甲烷化工艺设计

合肥学浣Hefei Univers ity化工工艺课程设计设计题目甲烷化工艺设计系另4: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年月20166查甲烷化得压力校正系数曲线图，在、加习下,压力校正系数勒=、再取余量

二、G—65253435,3146,得实际反应体积VR383V

1.46=

1.597m3R

3.

5、换热器（）得换热面积25A,B下图为换热器事例图:求等压摩尔热容的我们以进炉气为研究对象，在，查得:70—160℃,4=3881,H N CO CO

2212、、、、0/mol-k C2829293415360400P在；滔二先查得:160—260℃,74831H2N2CO CO

2、、、、J/mo1-k Cp

28923011299743842、

5、1求摩尔流率N z24000x1000=

297.62mol/s刈=-----------------------

22.4x3600N B—NA=

297、62mo1/s

2、

5、2求吸收热率O由公式;得:八二

297.62X[

28.53+

29.60/2x

0.9955+

29.34x

0.003+

41.00x

0.0015]x160-70=

7.79xl5〃sQ=

297.62X[

28.92+

30.11/2x

0.9955+

29.97x

0.003+

43.84x

0.0015]x260-160B=

8.79xl05；/^

2、

5、3求平均温度/A:7060℃B:160℃^260℃200℃―290℃320℃-440℃町％30C2180-1601^=

169.8CIn-----

1602、

5、4求换热面积S吸=放=，K S根据经验;在T=388K时，取K=400叱/T/•℃mA A在［nA=483K时，取K=350w/m2,°CB把具体数据代入得Q

7.79X105QQA2S.=------------------=----------------=

14.98mK xAr.400x130As Q

8.79XIO5B1A7Q2S=------------------=-----------------=

14.79mRK x350x

169.8B€第三章设备计算、甲烷化反应器结构设计

313、

1、1塔径y

1、75mJ=l750L选择容器长径比蓝

二、则28:1,口T}^D H3Vs u-----=LI—x

2.8=2200二尸即筒体内径为塔高、D D1OOO/nm1000mm H=2879=2800777m

3、

1、2工作压力工作温度设计压力设计温度工作压力、之，当中压范畴253M7设计压力、、、工作、p=253x11=110=278Mpa工作温度7^330℃设计温度t=T+20℃=350℃

3、

1、3圆柱形筒体及立封头材料选用A3R支撑式支座选用A3F

3、

1、4塔体保温层厚度为0/s=50mm,保温材料比重＜=5QQ kg f/m

33、

1、5甲烷化反应器安置进出气管和其她接管见装备图、、按设计压力计算筒体和封头壁厚32公式尸S:Di「周2P其中如:容器得理论计算壁厚mmA设计压力MPa口上设计温度下筒体得许用压力MPa查表《钢板许用压力》下许用压力为350℃37MPa

3、

2、1焊接系数采用双面对接焊比较好

二、085CI:钢板负偏差G=

0、8mmc腐蚀裕量1/77/772加工减薄量C=0C

333、

2、2壁厚附加量C C=G+C+Q

23、

2、3理论计算壁厚S

2.78x1000^^1832口卜-〃2x97x

0.85-

2.

783、

2、4实际计算壁厚S〃Sc=S〃+、、、圆套后钢板实际壁厚0183+a+Q+=183+K8=201mm20mm

3、

2、5强度检验满足壁厚a=PD/2S[cy]即、、RPi+S12s=278X1020/2X20=7089Mpa、壁厚满足70^MPa[a]=9IMP a

3、

2、6封头得设计计算根据筒体选用标准椭圆形封头，这种封头就就是由半个椭圆球和一段高度为小查表得h0=50/77/77-B c八/,,，1000…又一-=2=Di=4hi h.=--=------------------------=250mm2444木封头内壁曲面高度同椭圆壁厚设计一样5=20/77/77封头总高h=5+h+h=20+250+50=3205m0;0选用椭圆形封头作用

①S封二S筒,加工安装方便；

②承压能力好；

③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，垫中和若干个螺栓螺头P=2A5MPa工作温度7=300°5查D=Dj=1000mm查《压力容器法兰得分类和规格》22—1《乙形平焊法兰得允许工作压力》22—4允许工作压力、类型:乙型平焊法兰，规格157MPa,JB1159—82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《压力容器法兰用垫圈尺寸》22—6查法:垫圈外径8165mm,垫圈内径占1015mm联接螺栓为共个，材料为螺头材料用M20,30A3,A2o所以，选用得法兰标准代号:法兰丫16—

10003、

3、2容器得支座首先粗略计算支座负荷炉体总量Q=Ql+Q+03+Q4+Q

5、炉体量a Oi=1000ivm,S=20mm筒体，没加重、牛顿154047S=7iDH=

2.8x〃x1=

8.796m2Q=

8.796x154=

13.548KN=

1.382T}、封头重b Q

22.⑵T=B2/2X2XL54=L21KN=

03、

3、3填充催化剂重量Q3=lKg/Lx

2.200L=

2.38%

33、

3、4保温层重量=300心/疗*

0.5297n3=

0.

15913、

3、5人孔及附件重量4Q5人孔约重合、2KN0021支座及其她总和重、104r那么，设备总重为Q0=Q1+Q2+Q3+4+、、、、、=1382+0121+0159+22+

41、4甲烷化工艺流程得选择6第二章工艺计算

72、1求绝热升温

72、3反应速率常数

72、4求反应器体积

11、设计条件及任务

121、

2、1进气量:2400ONm/

1、

2、2进料组成（mo/%）:组数CO%82%H2%N2%、、、E

13001599551、

2、3出口气体成分“COW50pm,C？5ppm”

1、3设计内容变换工段在合成氨生产起得作用既就就是气体得净化工序，又就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、

3、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

1、

3、4绘图:

（1）工艺流程图；

（2）甲烷化炉得工艺条件图

1、4设计说明书概要

1、

4、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、

4、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6合成氨工业就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和环境绿化面积得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，合成氨工业就就是农业得基础她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和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、、等就就是氨合CO CO202成催化剂得毒物，生产中一般要求将氨合成原料气等含氧化合物总量脱除至V脱除得方法主要有铜氨液洗涤法（铜洗法）、液氮CO10X10-6洗涤法和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、运行费用低和对环境基本无污染等优点从工艺得合理性以及投资和操作费用等方面来看,甲烷化就就是合成氨安全、稳定生产得必然选择在合成氨得粗原料气得净化过程中,变换和脱除后得原料气尚含有少量得残余得和水等杂C02CO C质c为了她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”，精练后规定和得含量不超过CO CO25ppm原料气得精练方法一般有三种和铜氨液吸收法，甲烷化和深冷液氨洗涤法，铜氨液吸收法就就是年就开始采用得方法，在高压和低温下用铜盐得氨溶液吸收和氧，然后溶液在减压1913CO,CO2,H2s和加热得条件下再生,甲烷化六十年代才开始得虽然催化剂上把和加氢成甲烷得研究早已开CO CO2始，但要消耗用氢气而生成无用得甲烷，所以此法只适用于含量比较低得原料气与铜洗法相CO,CO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、甲烷化反应平衡11在甲烷化炉内，主要发生甲烷化反应CO+3H=CH+H O+206^16KJ2421CO2+3H=CH+2H O+165089242当原料气有氧存在时，氧和氢反应生成水，即、C2+2H2=2H2O+24199KJ某种条件下还可能与催化剂中得媒生成谈基CO即:Ni+4co=NiCO4甲烷化反应平衡常数随温度而下降，但在常用得范围内，平衡常数很大为此，要求240-420℃甲烷化出口气体和含量低于夕就就是完全可能得CO CO25m与催化剂中得锲生成谈基锲得反应就就是放热且体积缩小得反应通过实验表明，在含量小于、CO co0时,如果发生反应温度在以上不可能有照基锲形成鉴于甲烷化反应体系得在以上进行,5%200℃200℃因而正常情况下不会有反应得发生

4、甲烷化催化剂12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和蒸汽转化一样，都就就是以锲作为活性组分但就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媒含量较高，通常达到%以媒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15-35热性为此，催化剂常载有耐火材料目前,甲烷催化剂国内外有多种类型，我们选择型催化剂，使用之前，先用氢或脱碳原料气G-65还原，反应为N iO+H=Ni+H O+1026IJ22NiO+CO=Ni+CO+385KJ2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%以下1还原后得锲催化剂会自燃，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得气体升温，以防止低温生成照基锲，影响催化剂得活性硫、种和卤都能CO使催化剂中毒，她们得量即使就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年3-

5、反应机理和速率

131、

3、1CO甲烷化:研究表明甲烷化吸附中间形态，指出吸附中间产物有三种:co易于吸附得甲烷和氧等；1CO歧化为易于加氧得碳原子；2C不能反应得聚合碳3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速率控制，高温加氧速率控制，反应机理如下CO+[]——[CO][CO]+[]—[O]+[C][C]+H——[CH]--------CH224-----[O]+H H O228利用得平衡公式和得速率相等得关系可推知68R＜H4=/\1/2Ks.Kc0・K「式中:Km=KmI J对于高和直径相等均为、得催化剂常压下得甲烷化速率表达式:311mm G-65CO—

1167、

1.309x107y-exp|coT,RcH4二l+

5.915〉co-expw式中义为气体中得分率CO

1.

3.2C C2甲烷化机理如下:kccco2+[][CO2][CO]+[]-ks-[CO]+[O+]22型[CO]+H2[C]+[O]快速、Km[C]+H[CH]CH224酗QI+H2H O2[O]+H^h-H O2215由于上述机理可知得甲烷化系先在催化剂上分解成然后按甲烷化机理进行反应，同CO2CO,CO理可推得_KCOJPHJPC/2Rc114-l+K-P+Kpho-P-+Kco coH noCCz

22.“2式中此高和直径均为、得催化剂常压实验所得得甲烷化速率表ICO2・Ks.Ks.K©R//3,318mm G—65C2达式9602QAA4f-A1O

8.66x10Kg.expR—I1+

2.797^-exp---\1J

161.

3.3CO2与CO混合气体得甲烷化混合气体得反应机理为:[CO]+f[恒-+[CO][CO]+H2TL[CO]+[]-KS-[C]+[O][C]+H-m-[CH].---CH224CO+[][CO]22[0+]+Rh HHO22[CO]+[]---[CO]+[O+]2由此可知甲烷化首先在催化剂上分解成然后进行甲烷化，而与分别甲烷化得速CC2co,CO2co度主要取决于吸附得和加氢得速率相对大小，实验表明优先甲烷化得趋势，只有在远[O][O+]co Pc低于时,两者才能以相当得速率进行PCO2甲烷化工艺与流程得选择

1.4甲烷化得压力通常随中低变和脱碳得压力而定，本设计以给得得压力为、进入甲烷化炉253MP a气体组成以给，即甲烷化反应器得温度得入口温度受到浸基全集形成得起燃温度得限制，必须高于同时考虑200℃,名称高得转H NCO CO222化率和含量、、、、能量消7425%2530%030%015%耗，我们选择入口温度左右这样也给操作有一个较适合得波动范围260℃甲烷化得流程主要有两种类型和外加热与内加热型根据计算，只需要原料含有碳氧化合物、、05-0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就是内热型得依据，考虑到7%,原料气中碳含量有时较上述低,尚需外供热源，这就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260℃,流程图后附第二章工艺计算、求绝热温升/21根据公式/A=-AHRN式中:的/为各组分定压摩尔热容单位以/•仁根据公式7Cp=a+bT+cT2可计算得i HNCOCO22J/mol・k

29、

30、

430、

45、Cp1313841代入上式得

40.

667206.

161030.004+

0.333x

165.08xl03x

0.

0022671.29X XX

29.13+

30.M/2x

0.9938+

30.38x

0.004+

45.41x

0.

002229.81考虑到进入甲烷化炉气体中可能含有少量氧和其她综合因素,我们取A=30°C、求甲烷化炉出口气体温度22T式中为甲烷化炉进口气体温度为和得转化率T To=260℃,x COCO2T=T+Axo7=260+30*F=290℃X、反应速率常数23K甲烷化反应机理和动力学较为复杂，而且还包含内外扩散得影响为了适应工程得简便计算，常假定与和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co codVcoVdy}-西=k*%式中卜和区分别为总容积流量神力水为表观反应速率常数，因催化剂型号而异,乂，为气体中得含量，积分上式可得:COK=V\gy io2s co+2yco2l/ycO2+2yC2甲烷化表观反应速率常数不仅与温度有关，还随压力增大而增加，查在常压下“甲烷化催化剂K得反应速率常数与温度得关系”曲线G—65在我们得范围内取仁把具体数据代入得K=

13000.3x10-2+015x10-21300=Vlg=心电4505x10—6+5x10—6Vs==

490.0m3•h-

12.

653、求反应器体积以24式中:匕为气体体积流率由已知条件进气量为人如力,转化为、以后为:240003/2\3Mpa,260℃PV.巴匕101325X

240002.53x106乂匕=匕=

1876.1m3//I1—乙N_1__________________________________________________

533.15丁一丁

273.15匕

1876.1所~

490.0以:VR。