甲烷化工艺设计

1、合肥学院HefeiUniversity化工工艺课程设计设计题目：甲烷化工艺设计系另h化学与材料工程系专业：化学工程与工艺学号：姓名：指导教师：2016年6月目录设计任务书1第一章方案简介31.1甲烷化反应平衡31、2甲烷化催化剂31。3反应机理与速率41、4甲烷化工艺流程得选择6?第二章工艺计算2.1求绝热升温?2、2求甲烷化炉出口温度72、3反应速率常数72.4求反应器体积？82。5换热器换热面积9?第三章设备计算93、1甲烷化反应器结构设计113。2计算筒体与封头壁厚11？3。 3反应器零部件得选择12？3、4物料进出口接管133.5手孔及人孔得设计15设计心得16参考文献及附图17设计任

2、务书1、1设计题目：甲烷化工艺设计1.2 设计条件及任务1、2。1进气量:24000Nm3/h1、2、2进料组成（mol%）:组数CO%CO2%H2%N2%E10.300。1599、551、2。3出口气体成分tO<ppm,CO2<5ppm”1.3 设计内容变换工段在合成氨生产起得作用既就是气体得净化工序，又就是原料气得再制造工序，经过变换工段后得气体中得co含量大幅度下降，符合进入甲烷化或者铜洗工段气质要求。1。3。1选定流程1.4 。2确定甲烷化炉得工艺操作条件1。3。3确定甲烷化炉得催化剂床体积、塔径及床层高度1o3。4绘图:（1）工艺流程图；（2）甲烷化炉得工艺条件图1、4设

3、计说明书概要1 O4.1目录:设计任务书概述，热力计算，结构设计与说明，设计总结，附录，致谢，参考文献，附工艺流程图及主体设备图一张（要求工艺流程图出A2以上得图，要求主体设备用AutoCAD出A2以上得图）1。4.2概述1.4。 3热力计算（包括选择结构，传热计算,压力核算等）1、4.4结构设计与说明1 .4.5设计总结1.4、 6附录1.5、 7致谢1。4.8参考文献1。4、9附工艺流程图及主体设备图一张?第一章方案简介合成氨工业就是基础化学工业之一。其产量居各种化工产品得首位。已成为当今合成氨工业生产技术发展得方向。国际上对合成氨得需求，随着人口得增长而对农作物增产得需求与环境绿化面积得

4、扩大而不断增加。合成氨工业在国民经济中举足轻重、农业生产，有收无收在于水，收多收少在于肥”。所以，合成氨工业就是农业得基础。它得发展将对国民经济得发展产生重大影响、因此，我国现有众多得化肥生产装置应成为改造扩建增产得基础、今后应利用国内开发与消化吸收引进得工艺技术，自力更生，立足国内，走出一条具有中国特色得社会主义民族工业得发展道路。CO、CO2、。2等就是氨合成催化剂得毒物，生产中一般要求将氨合成原料气CO等含氧化合物总量脱除至10X106、脱除得方法主要有铜氨液洗涤法(铜洗法)、液氮洗涤法与甲烷化法、甲烷化净化方法与铜洗、液氮洗法相比，具有流程简单、投资省、运行费用低与对环境基本无污染等优

5、点。从工艺得合理性以及投资与操作费用等方面来瞧，甲烷化就是合成氨安全、稳定生产得必然选择、在合成氨得粗原料气得净化过程中，C02变换与CO脱除后得原料气尚含有少量得残余得CO,CO2,O2与水等杂质。为了它们合成催化剂得毒害，原料气在送给往合成之前还需要有一个净化步骤，称为精练”精练后规定CO与CO2得含量不超过5ppm。原料气得精练方法一般有三种，即铜氨液吸收法，甲烷化与深冷液氨洗涤法，铜氨液吸收法就是1913年就开始采用得方法，在高压与低温下用铜盐得氨溶液吸收CO,CO2,H2s与氧，然后溶液在减压与加热得条件下再生，甲烷化六十年代才开始得。虽然催化剂上把CO与CO2加氢成甲烷得研究早已开

6、始，但要消耗用氢气而生成无用得甲烷，所以此法只适用于CO,CO2含量比较低得原料气、与铜洗法相比，甲烷化具有工艺简单，操作方便，费用低得优点。工艺流程图：1、1甲烷化反应平衡在甲烷化炉内，主要发生甲烷化反应：CO+3H2=CH4+H2O+206.16KJ(1)CO2+3H2=CH4+2H2O+I65。08KJ(2)当原料气有氧存在时，氧与氢反应生成水，即：。2+2H2=2H20+241、99KJ(3)某种条件下:CO还可能与催化剂中得镍生成羰基。即：Ni+4CO=Ni(CO)4(4)甲烷化反应平衡常数随温度而下降,但在常用得范围(240420)内,平衡常数很大、为此,要求甲烷化出口气体C。与C

7、O2含量低于5ppm就是完全可能得。CO与催化剂中得馍生成厥基馍得反应就是放热且体积缩小得反应。通过实验表明，在CO含量小于0。5%时，如果发生反应温度在200c以上不可能有厥基馍形成。鉴于甲烷化反应体系得在200以上进行,因而正常情况下不会有反应(4)得发生。1.2甲烷化催化剂甲烷化反应体系甲烷蒸汽转化存在逆反应,因而甲烷化反应催化剂与蒸汽转化一样,都就是以镍作为活性组分。但就是甲烷化在更低得温度下进行,催化剂需要更高得活性,故催化剂中活性组分得馍含量较高，通常达到15-35%(以馍记)。有时也加入稀土元素做促进剂，为了使催化剂具有相当得耐热性、为此,催化剂常载有耐火材料、目前，甲烷催化剂国

8、内外有多种类型，我们选择G-65型催化剂，使用之前，先用氢或脱碳原料气还原,反应为:NiO+H2=Ni+H2O+1026KJ(5)NiO+CO=Ni+CO2+38、5KJ(6)虽然还原反应得热效应不大,但一经还原后催化剂就具有了活性,甲烷化反应就可以进行了,有可能造成升温过高,为此,还原时尽可能控制碳氧化合物含量在1以下、还原后得镍催化剂会自燃,要防止其与氧化性气体接触,当前面得工序出现事故时,有高浓度得碳氧化合物进入甲烷化炉中,床层会迅速上升,这时应立即放空并切断原料气。另外,还原后得催化剂不能用含CO得气体升温，以防止低温生成玻基馍，影响催化剂得活性。硫、神与卤都能使催化剂中毒,她们得量即

9、使就是微量也会大大降低催化剂得活性与寿命,由于本流程有脱硫工序获降低温度变换工序,因此,正常情况下,不会发生甲烷化催化剂中毒,只要气体碳氧化合物含量合乎指标,催化剂也不会出现高温烧结。甲烷化催化剂得活性损失多与脱碳有关,少量得液滴带入甲烷化炉几乎不可避免,一般不会造成盐类遮盖催化剂表面,导致活性严重损失,甲烷化催化剂得寿命一般在3-5年、1。 3反应机理与速率1、3、1CO甲烷化：研究表明cO甲烷化吸附中间形态，指出吸附中间产物有三种：(1) 易于吸附得CO甲烷与氧等;(2) CO歧化为易于加氧得碳原子；(3) 不能反应得聚合碳、并比较了甲烷化速率与形成了碳加氧速率后指出,甲烷化低温下由碳形成

10、速率控制,高温加氧速率控制,反应机理如下：CO+CO(5)CO+，O+C(6)：C+H2CH2-CH4(7) OH2H2O(8)利用(6)得平衡公式与(8)得速率相等得关系可推知:RcH4=式中：Km=Km对于高与直径相等均为3.11mm得G65催化剂、常压下得CO甲烷化速率表达式：Rch4=式中yco为气体中CO得分率。1.3.2CO2甲烷化机理如下:CO2+CO2(10)CO2+CO+O+(11)：CO+H2C+O(12)C+H2CH2CH4(13)O+H2H2O(14)O+H2H20(15)由于上述机理可知：CO2得甲烷化系先在催化剂上分解成CO,然后按CO甲烷化机理进行反应,同理可推得

11、:RCH4=式中Kco2()1/3,高与直径均为3、18mm得G65催化剂常压实验所得得CO2甲烷化速率表达式:Rch4=(16)1.3.3CO2与CO混合气体得甲烷化混合气体得反应机理为：CO+COCO+H2H2OCO+C+OC+H2CH2CH4CO2+CO2O+H2H2。CO2+CO+O+由此可知、CO2甲烷化首先在催化剂上分解成CO,然后进行甲烷化，而CO2与CO分别甲烷化得速度主要取决于吸附得O与O加氢得速率相对大小，实验表明:CO优先甲烷化得趋势,只有在Pco远低于Pco2时，两者才能以相当得速率进行。1.4甲烷化工艺与流程得选择甲烷化得压力通常随中低变与脱碳得压力而定，本设计以给得

12、得压力为2.53MPa、进入甲烷化炉气体组成以给，即：甲烷化反应器得温度得入口温度受到厥基全集形成得起燃温度得限制，必须高于200C,同时考虑高名称H2N2COCO2得转化率与能含量74。25%25。30%0。30%0.15%量消耗我们选择入口温度260c左右。这样也给操作有一个较适合得波动范围、甲烷化得流程主要有两种类型，即外加热与内加热型、根据计算，只需要原料含有碳氧化合物0。50。7%,甲烷化反应放出得热量可足够将进口气体预热到所需要得温度。这就就是内热型得依据，考虑到原料气中碳含量有时较上述低，尚需外供热源，这就就是外热型得可取处。取二者之长，我们选用如下流程，先用甲烷化反应后出口气体

13、温度上升，余下得温差在用高变气体加热直待入口气体温度达到260C,流程图后附。悌二章工艺计算2、1求绝热温升A根据公式A=AHRN/式中：Cpi为各组分定压摩尔热容单位J/mo1k,根据公式Cp=a+bT+cT2+dT3可计算得：ih2N2COCO229.1330。45.(J/molk)Cp341381代入上式得：0.667206.161030.0040.333165.081030.0022671.2922.52C(29.1330.04)/20.993830.380.00445.410.002229.81考虑到进入甲烷化炉气体中可能含有少量氧与其它综合因素，我们取A=30C2。2求甲烷化炉出口

14、气体温度TT=T0+Ax式中T。为甲烷化炉进口气体温度To=260OC,x为CO与CO2得转化率T=To+AxC1 .3反应速率常数K甲烷化反应机理与动力学较为复杂，而且还包含内外扩散得影响。为了适应工程得简便计算常假定与CO与CO2含量成一定一级关系，以一氧化碳甲烷化为例，反应速率与一氧化碳得关系为：=K式中：V与Vc。分别为总容积流量m3/h,k为表观反应速率常数，因催化剂型号而异，为气体中CO得含量，积分上式可得：K=lg(ycoi+2yco2l)/(yco2+2yco22)甲烷化表观反应速率常数K不仅与温度有关，还随压力增大而增加，查在常压下甲烷化催化剂G65得反应速率常数与温度得关系

15、：”曲线在我们得范围内取K=1300k-,把具体数据代入得：2 .4求反应器体积Vr式中:为气体体积流率由已知条件进气量为24OOONm'/h,转化为2、53Mpa,260c以后为：所以:=查甲烷化G-65得压力校正系数曲线图，在2。53Mpa下，压力校正系数Ci=3。5，再取余量C2=1.46，得实际反应体积Vr2、5换热器(A,B)得换热面积下图为换热器事例图：出甲烷化炉26 0 C求等压摩尔热容Cp我们以进炉气为研究对象，在70-160C,=388K,查得:i(J/molk)CpH2N2COCO228。5329。6029。3441.00在160-2600C,=483K,查彳导:i

16、H2N2COCO2(J/molk)Cp28.9230。1129.9743。842、5.1求摩尔流率N:=297>62mol/s3 。5、2求吸收热率Q由公式；Q=At得：QA297.62(28.5329.60)/20.995529.340.00341.000.0015(16070)=297.62(28.9230.11)/20.995529.970.00343.840.0015(260160)2。5.3求平均温度AlA:70 Cf 1 60 c20 0 C 2 9 0 cB:160 C 2 60 c32 0 C 4 4 0 CAm= Atm = 2。5。4求换热面积S吸=放=KsAm根据经

17、验布=388K时，取K=400w/m2：C在=483K时，取K=350w/m2C把具体数据代入得:第三章设备计算4 。1甲烷化反应器结构设计4.1。 1塔径Vs=1、75m3=1750L选择容器长径比=2。8:1,则：Vs=D=Di=1000mm即筒体内径为1000mm塔高H=2o8D=2800mm3、1、2工作压力工作温度设计压力设计温度工作压力2。53Mpa,当中压范畴设计压力p=2。531。1=1、Ip工作=2.78Mpa工作温度T=330C设计温度t=T+20C=350C3、1.3圆柱形筒体及立封头材料选用A3R支撑式支座选用A3F,一一_.1_.一,一一,33、1.4塔体保温层厚度为

18、is=50mm,保温材料比重rn=300kgf/m3。1.5甲烷化反应器安置进出气管与其她接管见装备图。3。2按设计压力计算筒体与封头壁厚公式S0=其中s0:容器得理论计算壁厚mmP:设计压力MPa:设计温度下筒体得许用压力MPa查表钢板许用压力350c下许用压力为97MPa3。2、1焊接系数采用双面对接焊比较好=0。853。 2。2壁厚附加量CC=C1C2+C3Ci：钢板负偏差Ci=0、8mmC2:腐蚀裕量C2=1mmC3：加工减薄量C3=03、2。3理论计算壁厚SS0=3。2、4实际计算壁厚S。Sc=So+C=18、3+Ci+C2+C3=18、3+1。8=20.1mm圆套后钢板实际壁厚20

19、mm3、2。5强度检验满足壁厚即P(D+S)/2S=2.78X1020/2X20=70。89MPa70、89MPa<=97MPa壁厚满足3、2。6封头得设计计算根据筒体选用标准椭圆形封头，这种封头就是由半个椭圆球与一段高度为ho查表得ho=50mm又=2=>D=4hihi：封头内壁曲面高度同椭圆壁厚设计一样S=20mm封头总高h=So+hi+ho=20+250+50=320mm选用椭圆形封头作用： S封=S筒,加工安装方便； 承压能力好; 成型加工方便、3、 3甲烷化反应器零部件标准设计选用3、3、1法兰联结得设计选用法兰联结由两个法兰,垫中与若干个螺栓螺头。工作温度查查压力容器法

20、兰得分类与规格221乙形平焊法兰得允许工作压力224允许工作压力1。57MPa，类型：乙型平焊法兰，规格JB115982、根据工作介质,选用凹凸型密封面较好,代号“T”。垫面材料选用石棉橡胶板,尺寸从表226压力容器法兰用垫圈尺寸查法:垫圈外径D=165mm,垫圈内径d=1015mm联接螺栓为M20,共30个,材料为A3,螺头材料用A2。所以，选用得法兰标准代号：法兰Y16-10O03、 3。2容器得支座首先粗略计算支座负荷、炉体总量Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5a、炉体量Q1筒体，没m2重1540.47牛顿。b、封头重Q23、3。3填充催化剂重量Q33、3、4保温层重量3。3。5人孔及附件

21、重量Q5人孔约重2KN合0.02t支座及其它总与重1。04t那么,设备总重Q为:Q=Ql+Q2+Q3+Q4+Q5=1、382+0。121+0。159+2。2+1.05(t)=4。992t由于甲烷化炉就是立式容器，选用支承式支座材料选用A3F查表229支承式支座尺寸得，支座2、5TB1168-813、4物料进出口接管4、 4、1气体进口接管采用可拆219X6得无缝钢管，法兰Pg25Dg200HG5012-58查表6管法兰尺寸螺栓数量12,直径M22接口出应力集中系数计算如下:标准封头查球壳上安装平齐接管应力集中曲线得应力集中系数，K=3、4峰值应力按极限原则考虑,材料得条件，必须补强选用Dg20

22、0M5补强圈(JB120773)进行补强3、 4。2气体出口管选用159X4、5无缝钢管管法兰标记为：Pg250Dgl50HG501258管口处应力集中系数计算如下插球壳上安装平齐接管应力集中曲线得应力集中系数K=2.82、250350=所以,不需补强。3。4、3制动测量仪表接口a.压力表得选用b、温度计得选用选用公称直接Dg=5带有法兰联结得热电偶、具体装置图。查表6管法兰尺寸，选用。得无缝钢管，具体尺寸见图标记Pg25Dg25,HG501258数量4，直径M123。5手孔或人孔得设计计算人孔与手孔设计一项即可,现以设计选用人孔、人孔主要有筒节,法兰与盖板构成、查表化工容器及设备简名设计手册

23、当Di=i00omm人孔公称直径Dg=450mm工作系统压力2、53Mpa。人孔标准按公称压力2.5Mpa设计.密封压紧面采用A型、吊盖选用水平吊盖、根据人孔及反应器体尺寸,设计开孔应力集中系数,所需数据如下:开孔半径r=筒节=甲烷化反映器R=500mm壁厚s=20mm于就是开孔系数=t/s=由化工设备机械基础图2011查得应力集中系数k=4o8不补强最大应力根据极限设计要求令2。25=2。25X97=218、25Mpa>2、25所要补强，采用补强圈补强，取厚度为15mm钢板，则她得有效厚度s=150。8=14.2,则补强圈得壳体总厚度为:s=s+s'=2O+14.2=34。2m

24、m根据t/s=0。25=1、63查化工设备机械基础图2011查得应力集中系数K=4.9最大应力=K=4。9X=199、2Mpa2.25=218、25所以用15mm厚得钢板作补强就是合适得、从化工设备机械基础图20-2补强尺寸查得补强圈内外径分别就是Di=484（内径）D2=760（外径）设计心得本设计为合成氨工艺中得甲烷化这一工艺段得设计、在设计过程中,我们参阅教材并收集了大量得相关资料,并应用热力学得方法计算及搜集相关得物性数据参数,经过多次分析比较得出我们认为合理可行得方案、并完成设计得、工艺尺寸得选取等参阅有关工艺得设计方法与借鉴相关设计经验,并绘制了相应得工艺流程图。这次得工艺设计使我更加扎实得掌握了有关甲烷化工艺方面得知识,在设计过程中虽然遇到了一些问题,但经过一次又一次得思考,一遍又一遍得检查终于找出了原因所在,也暴露出了前期我在这方面得知识欠缺与经验不足。实践出真知