【正文】 鄭旭凱，劉嘉琦，姚澤鴻第五章 能量利用方案和節(jié)能方面的技術(shù)改進(jìn)劉嘉琦總圖及其說明書趙雅茹帶控制點的工藝流程圖，氧化器設(shè)計圖譚孔文，王位，王建福資料搜集鄭旭凱，王建福，譚孔文，王位PPt制作王位，劉嘉琦，姚澤鴻課堂演講劉嘉琦（所有資料統(tǒng)一由劉嘉琦、鄭旭凱整理，所有組員審理定稿）由于本組水平有限，經(jīng)驗尚淺，錯誤再所難免，敬請?zhí)岢鰧氋F意見。 終極一組 二零零九年三月目 錄第一章 產(chǎn)品方案選擇與生產(chǎn)規(guī)?！?（4） 概述……………………………………………………………………（4） 本項目對甲醛生產(chǎn)技術(shù)的要求………………………………………（4） 中國甲醛工業(yè)現(xiàn)狀……………………………………………………（4） 銀法和鐵鉬法比較——國外甲醛技術(shù)概況…………………………（5） 技術(shù)選擇………………………………………………………………（6）第二章 物料衡算…………………………………………………………………（8） 設(shè)計條件…………………………………………………………………（8） 物料流程簡圖………………………………………………………… （8） 甲醛、甲醇物料衡算（均按每小時計）……………………………… (10)第三章 能量衡算……………………………………………………………… (17) 甲醇蒸發(fā)器………………………………………………………… (17) 過熱器………………………………………………………………… (18) 氧化器（包括急冷段）…………………………………………………(18) 吸收塔（包括一吸塔和二吸塔）…………………………………… (20)第四章 設(shè)備工藝計算………………………………………………………… (22) 蒸發(fā)工段……………………………………………………………… (22) 氧化工段……………………………………………………………… (29) 吸收工段……………………………………………………………… (36) 吸收工段換熱器、循環(huán)泵設(shè)計選型………………………………… (49) 主要設(shè)備一覽表……………………………………………………… （51）第五章 能量利用方案和節(jié)能方面的技術(shù)改進(jìn)……………………………… （52）第六章 工藝設(shè)計圖紙………………………………………………見附圖3第一章 產(chǎn)品方案選擇與生產(chǎn)規(guī)模 概述目前甲醛90%以上是從甲醇氧化而得，也有從烴類直接氧化和二甲醚氧化來制取。目前正在研究開發(fā)“甲醇脫氫法”和甲烷直接氧化法新工藝。其一是在過量甲醇（甲醇蒸汽濃度控制在爆炸上限，37%以上）條件下，甲醇?xì)?、蒸汽和水汽混合物在金屬型催化劑上進(jìn)行脫氫氧化反應(yīng)，通常采用結(jié)晶Ag催化劑，故稱為“銀法”，也稱“甲醇過量法”其二是過量空氣（甲醇蒸汽濃度控制在爆炸區(qū)下限，7%以下）條件下，甲醇?xì)庵苯优c空氣混合在金屬氧化物型催化劑上進(jìn)行氧化反應(yīng)，催化劑以Fe2O3MoO3系最為常見，故稱“鐵鉬法”，也稱“空氣過量法”。 本項目對甲醛生產(chǎn)技術(shù)的要求本項目的甲醛裝置規(guī)模為5萬噸/年(以37%溶液計)，產(chǎn)品主要作為外銷并為甲醛的下游產(chǎn)品提供原料。目前甲醇價格不斷上漲；由于煤價的上漲，蒸汽價格也在不斷上升，因此希望所選的工藝技術(shù)能做到甲醇消耗低，蒸汽量能平衡。 產(chǎn)品甲醛中醇的酸的含量低在甲醛的下游產(chǎn)品生產(chǎn)要求脫除甲醛中的殘余甲醇，為保證后加工產(chǎn)品質(zhì)量減少后加工裝置中甲醛凈化的能耗及投資，也為了減少后加工裝置中含醇廢水的處理，%（%），同時也要求甲醛產(chǎn)品中甲醛的含量低于200PPm。 中國甲醛工業(yè)現(xiàn)狀截止2000年，我國大約230套甲醛生產(chǎn)裝置，生產(chǎn)能力最大為5萬噸/年。從裝置總能力和年產(chǎn)量上看，我國甲醛工業(yè)已跨入世界前列（僅次于美國、蘇聯(lián)、日本和德國）；從技術(shù)上講，我國電解銀法甲醛工藝的物耗已接近先進(jìn)水平。鐵鉬法甲醛生產(chǎn)工藝，在三十年代初期開始發(fā)展，1952年工業(yè)化，隨著1959年聚甲醛工程塑料的興起而飛快地發(fā)展起來，其原因在于鐵鉬法可直接生產(chǎn)低醇高濃度甲醛作為聚甲醛的原料。在鐵鉬法得到迅速發(fā)展的同時，銀法也在不斷加以改進(jìn)和提高。最近所采用的銀法工藝，同鐵鉬法一樣，也可以直接生產(chǎn)低醇甲醛，且甲醛濃度也可達(dá)50%左右?？偟恼f來，美國等歐美西方國家，由于聚甲醛工程塑料發(fā)達(dá)，采用鐵鉬法生產(chǎn)的廠家較多。在近十年中，美國新建的甲醛裝置全部用鐵鉬法，共有20多套。前蘇聯(lián)等東歐國家銀法和鐵鉬法并重。目前世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都同時采用銀法和鐵鉬法兩種工藝路線。兩種方法各有優(yōu)缺點，一般來講，銀法投資略低，操作較安全、簡單，但消耗略高，且催化劑壽命短（國外催化劑壽命約3~8個月）；鐵鉬法不需要銀法要求的高溫反應(yīng)，從而使副反應(yīng)減少，選擇性高，甲醛單耗低，甲醛產(chǎn)品分解少，甲醛濃度高，催化劑效率高，壽命長（國外催化劑壽命長，~），但投資略高，操作安全措施要求略高，但兩種方法的車間成本相當(dāng)接近。具有代表性的銀法工藝有BASF法，HS法，Dcgussa法；鐵鉬法有PSP法，DBW法，SDP法和Lummus法等。 技術(shù)選擇我國在六十至七十年代曾建有多套甲烷氧化法的生產(chǎn)甲醛的小型裝置，由于轉(zhuǎn)化率和收率及產(chǎn)品濃度低等問題而相繼停止生產(chǎn)。以甲醇為原料生產(chǎn)甲醛目前主要有：“銀催化法”和“鐵鉬催化法”兩類方法。所以同世界范圍內(nèi)“銀法”和“鐵鉬法”的比例幾乎相當(dāng)，但我國目前采用“銀法”的仍占絕大多數(shù)，因為鐵鉬法雖然單耗低一些，但設(shè)備龐大，耗能大，其關(guān)鍵設(shè)備還需進(jìn)口，投資大。相對投資少，工期短，見效快。已知：空氣為氧化劑，電解銀為催化劑，固定氣相氧化法，年開工8000h，相關(guān)數(shù)據(jù)見下表。②甲醇量：根據(jù)氧的衡算：反應(yīng)式（1）消耗甲醇 反應(yīng)式（2）消耗甲醇 反應(yīng)式（3）消耗甲醇 反應(yīng)式（4）消耗甲醇 反應(yīng)式（5）消耗甲醇 反應(yīng)式（6）消耗甲醇 尾氣中帶走甲醇：產(chǎn)品中帶走甲醇：甲醇總消耗量：+++++++=88354（kmol） =2833（kg）技術(shù)單耗：2833/6250=實物單耗：2823/（98%6250）=此數(shù)據(jù)亦與上面給定條件基本一致。++）=(kg)=（kmol）吸收塔加水量：（+）－（+++）=（kmol）=（kg）④吸收系統(tǒng)計算由工藝參數(shù)表可知一吸收塔甲醛吸收率為90%，則一吸收塔吸收甲醛量為： 90%=（kmol）=2112（kg）二吸收塔吸收甲醛量為 －－=（kmol）=（kg）二吸收塔循環(huán)液中甲醛濃度為15%，并設(shè)轉(zhuǎn)化甲醇除尾氣帶出外，均在二吸收塔被吸收。②過熱器物料衡算進(jìn)料：甲醇蒸發(fā)器的氣體進(jìn)入過熱器后溫度上升，此時應(yīng)加入配料蒸汽，移走反應(yīng)熱。出料：氣體經(jīng)過反應(yīng)器后，發(fā)生了（1）~（12）反應(yīng)，生成了HCHO、HCOOH、CO、H2O、CO、COCO、CHH2等氣體，各物料組分發(fā)生了很大變化。所以進(jìn)料應(yīng)該分為兩部分，一部分是氧化器出料氣體，一部分為第二吸收塔甲醛吸收液，其量為：HCHO=(kg)=（kmol）CH3OH=(kg)=（kmol）水量為：67354（kmol）出料：出料量分為塔頂和塔釜。其中各含量應(yīng)為其第二吸收塔進(jìn)料量加上尾氣量。出料：出料由塔釜出，由工藝參數(shù)表可得尾氣具體含量，并且第二吸收塔可采出一部分的成品甲醛，其中含：HCHO：（kg）=（kmol）CH3OH：（kg）=（kmol）H2O：（kg）=（kmol）其他組分為尾氣，上面已計算。（9）全部過程物料衡算如下圖：第 17 頁 共 55 頁甲醇蒸發(fā)器過熱器氧化反應(yīng)器第一吸收塔第二吸收塔尾氣鍋爐水洗堿洗空氣甲醇98水 2%二吸塔塔頂加水：圖2 50000t/a甲醛生產(chǎn)的物料平衡圖第三章 能量衡算由甲醇氧化或脫氫制備甲醛，其副反應(yīng)都有吸熱和放熱。本設(shè)計數(shù)據(jù)來源于化學(xué)工業(yè)出版社2003年出版，中國石化集團上海工程有限公司編寫的《化工工藝手冊》；物性數(shù)據(jù)來自于劉光啟主編由化學(xué)工業(yè)出版社2002年出版的《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊》，時間以為1h基準(zhǔn)。設(shè)進(jìn)入蒸發(fā)器的空氣溫度為60℃，甲醇進(jìn)料溫度為15℃，蒸發(fā)溫度為47℃。甲醇的相變熱：104kJ/kmol水的相變熱：104kJ/kmol則原料甲醇的相變熱為： 104+104=104(kJ)（3）原料氣帶出的熱量見下表表 原料氣帶出的熱量物料名稱物質(zhì)的量,kmolCpm,kJ/kmol﹒℃)T, ℃熱量,104kJCH3ON47H2O47N247O247合計//則需補充熱量：104 +104 —104 =104 (kJ)設(shè)蒸發(fā)器用熱水加熱，熱水進(jìn)口溫度為70℃，出口溫度為64℃?zhèn)鳠嵯禂?shù)k=220〔kcal/(m2﹒h﹒℃)〕=〔kJ/(m2﹒h﹒℃)〕, △t=(1/2)〔(7047)+(6447)〕=20(℃), 則傳熱面積：約需熱水量：現(xiàn)場也可以改用蒸汽，, 120℃的蒸汽加熱變100℃的冷凝水。（1）104 kJ, 。由于轉(zhuǎn)化氣的非理想性，因此可以設(shè)其冷凝量占產(chǎn)品量的12%，633612%=，其中甲醛占30%，30% = （kg）=（kmol）；水占70%，— = （kmol）。一般生產(chǎn)長除用其一部分產(chǎn)生熱水（大約35%作蒸發(fā)器加熱熱源）外。則所產(chǎn)生的蒸汽量為則產(chǎn)生的蒸汽可用過熱器加熱和配料，這兩方面共需蒸汽量：（+）18 = （kg）,余下2629— = （kg）的蒸汽，（kg）/t(37%CH2O)（），這些多余的水蒸氣可以外輸或并入蒸汽總網(wǎng)。 蒸發(fā)工段本工段工藝設(shè)備包括空氣取樣管，甲醇入料泵，甲醇高位槽、空氣堿洗塔、水洗塔、羅茨鼓風(fēng)機和蒸發(fā)器等。下面分別作計算?？諝饬魉偃?0m/s, 空氣量按4000m3/h考慮，取樣管直徑為24000360010π=（m）采用DN400的螺旋鋼管，核算流速為4000/(3600 )=(m/s),符合規(guī)定要求。 甲醛入料泵和甲醛高位槽本工段的原料來自精甲醛崗位的合格甲醛，它貯藏在精甲醛槽備用，通過甲醛入料泵輸送到四樓的甲醛高位槽并使其有回流，以保證甲醛蒸發(fā)器的物料流量保持穩(wěn)定在2890kg/h。物性參數(shù)有：介質(zhì)的名稱，相對密度，黏度，組成，化學(xué)腐蝕性能，氣體或固體（粒度）含量，蒸汽壓等。 甲醇蒸氣與空氣能形成爆炸性混合物，%%（體積分?jǐn)?shù)）。s(20℃)蒸氣壓力 0℃ 10℃ 20℃ 50℃ 工業(yè)組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） CH3OH為98%，H2O為2%在常溫下操作，進(jìn)口側(cè)設(shè)備壓力po=0（表壓），排出泵口壓力p1=（表壓），排出側(cè)p2=（表壓）。設(shè)計精甲醇槽建于地面上，這樣屬于正壓進(jìn)料，選用普通離心泵即可。② 管路設(shè)計該泵安裝在操作車間一樓地面上，與精甲醇貯槽處于同一水平面上，兩者距離20m。管路中共有13個截止閥，1個標(biāo)準(zhǔn)止回閥，5個90o 標(biāo)準(zhǔn)彎頭，10個90o 法蘭連接肘管，閥門按全開考慮，其余管計30m。s；甲醇在20℃,甲醇在管內(nèi)流動的雷諾數(shù)Re=104＞4000，所以此流體的流動類型屬湍流。該泵流量Q=(m3/h),H=20(m),r=1450(r/min),N=3(kw),。（2）甲醇高位槽的選擇甲醇高位槽主要供保證連續(xù)進(jìn)料用，設(shè)計安放在生產(chǎn)車間的頂部高14m處。設(shè)計為5m3的立式罐，其主要規(guī)格型號為DN16002000(D﹒H),p≤,表 甲醇高位槽主要接口表序號用途規(guī)格型號接口方式備注1甲醇入料管口法蘭——2甲醇溢流管口法蘭——3甲醇出料口法蘭——4放空口法蘭——51，2液位計口法蘭—— 空氣凈化系統(tǒng)（包括堿洗塔和水洗塔）本設(shè)計采用煤做原料合成氨生產(chǎn)尿素等化工產(chǎn)品，空氣中含有煤灰塵，硫化物等雜質(zhì)。這樣才能使原料空氣得到凈化處理，以免影響催化劑的活性。堿洗塔和水洗塔計算選型如下：堿洗塔和水洗塔均選擇填料塔且為不銹鋼結(jié)構(gòu)。設(shè)噴淋密度為10m3/(m2堿洗采用3%稀堿溶液，近似為稀堿液，用水配制后使用，則rL=1000（kg/m3）,將空氣假定為純空氣，查表得：取20℃空氣的密度為rg=（kg/m3）20℃水的粘度：rL=106（kgfm2）=(cP)則液體的用量L=10=（m3/h）=1260(kg/h)