【正文】 熱平衡方程式為：∑Q1+∑Qr=∑Q2 +∑Q3+Q（1）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。∑Q1=∑（G1Cm1Tm1） （2）式中：G1——入塔氣各組分流量，m3/h；Cm1——入塔各組分的比熱容，kJ/（）；Tm1——入塔氣體溫度，k；∑Q2=∑（G2Cm2Tm2） （3）式中：G2——出塔氣各組分流量m3/h；Cm2——出塔各組分的熱容，kJ/（）；Tm2——出塔氣體溫度，k；∑Qr=Qr1+Qr2+Qr3+ Qr4+ Qr5 +Qr6+ Qr7 （4）式中：QrQrQrQrQrQr——分別為甲醇、二甲醚、異丁醇、甲烷、辛烷的生成熱，kJ/h； Qr7——二氧化碳逆變反應(yīng)的反應(yīng)熱，kJ/h Qr=Gr△H （5）式中：Gr——各組分生成量，kmol/h；△ H——生成反應(yīng)的熱量變化，kJ/mol入塔熱量計(jì)算 ，225℃時(shí)各入塔氣氣體的熱容，根據(jù)入塔氣各氣體組分量，算的甲醇合成塔入塔熱量如下表：表15 甲醇合成塔入塔熱量氣體 CH3OH H 2 CO CO2 N2 Ar CH4熱容kJ/（） 氣量kmol /h 入塔熱量kJ/（） （） 所以∑Q1==忽略甲醇合成塔反應(yīng)(2)生成的熱量，按反應(yīng)(1)(3)(4)(5)(6)(7)生成的熱量如下表:表16 甲醇合成塔內(nèi)反應(yīng)熱氣體 CH3OH ( CH3 )2O C4H9OH C8H18 CH4 CO 生成熱kJ/mol －生成量kmol /h 反應(yīng)熱kJ/h －反應(yīng)熱合計(jì)=表17 甲醇合成塔出塔氣體組分熱容和熱量氣體熱容氣量出塔熱量/kJ/（） H 2 CO CO2 N2 Ar CH3OH CH4 （CH3O）2 C4H9OH C18H18 H2O 合計(jì)出塔氣體溫度255℃ Q2==全塔熱量損失的確定全塔熱損失為4%,即Q3=(∑Q1+∑Qr)4%=(+)4%=沸騰水吸收熱量的確定由公式(1)可得Q=∑Q1+∑Qr－∑Q2 －∑Q3=（2）入塔氣換熱器的熱量計(jì)算入換熱器的被加熱氣體熱量的確定表18 入換熱器被加熱氣體各組分熱容和顯熱氣體 CH3OH H 2 CO CO2 N2 Ar CH4熱容kJ/（） 氣量kmol /h 熱量kJ/（） 合計(jì)：（），入口溫度為40℃，= kJ/h出換熱器的被加熱氣體熱量的確定 出換熱器的被加熱氣體顯熱=入合成塔氣體的顯熱，入換熱器的熱氣體熱量的確定 入換熱器的加熱氣體顯熱=出合成塔氣體的顯熱，出換熱器的熱氣體熱量的確定 被加熱氣體吸收的熱量=出換熱器的被加熱氣體顯熱－入換熱器的被加熱氣體熱=－=，所以出換熱器的加熱氣體顯熱量=入換熱器的加熱氣體顯熱－被加熱氣體吸收的熱量=－=出換熱器的加熱氣體的溫度的確定 假設(shè)出換熱器的加熱氣體各組分熱容與出塔時(shí)相同，℃（3） 水冷器熱量的計(jì)算水冷器熱平衡方程Q1+Q2=Q3+Q4+Q5式中：Q1——入換熱器氣體顯熱，KJ/h；Q2——?dú)怏w冷凝放熱，KJ/h；Q3——出水冷器氣體顯熱，KJ/h；Q4——粗甲醇液體顯熱，KJ/h；Q5——冷卻水吸熱，KJ/h。水冷器入口氣體顯熱的確定水冷器入口氣體的顯熱=入塔氣換熱器出口加熱氣體的顯熱， kJ/h水冷器出口氣體顯熱的確定表19 水冷器出口氣體各組分熱容和熱量氣體 CH3OH H 2 CO CO2 N2 Ar CH4熱容kJ/（） 氣量kmol /h 熱量kJ/（） 合計(jì)： kJ/（）；出口溫度40℃， 出口氣體顯熱== kJ/h出水冷器的粗甲醇液體熱量的確定表20 粗甲醇中液體組分氣化熱和液體熱容組分 （CH3O）2 C4H9OH C18H18 H2O CH3OH 氣化熱KJ/kg 液體比熱容KJ/(kg.℃) 表21 出塔氣在水冷器中冷凝放熱量組分 （CH3O）2 C4H9OH C18H18 H2O CH3OH 冷凝量kg /h 放熱量KJ/h 合計(jì)： KJ/h表22 粗甲醇中各組分液體顯熱組分 （CH3O）2 C4H9OH C18H18 H2O CH3OH 液體比熱容KJ/(kg.℃) 熱量KJ/（h .℃） 合計(jì)：粗甲醇中各組分液體顯熱= KJ/（h.℃），粗甲醇溫度40℃，Q3==水冷器冷卻水吸熱的確定由水冷器熱平衡方程可得 Q5 = Q1+Q2－Q3－Q4 即 Q5 =+－－=冷卻水用量的確定入口冷卻水溫度20℃，出口冷卻水溫度35℃， KJ/(kg.℃) /（（35－20））=。流程中并用了兩個(gè)相同的水冷器，，5 主要設(shè)備的計(jì)算和選型 甲醇合成塔的設(shè)計(jì)傳熱面積的確定傳熱溫差為10℃，（m2.℃）。由公式Q=kA△Tm 得A=Q/（K△Tm）=（10）=6362㎡催化劑用量的確定 入塔氣空速12000h1，所以。傳熱管數(shù)的確定 傳熱管選用Ф32 ，長(zhǎng)度9000mm的鋼管，材質(zhì)為00Cr18Ni5Mo3Si2鋼。由公式A=dLn得n=A/（dL）=6362/（9）=8338其中因要安排拉桿需要減少12根，實(shí)際管數(shù)為8326根。合成塔殼體直徑的確定合成塔內(nèi)管子分布采用正三角形排列，管間距a=40mm，殼體直徑：Di=a（b1）+2L式中：a=40 b== = L=125mm所以 Di=40（）+2125= 圓整后取為4300mm合成塔殼體厚度的確定 殼體材料選用13MNiMoNbR鋼，計(jì)算壁后的公式為：S=PcDi/（2[σ] tФPc）式中：Pc——； Di=4300mm；Ф= [σ]t=190Mpa（取殼體溫度為50℃）S=4300（2190）=取C2=1mm；C1=1mm，原整后取S=73mm合成塔封頭的確定 上下封頭均采用半球形封頭，材質(zhì)選用和筒體相同。封頭內(nèi)徑為4300+273=4446，原整后取4500由封頭厚度計(jì)算公式： S=PcDi/（2[σ] ）式中：Pc—— Di=4500mm Ф= [σ] t =190Mpa（取殼體溫度為50℃） S=4500（2190）=取C2=1mm ；C1=1mm，原整后取S=76mm，所以封頭為DN450076。管子拉脫力的計(jì)算 a、在操作壓力下，每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力qp=pf/（doL）式中：f=（）do2=402（）322= P=L=100mmδ表23項(xiàng)目管子殼體材質(zhì)ａ/（1/℃）E/MPa尺寸管子數(shù)管間距/mm管殼壁溫差/℃管子與管壁連接方式脹接長(zhǎng)度00Cr18Ni5Mo3Si2106106Ф32900083384010開槽脹接L=10013MNiMoNbR106106Ф25430073qp=（32100）=b、溫差應(yīng)力導(dǎo)致的每平方米脹接周邊上的拉脫力qtqt=σt（d02di2）/（4d0L）式中：σt=aE（ttts）/（1+At/As）At=（do2di2）n=（322272）8338=As=DSn=430073=σt=10610610/（1+）=qt=（322272）/（432100）=已知 Tt＞Ts，pt＞psTt、Ts分別為管壁溫度和殼壁溫度；；，所以可知qt與qp的作用力同向，則合拉力q=＜[q]，因此，拉脫力在許用范圍內(nèi)。折流板的確定折流板為弓形 h=3/4Di=3/44300=3225mm，折流板數(shù)量為5，間距取1500mm折流板最小厚度為22mm，材料為Q235A鋼。拉桿Ф12，共12根，材料Q235AF鋼；定距管Ф25。管板的確定管板直徑4300，厚度100mm，管板通過焊接在筒體和封頭之間。支座的確定支座采用裙座，裙座座體厚度為50mm，基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)徑4000mm，外徑4500mm，基地腳螺栓公稱直徑M30，數(shù)量為6個(gè)。 水冷器的工藝設(shè)計(jì)（1）傳熱面積的確定 兩股流體的進(jìn)出口溫度為：熱 →40℃ 冷 35 ← 20 ℃故傳熱推動(dòng)力：△Tm=（（－35）－（40－20））/㏑（（－35）/（40－20））=℃總傳熱系數(shù)為K=（m2.℃）由公式Q=AK△Tm可得A=Q/（K△Tm）=（）=260m2 （2）管子數(shù)n的確定 設(shè)計(jì)選用Ф25，材質(zhì)20號(hào)鋼，管長(zhǎng)6m，由公式A=n=A/（）=260/（6）=690根，其中安排拉桿需要減少4根，實(shí)際管數(shù)為686根。（3）管子的排列方式，管間距的確定 設(shè)計(jì)采用正三角形排列，取管間距為a=32mm 。（4） 殼體直徑的確定 殼體直徑；Di=a（b1）+2L式中：Di——換熱器內(nèi)徑，mm； b——正六角形對(duì)角線上的管子數(shù)查有關(guān)表取為29； L——最外層管子的中心到殼壁邊緣的距離，取L=2do所以，Di=32（291）+2225=996mm ，取Di=1000mm （5）殼體厚度的計(jì)算殼體材料選用20R鋼，計(jì)算壁后的公式為：S=PcDi/（2[σ] tФPc）式中：Pc——計(jì)算壓力，=；Di=1000mm；Ф=[σ]t=132Mpa（取殼體溫度為50℃）S=1000（2132）=取 C2=1mm；C1=1mm，原整后取S=28mm（6）換熱器封頭的確定上下封頭均采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，封頭為DN100028。材料選用20R鋼。（7）容器法蘭的選擇材料選用16MnR鋼，跟據(jù)JB47032000標(biāo)準(zhǔn)，DN1000mm的長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭。（8）管子拉脫力的計(jì)算a 在操作壓力下，每平方米脹接周邊所產(chǎn)生的力qp=pf/（doL）式中：f=（）d02=322（）252=396 P= L=50表24項(xiàng)目管子殼體材質(zhì)ａ/（1/℃）E/MPa尺寸管子數(shù)管間距/mm管殼壁溫差/℃管子與管壁連接方式脹接長(zhǎng)度20鋼106106Ф2560006903218開槽脹接L=5020R鋼106106Ф70020 qp=396/（2550）=b 溫差應(yīng)力導(dǎo)致的每平方米脹接周邊上的拉脫力qt qt=σt（do2di2）/（4doL ）式中：σt=aE（ttts）/（1+At/As）At=（do2di2）n=（252202）690=As=DSn=100020=62800 mm2σt=10610618/（1+）=qt=（252202）/（4