（6）沸腾水吸收热量的确定
由公式(1)可得Q=∑Q1 + ∑Qr －∑ Q2 －∑Q3=68435174.94 kJ/h
表27 全塔热平衡表
气体 气体显热 反应热 损失热 蒸汽吸收热 合计 入塔气体kJ/h 234058766.40 91044538.00 325303304.40 出塔气体kJ/h 243855997.28 13012132.18 68435174.94 325303304.40 2.2.2.2 入塔气换热器的热量计算 （1）入换热器的被加热气体热量的确定
表28 入换热器被加热气体各组分热容和显热
气体 CH3OH H 2 CO CO2 N2 Ar CH4 热容kJ/（kmol.k）95.87 29.25 29.44 38.47 29.47 25.18 39.66 气量kmol /h 8.88 12318.08 1896.64 493.24 424.14 108.54 249.66
热量kJ/（h.k） 851.32 360303.84 55837.08 18874.94 12499.40 2730.86 9901.52
合计：入换热器的被加热气体热量为461098.96kJ/（h.k），入口温度为40℃， 461098.96×313.15=144393139.32 kJ/h （2）出换热器的被加热气体热量的确定
出换热器的被加热气体显热=入合成塔气体的显热，即234058766.40 kJ/h （3）入换热器的热气体热量的确定
入换热器的加热气体显热=出合成塔气体的显热，即243855997.28kJ/h （4）出换热器的热气体热量的确定
被加热气体吸收的热量=出换热器的被加热气体显热－入换热器的被加热气体显热=234058766.40－144393139.32=89665627.08kJ/h ，所以
出换热器的加热气体显热量=入换热器的加热气体显热－被加热气体吸收的热量
=243855997.28－89665627.08
=154190370.20 kJ/h
（5） 出换热器的加热气体的温度的确定
假设出换热器的加热气体各组分热容与出塔时相同，则出口温度为
39
154190370.20/461717.32=333.95k 即 60.8℃ 2.2.2.3 水冷器热量的计算 （1）水冷器热平衡方程
Q1+Q2=Q3+Q4+Q5
式中：Q1——入换热器气体显热，KJ/h；
Q2——气体冷凝放热，KJ/h； Q3——出水冷器气体显热，KJ/h； Q4——粗甲醇液体显热，KJ/h； Q5——冷却水吸热，KJ/h。 （2）水冷器入口气体显热的确定
水冷器入口气体的显热=入塔气换热器出口加热气体的显热，即77095185.10 kJ/h （3）水冷器出口气体显热的确定
表29 水冷器出口气体各组分热容和热量
气体 CH3OH H 2 CO CO2 N2 Ar CH4
热容kJ/（kmol.k）95.87 29.25 29.44 38.47 29.47 25.18 39.66 气量kmol /h 80.52 10717.62 1209.04 410.50 423.68 108.24 80.52
热量kJ/（h.k） 7719.46 313490.38 35595.14 15791.94 12485.84 2722.32 9893.58
合计：水冷器出口气体显热397698.66 kJ/（h.k）；出口温度40℃，
出口气体显热=397698.66×313.15=124539335.38 kJ/h （4） 出水冷器的粗甲醇液体热量的确定
表30 粗甲醇中液体组分气化热和液体热容
组分 （CH3O）2 C4H9OH C18H18 H2O CH3OH
40
气化热KJ/kg 531.75 577.81 307.05 2260.98 1117.93
液体比热容KJ/(kg.℃) 2.638 2.596 2.26 4.187 2.72
表31 出塔气在水冷器中冷凝放热量
组分 （CH3O）2 C4H9OH C18H18 H2O CH3OH 冷凝量kg /h 117.10 72.48 89.22 1561.28 26040.00 放热量KJ/h 62267.92 41879.66 27395.00 3530022.86 29110897.20
合计：水冷器中冷凝放热量为32772462.64 KJ/h
表32 粗甲醇中各组分液体显热
组分 （CH3O）2 C4H9OH C18H18 H2O CH3OH 液体比热容KJ/(kg.℃) 2.638 2.596 2.26 4.187 2.72 热量KJ/（h .℃） 308.90 188.16 201.64 6537.08 70828.80
合计：粗甲醇中各组分液体显热=78064.58 KJ/（h .℃），粗甲醇温度40℃， 即313.15k ，
Q3=78064.58×313.15=24445922.02KJ/h
（5） 水冷器冷却水吸热的确定
由水冷器热平衡方程可得 Q5 = Q1+Q2－Q3－Q4
即 Q5 =154190370.20+32772462.64－24445922.02－124539335.38
=37977574.44 KJ/h
（6）冷却水用量的确定
入口冷却水温度20℃，出口冷却水温度35℃，平均比热容4.187 KJ/(kg.℃)
37977574.44 /（（35－20）×4.187）=604690.30kg/h 即 604.70t/h
流程中并用了两个相同的水冷器，所以每个水冷器用水量为302.35t/h，吸收热量为18988787.22 KJ/h，既5274663.12 w 。 5 主要设备的计算和选型［21］ 5.1甲醇合成塔的设计
41
（1）传热面积的确定
传热温差为10℃，传热量为68435174.94kJ/h，合成塔内的总传热系数取为289.78W/（m2.℃）。
由公式Q = kA△Tm
得 A = Q/（K△Tm）=68435174.94/（3.6×289.78×10）=6362㎡ （2）催化剂用量的确定
入塔气空速12000h-1，入塔气量3486585.82m3/h，所以，
催化剂体积为3486585.82/12000=290.55m3。 （3）传热管数的确定
传热管选用Ф32×2.5 ，长度9000mm的钢管，材质为00Cr18Ni5Mo3Si2钢。由公式A =3.14×d×L×n
得 n = A/（3.14×d×L）=6362/（3.14×9×0.027）=8338 其中因要安排拉杆需要减少12根，实际管数为8326根。 （4）合成塔壳体直径的确定
合成塔内管子分布采用正三角形排列，管间距a=40mm，壳体直径：
Di=a（b-1）+2L
式中：a = 40
b = 1.1×n0.5 = 1.1×83380.5 = 100.44 L = 125mm
所以 Di=40×（100.44-1）+2×125=4227.80 圆整后取为4300 mm （5）合成塔壳体厚度的确定
壳体材料选用13MNiMoNbR钢，计算壁后的公式为：
S=PcDi/（2[σ] tФ-Pc）
式中：Pc——5.14Mpa ；
Di=4300mm； Ф=0.85
[σ]t =190Mpa（取壳体温度为50℃）
S=4300×5.14/（2×190×0.85-5.14）=69.53mm 取C2=1mm ；C1=1mm，原整后取S=73mm （6）合成塔封头的确定
42
上下封头均采用半球形封头，材质选用和筒体相同。 封头内径为4300+2×73=4446，原整后取4500 由封头厚度计算公式： S=PcDi/（2[σ] tФ-0.5Pc） 式中：Pc——5.14Mpa ；
Di=4500mm； Ф=0.85
[σ] t =190Mpa（取壳体温度为50℃）
S=4500×5.14/（2×190×0.85-0.5×5.14）=72.18mm 取C2=1mm ；C1=1mm，原整后取S=76mm，所以封头为DN4500×76。 （7）管子拉脱力的计算
a 在操作压力下，每平方米胀接周边所产生的力
qp=pf/（3.14×do×L）
式中：f=0.866a2-（3.14/4）×do2=0.866×402-（3.14/4）×322=581.35 P=5.14MPa
L=100mmδ
表33
项目 材质 ａ/（1/℃） E/MPa 尺寸 管子数 管间距/mm 管壳壁温差/℃ 管子与管壁连接方式 胀接长度 管子 00Cr18Ni5Mo3Si2 17.42×10-6 0.180×106 Ф32×2.5×9000 8338 40 10 开槽胀接 L=100 壳体 13MNiMoNbR 12.25×10-6 0.186×106 Ф254300×73 qp=5.14×581.35/（3.14×32×100）=0.30MPa
b 温差应力导致的每平方米胀接周边上的拉脱力qt
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