甲烷化工艺设计.docx
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甲烷化工艺设计
合肥学院
HefeiUniversity
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
设计任务书1
第一章方案简介3
1.1甲烷化反应平衡3
1.2甲烷化催化剂3
1.3反应机理和速率4
1.4甲烷化工艺流程的选择6
第二章工艺计算7
2.1求绝热升温7
2.2求甲烷化炉出口温度7
2.3反应速率常数7
2.4求反应器体积8
2.5换热器换热面积9
第三章设备计算9
3.1甲烷化反应器结构设计11
3.2计算筒体和封头壁厚11
3.3反应器零部件的选择12
3.4物料进出口接管13
3.5手孔及人孔的设计15
设计心得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
3
1.2.1进气量:
24000Nm/h
1.2.2进料组成(mol%):
组数
CO%
CO2%
H2%N2%
E1
0.30
0.15
99.55
1.2.3出口气体成分COwppm,CO2=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;
(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
147致谢
148参考文献
149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、O2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、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CO2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+3H2=CH4+H2O+206.16KJ
(1)
CO2+3H2=CH4+2H2O+165.08KJ
(2)
当原料气有氧存在时,氧和氢反应生成水,
即:
O2+2H2=2H2O+241.99KJ(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温度而下降,但在常用的范围(240-420C)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
200C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+H2=Ni+H2O+1026KJ(5)
NiO+CO=Ni+CO2+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
1.3.1CO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]+H2-
-[CH2]——CH4
(7)
[O]+H2-
—H2O
(8)
利用(6)
的平衡公式和(8)的速率相等的关系可推知:
RcH4=
KCO'PH2O'PCO2
1KcoFCo
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:
式中yc。
为气体中CO的分率
1.3.2CO2甲烷化机理如下:
(10)
(11)
CO2+[「kc。
2》[CO2]
[CO]+H2KS[C]+[O]
(12)
快速
[C]+H2Km[CH2]——CH4
(13)
[O+]+H2KhH2O
(14)
[O]+H2Kh>H2O
(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]+[bkJ[CO]+[O+]
反应,同理可推得:
1/2
KCO2■PH2'PCO
RCH4=
1Kg?
Pg?
Kh2KphoPH?
。
FF
A/O
式中Kco2(RmKhKsKsKco2Rh),高和直径均为3.18mm的G-65催化剂常压实验
所得的CO2甲烷化速率表达式:
1.3.3CO2与CO混合气体的甲烷化混合气体的反应机理为:
[CO]+[]「KCO—[CO][CO]+HRhrH2O
[CO]+[][C]+[O]
[C]+H2—空T[CH2]—快^CH4
CO2+[pKC°J[CO2]
[0+]+H2RSH2O
[CO2]+[卜K'»[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
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2.53MPa.进入甲烷
化炉气体组成以给,即:
名称
H2
N2
CO
CO2
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260C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A=\HRN八,\iCpi
式中:
Cpi为各组分定压摩尔热容单位J/molk,根据公式
Cp=a+bT+cT2+dT3可计算得:
iH2
N2
CO
CO2
(J/molk)Cp29.13
30.41
30.38
45.41
代入上式得:
671.29
29.81
33
0.667206.16100.0040.333165.08100.0022
A=
(29.1330.04)/20.993830.380.00445.410.0022
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=30C
2.2求甲烷化炉出口气体温度T
T=To+Ax
式中To为甲烷化炉进口气体温度T°=260°C,x为CO和CO2的转化率
T=To+Ax
2.3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
—=-=Kyco
dVRdVR
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,yco
为气体中CO的含量,积分上式可得:
K=VSlg(yco1+2yco21)/(ycO2+2yco22)
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G—65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:
0.310,0.1510,
510"6■5103
Vs490.0m3汁」
2.653
2.4求反应器体积Vr
V。
=vr
式中:
V。
为气体体积流率
坐=聲=10132524000/53计—V^1876.1m3/h
273.15
T1T2273.15533.15
所以:
Vr=V:
」寫"83m3
查甲烷化G—65的压力校正系数曲线图,在2.53Mpa下,压力校正系数&=3.5,再取余量
C2=1.46,得实际反应体积Vr
竺31.46=1.597m3
3.5
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:
iH2
N2
CO
CO2
(J/mol•)Cp28.53
29.60
29.34
41.00
在160—260°C,TmA=483K,查得:
i
H2
N2
CO
CO2
(J/molk)Cp
28.92
30.11
29.97
43.84
2.5.1求摩尔流率N:
NB=NA=297.62mol/s
2.5.2求吸收热率Q
由公式;Q=N八Cpi*yi♦△得:
Qa=297.62[(28.5329.60)/20.995529.340.00341.000.0015](160-70)-7.79105j/s
QB=297.62[(28.9230.11)/20.995529.970.00343.840.0015](260-160)
=8.79105j/s
2.5.3求平均温度Am
A:
70C~160C
200C—290C
2.5.4求换热面积S
q吸=Q放=kS△m根据经验;在TmA=388K时,取KA=400w/m2C
2
在TmA=483K时,取KB=350w/mC
把具体数据代入得:
Sa=
Qa
KaAtmA
7.79105
400130
2
=14.98m
Sb
Qb
Kb':
」tmB
8.79105
350169.8
2
-14.79m2
第二章设备计算
3.1甲烷化反应器结构设计
Vs=1.75m3=1750L
3.1.1塔径
选择容器长径比H=2.8:
1,则:
D
nd4h
Vs=—
4
D=Di=1000mm即筒体内径为1000mm
塔高H=2.8D=2800mm
3.1.2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=2.531.1=1.1p工作=2.78Mpa
工作温度T=330C
设计温度t=T+20C=350C
3.1.3圆柱形筒体及立封头材料选用A3R
支撑式支座选用A3F
3
3.1.4塔体保温层厚度为cis=50mm,保温材料比重rn=300kgf/m
3.1.5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
其中S):
容器的理论计算壁厚mm
P:
设计压力MPa
tt:
设计温度下筒体的许用压力MPa
查表《钢板许用压力》350C下许用压力为97MPa
3.2.1焊接系数-
采用双面对接焊比较好=0.85
322壁厚附加量
Ci:
钢板负偏差
C2:
腐蚀裕量
C3:
加工减薄量
CC=Ci+C2+C3
Ci=0.8mm
C2=1mm
C3=0
3.2.3理论计算壁厚S
3.2.4实际计算壁厚S0
Sc=S0+C=18.3+C什C2+C3=18.3+1.8=20.1mm
圆套后钢板实际壁厚20mm
3.2.5强度检验
二二PD/2S<卜丨满足壁厚
即P(Di+S)/2S=2.78M020/220=70.89MPa
70.89MPa 3.2.6圭寸头的设计计算 h0=50mm 根据筒体选用标准椭圆形封头,这种封头是由半个椭圆球和一段高度为h。 查表得 又■DL=2=>Di=4hihi 2hii DiJ00^250mm 44 hi: 封头内壁曲面高度同椭圆壁厚设计一样S=20mm 圭寸头总咼h=Sj+hi+h0=20+250+50=320mm 选用椭圆形封头作用: 1S封=S筒,加工安装方便; 2承压能力好; 3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二2.45MPa工作温度T=300C 查Dg=Dj=1000mm 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》22—4 允许工作压力1.57MPa,类型: 乙型平焊法兰,规格JB1159—82。 根据工作介质,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Y16—1000 3.3.2容器的支座 首先粗略计算支座负荷。 炉体总量Q=Qi+Q2+Q3+Q4+Q5 a.炉体量Qi Dg=1000mmS=20mm筒体,没m2重1540.47牛顿。 2 Sh眞DH二2.8>H'1二8.796m 8.796154=13.548KN=1.382T b.封头重Q2 2 Q2=r/221.54=1.21KN=0.121T 3.3.3填充催化剂重量Q3 Q3=1Kg/L2.200L=2.3& 3.3.4保温层重量Q4=300Kg/m30.529m3=0.159t 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=Q什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2.5TB1168-81 3.4物料进出口接管 341气体进口接管 采用可拆①219X6的无缝钢管,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如下: t/s=^=0.3标准封头-_1-8 0.575 查《球壳上安装平齐接管应力集中曲线》得应力集中系数,K=3.4 峰值应力二max=K: ;=3.470.89=241.03MPa 按极限原则考虑,材料的2.25[二]350 2.25[二]=2.2597=218.25MPa ••飞max一2・25[;訂条件 •••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①159X4.5无缝钢管 管法兰标记为: Pg250Dg150 管口处应力集中系数计算如下: HG5012-58 t/s=4.5/20=0.225 159 4.5 —2 5001.8 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 max ^=2.8迢趣 s20 =194.6Mpa 2.25[訝=2.2597=218.75Mpa max2.2丁] 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$3235的无缝钢管,具体尺寸见图标记Pg25Dg25,HG5012-58数量4,直径M12 3.5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册》 当Dj=iooomm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二所需数据如下: 开孔半径r=480-(12_2.53_1)=231.53mm 2 筒节=12-2.53-1=8.47mm 甲烷化反映器R=500mm 壁厚s=20mm 8.47 t/s=0.4235 20 由《化工设备机械基础》图20-11查得应力集中系数k=4.8 不补强最大应力匚皿泊利口4.82.78500=346.68Mpa S20 根据极限设计要求 二max乞2.25350 令2.25=2.25X97=218.25Mpa "-max>2.25I 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'=1^0.8=14.2,则补强圈的壳体总厚度为: s=s+s'=20+14.2=34.2mm r 根据”"診°.25 R=231.53500=1.63 s500■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 最大应力匚max=K^-R=4.9x2"8500=199.2Mpa SrSr 二max<2.25J=218.25 所以用15mm厚的钢板作补强是合适的. 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
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