银川能源学院课程设计（煤化工工艺学）
续 表3-19
含量 带进热量
2.58×10
KJ/（h·K）
4
553.9 82356.11 10335.49 3696.62 2938.21 2118.21 5275.07
2.38×10
6
3.2×10
5
2.17×10
5
9.11×10
4
4.83×10
4
2.17×10
5
Q入换热器?3.30?106KJ（/h?K）
.15?1.1?10KJ（/h） Q总入换热器?3.30?10?33369合成气出换热器的热量：
由工艺流程可知，合成气出换热器的热量与入合成塔的热量相等，则合成气出换热器的热量为：
Q入塔气出换热器??Q1?1.65?109KJ（/h）5、出塔气换热器的热量衡算 （1）出塔气入换热器的热量
由工艺流程可知，在忽略管路热损失的条件下，入换热器的出合成塔气热量与合成塔出塔气的热量相等，即入换热器的出合成塔气热量为：
Q出塔气出换热器??Q2?1.68?109KJ（/h）出塔气出换热器的热量：
由换热器的热量衡算得：出塔气进入换热器后能量降低，降低的这部分能量用于入换热器的合成气的加热，即合成气热量的增值等于出合成塔气热量的减少值。
Q合成气增量?1.65?109?1.1?109?5.5?108KJ（/h）Q出塔气换热量?1.68?109?5.5?108?1.13?109KJ（/h）6、水冷器的热量衡算 （1）入水冷器的热量
由工艺流程得：出换热器的出合成塔气体等于入水冷器的热量
Q7?Q入水冷器?Q出塔气换热量?1.13?109KJ（/h）（2）出水冷器的热量
出换热器的出合成塔气体经水冷器进一步冷却后，温度由85℃降至40℃。甲醇以气、液两种相态存在，甲醚、异丁醇、水以液态的形式存在，一氧化碳、二氧化碳、氢气、氮气、氩气、甲烷以气态形式存在，查《化学化工物性数据手
15
银川能源学院课程设计（煤化工工艺学）
册》的各组分在4MPa、40℃时的比热容及带出的热量如下表所示：
表3-20 各组分带出水冷器的热量 组分 CH3OH（气相）
H2 CO CO2 N2 Ar CH4 (CH3)2O C4H9OH H2O CH3OH（液相）
比热容KJ/（kmol·k）
45.02 28.88 30.92 54.34 30.8 22.58 39.87 67.85 194.5 75.01 84.83
含量kmol/h 553.9 71486.3 5873.38 3059.77 2938.21 2118.21 5286.95 7.52 0.66 658.23 5634.9
出塔热量KJ/(h·k)
2.49×10 2.065×10 1.816×10 1.663×10 9.05×10 4.783×10 2.108×10 5.102×10 1.284×10 5.147×10 4.78×10
54225445564
Q8?气相??2.79?106?313.15?8.74?108KJ/h
Q9?液相??5.3?105?313.15?1.66?108KJ/hQ10?Q出水冷器?Q8?Q9?8.74?108?1.66?108?1.04?109KJ/h冷却水的用量
冷却水进口温度为25℃，出口温度为70℃，冷却水吸收的热量为：
△Q水冷器?Q7?Q10?1.13?109?1.04?109?9?107KJ/h冷却水的用量：
F冷却水9?107???479.2吨/h CP△t4.174?45
△Q水冷器7、甲醇分离器的热量衡算 （1）甲醇分离器进口的热量
由工艺流程得：甲醇分离器进口的热量与水冷器出口的热量相等，即
△Q分离器?Q出水冷器?1.04?109KJ/h（2）甲醇分离器出口气相的热量
分离器出口的气相即为水冷器出口的气相，则分离器气相的热量为：
△Q分离器-出-气?Q8?8.74?108KJ/h
16
银川能源学院课程设计（煤化工工艺学）
（3）甲醇分离器出口液相的热量
分离器出口的液相即为水冷器出口的液相，则分离器液相的热量为：
△Q分离器-出-气?Q9?1.66?108KJ/h
3.3 合成塔的设计
1、换热面积的确定
此次设计采用管壳式合成塔，管程走合成气，壳程走低压蒸汽，由热量衡算得：
每小时的传热量为： 1kJ/h=1000J/3600s=(5/18) w Q4=4.38X108KJ=1.22X108W 取传热系数为300W/（m2.℃），
合成塔入塔气的温度由225℃升至255℃；壳程水蒸气进口温度由200℃升至224℃，则
合成气： 225℃ → 255℃ 水蒸气：224℃ ← 200℃
?t1?1℃
?t2?55℃合成塔的平均温差
△tm? 传
△t2?△t154℃??13.48℃△t255lnln△t11热面积：
Q41.22?108S???30168.2m2K?△tm300?13.483.3.1 换热管数的确定
查《化工机械设备基础》，选用材质为38×2.5Gr18N15MO3Si2的无缝不锈钢管，长度为12000mm，正三角形排布供需换热管根数：
N?S30168.2??22875.5?22876根πd均23.14?0.0355?12因需设备拉杆18根，故需实际换热管数为22858根
17
银川能源学院课程设计（煤化工工艺学）
3.3.2 合成塔直径
由换热管外径查得相邻两换热器管中心距为a=48mm对角线管数
b?1.1n?166.31合成塔壳体直径为：D=a(b-1)+2L=8086.88mm；圆整为8100mm 3.3.3 合成塔壁厚设计
合成塔壳体材质采用18MnMoNbR低合金钢材，壁厚的计算公式：
??PcDi2[?]?Pc其中封头与壳体采用双面对焊100%无损检测，焊接系数??10
合成塔通入的是饱和水蒸气，查得240℃下饱和水蒸气压力为3.35MPa,取设计压力PC=5MPa,
255[?]?190MPa 查得
所以
??PCDi5?8100??108mm2[?]t??Pc2?190?5C=1.25mm ?n?108?1.25?109.25mm取附加厚度壁厚
圆整后取壁厚为110mm。 3.3.4 壳体设计液压强度校核
压力试验一般用液压试验，进行液压实验的目的是，设备在实验条件下能确保不会损坏，则在实际生产操作中也就能保障生产的安全性，不会出现严重的生产事故，所以水压试验是一项重要的额生产事故，所以水压试验是一项重要的生产检验工作。试验条件为常温，常温下换热器许用应力为[?]?190MPa
试验压力
[?]190Pr=1.25Pt?1.25?5??6.25MPa[?]190壳体设计液压强度校核
压
力试验的应力校核应满足下面条件
??PT(Di??e)2?e?0.9??s??371.55Mpa常温下18MnMoNbR的屈服点为
18
银川能源学院课程设计（煤化工工艺学）
设计的换热器壳体厚度符合要求：
2[?]250??e2?190?1.0?109.25[Pw]???5.06Mpa3.3.5 合成塔封头设Di??e8100?109.25计
上下封头采用椭圆形封头，材质：18MnMoNbR,直边高边为25mm，去形状
系数K=0.93，头为径为??即Di/2hi=1.9,封
KPcDi0.93?5.5?8100??109.8mm10850mm,则
2[?]t??0.5Pc2?190?0.5?5.5hi2855.26mm≈
2856mm
取封头的附加壁厚为C=1.25mm，设计壁厚为111.05mm,圆整115mm 合成塔封头设计 设计封头最大使用压力
2[g]299??e2?190?1?109.25[Pw]???5.47MPaKDi?0.5?e0.93?8100?0.5?109.253.3.6 折流板和管板的选择设计
采用弓形折流板，材质为16MnR，折流板高度为
h?33Di??8100?6075mm44查得管径为38mm的换热管折流板间距最大为2500mm，取间距为2000mm，则所需折流板数为6块，拉杆数18，直径为12mm，管板直径10700，厚度150mm，管板通过双面对接焊杂筒体和封头之间。支座采用群做座体厚度为75mm，基础环径10000mm，外径11000mm，基础环厚度为23mm，地脚螺栓公称直径为30mm数量为24个。
3.4 水冷器设计
3.4.1 换热面积的确定
取传热系数为280w/(m2.℃) 水冷器入口温度
85℃?40℃70℃?25℃?t1?15℃
?t2?15℃19