【文章內容簡介】 蒸發(fā)器的傳熱效果，強化了蒸發(fā)。但在這種結構的蒸發(fā)器中一般料液的循環(huán)速度總是較低的，故傳熱系數(shù)也總是不高的。 （ 2）蒸發(fā)溫度 液體受熱后將加速氣化過程，因此提高溫度有利于蒸發(fā)過程，但液體在低于沸點的溫度下蒸發(fā)時，氣化只是在表面進行，蒸發(fā)速率很慢、生產效率很低。甲醇生產中常采用空氣在甲醇液層中鼓泡的方法，用空氣來帶走氣相中的甲醇。為了建立新的氣液平衡，液相中的甲醇必然加快蒸發(fā)。這樣，即使甲醇在低 于沸點溫度下仍具有較高的蒸發(fā)速率來滿足生產的需要。生產中的蒸發(fā)溫度應根據反應溫度等因素來確定，而影響蒸發(fā)溫度的因素主要是傳熱媒體（如熱水、熱甲醛液或蒸汽等）所攜帶熱量的多少。 （ 3）蒸發(fā)液位 在正常情況下，蒸發(fā)液位的高低將影響著甲醇的受熱面積和循環(huán)速度。因此，根據蒸發(fā)傳熱速率方程，在最佳受熱高度范圍內，蒸發(fā)液位高，蒸發(fā)量就大；反之，蒸發(fā)量將減少。 （ 4）甲醇濃度與甲醇的平衡濃度 甲醇中一般含有少量的水，當甲醇濃度降低時，甲醇的蒸發(fā)量將會減少。為保持蒸發(fā)量不變，就需要相應地提高蒸發(fā)溫度。 在生產過程中，習慣將 蒸發(fā)器內液相甲醇濃度通稱為“平衡濃度”，它與進料甲醇濃度、空氣溫度和濕度、空氣流量和蒸發(fā)器的加熱程度等因素有關。 （ 5）蒸發(fā)壓力 蒸發(fā)壓力是指蒸發(fā)器的氣相壓力，這個壓力等于組成混合氣的甲醇、空氣和水的分壓力之和。所謂分壓力（簡稱分壓），就是各組份氣體在溫度不變時，單獨占據混合氣的全部體積時對器壁施加的壓力。甲醇的蒸發(fā)量（相當于甲醇在混合氣中的摩爾數(shù)）將隨著蒸發(fā)壓力、甲醇的分壓和混合氣的總摩爾數(shù)的變化而變化。 （ 6）空氣流量 由于甲醛生產中是采用空氣在甲醇液中鼓泡加速甲醇蒸發(fā)的方式，因此甲醇的蒸發(fā)量將隨空氣流 量的增大而顯著增加。 三、原料混合氣的配制 配制目的 由甲醇 — 空氣 — 水所組成的原料混合氣需按工藝的要求進行配制。配制的目的是為了確保甲醇、空氣和水的組成比，以滿足反應過程和安全生產的要求。 銀法生產甲醛時，甲醇生成甲醛的氧化反應放出的熱量除滿足脫氫反應所需要的熱量和原料氣升溫及熱損失外，尚有多余，這部分多余的熱量就需要帶走，以維持反應的正常進行，否則反應溫度將持續(xù)上升使反應失控而不能正常進行下去。這部分多余的熱量就靠水（水蒸汽）或其它不凝性的惰性氣體來帶走。因此，配料中加入的水（水蒸汽）就起調節(jié)、穩(wěn)定反應溫度的作用，此外水還能抑止結炭反應的進行和水解反應后可能產生的縮醛物，從而延長催化劑的使用壽命和改善轉化率及提高收率。但進入系統(tǒng)的水量必須適度，所以生產中必須按要求進行配制。又由于甲醇和空氣能形成爆炸混合物，因此空氣和甲醇的比例也必須按要求進行配制，在安全許可的前提下，選定恰當?shù)目諝馀c甲醇的比例來滿足甲醇氧化和脫氫反應的要求。 配制過程 甲醇和空氣的配制過程已在蒸發(fā)過程中完成，由此制備的甲醇 — 空氣二元混合氣（其中還含有少量水份）在配料工序中再和水蒸汽混和制成甲醇 — 空氣 — 水（水蒸汽）三元混合氣，它們之間 的比例關系稱為三元配比。 在開車時，一般采用空氣 — 甲醇二元混合氣點火。這時，要根據空氣與甲醇的二元混合氣的爆炸范圍來考慮兩者的比例關系。當點火和催化劑全紅后，為促進反應的順利進行，開始加入配料水蒸汽。隨著水蒸汽的加入，混合氣的爆炸范圍就發(fā)生了變化：其爆炸下限隨著水蒸汽量的增加而緩慢增大，其上限則隨著水蒸汽量的增加而明顯變小，因此縮小了甲醇在空氣中的范圍，使生產的安全性得到提高。 銀法生產甲醛時，由于應用不同的催化劑就有不同的三元配比。以電解銀作催化劑時，其三元配比一般為： 甲醇：空氣：水 =1： ～ ： ～ （摩爾比） 影響配制的因素 影響配制的因素分別見影響空氣、水蒸汽輸送和甲醇蒸發(fā)的因素 。 四、原料混合氣的過熱 過熱的目的 過熱的目的是為了提高三元混合氣的溫度，防止它在輸送過程中冷凝，以穩(wěn)定氣相三元配比，確保反應的順利進行。 過熱過程 過熱過程在過熱器中完成，一般采用列管式換熱器，在管外通以傳熱媒體（如蒸汽），混合氣則從管程通過。 影響過熱的因素 影響過熱的因素主要有過熱器的結構與狀態(tài)和傳熱媒體的溫度。 （ 1）過熱器的結構與狀態(tài) 過熱器的結構與狀態(tài)決定著過熱效果，以蒸汽為傳熱 媒體的過熱器中不凝氣的存在和冷凝水的積聚將會影響其效能的發(fā)揮。因此，使用中應排除殼程中的空氣和防止疏水器失靈。 （ 2）傳熱媒體的溫度 傳熱媒體的溫度高則過熱效果好。以蒸汽為熱源時，其溫度的高低取決于蒸汽壓力的大小。生產中應保持一定的蒸汽壓力。 五、原料混合氣的凈化 凈化的目的 原料混合氣的凈化是反應物準備的最后一個環(huán)節(jié)。反應物的清凈度在很大程度上影響并決定著反應過程的效率。如果原料氣中含有揮發(fā)性硫化物或氯化物的話，則會與銀催化劑生成硫化銀和氯化銀而使催化劑中毒；又如原料氣中含有揮發(fā)性鐵化物（五羰基鐵等） ，遇高溫的催化劑就會分解成氧化鐵細粒，覆蓋在銀催化劑表面而破壞其活性；再如原料氣中若含有塵埃等礦物質時，也將會使銀催化劑失活。因此，原料混合氣的凈化是確保生產順利進行的先決條件之一。 凈化過程 原料混合氣經過熱后先通過阻火器，再進行凈化。阻火器的作用是阻止火焰的傳播。這是甲醛生產過程中的一道工序，嚴格地講則是一項安全措施。因為，正常生產時甲醇在反應器的催化床層中發(fā)生氧化反應并放出大量的熱，形成一個穩(wěn)定的燃燒層。此時，三元氣的流速大于甲醇火焰的傳播速度（燃燒速度）．但當發(fā)生故障或不正常狀況時，有可能使三元 氣體的流速（在開車點火階段則為二元氣體的流速）低于甲醇的燃燒速度，這樣將會使火焰朝相反的方向移動，造成回火。一旦發(fā)生回火將十分危險，因為 在正常生產中（不包括開車點火階段）蒸發(fā)器氣相中甲醇已處于甲醇 — 空氣的爆炸范圍內，當火源進入蒸發(fā)器時后果將很嚴重。為此，裝置中通過阻火器的器壁效應和傳熱作用達到阻火的目的。 原料混合氣的凈化包括甲醇、空氣和水蒸汽的凈化。 （ 1）甲醇的凈化 甲醇的清凈度由于供應和運輸渠道不一而有一定的差異。因此，甲醇需要凈化。甲醇先在貯槽中通過一定時間的存放，以除去大部分固體顆粒和懸浮物。投入 生產的甲醇，首先在過濾器中過濾，然后進入系統(tǒng)。也有采用精餾的方式來凈化甲醇。 （ 2）空氣的凈化 由于環(huán)境的差異，各生產裝置所取用的空氣的清凈度也有所不同，一般采用單一的過濾過程或采用過濾與洗滌相結合的凈化過程，而洗滌又有單純的水洗和水洗加堿洗的凈化過程等。 一般水蒸汽不單獨進行凈化，但應保證蒸汽的質量和保持管路的清潔。 （ 3）原料混合氣的凈化 最后，經過熱后的原料混合氣進入過濾器中以除去夾帶的固體雜質。 影響凈化的因素 （ 1）設備的性能 設備的性能是影響凈化的主要因素，對過濾器來說，主要是過濾介質的性能。在選定適宜的濾材后，要注意濾材的鋪裝，防止因短路而影響過濾效果。影響洗滌塔凈化能力的因素則有洗滌液的噴淋密度、噴淋量和堿液的濃度等。 （ 2）裝置的狀態(tài) 裝置（主要是蒸發(fā)器、過熱器、阻火器、過濾器和反應器及管道）的清潔狀態(tài)對原料氣的純度有著重要影響。因此，生產前必須做好裝置的清潔工作。 第四章 甲醛生產反應過程 原料混合氣經凈化后，輸送到反應器中進行反應。 反應過程也就是實現(xiàn)其化學轉化的過程， 在這里甲醇轉化為甲醛。反應過程是甲醛生產的中心 環(huán)節(jié)，是最主要的生產過程，在這個過程中，除發(fā)生化學反應外，還包含著諸如流體流動（動量傳遞）、熱量交換（熱量傳遞）和物質的遷移（質量傳遞）等多種物理現(xiàn)象和涉及反應熱力學與動力學的問題。 第一節(jié) 反應過程中的化學反應 銀法生產甲醛反應過程中的化學反應，除前面提到的甲醇氧化和甲醇脫氫等主反應外，還有甲醇燃燒和甲醛氧化等副反應，這些反應主要有（式中反應熱均為 25℃時的熱量）。 主反應： CH30H + 02 = CH20 +H20 +CH30H = CH20 +H2 – H2 + 02 = H20 +副反應 ： CH30H + 02 = C0 + 2H20 +CH30H + 02 = C02 + 2H20 +CH20 + 02 = HCOOH +21212321HCOOH = CO + H20 – kJ/mol 此外，由于反應條件的變化，還可能發(fā)生下述反應中 的一個或幾個副反應： CH20 = CO + H2 – CH20 + 02 = C02 + H20 +CH30H = C + H20 +H2 +CH30H + H2 = CH4 + H20 +2CH20 + H20 ? CH30H + HCOOH +副反應的存在將會降低反應產 率，因此生產上通過采用選擇性高的催化劑和控制好反應條件，盡可能地減少或防止上述副反應的發(fā)生。 第三節(jié) 反應過程中的化學動力學 在甲醛生產等化工過程中，反應速度是一個重要問題。如果反應速度太慢，反應就缺乏現(xiàn)實意義。要使反應實現(xiàn)工業(yè)化應用就必須研究反應的速度。這種研究化學反應速度和外界條件對反應速度的影響以及反應進行的具體途徑的學科就叫做化學動力學。 第四節(jié) 影響反應的因素 影響甲醇轉化為甲醛反應過程的主要因素有：反應器的結構與狀態(tài)、催化劑的性能、反應溫度、氧醇比、水醇比、空間速度、反應氣純度和反應壓力 等。 一、反應器的結構與狀態(tài) 反應在反應器中進行，因此反應器的結果與狀態(tài)將直接關系到甲醇轉化為加強的主反應能否順利進行同時減少與防止副反應的發(fā)生等問題。在設計和改進反應器的結構時，應考慮和注意諸如能否保證氣、固兩相間的良好接觸、能否保持良好的催化床層狀態(tài)、反應物在反應器中的流動是否有死角、反應氣的速度分布和反應在床層中的阻力是否能均勻以及反應后的氣體能否迅速離開高溫區(qū)而得以快速冷卻等問題。 在反應器的結構已經確定的情況下，反應器的狀態(tài)就成為影響反應的可變因素，如花板、支架的平整性，熱電偶安裝的牢固性，點火器 的性能和急冷設備的效果等都將影響反應的進行與結果。 二、催化劑的性能與狀態(tài) 催化劑的性能是影響反應的重要因素之一，其性能的優(yōu)劣將直接關系到主反應進行的程度。 一般對催化劑的性能要求是：具有較高的催化劑活性、良好的選擇性、較強的機械強度、較好的熱穩(wěn)定性和具有一定的抗毒能力。為得到高性能的催化劑，除正確地選擇其化學組成外，還必須提高催化劑的制備技術，以保證它能形成活潑而均勻的表面和較好的相關特性。要想有效地發(fā)揮催化劑的性能，還必須仔細設計催化劑的鋪裝方法，注意床層的嚴密、平整和均勻性，以使氣體能均勻地流經催化劑 床層，特別在床層的邊緣、熱電偶插入點等部位要避免和防止溝道旁路。否則，這些部位易發(fā)生局部反應過熱，引起床層燒結或破裂。 燒結會增大床層的阻力降，破裂則會產生旁路。兩者都會影響催化劑的性能和