甲烷化计算书.docx

1 甲烷化单元计算甲烷化单元的主要设备包括预脱硫槽一段反应器、二段反应器、三段反应器、 循环压缩机、废热锅炉、分离器等等1.1终脱硫装置（脱掉的S类型和反应条件）从低温甲醇洗来的合成气（3.3MPa、37°C，体积流量？）首先进入预脱硫 装置上层（HTZ-5、4mm、50m3）发生反应为：H2S+CO2^COS+H2OZnO+H2SfZnS+H2O从上部脱硫剂床层来，气体温度由37C升至136C进入到下部脱硫床层（催化剂为ST-101、4.3 X 2.5mm. 22.1m3）加蒸汽发生水解反应:COS+H2OfH2S+CO22H2+O2^2H2Oc2H4+H2^C2H6氧气在与氢气进行的催化反应中被除去，乙烯加氢反应生成乙烷气体 出终脱硫装置后，气体温度为160C，经换热器换热上升至220C准备金入 一段甲烷化反应器1.2 甲烷化反应器CO+3H2—CH4+H2O △ Ho(298)=-206.2kJ/molCO2+4H2f CH4+2H2O △ Ho(298)=-165.0kJ/molCO+H2O—CO2+HC2H6+H2^2CH4NiO+H2—Ni+H2O △ Ho（298）=2.55kJ/molNiO+COf Ni+CO2 △ Ho（298）=-30.25kJ/mol从预脱硫装置出来的合成气随即经过废热锅炉换热，由循环增压机打入一段 反应器。

一段反应器采用绝热式固定床反应器甲烷化反应器的计算过程如下：1. 空间速度Sv=V°n/Vr （式 1.1-1）d= 3 r （式 1.1-2） 3兀H=4V^ （式 1.1-3） 兀D 2式中：VR一甲烷化催化剂床层体积（m3）；VON--原料气体积流量（标）（Nm3/h）；SV—催化剂空速（h-i）；d—反应器直径（m）；H—反应器高度（m）；2. 接触时间t =V e /VR0式中：V°—反应条件下，反应物体积流量；e—床层孔隙率；TPV=nRT, p V =NRT0 on 0・・・V =V Tp /T p代入t = 」= ~^-0 ON 0 0 VON"o SVr PTo VPToT=273K, p =101.3X103 Pa003. 空时收率S =W /W WGS意义：反应物流经床层时，单位质量或（体积）催化剂在单位时间内所获得的目的产物量4. 催化剂负荷S =W /W GWS式中：W〜原料的质量流量（kg/h）WWs〜ca皿）或（m3）单位质量催化剂在单位时间内通过反应所消耗的原料5. 床层线速度与空床速度线速度：u=V/A e反应体积在反应下，通过催化剂床层自由截面积的速率。

0R空床速度：u=V/A在反应条件下，反应气体通过床层截面积时的气速 00R使用条件:所设计的反应器与提供数据的装置具有相同的操作条件（cat、口、原料、u、T、P 等）因为操作条件等不可能完全相同，所以只能进行估算二、反应器床层高度及直径的计算① 体积一定，床层高度Hff床层截面积A 1-气速u f,流动阻力A P 动力消耗f② 床层高度Hl-Afful，对传热不利，另：H太小，气体易产生短路根据经验：① 取气体各空床速度；② 在计算床层工截面积；③ 校核床层阻力降④ 确定床层的结构尺寸床层截面积：A=V/uR00V〜气体体积流量（ms/h）0U〜气体空床速度（m/h）0催化剂床层高度：H=V /A =u V /V V〜催化剂床层体积缶）R R 0 R 0 R1） 绝热反应器（圆筒形状）：由A = n D2/4得到D =（込）0.5R nd 〜单管内径 t2） 列管反应器，管数：兀=编=矗 圆整0.785笑 0-785^2H3） 管壳式反应器（壳程装催化剂）AR=^D2-n^don〜反应管程数；d〜反应管外径；N〜实际管数0采用正三角形排列，总面积为：A =Nt2sin60°R4乙D = （ R）o.5 + 2e式中：t〜管心距,m； D〜反应器的内径；e〜最外端管心与反应器壁距离，m三、催化剂床层传热面积的计算A =—^―KAtmQ〜经热量衡算确定的传热速率，J/s；A t〜进出口两端温度差的对数平均值，K；mK〜传热系数，J/(m2・s・K)，从有关手册中查取或用公式计算。

四、经验计算法经验计算法是采用实验室、中间试验装置及其工厂现有装置测得的一些最佳条件(如空速vsp接触时间t等)作为设计依据(或定额)来进行气固催化反应器计算的一种方法① 已知空速v的定额，需要处理的气体量为q，则所需的催化剂体积为：sp v,0V =q /VR v,0 sp由颗粒状况决定空塔气流速度v,得到反应器直径D,进而可求得床层高度为：0TH=4V/[(1— E)nD 2]RT② 已知接触时间t的定额，需要处理的气体量为q，则所需的催化剂体积为：v,0V =t qB 0 v,0同上，可以得到反应器直径和床层高度 值得注意的是，不同的催化反应有不同的定额，就同一催化反应而言，各厂的管理 水平不同，其定额也不相同四、固定床的压力降计算 液体通过固定床的压力降，主要是由流体和颗粒表面间的摩擦阻力和流体在颗粒间 的收缩、扩大和再分布等局部阻力引起因此，可以采用欧根(Ergun)等温流动压降公 式进行估算：H p V>2 (1 - £)-Ap =入 一 -mdQ 2 £3式中：Ap——床层压降，Pa；H 床高，m;V——空床气速，m/s；0P 气体密度，kg/m3；gd 颗粒的提及表面及平均直径，m；0& ――床层孔隙率；入一一摩擦系数，可由下式计算：m入=150/Re+1.75mm式中：卩——气体黏度，Pa・s。

g五、 反应器高度计算：反应器直径：催化剂粒径=5〜10反应器长度：催化剂粒径=50〜100反应器长度：反应器直径=10有一个经验规定：一般反应管直径和催化剂颗粒比在6-12之间，催化剂床层高超过直径的2.5-3.0倍六、 计算结果1.3 分离器在进行分离器计算前还需定义以下概念：(1) 停留时间：在没有物料不重合出口流率恒定的条件下，气液分离器从正 常液位降到低液位时所经历的时间2) 缓冲时间：在没有物料流出和入口流率恒定的条件下，气液分离器从正 常液位升到最高液位时所经历的时间一些手册的缓冲时间是以低液位和高液位之间的体积为基础考虑的停留时 间是从保持较好的控制和下游设备操作安全的要求考虑的缓冲时间是基于上游 物流或下游物流的改变而导致液体积累考虑的，最常见的物流变化是段塞流在 没有特殊要求的情况下，缓冲时间可以取停留时间的一半1.3.1 立式气液分离器的计算1.算法1立式气液分离器的气体分离区域是分离器整个横断面，所以气体的分离直径 可以计算为：Dvd为捕雾器的直径，分离器的内径必须要大一些，捕雾器才能安装到分离 器中一般该Dvd计算值要加上6in后作为最终确定的分离器内径D,然后采用 该 D 值计算相应的分离器横截面积。

立式分离器总高度可以分为两个部分，见 图 1分离器的高度可按下式计算：HT=HLLL+HH+HS+HLIN+HD+HME如果分离器有捕雾器,那么高度还需要加上捕雾器及其构件的高度立式气液分离器(1)立式气液分离器的终端速度的计算为了保守计算设Uv=0.75Ut，通过表1得到K值，然后计算气体的体积流率：WQ = ——S 3600卩^(2)计算分离器的内径如果分离器设有捕雾器，则计算的值要加上3〜6in以安装支撑环，最后圆 整到下一个6in得到最终的分离器直径3) 计算液体的体积流率：W厶并选取停留时间并计算持液量：VH=THQL(4) 如果不规定波动体积，则选取缓冲时间后计算波动体积VS=TSQL低液位高度的选取，见表2.表2低液位高度选取表分离器直径立式分闰器山」CO卧式件离器I.I.L （n）＞耳）Dps血15rtyf>15h10X13ft1110卜b1212h1；16h-ft1?（5）计算从低液位到正常液位的高度：VH = H 5/4）坷最少取 1ft（6）计算正常液位到高液位 （或高液位报警）的高度：H =^-s （兀/4）心最小取 6in7）计算高液位到入口管嘴中心的高度：HLiN=12+dN （带入口转向器）HLin=12+（1 /2）dN （不带入口转向器）4Q-J /帶）060 mQm=QL+QVPm=PL 入+ PV（1-入）入=Ql/（Ql+Qv）（8） 计算分离高度：①从入口管嘴中心到分离器顶部切线（不含捕雾器）；②从 入口管嘴中心到捕雾器焊盘底端：HD=0.5DV 或取HD=36+0.5dN （in,不带捕雾器）HD=24+0.5dN（in，不带捕雾器）取二者的小值（9） 如果分离器带捕雾器，则分离器的高度加上 6in 捕雾器的高度，并加 1ft 作为捕雾器到分离器顶部切线的距离。

10)计算分离器的总高度 HT：HT=HLLL+HH+HS+HLIN+HD+HME其中Hme是从第(9)步得出来的高度，如果没有捕雾器Hme=02•算法2精确算法(摘自HG/T 20570 — 95气、液分离器设计) 从浮动也低的平衡条件，可以得出：V = [4皿*阳 g)]0.5 (221-2)t L 3CwPg 」式中Vt——浮动(沉降)流速，m/s；d* 液滴直径，m；pl、pg——液体密度和气体密度，kg/m3；g 重力加速度，9.81m/s2；cw――阻力系数w首先由假设的Re数，从图2.5.1-1查Cw，然后由所要求的浮动液滴直径(d*) w以及PL、PG按式(221-2)来算出V，再由此Vt计算Re 屉=空如(2.2.1-3)"G式中口 G 气体粘度，Pa • s其余符号意义同前由计算求得Re数，查图2.5.1-1，查得新Cw，代入式(221-2),反复计算， w宜在前后两词迭代的Re数相等即Vt'=Vt为止取ueWVt，即容器中的气体流速必须小于悬浮也低的浮动(沉降)流速(VJ2.2.2 尺寸设计尺寸图见图 2.2.2所示2.2.2.1 直径D = 0,0188(^6^)0.5 (2.2.2-1)式中D 分离器直径，m；VGmax 气体最大体积流量，m3/h；ue 容器中气体流速，m/s。

由图2.5.1-2可以快速求出直径(D)2.2.2.2 高度容器高度分为气相空间高度和液相高度，此处所指的高度，是指设备的圆柱体部分，见图 2.2.2所示低液位(LL)与高液位(HL)之间的距离，采用式(222-2)计算H =-^ (2.2.2-2)L 47.1D2式中Hl――液体高度，m；t 停留时间，min；D 容器直径，:m；VL——液体体积流量，m3/hwr.膛ft 2 2. 2立式直力分為叢停留时间（t）以及釜底容积的确定，受许多因素影响这些因素包括上、下游设备 的工艺要求以及停车时他班上。