甲醇合成塔设计说明书

1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..................................................32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3页共9页第一章：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℃，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4页共9页第二章：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℃230250压力bar20.4519.95摩尔流量mol/h5449.7865264.868质量流量kg/h68121.1168121.16摩尔分数CO0.1060.094CO20.1120.115H20.620.605CH40.0970.101H2O0.0070.008N20.0460.048CH3OH0.0110.029上述反应所释放的反应热5167773kJ/h。进入合成塔的热水温度215oC，出口225oC，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第5页共9页取管长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=0.005266m3(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N1＝768（根）(3)传热计算校核①计算总传热系数Dm=36mmD内=34mmD外=38mmα内=3117kJ/(㎡·h·℃)α外=3561kJ/(㎡·h·℃)δ=3λ=64.85Rd=0.00012K=1/(Dm÷(α内×D内)+Dm÷(α外×D外)+δ÷λ+Rd)K=1333kg/（㎡·h·℃）②从流程模拟计算知道，Q=5167773kJ/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，△tm=(（t01-t11）+(t02-t12))/2=20℃换热面积F=Q÷(K×△tm)=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=1.5R=0.057m第6页共9页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=0.057m横过管束中心线的管数ne=1.1×3N=29D=0.057×(27-1)+2×0.057=1.71m二、主要接管尺寸计算1合成气进气口管径Qm=68121.11kg/hu=20m/sd1=18.8×uqv=1097mm2甲醇出口管径qm=68121.15kg/hu=20m/sd2=18.8×uqv=1097mm3循环冷却水进口管径qv=3.579583m3/hu=1.2m/sd1=18.8×uqv=32mm4循环冷却水出口管径第7页共9页qm=2800kg/hu=20m/sd1=18.8×uqv=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φ取1.0设计温度为250℃，在该温度下，根据JB/T4735-97标准，δt=90Mpa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=12mm2.合成塔圆筒壁厚的计算采用不锈钢0Cr19Ni9计算压力Pc=2.5MpaDi=1710mm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，δt=90Mpa由公式δt=Pc×Di/((2×δt×φ)-Pc)得，δt=2.5×1710/（2×90×1.0-2.5）=24.0mm第8页共9页查表得钢板负偏差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=24.0mm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δn表示，δn=25mm有效厚度δe=δn-C=24.2mm应力校核，δt’=Pc(Di+δe)/(2×δe)=89.6Mpa≤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=1710mm高度1800mm壁厚10mm4.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+354×2=6508mm两个半球形封头总高度（855+12）×2=1734mm全塔总高=100+1800+6508+1734=10142mm=10.142m第9页共9页第三章：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）171017101710高度（mm）58008671800壁厚（mm）251210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）1097109732222项目管程排气管全塔总高度高度（mm）10010142