甲烷化计算书

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℃，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+H2S→ZnS+H2O从上部脱硫剂床层来，气体温度由37℃升至136℃进入到下部脱硫床层(催化剂为ST-101、4.3×2.5mm、22.1m3)加蒸汽发生水解反应：COS+H2O→H2S+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160℃，经换热器换热上升至220℃准备金入一段甲烷化反应器。

1.2甲烷化反应器CO+3H2→CH4+H2OΔH0(298)=-206.2kJ/molCO2+4H2→CH4+2H2OΔH0(298)=-165.0kJ/molCO+H2O→CO2+H2C2H6+H2→2CH4NiO+H2→Ni+H2O ΔH0(298)=2.55kJ/molNiO+CO→Ni+CO2ΔH0(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：一、1.空间速度S V =V ON /V R （式1.1-1）（式1.1-2） H=24RV D π（式1.1-3） 式中：V R —甲烷化催化剂床层体积（m 3）； V ON --原料气体积流量（标）（Nm 3/h ）； S V —催化剂空速(h -1)；d —反应器直径（m ）； H —反应器高度（m ）；2.接触时间τ=V R ε/V 0式中：V 0—反应条件下，反应物体积流量；ε—床层孔隙率；∵PV=nRT ，p 0V on =NRT 0∴V 0=V ON Tp 0/T 0p 代入τ=εV ON V R Tp 0PT 0=εS v Tp 0PT 0T 0=273K ，p 0=101.3×103Pa 3.空时收率S W =W G /W S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 G =W W /W S式中：W W ～原料的质量流量(kg/h) W S ～cat(kg)或(m 3)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 0/A R ε 反应体积在反应下，通过催化剂床层自由截面积的速率。

空床速度：u 0=V 0/A R 在反应条件下，反应气体通过床层截面积时的气速。

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 、μ、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H ↑→床层截面积A ↓→气速u ↑,流动阻力ΔP ↑→动力消耗↑② 床层高度H ↓→A ↑→u ↓，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 R =V 0/u 0 V 0～气体体积流量(m 3/h) U 0～气体空床速度(m/h)催化剂床层高度：H=V R /A R =u 0V R /V 0 V R ～催化剂床层体积(m 3) 1）绝热反应器(圆筒形状)：由A R =πD 2/4得到D =(4A t π)0.5d t ～单管内径2）列管反应器，管数：n =A R 0.785d i2=VR 0.785d i2H 圆整3）管壳式反应器(壳程装催化剂)A R =π4D 2−n π4d 02n ～反应管程数；d 0～反应管外径；N ～实际管数 采用正三角形排列，总面积为：A R =Nt 2sin60°D =(4A R π)0.5+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=Q KΔt mQ～经热量衡算确定的传热速率，J/s；Δt m～进出口两端温度差的对数平均值，K；K～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v sp、接触时间τ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 sp的定额，需要处理的气体量为q v,0，则所需的催化剂体积为：V R=q v,0/V sp由颗粒状况决定空塔气流速度v0，得到反应器直径D T，进而可求得床层高度为：H=4V R/[(1-ε)πD T2]②已知接触时间τ的定额，需要处理的气体量为q v,0，则所需的催化剂体积为：V B=τ0q 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：−Δp=λm Hd0ρg v022(1−ε)ε3式中：Δp——床层压降，Pa；H——床高，m;V0——空床气速，m/s；ρg——气体密度，kg/m3；d0——颗粒的提及表面及平均直径，m；ε——床层孔隙率；λm——摩擦系数，可由下式计算：λm=150/Re m+1.75Re m=d0v0ρg μg(1−ε)式中：μg——气体黏度，Pa·s。

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：D VD=√4Q V πu VD VD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D VD 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：H T =H LLL +H H +H S +H LIN +H D +H ME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：U T =K √(ρL −ρV )ρV为了保守计算设U V =0.75U T ，通过表1得到K 值，然后计算气体的体积流率：Q V =W V3600ρV(2)计算分离器的内径D VD =√4Q Vπu V 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：Q L =W L60ρL并选取停留时间并计算持液量：V H =T H Q L(4)如果不规定波动体积，则选取缓冲时间后计算波动体积：V S =T S Q L低液位高度的选取，见表2.(5)计算从低液位到正常液位的高度：H H=V s (π/4)D v2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=V S (π/4)D v2最小取6in。

(7)计算高液位到入口管嘴中心的高度：H LIN=12+d N（带入口转向器）H LIN=12+(1/2)d N（不带入口转向器）d n≥(4Qπ60/√ρm)0.5Q m=Q L+Q Vρm=ρLλ+ρV(1-λ)λ=Q L/(Q L+Q V)(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：H D=0.5D V或取H D=36+0.5d N（in,不带捕雾器）H D=24+0.5d N（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H T：H T=H LLL+H H+H S+H LIN+H D+H ME其中H ME是从第(9)步得出来的高度，如果没有捕雾器H ME=0。

2.算法2 精确算法(摘自HG/T 20570一95气、液分离器设计)从浮动也低的平衡条件，可以得出：V t=[4gd∗(ρL−ρG)3C wρG ]0.5(2.2.1-2)式中V t——浮动(沉降)流速，m/s；d*——液滴直径，m；ρL、ρG——液体密度和气体密度，kg/m3；g——重力加速度，9.81m/s2；C w——阻力系数。

首先由假设的Re数，从图2.5.1-1查C w，然后由所要求的浮动液滴直径(d*)以及ρL、ρG按式(2.2.1-2)来算出V t’，再由此V t’计算Re。

Re=d∗V t′ρGμG(2.2.1-3)式中μG——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C w，代入式(2.2.1-2)，反复计算，宜在前后两词迭代的Re数相等即V t’=V t为止。

取u e≤V t，即容器中的气体流速必须小于悬浮也低的浮动(沉降)流速(V t)。

2.2.2 尺寸设计尺寸图见图2.2.2所示。

2.2.2.1直径D=0.0188(V Gmaxu e)0.5(2.2.2-1)式中D——分离器直径，m；V Gmax——气体最大体积流量，m3/h；u e——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。