【正文】 提高轉(zhuǎn)化率 ， 降低循環(huán)量和能耗 ， 然而使合成塔的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。隨著合成壓力增高 ， 塔徑加大 ， 管板的厚度也增加。 （ 5）多床內(nèi)換熱式合成塔 這種合成塔由大型氨合成塔發(fā)展而來(lái)。這種塔型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 造價(jià)低 ， 不需特種合金鋼 ， 轉(zhuǎn)化率高 ，適合于大型或超大型裝置 ， 但反應(yīng)熱不能全部直接副產(chǎn)中壓蒸汽。 根據(jù)以上甲醇合成塔的選擇和工藝流 程的確定，以下通過(guò)物料衡算，熱量衡算來(lái)驗(yàn)證一下選擇的合理性。 （ 5） 由《化工設(shè)計(jì)習(xí)題集》附錄查表 ]22[ ， 壓力為 ， 溫度為 40℃ 時(shí) ， 各組分在甲醇中的溶解度如表 所示 表 氣 體在甲醇中的溶解量 組分 H2 CO CO2 N2 Ar CH4 溶解量 Nm3/t 甲醇 Nm3/h 0 0 （ 6）據(jù)測(cè)定： 40℃ 時(shí)液態(tài)甲醇中釋放的 CO、 CO H2 等混合氣中每 m3 含 g 甲醇 ，假定溶解氣全部釋放 ， 則甲醇擴(kuò)散損失為： (++++)? =即 ， 。見(jiàn)表 。 所以有：出塔G G 醇后% 1 3 7 8 ? =% G 醇后 = G 出塔 (G 醇 ＋ G 副 ＋ G 擴(kuò) )+GCH4 = G 出塔 （ ++） + = G 出塔 Nm3/h 所以： G 出塔 ＝ G 循環(huán)氣 = G 出塔 (G 醇 ＋ G 副 ＋ G 擴(kuò) )+GCH4G 馳放氣 =（ ++） + =表 甲醇生產(chǎn)循環(huán)氣量及組成 組分 CO CO2 H2 N2 CH4 Ar CH3OH H2O 合計(jì) 流量 Nm3/h 組成 %(V) 100 (9)甲醇合成塔入塔氣量的計(jì)算 根據(jù) G 入塔 = G 循環(huán)氣 +G 新鮮氣 所以 G 入塔 =+ = Nm3/h 18 由表 及表 得到表 。 （ 2）冷卻上水溫度為 20℃ ， 冷卻回水溫度為 35℃ 。 查 資料 得 ]25[ ， 粗甲醇中的物理常數(shù)如下表所示： 表 粗甲醇中液體組分氣化熱和液體熱容 組 分 ( CH3 )2O C4H9OH H2O CH3OH 氣化熱 KJ/kg 液體比熱容 KJ/(kg.℃ ) (1）氣體冷凝放熱 Q2= GHr （ 312） 式中： G——冷凝液體流量 ， kg /h Hr——組分的汽化熱 ， KJ/kg 表 出塔氣在水冷器中冷凝放熱量 組分 ( CH3 )2O C4H9OH H2O CH3OH 合計(jì) 冷凝量 kg /h 汽化熱 KJ/kg 放熱量 KJ/h （ 2）水冷器入口氣體顯熱的確定 水冷器入口氣體的顯熱 Q1=合成塔出口氣體的顯熱 ， 即 （ 3）水冷器出口氣體顯熱的確定 24 Q3=∑（ GCm） T （ 313） 式中： G——水冷器出口各氣體組分摩爾流量 ， kmol /h Cm——出口氣體各組分熱容 ， kJ/（ ） T ——出口氣體溫度 ， ℃ 根據(jù)表 中 各組分的流量及熱容 ， 計(jì)算出口顯熱 并列于下表 表 水冷器出口各組分氣體顯熱 氣體 CH3OH H 2 CO CO2 N2 Ar CH4 合計(jì) 熱容 kJ/（ ） 氣量 kmol /h 熱量 kJ/（ ） 水冷器出口氣體 溫度為 40℃ ， 所以 出口氣體顯熱 Q3==（ 4）出水冷器的粗甲醇液體熱量的確定 Q4=∑（ GCm） T （ 314） 式中： G——水冷器出口各液體組分流量 ， kg /h Cm ——液體各組分熱容 ， kJ/(kg.℃ ) T ——出口液體溫度 ， ℃ 表 水冷器出口液體熱量 組分 ( CH3 )2O C4H9OH H2O CH3OH 合計(jì) 液體比熱容 KJ/(kg.℃ ) 流量 kg /h 熱量 KJ/(h.℃ ) 因水冷器出口液體 溫度為 40℃ ， 所以 出口液體帶走熱量為 Q4=40=于是 ， 水冷器冷卻水帶走熱量 : 由水冷器熱平衡方程可得 Q5 = Q1+Q2－ Q3－ Q4 即 Q5 =+－ － =綜上， 則水冷器熱平衡如下表所示 25 表 水冷器熱平衡表 帶入熱量 KJ/h 帶出熱量 KJ/h 氣體顯熱 水冷器放熱 合計(jì) 氣體顯熱 液體帶熱 冷卻水帶熱 合計(jì) （ 5）冷卻水用量的確定 入口冷卻水溫度 20℃ ， 出口冷卻水溫度 35℃ ， 平均比熱容 為 (kg.℃ )， 則用量 q= /（（ 35－ 20） ） =。 傳熱面積的確定 由上述熱量衡算已知條件知傳熱溫差為 30℃ ， 傳熱量為 ， 由手冊(cè) ]26[ ，取 合成塔內(nèi)的總傳熱系數(shù)為 （ m2.℃ ）。由公式 nLdA ???? （ 42） 得 )( LdAn ??? =（ 9） =2809（根） 其中因要安排拉桿需要減少 12 根 ， 所以實(shí)際管數(shù)為 2797 根。 殼體直徑的確定 LbaDi 2)1( ??? （ 43） 式中： a = 40mm b = = =， b 表示最外層六邊形對(duì)角 線(xiàn)上的管子數(shù) L = 125mm， L 表示最外層管子的中心到殼體內(nèi)壁的距離 所以 Di=40（ ） +2125=2542 mm 取 C1 =(根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB 423892）， C2 =， 圓整后取 Di=2600 mm 合成塔殼體厚度的確定 殼體材料選用 13MnNiMoNbR 鋼 ， 計(jì)算壁 厚 的公式為： CtiC PDP ?? ??? ][2/( ) （ 44） 式中： Pc= ； Di=2600mm； Ф=（雙面焊 ， 100%無(wú)損檢測(cè)） [σ]t =190Mpa（取殼體溫度為 250℃ ） ? =2600（ 2190） = 取 C2= ， C1=， 原整后取 ? =46mm 合成塔封頭的確定 上下封頭均采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭 ， 材質(zhì)選用和筒體相同 ， 封頭內(nèi)徑為 2600mm。 反應(yīng)管與管板的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 反應(yīng)管與管板的焊接接頭的強(qiáng)度和密封性是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。 管子拉脫力的計(jì)算 計(jì)算數(shù)據(jù)按下表選取 表 操作參數(shù) 項(xiàng)目 管子 殼體 操作壓力 /MPa 材質(zhì) ａ /（ 1/℃ ） 彈性模量 E/MPa 尺寸 管子數(shù) 00Cr18Ni5Mo3Si2 106 106 Ф329000 2797 13MnNiMoNbR 106 106 Ф260046 29 管間距 /mm 管殼壁溫差 /℃ 管子與管板的連接方式 脹接長(zhǎng)度 40 30 開(kāi)槽脹接 L=100 a、 在操作壓力下 ， 每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力 )( Ldpfq Op ??? （ 46） 式中： f—同一內(nèi)徑兩端管子中心距； mm f =（ ） do2=402（ ） 322= P= L=100mm qp=5. 65（ 32100） = b、溫差應(yīng)力導(dǎo)致的每平方米脹接周邊上 的拉脫力 qt )4/()( 22 Ldddq oiOtt ???? ? （ 47） 式中： σ。由于本設(shè)備的工作溫度為 255℃，對(duì)于管板與換熱管的拉脫強(qiáng)度和密封性要求較高， 因此反應(yīng)管與管板采用強(qiáng)度焊加貼脹的連接方式，既滿(mǎn)足溫度要求，也滿(mǎn)足強(qiáng)度及密封性要求，也避免設(shè)備在工作中出現(xiàn)振動(dòng)、間隙腐蝕等影響反應(yīng)管與管板焊接接頭強(qiáng)度及密封性的情況。 封頭與殼體的連接形式 連接方式 選用長(zhǎng)頸對(duì)焊 法蘭連接 ，對(duì)焊法蘭適 用于壓力、溫度較高和設(shè)備直徑較大的場(chǎng)合。 管間距的確定，要考慮管板強(qiáng)度和管子與管板的固定方式 。 傳熱管數(shù)的確定 管子構(gòu)成了設(shè)備的傳熱面，管子的尺寸和形狀對(duì)傳熱和反應(yīng)有很大的影響。 26 第 4章 甲醇合成塔的設(shè)計(jì)計(jì) 算 已知條件 （ 1）氣體工作壓力 管程：合成氣及合成觸媒 殼程：鍋爐給水及蒸汽 （ 2） 工作溫度 殼程介質(zhì)溫度為 250℃ 左右 ， 管程介質(zhì)溫度為 220℃ 左右。 全塔熱平衡方程式為： ∑Q1 + ∑Qr = ∑Q2 + ∑Q3+ Q （ 36） 式中： ∑Q1——入塔氣各氣體組分焓 ， kJ/h； ∑Qr ——合成反應(yīng)和副反應(yīng)的反應(yīng)熱 ， kJ/h； ∑Q2 —— 出塔氣各氣體組分焓 ， kJ/h； ∑Q3 ——合成塔熱損失 ， kJ/h； Q——沸騰水吸收熱量 ， kJ/h。 表 甲醇合成塔出塔氣流量及組成 （單位： Nm3/h ） 組分 CO CO2 H2 N2 CH4 Ar CH3OH H2O C4H9OH (CH3)2O 合計(jì) 入塔 消耗 生成 出塔 組成(V)% 100 (11)根據(jù)上述結(jié)果，可得甲醇合成塔物料平衡數(shù)據(jù)如下表 表 甲醇合成塔物料平衡數(shù)據(jù)表 組成 進(jìn)料 出料 Kg/h % Kmol/h % Kg/h % Kmol/h % CO CO2 H2 N2 19 CH4 Ar CH3OH C4H9OH (CH3)2O H2O 合計(jì) 100 100 100 100 (12)粗甲醇在中間儲(chǔ)槽減壓放出的馳放氣量與組成如下表 表 甲醇儲(chǔ)罐氣流量及組成 組成 CO CO2 H2 CH4 Ar CH3OH N2 合計(jì)