甲烷化工艺设计培训资料.docx

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1、合肥学院HefeiUn iversity化工工艺课程设计设计题目：甲烷化工艺设计系 别：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手孔及人孔的设计 15设

2、计心得 16参考文献及附图 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%CO 2%H2%N2%E10. 300. 1599.551.2.3 出口气体成分 CO w ppm,CO2W ppm”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 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确定甲烷化炉的工艺操作条件1.3.3确定甲烷化炉的催化剂床体积、塔径及床层高度1.3.4绘图：（1）工艺流程图

3、；（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，附工艺流程图及主体设备图一张（要求工艺流程图出A2以上的图，要求主体设备用AutoCAD 出A2以上的图）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

4、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。 CO、CO2、02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CO等含氧化合物总量脱除至10X10- 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

5、、投资省、运行费用低和对环境基本无污染 等优点。从工艺的合理性以及投资和操作费用等方面来看，甲烷化是合成氨安全、稳定生产的必然选择。在合成氨的粗原料气的净化过程中，CO2变换和CO脱除后的原料气尚含有少量的残余的CO , CO2, 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CO和CO 2的含量不超过5ppm。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CO , CO2, H2S和氧，然后溶液在减压和加热的条件下再生，甲烷化六十

6、年代才开始的。虽然催化剂上把CO和CO2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CO , CO2含量比较低的原料气。与铜洗法相比，甲烷化具有工艺简单，操作方便，费用低的优点。 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+3H 2=CH 4+ H2O+206.16KJ( 1)CO2+3H2=CH 4+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 H 2=2H 2O+241.99 KJ( 3)某种条件下：CO还可能与催化剂中的镍生成羰基。即：Ni+4CO=Ni(CO) 4(4)甲烷化反应平衡常数随

7、温度而下降，但在常用的范围(240-420 C)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是完全可能的。CO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CO含量小于0.5%时，如果发生反应温度在200C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

8、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+H 2=Ni+ H 2O + 1026KJ(5)NiO+CO= Ni+CO 2+38.5KJ(6)虽然还原反应的热效应不大，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

9、外， 还原后的催化剂不能用含 CO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) 易于吸附的CO甲烷和氧

10、等；(2) CO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，高温加氧 速率控制，反应机理如下：CO +CO(5)CO+ O+C(6)C+H 2 CH 2CH 4(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：RcH4 =KCOPh2oPCO22KCO PCO1/2式中：K s K co K hKm= KmKm对于高和直径相等均为3.11mm的G-65催化剂。常压下的 CO甲烷化速率表达式:RCH4 =1.309 107 yCO exp1167T1 5.915yCO exp式中yc。

11、为气体中CO的分率1.3.2 CO2甲烷化机理如下:CO2+kco2CO2(10)CO+ H 2 KS C+O（12）快速C + H 2 KmCH2CH 4（13）O+ H2KhH2O（14）O+ H 2 KhH2O（15）由于上述机理可知：CO2的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CO2 +ksCO+O +(11)反应，同理可推得：1/2K co2 ph 2 pcoRcH4 =1 kco2 pco2kh2 Kpho ph2o式中Kco2（ RmKh Ks K s KgRh）3,高和直径均为3.18mm的G-65催化剂常压实验所得的CO 2甲烷化速率表达式:48.66 1

12、0 ycC2RCH4 =12.797yco2exp9602Texp2284T(16)1.3.3 CO2与CO混合气体的甲烷化混合气体的反应机理为:CO + KCOCORhCO + H 2 RhH2OCO+KSC+ORm快速C + H 2CH 2CH 4CO 2 + KCO2CO2O + + H 2H2OC0 2+C0+ 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 甲烷化的速度主要取决于吸附的 O和O+加氢的速率相对大小，实验表明： CO优先甲烷化的 趋势，只有在 Pco远低于PCO2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2

13、.53MPa.进入甲烷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 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260 C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

14、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HRN / iCpi式中：Cpi为各组分定压摩尔热容单位J/mol k,根据公式Cp=a+bT+cT 2+dT3 可计算得：iH2N2COCO2(J/ mol k) Cp 29.1330.4130.3845.41代入上式得：330.667 206.16 100.004 0.333 165.08 100.0022671.29 22.52 C (29.1330.04)/2 0.993830.38 0.00445.410

15、.002229.81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，我们取A =30C2.2求甲烷化炉出口气体温度TT=T 0+ Ax式中To为甲烷化炉进口气体温度 T=260C, x为CO和CO2的转化率T=T 0+Ax260300.006610 60.0066290 C2.3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 CO和CO2含量成一定一级关系，以一氧化碳甲烷化为例，反应速率与一氧化碳的关系为：dVcoVdy0=K ycodVRdVR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，

16、为气体中CO的含量，积分上式可得：K=VS lg (yco 1+2yco21) / (ycO2+2yc022)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 K=1300k-1，把具体数据代入得：1300Vslg0.3 10 20.15 10 25 10 6 5 10 6Vslg 450Vs31490.0m ?h2.6532.4求反应器体积Vr式中：V0为气体体积流率由已知条件进气量为24000Nm3/h，转化为2.53Mpa , 260 C以后为:6RM P26101325 24000 2.53

17、 1053 /u=V2 1876.1m / hT1T2273.15533.15所以：vr=V0 = Vs490.03.83m3查甲烷化G65的压力校正系数曲线图，在C2=1.46，得实际反应体积 Vr3.833.52.53Mpa下，压力校正系数1.461.597m3C1=3.5，再取余量2.5换热器（A，B）的换热面积下图为换热器事例图：我们以进炉气为研究对象，在70 160C, TmA=388K，查得:iH2N2COCO2(J/ mol ) Cp 28.5329.6029.3441.00在 160 260C, TmA=483K，查得:iH2N2COCO 2(J/ mol k) Cp28.92

18、30.1129.9743.842.5.1求摩尔流率N:Na=24001J00022.4 3600297.62mol /sNB = Na =297.62 mol/s2.5.2求吸收热率Q由公式；Q= N ? Cpi?yi ?得:297.62 (28.53 29.60)/2 0.995529.34 0.003 41.00 0.0015 (16070)57.79 10 j /sQB =297.62 (28.9230.11)/2 0.9955 29.970.003 43.84 0.0015 (260160)= 8.79 105 j/s2.5.3求平均温度AmA : 70Ct 160C200 C j 2

19、90CB: 160Ct 260C320 Cj 440C130 130AmA =2130 C2.5.4求换热面积SQ 吸=Q 放=KS Am180 160,180ln160169.8 C根据经验；在TmA=388K时，取K A =400w/m2 C在 TmA=483K 时，取 K B =350 w/m2 C把具体数据代入得：14.98m2Qa 7.79 105KA_tmA 400 130SbQbKb tmB8.79 105350 169.814.79m2第二章设备计算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 詈=2.8:1,则：D4H D3 Vs =2

20、.8220044D=D i=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,当中压范畴设计压力 p=2.53 1.1=1.1 p 工作 =2.78Mpa工作温度T=330 C设计温度t=T+20 C =350 C3.1.3圆柱形筒体及立封头材料选用 A3R支撑式支座选用 A3F3.1.4塔体保温层厚度为is=50mm,保温材料比重rn=300kgf/m33.1.5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S0=PD2 t p其中容器的理论计算壁厚 mmP:设计压力MP

21、at :设计温度下筒体的许用压力MPa查表钢板许用压力 350 C下许用压力为97MPa3.2.1焊接系数采用双面对接焊比较好=0.85322壁厚附加量CC = C1+C2+C3Ci：钢板负偏差Ci=0.8mmC2:腐蚀裕量C2=1 mmC3：加工减薄量C3=03.2.3理论计算壁厚SSo=18.3mmPD =2.78 1000p = 2 97 0.85 2.783.2.4实际计算壁厚S0Sc=S0+C =18.3+C 什 C2+C3=18.3+1.8=20.1 mm圆套后钢板实际壁厚 20mm3.2.5强度检验PD/2S七满足壁厚即 P (Di+S) /2S=2.78 M020/2 20=7

22、0.89 MPa70.89MPaDi =4hi 2hihi 2250mm44hi：封头内壁曲面高度 同椭圆壁厚设计一样S=20mm圭寸头总高h=Sj+hi+h0=20+250+50=320 mm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法兰联结的设计选用法兰联结由两个法兰，垫中和若干个螺栓螺头。Pg 2.45MPa工作温度T 300C查 Dg Di 1000 mm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 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

23、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22 6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，选用的法兰标准代号：法兰 Y1610003.3.2 容器的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 Q1Dg 1000mm, S 20mm筒体，没 m2重 1540.47 牛顿。S DH 2.81 8.796 m 2Q18.796 1541 3.548KN1 .382Tb .封头重Q2Q2r2 /2 2 1.54 1.21KN0.121

24、T3.3.3 填充催化剂重量 Q3Q3 1Kg / L 2.200L 2.38t3.3.4保温层重量 Q4 300Kg /m3 0.529m3 0.159t3.3.5 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 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 22 9支承式支座尺寸 得，支座 2.5 TB1168-813.4 物料进出口接管341气体进口接管采用可拆 219X6的无缝钢管，法兰 Pg25Dg2

25、00HG5012-58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综0.3标准封头1.8rR219 62500500 1.8 . 200.575查球壳上安装平齐接管应力集中曲线得应力集中系数，K=3.43.4 70.89241.03MPa按极限原则考虑，材料的2.25 3502.25 2.25 97218.25MPaI max 225条件峰值应力max K必须补强选用Dg200X15补强圈(JB1207-73)进行补强3.4.2气体出口管选用 159X 45无缝钢管管法兰标记为：Pg250Dg150 HG5012-58管口处应力集中系数计算如下：t/s 4.5/

26、20 0.225r r1.8Rs空4.5500 1.80.416插球壳上安装平齐接管应力集中曲线得应力集中系数K=2.8maxkPR 2.8s20=194.6Mpa2.25 =2.25 97218.75Mpamax 2.25所以，不需补强。343制动测量仪表接口a. 压力表的选用b. 温度计的选用选用公称直接Dg=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 Pg25Dg25,HG5012-58 数量4,直径M123.5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.查表化工容器及设备简名设计手

27、册当Di=i000mm 人孔公称直径 Dg=450 mm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=480(122.53 1)231.53mm2筒节=12 2.53 18.47mm甲烷化反映器R=500 mm壁厚 s=20mm于是开孔系数=-.R= 231.532.315R H s5005叫V 208.47t/s= 0.423520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max k畔 4.8 2.78 500 346.68Mpa

28、S 20根据极限设计要求350max 2.25令 2.25=2.25 X97=218.25Mpamax 2.25所要补强，采用补强圈补强，取厚度为15mm钢板，则他的有效厚度 s =10.8=14.2,则补强圈 的壳体总厚度为：sr =s+s =20+14.2=34.2mm根据 t/ s = 8.47 =0.25r 34.2=丄 R = 231.53500 =1.63R - s 500- 34.2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 max =K -P-R =4.9 芥7 500 =199.2 Mpasrsrmax 2.25=218.25所以用15mm厚的钢板作补

29、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及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

30、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的不足，难免有些不合理的地方，纰漏之处还请老 师批正！工艺课程设计给我很多专业知识以及专业技能上的提升，让我感触很深。使我对抽象的理 论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了甲烷化的技术方法；熟悉了化工设备尺寸的 设计；加深了化工原理相关内容的理解，比如塔高、塔径的确定，换热面积的计算等。通过这次的课程设计，不仅培养了我们独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也 都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的， 真的是受益匪浅。我们不仅可以学到很多很多的东

31、西，同时还可以巩固了以前所学过的知识， 而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是 很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中 得出结论，才能真正提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，体会到团队精神 的重要性。通过相互之间的合作和交流，大家集思广益使事情做起来事半功倍。参考文献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，合成氨工艺与节能 ，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 年葺MB葺MB