合成甲醇的設(shè)備設(shè)計(jì)與選型分析案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u7205合成甲醇的設(shè)備設(shè)計(jì)與選型分析案例概述 1122791設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 1232771.1概述 1115141.2反應(yīng)器設(shè)計(jì) 1275171.2.3甲醇合成塔的設(shè)計(jì)選型 1188521.3換熱器設(shè)計(jì) 6314981.3.3換熱器類型選擇 6308381.3.4換熱器參數(shù)計(jì)算 7112091.4設(shè)備一覽表 1311704附錄1物料衡算表 1414370附錄2能量衡算表 1531855附錄3設(shè)備一覽表 161設(shè)備設(shè)計(jì)與選型1.1概述標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備：泵、換熱器、較大的儲(chǔ)罐；非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備：較小的儲(chǔ)罐、塔、反應(yīng)器等。1.2反應(yīng)器設(shè)計(jì)1.2.3甲醇合成塔的設(shè)計(jì)選型1.2.3.1反應(yīng)動(dòng)力學(xué)歸納反應(yīng)類型采用LHHW（Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson），其動(dòng)力學(xué)依據(jù)水轉(zhuǎn)化反應(yīng)式各反應(yīng)的LHHW動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)式為1.2.3.2原料組成表4-1原料組成N2H2COCO2CH4H2OCH3OH組成/vol%0.5568.3128.512.50.13001.2.3.3催化劑參數(shù)表4-2催化劑參數(shù)催化劑型號(hào)外形尺寸堆密度GHSV活性壽命C307型5*（4~5）mm1.4～1.6kg/L4000～20000h-1≥1.3g/（ml·h）2年1.2.3.4相關(guān)參數(shù)的確定表4-3235℃，5.05Mpa下反應(yīng)混合物有關(guān)物性數(shù)據(jù)床層空隙率進(jìn)口流量熱導(dǎo)率λ粘度μ密度ρ比熱容Cp0.50185420kg/h0.183J/m*s*KQUOTE2.66572×10-52.11×10-5Pa*s10.8505kg/m330513.5J/kmol*K1.2.3.5反應(yīng)器設(shè)計(jì)反應(yīng)器為絕熱-管殼外冷復(fù)合式甲醇合成反應(yīng)器。該反應(yīng)器的原理與普通列管式反應(yīng)器相近：管程裝填催化劑，殼程采用沸騰水冷卻:反應(yīng)放出的熱量，傳給沸騰水，部分汽化，在汽包中氣液分離。冷卻水進(jìn)口溫度250℃，飽和低壓水對(duì)管壁傳熱系數(shù)α2，根據(jù)本工藝實(shí)際換熱介質(zhì)，取300kcal/h*㎡*K。30萬(wàn)噸/年絕熱-管殼外冷復(fù)合式甲醇合成反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)：反應(yīng)器筒體內(nèi)徑3.6m，反應(yīng)器反應(yīng)管Φ44×2mm，管長(zhǎng)7.5m，絕熱段高度0.75m。工藝操作參數(shù)：操作壓力5.05MPa，床層進(jìn)口溫度508K。單程轉(zhuǎn)化率約為27%，總轉(zhuǎn)化率約99.99%。計(jì)算壁厚容器壁的材料選取為13MnNiMoR，其使用條件為-196～800℃。由于反應(yīng)器為內(nèi)壓容器，其厚壁的計(jì)算公式為：選擇腐蝕裕量C2=4mm，鋼板厚度的負(fù)偏差C1=0.4mm，焊接方式選用雙面焊接。300℃時(shí)13MnNiMoR許用應(yīng)力345Mpa；焊接系數(shù)；P=1.6MPa帶入計(jì)算得圓整后取=75mm，反應(yīng)器壁由75mm厚的13MnNiMoR制作。反應(yīng)器列管的計(jì)算該反應(yīng)器筒體內(nèi)徑為3600mm，管數(shù)為4006根，列管材料為S31608，采用錯(cuò)列正三角形排列，采用焊接法。圖4-1反應(yīng)器內(nèi)管子排列方式列管中心距=1.25d0=1.25*44=55mm反應(yīng)器的層床壓降流速u=1.825m/s修正的雷諾數(shù):帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得：所以層床壓降壓降小于20%，在允許范圍內(nèi),滿足設(shè)計(jì)要求。圖4-2雷諾數(shù)-摩擦阻力系數(shù)關(guān)系圖反應(yīng)器的封頭設(shè)計(jì)反應(yīng)器的封頭選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓型封頭，內(nèi)徑與筒體相同，封頭采用不銹鋼材料制造。筒體公稱直徑DN=3600mm，直邊高度為40mm，總深度H=940mm，內(nèi)表面積A=11.5008，容積V=6.5144。封頭厚度為40mm容器的壓力試驗(yàn)液壓試驗(yàn)時(shí)圓筒的應(yīng)力液壓試驗(yàn)的強(qiáng)度校核:該材料的屈服極限為390MPa所以水壓強(qiáng)度足夠,厚度校核合格。反應(yīng)器高度列管長(zhǎng)度：由工藝計(jì)算中可知，列管高度L1=7.5m，絕熱段高度L2=0.75m。筒體頂部空間：根據(jù)《壓力容器手冊(cè)》，Ha=1m；筒體底部空間：根據(jù)《壓力容器手冊(cè)》，Hb=1m；則筒體長(zhǎng)度為：L=10.25m。由以上可得反應(yīng)器高度H=L+2H=10.25+2×0.94=12.13m裙座圓筒形裙式支座，材質(zhì)為Q345R，裙座與塔體的連接采用對(duì)接式焊接，裙座筒體外徑為2100mm，厚度為15mm，高度3m，地腳螺栓的結(jié)構(gòu)選擇外螺栓作結(jié)構(gòu)形式，螺栓規(guī)格為M80×6，個(gè)數(shù)為36個(gè)。裙座上開1個(gè)人孔，公稱直徑為450mm。裙座內(nèi)外側(cè)敷設(shè)防火層，防火材料為石棉水泥層（容積密度約為1900kg/m3），厚度為50mm。1.2.3.6催化劑用量催化劑顆粒密度3000kg/m3，床層堆密度為1500kg/m3，催化劑粒度4mm，空隙率為0.5，堆積密度1500kg/m3。催化劑床層及反應(yīng)器體積計(jì)算：?jiǎn)嗡鋮s段裝填體積=3.14×0.022×7.5×4006=37.7556m3單塔絕熱段裝填體積=3.14×1.82×0.75=7.6302m3單塔總裝填體積=33.7556+7.6302=41.3858m3單塔總裝填質(zhì)量=41.3858×1500=62078.7kg受工藝限制，本設(shè)計(jì)選用雙塔并聯(lián)式反應(yīng)器。故總裝填體積為82.7716m3，總裝填質(zhì)量為124157.4kg。1.2.3.7合成反應(yīng)器設(shè)計(jì)匯總表表4-4合成反應(yīng)器技術(shù)特性表1設(shè)備名稱合成塔設(shè)備位號(hào)R-0101A、B數(shù)量2介質(zhì)管程合成氣/殼程鍋爐給水材質(zhì)S31608/13MnNiMoR設(shè)計(jì)溫度（℃）管：280/殼：270操作溫度（℃）管：265/殼：250設(shè)計(jì)壓力（MPa）管：6.0/殼：1.6操作壓力（MPa）管：5.1/殼：1.0表4-5合成反應(yīng)器技術(shù)特性表2名稱項(xiàng)目型號(hào)規(guī)格筒體內(nèi)徑(mm)3600壁厚(mm)75封頭（EHA）內(nèi)徑(mm)3600壁厚(mm)40裙座外徑(mm)2100厚度(mm)20列管數(shù)目4006管長(zhǎng)7500尺寸(mm)Ф44×21.3換熱器設(shè)計(jì)1.3.3換熱器類型選擇固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，殼程也可以分成雙程，規(guī)格范圍廣，故在工程上廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合JBT4715-92標(biāo)準(zhǔn)，均選用固定管板式換熱器。1.3.4換熱器參數(shù)計(jì)算換熱器E0101，使用AspenPlusV10EDR進(jìn)行計(jì)算物性數(shù)據(jù)冷流體為進(jìn)塔氣，熱流體為出塔氣，兩者質(zhì)量流量相同，均為185420kg/h。冷熱流體的物性數(shù)據(jù)可以通過Aspen的流股數(shù)據(jù)查到。表4-8冷熱流股的物性數(shù)據(jù)流股密度kg比熱容kJ黏度m導(dǎo)熱系數(shù)W/冷17.223.2540.01520.1267熱11.63.1290.02190.174管程流股的選擇熱流股為出塔氣，成分中含有甲醇，在冷卻過程中部分液化，且副反應(yīng)生成的石蠟遇冷會(huì)結(jié)垢，影響換熱的進(jìn)行。冷流體為進(jìn)塔氣，較為純凈，無(wú)相態(tài)變化，不結(jié)垢。故熱流股走管程。列管內(nèi)徑選擇由于管程流股易結(jié)垢，故內(nèi)徑為25mm，管心距選擇32mm。運(yùn)行程序使用Design（Sizing）進(jìn)行初步模擬。初步模擬后切換至Rating/Checking，用得到數(shù)據(jù)再根據(jù)警告調(diào)整詳細(xì)參數(shù)。根據(jù)要求，換熱面積裕度應(yīng)超過30％，管、殼程壓降應(yīng)小于允許值。換熱器數(shù)據(jù)圖4-3換熱器E-0101整體性能圖4-4換熱器E-0101阻力分布得到換熱器整體總結(jié)和換熱器規(guī)格單圖4-5換熱器E-0101整體總結(jié)圖4-6換熱器E-0101規(guī)格單換熱器裝配圖圖4-7換熱器E-0101裝配圖換熱器初選主要參數(shù)如下：表4-9換熱器主要參數(shù)序號(hào)名稱數(shù)值序號(hào)名稱數(shù)值1殼體直徑2400mm2殼體厚度100mm3管子尺寸Φ25×2×90004管中心距32mm5排列方式正三角形6管子數(shù)48317管程數(shù)NP18公稱面積3292m29折流板間距450mm101.4設(shè)備一覽表詳見附錄三，設(shè)備一覽表。附錄1物料衡算表附表1-1合成工段物料衡算表單位FEEDOUT-1OUT-2OUT-3描述從FSPLIT-2FLASH-2FLASH-2至B1流股類型CONVENCONVENCONVENCONVENMIXED子流股相態(tài)汽相汽相汽相液相溫度℃40404040壓力bar50.547.544質(zhì)量密度gm/cc0.0200840.0158210.0037140.5939焓流量cal/sec-2.5E+07-2846348-147491-1.4E+07平均分子量10.637998.8844421.0469531.39971摩爾流量kmol/hr91001285.18312.962282709.639H2kmol/hr6216.21971.62821.7193060.203461COkmol/hr2591.41191.46931.8288080.164329CO2kmol/hr227.548.410731.5284727.35019H2Okmol/hr00.442630.045751146.7355CH4kmol/hr11.8311.269370.3997830.185077N2kmol/hr50.0549.730620.4261290.034334CH3OHkmol/hr010.231781.0140342531.966質(zhì)量流量kg/hr96805.6911418.13311.703385081.89體積流量l/min80331.9912028.71398.8592387.66附錄2能量衡算表附表2-1進(jìn)出流股焓值表項(xiàng)目FEEDOUT-1OUT-2OUT-3溫度℃40404040壓力bar50.547.544質(zhì)量流量kg/hr96805.6911418.13311.7085081.89焓值cal/sec-2.5E+07-2.8E+06-147491-1.4E+07∑Hcal/sec-7.2E+07附表2-2能量平衡表∑HinGcal/hr∑QGcal/hr∑WGcal/hr∑HoutGcal/hr誤差-89.1894-51.1074131.0449-169.12690.001

附錄3設(shè)備一覽表附表3-1反應(yīng)器設(shè)備一覽表設(shè)備位號(hào)設(shè)備名稱封頭形式類型尺寸/mm設(shè)計(jì)溫度/℃設(shè)計(jì)壓力/MPa材料保溫層R-0101A甲醇合成反應(yīng)器EHA絕熱-管殼外冷復(fù)合式固定床反應(yīng)器375012130管：280殼：270管：6.