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表16 甲醇合成塔内反应热
气体 CH3OH ( CH3 )2O C4H9OH C8H18 CH4 CO 生成热kJ/mol 102.37 49.62 200.39 957.98 115.69 －42.92 生成量kmol /h 813.50 2.54 0.98 0.76 86.72 73.04 反应热kJ/h 83277995.00 126034.80 196382.20 747224.40 10032636.80 －3135735.20
反应热合计=91244538.00kJ/h
表17 甲醇合成塔出塔气体组分热容和热量
气体 H 2 CO CO2 N2 Ar CH3OH CH4 （CH3O）2 C4H9OH C18H18 H2O 合计
热容 29.56 30.01 45.04 29.61 25.16 72.05 48.14 18.03 19.23 101.73 36.25
气量 10723.06 1210.04 412.24 424.14 108.54 821.44 251.52 2.54 0.98 0.76 86.68
出塔热量/kJ/（h.k） 316973.66 36313.30 18567.28 12556.42 108.54 821.44 12108.18 45.80 18.86 77.32 3142.16 461717.32
出塔气体温度255℃即528.15k
Q2=461717.32×528.15=243855997.28kJ/h 全塔热量损失的确定
全塔热损失为4%,即Q3=(∑Q1+∑Qr)×4%=(234058766.40+91244538.00)
×4%=13012132.18kJ/h
沸腾水吸收热量的确定
由公式(1)可得Q=∑Q1+∑Qr－∑Q2 －∑Q3=68435174.94kJ/h （2）入塔气换热器的热量计算 入换热器的被加热气体热量的确定
表18 入换热器被加热气体各组分热容和显热
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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
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234058766.40kJ/h
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
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=154190370.20kJ/h
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154190370.20/461717.32=333.95k即60.8℃ （3） 水冷器热量的计算 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。
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水冷器出口气体显热的确定
表19 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
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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
出水冷器的粗甲醇液体热量的确定
表20 粗甲醇中液体组分气化热和液体热容
组分 （CH3O）2 C4H9OH C18H18 H2O CH3OH 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21 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22 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
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
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即 Q5 =154190370.20+32772462.64－24445922.02－124539335.38
=37977574.44KJ/h
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18988787.22KJ/h，既5274663.12w
5 主要设备的计算和选型
5.1 甲醇合成塔的设计
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㎡
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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。 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。 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4300mm 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 合成塔封头的确定
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。 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
q=pf/（3.14×do×L）
p