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1、精品文档合肥学院HefeiUn iversity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月目录设计任务书 1第一章方案简介 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甲烷化工艺流程的选择 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反应器零部件的选择 123.4物料进出口接管 133.5手孔及人孔的设计
2、 15设计心得 16参考文献及附图 17精品文档设计任务书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%CO 2%H2%N2%E10. 300. 1599.551.2.3 出口气体成分 CO w ppm,CO2W 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：
3、（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1.4.7 致谢1.4.8 参考文献1.4.9 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
4、，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、02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
5、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CO 2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
6、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+3H 2=CH 4+ H2O+206.16KJ( 1)CO2+3H2=CH 4+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 H 2=2H 2O+241.99 KJ( 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
7、化反应平衡常数随温度而下降，但在常用的范围(240-420 C)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200 C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%
8、 (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+H 2=Ni+ H 2O + 1026KJ(5)NiO+CO= Ni+CO 2+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
9、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1.3.1 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
10、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+H 2 CH 2CH 4(7)O+ H 2H2O(8)利用(6)的平衡公式和(8)的速率相等的关系可推知：RcH4 =KCOPh2oPCO22KCO PCO1/2式中：K s K co K hKm= KmKm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:RCH4 =1.309 107 yCO exp1167T1 5.915yCO
11、exp式中yc。为气体中CO的分率1.3.2 CO2甲烷化机理如下:CO2+kco2CO2(10)CO+ H 2 KS C+O（12）快速C + H 2 KmCH2CH 4（13）O+ H2KhH2O（14）O+ H 2 KhH2O（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 +ksCO+O +(11)反应，同理可推得：1/2K co2 ph 2 pcoRcH4 =1 kco2 pco2kh2 Kpho ph2o式中Kco2（ RmKh Ks K s KgRh）3,高和直径均为3.18mm的G-65催化剂常压实验所得的CO 2甲烷化速率表达式
12、:48.66 10 ycC2RCH4 =12.797yco2exp9602Texp2284T(16)1.3.3 CO2与CO混合气体的甲烷化混合气体的反应机理为:CO + KCOCORhCO + H 2 RhH2OCO+KSC+ORm快速C + H 2CH 2CH 4CO 2 + KCO2CO2O + + H 2H2OC0 2+C0+ 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
13、艺与流程的选择2.53MPa.进入甲烷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 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260 C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，
14、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HRN / iCpi式中：Cpi为各组分定压摩尔热容单位J/mol k,根据公式Cp=a+bT+cT 2+dT3 可计算得：iH2N2COCO2(J/ mol k) Cp 29.1330.4130.3845.41代入上式得：330.667 206.16 100.004 0.333 165.08 100.0022671.29 22.52 C (29.1330.04)/2 0.993830.38 0.00445.410.002229.81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 =30C2.2求甲烷化炉出口气体温度TT=T 0+ Ax式中To为甲烷化炉进口气体温度 T
