甲烷化工藝設(shè)計

1、合肥學(xué)院HefeiUniversity化工工藝課程設(shè)計設(shè)計題目：甲烷化工藝設(shè)計系另h化學(xué)與材料工程系專業(yè)：化學(xué)工程與工藝學(xué)號：姓名：指導(dǎo)教師：2016年6月目錄設(shè)計任務(wù)書1第一章方案簡介31.1甲烷化反應(yīng)平衡31、2甲烷化催化劑31。3反應(yīng)機理與速率41、4甲烷化工藝流程得選擇6?第二章工藝計算2.1求絕熱升溫?2、2求甲烷化爐出口溫度72、3反應(yīng)速率常數(shù)72.4求反應(yīng)器體積？82。5換熱器換熱面積9?第三章設(shè)備計算93、1甲烷化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計113。2計算筒體與封頭壁厚11？3。 3反應(yīng)器零部件得選擇12？3、4物料進出口接管133.5手孔及人孔得設(shè)計15設(shè)計心得16參考文獻及附圖17設(shè)計任

2、務(wù)書1、1設(shè)計題目：甲烷化工藝設(shè)計1.2 設(shè)計條件及任務(wù)1、2。1進氣量:24000Nm3/h1、2、2進料組成（mol%）:組數(shù)CO%CO2%H2%N2%E10.300。1599、551、2。3出口氣體成分tO<ppm,CO2<5ppm”1.3 設(shè)計內(nèi)容變換工段在合成氨生產(chǎn)起得作用既就是氣體得凈化工序，又就是原料氣得再制造工序，經(jīng)過變換工段后得氣體中得co含量大幅度下降，符合進入甲烷化或者銅洗工段氣質(zhì)要求。1。3。1選定流程1.4 。2確定甲烷化爐得工藝操作條件1。3。3確定甲烷化爐得催化劑床體積、塔徑及床層高度1o3。4繪圖:（1）工藝流程圖；（2）甲烷化爐得工藝條件圖1、4設(shè)

3、計說明書概要1 O4.1目錄:設(shè)計任務(wù)書概述，熱力計算，結(jié)構(gòu)設(shè)計與說明，設(shè)計總結(jié)，附錄，致謝，參考文獻，附工藝流程圖及主體設(shè)備圖一張（要求工藝流程圖出A2以上得圖，要求主體設(shè)備用AutoCAD出A2以上得圖）1。4.2概述1.4。 3熱力計算（包括選擇結(jié)構(gòu)，傳熱計算,壓力核算等）1、4.4結(jié)構(gòu)設(shè)計與說明1 .4.5設(shè)計總結(jié)1.4、 6附錄1.5、 7致謝1。4.8參考文獻1。4、9附工藝流程圖及主體設(shè)備圖一張?第一章方案簡介合成氨工業(yè)就是基礎(chǔ)化學(xué)工業(yè)之一。其產(chǎn)量居各種化工產(chǎn)品得首位。已成為當(dāng)今合成氨工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展得方向。國際上對合成氨得需求，隨著人口得增長而對農(nóng)作物增產(chǎn)得需求與環(huán)境綠化面積得

4、擴大而不斷增加。合成氨工業(yè)在國民經(jīng)濟中舉足輕重、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，有收無收在于水，收多收少在于肥”。所以，合成氨工業(yè)就是農(nóng)業(yè)得基礎(chǔ)。它得發(fā)展將對國民經(jīng)濟得發(fā)展產(chǎn)生重大影響、因此，我國現(xiàn)有眾多得化肥生產(chǎn)裝置應(yīng)成為改造擴建增產(chǎn)得基礎(chǔ)、今后應(yīng)利用國內(nèi)開發(fā)與消化吸收引進得工藝技術(shù)，自力更生，立足國內(nèi)，走出一條具有中國特色得社會主義民族工業(yè)得發(fā)展道路。CO、CO2、。2等就是氨合成催化劑得毒物，生產(chǎn)中一般要求將氨合成原料氣CO等含氧化合物總量脫除至10X106、脫除得方法主要有銅氨液洗滌法(銅洗法)、液氮洗滌法與甲烷化法、甲烷化凈化方法與銅洗、液氮洗法相比，具有流程簡單、投資省、運行費用低與對環(huán)境基本無污染等優(yōu)

5、點。從工藝得合理性以及投資與操作費用等方面來瞧，甲烷化就是合成氨安全、穩(wěn)定生產(chǎn)得必然選擇、在合成氨得粗原料氣得凈化過程中，C02變換與CO脫除后得原料氣尚含有少量得殘余得CO,CO2,O2與水等雜質(zhì)。為了它們合成催化劑得毒害，原料氣在送給往合成之前還需要有一個凈化步驟，稱為精練”精練后規(guī)定CO與CO2得含量不超過5ppm。原料氣得精練方法一般有三種，即銅氨液吸收法，甲烷化與深冷液氨洗滌法，銅氨液吸收法就是1913年就開始采用得方法，在高壓與低溫下用銅鹽得氨溶液吸收CO,CO2,H2s與氧，然后溶液在減壓與加熱得條件下再生，甲烷化六十年代才開始得。雖然催化劑上把CO與CO2加氫成甲烷得研究早已開

6、始，但要消耗用氫氣而生成無用得甲烷，所以此法只適用于CO,CO2含量比較低得原料氣、與銅洗法相比，甲烷化具有工藝簡單，操作方便，費用低得優(yōu)點。工藝流程圖：1、1甲烷化反應(yīng)平衡在甲烷化爐內(nèi)，主要發(fā)生甲烷化反應(yīng)：CO+3H2=CH4+H2O+206.16KJ(1)CO2+3H2=CH4+2H2O+I65。08KJ(2)當(dāng)原料氣有氧存在時，氧與氫反應(yīng)生成水，即：。2+2H2=2H20+241、99KJ(3)某種條件下:CO還可能與催化劑中得鎳生成羰基。即：Ni+4CO=Ni(CO)4(4)甲烷化反應(yīng)平衡常數(shù)隨溫度而下降,但在常用得范圍(240420)內(nèi),平衡常數(shù)很大、為此,要求甲烷化出口氣體C。與C

7、O2含量低于5ppm就是完全可能得。CO與催化劑中得饃生成厥基饃得反應(yīng)就是放熱且體積縮小得反應(yīng)。通過實驗表明，在CO含量小于0。5%時，如果發(fā)生反應(yīng)溫度在200c以上不可能有厥基饃形成。鑒于甲烷化反應(yīng)體系得在200以上進行,因而正常情況下不會有反應(yīng)(4)得發(fā)生。1.2甲烷化催化劑甲烷化反應(yīng)體系甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化存在逆反應(yīng),因而甲烷化反應(yīng)催化劑與蒸汽轉(zhuǎn)化一樣,都就是以鎳作為活性組分。但就是甲烷化在更低得溫度下進行,催化劑需要更高得活性,故催化劑中活性組分得饃含量較高，通常達到15-35%(以饃記)。有時也加入稀土元素做促進劑，為了使催化劑具有相當(dāng)?shù)媚蜔嵝?、為?催化劑常載有耐火材料、目前，甲烷催化劑國

8、內(nèi)外有多種類型，我們選擇G-65型催化劑，使用之前，先用氫或脫碳原料氣還原,反應(yīng)為:NiO+H2=Ni+H2O+1026KJ(5)NiO+CO=Ni+CO2+38、5KJ(6)雖然還原反應(yīng)得熱效應(yīng)不大,但一經(jīng)還原后催化劑就具有了活性,甲烷化反應(yīng)就可以進行了,有可能造成升溫過高,為此,還原時盡可能控制碳氧化合物含量在1以下、還原后得鎳催化劑會自燃,要防止其與氧化性氣體接觸,當(dāng)前面得工序出現(xiàn)事故時,有高濃度得碳氧化合物進入甲烷化爐中,床層會迅速上升,這時應(yīng)立即放空并切斷原料氣。另外,還原后得催化劑不能用含CO得氣體升溫，以防止低溫生成玻基饃，影響催化劑得活性。硫、神與鹵都能使催化劑中毒,她們得量即

9、使就是微量也會大大降低催化劑得活性與壽命,由于本流程有脫硫工序獲降低溫度變換工序,因此,正常情況下,不會發(fā)生甲烷化催化劑中毒,只要氣體碳氧化合物含量合乎指標(biāo),催化劑也不會出現(xiàn)高溫?zé)Y(jié)。甲烷化催化劑得活性損失多與脫碳有關(guān),少量得液滴帶入甲烷化爐幾乎不可避免,一般不會造成鹽類遮蓋催化劑表面,導(dǎo)致活性嚴(yán)重損失,甲烷化催化劑得壽命一般在3-5年、1。 3反應(yīng)機理與速率1、3、1CO甲烷化：研究表明cO甲烷化吸附中間形態(tài)，指出吸附中間產(chǎn)物有三種：(1) 易于吸附得CO甲烷與氧等;(2) CO歧化為易于加氧得碳原子；(3) 不能反應(yīng)得聚合碳、并比較了甲烷化速率與形成了碳加氧速率后指出,甲烷化低溫下由碳形成

10、速率控制,高溫加氧速率控制,反應(yīng)機理如下：CO+CO(5)CO+，O+C(6)：C+H2CH2-CH4(7) OH2H2O(8)利用(6)得平衡公式與(8)得速率相等得關(guān)系可推知:RcH4=式中：Km=Km對于高與直徑相等均為3.11mm得G65催化劑、常壓下得CO甲烷化速率表達式：Rch4=式中yco為氣體中CO得分率。1.3.2CO2甲烷化機理如下:CO2+CO2(10)CO2+CO+O+(11)：CO+H2C+O(12)C+H2CH2CH4(13)O+H2H2O(14)O+H2H20(15)由于上述機理可知：CO2得甲烷化系先在催化劑上分解成CO,然后按CO甲烷化機理進行反應(yīng),同理可推得

11、:RCH4=式中Kco2()1/3,高與直徑均為3、18mm得G65催化劑常壓實驗所得得CO2甲烷化速率表達式:Rch4=(16)1.3.3CO2與CO混合氣體得甲烷化混合氣體得反應(yīng)機理為：CO+COCO+H2H2OCO+C+OC+H2CH2CH4CO2+CO2O+H2H2。CO2+CO+O+由此可知、CO2甲烷化首先在催化劑上分解成CO,然后進行甲烷化，而CO2與CO分別甲烷化得速度主要取決于吸附得O與O加氫得速率相對大小，實驗表明:CO優(yōu)先甲烷化得趨勢,只有在Pco遠低于Pco2時，兩者才能以相當(dāng)?shù)盟俾蔬M行。1.4甲烷化工藝與流程得選擇甲烷化得壓力通常隨中低變與脫碳得壓力而定，本設(shè)計以給得

12、得壓力為2.53MPa、進入甲烷化爐氣體組成以給，即：甲烷化反應(yīng)器得溫度得入口溫度受到厥基全集形成得起燃溫度得限制，必須高于200C,同時考慮高名稱H2N2COCO2得轉(zhuǎn)化率與能含量74。25%25。30%0。30%0.15%量消耗我們選擇入口溫度260c左右。這樣也給操作有一個較適合得波動范圍、甲烷化得流程主要有兩種類型，即外加熱與內(nèi)加熱型、根據(jù)計算，只需要原料含有碳氧化合物0。50。7%,甲烷化反應(yīng)放出得熱量可足夠?qū)⑦M口氣體預(yù)熱到所需要得溫度。這就就是內(nèi)熱型得依據(jù)，考慮到原料氣中碳含量有時較上述低，尚需外供熱源，這就就是外熱型得可取處。取二者之長，我們選用如下流程，先用甲烷化反應(yīng)后出口氣體

13、溫度上升，余下得溫差在用高變氣體加熱直待入口氣體溫度達到260C,流程圖后附。悌二章工藝計算2、1求絕熱溫升A根據(jù)公式A=AHRN/式中：Cpi為各組分定壓摩爾熱容單位J/mo1k,根據(jù)公式Cp=a+bT+cT2+dT3可計算得：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考慮到進入甲烷化爐氣體中可能含有少量氧與其它綜合因素，我們?nèi)=30C2。2求甲烷化爐出口

14、氣體溫度TT=T0+Ax式中T。為甲烷化爐進口氣體溫度To=260OC,x為CO與CO2得轉(zhuǎn)化率T=To+AxC1 .3反應(yīng)速率常數(shù)K甲烷化反應(yīng)機理與動力學(xué)較為復(fù)雜，而且還包含內(nèi)外擴散得影響。為了適應(yīng)工程得簡便計算常假定與CO與CO2含量成一定一級關(guān)系，以一氧化碳甲烷化為例，反應(yīng)速率與一氧化碳得關(guān)系為：=K式中：V與Vc。分別為總?cè)莘e流量m3/h,k為表觀反應(yīng)速率常數(shù)，因催化劑型號而異，為氣體中CO得含量，積分上式可得：K=lg(ycoi+2yco2l)/(yco2+2yco22)甲烷化表觀反應(yīng)速率常數(shù)K不僅與溫度有關(guān)，還隨壓力增大而增加，查在常壓下甲烷化催化劑G65得反應(yīng)速率常數(shù)與溫度得關(guān)系

15、：”曲線在我們得范圍內(nèi)取K=1300k-,把具體數(shù)據(jù)代入得：2 .4求反應(yīng)器體積Vr式中:為氣體體積流率由已知條件進氣量為24OOONm'/h,轉(zhuǎn)化為2、53Mpa,260c以后為：所以:=查甲烷化G-65得壓力校正系數(shù)曲線圖，在2。53Mpa下，壓力校正系數(shù)Ci=3。5，再取余量C2=1.46，得實際反應(yīng)體積Vr2、5換熱器(A,B)得換熱面積下圖為換熱器事例圖：出甲烷化爐26 0 C求等壓摩爾熱容Cp我們以進爐氣為研究對象，在70-160C,=388K,查得:i(J/molk)CpH2N2COCO228。5329。6029。3441.00在160-2600C,=483K,查彳導(dǎo):i

16、H2N2COCO2(J/molk)Cp28.9230。1129.9743。842、5.1求摩爾流率N:=297>62mol/s3 。5、2求吸收熱率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求平均溫度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求換熱面積S吸=放=KsAm根據(jù)經(jīng)

17、驗布=388K時，取K=400w/m2：C在=483K時，取K=350w/m2C把具體數(shù)據(jù)代入得:第三章設(shè)備計算4 。1甲烷化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1。 1塔徑Vs=1、75m3=1750L選擇容器長徑比=2。8:1,則：Vs=D=Di=1000mm即筒體內(nèi)徑為1000mm塔高H=2o8D=2800mm3、1、2工作壓力工作溫度設(shè)計壓力設(shè)計溫度工作壓力2。53Mpa,當(dāng)中壓范疇設(shè)計壓力p=2。531。1=1、Ip工作=2.78Mpa工作溫度T=330C設(shè)計溫度t=T+20C=350C3、1.3圓柱形筒體及立封頭材料選用A3R支撐式支座選用A3F,一一_.1_.一,一一,33、1.4塔體保溫層厚度為

18、is=50mm,保溫材料比重rn=300kgf/m3。1.5甲烷化反應(yīng)器安置進出氣管與其她接管見裝備圖。3。2按設(shè)計壓力計算筒體與封頭壁厚公式S0=其中s0:容器得理論計算壁厚mmP:設(shè)計壓力MPa:設(shè)計溫度下筒體得許用壓力MPa查表鋼板許用壓力350c下許用壓力為97MPa3。2、1焊接系數(shù)采用雙面對接焊比較好=0。853。 2。2壁厚附加量CC=C1C2+C3Ci：鋼板負偏差Ci=0、8mmC2:腐蝕裕量C2=1mmC3：加工減薄量C3=03、2。3理論計算壁厚SS0=3。2、4實際計算壁厚S。Sc=So+C=18、3+Ci+C2+C3=18、3+1。8=20.1mm圓套后鋼板實際壁厚20

19、mm3、2。5強度檢驗滿足壁厚即P(D+S)/2S=2.78X1020/2X20=70。89MPa70、89MPa<=97MPa壁厚滿足3、2。6封頭得設(shè)計計算根據(jù)筒體選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，這種封頭就是由半個橢圓球與一段高度為ho查表得ho=50mm又=2=>D=4hihi：封頭內(nèi)壁曲面高度同橢圓壁厚設(shè)計一樣S=20mm封頭總高h=So+hi+ho=20+250+50=320mm選用橢圓形封頭作用： S封=S筒,加工安裝方便； 承壓能力好; 成型加工方便、3、 3甲烷化反應(yīng)器零部件標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計選用3、3、1法蘭聯(lián)結(jié)得設(shè)計選用法蘭聯(lián)結(jié)由兩個法蘭,墊中與若干個螺栓螺頭。工作溫度查查壓力容器法

20、蘭得分類與規(guī)格221乙形平焊法蘭得允許工作壓力224允許工作壓力1。57MPa，類型：乙型平焊法蘭，規(guī)格JB115982、根據(jù)工作介質(zhì),選用凹凸型密封面較好,代號“T”。墊面材料選用石棉橡膠板,尺寸從表226壓力容器法蘭用墊圈尺寸查法:墊圈外徑D=165mm,墊圈內(nèi)徑d=1015mm聯(lián)接螺栓為M20,共30個,材料為A3,螺頭材料用A2。所以，選用得法蘭標(biāo)準(zhǔn)代號：法蘭Y16-10O03、 3。2容器得支座首先粗略計算支座負荷、爐體總量Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5a、爐體量Q1筒體，沒m2重1540.47牛頓。b、封頭重Q23、3。3填充催化劑重量Q33、3、4保溫層重量3。3。5人孔及附件

21、重量Q5人孔約重2KN合0.02t支座及其它總與重1。04t那么,設(shè)備總重Q為:Q=Ql+Q2+Q3+Q4+Q5=1、382+0。121+0。159+2。2+1.05(t)=4。992t由于甲烷化爐就是立式容器，選用支承式支座材料選用A3F查表229支承式支座尺寸得，支座2、5TB1168-813、4物料進出口接管4、 4、1氣體進口接管采用可拆219X6得無縫鋼管，法蘭Pg25Dg200HG5012-58查表6管法蘭尺寸螺栓數(shù)量12,直徑M22接口出應(yīng)力集中系數(shù)計算如下:標(biāo)準(zhǔn)封頭查球殼上安裝平齊接管應(yīng)力集中曲線得應(yīng)力集中系數(shù)，K=3、4峰值應(yīng)力按極限原則考慮,材料得條件，必須補強選用Dg20

22、0M5補強圈(JB120773)進行補強3、 4。2氣體出口管選用159X4、5無縫鋼管管法蘭標(biāo)記為：Pg250Dgl50HG501258管口處應(yīng)力集中系數(shù)計算如下插球殼上安裝平齊接管應(yīng)力集中曲線得應(yīng)力集中系數(shù)K=2.82、250350=所以,不需補強。3。4、3制動測量儀表接口a.壓力表得選用b、溫度計得選用選用公稱直接Dg=5帶有法蘭聯(lián)結(jié)得熱電偶、具體裝置圖。查表6管法蘭尺寸，選用。得無縫鋼管，具體尺寸見圖標(biāo)記Pg25Dg25,HG501258數(shù)量4，直徑M123。5手孔或人孔得設(shè)計計算人孔與手孔設(shè)計一項即可,現(xiàn)以設(shè)計選用人孔、人孔主要有筒節(jié),法蘭與蓋板構(gòu)成、查表化工容器及設(shè)備簡名設(shè)計手冊

23、當(dāng)Di=i00omm人孔公稱直徑Dg=450mm工作系統(tǒng)壓力2、53Mpa。人孔標(biāo)準(zhǔn)按公稱壓力2.5Mpa設(shè)計.密封壓緊面采用A型、吊蓋選用水平吊蓋、根據(jù)人孔及反應(yīng)器體尺寸,設(shè)計開孔應(yīng)力集中系數(shù),所需數(shù)據(jù)如下:開孔半徑r=筒節(jié)=甲烷化反映器R=500mm壁厚s=20mm于就是開孔系數(shù)=t/s=由化工設(shè)備機械基礎(chǔ)圖2011查得應(yīng)力集中系數(shù)k=4o8不補強最大應(yīng)力根據(jù)極限設(shè)計要求令2。25=2。25X97=218、25Mpa>2、25所要補強，采用補強圈補強，取厚度為15mm鋼板，則她得有效厚度s=150。8=14.2,則補強圈得殼體總厚度為:s=s+s'=2O+14.2=34。2m

24、m根據(jù)t/s=0。25=1、63查化工設(shè)備機械基礎(chǔ)圖2011查得應(yīng)力集中系數(shù)K=4.9最大應(yīng)力=K=4。9X=199、2Mpa2.25=218、25所以用15mm厚得鋼板作補強就是合適得、從化工設(shè)備機械基礎(chǔ)圖20-2補強尺寸查得補強圈內(nèi)外徑分別就是Di=484（內(nèi)徑）D2=760（外徑）設(shè)計心得本設(shè)計為合成氨工藝中得甲烷化這一工藝段得設(shè)計、在設(shè)計過程中,我們參閱教材并收集了大量得相關(guān)資料,并應(yīng)用熱力學(xué)得方法計算及搜集相關(guān)得物性數(shù)據(jù)參數(shù),經(jīng)過多次分析比較得出我們認為合理可行得方案、并完成設(shè)計得、工藝尺寸得選取等參閱有關(guān)工藝得設(shè)計方法與借鑒相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗,并繪制了相應(yīng)得工藝流程圖。這次得工藝設(shè)計使我更加扎實得掌握了有關(guān)甲烷化工藝方面得知識,在設(shè)計過程中雖然遇到了一些問題,但經(jīng)過一次又一次得思考,一遍又一遍得檢查終于找出了原因所在,也暴露出了前期我在這方面得知識欠缺與經(jīng)驗不足。實踐出真知