完整版】年產2465萬噸甲醛生產工藝設計畢業(yè)論文設計

1、中國礦業(yè)大學銀川學院本科畢業(yè)設計（2015屆）題目年產2.5萬噸甲醛生產工藝設計系別化學工程系專業(yè)煤化工年級11級2班學生姓名魏杰指導教師張霞摘要本設計為年產2.5萬噸37%甲醛水溶液的生產工藝設計，本設計采用銀催化法工藝, 根據設計要求對工藝流程進行了選擇與論證，對整個裝置進行了物料與能量的衡算，對主 要設備和管道進行了設計及選型，同時對本裝置安全生產與“三廢”治理作了相關討論。關鍵詞：甲醛：甲醇：氧化：工藝：電解銀：、八 、刖言甲醛是重要的有機化工基礎原料，是甲醇最重要的衍生物產品之一，甲醛的用途十分 廣泛，主要用于生產脲醛、酚醛、聚甲醛和三聚氰胺等，也用于生產醫(yī)藥產品、農藥和染 料以及消

2、毒劑、殺菌劑、防腐劑等。目前甲酴的生產均采用甲醇為原料，銀催化劑，經空 氣氧化得到，其濃度為37流右，其余為水，含甲醛40%甲醛80%勺水溶液叫做福爾馬林， 是常用的殺菌劑和防腐劑。甲醛是脂肪族中的最簡單的醛，化學性質十分活潑。甲醛最早由俄國化學家A.M.Butlerov 于1895年通過亞甲基二乙酯水解制得。1868年，A.M.Hoffmann使用鉑催化 劑，用空氣氧化甲醇合成了甲醛，并且確定了它的化學特性。1886年Loews使用銅催化劑 和1910年Blank使用銀催化劑使甲醛實現了工業(yè)化生產。 1910年，由于酚醛樹脂的開發(fā) 成功，使甲醛工業(yè)得到了迅猛的發(fā)展。隨著甲醛工業(yè)生產的不斷擴大

3、和甲醛產品的深入研究，其生產工藝的日漸完善，對甲 醛生產設備的要求也在不斷提高。工業(yè)甲醛生產典型的有機合成工藝，在我國已有近五十 年的歷史。我國的甲醛生產技術無論在裝置技術、催化劑的改進、還是余熱利用方面都已 有了長足的進步，其主要技術經濟指標已過到國際上同類生產工藝先進水平。從我國甲醛的生產現狀看，結合畢業(yè)實習的相關內容，此設計采用的是銀催化劑氧化 生產甲醛的生產工藝流程。在整個設計過程中，按照設計任務書的要求，對年產2.5萬噸甲醛裝置進行了完整的物料衡算與熱量衡算，對工藝過程中的主要設備進行了較為詳細的工藝計算。由于本人能力有限，加上時間較為倉促，在整個設計中難免有錯誤和不足之處， 敬請各

4、位老師批評指正。-17 -目錄第一章甲醛生產簡介 -5 -1.1甲醛的性質和用途-5 -1.1.1產品說明 -5 -1.1.2產品性質：-5 -1.2產品用途-7 -1.3甲醛的生產工藝簡介 -7 -1.3.1目前，國內外由甲甲醇生產甲醛主要有以下幾種方法： -7 -1.4甲醛主要生產工藝的比較與選擇 -8 -1.4.1生產工藝比較 -8 -1.4.2銀催化法生產甲醛 -9 -第二章 物料衡算-11 -2.1主要工藝指標-11 -2.2甲醛、甲醇物料衡算-12 -2.2.1 產品產量及其組成 -13 -2.2.2 原料投入量 -14 -2.2.3尾氣中各組分含量的計算 -14 -2.2.4 校

5、核-15 -2.2.5主要設備物料衡算 -16 -第三章 熱量衡算-20 -3.1物性參數及計算公式 -20 -3.2主要設備熱量衡算 -20 -第四章 主要非定型設備的計算及選型 -26 -4.1蒸發(fā)器-26 -4.2過熱阻火器 -27 -4.3氧化爐-28 -4.3.1 廢熱段-28 -4.3.2 急冷段-28-4.4 一塔一冷-29-4.5 一塔二冷-30-4.6 二塔一冷-30-第五章三廢”處理-31-5.1廢氣處理-31-5.2廢水處理-32-5.3噪聲防治-32-第一章甲醛生產簡介1.1甲醛的性質和用途1.1.1產品說明產品名稱：甲醛 化學分子式：HCHO分子量：30.031.1.

6、2產品性質:a物理性質：甲醛又稱蟻醛，是無色有強烈刺激性氣味的氣體，對空氣的比重為 1.06，略重于空 氣，易溶于水、醇和醚，甲醛在常溫下是氣態(tài)，通常以水溶液形式出現。其30%40的水溶液為福爾馬林液，此溶液沸點為19C。故在室溫時極易揮發(fā)，隨著溫度的上升揮發(fā)速度 加快。甲醛易聚合成多聚甲醛，其受熱易發(fā)生解聚作用，并在室溫下可緩慢釋放甲醛。表1-2甲醛的物理性質計量單位：見表項目數值密度(gcm3)-80C0.9151-20C0.8153沸點(101.3kPa) C-19熔點C-118汽化熱(19 C)(kjmol)23生成熱(25 C)(kjmol)-116標準自由能(25 C)(kjmol

7、)-109.7比熱容J(mol.k)35.2熵 J(mol.k)218.6燃燒熱（kjmol）561569臨界溫度C137.2 141.2臨界壓力Mpa6.81 6.66空氣中爆炸極限%7.0 73著火點C430b化學性質甲醛分子中含有醛基，具有典型的醛類的化學性質，同時又含有羰基碳原子鍵合的較 為活潑的a -H,使甲醛的化學性質十分活潑，能參加與多種化學反應。在此只介紹幾種重 要的化學反應。（1）加成反應1）在有機溶劑中，甲醛與烯烴在酸催化下發(fā)生加成反應，通過這種反應，可由單 制備雙烯烴，并增加一個碳原子，例如甲醛與異丁烯反應得到異戊二烯。2）在乙炔酮、乙炔銀和乙炔汞催化劑存在下，單取代乙炔

8、化合物與甲醛加成生成 炔屬醇（Reppe反應）。對乙炔來說，加上 2mol甲醛，生成2- 丁炔-1，4-二醇，2- 丁炔 -1，4-二醇進一步加氫生成重要的化學 1，4-丁二醇。3）在堿性溶液中，甲醛和氰化氫反應生成氰基甲醇。（2）縮合反應甲醛除自身外，能與多種醛、醇、酚、胺等化合物發(fā)生縮合反應?？s合反應是甲醛最 重要的化學反應。1） 甲醛能發(fā)生自縮合反應，生成三聚甲醛或多聚甲醛。60%&甲醛溶液在室溫下 長期放置就能自動聚合成三分子的環(huán)狀聚合物。2） 在NaOH溶液中，甲醛自身縮合生成羥基乙醛。HOCH3CHO能進一步快速與甲 醛縮合生成碳水化合物，俗稱 Formose反應。3）在堿性催化劑

9、作用下，甲醛和酚首先發(fā)生加成反應。生成多羥基苯酚，生成多 羥基苯酚受熱后，可進一步縮合脫水，生成酚醛樹脂。4）甲醛很容易和氨及胺發(fā)生縮合反應，生成鏈狀或環(huán)狀化合物。甲醛和氨在 2030C條件下縮合生成六亞甲基四胺，俗稱烏洛托品。（3）分解反應純的、干燥的甲醛氣體能在80100C的條件下穩(wěn)定存在，在 300C以下時，中醛發(fā)生 緩慢分解為CO和H2, 400C時分解速度加快，達到每分鐘 0.44%的分解速度。（4）氧化還原反應甲醛極易氧化成甲酸、進而氧化為 CO2和H2O1.2 產品用途甲醛屬于用途廣泛、生產工藝簡單、原料供應充足的大眾化工產品，是甲醇下游產品 中的主干，世界年產量在2500萬噸左

10、右，30流右的甲醇都用來生產甲醛。近年來，隨著 甲醇工業(yè)的不斷發(fā)展，開發(fā)甲醇產品、將甲醇轉化為其它有機化工產品已經引起研究人員 的濃厚興趣，而甲醛是甲醇轉化的主要產物之一。但甲醛是一種濃度較低的水溶液，從經 濟角度考慮不便于長距離運輸，所以一般都在主消費市場附近設廠，進出口貿易也極少。 甲醛除可直接用作消毒、殺菌、防腐劑外，主要用于有機合成、合成材料、涂料、橡膠、 農藥等行業(yè)，其衍生產品主要有多聚甲醛、聚甲醛、酚醛樹酯、脲醛樹酯、氨基樹酯及烏 洛托產品。1.3甲醛的生產工藝簡介1.3.1目前，國內外由甲甲醇生產甲醛主要有以下幾種方法：甲縮醛氧化法甲縮醛氧化法制取高濃度甲醛由三步進程完成：甲縮醛

11、的合成、甲縮醛氧化和過濃度 甲醛吸收與處理。甲縮醛氧化法是制備高濃度甲醛溶液的另一種方法。日本旭化成公司于 20世紀80年代開發(fā)成功的這一生產方法，是將甲醛和甲醇在陽離子交換樹脂的催化作用 下，采用反應精餾的方法先合成甲縮醛，然后將甲縮醛在鐵鉬氧化催化劑的作用下，用空 氣氧化生產甲醛。二甲醚氧化法將二甲醚氣體與空氣混合，預熱后通過多管式固定床反應器，管內裝有金屬氧化物催化劑， 管外用液體導熱法移走反應熱量。反應器結構與鐵鉬法相同。反應壓力為常壓，溫度450-500 C,空速為 1000-4000m=( 33 - 16.7 )- 0.68 = 24.0 C氣體傳熱系數k = 180w(mC );

12、甲醇蒸發(fā)器的熱負荷為 Q= 1544387.136KJQ=KS tm2S= 1544387.136 - 180-24.015 = 99.244m參考化工原理第二版的化工流體流動與傳熱第364頁附錄二十五、管殼式換熱器系列標準1 固定管板式換熱器(2)換熱管 25的基本參數(管心距32mm選公稱直徑為：800mm管程數為：1;公稱壓力為：0.6Mpa;管子根數為：467根； 中心排管數為：23;管程流通面積( 25X 2.5 )為：0.1466m2;換熱管長度為：3m；計算 換熱面積為：106.3m2實際傳熱面積 Sq=nn dL= 106.313 m2則采用此換熱器過程總傳熱系數為K= 154

13、4387.136 - 106.3 - 24.015 = 168.032w(m2 C )4.2過熱阻火器不考慮配料蒸汽的溫度變化水蒸汽溫度126.4 C原料進入溫度：47 C t = 79.4 C水蒸汽變水溫度 126.4 C原料出口溫度：120 C t = 6.4 C則可先求出 tm= (79.4 6.4 ) - 2.523 = 29C氣體傳熱系數k = 140w(nbC );過熱阻火器的熱負荷為 Q= 389407.435KJQ=KS tm2S= 389407.435 - 140-29= 26.700m參考化工原理第二版的化工流體流動與傳熱第364頁附錄二十五、管殼式換熱器系列標準1 固定管

14、板式換熱器(2)換熱管 25的基本參數(管心距32mm選公稱直徑為：450mm管程數為：1公稱壓力為：0.6Mpa；管子根數為：135根；中心 排管數為：13；管程流通面積( 25X2.5 )為：0.0424m2;換熱管長度為：3m計算換熱 面積為：30.7m2實際傳熱面積S0=nn dL= 30.7 m2則采用此換熱器過程總傳熱系數為K= 389407.435 - 29- 30.7 = 121.752w(n?C )4.3氧化爐4.3.1廢熱段原料反應溫度 640 C水溫度：126.4 C t = 513.6 C物料出口溫度 150 C水蒸汽溫度：126.4 C t = 23.6 C則可先求出

15、 tm= (513.6 23.6 )- 3.079 = 159.1 C氣體傳熱系數k = 100w(nbC );廢熱段的總傳熱量為： Q= 5666199.427KJQ=KSX tm2S= 5666199.427 - 100- 159.1 = 98.901m參考化工原理第二版的化工流體流動與傳熱第364頁附錄二十五、管殼式換熱器系列標準1 固定管板式換熱器(2)換熱管 25的基本參數(管心距32mm選公稱直徑為：800mm管程數為：1;公稱壓力為：0.6Mpa;管子根數為：467根； 中心排管數為：23;管程流通面積( 25X 2.5 )為：0.1466mi ;換熱管長度為：3m；計算 換熱面

16、積為：106.3m2實際傳熱面積 Sc=nn dL= 106.313 m2則采用此換熱器過程總傳熱系數為K= 5666199.427 - 106.313 - 159.1 = 93.029w(m2 C )4.3.2急冷段進口溫度150C熱水（出）：80C t = 70 C出口溫度90C水（進）：50C t = 40 C則可先求出 tm=53.6 C氣體傳熱系數k = 60w（mfC ）;廢熱段的總傳熱量為： Q= 1544387.136KJQ=KS tmS= 1544387.136 - 60-53.6 = 133.374m2參考化工原理第二版的化工流體流動與傳熱第364頁附錄二十五、管殼式換熱器

17、系列標準1 固定管板式換熱器（2）換熱管 25的基本參數（管心距32mm選公稱直徑為：700mm管程數為：6;公稱壓力為：4Mpa管子根數為：304根；中 心排管數為：20;管程流通面積（ 25X 2.5 ）為：0.0159m2;換熱管長度為：6m；計算換 熱面積為：140.8m2實際傳熱面積 S0=nn dL= 140.8 m則采用此換熱器過程總傳熱系數為K= 1544387.136 - 140.8 - 53.6 = 56.836w（m2 C ）4.4 一塔一冷物料進口溫度90C熱水（出）：32C t = 58C物料出口溫度60C水（進）：22C t = 38C則可先求出 tm=47.3 C

18、氣體傳熱系數k = 300w（nbC ）;廢熱段的總傳熱量為：Q= 2686481.384KJQ=KS tmS= 2686481.384 - 300- 47.3 = 52.592m2參考化工原理第二版的化工流體流動與傳熱第364頁附錄二十五、管殼式換熱器系列標準1 固定管板式換熱器(2)換熱管 25的基本參數(管心距32mm選公稱直徑為：600mm管程數為：1;公稱壓力為：2.5Mpa;管子根數為：245根;中心排管數為：17;管程流通面積( 25X 2.5 )為：0.0769m2;換熱管長度為：3m；計算換熱面積為：55.8m2實際傳熱面積 S0=nn dL= 55.8 m則采用此換熱器過程

19、總傳熱系數為K= 2686481.384 - 47.3 - 55.8 = 282.755w(n?C )4.5 一塔二冷物料進口溫度60C熱水(出)：32C t = 28C物料出口溫度42C冷水(進)：22C t = 20C則可先求出 tm=23.8 C氣體傳熱系數k = 250w(nbC );廢熱段的總傳熱量為：Q= 2686481.384KJQ=KSX tmS= 2686481.384 - 250-23.8 = 125.545m2參考化工原理第二版的化工流體流動與傳熱第364頁附錄二十五、管殼式換熱器系列標準1 固定管板式換熱器(2)換熱管 25的基本參數(管心距32mm選公稱直徑為：900

20、mm管程數為：2;公稱壓力為：1.6Mpa;管子根數為：588根； 中心排管數為：27;管程流通面積( 25X 2.5 )為：0.0923mi ;換熱管長度為：3m；計算 換熱面積為：133.9m2實際傳熱面積 S)=nn dL= 133.9 m2則采用此換熱器過程總傳熱系數為K= 2686481.384 - 23.8 - 133.9 = 234.401w(m2 C )4.6二塔一冷物料進口溫度60C熱水(出)：32C t = 28 C物料出口溫度25C冷水(進)：22C t = 3 C則可先求出 tm=11.2 C氣體傳熱系數k = 180w(m C );廢熱段的總傳熱量為：Q= 13432

21、40.692KJQ=KS tm2S= 1343240.692 - 180- 11.2 = 185.201m參考化工原理第二版的化工流體流動與傳熱第364頁附錄二十五、管殼式換熱器系列標準1 固定管板式換熱器(2)換熱管 25的基本參數(管心距32mm選公稱直徑為：900mm管程數為：4;公稱壓力為：2.5Mpa;管子根數為：554根； 中心排管數為：27;管程流通面積( 25X 2.5 )為：0.0435m2;換熱管長度為：4.5m；計 算換熱面積為：191.4m2實際傳熱面積S)=nn dL= 191.4 m2則采用此換熱器過程總傳熱系數為2K= 1343240.692 - 11.2 - 1

22、91.4 = 174.170w(mC )第五章三廢”處理甲醛工業(yè)生產中，生產污染環(huán)境的主要污染源有廢氣、廢水和噪聲。甲醛生產中，工業(yè)“三廢”的治理方法如下：5.1廢氣處理在甲醛生產中所產生的廢氣，采用燃燒法。因為甲醛尾氣燃燒后既消除了尾氣對大氣 的污染，又可產生蒸汽。這些蒸汽既可供甲醛裝置使用，也可供外界使用。從而達到節(jié)約 能源，化害為利的目的。對于甲醛槽中的蒸汽的控制，采用冷凝法，既用冷水噴灑甲醛貯 槽，使貯槽的溫度下降。另外在甲醛貯槽頂部加呼吸閥，亦可減少甲醛蒸發(fā)量。甲醛生產車間在生活區(qū)大氣中有害物質的最高允許濃度見表 5 1。表5 1有害物質濃度計量單位：見表物料名稱車間居住區(qū)一次日平均

23、甲醇503.01.0甲醛30.05乙醛0.01一氧化碳303.01.0氨300.2二氧化碳50.15飄塵100.50.155.2廢水處理甲醛行業(yè)中的工業(yè)廢水處理：（1）在生產中盡量減少跑，冒、滴、漏。甲醛循環(huán)泵容量漏甲醛循環(huán)液，一般采用內冷 式機械密封泵，以減少泄露。車間廢水一般要經過處理濾池進行處理。多余的料液集中送 入吸收塔作吸收液使用。（2）甲醛生產中形成的中控分析殘液可集中起來處理，多余的樣液集中送入吸收塔作吸 收液使用。（3）設備清洗應首先用水進行循環(huán)清洗，洗液可用作甲醛的吸收液。不能用作吸收液的 廢液將其送入污水處理站處理，以免直接排污造成污染。（4）甲醛蒸發(fā)器底部和殘液放出后可集

24、中進行蒸餾，回收其甲醛。這種回收甲醛既可作為配料甲醛阻聚劑和溶劑。如果殘液數量少可進行燃燒處理，以消除環(huán)境污染。(5) 對于一般設備出垢產生的殘液可先用堿中和，然后排入污水池進行處理。5.3噪聲防治對于甲醛生產系統(tǒng)來說，噪聲的主要來源是羅茨鼓風機，它發(fā)出的聲響可達100分貝以上，減少羅茨鼓風機的噪聲，一般采用的方法包括單獨設立一個隔音房間；在鼓風機的 墻壁上加吸音器材和隔疸門窗，在鼓風機的進出口管道上加消音器；選用低速轉風機。有 的工廠將風的轉速由1450轉分改為570轉分，這些措施都可以減少羅茨 鼓風機發(fā)出的噪 聲，起到降低環(huán)境噪聲的污染，保護環(huán)境衛(wèi)生的目的。致謝語隨著畢業(yè)日子的到來，畢業(yè)設計從選題到查找資料，再到動手制作，足足花了好2個多月的時間。經過這些日子的努力畢業(yè)設計終于完成了。在沒有做畢業(yè)設計以前覺得畢業(yè)設計只是對這幾年來所學知識的單純總結，但是通過這次做畢業(yè)設計發(fā)現自己的看法有點太片面。畢業(yè)設計是對前面所學知識的一種全面地結合，是對自己能力的一種提高。通過 這次畢業(yè)設計，我明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的 學習，努力提高自己知識和綜合素質。在這次畢業(yè)設計中