甲烷化基本工艺设计.doc
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1、合 肥 学 院Hefei University化工工艺课程设计设计题目:甲烷化工艺设计系别:化学和材料工程系专业:化学工程和工艺学号:姓名:指导老师:6月目录设计任务书1第一章 方案介绍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甲烷化工艺步骤选择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 反应器零部件选择123.4 物料进出口接管133.5 手孔及人孔设计15设计心得16参考文件及附图1
2、7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%CO2%H2%N2%E103001599.551.2.3出口气体成份“CO5ppm,CO25ppm”1.3设计内容 变换工段在合成氨生产起作用既是气体净化工序,又是原料气再制造工序,经过变换工段后气体中CO含量大幅度下降,符合进入甲烷化或铜洗工段气质要求。1.3.1选定步骤1.3.2确定甲烷化炉工艺操作条件1.3.3确定甲烷化炉催化剂床体积、塔径及床层高度1.3.4绘图:(1)工艺步骤图;(2)甲烷化炉工艺条件图1.4设计说明书概要1.4.1目录:设计任
3、务书,概述,热力计算,结构设计和说明,设计总结,附录,致谢,参考文件,附工艺步骤图及主体设备图一张(要求工艺步骤图出A2以上图,要求主体设备用AutoCAD出A2以上图)1.4.2概述1.4.3热力计算(包含选择结构,传热计算,压力核实等)1.4.4结构设计和说明1.4.5设计总结1.4.6附录1.4.7致谢1.4.8参考文件1.4.9附工艺步骤图及主体设备图一张第一章 方案介绍合成氨工业是基础化学工业之一。其产量居多种化工产品首位。已成为当今合成氨工业生产技术发展方向。国际上对合成氨需求,伴随人口增加而对农作物增产需求和环境绿化面积扩大而不停增加。合成氨工业在国民经济中举足轻重。农业生产,“
4、有收无收在于水,收多收少在于肥”。所以,合成氨工业是农业基础。它发展将对国民经济发展产生重大影响。所以,中国现有众多化肥生产装置应成为改造扩建增产基础。以后应利用中国开发和消化吸收引进工艺技术,自力更生,立足中国,走出一条含有中国特色社会主义民族工业发展道路。CO、CO2、O2 等是氨合成催化剂毒物, 生产中通常要求将氨合成原料气CO 等含氧化合物总量脱除至1010- 6。脱除方法关键有铜氨液洗涤法( 铜洗法) 、液氮洗涤法和甲烷化法。甲烷化净化方法和铜洗、液氮洗法相比, 含有步骤简单、投资省、运行费用低和对环境基础无污染等优点。从工艺合理性和投资和操作费用等方面来看, 甲烷化是合成氨安全、稳
5、定生产肯定选择。在合成氨粗原料气净化过程中,CO2变换和CO脱除后原料气尚含有少许残余CO,CO2,O2 和水等杂质。为了它们合成催化剂毒害,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”,精练后要求CO和CO2含量不超出5ppm。原料气精练方法通常有三种,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19就开始采取方法,在高压和低温下用铜盐氨溶液吸收 CO,CO2,H2S和氧,然后溶液在减压和加热条件下再生,甲烷化六十年代才开始。即使催化剂上把CO和CO2加氢成甲烷研究早已开始,但要消耗用氢气而生成无用甲烷,所以此法只适适用于CO,CO2含量比较低原料气。和铜洗法相比,甲烷
6、化含有工艺简单,操作方便,费用低优点。工艺步骤图:脱碳气气水分离器甲烷化换热器甲烷化电炉原料气甲烷化炉甲烷化冷凝器甲烷化气气水分离器 甲烷气1. 1甲烷化反应平衡在甲烷化炉内,关键发生甲烷化反应: CO+3H2=CH4+ H2O+206.16KJ (1) CO2+3H2=CH4+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 H2=2H2O+241.99KJ (3)某种条件下:CO还可能和催化剂中镍生成羰基。即:Ni+4CO=Ni(CO)4 (4)甲烷化反应平衡常数随温度而下降,但在常见范围(240-420)内,平衡常数很大。为此,要求甲烷化出口气体CO
7、和CO2含量低于5ppm是完全可能。CO和催化剂中镍生成羰基镍反应是放热且体积缩小反应。经过试验表明,在CO含量小于0.5时,假如发生反应温度在200以上不可能有羰基镍形成。鉴于甲烷化反应体系在200以上进行,所以正常情况下不会有反应(4)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,所以甲烷化反应催化剂和蒸汽转化一样,全部是以镍作为活性组分。不过甲烷化在更低温度下进行,催化剂需要更高活性,故催化剂中活性组分镍含量较高,通常达成15-35(以镍记)。有时也加入稀土元素做促进剂,为了使催化剂含有相当耐热性。为此,催化剂常载有耐火材料。现在,甲烷催化剂中国外有多个类型,我们选择G-
8、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)即使还原反应热效应不大 ,但一经还原后催化剂就含有了活性,甲烷化反应就能够进行了,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。还原后镍催化剂会自燃,要预防其和氧化性气体接触,目前面工序出现事故时,有高浓度碳氧化合物进入甲烷化炉中,床层会快速上升,这时应立即放空并切断原料气。另外,还原后催化剂不能用含CO气体升温,以预防低温生成羰基镍,影响催化剂活性。硫、砷和卤全部能使催化剂中毒,她们量即使是微量也会大大降低催化剂活
9、性和寿命,因为本步骤有脱硫工序获降低温度变换工序,所以,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。甲烷化催化剂活性损失多和脱碳相关,少许液滴带入甲烷化炉几乎不可避免,通常不会造成盐类遮盖催化剂表面,造成活性严重损失,甲烷化催化剂寿命通常在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CO甲烷和氧等;(2)CO歧化为易于加氧碳原子;(3)不能反应聚合碳。并比较了甲烷化速率和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,反应机理以下:CO
10、+ CO (5)CO+ O+C (6)C+H2CH2CH4 (7)O+ H2H2O (8)利用(6)平衡公式和(8)速率相等关系可推知:RCH4= 式中:Km= Km对于高和直径相等均为3.11mmG-65催化剂。常压下CO 甲烷化速率表示式:RCH4= 式中yco为气体中CO分率。1.3.2 CO2甲烷化机理以下:CO2+ CO2 (10)CO2 + CO+O+ (11)CO+ H2C+O (12)C + H2 CH2 CH4 (13)O+ H2 H2O (14)O+ H2H2O (15)因为上述机理可知:CO2甲烷化系先在催化剂上分解成CO,然后按CO甲烷化机理进行反应,同理可推得:RCH
11、4=式中KCO2()1/3,高和直径均为3.18mmG-65催化剂常压试验所得CO2甲烷化速率表示式:RCH4= (16)1.3.3 CO2和CO混合气体甲烷化混合气体反应机理为:CO + CO CO + H2H2OCO+ C+OC + H2 CH2 CH4CO2 + CO2O+ + H2H2OCO2+ CO+ O+由此可知。CO2甲烷化首先在催化剂上分解成CO,然后进行甲烷化,而CO2和CO分别甲烷化速度关键取决于吸附O和O+加氢速率相对大小,试验表明:CO 优先甲烷化趋势,只有在Pco远低于Pco2时,二者才能以相当速率进行。1.4 甲烷化工艺和步骤选择甲烷化压力通常随中低变和脱碳压力而定
12、,本设计以给压力为2.53MPa.进入甲烷化炉气体组成以给,即:名称H2N2COCO2含量74.25%25.30%0.30%0.15%甲烷化反应器温度入口温度受到羰基全集形成起燃温度限制,必需高于200,同时考虑高转化率和能量消耗, 我们选择入口温度260左右。这么也给操作有一个较适合波动范围。甲烷化步骤关键有两种类型,即外加热和内加热型。依据计算,只需要原料含有碳氧化合物0.5-0.7%,甲烷化反应放出热量可足够将进口气体预热到所需要温度。这就是内热型依据,考虑到原料气中碳含量有时较上述低,尚需外供热源,这就是外热型可取处。取二者之长,我们选择以下步骤,先用甲烷化反应后出口气体温度上升,余下
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