甲烷化基本工艺设计.doc

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 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甲烷化工艺步骤选择 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 反应器零部件选择 12
3.4 物料进出口接管 13
3.5 手孔及人孔设计 15
设计心得 16
参考文件及附图 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
1.2.1进气量：24000Nm3/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出口气体成份“CO≤5ppm,CO2≤5ppm”
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,“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<10×10- 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-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 +[ ]——[CO] （5）
[CO]+[ ]——[O]+[C] （6）
[C]+H2——[CH2]——CH4 （7）
[O]+ H2——H2O （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]+ H2[C]+[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：
RCH4=
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] + H2H2O
[CO]+[ ] [C]+[O]
[C] + H2 [CH2] CH4
CO2 + [ ][CO2]
[O+] + H2H2O
[CO2]+[ ][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，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
H2
N2
CO
CO2
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，余下温差在用高变气体加热直待入口气体温度达成260℃，步骤图后附。
第二章 工艺计算
2.1求绝热温升Λ
依据公式Λ=-ΔHRN。/
式中：Cpi为各组分定压摩尔热容单位J/mol·k，依据公式
Cp=a+bT+cT2+dT3可计算得：
i
H2
N2
CO
CO2
（J/ mol·k）Cp
29.13
30.41
30.38
45.41
代入上式得：
℃
考虑到进入甲烷化炉气体中可能含有少许氧和其它综合原因，我们取Λ=30℃
2.2求甲烷化炉出口气体温度T
T=T0+Λx
式中To为甲烷化炉进口气体温度T0=260OC，x为CO和CO2转化率
T=T0+Λx
℃
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影响。为了适应工程简便计算，常假定和CO和CO2含量成一定一级关系，以一氧化碳甲烷化为例，反应速率和一氧化碳关系为：
—= =K
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，为气体中CO含量，积分上式可得：
K=lg（yco1+2yco21）/（yCO2+2yco22）
甲烷化表观反应速率常数K不仅和温度相关，还随压力增大而增加，查在常压下“甲烷化催化剂G—65反应速率常数和温度关系：”曲线
在我们范围内取K=1300k-1，把具体数据代入得：

2.4 求反应器体积VR
=
式中：为气体体积流率
由已知条件进气量为24000Nm3/h，转化为2.53Mpa，260℃以后为：
=
所以：==
查甲烷化G—65压力校正系数曲线图，在2.53Mpa下，压力校正系数c1=3.5，再取余量c2=1.46，得实际反应体积VR

2.5换热器 (A，B)换热面积
下图为换热器事例图：

高蒸汽440℃ 260℃
B

320℃

A
200℃

出甲烷化炉290℃

求等压摩尔热容Cp
我们以进炉气为研究对象，在70—160℃，=388K，查得：
i
H2
N2
CO
CO2
（J/ mol·k）Cp
28.53
29.60
29.34
41.00
在160—2600C，=483K，查得：
i
H2
N2
CO
CO2
（J/ mol·k）Cp
28.92
30.11
29.97
43.84
2.5.1求摩尔流率N：
=
==297.62mol/s
2.5.2求吸收热率Q
由公式；Q=Δt得：

=
=
2.5.3求平均温度Δtm
A：70℃→160℃ B：160℃→260℃
200℃←290℃ 320℃←440℃
Δtm=℃
Δtm = ℃
2.5.4求换热面积S
吸=放=K·S·Δtm
依据经验；在=388K时，取K=400w/m2·℃
在=483K时，取K=350 w/m2·℃
把具体数据代入得：

第三章 设备计算
3.1甲烷化反应器结构设计
3.1.1塔径
VS=1.75m3=1750L
选择容器长径比=2.8:1,则:
VS =
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,当中压范围
设计压力p=2.531.1=1.1p工作 =2.78Mpa
工作温度T=330℃
设计温度t=T+20℃=350℃
3.1.3圆柱形筒体及立封头材料选择A3R
支撑式支座选择A3F
3.1.4塔体保温层厚度为is=50mm,保温材料比重rn=300kgf/m3
3.1.5甲烷化反应器安置进出气管和其它接管见装备图.
3.2 按设计压力计算筒体和封头壁厚
公式S0=
其中S0 :容器理论计算壁厚 mm
P:设计压力 MPa
:设计温度下筒体许用压力 MPa
查表《钢板许用压力》350℃下许用压力为97MPa
3.2.1焊接系数
采取双面对接焊比很好 =0.85
3.2.2壁厚附加量C C=C1+C2+C3
C1:钢板负偏差 C1=0.8mm
C2:腐蚀裕量 C2=1mm
C3:加工减薄量 C3=0
3.2.3理论计算壁厚S
S0==
3.2.4实际计算壁厚S0
Sc=S0+C=18.3+C1+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
<满足壁厚
即P（Di+S）/2S=2.78×1020/2×20=70.89MPa
70.89MPa<=97MPa 壁厚满足
3.2.6封头设计计算
依据筒体选择标准椭圆形封头,这种封头是由半个椭圆球和一段高度为h0，查表得 h0=50mm
又=2=>D=4hi
hi:封头内壁曲面高度
同椭圆壁厚设计一样 S=20mm
封头总高 h=S0+hi+h0=20+250+50=320mm
选择椭圆形封头作用:
① S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择
3.3.1法兰联结设计选择
法兰联结由两个法兰，垫中和若干个螺栓螺头。
工作温度
查
查《压力容器法兰分类和规格》 22—1
《乙形平焊法兰许可工作压力》22—4
许可工作压力1.57MPa ，类型：乙型平焊法兰，规格 JB1159—82。
依据工作介质，选择凹凸型密封面很好，代号“T”。
垫面材料选择石棉橡胶板，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，选择法兰标准代号：法兰Y16—1000
3.3.2容器支座
首先粗略计算支座负荷。
炉体总量Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5
a .炉体量Q1
筒体，没m2重1540.47牛顿。

b．封头重Q2

3.3.3填充催化剂重量Q3

3.3.4保温层重量
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=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5
=1.382+0.121+0.159+2.2+1.05(t)
=4.992t
因为甲烷化炉是立式容器，选择支承式支座材料选择A3F
查表22—9《支承式支座尺寸》
得，支座2.5 TB1168-81
3.4物料进出口接管
3.4.1气体进口接管
采取可拆Ф219×6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以下：
标准封头

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
按极限标准考虑，材料

∵ 条件
∴必需补强
选择Dg200×15补强圈（JB1207-73）进行补强
3.4.2气体出口管
选择Ф159×4.5无缝钢管
管法兰标识为：Pg250Dg150 HG5012-58
管口处应力集中系数计算以下：

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

=
2.25[σ]350=

所以，不需补强。
3.4.3制动测量仪表接口
a．压力表选择
b．温度计选择
选择公称直接Dg=5带有法兰联结热电偶。具体装置图。
查表6《管法兰尺寸》，选择φ无缝钢管，具体尺寸见图标识Pg25Dg25,HG5012-58数量4，直径M12
3.5手孔或人孔设计计算
人孔和手孔设计一项即可,现以设计选择人孔.
人孔关键有筒节,法兰和盖板组成.
查表《化工容器及设备简名设计手册》
当Di=1000mm 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.密封压紧面采取A型.
吊盖选择水平吊盖.
依据人孔及反应器体尺寸,设计开孔应力集中系数,所需数据以下:
开孔半径r=
筒节=
甲烷化反应器R=500mm
壁厚 s=20mm
于是开孔系数==
t/s=
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
依据极限设计要求

令2.25=2.25×97=218.25Mpa
>2.25
所要补强,采取补强圈补强,取厚度为15mm钢板,则她有效厚度s’=15－0.8=14.2,则补强圈壳体总厚度为:
s=s+s’=20+14.2=34.2mm
依据t/ s==0.25
===1.63
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=K=4.9×=199.2Mpa
<2.25=218.25
所以用15mm厚钢板作补强是适宜.
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甲烷化这一工艺段设计。在设计过程中，我们参阅教材并搜集了大量相关资料,并应用热力学方法计算及搜集相关物性数据参数，经过数次分析比较得出我们认为合理可行方案、并完成设计。工艺尺寸选择等参阅相关工艺设计方法和借鉴相关设计经验，并绘制了对应工艺步骤图。
这次工艺设计使我愈加扎实掌握了相关甲烷化工艺方面知识，在设计过程中即使碰到了部分问题，但经过一次又一次思索，一遍又一遍检验最终找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面知识欠缺和经验不足。实践出真知，经过亲自动手制作，使我们掌握知识不再是纸上谈兵。鉴于我们知识和经验不足，难免有些不合理地方，纰漏之处还请老师批正！
工艺课程设计给我很多专业知识和专业技能上提升，让我感慨很深。使我对抽象理论有了具体认识。经过这次课程设计，我掌握了甲烷化技术方法；熟悉了化工设备尺寸设计；加深了化工原理相关内容了解，比如塔高、塔径确实定，换热面积计算等。
经过这次课程设计，不仅培养了我们独立思索、动手操作能力，在多种其它能力上也全部有了提升。更关键是，在试验课上，我们学会了很多学习方法。而这是以后最实用，真是受益匪浅。我们不仅能够学到很多很多东西，同时还能够巩固了以前所学过知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过知识。这次课程设计使我知道了理论和实际相结合是很关键，只有理论知识是远远不够，只有把所学理论知识和实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正提升自己实际动手能力和独立思索能力。
试验过程中，也对团体精神进行了考察，让我们在合作起来愈加默契，体会到团体精神关键性。经过相互之间合作和交流，大家集思广益使事情做起来事半功倍。

参考文件
1. 化工过程及设备设计,华南理工大学出版社，1986年
2. 化工工艺设计手册。国家医药管理局上海医药设计院，1986年
3. 化工手册编委会编。化工手册（第一篇），化学工业出版社，1980年
4. 石油化学工业部化工设计院主编．《小氮肥厂设计手册》．石油化学工业出版社，1979年
5. 石油化学工业部化工设计院主编．《氮肥工艺设计手册》．理化数据分册．石油化学工业出版社，1977年
6. 张成芳著，《合成氨工艺和节能》，华东化工学院出版社，1988年
7. 化工第四设计院，《小型氮肥装置新技术选编》，1992年
8. 陈劲松等编，《小型合成氨厂变换工段操作数据手册》，化学工业出版社，1991
9. 向德辉等编，《化肥催化剂实用手册》，化学工业出版社，1992年