【導讀】武漢工程大學郵電與信息工程學院。論文題目8×104t/a甲醛生產裝置的工藝設計。專業(yè)班級2020級化學工程與工藝03班。武漢工程大學郵電與信息工程學院畢業(yè)設計（論文）

　　

【正文】 （論文） 第 19 頁 共 82 頁 好的熱穩(wěn)定性和具有一定的抗毒能力。要想有效的發(fā)揮催化 劑的性能，設計中必須考慮催化劑的鋪裝方法，考慮床層的嚴密、平整和均勻性，以使氣體能均勻的流經催化劑床層，特別在床層的邊緣，熱電偶插入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，引起床層燒結和破裂 [11]。 反應溫度 反應溫度的高低會影響物料的反應程度。溫度過高，物料會劇烈氧化，生成一些副產品，降低甲醛含量；溫度過低，甲醛不能被氧化，達不到生產目的。對吸熱反應的甲醇脫氫反應來說，升溫是有利的。醇脫氫反應的平衡常數隨溫度的升高而增大。自發(fā)進行的最低溫度為 ℃ ，實際生產的反應溫 度應高于這一溫度。 氧醇比 氧醇比是甲醛生產中氧氣和甲醇的摩爾比值。氧醇比過高，氧氣過量，甲醇會被深度氧化而降低甲醇的轉化率；氧醇比過低，甲醇過量，浪費原料。 氧醇比是一個非常重要的參數，它關系到甲醛生產反應過程中的轉化率，選擇性和安全性等問題，其數學表達式為： V 氧氣 ： V 甲醇 =（ P 空氣 ） / P 甲醇 式中： V 氧氣 ——三元混合氣中氧氣的濃度， %； V 甲醇 ——三元混合氣中甲醇的濃度， %； P 空氣 ——三元混合氣中空氣的分壓， %； P 甲醇 ——三元混合氣中甲醇的分壓， %； 影響氧醇比的重要因素 有三： （ 1）甲醇 蒸發(fā)器上部空間的總壓力（若甲醇蒸發(fā)器液層上面的總壓力升高，則氧醇比增大）； （ 2）蒸發(fā)器溫度（升高蒸發(fā)器溫度會使氧醇比降低）； （ 3）蒸發(fā)器中甲醇濃度（甲醇濃度降低會使氧醇比降低）。 水醇比 增加反應器的水醇比，既有利于控制反應的溫度，又能使反應在較低的溫度下進行，還可以提高進料中氧的濃度而不發(fā)生過熱，從而能改善轉化率和提高收率。但是，提高水醇比要受到產品濃度和塔吸收效率的限制。如果水醇比過大，又要維持二塔有一定的加水量，勢必造成產品的濃度下降；而要保持產品的濃度，又勢必會減少 二塔的加水量，武漢工程大學郵電與信息工程學院 畢業(yè)設計（論文） 第 20 頁 共 82 頁 使二塔的吸收效率下降。因此，水醇比必須控制得當 [14]。 停留時間和空間速度 停留時間也稱接觸時間，是指原料混合氣通過催化床層所需要的時間，其單位用秒表示。停留時間和空間速度呈倒數關系。 可表示為：停留時間 =HF/V H——催化劑的填裝高度： F——反應器橫斷面積： V——氣流速度 M3/S。 停留時間過長，原料氣會被劇烈氧化，降低轉化率：停留時間過短，會有很多原料氣未被氧化。一般銀法的時間取 ~ s,即空速 3600 ~ 7200 h。時間越長則副反應越強烈。 反應壓力 由于甲醇氧化和甲醇脫氫這兩個反應都是反應后增加體積的反應，因此，降低壓力將使反應向著生產甲醛的方向移動，所以減壓對主反應有利。但在實際生產中由于減壓將增加設備投資和能耗，并帶來上些其它不穩(wěn)定的因素，故現在甲醛的生產已由早期的負壓操作改為常壓操作。 原料混合氣的純度將影響催化劑的活性與壽命 原料混合氣的純度將影響催化劑的活性與壽命。另外，在催化劑的表面如覆蓋了氧化鐵，還會加快甲醇燃燒等副反應。因此，原料混合氣的純度也是影響反應的重要因素，生產中應盡可能使原料氣得以凈化。 武漢工程大學郵電與信息工程學院 畢業(yè)設計（論文） 第 21 頁 共 82 頁 主要工藝指標 表 31 主要工藝指標 計量單位：見表 指標名稱 單位 指標 流量 濕空氣 kg/h 配料蒸汽 kg/h 工藝補水 kg/h 工藝甲醇 kg/h 甲醛成品液 kg/h 一塔循環(huán)量 m3/h 二塔循環(huán)量 m3/h 壓力 (絕 ) 一塔底 mmHg 795 一塔頂 mmHg 785 二塔頂 mmHg 775 氧化器 Mpa 800 蒸汽分配缸 Mpa 177。 汽包 Mpa 蒸發(fā)室 Mpa 12 月 21 日 溫度 蒸發(fā)器 ℃ 4250 過熱器 ℃ 100120 氧化器觸媒層 ℃ 610660 氣體出一塔 ℃ ≤55 吸收一塔底 ℃ ≤60 續(xù)表 指標名稱 單位 指標 吸收二塔頂 ℃ ≤35 吸收二塔底 ℃ ≤35 武漢工程大學郵電與信息工程學院 畢業(yè)設計（論文） 第 22 頁 共 82 頁 蒸發(fā)器加熱熱水進口 ℃ 85 蒸發(fā)器加熱熱水出口 ℃ 55 氧化器廢熱鍋爐出口 ℃ 150 氧化器水冷段氣體出口 ℃ 100 成品液 ℃ 42 尾氣 ℃ 32 液位 一塔 % 2535 二塔 % 2535 蒸發(fā)器 % 6080 汽包 % 45 含量 成品液甲醛 質量 % 成品液甲醇 質量 % 尾氣中甲醛含量 體積 % 尾氣中水含量 體積 % 尾氣中二氧化碳含量 體積 % 尾氣中一氧化碳含量 體積 % 尾氣中氧氣含量 體積 % 尾氣中氫氣含量 體積 % 15 尾氣中氮氣含量 體積 % 尾氣中甲烷含量 體積 % 尾氣中甲醇含量 體積 % 蒸汽配料濃度 % 氧醇比 甲醇單耗 kg 工業(yè)甲醇濃度 % 98 濕空氣含水量 % 武漢工程大學郵電與信息工程學院 畢業(yè)設計（論文） 第 23 頁 共 82 頁 第四章 工藝計算 設計數據分析 （ 1） 生產規(guī)模：年產 萬噸 37 %（質量分數）的甲醛水溶液；年工作時間 7800 h； （ 2） 吸收塔尾氣組分和產品組成 表 41 吸收塔為其組成和產品組成 計量單位：見表 組分 CO2 CO O2 H2 HCHO CH3OH CH4 H2O N2 HCOOH Σ 二吸塔 %（ v） 15 0 100 一吸塔 %（ mol） 100 （ 3）原料甲醇濃度 表 42 原料甲醇濃度 計量單位：見表 組分 甲醇 水 %（ w） （ 4）空氣相對濕度 80% 表 43 空氣中各組分的相對百分含量 計量單位：見表 組分 氧氣 氮氣 水 含量（ mol%） 21 （ 5）加熱配料蒸汽壓力： 4 kg/cm3 （ 6）生產 kg 福爾馬林尾氣排放量 1 kmol （ 8）水醇摩爾比： :1 由以上數據可得到： 產品 采出量 為： 104 103 / 7800 ＝ kg/h； 因為每生產 kg 福爾馬林尾氣中排放量為 1 mol，所以尾氣量為： 武漢工程大學郵電與信息工程學院 畢業(yè)設計（論文） 第 24 頁 共 82 頁 / ＝ kmol/h； 產品中甲醛的含量為： %＝ kg/h ＝ kmol/h； 物料衡算 氧化器參數的計算 由尾氣、產品的分析結果預測反應的轉化率和選擇性，根據 N2 質量守恒可得理論上投入空氣的量： 其中 N2的含量為： / ＝ kmol/h； 其中 O2含量為： ＝ kmol/h； 其中 H2 O 含量為： ＝ kmol/h 表 44 為其中 各組分的含量和分率 計量單位：見表 組分 CO2 CO N2 O2 H2 含量 /kmolh1 分率 /%(mol) 15 組分 CH2OH H2O CH4 HCHO Σ 含量 /kmolh1 分率 /%(mol) 100 表 45 產品組成 計量單位：見表 組分 HCHO H2O HCOOH CH3OH Σ 含量 /kmolh1 含量 /kgh1 由以上兩表中的數據個一下反應式可以求出甲醇的消耗量如下表 46。 表 46 甲醇消耗量表 計量單位：見表 反應式 耗甲醇量 /kmolh1 分率 /% CH2OH+1/2O2→HCHO+H2O(41) CH3OH→HCHO+H2(42) CH3OH+O2→CO+2H2O(43) CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O(44) CH3OH+H2→CH4+H2O(45) CH3OH+O2→HCOOH+H2O(46) Σ 100 武漢工程大學郵電與信息工程學院 畢業(yè)設計（論文） 第 25 頁 共 82 頁 生產甲醛量： + ＝ kmol/h； 產品中甲醛量：甲醛總量 尾氣中甲醛量＝ ＝ kmol/h； 預計產品總量： 30 / ＝ kmol/h 與實際相符，其中甲醇含量： % / 32＝ kmol/h； 投入甲醇實際量： ＋ ＋ ＝ kmol/h； 甲醇總轉化率＝甲醇總耗量 247。（甲醇總 耗量＋產品中甲醇量＋尾氣中甲醇量） 100% ＝（ ） 100% ＝ % 甲醛選擇性＝ （ 生成甲醛總量 247。甲醇總耗量） ＝ （ / ） 100% ＝ 甲醛收率＝（甲醇總轉化率 甲醛選擇性） 100% ＝ （ ） ＝ % 蒸發(fā)器的物料衡算 蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度 ℃ ；壓力 kpa(表壓 )；甲醇入口溫度 20 ℃ ；空氣入口溫度 50 ℃ 。把蒸發(fā)器看作穩(wěn)態(tài)操作，每小時蒸發(fā)出氣體量等于甲醇與空氣的投入量。有蒸發(fā)器的物料平衡計算： 圖 蒸發(fā)器物料衡算圖 武漢工程大學郵電與信息工程學院 畢業(yè)設計（論文） 第 26 頁 共 82 頁 原料甲醇理論投入量為 kmol/h， 甲醇的實際投入量： （ 1+1%） = kmol/h ； 原料投入量： 32 / % = kg/h ； 水： % / 18 = kmol/h ； 實際空氣投入量： （ 1+1%） = kmol/h ； 含水： % = kmol/h ； 氮氣： % = kmol/h ； 氧氣： 21% = kmol/h ； 視系統的氣相為理想氣體，液相為非理想溶液，氣相中存在的惰性氣體 N2 和 O2降低了平衡時的蒸汽壓，因此以甲醇與水的氣相分壓來求蒸發(fā)器中的甲醇的平衡濃度。溶液中各組分的活度系數、濃度及壓力三者之間的關系如下： Inγ1 ＝ x22 [﹢ 2x1（ ﹣ ） （ 47） Inγ2 ＝ x12 [﹢ 2x2（ ﹣ ） （ 48） P 分 ＝ P1﹢ P2 ＝ P1γ1x1﹢ P2γ2x2 （ 49） 式中 1 代表甲醇， 2 代表水， P 分 指氣相中的甲醇與水的分壓， ）可得：（總摩爾數的摩爾數甲醇和水在 蒸發(fā)器出口由分104P PP 21 ?? ? ?? ? m m H g6 5 8 1 65 0 2 0 7 3 8 03 8 4 5 0 4 3 1 2 6 8 4 5 0 4 3P ?????? ???分 飽和蒸汽壓由 Antoine 方程計算： P1*=exp{ / [ + ] } = mmHg。 P2*=exp{ / [ + ] } = mmHg。 將以上數據代入式 （ 47）、（ 48）、（ 49），求得甲醇中在液相中的平衡濃度 X1 = 蒸發(fā)器物料衡算表 武漢工程大學郵電與信息工程學院 畢業(yè)設計（論文） 第 27 頁 共 82 頁 表 47 蒸發(fā)器物料衡算 計量單位：見表 物料 名稱 輸入 物料 名稱 輸出 kmol kg kmol kg 原料甲醇 原料氣 CH3OH CH3OH H2O H2O 空氣 O2 O2 N2 N2 H2O Σ 由上表可得 進出 物料相等。 過熱器的物料衡算 出料中 H2O 量為配料蒸氣與原料氣水量相加。 表 48 過熱器物料衡算 計量單位：見表 物料 名稱 輸入