1、合 肥 學 院Hefei University化工工藝課程設計設計題目：甲烷化工藝設計系別：化學與材料工程系專業：化學工程與工藝學號：姓名：指導教師：2016年6月目錄設計任務書1第一章 方案簡介31.1甲烷化反應平衡31.2甲烷化催化劑31.3反應機理和速率41.4甲烷化工藝流程的選擇6第二章 工藝計算72.1 求絕熱升溫72.2 求甲烷化爐出口溫度72.3 反應速率常數72.4 求反應器體積82.5 換熱器換熱面積9第三章 設備計算93.1 甲烷化反應器結構設計113.2 計算筒體和封頭壁厚113.3 反應器零部件的選擇123.4 物料進出口接管133.5 手孔及人孔的設計15設計心得16

2、參考文獻及附圖17設計任務書1.1設計題目：甲烷化工藝設計1.2設計條件及任務進氣量：24000Nm3/h進料組成（mol%）：組數CO%CO2%H2%N2%E103001599.55出口氣體成分“CO5ppm,CO25ppm”1.3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1.4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

3、，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是基礎化學工業之一。其產量居各種化工產品的首位。已成為當今合成氨工業生產技術發展的方向。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境綠化面積的擴大而不斷增加。合成氨工業在國民經濟中舉足輕重。農業生產,“有收無收在于水,收多收少在于肥”。所以,合成氨工業是農業的基礎。它的發展將對國民經濟的發展產生重大影響。因此,

4、我國現有眾多的化肥生產裝置應成為改造擴建增產的基礎。今后應利用國內開發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的發展道路。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<10×10- 6。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、運行費用低和對環境基本無污染等優點。從工藝的合理性以及投資和操作費用等方面來看, 甲烷化是合成氨安全、穩定生產的必然選擇。在合成氨的粗原料氣的凈化過程中,CO2變換和CO

5、脫除后的原料氣尚含有少量的殘余的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含量比較低的原料氣。與銅洗法相比，甲烷化具有工藝簡單，操作方便，費用

6、低的優點。工藝流程圖：脫碳氣氣水分離器甲烷化換熱器甲烷化電爐原料氣甲烷化爐甲烷化冷凝器甲烷化氣氣水分離器 甲烷氣1. 1甲烷化反應平衡在甲烷化爐內，主要發生甲烷化反應： CO+3H2=CH4+ H2O+206.16KJ （1） CO2+3H2=CH4+2 H2O+165.08KJ （2）當原料氣有氧存在時，氧和氫反應生成水，即：O2+2 H2=2H2O+241.99KJ （3）某種條件下：CO還可能與催化劑中的鎳生成羰基。即：Ni+4CO=Ni(CO)4 （4）甲烷化反應平衡常數隨溫度而下降，但在常用的范圍（240-420）內，平衡常數很大。為此，要求甲烷化出口氣體CO和CO2含量低于5ppm

7、是完全可能的。CO與催化劑中的鎳生成羰基鎳的反應是放熱且體積縮小的反應。通過實驗表明，在CO含量小于0.5時，如果發生反應溫度在200以上不可能有羰基鎳形成。鑒于甲烷化反應體系的在200以上進行，因而正常情況下不會有反應（4）的發生。1.2甲烷化催化劑甲烷化反應體系甲烷蒸汽轉化存在逆反應，因而甲烷化反應催化劑和蒸汽轉化一樣，都是以鎳作為活性組分。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鎳含量較高，通常達到15-35（以鎳記）。有時也加入稀土元素做促進劑，為了使催化劑具有相當的耐熱性。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

8、催化劑，使用之前，先用氫或脫碳 原料氣還原，反應為：NiO+H2=Ni+ H2O+1026KJ (5)NiO+CO= Ni+CO2+38.5KJ (6)雖然還原反應的熱效應不大 ，但一經還原后催化劑就具有了活性，甲烷化反應就可以進行了，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。還原后的鎳催化劑會自燃，要防止其與氧化性氣體接觸，當前面的工序出現事故時，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，還原后的催化劑不能用含CO的氣體升溫，以防止低溫生成羰基鎳，影響催化劑的活性。硫、砷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

9、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，不會發生甲烷化催化劑中毒，只要氣體碳氧化合物含量合乎指標，催化劑也不會出現高溫燒結。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避免，一般不會造成鹽類遮蓋催化劑表面，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 反應機理和速率1.3.1 CO甲烷化：研究表明CO甲烷化吸附中間形態，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）不能反應的聚合碳。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速率控制，高溫加氧速率控制

10、，反應機理如下：CO + CO （5）CO+ O+C （6）C+H2CH2CH4 （7）O+ H2H2O （8）利用（6）的平衡公式和（8）的速率相等的關系可推知：RCH4= 式中：Km= Km對于高和直徑相等均為3.11mm的G-65催化劑。常壓下的CO 甲烷化速率表達式：RCH4= 式中yco為氣體中CO的分率。1.3.2 CO2甲烷化機理如下：CO2+ CO2 （10）CO2 + CO+O+ （11）CO+ H2C+O （12）C + H2 CH2 CH4 （13）O+ H2 H2O （14）O+ H2H2O （15）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

11、烷化機理進行反應，同理可推得：RCH4=式中KCO2（）1/3,高和直徑均為3.18mm的G-65催化劑常壓實驗所得的CO2甲烷化速率表達式：RCH4= （16）1.3.3 CO2與CO混合氣體的甲烷化混合氣體的反應機理為：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，實驗表明：CO 優先甲烷化的趨勢，只有在Pco遠低于Pco2時，兩者才能以相當的速率進行。1.4 甲

12、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%甲烷化反應器的溫度的入口溫度受到羰基全集形成的起燃溫度的限制，必須高于200，同時考慮高的轉化率和能量消耗， 我們選擇入口溫度260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%，甲烷化反應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

13、是外熱型的可取處。取二者之長，我們選用如下流程，先用甲烷化反應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達到260，流程圖后附。第二章 工藝計算2.1求絕熱溫升根據公式=-HRN。/式中：Cpi為各組分定壓摩爾熱容單位J/mol·k，根據公式Cp=a+bT+cT2+dT3可計算得：iH2N2COCO2（J/ mol·k）Cp29.1330.4130.3845.41代入上式得：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=302.2求甲烷化爐出口氣體溫度TT=T0+x式中To為甲烷化爐進口氣體溫度T0=260OC，x為CO和CO2的轉化率T

14、=T0+x2.3反應速率常數K 甲烷化反應機理和動力學較為復雜，而且還包含內外擴散的影響。為了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，反應速率與一氧化碳的關系為：= =K式中：V和Vco分別為總容積流量m3/h，k為表觀反應速率常數，因催化劑型號而異，為氣體中CO的含量，積分上式可得：K=lg（yco1+2yco21）/（yCO2+2yco22）甲烷化表觀反應速率常數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G65的反應速率常數與溫度的關系：”曲線在我們的范圍內取K=1300k-1，把具體數據代入得：2.4 求反應器體積VR=式中：

15、為氣體體積流率由已知條件進氣量為24000Nm3/h，轉化為2.53Mpa，260以后為：=所以：=查甲烷化G65的壓力校正系數曲線圖，在2.53Mpa下，壓力校正系數c1=3.5，再取余量c2=1.46，得實際反應體積VR2.5換熱器 (A，B)的換熱面積下圖為換熱器事例圖：高蒸汽440 260B320 A200出甲烷化爐290求等壓摩爾熱容Cp我們以進爐氣為研究對象，在70160，=388K，查得：iH2N2COCO2（J/ mol·k）Cp28.5329.6029.3441.00 在1602600C，=483K，查得：iH2N2COCO2（J/ mol·k）Cp28.

16、9230.1129.9743.84求摩爾流率N：=297.62mol/s求吸收熱率Q由公式；Q=t得： = =求平均溫度tmA：70160 B：160260 200290 320440tm=tm = 求換熱面積S吸=放=K·S·tm根據經驗；在=388K時，取K=400w/m2· 在=483K時，取K=350 w/m2·把具體數據代入得：第三章 設備計算3.1甲烷化反應器結構設計塔徑VS=1.75m3=1750L選擇容器長徑比=2.8:1,則:VS =D=Di=1000mm即筒體內徑為1000mm塔高H=2.8D=2800mm工作壓力工作溫度設計壓力設計

17、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=330設計溫度t=T+20=350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/m3 甲烷化反應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=其中S0 :容器的理論計算壁厚 mm P:設計壓力 MPa :設計溫度下筒體的許用壓力 MPa查表鋼板許用壓力350下許用壓力為97MPa焊接系數采用雙面對接焊比較好 =0.85壁厚附加量C C=C1+C2+C3C1:鋼板負偏差 C1=0.8mm

18、C2: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S0Sc=S0+C=18.3+C1+C2+C3=18.3+1.8=20.1mm圓套后鋼板實際壁厚20mm強度檢驗<滿足壁厚即P（Di+S）/2S=2.78×1020/2×20=70.89MPa70.89MPa<=97MPa 壁厚滿足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h0，查表得 h0=50mm又=2=>D=4hi hi:封頭內壁曲面高度同橢圓壁厚設計一樣 S=20mm封頭總高 h=S0+hi+h0=20+250

19、+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 甲烷化反應器零部件標準設計選用法蘭聯結的設計選用法蘭聯結由兩個法蘭，墊中和若干個螺栓螺頭。 工作溫度 查 查壓力容器法蘭的分類和規格 221乙形平焊法蘭的允許工作壓力224允許工作壓力1.57MPa ，類型：乙型平焊法蘭，規格 JB115982。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226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聯接螺栓為M20，共30個，材料為A3，螺頭材料用A2。所以，選用的法蘭標準代號：法蘭Y

20、161000容器的支座首先粗略計算支座負荷。爐體總量Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5 a .爐體量Q1筒體，沒m2重1540.47牛頓。b封頭重Q2填充催化劑重量Q3保溫層重量人孔及附件重量Q5人孔約重2KN合0.02t支座及其它總和重1.04t那么，設備總重Q為：Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=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A3F查表229支承式支座尺寸得，支座2.5 TB1168-813.4物料進出口接管氣體進口接管采用可拆219×6的無縫鋼管，法蘭Pg25Dg200HG5012-58查表6

21、管法蘭尺寸螺栓 數量 12，直徑M22接口出應力集中系數計算如下： 標準封頭查球殼上安裝平齊接管應力集中曲線得應力集中系數，K=3.4峰值應力按極限原則考慮，材料的 條件必須補強選用Dg200×15補強圈（JB1207-73）進行補強氣體出口管選用159×4.5無縫鋼管管法蘭標記為：Pg250Dg150 HG5012-58管口處應力集中系數計算如下：插球殼上安裝平齊接管應力集中曲線得應力集中系數 K=2.8=2.25350=所以，不需補強。制動測量儀表接口a壓力表的選用b溫度計的選用選用公稱直接Dg=5帶有法蘭聯結的熱電偶。具體裝置圖。查表6管法蘭尺寸，選用的無縫鋼管，具體

22、尺寸見圖標記Pg25Dg25,HG5012-58數量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,現以設計選用人孔.人孔主要有筒節,法蘭和蓋板構成.查表化工容器及設備簡名設計手冊當Di=1000mm 人孔公稱直徑 Dg=450mm工作系統壓力 2.53Mpa.人孔標準按公稱壓力2.5Mpa設計.密封壓緊面采用A型.吊蓋選用水平吊蓋.根據人孔及反應器體尺寸,設計開孔應力集中系數,所需數據如下:開孔半徑r=筒節=甲烷化反映器R=500mm壁厚 s=20mm于是開孔系數=t/s=由化工設備機械基礎圖20-11 查得應力集中系數k=4.8不補強最大應力 根據極限設計要求令2.25=2

23、.25×97=218.25Mpa>2.25所要補強,采用補強圈補強,取厚度為15mm鋼板,則他的有效厚度s=150.8=14.2,則補強圈的殼體總厚度為:s=s+s=20+14.2=34.2mm根據t/ s=0.25=1.63查化工設備機械基礎圖20-11查得應力集中系數 K=4.9最大應力=K=4.9×=199.2Mpa<2.25=218.25所以用15mm厚的鋼板作補強是合適的.從化工設備機械基礎圖20-2補強尺寸查得補強圈內外徑分別是: D1=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據參數，經過多次分析比較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。這次的工藝設計使我更加扎實的掌握了有關甲烷化工藝方面的知識，在設計過程中雖然遇到了一些問題，但經過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經驗不足。實踐出真知，通過親自動手制作，使我