甲烷化工藝設計

合肥學院HefeiUniversity化工工藝課程設計設計題目：甲烷化工藝設計系另上化學與材料工程系專業(yè)：化學工程與工藝學號：姓名：指導教師：2021年6月目錄TOC\o"1-5"\h\z設計任務書1第一章方案簡介3甲烷化反響平衡3甲烷化催化劑3反響機理和速率4甲烷化工藝流程的選擇6第二章工藝計算7求絕熱升溫7求甲烷化爐出口溫度7反響速率常數(shù)7求反響器體積8換熱器換熱面積9第三章設備計算9甲烷化反響器結構設計11計算筒體和封頭壁厚11反響器零部件的選擇12物料進出口接管13手孔及人孔的設計15設計心得16參考文獻及附圖17設計任務書設計題目：甲烷化工藝設計設計條件及任務進氣量：24000N吊h進料組成〔mol%：組數(shù)CO%CO2%H2%N2%E10.300.1599.55出口氣體成分“CO05ppmCO205ppm'設計內容變換工段在合成氨生產起的作用既是氣體的凈化工序,又是原料氣的再

制造工序,經過變換工段后的氣體中的CO含量大幅度下降,符合進入甲烷化或者銅洗工段氣質要求.選定流程確定甲烷化爐的工藝操作條件確定甲烷化爐的催化劑床體積、塔徑及床層高度繪圖：〔1〕工藝流程圖；〔2〕甲烷化爐的工藝條件圖設計說明書概要目錄：設計任務書,概述,熱力計算,結構設計與說明,設計總結,附錄,致謝,參考文獻,附工藝流程圖及主體設備圖一張〔要求工藝流程圖出A2以上的圖,要求主體設備用AutoCAD出A2以上的圖〕概述熱力計算〔包括選擇結構,傳熱計算,壓力核算等〕結構設計與說明設計總結附錄致謝參考文獻附工藝流程圖及主體設備圖一張第一章方案簡介合成氨工業(yè)是根底化學工業(yè)之一.其產量居各種化工產品的首位.已成為當今合成氨工業(yè)生產技術開展的方向.國際上對合成氨的需求,隨著人口的增長而對農作物增產的需求和環(huán)境綠化面積的擴大而不斷增加.合成氨工業(yè)在國民經濟中舉足輕重.農業(yè)生產,“有收無收在于水,收多收少在于肥〞.所以,合成氨工業(yè)是農業(yè)的根底.它的開展將對國民經濟的開展產生重大影響.因此,我國現(xiàn)有眾多的化肥生產裝置應成為改造擴建增產的根底.今后應利用國內開發(fā)和消化吸收引進的工藝技術,自力更生,立足國內,走出一條具有中國特色的社會主義民族工業(yè)的開展道路.CO、CO2、O2等是氨合成催化劑的毒物,生產中一般要求將氨合成原料氣CO等含氧化合物總量脫除至<10X10-60脫除的方法主要有銅氨液洗滌法〔銅洗法〕、液氮洗滌法和甲烷化法.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、運行費用低和對環(huán)境根本無污染等優(yōu)點.從工藝的合理性以及投資和操作費用等方面來看,甲烷化是合成氨平安、穩(wěn)定生產的必然選擇.在合成氨的粗原料氣的凈化過程中,CO2變換和CO脫除后的原料氣尚含有少量的剩余的CO,CO2,O2和水等雜質.為了它們合成催化劑的毒害,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和CO2的含量不超過5Ppm原料氣的精練方法一般有三種,即銅氨液吸收法,甲烷化和深冷液氨洗滌法,銅氨液吸收法是1913年就開始采用的方法,在高壓和低溫下用銅鹽的氨溶液吸收CO,CO2,H2s和氧,然后溶液在減壓和加熱的條件下再生,甲烷化六十年代才開始的.雖然催化劑上把CO和CO2加氫成甲烷的研究早

已開始,但要消耗用氫氣而生成無用的甲烷,所以此法只適用于CO,CO2含量比擬低的原料氣.與銅洗法相比,甲烷化具有工藝簡單,操作方便,費用低的優(yōu)點.工藝流程圖：原料氣I原料氣I脫碳氣氣水別離甲烷氣甲烷化氣氣水分1.1甲烷化反響平衡甲烷化換熱甲烷化冷甲烷化電在甲烷化爐內,主要發(fā)生甲烷化反響:CO+3H2=CH4+H20+206.16KJ(1)CO2+3H2=CH4+2H20+165.08KJ⑵當原料氣有氧存在時,氧和氫反響生成水,即：O2+2H2=2H2O+241.99KJ某種條件下：CO還可能與催化劑中的銀生成撅基.即：Ni+4CO=Ni(CO)4甲烷化反響平衡常數(shù)隨溫度而下降,但在常用的范圍(240-420C)內,平衡常數(shù)很大.為此,要求甲烷化出口氣體CO和CO2含量低于5Ppm是完全可能的CO與催化劑中的銀生成撅基鎮(zhèn)的反響是放熱且體積縮小的反響.通過實驗表明,在CO含量小于0.5%時,如果發(fā)生反響溫度在200c以上不可能有撅基鎮(zhèn)形成.鑒于甲烷化反響體系的在200c以上進行,因而正常情況下不會有反應(4)的發(fā)生.1.2甲烷化催化劑甲烷化反響體系甲烷蒸汽轉化存在逆反響,因而甲烷化反響催化劑和蒸汽轉化一樣,都是以鎮(zhèn)作為活性組分.但是甲烷化在更低的溫度下進行,催化劑需要更高的活性,故催化劑中活性組分的螺含量較高,通常到達15-35%(以鎮(zhèn)記).有時也參加稀土元素做促進劑,為了使催化劑具有相當?shù)哪蜔嵝?為此,催化劑常載有耐火材料.目前,甲烷催化劑國內外有多種類型,我們選擇G-65型催化劑,使用之前,先用氫或脫碳原料氣復原,反響為：NiO+H2=Ni+H2O+1026KJNiO+CO=Ni+CO2+38.5KJ雖然復原反響的熱效應不大,但一經復原后催化劑就具有了活性,甲烷化反響就可以進行了,有可能造成升溫過高,為此,復原時盡可能限制碳氧化合物含量在1%以下.復原后的銀催化劑會自燃,要預防其與氧化性氣體接觸,當前面的工序出現(xiàn)事故時,有高濃度的碳氧化合物進入甲烷化爐中,床層會迅速上升,這

時應立即放空并切斷原料氣.另外,復原后的催化劑不能用含CO的氣體升溫,以預防低溫生成撅基螺,影響催化劑的活性.硫、碑和鹵都能使催化劑中毒,他們的量即使是微量也會大大降低催化劑的活性與壽命,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符合指標,催化劑也不會出現(xiàn)高溫燒結.甲烷化催化劑的活性損失多與脫碳有關,少量的液滴帶入甲烷化爐幾乎不可預防,一般不會造成鹽類遮蓋催化劑外表,導致活性嚴重損失,甲烷化催化劑的壽命一般在3-5年.1.3反響機理和速率CO甲烷化：研究說明CO甲烷化吸附中間形態(tài),指出吸附中間產物有三種：(1)易于吸附的CO甲烷和氧等；(2)CO歧化為易于加氧的碳原子；(3)不能反響的聚合碳.并比擬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速率限制,高溫加氧速率限制,反響機理如下：CO+[]——[CO][CO]+[]—[O]+[C][C]+H2——[CH2]——CH4[O][O]+H2H2O利用〔6〕的平衡公式和〔8〕的速率相等的關系可推知:RdRdH4=KCOph2opco21KcoPco1/2式中式中:Km=KmKsKcoKhKm對于高和直徑相等均為3.11mm勺G-65催化劑.常壓下的CO甲烷化速率表達式:RDH4=1RDH4=1.309107ycoexp1167TT~5.915ycoexp1219

T式中yco為氣體中co的分率1.3.2CO2甲烷化機理如下：CO2+[]kco2[CO2][CO2]+[]ks[CO]+[O+][CO]+h2KS[C]+[O]快速[C]+H2Km[CH2]CH4[O+]+H2KhH2O[O]+H2KhH2O由于上述機理可知：CO2的甲烷化系先在催化劑上分解成CO,然后按CO甲烷化機理進行反響,同理可推得:Rdh4=-Rdh4=-1Kco2PCO1/2Kco2Pco2Kh2KphoPH2O1/3式中Kco2(RmKhKsKsKco2Rh),局和直徑均為3.18mm勺G-65催9602expT2284exp化劑常壓實驗所9602expT2284exp48.6610丫雙R)H4=12.797yco21.3.3CO2與CO混合氣體的甲烷化混合氣體的反響機理為：[CO]+[]KCO[CO][CO]+H2RhH2O[CO]+[]KS[C]+[O][C]+H2Rm[CH2]快速CH4CO2+[]KCO2[CO2][O+]+H2RhH2O[CO2]+[]KS[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分別甲烷化的速度主要取決于吸附的[O]和[O+]加氫的速率相對大小,實驗說明：CO優(yōu)先甲烷化的趨勢,只有在Pco遠低于PCO2時,兩者才能以相當?shù)乃俾蔬M行1.4甲烷化工藝與流程的選擇甲烷化的壓力通常隨中低變和脫碳的壓力而定,本設計以給的的壓力為2.53MPa.進入甲烷化爐氣體組成以給,即：名稱H2N2COCO2含量74.25%25.30%0.30%0.15%甲烷化反響器的溫度的入口溫度受到撅基全集形成的起燃溫度的限制,必須高于200C,同時考慮高的轉化率和能量消耗,我們選擇入口溫度260c左右.這樣也給操作有一個較適合的波動范圍.甲烷化的流程主要有兩種類型,即外加熱與內加熱型.根據計算,只需要原料含有碳氧化合物0.5-0.7%,甲烷化反響放出的熱量可足夠將進口氣體預熱到所需要的溫度.這就是內熱型的依據,考慮到原料氣中碳含量有時較上述低,尚需外供熱源,這就是外熱型的可取處.取二者之長,我們選用如下流程,先用甲烷化反響后出口氣體溫度上升,余下的溫差在用高變氣體加熱直待入口氣體溫度到達260C,流程圖后附.第二章工藝計算求絕熱溫升A根據公式A二-AHRN/iCpi式中：Cpi為各組分定壓摩爾熱容單位J/mol?k,根據公式Cpua+bT+c^dT可計算得：iH2N2COCO2(J/29.30.30.45.mol?k)Cp13413841代入上式得：22.52A=30C0.667206.161030.0040.333165.081030.0022.52A=30C(29.1330.04)/20.993830.380.00445.410.002229.81C考慮到進入甲烷化爐氣體中可能含有少量氧和其它綜合因素,我們取求甲烷化爐出口氣體溫度TT=T+Ax式中To為甲烷化爐進口氣體溫度To=260°C,x為C5口CO2的轉化率T=T+Ax0.00.0066106260300.0066290c反響速率常數(shù)K甲烷化反響機理和動力學較為復雜,而且還包含內外擴散的影響.

適應工程的簡便計算,常假定與CO和CO2含量成一定一級關系,以一氧化碳甲烷化為例,反響速率與一氧化碳的關系為:dVco_Vdy0dVRdVR=Kyco式中：V和VCo分別為總容積流量nVh,k為表觀反響速率常數(shù),因催化劑型號而異,yco為氣體中CO的含量,積分上式可得:K=vSlg(ycoi+2yco2l)/(yco2+2yco22)甲烷化表觀反響速率常數(shù)K不僅與溫度有關,還隨壓力增大而增加,查在常壓下“甲烷化催化劑GH65的反響速率常數(shù)與溫度的關系：〞曲線在我們的范圍內取K=1300k,把具體數(shù)據代入得:2.4求反響器體積〞VS=V0Vr式中：Vo為氣體體積流率由條件進氣量為24000NH3/h,轉化為2.53Mpa260c以后為:P1V1_PV2101325240002.53106273.15533.15V23—V21876.1m/hV01876.13所以：Vr=」=3.83mVs490.0查甲烷化G-65的壓力校正系數(shù)曲線圖,在2.53Mpa下,壓力校正系數(shù)c=3.5,再取余量c2=1.46,得實際反響體積VR2.5換熱器〔A,B〕的換熱面積下列圖為換熱器事例圖:高蒸汽440c260CB320c200cA出甲烷化爐290c上求等壓摩爾熱容Cp我們以進爐氣為研究對象,在70-160C,TmA=388K,查得:iH2N2COCO2(J/28.29.29.41.mol?k)Cp53603400在160—260°C,TmA=483K,查得:iH2N2COCO2(J/mol?k)Cp28.9230.1129.9743.842.5.1求摩爾流率N：2240001000na-22.43600297.62mol/sNb=Na=297.62mol/s2.5.2求吸收熱率Q由公式；Q=N?Cpi?yi?At得:Qb=297.62[(28.9230.11)/20.995529.970.00343.840.0015](260160)=8.79105j/s2.5.3求平均溫度AtA:70Cf160c:160Cf260c200C—290c320C—440c△t-30130130c

2Atmb=180腎169.8C,180In—1602.5.4求換熱面積SQ吸=、放=K?S.Atm根據經驗；在TmA=388K時,取Ka=400w/mi-C在TmA=483K時,取Kb=350w/m2?C把具體數(shù)據代入得：第三章設備計算3.1甲烷化反響器結構設計3.1,1塔徑3V=1.75吊=1750L選擇容器長徑比,=2.81那么:D4HD3VS=2.8220044D=E=1000mnff筒體內徑為1000mm塔高H=2.8D=2800mm工作壓力工作溫度設計壓力設計溫度工作壓力2.53Mpa當中壓范疇設計壓力p=2.531.1=1.1p工作=2.78Mpa工作溫度T=330C設計溫度t=T+20C=350C圓柱形筒體及立封頭材料選用A3R支撐式支座選用A3F塔體保溫層厚度為is=50mm保溫材料比重rn=300kgf/m甲烷化反響器安置進出氣管和其他接管見裝備圖.3.2按設計壓力計算筒體和封頭壁厚公式S0=PDi2tp其中S0：容器的理論計算壁厚mmP:設計壓力MPat:設計溫度下筒體的許用壓力MPa查表?鋼板許用壓力?350c下許用壓力為97MPa焊接系數(shù)采用雙面對接焊比擬好=0.85壁厚附加量C(C1:鋼板負偏差C2:腐蝕裕量C3：加工減薄量3.2.3理論計算壁厚SS0=實際計算壁厚SoSc=S+C=18.3+C+G+G=18.3+1.8=20.1mm圓套后鋼板實際壁厚20mm強度檢驗PD/2S<t滿足壁厚即P(D+S)/2S=2.78X1020/2X20=70.89MPa70.89MP<t=97MPa壁厚滿足3.2.6封頭的設計計算根據筒體選用標準橢圓形封頭,這種封頭是由半個橢圓球和一段高度為C=0.8mmG=1mmG=0PDi2t2.78100018.3mmp2970.852.78h.,查表得h0=50mm又旦=2=>Dj=4hihiTOC\o"1-5"\h\z2hiiDi1000250mm44hi：封頭內壁曲面高度同橢同橢圓壁厚設計一樣S=20mm封頭總高h=S)+hi+h0=20+250+50=32Cmm選用橢圓形封頭作用：①S封二5筒,加工安裝方便；②承壓水平好；③成型加工方便.甲烷化反響器零部件標準設計選用法蘭聯(lián)結的設計選用法蘭聯(lián)結由兩個法蘭,墊中和假設干個螺栓螺頭.Pg2.45MPa工作溫度T3000cg查DaDi1000mmgTOC\o"1-5"\h\z查?壓力容器法蘭的分類和規(guī)格?22-1?乙形平焊法蘭的允許工作壓力?22-4允許工作壓力1.57MPa,類型：乙型平焊法蘭,規(guī)格JB1159—82.根據工作介質,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22-6?壓力容器法蘭用墊圈尺寸?查法：墊圈外徑D=165mm墊圈內徑d=1015mm聯(lián)接螺栓為M2Q共30個,材料為A3,螺頭材料用AZ所以,選用的法蘭標準代號：法蘭Y16—1000容器的支座首先粗略計算支座負荷.爐體總量Q=Q+Q+Q+Q+Qa.爐體量QDg1000mm,S20mm筒體,沒m2重1540.47牛頓.b.封頭重Q填充催化劑重量Q保溫層重量Q4300Kg/m30.529m30.159t人孔及附件重量Q人孔約重2KN合0.021支座及其它總和重1.04t那么,設備總重Q為：Q=Q+Q+Q+Q+Q=1.382+0.121+0.159+2.2+1.05(t)=4.992t由于甲烷化爐是立式容器,選用支承式支座材料選用AF查表22-9?支承式支座尺寸?得,支座2.5TB1168-81物料進出口接管

氣體進口接管采用可拆中219X6的無縫鋼管,法蘭Pg25Dg200HG5012-58查表6?管法蘭尺寸?螺栓數(shù)量12,直徑M22接口出應力集中系數(shù)計算如下：t/s益0.3標準封頭1.8查?球殼上安裝平齊接管應力集中曲線?得應力集中系數(shù),峰值應力maxK3.470.89241.03MPa按極限原那么考慮,材料的2.25[]350max2.25[]條件.?.必須補強選用Dg200X15補強圈(JB1207-73)進行補強氣體出口管選用中159X4.5無縫鋼管管法蘭標記為：Pg250Dg150HG5012-58管口處應力集中系數(shù)計算如下：插?球殼上安裝平齊接管應力集中曲線?得應力集中系數(shù)=194.6Mpa3502.25[a]=2.2597218.75Mpa所以,不需補強.3.4.3制動測量儀表接口a.壓力表的選用K=3.4K=2.8K=3.4K=2.8選用公稱直接Dg=5帶有法蘭聯(lián)結的熱電偶.具體裝置圖.查表6?管法蘭尺寸?,選用由3235的無縫鋼管,具體尺寸見圖標記Pg25Dg25,HG5012-58數(shù)量4,直徑M123.5手孔或人孔的設計計算人孔與手孔設計一項即可,現(xiàn)以設計選用人孔.人孔主要有筒節(jié),法蘭和蓋板構成.查表?化工容器及設備簡名設計手冊?當D=1000mm人孔公稱直徑Dg=450mm工作系統(tǒng)壓力2.53Mpa.人孔標準按公稱壓力2.5Mp破計.密封壓緊面采用A型.吊蓋選用水平吊蓋.根據人孔及反響器體尺寸,設計開孔應力集中系數(shù),所需數(shù)據如下：開孔半徑r二駕(122.531)231.53mm2筒節(jié)=122.5318.47mm甲烷化反映器R=500mm壁厚s=20mm于是開孔系數(shù)1231.532.315500500%20t/s=8470.423520由?化工設備機械根底?圖20-11查得應力集中系數(shù)k=4.8不補強最大應力pR2.78500maxk-^4.8346.68MpaS20根據極限設計要求令2.25=2.25X97=218.25Mpamamax>2.25所要補強,采用補強圈補強,取厚度為15mrffi板,那么他的有效厚度s'=15-0.8=14.2,那么補強圈的殼體總厚度為sr=s+s'=20+14.2=34.2mm根據t根據t/s=8.4734r2=0.25=￡R=23=￡R=231.53500=163Rs50034.2.查?化工設備機械根底?圖20-11查得應力集中系數(shù)K=4.9最大應力max=K-p-R=4.9X2.78500=199.2Mpa

srsrmax<2.25=218.25所以用15mnB的鋼板作補強是適宜的從?化工從?化工設備機械根底?圖20-2補強尺寸查得補強圈內外徑分別是D=484〔內徑〕D2=760〔外徑〕設計心得本設計為合成氨工藝中的甲烷化這一工藝段的設計.在設計過程中,我們參閱教材并收集了大量的相關資料,并應用熱力學的方法計算及搜集相關的物性數(shù)據參數(shù),經過屢次分析比擬得出我們認為合理可行的方案、并完成設計的.工藝尺寸的選取等參閱有關工藝的設計方法和借鑒相關設計經驗,并繪制了相應的工藝流程圖.這次的工藝設