甲醇氧化生产甲醛)

醇氧化生产甲醛

摘要

该甲醇氧化生产甲醛的设计采用银催化剂的“甲醇过量法”也称“银催化法”制甲醛的工艺，甲醇氧化生产甲醛工艺的计算包括去除硫、氯等有害杂质、氧化脱氢工段进行设计计算，从最初的可能出现的过程到甲醛生产的开工和产品，其制造过程的资料信息，比如说设备参数，生产原材料的材料的介绍，花费消耗，物化性质都需要进行设计。并且绘制了工艺流程图，设备布置图。他们给出了过程的完整的技术描述。

说明书中对甲醛生产的过程的操作说明和设备设计给出了一步接一步的详细说明。设计过程包括三个部分：即物料衡算、热量衡算、设备计算。在物料衡算的基础上，对整个装置进行了能量衡算，并通过衡算得出了装置加热蒸气量，软水耗量，入网蒸气富余蒸气量以及吸收工段各塔自身的循环量和冷却水耗量。其中对蒸发器、过热器、吸收塔、氧化器作了详细的热量衡算。在物料衡算和热量衡算的基础上，对设备进行了选型，及经济分析核算，安全问题与市场消费情况进行一定程度的讨论。

第一章总述

1.1概述

1.1.1.甲醛的物理性质

甲醛：福尔马林;Formalin; Methanal;Formaldehyde

性质：气体的相对密度1.067（空气=1）。液体的相对密度0.815(-20℃)。

熔点-92℃。沸点-19.5℃。易溶于水和乙醇。水溶液的浓度最高可

达55％，通常是40％，称作甲醛水，俗称福尔马林（formalin），

是有刺激气味的无色液体。保藏于冷处时，生成仲甲醛而变浑浊。

蒸发时也生成仲甲醛。加入8%-12%甲醇，可防止聚合。有强还原作

用，特别是在碱性溶液中。能燃烧。蒸气与空气形成爆炸性混合物，

爆炸极限7%-73%（体积）。着火温度约300℃。

1.1.

2.甲醛的化学性质

甲醛分子结构中存在羰基氧原子和2-氢原子，化学性质活泼，能与许多化合物进行反应，声称许多化学产品。

1加成反应

有机溶剂中，甲醛能与单烯烃催化加成反应，生成二烯烃或者相应的醇类。在碱性溶液中，甲醛与氰化氢加成反应生成乙腈醇，在HOCH2CN工业，用该反应制取氨基酸系列产品，俗称Mannich反应。在乙炔铜银催化剂的作用下，甲醛与单炔烃加成反应生成炔属醇。在碱性或中性条件下，甲醛与不饱和胺加成反应生成相对稳定的单甲醇基和二甲醇基的衍生物。，在碱性的条件下，醛还可以与含2个氢原子的醛和酮加成反应生成单羟甲基和多羟甲基醛。

2缩合反应

甲醛自身能缓慢进行缩合反应，生成低级的羟基醛、羟基酮和其他的羟基化合物，在碱性的条件下，能加快反应的进行。甲醛还能与各种化合物进行缩合反应，著称ToUes反应，在碱性的条件下反应生成羟甲基化合物；在酸性条件下或其相进行缩合反应则生成甲烯基化合物衍生物。

3聚合反应

甲醛的特殊性质为自身容易聚合，但干燥的甲醛气体是十分稳定的，仅在同时出现部分沉淀。甲醛常发生的聚合反应有二聚反应。

4羰基化反应

在钴或铑催化剂的作用下，110℃，13-15Mpa条件下，甲醛与合成气进行羰基化反应；在过渡金属催化剂，液体催化剂或者固体催化剂的作用下，甲醛与一氧化碳进行羰化反应；在羰基铑催化剂和卤化物促军作用下，甲醛和合成气能进行因素化反应生成乙醛，进而生成乙醇。

5氧化反应

在低于300℃时无催化剂作用其分解速率相当缓慢。在400℃，分解速率为每分钟0.44%，工业上看到的甲醛的分解归因于反应器壁效应或催化剂的作用。

6氧化反应

许多金属以及金属氧化物都能使甲醛还原成甲醇，甲烷或是甲醛深度氧为甲酸，二氧化碳和水。

1.1.3.甲醛的用途

甲醛有着广泛的用途，其中约65％的消费量是用于生产甲醛树脂，主要有脲醛树脂(胶粘剂、氨基塑料)、酚醛树脂(胶粘剂、酚醛塑料、杀车片)、蜜胺甲醛树脂(胶粘剂、蜜胺塑料)及其他各种甲醛树脂；其次是用于生产聚甲醛树脂、聚甲醛工程塑料，多聚甲醛，乌洛托品，季戊四醇，新戊二醇，三羟甲基丙烷，三羟甲基乙烷，二羟甲基丙酸，吡啶及其衍生物，炔醛法1，4一丁二醇及其衍生物(PBT、n 、PT．MEG、7-丁内酯、N一甲基吡咯烷酮( )、乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯基吡咯烷酮)，二苯基甲烷异氰酸酯(MDI)，螯合剂(EDTA、NTA等)，聚乙烯醇(维尼纶)，甲缩醛，硝基烷烃衍生物(三羟甲基硝基甲烷、

三羟甲基氨基甲烷等)，脲醛预缩液，缓释肥料大颗粒尿素)，纤维处理化学制品，纸张处理化学制品等等，有16个大类近几百个品种。同时甲醛在农药、医药、炸药和染料工业，还可做杀虫剂、消毒剂、溶剂和还原剂在农业上可做尿素一甲醛型缓效肥料。

1.1.4.甲醛工业的发展及需求状况

甲醛几乎都采用甲醇空气氧化法制得，按所用催化剂的不同类型，可分为铁钼催化剂法和银催化剂法。国外现有甲醛生产装置中约70％使用银法工艺，近几年新建甲醛装置大部分采用铁钼法。采用铁钼催化剂工艺的甲醛装置一般生产能力较大，甲醇转化率可达95％～99％，甲醇消耗低，不需要蒸馏装置，可以生产高浓度甲醛，甲醛成品中醇含量低、催化剂使用寿命长、一次性投资大、电耗高。银法工艺简单，投资省、调节能力强、产品中甲酸含量少，但是甲醇转化率低、单耗高、催化剂寿命短、对甲醇纯度要求高，甲醛成品中甲醇含量高，只能生产低浓度甲醛。

我国甲醛工业发展至今，在生产规模、产量、质量、技术等方面已有了很大的进步，在不少方面也已达到或接近国际先进水平。但从总体看，我国甲醛工业还有待进一步的提高和发展。当前我国甲醛生产工艺现状甲醛生产方法主要有银法和铁铝法。铁铝法虽然甲醇单耗低，投资大、能耗高、催化剂费用高，在我国很少采用。我国甲醛工业生产以银法为主，经过40多年的发展，经历了由浮石银催化剂到电解银催化剂的进步，经历了废热锅炉和尾气锅炉从无到有的进步经历了蒸发器由水蒸气加热到由热水或热甲醛加热的进步，从而形成了我国经典的银法甲醛设备及流程，即通常所说的传统银法工艺。

我国的甲醛消费量不大，主要用于脲醛树脂，其次用于制造乌烙托品和季戊四醇。许多重要的甲醛衍生产品，如1，4-丁二醇，聚甲醛等的技术还没有达到工业化的要求，只是甲醛的用途受到局限，也限制了甲醛需求量的提高，但我国市场较大，未来的应用前景乐观。

1.1.5.甲醛的生产方法

1.尾气循环法

甲醛通过泵打入蒸发器,经加热蒸发甲醇气体进入混合器,空气由罗茨风

机送入空气预热器,经预热后进入混合器,并补充适量的水蒸汽进入混合器。当生产转入正常后,尾气系统用惰性气体将空气置换,然后由尾气风机循环部分

尾气使之通过预热器后进入混合器。混合气体经过滤净化处理进入铺装电解银固定床的反应器。设定各项气体的比例来控制反应温度,原料气经氧化脱氢反应生成甲醛气体。最后经吸收塔吸收,通过塔顶加水来控制成品浓度,产品由塔采出。

甲醇通过加热汽化为甲醇气体,控制系统按其氧醇比控制反应温度,使反

应在最佳状态下进行。工艺上采用尾气循环法,将部分反应热量由循环气带走。而传统工艺路线是将反应热全部由配料蒸汽带走, 由于采用了尾气循环法,

这样就可能制取37%以上的不同浓度的工业甲醛,以满足不同下游产品的需要。

2.传统银法

传统的银法是在甲醇空气爆炸极限以外操作，即在甲醇过量的条件进行操作。因催化反应再常压和600-700℃下进行，发生脱氢和氧化两个主反应，

50-60%甲醛是由氧化反应得来的。

(1)CH

3OH HCHO+H

2

△H = +20400kJ/kmol

(2)CH

3OH+1/20

2

HCHO+H

2

O △H = - 37400kJ/Kmol

甲醛生产工艺分为三个单元进行，首先是将原料甲醇和空气(氧气)混合成符合反应比例的混合气，接着是将甲醇在催化剂的作用下，氧化、脱氢生成甲醛气，然后是将甲醛气用软水吸收并达到质量要求，成为甲醛水溶液产品。3.甲缩醛氧化法

甲缩醛氧化法制取高浓度的甲醛由三步过程组成：甲缩醛的合成，甲醛与水溶液缩合生成甲缩醛，反应温度60-90℃，甲醇与甲醛的摩尔比为2：1，使用固体酸催化剂；甲缩醛氧化，空气作氧化剂，反应温度诶200-400℃；高浓度甲醛的吸收与利用。

4.其他方法

制取甲醛还可以采用二甲醚氧化法，烷烃氧化法和甲醇脱氢法等。

1.2文献总述

1.2.1.甲醛工业的发展史

甲醛几乎都采用甲醇空气氧化法制得，按所用催化剂的不同类型，可分为铁钼催化剂法和银催化剂法。国外现有甲醛生产装置中约70％使用银法工艺，近几年新建甲醛装置大部分采用铁钼法。采用铁钼催化剂工艺的甲醛装置一般生产能力较大，甲醇转化率可达95％～99％，甲醇消耗低，不需要蒸馏装置，可以生产高浓度甲醛，甲醛成品中醇含量低、催化剂使用寿命长、一次性投资大、电耗高。银法工艺简单，投资省、调节能力强、产品中甲酸含量少，但是甲醇转化率低、单耗高、催化剂寿命短、对甲醇纯度要求高，甲醛成品中甲醇含量高，只能生产低浓度甲醛。

我国甲醛工业发展至今，在生产规模、产量、质量、技术等方面已有了很大的进步，在不少方面也已达到或接近国际先进水平。但从总体看，我国甲醛工业还有待进一步的提高和发展。当前我国甲醛生产工艺现状甲醛生产方法主要有银法和铁铝法。铁铝法虽然甲醇单耗低，投资大、能耗高、催化剂费用高，

在我国很少采用。我国甲醛工业生产以银法为主，经过40多年的发展，经历了由浮石银催化剂到电解银催化剂的进步，经历了废热锅炉和尾气锅炉从无到有的进步经历了蒸发器由水蒸气加热到由热水或热甲醛加热的进步，从而形成了我国经典的银法甲醛设备及流程，即通常所说的传统银法工艺。

1.2.2.甲醛生产工艺

当今，生产甲醛方法中几乎完全是采用甲醇气相氧化法，有两种基本的催化工艺，银催化剂催化工艺和金属氧化物催化工艺，统称银法和铁钼法。铁钼法是在空气过量条件下进行甲醇氧化反应，具有甲醇转化率和甲醛产率双高的优点，但生产装置投资费用较高。铁钼法中采用熔盐(NaNO3、NAN02、KNO3混合物)作导热载体的称“熔盐法”，主要在土耳其本国中使用。我国甲醛的生产主要是以银为催化剂进行甲醇的氧化。甲醛装置中以生产能力计算，银法约占95％，铁钼法约占5％。

1 催化剂的选用与性质

甲醛生产有多种催化剂，有A g 及其合金类催化剂，V

2O

5

类催化剂，Fe-

Mo 类催化剂以及其他一些催化剂。国内多采用A g 催化剂, 这类催化剂活性高, 转化率大, 但选择性较差。

A g 催化剂具有较高的活性, 转化率可达97% 以上, 选择性也可达85% 以上, 但反应温度都较高。在640℃反应温度下, 使用电解A g 作催化剂, 甲醇氧化制甲醛的转化率可高达97. 6% , 选择性达89. 2%。为进一步提高选择性, 可采用A g 合金催化剂, 但转化率会有些降低。如采用A g-Pb 合金催化剂, 组成为0. 005～ 0. 15: 1,比表面积< 5m 2?g, 转化率只有72. 4% , 但选择性却可以提高到93. 1%。用A g- A u 作催化剂转化率为8918% 选择性为9111%。前苏联还有一种新型催化剂D- 53, 其组成为35%～ 70%A g?浮石, 可以得到87%～ 91%的转化率和92%～ 94% 的选择性。

2 银催化剂氧化法

银法有两种工艺流程，一种是带有甲醇蒸馏回收流程，简称循环工艺。另一种是不带甲醇蒸馏回收流程，简称非循环工艺。两种流程的选用依据主要是终产品甲醛的纯度。循环工艺是不完全转化法，甲醇转化率较低，但产品甲醛浓度高，醇含量低，且可根据用户的需求随时调节产品甲醛浓度和醇含量。我国还自主开发了“本征控制银法工艺”和“尾气循环法工艺”。非循环银法工艺的甲醛生产成本和投资费用双低(包括折旧和投资偿还ROI)，但其产品甲醛浓度不高且醇含量较高，最高醇含量可达5％(w．)。相反，铁钼法和循环银法工艺的甲醛浓度都可达55％，醇含量低于1％(w．)。

银催化法又称甲醇过量工艺，利用两种主要反应：脱氢和部分氧化，将甲醇转化成甲醛，主要反应如下：

(1)CH

3OH HCHO+H

2

△H = +20400kJ/kmol

(2)CH

3

OH+1/20

2

HCHO+H

2

O △H = - 37400kJ/Kmol

副反应：⑴CH

3

OH + 3/2O

CO

2

+ 2H

2

O + 673. 90kJ/Kmol

⑵CH

3

OH + O

2

CO + 2H

2

O + 391. 75 kJ/Kmol

⑶CH

3

OH + H

2

CH

4

+ 2H

2

O + 115. 37kJ/Kmol

甲醛生产工艺分为三个单元进行，首先是将原料甲醇和空气(氧气)混合成符合反应比例的混合气，接着是将甲醇在催化剂的作用下，氧化、脱氢生成甲醛气，然后是将甲醛气用软水吸收并达到质量要求，成为甲醛水溶液产品。

甲醛生产尾气中含有H

2

、CH

4

、CO 等可燃气体,如果直接排放,不仅污染环境,而且也是一种能源的浪费,设置废气气燃烧炉就可以同时解决以上问题。

在反应过程中，严格控制各工艺参数，在考虑产量、反应机理及安全生产等因素的情况下，氧醇比控制在0.410～0.425 之间，反应温度控制在635~645!之间，空气流量控制在3000～4200Nm3/h 左右，过热温度110～125!,可得到醇含量较低的甲醛产品。提高催化剂的制备技术，设计合理的催化剂铺装方法可得到醇含量较低的甲醛产品。选用优等甲醇原料，对原料混合气进行过滤净化，保证原料混合气的纯度，减少反应系统中的挥发硫化物、氯化物和铁化物的含量，避免冷凝水和尘埃等矿物质进入反应系统，最后经吸收塔进行循环吸收，能得到醇含量较低的甲醛产品。

1.2.3甲醛的用途

甲醛有着广泛的用途，其中约65％的消费量是用于生产甲醛树脂，主要有脲醛树脂(胶粘剂、氨基塑料)、酚醛树脂(胶粘剂、酚醛塑料、杀车片)、蜜胺甲醛树脂(胶粘剂、蜜胺塑料)及其他各种甲醛树脂；其次是用于生产聚甲醛树脂、聚甲醛工程塑料，多聚甲醛，乌洛托品，季戊四醇，新戊二醇，三羟甲基丙烷，三羟甲基乙烷，二羟甲基丙酸，吡啶及其衍生物，炔醛法1，4一丁二醇

及其衍生物(PBT、n 、PT．MEG、7-丁内酯、N一甲基吡咯烷酮( )、乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯基吡咯烷酮)，二苯基甲烷异氰酸酯(MDI)，螯合剂(EDTA、NTA 等)，聚乙烯醇(维尼纶)，甲缩醛，硝基烷烃衍生物(三羟甲基硝基甲烷、三羟甲基氨基甲烷等)，脲醛预缩液，缓释肥料大颗粒尿素)，纤维处理化学制品，纸张处理化学制品等等，有16个大类近几百个品种。同时甲醛在农药、医药、炸药和染料工业，还可做杀虫剂、消毒剂、溶剂和还原剂在农业上可做尿素一甲醛型缓效肥料。

1.3设计任务的依据与项目来源

在指导老师张老师的指导和实地参观实习和所学知识的基础进行年产4000吨甲醛车间生产工艺的设计。

1.4设计产品所需要的主要原材料规格水电气的供应等

1.4.1 甲醇的规格

外观无色透明，炭化实验不变色；酮醛的最大含量小于等于0.003%，酮的最大含量小于等于0.001%，乙醇的最大含量小于等于0.001%，酸度（折合成醋酸计）含量小于等于0.003%，碱度为小于等于0.003%，水分含量小于等于0.15%，不挥发物质的含量小于等于0.001mg/100ml。

1.4.2 水电气的供应

本厂所需要的水主要为自来水，所需用电为380V工业用电。厂内的锅炉为节能式，尾气热量经过吸收循环使用，尾气经过净化排入空气。

第二章生产工艺流程和生产方案的确定甲醛的生产采用银催化法，甲醇经过滤后进入蒸发器，控制一定的液位和蒸发温度，空气鼓泡与甲醛混合，再配入水蒸气形成混合气进入氧化反应器。氧化反应器中甲醇氧化反应生成甲醛气，回收反应气热量并冷却反应气，为甲醛生产的中心设备。结构形式分为三段组合，上段为氧化室，内填银催化剂，中段为回收热量的列管式废热锅炉，下段为列管式冷却器。甲醇的氧化、反应热量的回收利用、反应气的冷却三个过程由一台设备完成。其优点是简化了工艺流程，特别是各过程的温度控制方便，减少了热损失，设备及安装费用相对降低。

采用了双塔串联吸收流程，其优点是第一吸收塔主要用来保证甲醛产品的质量，并最限度的提高产量；第二吸收塔的下段充分吸收甲醛余气，上段彻底吸收尾气中的有用成份，减少排放损失，降低原料消耗。和单塔吸收流程比较，两塔分工明确，液体循环量少，既保证了吸收效果，易提高甲醛液的浓度，又方便于操作。

第三章工艺流程简述

甲醇经过滤后进入蒸发器，控制一定的温度与空气混合，配成一定的蒸汽

形成三元混合气体，过热至100—140℃，除杂质后进入氧化反应器，反应温度为640℃；采用性能较好的电解银催化剂，脱氢生成甲醛，反应产物立即骤冷至230℃，在进一步冷却至80—90℃进入吸收系统。吸收后的产品由塔底排出，未吸收的甲醛及其他气体进入第二吸收塔，进行再次吸收，部分甲醛液回流，尾气进入尾气锅炉作燃料。

第四章 工艺计算书

4.1物料衡算

设已知条件

生产规模：4000t /a37%的甲醛水溶液 生产天数：300天 尾气

产品

氧醇比：0.375

单耗：每450kg 甲醇生产1t 甲醛

氧气浓度：O 221%(v), N 277.16%, H 2O1.84% 甲醇浓度：98% 配料浓度：58%

1．产量： 4000/(300×24)=0.556h t /

其中各组分为：

kmol

kg OH CH 8524.679.20537.0556:2==?kmol

kg OH CH 278.0896.8016.1556:3==?kmol kg HCOOH 003626.01668.00003.0556:==?

kmol kg O H 96.183652.3411668.0896.879.205556:2==--- 总的分子数为：kmol 094026.2696.18003626.0278.08524.6=+++

2．甲醇投入量：kmol kg 81875

.72.250450.0556==?

3. 空气投入量：

据氧醇比得：

kmol m 962.1375.31221

.04

.2281875.7375.03==??

kg kmol O 825.93932.221.0962.13:2==?

kg kmol N 644.301773.107716.0962.13:2==? kg kmol O H 26.46257.00184.0962.13:2==?

4．尾气量:

kmol 480.14744

.07716

.0962.13=?

kg km ol N kg km ol OH CH kg km ol O H kg km ol O CH kg km ol H kg km ol O kg km ol CH kg km ol CO kg km ol CO 65.301773.10744.0480.14:69504.02172.00015.0480.14:2128.52896.002.0480.14:02172.0007240.00005.0480.14:5024.57512.219.0480.14:092672.002896.0002.0480.14:46336.002896.0002.0480.14:62176.105792.0004.0480.14:9362.225213.0036.0480.14:23222242==?==?==?==?==?==?==?==?==?其组分的含量：

5. 校核 (1).甲醛量

CH 3OH+1/2O 2 → CH 2O+H 2O ①

CH 3OH → CH 2O+H 2↑ ② CH 3OH+3/2O 2 → CO 2↑+ 2H 2O ③ CH 3OH+O 2 → CO ↑+2H 2O ④ CH 3OH+H 2 → CH 4↑+H 2O ⑤ CH 3OH+O 2 → CHOOH+H 2O ⑥

据氧的衡算，由反应式①和上列有关反应式得到甲醛量为：

kmol 119.42003626.005792.0235231.0932.2=??????

???? ??++?- 反应式②和⑤得到的甲醛量为：kmol 78016.27152.202796.0=+ 甲醛的总产量为：kmol 89916.6119.478016.2=+ 尾气中带走的甲醛量为：0.007240kmol

因此实际的甲醛的产量为：kmol 89192.6007240.089916.6=- 将其折算成37%的甲醛水溶液：6.89192/0.37=557kg 由此看出产品的产量与设计要求基本一致。

⑵.甲醇量 根据氧的衡算：

反应式①所消耗的甲醇的量：4.119kmol 反应式②所消耗的甲醇的量：2.7086kmol 反应式③所消耗的甲醇的量：0.5213kmol 反应式④所消耗的甲醇的量：0.05792kmol 反应式⑤所消耗的甲醇的量：0.02896kmol 反应式⑥所消耗的甲醇的量：0.003626kmol 尾气中带走的甲醇的量为：0.022kmol 产品中带走的甲醇的量为：0.2780kmol 因此甲醇的总耗量：

kg

kmol 96.2498114.72780

.0022.0003626.002896.005792.05213.07806.2119.4==+++++++

技术单耗：

59.449556

96

.249=t kg / 实物单耗：

t kg /755.45898

.059

.449= 此数据亦与上面给定的数据一致。

⑶.水量衡算

()kg

km ol km ol

kg kg

km ol kg

km ol kg km ol 5085.95310.502896.0003626.005792

.05213.02119.42834.01012.596.24998

.096

.249626.4257.028.34196.182128.528960.0==+++?+==-===反应生成的水：原料甲醇带入的水：空气中带入的水：产品中带出的水：尾气中带走的水： 按配料浓度58%计算，应加入的配料水蒸气量为： ()kmol kg 5655.9278.171626.41012.596.24958

.096

.249==++- 吸收塔加入的水量：

()()kg kmol 9066.698837.35155.92834.0257.096.182896.0==++-+

⑷. 吸收系统计算

设一塔的甲醛吸收率为90%，则一塔甲醛的吸收量为：

kg kmol 2733.1862092.6%9089916.6==?

二塔甲醛的吸收量为：

kg kmol 4803.206827.0007240.02092.689916.6==--

又设二塔循环液中甲醛的浓度为15%，并设未转化的甲醇除了尾气带出 外，均在二塔吸收。则二塔循环液进入一塔的量为：

kg 54.13615

.04803

.20= ⑸.各主要单元设备的物料衡算表(按每小时计)

表⑴ 蒸发器物料衡算表

表⑵ 过热器物料衡算表

表⑶ 氧化器物料衡算

表⑷第一吸收塔的物料衡算表

表⑸第二吸收塔物料衡算表

4.2热量衡算

1．甲醇蒸发器（按每小时计算）

在甲醇蒸发器中没有化学变化，只有相变热和显热，设进入蒸发器的空气的温度为60℃，甲醇的进料温度为15℃，蒸发温度为47℃。

(1)原料甲醇和空气带入的热量

表⑹原料甲醇和空气带入的热量

（2）相变热

甲醇的相变热：3.749×104mol

KJ/

KJ/

水的相变热： 4.417×104mol

则原料甲醇的相变热为：

7.81125×34.49×104+0.2833×4.417×104=30.535×104KJ (3)原料气带出的热量

表⑺ 原料气带出的热量

则需要补充的热量：()KJ 44107321.30104262.36233.3535.30?=?-+ 设蒸发器用热水加热，热水进口温度为70℃，出口温度为4℃，传热系

C h m KJ C h m kcal K 22/6.919/220==，()()C t 202

47644770=-+-=

?,则

传热面积24

709.1620

6.919107321.30m A =??=

；大约需要的水的量为 ： ()t G 242.12106470184.4107321.3034

=?-??=

2．过热器,

为了防止液体析出，把原料气升温至120℃，同时配入蒸气 （1） 原料气带入的热量为的KJ 4106233.3? （2） 配料蒸气带入的热量

设加入的配料的水蒸气为120℃的饱和水蒸气，其热容

C kmol KJ C /64.341=则热量为KJ 4109554.312064.345155.9?=?? （3） 三元气带出的热量

表（8） 三元气带出的热量 需要补充的热量为：()KJ 44109871.5109554.36233.35658.13?=?--

因此需要的表压为392.28Kpa 的加热蒸气的量为：

kmol kg 554.1978.279

.2139109871.54

==?

3．氧化器（包括急冷段） （1）三元气带入的热量为： （2）反应热（反应温度为640）

仍以前述例的6个反应为例，且令所有反应产物均为气态，则他们的反应热如表（9）所示

表 ⑼ 反应热

即反应放出的总热量为7.7745×105KJ

（3）冷凝器

转化气经急冷段后降温至90℃，由于转化气的非理想性，因此可以设冷凝量占产量的12%。即 kg 84.66%12557=?

其中甲醛占30%：kmol kg 6684.0052.20%3084.66==? 水占70%：kmol kg 5993

.2788.46052.2084.66==- 急冷段所产生的冷凝热如下表所示

表（10） 冷凝热

即冷凝水放出的总热量为14.889×104 ⑷转化气带出的热量

表⑾ 转化气带出的热量

氧化工段多余的热量为：

()

KJ 5444510528.91091854.10105658.1310889.14107745.7?=?-?+?+?

假设损失的热量为10%，则有KJ 55105756.8%9010528.9?=??的余热可供利用。一般的生产厂除了其一部分产生热水做蒸发器的加热热源（此部分的热量为3.0732×105KJ ）外，其余的可用于产生392.28Kpa 的饱和蒸气。

设进入系统的软水温度为20℃，热水含量是83.85KJ/kg,表压为392.28Kpa 的水蒸气热焓为2746KJ/kg,因此产生的蒸气的量为：

()kg 675.20615

.266210502.585

.832746100732.35752.85

5

=?=-?- 所产生的蒸气可以供给过热器加热和需要的配料蒸气，这两方面所用的蒸

气的量为kg 256.199978.27278.171=+，余下h kg /421

.73256.199675.206=-的蒸气，，即该甲醛装置蒸气自给自余。每产生一吨37% CH 2OH 余下的

kg 301.54.1/421.7=表压为392.28Kpa 的水蒸气，这些多余的水蒸气可以外输或

并入蒸气网。

4．吸收塔（包括1＃

塔和2＃

塔） ⑴. 转化气带入的热量10.91584×104KJ ⑵. 塔顶加水带入的热量

塔顶加入的水的量3.8837kmol ，温度位20℃，kmol KJ Cp /24.75=℃， 则加入的水带入的热量为KJ 410584.02024.758837.3?=?? ⑶．相变热

生成的产品气体已有12%被氧化器的急冷段冷凝，余下的被吸收塔冷却， 冷却的产品量为：

kmol

O H kmol OH CH kmol HCHO 3607.165993.296.18:281626.0003626.0278.0:2307.66684.089916.6:23=-===- 表⑿ 相变热

⑷．成品带出的热量

成品出料温度为70℃，kmol KJ Cp /24.75=℃，则成品带出的热量为：

KJ 4100869.12701.3557?=?? ⑸尾气带出的热量

则吸收工段共需要移走热量

()KJ

4

44441051234.105100926.10869.1210192.10710584.01091584.10?=?+-?+?+?

设冷却水进口温度为20℃，出口温度38℃，则共需的冷却水量为：

()t 0301.4210

3238184.41051234.1053

4

=?-?? 第五章 主要设备的工艺计算和设备选型

5.1设备的工艺计算

1．罗茨鼓风机 ①

操作条件：由外界将空气压缩指表压为0.05Mpa 进入缓冲罐

② 用途及数量 ：压送空气；需要一台 ③ 操作流量：根据物料计算所需要的空气的量

Kw

P Q N O m m H atm O m m H Mpa P s

m h m 4989.58

.010210165.5086875.0102165.505.01005.0/086875.0/75.3124.22962.133

2233=???=?==?==?==?η功率： 2．高位槽

计算每小时需要的体积流量为：

()mm h mm d m V h

m V h m V 592,29625537.015.014815.0,/4815.05.1321.03

2/321.0998

10.579196.249333===+?==?=∴=+=

，因此得到储槽的高径比为的裕度所有的容器都需要一定过容器的槽内的液体的体积不超

3．蒸发器

① 操作条件：甲醇与空气先在加热段加热至80℃后，再到过热段加热至 100℃

② 用途及数量：使甲醇蒸发，并控制一定的温度与压力：需要设备一台 ③ 由热量衡算可知，需要补充的热量为30.7321×104KJ ，取用Φ25×2.5的不锈钢管，材质为0Cr18Ni10Ti,每段管的长度为3m ，由于传热面积

A=16.709m 2,取A=17m 2,则管子的根数为

913

14.302.017

=??根。 取管子的中心距t ≥25+36=31m,∴T 取32m 壳外缘与管间的距离e= 32+12=44mm

()()[][]m m Pc PcDi S Mpa

P Pc Mpa C Tc m m

m m m m e b t D t

t

33.133.08.01142450

33.0233.03.01.11.1114120450408D 408442111322111

911.1n 1.1b =-???=-Φ==?===?=≈==?+-=+-=∴=?==σσ塔体的厚度为设计压力，因此查得的许用应力

蒸发器的设计温度为因此取蒸发器的直径为 ()()因此水压试验足够

可见校核水压试验钢板制作厚的该塔体可用圆整后取腐蚀余量s T s T T s T Mpa

Mpa

Se Se Di P Mpa

m m

C Sn Se Mpa P P Ti Ni Cr m m m m Sn m m Sd m m C φσσφσσσ9.06.1472058.09.09.018.752

22800375.022********.03.025.125.1101804433.32<=??==?+?=+=

==-=-==?====∴=

根据JB/T4725-92支座标准选用蒸发器的支座为B 型支座标准系列DN=450mm,允许载荷10Q/KN

∵300mm ≤DN ≤500mm,为了检查设备使用过程中是否产生变形，腐蚀等

现

象，可开设2个Φ75的手孔。 4. 氧化反应器

① 操作条件：进料器温度120℃，通过640℃的触媒层，甲醇反应转化成甲醛排出

② 用途及数量：甲醇在此氧化反应生成甲醛：需要设备一台 ③ 反应放出的热量为：7.7745×105KJ ④ 对急冷段的计算 ⑴求平均温度差

在催化层反应后，产品气体温度在650左右，经过急冷段后，温度降至180℃左右

⑵急冷段余热

由表⑾分析得到冷却后混合气体放出的余热为9.528×105KJ ⑶传热系数K 的取值

因为在急冷段进行换热的流体是由气体到气体，传热系数

C m KJ K ?=2/120

⑷传热面积的计算 由公式m t KA Q ?=计算

∴25

129.4493.17912010528.9m t K Q A m =??=?=

⑸求管子数n

选用φ25×2.5的不锈钢管，材质为0Cr18Ni10Ti ，每根的管长为3m

根均均2352.2343

02.014.3129

.44ln ==??==

∴=l d A n d A ππ 其中因安排拉杆需要减少4根空位，因此实际管数应取231根 ⑹管子的排列方式为正三角形，管间距取a=40mm ⑺反应器壳体直径的确定

()()m m

e b a D d l n b 7035.37211833215

.37255.15.118

1.172311.11.1=?+-?=+-==?==≈===因此查表知

圆整后取壳体直径D=750mm Pc=1.1P=1.1×0.3=0.33Mpa

[][]650261.1 1.10.30.330.33750

5.9962260.80.33227.99689018101.25 1.250.30.375t

t

T Tc C Mpa Pc P Mpa

PcDi S mm Pc C mm Sd mm Sn mm mm Cr Ni Ti P P Mpa Se σσ=?===?=?===??-Φ-=∴====?=反应器的设计温度为，因此查得的许用应力设计压力塔体的厚度为取腐蚀余量圆整后该塔体可用厚的钢板制作校核水压试验()()8262050.375750720.62227

0.90.90.8205147.60.9s T T s T s Sn C mm Mpa

P Di Se Mpa

Se Mpa σσφσσφσ=-=-==+?+===?=??=<可见因此水压试验足够

⑤ 反应器封头的选择

上下封头均选用椭圆形封头