
0.40
管：
5.25
V6101
甲醇分离器
1
C.S+304L
DN2200×6600
合成气、粗甲醇
40.0
5.15
V6102
闪蒸槽
1
304
DN1800×3300
粗甲醇
40.0
0.40
M6101
循环压缩机
1
合成气
40.0
5.05～5.65
10.2 工艺设备数据表
序号
设备位号
设备名称及规格
数量
单位
材料
净重（kg）
单重
总重
1
E6101
入塔气换热器
1
台
15CrMoR
列管式、立式
规格：
DN2400
列管：
Φ25×2，L=10000mm
n=4427根
F=3477m2
操作温度：
（℃）
壳程：
50.0/221.3
管程：
256.9/92.0
操作压力（MPaG）
壳程：
5.65
管程：
5.35
设计温度：
（℃）
壳程：
250.0
管程：
280.0
设计压力（MPaG）
壳程：
6.3
管程：
6.0
物料名称：
壳程：
入塔合成气
管程：
出塔反应气/液
+304L
序号
设备位号
设备名称及规格
数量
单位
材料
净重（kg）
单重
总重
2
E6102A/B
甲醇水冷器
1
台
C.S+304L
列管式、卧式
规格：
DN1700
列管：
Φ19×2，L=7500mm
n=3590根
F=1607m2
操作温度：
（℃）
壳程：
32.0/42.0
管程：
92.0/40.0
操作压力（MPaG）
壳程：
0.4
管程：
5.25
设计温度：
（℃）
壳程：
70.0
管程：
140.0
设计压力（MPaG）
壳程：
0.6
管程：
5.9
物料名称：
壳程：
冷却水
管程：
甲醇合成反应气/液
序号
设备位号
设备名称及规格
数量
单位
材料
净重（kg）
单重
总重
3
R6101
甲醇合成塔
1
台
Q345R
管式反应器
规格：
DN3800
列管：
Φ44×2，L=7500mm
n=4309根
操作温度：
（℃）
壳程：
250.2
管程：
210/260，最高265
操作压力（MPaG）
壳程：
3.90
管程：
5.55
设计温度：
（℃）
壳程：
275.0
管程：
280.0
设计压力（MPaG）
壳程：
4.5
管程：
6.5
物料名称：
壳程：
沸腾锅炉水
管程：
甲醇合成气
合成塔装催化剂触媒
惰性氧化铝球:
Ф25Ф10
S31803
序号
设备位号
设备名称及规格
数量
单位
材料
净重（kg）
单重
总重
4
V6101
甲醇分离器
1
台
C.S+304L
规格：
DN2200×6600
操作温度：
40.0℃
操作压力：
5.15MPaG
设计温度：
70℃
设计压力：
5.8MPaG
物料名称：
粗甲醇、合成气
序号
设备位号
设备名称及规格
数量
单位
材料
净重（kg）
5
V6102
甲醇闪蒸槽
1
台
304
规格：
DN1800×3300
操作温度：
40.0℃
操作压力：
0.40MPaG
设计温度：
90℃
设计压力：
0.8MPaG
物料名称：
粗甲醇、闪蒸气
序号
设备位号
设备名称及规格
数量
单位
材料
净重（kg）
6
V6103
汽包
1
台
Q345R
规格：
DN2200×4200
操作温度：
250.2℃
操作压力：
3.90MPaG
设计温度：
275℃
设计压力：
4.5MPaG
物料名称：
水、水蒸汽
序号
设备位号
设备名称及规格
数量
单位
材料
净重（kg）
单重
总重
7
J6101
蒸汽喷射器
1
台
C.S
操作压力：
3.8MPa
操作温度：
420℃
设计压力：
设计温度：
物料名称：
过热蒸汽
10.3 合成工序其它设备结构简图
10.3.1 汽包
汽包简图
汽包基础设计数据
设计温度，℃
275
操作温度，℃
226~250
设计压力，MPa（g）
4.5
操作压力，MPa（g）
2.5~3.9
试验压力，MPa（g）
腐蚀裕度，mm
3
物料介质
水、蒸汽
容积
汽包管口表
符号
数量
公称直径DN
密封面
用途
N1
1
150
焊接
锅炉给水进口
N2
1
250
焊接
中压蒸汽出口
N3
2
250
焊接
沸水出口
N4
6
250
焊接
蒸汽进口
N5
50
HG/T20615-2009,WN-RJ
连续排污接口
N6
50
HG/T20615-2009,WN-RJ
间接排污接口
N7,N8
HG/T20615-2009,WN-RJ
安全阀接口
N9
50
HG/T20615-2009,WN-RJ
放空接口
N10
25
HG/T20615-2009,WN-RJ
加药接口
N11,N12
2
由仪表专业定
仪表液位计接口
N13,N14
2
由仪表专业定
液位计接口
N15,N16
2
由仪表专业定
压力表接口
M
1
500
人孔
汽包件号对照表
件号
名称
数量
材料
1
封头
2
Q345R
2
筒体
1
Q345R
3
支座
2
Q345R
10.3.2 入塔气换热器
水冷器简图见附图6。
气－气换热器热负荷
热气体
T5=256.9℃
T6=92.0℃
CP=31.7881kJ/（kmol.K）
冷气体
T3=50.0℃
T4=221.3℃
CP=29.8858kJ/（kmol.K）
液态甲醇
T6=92.0℃
Hr=1041.18kJ/kg
液态水
T6=92.0℃
Hr=2276.50kJ/kg
热量
1.0579E+08kJ/h
换热器冷热流体状态
No
壳程气体进口
壳程气体出口
Nm3/h
mol%
Nm3/h
mol%
H2
401411.50
86.75
401411.50
86.75
CO
43393.23
9.38
43393.23
9.38
CO2
6840.70
1.48
6840.70
1.48
CH4
4138.07
0.89
4138.07
0.89
N2
3452.45
0.75
3452.45
0.75
Ar
1542.25
0.33
1542.25
0.33
CH3OH
1845.20
0.40
1845.20
0.40
H2O
95.82
0.02
95.82
0.02
Total
462707.00
100.00
462707.00
100.00
t,℃
50.0
221.3
P,MPa（g）
5.65
5.55
平均分子量,kg/kmol
5.644
5.644
密度,kg/m3
12.245/
7.864
粘度,kg/（m.h）
0.0381
0.0487
导热系数,kW/（m.K）
0.12581
0.16449
定压热容,kJ/kg.K
5.25
5.34
质量流量,kg/kmol
116576.5
116576.5
No
管程气体进口
管程气/液体出口
Nm3/h
mol%
Nm3/h
mol%
kg/h
W%
H2
354695.30
84.88
354636.80
85.97
5.26
0.07
CO
22862.29
5.47
22827.94
5.53
42.95
0.59
CO2
4955.91
1.19
4953.34
1.20
5.06
0.07
CH4
4138.07
0.99
4136.20
1.00
1.33
0.02
N2
3452.45
0.83
3451.83
0.84
0.78
0.01
Ar
1542.25
0.37
1541.95
0.37
0.53
0.01
CH3OH
24260.92
5.81
19430.86
4.71
6908.72
94.49
H2O
1980.61
0.47
1549.28
0.38
346.99
4.75
Total
417875.50
100.00
412528.20
100.00
7311.63
100.00
t,℃
256.9
92.0
92.0
P,MPa（g）
5.35
5.25
5.25
平均分子量kg/kmol
6.249
5.933
31.335
密度kg/m3
7.835
10.600
799.957
粘度kg/（m.h）
0.0512
0.0407
0.1460
导热系数kW/（m.K）
0.14676
0.12031
0.19335
定压热容kJ/kg.K
5.18
5.21
2.25
质量流量kg/h
116574.8
109263.1
7311.6
换热器
基础设计数据
壳程
管程
工作压力，MPa（g）
5.65
5.35
金属平均壁温，℃
136
174
工作温度，℃
50~221.3
92~256.9
物料名称
合成气
反应气
程数
1
1
腐蚀裕度，mm
3.0
0
保温厚度，mm
80
换热面积，m2
3477（外径计）
换热器
基础设计图纸 接管口表
符号
公称直径DN
密封面
用途
T1
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