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+H2O

ZnO+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+CO2

2H2+O2→2H2O

C2H4+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/mol

CO2+4H2→CH4+2H2OΔH0(298)=-165.0kJ/mol

CO+H2O→CO2+H2

C2H6+H2→2CH4

NiO+H2→Ni+H2O ΔH0(298)=2.55kJ/mol

NiO+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=

2

4R

V 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

=

ε

S v Tp 0PT 0

T 0=273K ，p 0=101.3×103

Pa 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

)0.5

d t ～单管内径

2）列管反应器，管数：n =A R 0.785d i

2=V

R 0.785d i

2H 圆整

3）管壳式反应器(壳程装催化剂)A R =π4D 2−n π

4d 02

n ～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 2

sin60

°

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 m

Q～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=λ

m H

d0

ρg v02

2

(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+1.75