甲烷化工艺设计

1、合肥学院化工工艺课程设计设计题目：甲烷化工艺设计系 另I：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反应机理和速率 41.4甲烷化工艺流程的选择 6第二章工艺计算72.1求绝热升温 72.2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计算筒体和封头壁厚 113.3反应器零部件的选择 123.4物料进出口接管 133.5手孔与人孔的设计 15设计心得 16参考文献与附图 17

2、设计任务书1.1设计题目：甲烷化工艺设计1.2设计条件与任务1.2.1 进气量：240003122进料组成（）:组数2%H22%E10. 300. 1599.55出口气体成分 “W5 5”1.3设计内容变换工段在合成氨生产起的作用既是气体的净化工序，又是原料气的再制造工序，经过变换工段后的气体中的含量大幅度下降，符合进入甲烷化或者 铜洗工段气质要求。选定流程确定甲烷化炉的工艺操作条件确定甲烷化炉的催化剂床体积、塔径与床层高度绘图：（1） 工艺流程图；（2）甲烷化炉的工艺条件图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

3、艺流程图与主体设备图一张（要求工艺流程图出 A2 以上的图，要求主体设备用出 A2 以上的图）1.4.2 概述热力计算（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 参考文献附工艺流程图与主体设备图一张第一章 方案简介合成氨工业是基础化学工业之一。 其产量居各种化工产品的首位。 已成为 当今合成氨工业生产技术发展的方向。国际上对合成氨的需求,随着人口的增长而对农作物增产的需求和环境绿化面积的扩大而不断增加。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 , 合成氨工业是

4、农业的基础。它的发展将对国民经济的发展产生重大影响。因 此,我国现有众多的化肥生产装置应成为改造扩建增产的基础。今后应利用国 内开发和消化吸收引进的工艺技术 ,自力更生 ,立足国内 ,走出一条具有中国特 色的社会主义民族工业的发展道路。 、2、 O2 等是氨合成催化剂的毒物 , 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V10X10- 6。脱除的方法 主要有铜氨液洗涤法 （ 铜洗法 ） 、液氮洗涤法和甲烷化法。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。 从工艺的合理性以与投资和操作费用等方面来看 , 甲烷化是合成氨 安全、

5、稳定生产的必然选择。在合成氨的粗原料气的净化过程中 2变换和脱除后的原料气尚含有少量的 残余的， 2，O2 和水等杂质。为了它们合成催化剂的毒害，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 2的含量不超过 5 原料气的精练方法一般有三种， 即铜氨液吸收法， 甲烷化和深冷液氨洗涤 法，铜氨液吸收法是 1913 年就开始采用的方法，在高压和低温下用铜盐的氨 溶液吸收，2，H2S和氧，然后溶液在减压和加热的条件下再生，甲烷化六 十年代才开始的。 虽然催化剂上把和 2加氢成甲烷的研究早已开始， 但要消耗 用氢气而生成无用的甲烷，所以此法只适用于，2含量比较低的原料气

6、。与铜洗法相比，甲烷化具有工艺简单，操作方便，费用低的优点工艺流程图：（1）（2）（3）（4）240-420 C）内，1. 1甲烷化反应平衡在甲烷化炉内，主要发生甲烷化反应：3H24+ H2206.162+3H24+2 H2165.08当原料气有氧存在时，氧和氢反应生成水，即：02+2 H2=2H2241.99某种条件下：还可能与催化剂中的镍生成羰基。即：4（）4甲烷化反应平衡常数随温度而下降，但在常用的范围（平衡常数很大。为此，要求甲烷化出口气体和2含量低于5是完全可能的。与催化剂中的镍生成羰基镍的反应是放热且体积缩小的反应。通过实验表明, 在含量小于0.5%时，如果发生反应温度在 200C

7、以上不可能有羰基镍形成。鉴于甲烷化反应体系的在 200 C以上进行，因而正常情况下不会有反应（4）的发生。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和蒸汽 转化一样，都是以镍作为活性组分。但是甲烷化在更低的温度下进行，催化 剂需要更高的活性， 故催化剂中活性组分的镍含量较高， 通常达到 15-35(以 镍记)。有时也加入稀土元素做促进剂，为了使催化剂具有相当的耐热性。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 65 型催化剂，使用之前， 先用氢或脱碳 原料气还原，反应为：2 H21026(5)2+38.5(6)虽然还原反应的热效

8、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。还原后的镍催化剂会自燃， 要防止其与氧化性气体接触， 当前面的工序出 现事故时，有高浓度的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，还原后的催化剂不能用含的气体升温，以 防止低温生成羰基镍，影响催化剂的活性。硫、砷和卤都能使催化剂中毒， 他们的量即使是微量也会大大降低催化剂的活性与寿命，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

9、高温烧结。甲烷化催化剂的活性损失多与脱碳有关， 少量的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 化剂的寿命一般在 3-5 年。1.3反应机理和速率甲烷化：研究表明甲烷化吸附中间形态，指出吸附中间产物有三种：（1）易于吸附的甲烷和氧等；（2）歧化为易于加氧的碳原子；（3）不能反应的聚合碳。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速率控制，咼温加氧速率控制，反应机理如下：(5)+-+ - O+C(6)C2 -24(7)O+ H 2H2O(8)利用（6）的平衡公式和（8）的速率相等的关系可推知：式中:对于高和直径相等均为3.1

10、1的65催化剂。常压下的甲烷化速率表达式:1.309 107 yCO exp1167T5.915yco1219 expT式中为气体中的分率。1.3.2 2甲烷化机理如下：2+ kC022( 10)2 + kS + ( 11)+ H2KSC+O(12)快速C + H2Km 24(13)+ H2Kh H2O(14)O+ H 2 Kh H2O(15)由于上述机理可知：2的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，同理可推得：1/2Kco2 Ph 2 Pco4=-1 K co2 Pco2 Kh2 Kpho Ph2o式中-(RmKh Ks Ks Kco-Rh) 1/3,高和直径均为3.18的

11、65催化剂常压实验所得的2甲烷化速率表达式：4=48.66 10 丫叫 exp960-T2.797yco2exp2284T(16)1.3.3 -与混合气体的甲烷化混合气体的反应机理为:+ KCO + H- Rh H-O+ KSC+OC + H - Rm-快速4KCO-+ H 2 Rh H2O2+ KS +由此可知。2甲烷化首先在催化剂上分解成， 然后进行甲烷化，而2与分别 甲烷化的速度主要取决于吸附的O和加氢的速率相对大小，实验表明： 优 先甲烷化的趋势，只有在远低于 2时，两者才能以相当的速率进行。1.4甲烷化工艺与流程的选择甲烷化的压力通常随中低变和脱碳的压力而定，本设计以给的的压力为2.

12、53.进入甲烷化炉气体组成以给，即：名称H2N22含量 74.25%25.30%0.30%0.15%烷化反应器的温度的入口温度受到羰基全集形成的起燃温度的限制，必须高于200C，同时考虑高的转化率和能量消耗，我们选择入口温度260C左右。这样也给操作有一个较适合的波动范围。甲烷化的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 0.5-0.7%，甲烷化反应放出的热量可足够将进口气体预 热到所需要的温度。这就是内热型的依据，考虑到原料气中碳含量有时较上 述低，尚需外供热源，这就是外热型的可取处。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，余下的

13、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。第二章工艺计算2.1求绝热温升A根据公式AA> / iCpiA =30C我们取式中：为各组分定压摩尔热容单位 k,根据公式iH2N22(k)29.1330.4130.3845.41代入上式得：0.667206.16 1030.0040.333165.081030.0022671.29(29.1330.04)/20.993830.380.00445.410.002229.81 0 、22.52 C考虑到进入甲烷化炉气体中可能含有少量氧和其它综合因素,23可计算得:2.2求甲烷化炉出口气体温度To+Ax式中为甲烷化炉进口气体温

14、度To=26O, x为和2的转化率o+AxT 260300W66 10 6290 C0.00662.3反应速率常数K甲烷化反应机理和动力学较为复杂，而且还包含内外扩散的影响。 为了适应工程的简便计算，常假定与和2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的关系为：-Vdy。式中：V和分别为总容积流量 m3, k为表观反应速率常数，因催化剂型号而异，yco为气体中的含量，积分上式可得：VS（ 1+221）/（ 2+222）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的反应速率常数与温度的关系：”曲线在我们的范围内取13001，把

15、具体数据代入得:1300Vslg0.3 10 2 0.15 10 26 65 105 10Vslg 450Vs13002.653490.0m3 ?h2.4求反应器体积V式中：V。为气体体积流率由已知条件进气量为 240003，转化为2.53, 260C以后为:Ry 二 P26T1T23V21876.1m / h101325 240002.53 10 6 V2273.15533.15所以：Vr V0-Vs查甲烷化G65的压力校正系数曲线图，在2.53下，压力校正系数01=3.5,再取余量02=1.46，得实际反应体积VR 383 1.461.597m33.52.5换热器（A，B）的换热面积下图为

16、换热器事例图:高蒸汽44( C260 C求等压摩尔热容我们以进炉气为研究对象，在70 160C, TmA=388K，查得:iH2N22(k)28.529.629.341.03040在 160260°C, TmA=483K，查得:iH2N22(k)28.9230.1129.9743.84求摩尔流率N：Na =24000 100022.4 3600297.62mol /sNb Na297.62求吸收热率Q由公式；N? Cpi?yi ?得:Qa297.62 (28.53 29.60)/2 0.995529.34 0.003 41.00 0.0015 (160 70)7.79 105 j/s

17、QB =297.62 (28.9230.11)/2 0.995529.97 0.003 43.84 0.0015 (260 160)= 8.79 1 05 j/s求平均温度B: 160 Ct 260 C320 Cj 440 CA : 70Ct 160C200C J290Ca C B = C求换热面积SQ吸=Q放S 根据经验；在TmA=388K时，取a4002 C在 TmA=483K 时，取 B 350 2 C14.98m214.79m2把具体数据代入得：SaSBQa7.79105KA tmA400130Qb8.79105KBtmB350 169.8第三章设备计算3.1甲烷化反应器结构设计塔径1

18、.75m3=1750L选择容器长径比-H =2.8:1,则:D4HD3= 2.8 2200441000即筒体内径为1000塔高 2.82800工作压力工作温度设计压力设计温度工作压力2.53,当中压范畴设计压力2.53 1.1=1.1p工作=2.78工作温度330 C设计温度20 C =350 C圆柱形筒体与立封头材料选用A3R支撑式支座选用 A3F塔体保温层厚度为50,保温材料比重3003甲烷化反应器安置进出气管和其他接管见装备图3.2按设计压力计算筒体和封头壁厚公式So=其中So :容器的理论计算壁厚P：设计压力、设计温度下筒体的许用压力查表钢板许用压力350 C下许用压力为97焊接系数采

19、用双面对接焊比较好=0.85壁厚附加量C 123Ci：钢板负偏差Ci=0.8C2:腐蚀裕量C2=1C3：加工减薄量C3=0理论计算壁厚 S2.78 10002 97 0.852.7818.3mm实际计算壁厚S0018.3123=18.3+1.8=20.1圆套后钢板实际壁厚20强度检验PD/2SV七满足壁厚即 P () /22.78 X020/2 >20=70.8970.89< t=97 壁厚满足326封头的设计计算根据筒体选用标准椭圆形封头，这种封头是由半个椭圆球和一段高度为表得ho=5OhO,查又-DL=2=>i4 hi2 hii:封头内壁曲面高度同椭圆壁厚设计一样Di 1

20、OOO 25Omm42O封头总高oo=2O+25O+5O=32O选用椭圆形封头作用: S封筒，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法兰联结的设计选用法兰联结由两个法兰，垫中和若干个螺栓螺头。Fg 2.45MPa 工作温度 T 300°C查 Dg Di 1OOOmm查压力容器法兰的分类和规格22 1乙形平焊法兰的允许工作压力22 4允许工作压力1.57，类型：乙型平焊法兰，规格1159 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226压力容器法兰用垫圈尺寸查法：垫圈外径 165，垫圈内径 1015联接螺

21、栓为M20，共30个，材料为A3，螺头材料用A2。所以，选用的法兰标准代号：法兰Y161000容器的支座首先粗略计算支座负荷。炉体总量 12345a .炉体量 Q1Dg 1000mm S 20mm 筒体，没 m2 重 1540.47 牛顿。2S DH 2.81 8.796m2Q1 8.796 154 13.548KN 1.382Tb.封头重Q22Q2r2 /2 2 1.54 1.21KN 0.121T填充催化剂重量 Q3Q3 1Kg/L 2.200L 2.38t保温层重量 Q4 300Kg/m3 0.529m3 0.159t人孔与附件重量 Q5人孔约重 2 合 0.02t支座与其它总和重 1.

22、04t那么，设备总重Q为：12345=1.382+0.121+0.159+2.2+1.05(t)=4.992t由于甲烷化炉是立式容器，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 2.5 1168-813.4物料进出口接管气体进口接管采用可拆 219X66勺无缝钢管，法兰 252005012-58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：t/s务0.3标准封头1.8219 6 i_.R 25000.575R , S 500 1.8203.4查球壳上安装平齐接管应力集中曲线得应力集中系数，峰值应力 max K 3.4 70.89 241.03MPa按极

23、限原则考虑，材料的2.25 3502.25 2.25 97218.25MPaI max 2.25条件必须补强选用200X15补强圈(1207-73)进行补强342气体出口管选用 159X 4.5无缝钢管管法兰标记为：250150 5012-58管口处应力集中系数计算如下：4.5/200.2251594.52500 1.8t/s5000.41620r . r1.8R . s插球壳上安装平齐接管应力集中曲线得应力集中系数2.8maxK 空 2.8 鮎7 500s20= 194.6Mpa2.25 a°=2.25 97218.75Mpamax2.25所以，不需补强制动测量仪表接口a. 压力表

24、的选用b. 温度计的选用选用公称直接5带有法兰联结的热电偶。具体装置图。查表6管法兰尺寸，选用©32 35的无缝钢管，具体尺寸见图标记25255012-58数量 4,直径 M12 3.5手孔或人孔的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，法兰和盖板构成.查表化工容器与设备简名设计手册当1000人孔公称直径450工作系统压力 2.53.人孔标准按公称压力 2.5设计.密封压紧面采用 A型.吊盖选用水平吊盖 根据人孔与反应器体尺寸，设计幵孔应力集中系数，所需数据如下幵孔半径480(122.53 1)231.53mm2筒节=122.53 18.47mm甲烷化反映器5

25、00壁厚20于是幵孔系数 2 . RR V s由化工设备机械基础图 20-11查得应力集中系数4.8不补强最大应力max k-5 4.8 2.78 500 346.68MpaS20根据极限设计要求max225350令 2.25=2.25 >97=218.25max>2.25所要补强，采用补强圈补强，取厚度为15钢板则他的有效厚度s' =1&0.8=14.2,则补强圈的壳体总厚度为:'20+14.2=34.2r根据 847 0.25r 34.2-R1.63R s查化工设备机械基础图 20-11查得应力集中系数 4.9最大应力 max 4.9 >=199.

26、2Srmax <2.25=218.25所以用15厚的钢板作补强是合适的.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是D1=484（内径）D2=760（外径）设计心得本设计为合成氨工艺中的甲烷化这一工艺段的设计。 在设计过程中， 我们 参阅教材并收集了大量的相关资料 ,并应用热力学的方法计算与搜集相关的物 性数据参数，经过多次分析比较得出我们认为合理可行的方案、并完成设计 的。工艺尺寸的选取等参阅有关工艺的设计方法和借鉴相关设计经验，并绘 制了相应的工艺流程图。这次的工艺设计使我更加扎实的掌握了有关甲烷化工艺方面的知识， 在设 计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检 查终于找出了原因所在， 也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。 实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。鉴于 我们的知识与经验