年產(chǎn)28000噸甲醛生產(chǎn)裝置工藝與設(shè)備設(shè)計(jì)

1、設(shè)計(jì)論文題目：*學(xué) 院： 吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 專 業(yè)： 過程裝備與控制技術(shù)學(xué) 生： *指導(dǎo)教師： 趙繼平完成時(shí)間： 2012年12月20日 誠信聲明本人聲明：我所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。申請學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。本人簽名：日期： 2012 年 12 月 20 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書設(shè)計(jì)（論文）題

2、目：*學(xué)院：吉林化工學(xué)院 專業(yè)：過程裝備與控制技術(shù)學(xué)生：*指導(dǎo)教師：趙繼平1設(shè)計(jì)（論文）的主要任務(wù)及目標(biāo)(1)設(shè)計(jì)一年產(chǎn)28000噸甲醛生產(chǎn)裝置工藝與設(shè)備設(shè)計(jì)；(2)原料為甲醇，其中工業(yè)甲醇含量為1.35%（量分?jǐn)?shù)，下同），含水0.65，無其它雜質(zhì)； (3)工藝條件為：反應(yīng)溫度873-913K，年生產(chǎn)時(shí)間300天，甲醇轉(zhuǎn)化率93.3%，甲醛收率83%，原料配比（質(zhì)量比）甲醇：水：空氣=1：0.58：1.338；(4) 副產(chǎn)物組成：CO24.0%、CO 0.5%、O20.2%、H217%、N276.3%、H2O 2%。2設(shè)計(jì)（論文）的基本要求和內(nèi)容(1)工藝設(shè)計(jì) 生產(chǎn)方法的選擇； 反應(yīng)器的物料衡

3、算和熱量衡算； 反應(yīng)器主要工藝尺寸計(jì)算。(2)設(shè)備計(jì)算 反應(yīng)器的機(jī)械強(qiáng)度及有關(guān)參數(shù)的確立； 輔助設(shè)備的選擇或確立。 (3)提交設(shè)計(jì)文件 設(shè)計(jì)說明書一份； 設(shè)計(jì)圖紙：工藝流程圖、反應(yīng)器裝配圖、平面布置圖各一份。 反應(yīng)器主要工藝尺寸計(jì)3主要參考文獻(xiàn)1 梁鳳凱、舒均杰有機(jī)化工生產(chǎn)技術(shù) 2 陳炳和、許寧化學(xué)反應(yīng)過程與設(shè)備 3 梁玉華、白守禮物理化學(xué)4王振中化工原理5蔡紀(jì)寧、張秋翔化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書社，20066化學(xué)工業(yè)出版社組織編寫化工生產(chǎn)流程圖7王紹良化工設(shè)備基礎(chǔ)4進(jìn)度安排設(shè)計(jì)（論文）各階段名稱起 止 日 期1題目確定2012年11月2125日2文獻(xiàn)查閱及初步設(shè)計(jì)計(jì)算2012年11月26

4、30日3設(shè)計(jì)計(jì)算2012年12月17日4圖紙繪制2012年12月812日5設(shè)計(jì)計(jì)算及圖紙完善2012年12月1316日6畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯準(zhǔn)備2012年11月1721日7畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯2012年12月22日28000噸/年甲醛生產(chǎn)裝置工藝與設(shè)備設(shè)計(jì)摘要甲醛（formaldehyde;methanol）是一種比較重要的有機(jī)化工產(chǎn)品，是醛類中最簡單的化合物。正常條件下是無色而有刺激性氣味的氣體，只要有很少量的雜質(zhì)存在就會發(fā)生聚合。甲醛易溶于水，形成各種濃度的水溶液，含37.6%的甲醛水溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）稱為福爾馬林（即商品甲醛）。甲醛有毒，甲醛蒸汽與空氣能形成爆炸性混合物，甲醛除了獨(dú)立作為產(chǎn)品使用外，更多的

5、是用作原料以制取其他重要化工產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)為年生產(chǎn)能力2.8萬噸甲醛生產(chǎn)裝置工藝與設(shè)備設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)參照了中國石油北方公司吉林市石井溝聯(lián)合化工廠甲醛車間的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)以甲醇為原料，電解銀作為催化劑，甲醇經(jīng)過氧化合成甲醛的反應(yīng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。其中包括生產(chǎn)方法的選擇、反應(yīng)的物料衡算，熱量衡算，設(shè)備選型及尺寸的計(jì)算等工藝設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)在繪圖過程中運(yùn)用Auto CAD等計(jì)算機(jī)程序輔助作圖。最后完成了甲醛生產(chǎn)裝置的工藝設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)圖紙。關(guān)鍵詞：甲醇；氧化；甲醛；目錄前言1第1章 設(shè)計(jì)說明2第1.1節(jié)產(chǎn)品簡介21.1.1 產(chǎn)品性質(zhì)21.1.2 產(chǎn)品用途21.1.3甲醛的安全措施21.1.4甲醛的安全措施2第1.2節(jié)

6、生產(chǎn)方法與工藝條件的確定31.2.1反應(yīng)原理41.2.2生產(chǎn)方法的確定41.2.3電解銀法工藝條件的確定61.2.4反應(yīng)器的選擇81.2.5分析方法的選擇8第1.3節(jié)工藝流程9工藝流程簡圖9流程敘述9第1.4節(jié)車間人員配置10第1.5節(jié)三廢處理11第2章 設(shè)計(jì)計(jì)算12第2.1節(jié)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及反應(yīng)過程12參考數(shù)據(jù)12原料規(guī)格13產(chǎn)品規(guī)格14主要反應(yīng)過程14第2.2節(jié)物料衡算和熱量衡算15物料衡算過程15熱量衡算過程17第2.3節(jié)設(shè)備工藝尺寸計(jì)算和設(shè)備機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算23確定床層高度與直徑23確定換熱氣列管242.3.3 核算換熱面積242.3.4 設(shè)備機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算24結(jié)論29參考文獻(xiàn)30致謝31前言甲醛

7、（formaldehyde;methanol）是一種比較重要的有機(jī)化工產(chǎn)品，是醛類中最簡單的化合物。正常條件下是無色而有刺激性氣味的氣體，只要有很少量的雜質(zhì)存在就會發(fā)生聚合。甲醛易溶于水，形成各種濃度的水溶液，含37.6%的甲醛水溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）稱為福爾馬林（即商品甲醛）。甲醛有毒，甲醛蒸汽與空氣能形成爆炸性混合物，甲醛除了獨(dú)立作為產(chǎn)品使用外，更多的是用作原料以制取其他重要化工產(chǎn)品，如酚醛樹脂、脲醛樹脂、新型塑料、合成橡膠和合成纖維、醫(yī)藥、殺蟲劑等。工業(yè)上生產(chǎn)甲醛的傳統(tǒng)原料主要是甲烷和甲醇。第二次世界大戰(zhàn)以前，由于甲醇合成技術(shù)不先進(jìn)，而且價(jià)高量少，甲烷直接氧化制甲醛曾經(jīng)風(fēng)行一時(shí)，該法在常壓下一

8、步合成甲醛，工藝簡單，但單程收率低、能耗大和產(chǎn)品濃度低，在競爭中失利。1984年該法產(chǎn)量僅占世界甲醛總產(chǎn)量的10%左右，目前，甲醛產(chǎn)量的90%以上均采用甲醇為原料的工藝路線。本設(shè)計(jì)采用甲醇為原料，電解銀作為催化劑，由空氣氧化制甲醛，對生產(chǎn)裝置工藝和設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中包括生產(chǎn)方法的選擇、反應(yīng)的物料衡算，熱量衡算，設(shè)備選型及尺寸的計(jì)算等工藝設(shè)計(jì)。并在繪圖過程中運(yùn)用Auto CAD等計(jì)算機(jī)程序輔助作圖。由于本人初次進(jìn)行此類設(shè)計(jì)，水平有限，經(jīng)驗(yàn)不足，難免有不足和錯(cuò)誤之處，懇望老師和同學(xué)給予批評指正。第1章 設(shè)計(jì)說明第1.1節(jié) 產(chǎn)品簡介1.1.1產(chǎn)品性質(zhì)甲醛（formaldehyde;methanol）

9、是一種比較重要的有機(jī)化工產(chǎn)品，是醛類中最簡單的化合物。正常條件下是無色而有刺激性氣味的氣體，冰點(diǎn)-118，熔點(diǎn)-92，沸點(diǎn)-21，燃點(diǎn)430，只要有很少量的雜質(zhì)存在就會發(fā)生聚合。因此，市場上沒有單體甲醛出售。甲醛易溶于水，形成各種濃度的水溶液，含37.6%的甲醛水溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）稱為福爾馬林（即商品甲醛）。甲醛有毒，濃度很低時(shí)就能刺激眼、鼻的黏膜；濃度較高時(shí)，對呼吸道黏膜也有刺激作用；吸入濃度大的甲醛會引起肺部化膿性水腫；甲醛也能刺激皮膚造成灼傷。甲醛蒸汽與空氣能形成爆炸性混合物，爆炸極限（體積積分）為7%73%。甲醛除了獨(dú)立作為產(chǎn)品使用外，更多的是用作原料以制取其他重要化工產(chǎn)品，其衍生物以達(dá)

10、上百種。由于其分子中具有碳-氧雙鍵，因此易進(jìn)行聚合與加成反應(yīng)。1.1.2產(chǎn)品用途（1）木材工業(yè)用于生產(chǎn)脲醛樹脂及酚醛樹脂，由甲醛與尿素按一定摩爾比混合進(jìn)行反應(yīng)生成。（2）紡織業(yè)服裝在樹酯整理的過程中都要涉及甲醛的使用。服裝的面料生產(chǎn)，為了達(dá)到防皺、防縮、阻燃等作用，或?yàn)榱吮３钟』?、染色的耐久性，或?yàn)榱烁纳剖指?，就需在助劑中添加甲醛。目前用甲醛印染助劑比較多的是純棉紡織品，因?yàn)榧兠藜徔椘啡菀灼鸢?，使用含甲醛的助劑能提高棉布的硬挺度。含有甲醛的紡織品，在人們穿著和使用過程中，會逐漸釋出游離甲醛，通過人體呼吸道及皮膚接觸引發(fā)呼吸道炎癥和皮膚炎癥，還會對眼睛產(chǎn)生刺激。甲醛能引發(fā)過敏，還可誘發(fā)癌癥。廠家

11、使用含甲醛的染色助劑，特別是一些生產(chǎn)廠為降低成本，使用甲醛含量極高的廉價(jià)助劑，對人體十分有害。（3）防腐溶液甲醛是由(即甲醛亞硫酸氫鈉)在60以上分解釋放出的一種物質(zhì)，它無色，有刺激氣味、易溶于水。35%40%的甲醛水溶液俗稱福爾馬林，具有防腐殺菌性能，可用來浸制生物標(biāo)本，給種子消毒等。甲醛具有防腐殺菌性能的原因主要是構(gòu)成生物體(包括細(xì)菌)本身的蛋白質(zhì)上的氨基能跟甲醛發(fā)生反應(yīng)。（4）食品行業(yè)利用甲醛的防腐性能，加入水產(chǎn)品等不易儲存的食品中。甲醛的危險(xiǎn)特性甲醛蒸氣與空氣混合能成為爆炸性氣體。本品與氧化劑、火種接觸有燃燒危險(xiǎn)。在甲醇制甲醛氧化反應(yīng)的工藝流程，氧化反應(yīng)需要加熱，反應(yīng)過程又會放熱，特別

12、是催化氣相氧化一般都會在250600的高溫下進(jìn)行。由于被氧化物質(zhì)大都易燃易爆，生產(chǎn)過程又往往采用空氣或氧氣氧化，所以反應(yīng)系統(tǒng)隨時(shí)可能形成爆炸性混合物。 甲醇在蒸氣或空氣中氧化其物料配比接近于爆炸下限，倘若比例失調(diào)或控制不當(dāng)都可能引起系統(tǒng)爆炸。甲醛的安全措施采用滅火劑：水、泡沫、二氧化碳。儲運(yùn)注意事項(xiàng)：儲存于陰涼通風(fēng)庫房內(nèi)，遠(yuǎn)離火種、熱源。應(yīng)與氧化劑、遇水燃燒物資隔離堆放。防止陽光爆曬引起鼓桶。冷天易儲于較溫暖處。包裝要完整。搬運(yùn)時(shí)輕拿輕放，防止破漏。流失在地上的甲醛可用水沖洗后再用純堿中和，沖洗干凈。觸及皮膚可用水洗后，再用酒精擦洗，最后涂甘油。甲醛既有爆炸性危險(xiǎn)又有較高的毒性，因此，貯存、運(yùn)

13、輸和使用過程要特別注意安全第1.2節(jié)生產(chǎn)方法與工藝條件的確定反應(yīng)原理以甲醛為原料，電解銀觸媒為催化劑，反應(yīng)溫度在620-730高溫下發(fā)生氧化脫氫反應(yīng)，生在甲醛氣體，主要反應(yīng)式如下：主反應(yīng)：CH3OH+1/2O2   CH2O+H2O                     CH3OH=CH2O+H2                

14、0;                  H2+1/2O2     H2O                   反應(yīng)在200左右開始進(jìn)行，反應(yīng)在600左右進(jìn)行，反應(yīng)的進(jìn)行可使反應(yīng)不斷向右進(jìn)行，多余的熱量利用水蒸汽的升溫帶熱作用從反應(yīng)系統(tǒng)中移走，使反應(yīng)正常進(jìn)行。1.2.2生產(chǎn)方法的確定甲醇氧化制甲醛生產(chǎn)方法分為二

15、種：即銀法和鐵鉬法。銀法亦稱“甲醇過量法”或“氧化脫氫法”，于1925年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。銀法在爆炸上限操作，原料氣中甲醇濃度較高，設(shè)備生產(chǎn)效率高，所以，其建設(shè)投資較低，但是，由于銀法在873K以上的高溫操作下，銀粒易熔結(jié)增大，加之對毒物（Fe、S）很敏感，因而催化劑易失活，壽命僅為鐵鉬法催化劑的1/21/3。鐵鉬法是在空氣過量條件下操作，進(jìn)入反應(yīng)器的混合氣中甲醇濃度低，必然使設(shè)備效率降低，動力消耗增大。但由于該法是強(qiáng)烈放熱反應(yīng)，加之反應(yīng)溫度低，對所產(chǎn)生蒸汽余熱的利用率高，以致其成本與銀法類似，甚至更低。而銀法又分電解銀法和浮石銀法。浮石銀法其制造方法是將4mm左右的浮石顆粒用硝酸處理，除去鐵雜質(zhì)后

16、，浸于硝酸銀溶液中煮沸、蒸發(fā)。再將載有硝酸銀的浮石在高溫下煅燒、分解：2AgNO3Ag2O+ NO2 +NO+O2氧化銀在使用時(shí)被還原銀。該催化劑的比表面積大，活性較高，甲醇轉(zhuǎn)化率達(dá)84%，選擇性達(dá)88%。電解銀法其制造方法是將含硝酸的硝酸銀水溶液置于電解槽中，通直流電進(jìn)行分解，制成金屬網(wǎng)狀高純度銀。電解銀催化劑活性高，甲醇轉(zhuǎn)化率可達(dá)90%，選擇性可達(dá)91%以上。銀法和鐵鉬法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（以37%甲醛水溶液計(jì)）比較下表1·1。表1·1銀法和鐵鉬法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較表項(xiàng) 目銀法鐵鉬法投資比1.001.151.30甲醇但耗，kg/t445470420437能耗節(jié)余，元/t49

17、.695.2生產(chǎn)成本比1.01.0工作指標(biāo)甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)%>37<7反應(yīng)溫度600700280350催化劑壽命，月361218反應(yīng)效果甲醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)%37405560產(chǎn)品醇含量，%480.51.5產(chǎn)品酸含量，%100200200300收率，%86909598催化劑組分電解銀或浮石銀Fe-Mo對毒物敏感度大小失活原因燒結(jié)會中毒 Mo升華綜上所述，基于三種方法，采用電解銀法比較合理，因此本設(shè)計(jì)是以電解銀為催化劑生產(chǎn)甲醛。1.2.3電解銀法工藝條件的確定(1)反應(yīng)溫度 反應(yīng)溫度是影響甲醇氧化生產(chǎn)甲醛的重要因素。在工業(yè)生產(chǎn)中，反應(yīng)溫度的選擇主要是根據(jù)催化劑的活性、反應(yīng)過程甲醛收率、催化劑床層壓

18、降以及副反應(yīng)等因素決定的。圖1·1給出了甲醛單程收率和反應(yīng)溫度的關(guān)系。圖1·1甲醛單程收率和反應(yīng)溫度的關(guān)系（氧醇摩爾比為0.340.40）有圖可見，當(dāng)反應(yīng)溫度在873913k之間時(shí)，均可獲得較高的甲醛收率；當(dāng)溫度超過913k，甲醛收率明顯下降。（2） 反應(yīng)壓力由于高溫下甲醇氧化反應(yīng)平衡系數(shù)較大,故壓力對甲醇氧化反應(yīng)化學(xué)平衡的影響基本可以忽略。生產(chǎn)中一般采用常壓操作,反應(yīng)壓力（表壓）為0.02MPa左右,主要是為了克服系統(tǒng)阻力。（3） 氧醇摩爾比 圖1·2表示了氧醇摩爾比與甲醇單程收率的關(guān)系。圖1·2甲醛單程收率與氧醇摩爾比的關(guān)系由圖可見，甲醇單程收率隨氧

19、醇摩爾比的增大而升高。因此，適當(dāng)提高氧醇摩爾比是有利的，但過大的氧醇摩爾比并無好處。當(dāng)氧醇摩爾比超過0.40之后，甲醇單程收率增加緩慢，而尾氣中碳的氧化物含量增加，即消耗于二氧化碳和一氧化碳的甲醇量增多，反應(yīng)的選擇性下降。鑒于以上原因，在工業(yè)生產(chǎn)中一般采用0.390.40的氧醇摩爾比。（4）原料氣純度原料氣中的雜質(zhì)嚴(yán)重影響催化劑的活性，因此對原料氣的純度有嚴(yán)格的要求。當(dāng)甲醇中含硫時(shí)，它會與催化劑形成不具活性的硫化銀；含醛、酮時(shí)，會發(fā)生樹脂化，甚至成碳，覆蓋于催化劑表面；含五羰基鐵時(shí)，在操作條件下析出的鐵沉淀于催化劑的表面，會加速甲醛分解反應(yīng)。為此，作為氧化劑的空氣應(yīng)經(jīng)過濾，以除去固體雜質(zhì)，并在

20、填料塔中用堿液洗滌除去二氧化碳和二氧化硫。為了除去五羰基鐵，將混合原料氣在反應(yīng)前于473573K通過充滿石英或瓷片的設(shè)備進(jìn)行過濾。（5）反應(yīng)時(shí)間增加反應(yīng)時(shí)間，有利于甲醇轉(zhuǎn)化率的提高，但深度氧化、分解等副反應(yīng)增加，因此，工業(yè)上用短停留時(shí)間的方法。一般控制接觸時(shí)間為0.1s左右。綜上所述，可得工藝條件一覽表如1·2。表1·2工藝條件一覽表反應(yīng)溫度873913K反應(yīng)壓力常壓氧醇摩爾比0.390.40接觸時(shí)間0.1s1.2.4反應(yīng)器的選擇由于采用電解銀法生產(chǎn)甲醛，反應(yīng)溫度較高，反應(yīng)過程中產(chǎn)生大量的熱，這部分熱量及時(shí)移出反應(yīng)器，因此，氧化器下必須設(shè)有廢熱鍋爐，可以將余熱充分利用在其他

21、需要熱量的地方，由于氧化反應(yīng)混合氣經(jīng)過廢熱鍋爐后，溫度仍然較高（200）左右，在廢熱鍋爐下部須再設(shè)有列管式換熱器。由此可得反應(yīng)器工三個(gè)部分；即反應(yīng)器、廢熱鍋爐段、換熱段、為防止開、停車時(shí)熱脹冷縮對反應(yīng)帶來損壞，消除溫差引起的線形應(yīng)力，反應(yīng)器上應(yīng)設(shè)有膨脹節(jié)和防爆裝置。1.2.5分析方法的選擇對照化工分析中的幾種方法，重量分析法、吸光光度法、原子吸收分光度廣度法、原子發(fā)射光譜分析法、電位分析法、氣相色普法等多種分析方法。因?yàn)樯辗ㄊ且环N用于分離、分析多組分混合物質(zhì)有效的方法，且分析純度較高，速度比較快，靈敏度高。根據(jù)實(shí)際情況，采用氣相色普法。第1.3節(jié) 工藝流程1.3.1工藝流程簡圖甲醇氧化制甲醛

22、的工藝流程簡圖如1·3所示。甲醇罐高位槽流量計(jì)蒸發(fā)器過熱器過濾器風(fēng)機(jī)一塔冷卻器一塔循環(huán)泵第一吸收塔反應(yīng)器混合過濾器甲醇貯罐二塔冷卻器二塔循環(huán)泵第二吸收塔空氣qi 氣軟水水第三吸收塔三塔循環(huán)泵三塔冷卻器圖1·3 工藝流程簡圖流程敘述（1）甲醇從甲醇罐經(jīng)泵打到甲醇高位槽中，由甲醇過濾器除去雜質(zhì)后進(jìn)入甲醇蒸發(fā)器中，在318-322K蒸發(fā)。（2）空氣經(jīng)過濾器后進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)，經(jīng)空氣緩沖罐進(jìn)入甲醇蒸發(fā)器鼓泡，與甲醇蒸汽混合。（3）蒸汽與甲醇混合稱之為混合氣，進(jìn)入到過濾器中加熱到398K?；旌蠚饨?jīng)過過濾器后進(jìn)入到氧化器中，通過873-913K的電解銀床層反應(yīng)生成甲醛?；旌蠚庥裳趸髦胁康膹U

23、熱鍋爐段冷卻到353-373后去吸收塔。（4）軟水由軟水貯罐加熱到熱水槽中，由分汽缸來的蒸汽通入到熱水槽中，將軟水加熱到338K，用蒸發(fā)器熱水泵送到蒸發(fā)器中加熱，促使甲醇蒸發(fā)。熱水降到333K后到氧化器的冷卻部分冷卻器。它使反應(yīng)后的混合氣降溫。出氧化器的冷凝水則收集在熱水槽中貯存使用。（5）從氧化器來的熱水用氧化器熱水泵送到汽包，流入到廢熱鍋爐段中。加熱的水蒸氣通過汽包到分汽缸中工系統(tǒng)使用。（6）由氧化器來的物料進(jìn)入到一吸收塔下部，被塔頂流下來的甲醛溶液吸收下來。由塔頂出來的氣體進(jìn)入二塔下部。由二塔頂部出來的未被吸收的氣體進(jìn)入三下部，尾氣由三塔頂放空。（7）軟水由軟水貯罐用三塔循環(huán)泵送到三塔頂

24、部，塔底組分經(jīng)泵一部分到二塔循環(huán)泵，一部分到二塔冷卻器冷卻后，回二塔循環(huán)，另一部分送到一吸收塔頂作為吸收液由一塔循環(huán)泵送到冷卻器后，進(jìn)入一吸收塔頂部循環(huán)。（8）待取樣化驗(yàn)濃度合格，可采出到合成工段的甲醛貯罐中。第1.4節(jié) 車間人員配置 本車間實(shí)行班期制，共分四個(gè)班，三班連續(xù)化生產(chǎn)。每班4人（包括班長1）人。車間人員分配見表1·3。表1·3工藝條件一覽表車間主任1人工段長1人班長4人分析員4人設(shè)備技術(shù)員1人工藝技術(shù)員1人統(tǒng)計(jì)員1人材料員1人工人20人合計(jì)34人第1.5節(jié) 三廢處理本生產(chǎn)流程中主要的廢棄物有廢氣、廢液兩種，從第三吸收塔放空的尾氣不直接放空，而是送入尾氣燃燒爐，此

25、時(shí)可以回收其燃燒所放出的熱量，并將其產(chǎn)生的一定量的蒸汽供甲醇配料使用，不但減少了尾氣對大氣的污染，還降低甲醛生產(chǎn)的能耗。從第二、第三吸收塔塔底引出的廢液送入脫醇塔，回收甲醇循環(huán)利用。剩余廢液送入貯罐，通過化學(xué)方法將其中的主要污染物進(jìn)行清潔處理。在整個(gè)生產(chǎn)過程過程中冷卻水循環(huán)使用。 第2章 設(shè)計(jì)計(jì)算第2.1節(jié) 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及反應(yīng)過程2.1.1 參考數(shù)據(jù)原料、輔助劑、產(chǎn)品的主要技術(shù)特性參數(shù)及規(guī)格如表2·1所示。表2·1技術(shù)特性參數(shù)表名稱甲醇空氣甲醛水分子式CHOHHCHOH2O分子量32293018密度(20, 101.33Kpa)Kg/m37911.293998比熱容KJ/(Kg

26、)2.481.0093.0694.183粘度u×105pa .s0.61.731.005沸點(diǎn)(101.33Kpa)64.7-195-21100汽化熱kJ/Kg11011972258臨界點(diǎn)溫度-140.7壓強(qiáng)K pa3768.4導(dǎo)熱系數(shù)w/(m )0.2120.02440.599自燃點(diǎn)400430體積爆炸極限6%-36%7%-73%生成熱kJ/mol-201.3-115.970燃燒熱kJ/mol727.03563.840反應(yīng)過程的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)如表2·2所示。表2·2參考數(shù)據(jù)表甲醛收率83%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）甲醇轉(zhuǎn)化率93.3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）原料配比甲醇（g）：水（g）：空氣

27、（g）=1：0.58：1.338反應(yīng)溫度873K913K生產(chǎn)時(shí)間300天（連續(xù)生產(chǎn)）原料入口溫度393K原料出口溫度473K冷卻水入口溫度298K冷卻水出口溫度338K原料規(guī)格成分CH3OH酸值硫酯水羰基化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)%980.030.0150.61.350.005尾氣組成成分CO2COO2H2N2H2O(g)質(zhì)量分?jǐn)?shù)%4.00.50.21776.32生產(chǎn)量（t）28000原料氣流速m/s0.76換熱面積m280催化劑負(fù)荷22Kg/(Kg·h )熱損失量10%2.1.2 原料規(guī)格（1）甲醇外觀無色透明，沒有機(jī)械雜質(zhì)，d= 0.793 餾程范圍： 64-67含量： 98%酸值 0.03

28、%（以甲酸計(jì)）硫值 0.015%酯值 0.6%羰基化合物（以HCHO計(jì)）0.005%水：1.35%（2）空氣不含灰塵、機(jī)械雜質(zhì)和可能使催化劑中毒的硫化物、氰化物。（3）水不含酸酐、機(jī)械雜質(zhì)和懸浮物。2.1.3 產(chǎn)品規(guī)格本設(shè)計(jì)對產(chǎn)品的規(guī)格要求如表2·3所示。表2·3參考數(shù)據(jù)表指標(biāo)名稱單位一級品二級品企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)甲醛含量g/100g370.5370.5401甲醇含量g/100ml6-12121甲酸含量g/100ml0.040.050.05灼燒殘液g/100ml0.010.010.012.1.4主要反應(yīng)過程反應(yīng)氣空氣、水CH3OH反應(yīng)器主反應(yīng)：CH3OH+1/2O2 HCHO+2H2

29、O(2·1)副反應(yīng)：CH3OH HCHO+ H2(2·2)CH3OH+3/2O2 CO2+2 H2O(2·3)CH3OH+1/2 CO+2 H2O(2·4)第2.2節(jié) 物料衡算和熱量衡算物料衡算過程（1）年（300天）產(chǎn)28000噸37%的甲醛水溶液的每小時(shí)的生產(chǎn)量（2）通入的甲醇量（3）原料各組分量H2O：空氣：則：O2：N2：（4）原料帶入水量（5）尾氣量其中：N2：O2：H2：CO：CO2：H2O：CH3OH：（6）剩余氧氣量由于系統(tǒng)中僅有反應(yīng)(2·3)中有CO2生成，根據(jù)尾氣組成反應(yīng)(2·3)中耗O2量為：水生成量為：同理：(

30、2·4)式中的耗O2量為：水生成量為：根據(jù)(2·2)式得生成的甲醛量為：則：(2·1)式中的甲醛量為：(2·2)式的耗O2量為：(2·3)式的水生成量為：則剩余O2量為：生成水總量為：系統(tǒng)中用水量為：（7）物料衡算一覽表由物料衡算過程得到物料衡算一覽表如2·4所示。表2·4物料衡算一覽表進(jìn)料出料kg/h%kmol/h%kg/h%kmol/h%CH3OH1347.8230.27942.1225.38488.321.9832.761.431HCOH1027.7823.09234.2617.760O2538.8812.10116.

31、8410.14856.461.2731.780.923N21774.6439.86363.3838.1971774.4639.86863.3832.86CO2146.163.2843.321.721CO11.660.2610.420.218H2O781.7417.55743.4426.1811308.7429.40572.737.688H228.240.63414.127.320HCOOH0.4040.0090.008780.0050.4040.0090.008780.005硫0.2020.0050.006320.0040.2020.0050.006320.004酯8.080.1840.134

32、60.0808.080.1840.13460.069羥基化合物0.0680.0020.002260.0010.0680.0020.002260.001合計(jì)4451.84100165.921004450.76100192.9100熱量衡算過程熱量衡算的目的是通過整個(gè)系統(tǒng)的熱量平衡計(jì)算出反應(yīng)過程中傳遞至載體的熱量，從而確定蒸汽的消耗量和傳熱器的冷卻水的消耗量。物料帶來的熱量=物料帶走的熱量-反應(yīng)產(chǎn)生的熱量+傳遞至熱載體的熱量+熱損失+積累的熱量（1）物料帶來的熱量（2·5）某物料狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)焓的改變量，；T1、T2反應(yīng)物料的溫度，K； T1=393K，T2=893K由工藝條件給出 某物

33、料進(jìn)料時(shí)的摩爾流量，。某物質(zhì)的摩爾熱容，其中，（2·6）a、b、c見參考文獻(xiàn)（3）附錄一。CH3OH O2 N2 H2O H2 HCHO CO2 CO HCOOH 由參考文獻(xiàn)（3）中附錄八查得。反應(yīng)物料由393K-893K所帶來的熱量，由公式（2·5）得，= =750239.9 =134252.78 =489779.49 =408324.66物料帶來的熱量（2·7）則：= =750239.9+134252.78+489779.49+408324.66 =1782596.83（2）反應(yīng)熱的計(jì)算（2·8）（2·9）其中，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的摩爾相變焓；同式

34、（2·6）；某反應(yīng)B的計(jì)量數(shù)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下某反應(yīng)物B的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓，。各物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓如下：物質(zhì)O2CH3OHHCHOH2OH2CO2COHCOOH0-200.66-108.57-241.820-393.51-110.53-424.72由參考文獻(xiàn)（3）中附錄九查得。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，對反應(yīng)（2·1）可得， = =5524.92 =-1507760.96同理對于反應(yīng)（2·2） = =38098.33同理對于反應(yīng)（2·3） = =5091.22=-1122965.11 同理對于反應(yīng)（2·4） = =2624.95 =-82635.21根據(jù)以上計(jì)算值

35、得到總反應(yīng)熱為-2011966.49（3）帶出的熱量設(shè)物料出口物質(zhì)組成為：CH3OH 、HCHO 、O2 、N2 、CO2、CO、H2、H2O（2·10）其中， 某物料帶出的熱量，； 反應(yīng)出口溫度，K；=473K，工藝條件給定 物料出口處的摩爾流量，CH3OH =-42870.08HCHO =-368230.23O2 =-382204.14N2 =-414136.17CO2 =-33992.16CO =-2753.66H2 =-88042.40H2O =-581423.90物料帶出的熱量為：=-1913652.74（2·11）（4）熱損失的熱量（2·12）其中，物

36、料帶出的總熱量，；=1782596.83，由式（2·7）計(jì)算得到。 熱損失占供熱量的百分?jǐn)?shù)，%。，由工藝條件給出所以，（5）傳遞至載體的熱量由熱量衡算式可知：傳遞至載體的熱量=物料帶來的熱量-物料帶出熱量+反應(yīng)產(chǎn)生的熱量-熱損失-積累的熱量其中，積累的熱量0，工藝條件給定。計(jì)算得：傳遞至載體的熱量 =1782596.9-（-1913652.74）+（-2011866.49）-178259.69-0 =1506123.46（6）冷卻水的用量廢熱鍋爐的用水量廢熱鍋爐安裝在下段，其入口溫度為406K，壓力為0.3MPa，查表得汽化熱為2200，該冷卻水的熱源是物料帶出的熱量（2·

37、13）其中， Q 物料帶出的熱量，由計(jì)算得到。Q=1913652.74 物料的汽化熱計(jì)算得：換熱器用水量本設(shè)計(jì)中采用的冷卻水的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)是依據(jù)吉林聯(lián)合化工廠甲醛生產(chǎn)車間的實(shí)際參數(shù)，入口溫度為25，出口溫度為65，冷卻段的熱量為傳遞至載體的熱量，由式（2·14）可知（2·15）其中， Q 傳遞至載體的熱量，由計(jì)算得到。Q=1506123.46；水的比熱容，；入口、出口處的溫度差，。計(jì)算得：冷卻水的總用量（7）催化劑用量設(shè)計(jì)中催化劑負(fù)荷采用吉林聯(lián)合化工廠的實(shí)際參數(shù)22（2·16）其中，催化劑用量，kg；催化劑負(fù)荷，；單位時(shí)間內(nèi)生成目的產(chǎn)物所消耗的原料量，kg/h催化劑用

38、量為：（8）熱量衡算一覽表由上述計(jì)算，整理得到熱量衡算數(shù)據(jù)如表表2·5所示。表2·5熱量衡算一覽表組分CH3OH750239.9742870.08HCHO368230.23O2134252.78382204.14N2489779.49414136.17CO233992.16CO2753.66H288042.40H2O408324.66581423.90反應(yīng)熱2011866.49熱損失178259.69冷卻水1506123.46合計(jì)3794463.393794463.39第2.3節(jié) 設(shè)備工藝尺寸計(jì)算和設(shè)備機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算2.3.1確定床層高度與直徑一 床層高度計(jì)算V=F0=82.

39、96mol/h物料入口的體積流量=×=得因物料流速已知，由公式H=所以催化劑床層密度為：H=0.76×3600×二 直徑計(jì)算反應(yīng)器橫截面積由得 D=圓整后直徑為1300mm。2.3.2核算換熱面積取K作為500w/m熱流體 620120冷流體 2565則，由公式Q=k得需要=Q/k=1806281.3/226.9500=15.92m,能夠滿足工業(yè)需要。2.3.3確定換熱氣列管取國標(biāo)中列管規(guī)格，管程數(shù)N=6，管子根數(shù)1192，中心管數(shù)38，管長6000。設(shè)備機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算(1)給定工藝條件原料氣管壓P<0.78×105Pa，取管壓為P<0.78&

40、#215;105Pa廢熱爐壓力取2.94×105Pa換熱器壓力取2.94×105Pa焊縫系數(shù)取0.7年腐蝕余量0.5mm，對氧化器腐蝕余量為2mm，廢熱鍋爐和換熱器的腐蝕余量為mm反應(yīng)器與甲醛接觸材質(zhì)0Cr18Ni12Mo2Ti，廢熱鍋爐與管板接觸材質(zhì)20R，其余A3R。(2) 設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2·6所示。表2·6設(shè)計(jì)參數(shù)一覽表名稱廢熱鍋爐下部換熱器氧化器設(shè)計(jì)壓力0.1MPa管內(nèi)管外管內(nèi)管外0.78設(shè)計(jì)壓力0.1MPa管內(nèi)管外管內(nèi)管外0.780.782.940.781.96工作溫度K475-973406-973973-363334-338973-39

41、3介質(zhì)甲醛蒸汽甲醛水甲醛混合氣混合氣水混合氣氣焊縫系數(shù)0.70.70.70.70.7腐蝕余量1.01.02.0鋼管長m1.01.0鋼管規(guī)格25×225×2（3）關(guān)于氧化器封頭的計(jì)算已知：反應(yīng)器壓力為0.78×105Pa，C2=2.0 材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti，有參考文獻(xiàn)（9）得：t =1.176×107Pa,封頭焊縫系數(shù)取=1.0， C1=0.8則=PcDi/2t-0.5Pc=0.78×105×1300/2×1.76×107-(0.5×0.78×105)=4.35mm名義厚度=4.32+0.8

42、+2+=7.12+，圓整到8mm。（4）氧化器殼體壁厚的計(jì)算已知：壓力為0.78×105Pa，C2=2.0，材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti，=0.7, t=1.176×107Pa= PcDi/2t -Pc =0.78105×1300/2×1.176×107×0.7-0.78×105=6.19mmn=+C1+C2+ =8.99+ 圓整到10mm校核：PT=1.25Pc/t取/t1 PT=1.25×0.78×105=0.975×105Pa=0.0975MPa1MPa0Cr18Ni12Mo2Ti的s40M

43、Pa =0.7t=(PT+PL)(Di+e)/2e0.96S= (C1+C2)=10-2.8=7.2t=0.1×(1300+7.2)/2×7.2=9.08MPa0.9×0.7×41=25.2MPa經(jīng)過校核滿足要求。（5）廢熱鍋爐上部殼體壁厚的計(jì)算選材質(zhì)20R，得t=134.3MPa =PcDi/2t-Pc =2.94×105Pa×1300/2134.4×106×0.7-2.94×0.78×105=2.04mmn=n+C1+C2+=2.04+1+0.8=3.84mm以便于連接圓整到8mm= (C1

44、+C2)=8-1.8=6.2mm水壓試驗(yàn)校核：20R的s =245MPa PT=1.25Pc/t=1.25×2.94×105=0.3675MPaT =(PT+PL)(Di+e)/2e =38.7MPa0.9×0.7×245=154MPa符合要求。（6）下部殼體材質(zhì)A3R t =124.5MPa=PcDi/2t-Pc=2.94×105×1300/(2×124.5×106×0.7-2.94×105)=2.20mmn=n+C1+C2+=2.2+1.0+0.8+=4mm 根據(jù)需要圓整到8mm=8-1.8

45、=6.2mm校核：PT=(PT+PL)×(Di+e)/(2e)=38.70.9×0.7×235=148.05MPa符合要求。（7）換熱器壁厚計(jì)算材質(zhì)A3R t =124.5MPa =0.7=PcDi/2t-Pc=1.96×1051300/(2×124.5×106×0.7-1.96×105)=1.46mm=n+C1+C2+=3.26mm按需要圓整到n=8mme = (C1+C2)=6.2mm校核：查表得A3R的s=25.8MPa PT=1.25Pc/t=2.45×105PaT =(PT+PL)(Di+e)/

46、2e =25.8MPa0.9s=0.9×0.7×253=148.05MPa25.8MPa所以符合要求。（8）膨脹節(jié)的選取考慮溫差引起的效應(yīng)損壞設(shè)備，反映器應(yīng)該加膨脹節(jié)補(bǔ)償，根據(jù)公稱直徑Dg=1300，選取膨脹節(jié)壁厚為6mm，材質(zhì)為1Cr18Ni9TiR>45mm L=200mm 最大外徑 D0=1450mm,標(biāo)號：JB112168L7 （9）換熱氣法蘭的選擇因?yàn)閾Q熱器溫度為65,根據(jù)文獻(xiàn)（9）表18-1知道溫度為50的時(shí)候，允許工作壓力為2.2×105Pa，公稱壓力為Pg=2.5×105Pa ，選公稱壓力為2.5×105Pa的甲型平焊法蘭

47、。（10）反應(yīng)器支座的選擇與計(jì)算設(shè)備重量：G1=3307Kg氧化器高度為H=1m,體積V1=（/4）D2H=1.33m3,物料重：G2=V1×1.29=1700Kg廢熱鍋爐水重：列管體積V列=（d2/4）×1.0×n=0.33m3廢熱鍋爐的體積V廢=0.785×1.0×1.3=1.02m3則通水的體積V2=V廢-V列=0.69m3通水重量V3=V2×1.0×10m3=0.69Kg換熱氣通水量：列管體積V列=（/4）×d2×L×n=0.785×0.0252×1.3×525=0.33m3換熱氣體積V換=/4d2×L=1.72m3通水重量G4=G3=1390Kg總重G=G1+G2+G3+G4=7087Kg支座允許負(fù)荷重量：=G/2=3539.5Kg選用B型懸掛式支座。（11）橢圓封頭尺寸選取DN=1300mm h1=325mm h2=40mm（12