甲烷化基本工艺设计.doc

合 肥 学 院Hefei University化工工艺课程设计设计题目：甲烷化工艺设计系别：化学和材料工程系专业：化学工程和工艺学号：姓名：指导老师：6月目录设计任务书1第一章 方案介绍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甲烷化工艺步骤选择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 反应器零部件选择123.4 物料进出口接管133.5 手孔及人孔设计15设计心得16参考文件及附图17设计任务书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%E103001599.551.2.3出口气体成份“CO5ppm,CO25ppm”1.3设计内容 变换工段在合成氨生产起作用既是气体净化工序，又是原料气再制造工序，经过变换工段后气体中CO含量大幅度下降，符合进入甲烷化或铜洗工段气质要求。1.3.1选定步骤1.3.2确定甲烷化炉工艺操作条件1.3.3确定甲烷化炉催化剂床体积、塔径及床层高度1.3.4绘图：（1）工艺步骤图；（2）甲烷化炉工艺条件图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，结构设计和说明，设计总结，附录，致谢，参考文件，附工艺步骤图及主体设备图一张（要求工艺步骤图出A2以上图，要求主体设备用AutoCAD出A2以上图）1.4.2概述1.4.3热力计算（包含选择结构，传热计算，压力核实等）1.4.4结构设计和说明1.4.5设计总结1.4.6附录1.4.7致谢1.4.8参考文件1.4.9附工艺步骤图及主体设备图一张第一章 方案介绍合成氨工业是基础化学工业之一。其产量居多种化工产品首位。已成为当今合成氨工业生产技术发展方向。国际上对合成氨需求,伴随人口增加而对农作物增产需求和环境绿化面积扩大而不停增加。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,合成氨工业是农业基础。它发展将对国民经济发展产生重大影响。所以,中国现有众多化肥生产装置应成为改造扩建增产基础。以后应利用中国开发和消化吸收引进工艺技术,自力更生,立足中国,走出一条含有中国特色社会主义民族工业发展道路。CO、CO2、O2 等是氨合成催化剂毒物, 生产中通常要求将氨合成原料气CO 等含氧化合物总量脱除至1010- 6。脱除方法关键有铜氨液洗涤法( 铜洗法) 、液氮洗涤法和甲烷化法。甲烷化净化方法和铜洗、液氮洗法相比, 含有步骤简单、投资省、运行费用低和对环境基础无污染等优点。从工艺合理性和投资和操作费用等方面来看, 甲烷化是合成氨安全、稳定生产肯定选择。在合成氨粗原料气净化过程中,CO2变换和CO脱除后原料气尚含有少许残余CO，CO2，O2 和水等杂质。为了它们合成催化剂毒害，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”，精练后要求CO和CO2含量不超出5ppm。原料气精练方法通常有三种，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19就开始采取方法，在高压和低温下用铜盐氨溶液吸收 CO，CO2，H2S和氧，然后溶液在减压和加热条件下再生，甲烷化六十年代才开始。即使催化剂上把CO和CO2加氢成甲烷研究早已开始，但要消耗用氢气而生成无用甲烷，所以此法只适适用于CO，CO2含量比较低原料气。和铜洗法相比，甲烷化含有工艺简单，操作方便，费用低优点。工艺步骤图：脱碳气气水分离器甲烷化换热器甲烷化电炉原料气甲烷化炉甲烷化冷凝器甲烷化气气水分离器 甲烷气1. 1甲烷化反应平衡在甲烷化炉内，关键发生甲烷化反应： CO+3H2=CH4+ H2O+206.16KJ （1） CO2+3H2=CH4+2 H2O+165.08KJ （2）当原料气有氧存在时，氧和氢反应生成水，即：O2+2 H2=2H2O+241.99KJ （3）某种条件下：CO还可能和催化剂中镍生成羰基。即：Ni+4CO=Ni(CO)4 （4）甲烷化反应平衡常数随温度而下降，但在常见范围（240-420）内，平衡常数很大。为此，要求甲烷化出口气体CO和CO2含量低于5ppm是完全可能。CO和催化剂中镍生成羰基镍反应是放热且体积缩小反应。经过试验表明，在CO含量小于0.5时，假如发生反应温度在200以上不可能有羰基镍形成。鉴于甲烷化反应体系在200以上进行，所以正常情况下不会有反应（4）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，所以甲烷化反应催化剂和蒸汽转化一样，全部是以镍作为活性组分。不过甲烷化在更低温度下进行，催化剂需要更高活性，故催化剂中活性组分镍含量较高，通常达成15-35（以镍记）。有时也加入稀土元素做促进剂，为了使催化剂含有相当耐热性。为此，催化剂常载有耐火材料。现在，甲烷催化剂中国外有多个类型，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)即使还原反应热效应不大 ，但一经还原后催化剂就含有了活性，甲烷化反应就能够进行了，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。还原后镍催化剂会自燃，要预防其和氧化性气体接触，目前面工序出现事故时，有高浓度碳氧化合物进入甲烷化炉中，床层会快速上升，这时应立即放空并切断原料气。另外，还原后催化剂不能用含CO气体升温，以预防低温生成羰基镍，影响催化剂活性。硫、砷和卤全部能使催化剂中毒，她们量即使是微量也会大大降低催化剂活性和寿命，因为本步骤有脱硫工序获降低温度变换工序，所以，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。甲烷化催化剂活性损失多和脱碳相关，少许液滴带入甲烷化炉几乎不可避免，通常不会造成盐类遮盖催化剂表面，造成活性严重损失，甲烷化催化剂寿命通常在3-5年。1.3 反应机理和速率1.3.1 CO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CO甲烷和氧等；（2）CO歧化为易于加氧碳原子；（3）不能反应聚合碳。并比较了甲烷化速率和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，反应机理以下：CO + CO （5）CO+ O+C （6）C+H2CH2CH4 （7）O+ H2H2O （8）利用（6）平衡公式和（8）速率相等关系可推知：RCH4= 式中：Km= Km对于高和直径相等均为3.11mmG-65催化剂。常压下CO 甲烷化速率表示式：RCH4= 式中yco为气体中CO分率。1.3.2 CO2甲烷化机理以下：CO2+ CO2 （10）CO2 + CO+O+ （11）CO+ H2C+O （12）C + H2 CH2 CH4 （13）O+ H2 H2O （14）O+ H2H2O （15）因为上述机理可知：CO2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：RCH4=式中KCO2（）1/3,高和直径均为3.18mmG-65催化剂常压试验所得CO2甲烷化速率表示式：RCH4= （16）1.3.3 CO2和CO混合气体甲烷化混合气体反应机理为：CO + CO CO + H2H2OCO+ C+OC + H2 CH2 CH4CO2 + CO2O+ + H2H2OCO2+ 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和CO分别甲烷化速度关键取决于吸附O和O+加氢速率相对大小，试验表明：CO 优先甲烷化趋势，只有在Pco远低于Pco2时，二者才能以相当速率进行。1.4 甲烷化工艺和步骤选择甲烷化压力通常随中低变和脱碳压力而定，本设计以给压力为2.53MPa.进入甲烷化炉气体组成以给，即：名称H2N2COCO2含量74.25%25.30%0.30%0.15%甲烷化反应器温度入口温度受到羰基全集形成起燃温度限制，必需高于200，同时考虑高转化率和能量消耗， 我们选择入口温度260左右。这么也给操作有一个较适合波动范围。甲烷化步骤关键有两种类型，即外加热和内加热型。依据计算，只需要原料含有碳氧化合物0.5-0.7%，甲烷化反应放出热量可足够将进口气体预热到所需要温度。这就是内热型依据，考虑到原料气中碳含量有时较上述低，尚需外供热源，这就是外热型可取处。取二者之长，我们选择以下步骤，先用甲烷化反应后出口气体温度上升，余下温差在用高变气体加热直待入口气体温度达成260，步骤图后附。第二章 工艺计算2.1求绝热温升依据公式=-HRN。/式中：Cpi为各组分定压摩尔热容单位J/molk，依据公式Cp=a+bT+cT2+dT3可计算得：iH2N2COCO2（J/ molk）Cp29.1330.4130.3845.41代入上式得：考虑到进入甲烷化炉气体中可能含有少许氧和其它综合原因，我们取=302.2求甲烷化炉出口气体温度TT=T0+x式中To为甲烷化炉进口气体温度T0=260OC，x为CO和CO2转化率T=T0+x2.3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影响。为了适应工程简便计算，常假定和CO和CO2含量成一定一级关系，以一氧化碳甲烷化为例，反应速率和一氧化碳关系为：= =K式中：V和Vco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含量，积分上式可得：K=lg（yco1+2yco21）/（yCO2+2yco22）甲烷化表观反应速率常数K不仅和温度相关，还随压力增大而增加，查在常压下“甲烷化催化剂G65反应速率常数和温度关系：”曲线在我们范围内取K=1300k-1，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24000Nm3/h，转化为2.53Mpa，260以后为：=所以：=查甲烷化G65压力校正系数曲线图，在2.53Mpa下，压力校正系数c1=3.5，再取余量c2=1.46，得实际反应体积VR2.5换热器 (A，B)换热面积下图为换热器事例图：高蒸汽440 260B320 A200出甲烷化炉290求等压摩尔热容Cp我们以进炉气为研究对象，在70160，=388K，查得：iH2N2COCO2（J/ molk）Cp28.5329.6029.3441.00 在1602600C，=483K，查得：iH2N2COCO2（J/ molk）Cp28.9230.1129.9743.842.5.1求摩尔流率N：=297.62mol/s2.5.2求吸收热率Q由公式；Q=t得： = =2.5.3求平均温度tmA：70160 B：160260 200290 320440tm=tm = 2.5.4求换热面积S吸=放=KStm依据经验；在=388K时，取K=400w/m2 在=483K时，取K=350 w/m2把具体数据代入得：第三章 设备计算3.1甲烷化反应器结构设计3.1.1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=2.8D=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,当中压范围设计压力p=2.531.1=1.1p工作 =2.78Mpa工作温度T=330设计温度t=T+20=3503.1.3圆柱形筒体及立封头材料选择A3R支撑式支座选择A3F3.1.4塔体保温层厚度为is=50mm,保温材料比重rn=300kgf/m3 3.1.5甲烷化反应器安置进出气管和其它接管见装备图.3.2 按设计压力计算筒体和封头壁厚公式S0=其中S0 :容器理论计算壁厚 mm P:设计压力 MPa :设计温度下筒体许用压力 MPa查表钢板许用压力350下许用压力为97MPa3.2.1焊接系数采取双面对接焊比很好 =0.853.2.2壁厚附加量C C=C1+C2+C3C1:钢板负偏差 C1=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S0Sc=S0+C=18.3+C1+C2+C3=18.3+1.8=20.1mm圆套后钢板实际壁厚20mm3.2.5强度检验满足壁厚即P（Di+S）/2S=2.781020/220=70.89MPa70.89MPaD=4hi hi:封头内壁曲面高度同椭圆壁厚设计一样 S=20mm封头总高 h=S0+hi+h0=20+250+50=320mm选择椭圆形封头作用: 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择3.3.1法兰联结设计选择法兰联结由两个法兰，垫中和若干个螺栓螺头。 工作温度 查 查压力容器法兰分类和规格 221乙形平焊法兰许可工作压力224许可工作压力1.57MPa ，类型：乙型平焊法兰，规格 JB115982。依据工作介质，选择凹凸型密封面很好，代号“T”。垫面材料选择石棉橡胶板，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，选择法兰标准代号：法兰Y1610003.3.2容器支座首先粗略计算支座负荷。炉体总量Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5 a .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人孔及附件重量Q5人孔约重2KN合0.02t支座及其它总和重1.04t那么，设备总重Q为：Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=1.382+0.121+0.159+2.2+1.05(t)=4.992t因为甲烷化炉是立式容器，选择支承式支座材料选择A3F查表229支承式支座尺寸得，支座2.5 TB1168-813.4物料进出口接管3.4.1气体进口接管采取可拆2196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以下： 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峰值应力按极限标准考虑，材料 条件必需补强选择Dg20015补强圈（JB1207-73）进行补强3.4.2气体出口管选择1594.5无缝钢管管法兰标识为：Pg250Dg150 HG5012-58管口处应力集中系数计算以下：插球壳上安装平齐接管应力集中曲线得应力集中系数 K=2.8=2.25350=所以，不需补强。3.4.3制动测量仪表接口a压力表选择b温度计选择选择公称直接Dg=5带有法兰联结热电偶。具体装置图。查表6管法兰尺寸，选择无缝钢管，具体尺寸见图标识Pg25Dg25,HG5012-58数量4，直径M123.5手孔或人孔设计计算人孔和手孔设计一项即可,现以设计选择人孔.人孔关键有筒节,法兰和盖板组成.查表化工容器及设备简名设计手册当Di=1000mm 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.密封压紧面采取A型.吊盖选择水平吊盖.依据人孔及反应器体尺寸,设计开孔应力集中系数,所需数据以下:开孔半径r=筒节=甲烷化反应器R=500mm壁厚 s=20mm于是开孔系数=t/s=由化工设备机械基础图20-11 查得应力集中系数k=4.8不补强最大应力 依据极限设计要求令2.25=2.2597=218.25Mpa2.25所要补强,采取补强圈补强,取厚度为15mm钢板,则她有效厚度s=150.8=14.2,则补强圈壳体总厚度为:s=s+s=20+14.2=34.2mm依据t/ s=0.25=1.63查化工设备机械基础图20-11查得应力集中系数 K=4.9最大应力=K=4.9=199.2Mpa2.25=218.25所以用15mm厚钢板作补强是适宜.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甲烷化这一工艺段设计。在设计过程中，我们参阅教材并搜集了大量相关资料,并应用热力学方法计算及搜集相关物性数据参数，经过数次分析比较得出我们认为合理可行方案、并完成设计。工艺尺寸选择等参阅相关工艺设计方法和借鉴相关设计经验，并绘制了对应工艺步骤图。这次工艺设计使我愈加扎实掌握了相关甲烷化工艺方面知识，在设计过程中即使碰到了部分问题，但经过一次又一次思索，一遍又一遍检验最终找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面知识欠缺和经验不足。实践出真知，经过亲自动手制作，使我们掌握知识不再是纸上谈兵。鉴于我们知识和经验不足，难免有些不合理地方，纰漏之处还请老师批正！ 工艺课程设计给我很多专业知识和专业技能上提升，让我感慨很深。使我对抽象理论有了具体认识。经过这次课程设计，我掌握了甲烷化技术方法；熟悉了化工设备尺寸设计；加深了化工原理相关内容了解，比如塔高、塔径确实定，换热面积计算等。经过这次课程设计，不仅培养了我们独立思索、动手操作能力，在多种其它能力上也全部有了提升。更关键是，在试验课上，我们学会了很多学习方法。而这是以后最实用，真是受益匪浅。我们不仅能够学到很多很多东西，同时还能够巩固了以前所学过知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过知识。这次课程设计使我知道了理论和实际相结合是很关键，只有理论知识是远远不够，只有把所学理论知识和实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正提升自己实际动手能力和独立思索能力。试验过程中，也对团体精神进行了考察，让我们在合作起来愈加默契，体会到团体精神关键性。经过相互之间合作和交流，大家集思广益使事情做起来事半功倍。 参考文件1. 化工过程及设备设计,华南理工大学出版社，1986年2. 化工工艺设计手册。国家医药管理局上海医药设计院，1986年3. 化工手册编委会编。化工手册（第一篇），化学工业出版社，1980年4. 石油化学工业部化工设计院主编小氮肥厂设计手册石油化学工业出版社，1979年5. 石油化学工业部化工设计院主编氮肥工艺设计手册理化数据分册石油化学工业出版社，1977年6. 张成芳著，合成氨工艺和节能，华东化工学院出版社，1988年7. 化工第四设计院，小型氮肥装置新技术选编，1992年8. 陈劲松等编，小型合成氨厂变换工段操作数据手册，化学工业出版社，19919. 向德辉等编，化肥催化剂实用手册，化学工业出版社，1992年