3.2.3入塔气换热器的热量衡算
（1）入换热器的合成气（被加热气体）的热量
入换热器的合成气温度为60℃，查《化学化工物性数据手册》得各组分的比热容，由Qi=Cpi×Gi，计算得各组分带进换热器的热量如下表所示：
表3.22 合成气带进的热量 Tab. 3.22 synthesis gas into heat
气体 热容kJ /(kmol·k) 含量kmol/h 带进热量kJ/(h·k×106)
CH3OH 46.60 307.469 0.0143
H2 28.92 45784.817 1.324
CO 30.92 5730.23 0.177
CO2 58.66 142.981 0.126
N2 31.01
Ar 22.78
CH4 41.11
1617.31 1166.033 2940.398 0.0502
0.0266
0.121
Q入换热器
=0.0143×106+1.324×106+0.177×106+0.126×106+0.0502×106+0.0266×106
+0.121×106 = 1.839×106 kJ/（h·k）
合成气带进换热器的总热量：Q总入换热器=1.839×106×333.15=6.127×108 kJ/h （2）出换热器的合成气（被加热气体）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出换热器=8.26×108 kJ/h （3）入换热器的出合成塔气体的热气体）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：
Q5=9.81×108 kJ/h
（4）出换热器的出合成塔气体（热气体）的热量
由换热器的热量衡算得：出合成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。
由上面的计算得：合成气经过换热器后热量的增量为：
Q合成气增量=8.26×108-6.127×108 =2.133×108 kJ/h
由此可得：出换热器的出合成塔气体热量为：
Q6=9.81×108-2.133×108 =7.677×108 kJ/h，
25
出换热器的热气体的温度
假设出换热器的出合成塔气各组分热容与出合成塔时相同，则
QnCp=1.58×106+46.60×3131.829=1.73×106 kJ/（h·k）
出口温度：Q6/QnCp=7.677×108/（1.73×106）=418K, 温度为145℃。 3.2.4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，即：
Q7=Q6=7.677×108 kJ/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145℃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3.23 各组分带出水冷器的热量 Tab. 3.23 components with water cooler heat 组分 CH3OH(气相）
H2 CO CO2 N2 Ar CH (CH3)2O C4H9OH H2O CH3OH(液相）
热容kJ/（kmol·k）
45.02 28.88 30.92 54.34 30.80 22.58 39.87 67.85 194.50 75.01 84.83
含量kmol/h 309.027 39672.049 3186.53 1778.175 1616.062 1165.186 2933.229 4.221 0.394 365.668 2822.802
出塔热量kJ/（h·k）×106
0.0139 1.146 0.0985 0.0966 0.0498 0.0263 0.1169 286.395×10-6 76.633×10-6 0.0274 0.2395
计算如下：
气相带出的热量：
26
Q水冷出-气=（0.0139+1.146+0.0985+0.0966+0.0498+0.0263+0.1169）×106 =1.431×106 kJ/（h·k）
气相总热量:
Q8=1.431×106×313.15=4.481×108 kJ/h 液相带出的热量:
Q水冷出-液=286.395+76.633+0.274×105、+2.395×105=2.673×105 kJ/（h·k）
液相总热量：
Q9=2.673×105×313.15=8.370×107 kJ/h 所以出水冷器总热量：
Q10=Q8+Q9=4.481×108 +8.370×107=5.318×108 kJ/h（3）冷却水的用量 假设冷却水进口温度为25℃，出口温度为60℃，由上面计算得：冷却水吸收的热量为：
△Q水冷器=Q7-Q10=7.677×108-5.318×108 =2.359×108 kJ/h
则冷却水的用量：
F冷却水2.359?108???1614758.02kg/h?1614.758吨/h Cp△t4.174?35△Q水冷器3.2.5甲醇分离器的热量衡算
物料进入分离器后，气相由分离器上部分出；液相由下部分出。 （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-进=Q10=5.318×108 kJ/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=4.481×108 kJ/h
（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-液=Q9=8.370×107kJ/h
4.主要设备的工艺计算和设备选型 4.1甲醇合成塔的设计选型 4.1.1催化剂的使用量
由合成段物料衡算得：每小时入塔气量为59689.238kmol/h,即为1337038.931
27
m3/h，合成塔的空速为13000m3/(m3催化剂·h)，则催化剂的使用量为： V=1337038.931/13000=102.849m3 4.1.2塔体设计 （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：Q4=6.87×107 kJ/h=1.908×107 W，取传热系数[15] K=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220℃，则：
合成气： 225℃ → 255℃ 水蒸气：220℃ ← 200℃ △t1=5℃ △t2=55℃
合成塔的平均温差△tm：
△t2-△t155-5??20.85℃
△t255lnln△t15Q1.908?107由公式Q=KS△tm 得：传热面积S???3050.36m2
K△tm300?20.85（2）换热管数的确定
查《化工设备机械基础》[16]，管壳式换热器常用的无缝钢管规格（外径×厚度）见表4.1
表4.1 换热管规格
Tab. 4.1 heat pipe specifications 碳钢、低合金钢 不锈钢 碳钢、低合金钢 不锈钢 ?19×2 ?25×2.5 ?19×2 ?25×2 ?32×3 ?38×3 ?32×2.5 ?38×2.5 换热管长度规定为1500mm，2000mm，2500mm，3000mm，4500mm，5000mm，6000mm，7500mm，9000mm，12000mm。换热管的换热管长度与公称直径之比一般为4~25，常用的为6~10。
由《化工设备机械基础》，选用材质为00Cr18Ni5Mo3Si2 ?38×2.5的无缝不锈钢钢管，长度为12000 mm，正三角形排布，共需换热管根数：
n?S3050.36??2281根 3.14dl3.14?0.0330?12 因需设置拉杆18根，故实际换热管数为2263根。
28
相关推荐：
loading