年产5万吨工业级甲醛的工艺设计甲醇的预热器的设计【完整版】.docx

年产5万吨工业级甲醛的工艺设计甲醇的预热器的设计【完整版】(文档可以直接使用，也可根据实际需要修订后使用,可编辑放心下载）年产5万吨工业级甲醛的工艺设计甲醇的预热器的设计摘 要：甲醛是重要的化工产品。这篇文章主要介绍了甲醛的性质、用途、主要生产方法、市场前景及开展趋势；设计了年产5万吨工业级甲醛的生产工艺；选用铁钼法，以甲醇为原料，经甲醇预热、甲醇的蒸发、换热器、反响釜反响后得甲醛产品。本文主要承当甲醇预热器的设计，根据物料衡算及热量衡算结果，确定了预热器的工艺参数、类型及特征尺寸：公称直径 250mm、公称面积 9m2、管数 20、管长 6m；采用浮头式换热器，管束的排列方式采用正三角形排列，弓形折流挡板。并对换热器进行了流力学和热力学的核算.结果说明所设计的换热器符合要求。 关键词：甲醛；工艺设计；预热器Process design of industrial formaldehydeOf 50,000 tons per yearthe design of Heat Exchanger Lixiaoping(Department of Chemistry and Chemical Engineering, Baoji University of Arts and Sciences,Baoji, Shaanxi,721013)Abstract: Formaldehyde is important chemical products. This article mainly introduced the formaldehyde properties, applications and the main production method, the market prospect and development tendency; The annual 5,000 tons of industrial design formaldehyde production craft; Choose iron molybdenum law to methanol as raw materials, the methanol preheating, methanol evaporation, heat exchangers, reactor reaction to formaldehyde products. This paper mainly undertakes methanol preheater design, according to the material calculation and heat calculation results to determine the preheater parameters, type and feature sizes: nominal diameter 9m2 250mm, nominal area, tube length number 20, 6m; Using FuTou heat exchanger, bundle arrangement the positive triangle is arranged, bow baffle platens. And the flow of heat exchanger accounting of mechanical and thermodynamics. Results showed that the design meets the requirements of heat.Key words: formaldehyde; Process design; preheater 目录1.概述11.1性状及用途111.2甲醛的生产工艺1银催化法生产甲醛2铁钼法生产甲醛4其他方法51.3国内外生产概况71.4市场需求及开展前景82. 原料、辅助原料、产品的主要技术规格102.1银法和铁钼法生产甲醛的技术经济指标102.2 原料规格11表1 原辅料规格及消耗配比5112.3 产品质量标准113. 工艺介绍124. 换热器设计方案确实定135.换热器的工艺计算135.1 确定物性数据135.2 计算冷却剂用量145.3 计算传热面积146. 工艺尺寸计算156.1 管径156.2 管子数156.3 传热管排列156.4 壳体内径156.5 折流板166.6 其他附件166.7 接管167.换热器核算177.1 热流量核算17壳体外表给热系数17管内外表给热系数17污垢热阻和管壁热阻18传热系数Kc18传热面积裕度197.2 壁温核算197.3 换热器内流体的流动阻力20管程流动阻力20壳程阻力20换热器主要结构尺寸和设计计算结果21结束语23参考文献24感 谢 辞25 1.概述1.1性状及用途1 甲醛是最简单的醛，结构简式为HCHO，通常把它归为饱和一元醛，但它又相当于二元醛。纯洁的甲醛是无色具有刺激性气味的气体，其沸点为19，能与空气及氧气混合为爆炸性气体。易燃烧，能溶于水及醇，微溶于丙酮、苯和醚。甲醛气体在高压及低温下，能液化成无色液体，通常都是以水溶液出售，35%40%甲醛水溶液被称为福尔马林。甲醛与其它醛类物质一样，容易与许多物质发生加成反响，因此甲醛又是不饱和化合物。甲醛极易聚合，气体甲醛在常温下能自动聚合成三聚体，55%的甲醛水溶液在少量硫酸存在下煮沸也可以得到环状的三聚甲醛 ，甲醛还可以通过聚合生成更大的聚合分子，三聚甲醛不稳定，加热时容易分解为甲醛。甲醛还是近代化学工业上一重非常重要的合成原料，应用于尿素甲醛树脂及三聚氰胺甲醛树脂的合成，甲醛还是医药上的消毒剂和防腐剂，甲醛还用于外表活性剂、塑料、橡胶、鞣革、造纸、染料、制药、农药、照相胶片、炸药、建筑材料以及消毒、熏蒸和防腐过程中。可以说甲醛是化学工业中的多面手。1.2甲醛的生产工艺甲醛的生产方法有多种, 目前工艺比拟成熟的有甲醇空气氧化法(其中包括甲醇过量法和空气过量法) 、甲缩醛氧化法。其中利用甲醇空气氧化法生产甲醛主要有两类不同的工艺，其一是采用银催化剂的“甲醇过量法，也称“银催化法简称“银法；其二是采用铁钼氧化物催化剂的“空气过量法，也称“铁钼催化法简称“铁钼法。银催化法生产甲醛银法制甲醛是早期生产甲醛的主要方法，是在过量甲醇(甲醇蒸汽浓度控制在爆炸区上限,37以上)条件下,甲醇汽、空气和水汽混合物在金属型催化剂上进行脱氢-氧化反响,通常采用Ag催化剂,故称为“Ag该方法是用银作催化剂最好使用电解银催化剂，甲醛的收率可达87%，甲醇与空气的混合物为原料,在固定床反响器中进行催化氧化反响生成甲醛，反响温度在550700之间。甲醇、空气在蒸发器汽化后再参加一定量的水蒸汽形成三元混合气，经过过热和过滤后在电解银催化剂作用下生成甲醛。甲醛反响气经过急冷段和冷却段,回收局部热量后用脱盐水吸收，得到37%40%的甲醛产品。  其主要化学反响有: CH3OH + 0.5O2 CH2O + H2O  H=-157.2KJ/mol    CH3OH CH2O + H2  H=85KJ/mol  除发生上述甲醇氧化和脱氢反响外, 还有少量生成甲烷、一氧化碳、二氧化碳等副反响发生。其中的银法的工艺条件如下： 1温度工业生产上反响温度的选择主要是根据催化剂的活性、反响过程、 甲醛收率、催化剂床层压降以及副反响等因素决定的。当反响温度在600640873913K之间时，均可获得较高的甲醛收率；当温度超过640913K时，甲醛收率明显下降。2反响压力高温下平衡常数较大，压力对化学平衡根本上无影响。生产中采用常压操作，反响压力为0.02MPa左右能克服流程阻力即可。为防止甲醛蒸气泄漏，也可采用稍负压操作。3反响时间反响时间增长，有利于甲醇转化率提高，但深度氧化分解、完全降解氧化副反响随之增多，因此采用快速反响，接触时间约为0.1s左右。4反响混合气组成因为空气量增多，那么氧化反响的比例增大，反响放热增多，所以确定反响混合气组成时，首先考虑氧化、脱氢反响的比例，以使反响区热量根本平衡。其次，考虑水蒸气存在对反响有利。水蒸气可以移除局部反响热，防止催化剂过热；有利于消除催化剂外表积碳；有利于抑制深度氧化反响，提高甲醛产率。工业生产中水蒸气与甲醇的摩尔比约为1.6：1。还要考虑生产平安，采用甲醇与空气混合后，甲醇浓度高于爆炸极限上限，甲醇过量35%左右，即甲醇与氧的摩尔比是1：0.37左右。 尾气循环银法尾气循环银法甲醛生产工艺是目前银法生产甲醛装置中最为先进的一种。它的设备结构，催化剂，制取，工艺路线和控制系统上都比传统工艺有明显的优势，也是银法制取高浓度甲醛的惟一途径。甲醛通过泵打人蒸发器，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局部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响器。设定各项气体的比例来控制反响温度，原料气经氧化脱氢反响生成甲醛气体。最后经吸收塔吸收，通过塔顶加水来控制成品浓度，产品由1#塔采出。1.2.1.2甲醇过量氧化法生产甲醛甲醇过量氧化法即银催化氧化法，其采用银丝网或铺成薄层的银粒为催化剂，控制甲醇过量，反响温度约为600-720。银法工艺路线以德国BASF公司为代表。我国甲醛工业始于2O世纪5O年代，当时引进苏联技术，以浮石银为催化剂制各工业甲醛。随着人们对催化剂性能要求的不断提高，1977年我国复旦大学化学系与上海溶剂厂共同开发研制了新一代甲醛催化剂电解银，其制各工艺一直沿用至今。银催化氧化法制各甲醛工艺过程中，在甲醇的爆炸上限操作，混合气中甲浓度较高，设备负荷大，对工艺流程要求低，因而建厂投资较低 。产品中甲酸含量少，尾气中含氢，可以燃烧，但是甲醇的转化率低，单耗高，甲醛中含有相当一局部甲醇，对降低本钱、改善环境不利，且主要用于生产低浓度甲醛(37左右)，有一定局限性。由于银法在873K高温下操作，电解银容易在反响条件下晶粒长大，加上银催化剂对原料中毒物如【Fe(Co)sS】极为敏感，因而催化剂寿命较短目前国内最多达3个月，少那么只有1个月，致使催化剂频繁更换，不能长期稳定操作1.2.2  铁钼法生产甲醛我国采用铁钼法生产甲醛,虽在60年代已经开始使用,但技术进展缓慢,由于催化剂性能和工艺控制问题,生产水平较低,直到90年代引进国外成套设备技术后,才改变了我国“铁钼法甲醛生产水平不如“银法的状况。 铁钼氧化物催化剂属甲醇单纯氧化制甲醛工艺,在空气过量的情况下进行,以体积计为94%左右,甲醛几乎全部被氧化,其触媒是一种铁和钼氧化物的混合物,以片状、球型或者颗粒形式装入管式氧化器列管中,开车时由管间的导热油循环加热到260,氧化反响发生后由导热油拆热;装置运行相当稳定,性能重现性非常好,抗氧化性优良,能在较低的温度下(300380)进行反响,从而减少副反响的产生,具有较高的选择性,可不通过精馏直接获得低醇的55%左右的高浓度甲醛,由于催化剂装填在列管内,能够很好地把握床层的均匀度,不会出现裂缝、翻身等现象,固催化剂的寿命长达一年以上。 其中铁钼法的工艺条件如下：1反响温度铁-钼催化剂导热性能差，不耐高温，必须严格控制反响温度。工艺上要求操作温度比催化剂允许的最大使用温度即制备时焙烧温度低2040，即在380以下操作。温度超过480时，催化剂活性被破坏。温度较低时，甲醇的转化率较低，甲醛的收率也不高，随着温度的增加，二者均提高。在300360之间，甲醛单程收率可达90%左右，但温度太高，CO收率上升，而甲醛单程收率下降，所以选择反响温度在350左右。2原料配比在一定浓度范围内3%8%，甲醇在空气混合气中的配比对甲醛和CO收率无显著影响，但甲醇操作浓度太低，生产能力受限制。工业上通常采用在甲醇和空气混合物爆炸区下限浓度的最高值下进行平安生产，即原料中甲醇的操作浓度一般应在6%体积左右。氧化反响具有高空速、放热大的特点，假设采用流化床反响器，可提高甲醇操作浓度，使生产能力大幅度增加。3接触时间接触时间对产物分布的影响：接触时间太短，那么转化率太低；随着接触时间的延长，甲醇转化率提高，甲醛收率也提高，但是副产物CO和甲酸的收率也提高，所以操作中选择不能太长的接触时间。即在铁-钼催化剂上用过量空气氧化甲醇，适宜于在高空速条件下进行，常用的接触时间为0.20.5s。1.2.2.1 空气过量氧化法空气过量氧化法即铁钼催化氧化法，其化学反响工艺过程是甲醇缺乏而空气过量的条件下进行反响的。其采用Fe203、MoO3作催化剂，还常参加铬和钴的氧化物作助催化剂，经净化、预热，在320380温度下反响生成甲醛1.2.3其他方法1.2.3.1甲缩醛氧化法日本旭化成公司于上世纪开发成功了甲缩醛氧化法制各高浓度甲醛"。该法首先将甲醛和甲醇在阳离子交换树脂的催化作用下合成甲缩醛，然后将甲缩醛在铁-铝氧化催化剂的作用下，用空气氧化成甲醛，具体反响如下：2CH3OH + HCHO = CH3OCH2OCH3CH3OCH2OCH3 + 02 3HCHO + H20由反响方程式可以看出，甲缩醛氧化法中水与甲醛的摩尔比为l：3。因此由甲缩醛氧化法可得到浓度为700的甲醛水溶液，经进一步别离提纯后可获得高浓度甲醛。然而甲缩醛氧化反响是一个包含了多个并行、连串反响的复杂过程，工艺技术复杂，生产难度较大。1.2.3.2甲醛低转换循环工艺法甲醇从甲醇计量槽由甲醇泵打人由调节阀控制流量后进人甲醇蒸发器底部，同时从蒸发器底部送入从鼓风机来的一定量的空气，用甲醛循环液和蒸汽间接加热蒸发器内甲醇一空气的二元混合气从甲醇蒸发器顶经除沫器除雾滴后，再参加一定量的饱和水蒸汽，配成具有一定浓度配比的甲醇-空气=水蒸汽的三元混合气体后送人过热器，用蒸汽加热至1 IO。C左右经阻火过滤器进一步过滤后送入装入装有催化剂的氧化器中，自上而下通过触煤层在600。C高温下发生甲醇氧化和脱氢反响，生成甲醛气体，为防止反响物的热分解，生成的气体应迅速通过氧化器的急冷段进行聚冷，然后送人吸收塔进行吸收操作，甲醛成品一级塔采出，送入脱醇器进行醛、醇别离，醇留在系统内，经处理后打人蒸发器，醛作为成品进入甲醛计量罐，吸收用工艺水由二级塔参加，二级吸收塔的稀醛液用泵打出后局部塔内自循环吸收，局部送入一级塔作为吸收塔补充液，二级吸收塔顶未被吸收的尾气送入处理器中燃烧，放出的热量间接产生蒸汽，蒸汽供给系统外使用1.2.3.3 2005年的最新技术-CAP技术2005年的最新技术-CAP技术一瑞典Perstorp Formox甲醛工艺进展，瑞典Persterp Formox甲醛工艺技术的优点之一，是生产高浓度甲醛溶液，浓度稳定，组分固定CAP 是催化剂活性分布技术的简称，英文为Catalyst Activity Partition，CAP 技术是对催化剂混层技术的开发，它将不同活性的催化剂结合在一起，以适应活性分布、控制热量释放，最后到达提高装置产量的目的。12 CAP 技术的优点1)在整个催化剂寿命期间，能使甲醛装置在反响器进口甲醇浓度为10的情况下运行。2)甲醛装置开车后在很短的时间内(一周之内 反响器进口甲醇浓度即到达10。甲醛收率保持不变，甚至可以略有改善。副产蒸汽产量增加。甲醛生产的电耗降低6)催化剂的寿命略有影响，但由于CAP 技术增加了许多优势从而大大抵消了其寿命的缺乏。本技术工艺先进，技术成熟；装置简单，操作容易，运转稳定。此工艺特别对中小规模同时需氢和一氧化碳的用户。对于裂解为强吸热反响，裂解气的热值高于甲醇，在城市燃气系统的供给和车载甲醇燃料上，在将会有较好的市场前景。1.3国内外生产概况我国的甲醛工业始于1956年，已有5O多年的历史，随着中国经济的不断开展，我国甲醛工业不断壮大。1956年，上海溶剂厂引进了前苏联专家设计的第一套3000t年的甲醛生产装置。1958年后，吉林化肥厂、北京化工三厂、天津有机合成厂相继建成了甲醛生产装置，上海溶剂厂也建成了万吨级的甲醛生产装置。20世纪6O年代，由于合成纤维(维尼纶)与木材加工业的开展，甲醛需求量增加，陆续投产一批甲醛生产装置，如北京维尼纶厂、苏州助剂厂、青岛合成纤维厂、济南有机化工厂相继建成万吨级的甲醛生产设备。生产工艺由负压改为正压操作，由稀甲醇蒸发改为浓甲醇蒸发，原料气采用水蒸气配料。1966年开始，由于研究开发聚甲醛树脂和烯醛法合成橡胶新工艺对浓甲醛的需要，吉林石井沟联合化工厂、天津第二石油化工厂、河南安阳塑料厂等先后兴建了采用铁钼催化剂的甲醛生产装置。但是由于工艺技术落后，投资比拟高，催化剂价格昂贵且不能循环利用，开展缓慢。1977年，上海复旦大学与上海溶剂厂共同开发使用了解银催化剂。该催化剂活性商、选择性好、甲醇单耗低、制作方便、无污染，所以该工艺在我国甲醛生产装置上得到普遍推广应用。我国的甲醛工业生产技术也随之开始日趋成熟，并有所开展与独创。2O世纪9O年代至今是我国甲醛工业快速增长的阶段。在这一时期，我国甲醛工业在规模、技术上都取得了重大突破，跨入了世界甲醛工业大国行列【2】。2004年，中国已经超过美国成为全球最大的甲醛生产和消费国。2007年我国甲醛的总生产能力已达1340万t，约占世界总产能的37。且每年以49的速度增长。我国甲醛的生产厂家主要集中在河北、山东、江苏、广东等地区，其合计生产能力占全国总产能的567。经过多年调整和建设目前我国甲醛产业结构已发生明显变化，据不完全统计，我国目前甲醛生产企业有400多家，产能超过5万妇的生产企业有7O多家，占全国总产能的52。近年来我国甲醛消费增长20 以上。我国甲醛工业开展至今，在生产规模、产量、质量、技术等方面已有了很大的进步，在不少方面也已到达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开展。由于人们环保意识的不断提高，对装饰材料的甲醛含量指标要求越来越高，必定会对我国甲醛的消费带来一定影响，但从总体看，我国工业甲醛的生产与消费需求将继续呈现增长态势，开展前景仍然看好。1.4市场需求及开展前景近年来，世界甲醛生产能力稳步增长，2004年总生产能力为3855.0万t/a(以37%纯度产品计，下同)，2006年增加到4084.1万t/a。世界甲醛的生产概况如下:(1)现有装置85%以上采用银法生产工艺，该工艺不断得到改良和开展，使得生产本钱更加低廉，所得产品质量更好。另外，铁钼法工艺成为新建装置开展的主流工艺。(2)生产装置分布世界各地，但大型装置主要集中在亚洲、北美和西欧3个地区，生产能力合计约占世界总生产能力的83.5%；北美地区的生产能力为650.9万t/a，约占世界甲醛总生产能力的15.94%；西欧地区的生产能力为871.2万t/a，约占总生产能力的21.33%；亚洲地区的生产能力为1889.9万t/a，约占总生产能力的46.27%。(3)跨国经营成为世界甲醛生产的一大亮点。世界前10家大型甲醛生产装置，除了在本国建有大型装置外，均在国外建有独资或合资企业。Hexion特种化学品公司是目前世界上最大的甲醛生产厂家，生产能力为334.4万t/a，约占世界甲醛总生产能力的8.18%，生产厂家分布在美国、加拿大、意大利、西班牙、荷兰、英国、马来西亚和新西兰等国家和地区；其次是Dynea公司，生产能力为199.9万t/a，约占世界总生产能力的4.89%，在美国、加拿大、比利时、新西兰、新加坡、荷兰、芬兰、泰国、马来西亚、奥地利、澳大利亚、越南等建有生产装置；再次是BASF公司，生产能力为158.6万t/a，约占世界总生产能力的3.86%，在德国、比利时、日本和土耳其建有生产装置。2006年，世界甲醛的总消费量为2914.2万t，产量为2917.0万t，我国进口量为30.0万t，出口量为32.8万t。目前，世界甲醛的消费主要集中在亚洲、北美和西欧；亚洲地区的年消费量为1187.1万t，约占世界甲醛总消费量的40.73%：北美地区的年消费量为531.0万t，约占总消费量的18.22%；西欧地区的年消费量为773.1万t，约占总消费量的26.53%。甲醛主要消费领域为脲醛树脂、酚醛树脂、聚缩醛树脂以及蜜胺甲醛树脂等，约占总消费量的71.13%。预计20062021年，世界甲醛的需求量将以年均约3.34%的速度增长，到2021年年总需求量将到达约3434.2万t。其中，传统树脂消费领域所占的比例将有所下降，而非树脂有机化工产品方面的消费比例将有所增加；增长最快的是BDO，年均增长率将到达约8.29%；其次是MDI，年均增长率将到达约4.77%。中南美地区、我国大陆和韩国将成为世界甲醛消费的主要地区和国家。2006年，我国甲醛的总生产能力为1300.0万ta，约占世界总生产能力的31.8%，建涛化工公司是最大的甲醛生产厂家，生产能力到达63.0万ta，约占国内总生产能力的4.8%，其次是广东龙太工业公司，生产能力为18.0万ta，约占国内总生产能力的1.4%。2006年，我国甲醛的总消费量约为800.0万t，产量约为800.2万t，进口量为0.2万t，出口量为0.4万t，主要消费领域是脲醛树脂、蜜胺甲醛树脂、酚醛树脂、季戊四醇以及乌洛托品等。预计2006-2021年，我国甲醛的需求量将以年均约5.6%的速度增长，到2021年年总消费量将到达约1050.0万t，各消费领域中，对甲醛需求增长最快的是1，4-丁二醇，年均增长率将到达约20.1%，其次是多聚甲醛，年均增长率为14.9%。1)目前，全球甲醛的生产能力已经到达4084.1万ta，而2021年的消费量预测值只有约3434.2万t，产能过剩，因此未来几年世界甲醛生产只要保持约84.0%的开工率即可保持供需平衡，我国假设新建生产装置应该慎重。2)目前，全球甲醛主要消费领域为脲醛树脂、酚醛树脂、聚缩醛树脂和蜜胺-甲醛树脂等，有机化工产品等方面的消费量相对较少。今后几年，BDO以及MDI等产品对甲醛的需求量将会以较快的速度增长，开展前景比拟乐观。3)虽然世界各个国家和地区均建有甲醛生产装置，但大多数生产装置的生产规模都较小。尤其是亚洲地区，生产装置很多，但装置的生产能力普遍比北美和西欧地区低，导致竞争能力相对较弱。我国应该通过整合、兼并等方法关闭装置规模小，效益低下的装置，实现规模经营，以增强抗御市场风险的能力。4)我国是世界最主要的甲醛生产和消费国家之一，房地产和木材加工行业是我国甲醛最主要的消费领域，它们的开展速度将直接影响到我国甲醛消费增长的速度。另外，由于人们对环保要求越来越好，以及国家相继公布多项关于室内装修以及建筑材料的行政法规，对装饰材料的甲醛含量指标进行了严格的规定，也将会在一定程度上影响甲醛的消费量，但从总体来说，今后几年我国甲醛的消费量仍将不断增加，开展前景仍然看好。2. 原料、辅助原料、产品的主要技术规格2.1银法和铁钼法生产甲醛的技术经济指标表1银法和铁钼法生产甲醛的技术经济指标对工程银法铁钼法投资比1.001.151.30甲醇单耗，kg/t4454704.204.37能耗节余，美元/t6.211.9生产本钱比1.01.0反响温度>37<7甲醇质量分数600700280350催化剂寿命，月361218甲醛质量分数/%37405560产品醇含量/%480.51.5产品酸含量/%100200200300收率/%86909598组分电解银或载体银Fe-Mo对毒物敏感大小失活原因烧结或中毒Mo升华综上可知，我组选择铁钼催化法生产甲醛。2.2 原料规格表1 原辅料规格及消耗配比5原辅料规格配比摩尔比原料甲醇99%3.6 原料空气100%1催化剂和98.5%23之间2.3 产品质量标准表2铁钼法生产甲醛的产品组成6外观无色透明液体，无机械杂质，无游离水甲醛含量甲醇含量 酸含量/37550.051.52003003. 工艺介绍本设计所采用的生产工艺流程如下：本设计所采用的生产工艺流程如下：将含量约为8.4的甲醇在甲醇预热器中预热到沸点，然后再通过蒸发器在其沸点下将甲醇从液态变为气态，然后和经空气预热气预热的空气混合，其中空气中所含氧气的含量约为10，再经过一个预热器将混合气体升温到，进入反响器进行反响,最终获得纯度为37%的产品甲醛。其方框流程图如下所示： 甲醇25L水50L水100L水100g甲醇64.7L甲醇预热器甲醇蒸发器空气预热器换热器反响器甲醇64.7g水320g 4. 换热器设计方案确实定列管式换热器是目前化工生产应用最广泛的传热设备，结构简单、制造的材料范围较广、操作弹性也较大等。因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。根据热补偿方法的不同，列管式换热器有以下几种形式：固定管板式换热器，浮头式换热器，U型管式换热器。在关于生产中，对于一个具体的工艺过程，选用何种类型为宜，尚需根据各类型各自的特点和工艺本身的条件而定，因此，本设计中用水循环来与反响得到的混合液体在浮头式换热器中进行换热。在以下的计算过程中，以每小时为单位。本设计中物料经过脱氢反响后，得到25的混合液体，要使混合液体的出口温度为64.7，所以选用100的水及循环水进行换热，且要使水的出口温度为50。根据两种流体的性质，规定甲醇走管程，水走壳程。表3 进入换热器的物料组成物料名称成分质量分数/%产品甲醇水9825.换热器的工艺计算 5.1 确定物性数据定型温度：对于一般气体和水等的粘度流体，其定性温度可取流体进出口温度的平均值，故管程混合气的定性温度为：壳程乙苯的定性温度为：根据定性温度，分别取管程和壳程流体的有关物性数据。对混合气体来说，最可靠的物性数据是实测值。假设不具备条件，那么应分别查取混合物各组分的有关物性数据，然后按相应的加和方法求出混合气体的物性数据。甲醇在44.85的有关物性数据： 水在75下的有关物性数据： 5.2 计算冷却剂用量在热损失不计的情况下，对于无相变的工艺物流，冷凝器的热流量由下式确定：那么冷却剂用量为：5.3 计算传热面积热流体：10050冷流体：64.725 可取 6. 工艺尺寸计算6.1 管径 选用较高级的冷拔穿热管碳钢。6.2 管子数 取L=6m,根据式子6.3 传热管排列 采用正三角形排列：取管心距 那么： 6.4 壳体内径 采用单管程结构，壳体内径可按下式计算： 对正三角形排列b值可按下式计算：所以： 按卷制壳体的进级档，可取6.5 折流板 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的 25%，那么切去的圆缺的高度为：取折流板间距为：，那么，可用折流板数：NB=(传热管长/折流板间距)-1=6000/31-1197块6.6 其他附件拉杆数量与直径查相关的表选取，本换热器壳体内径为400mm，由工程力学计算得知拉杆直径为 拉杆数量不得少于 10 个。6.7 接管壳程流体进出口接管：取管内液体流速为2.5m/s,那么接管内径为：7.换热器核算7.1 热流量核算壳体外表给热系数 用克恩法计算，见下式：当量直径： 壳程流通截面积：壳程流体流速及其雷诺数分别为： 普朗特常数: 粘度校正： 所以： 管内外表给热系数本设计中流体被冷却，故n=0.4管程流体流通截面积管程流体流速： 污垢热阻和管壁热阻查表可取：管外侧污垢热阻：；管内侧污垢热阻：0.0006；管壁热阻按下式计算，查表可知碳钢在该条件下的热导率为50w/(m·K)所以：传热系数Kc由下式： 传热面积裕度 由下式可得所计算的传热面积AT为该换热器的实际传热面积为： 该换热器的面积裕度为： 为保证该换热器的可靠性，一般应使换热器的面积裕度大于15%20%。7.2 壁温核算因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁温度可按下式计算：由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作初期，污垢热阻较小，壳体和传热管壁温差可能较大。计算中应按最不利的操作条件考虑，因此，取两侧的污垢热阻为零计算传热管壁温，于是有 式中液体的平均温度和气体的平均温度分别按下式计算： 传热管平均壁温：壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均壁温，即T=44.85壳体壁温与传热壁温之差为：该温差较大，故需设温度补偿设置。由于换热器管程流体压力较高，因此，需选用浮头式换热器较为适宜。7.3 换热器内流体的流动阻力管程流动阻力 依式可得： 取Ns=1 , Np=1即管程流体的流动阻力等于流体流经传热管直管阻力和换热管局部阻力之和。由，传热管相对粗糙度：，查莫狄图得：而流速，所以故壳程阻力 1.5 1流体流经管束的阻力 故式中：当传热管为正三角形排列时NTC=1.1NT0.5;F管子排列形式对阻力的影响，正三角形排列时F=0.5；fo壳程流体摩擦因子 ；流体流经折流缺口的阻力：B=0.0303m,D=0.101m换热器主要结构尺寸和设计计算结果表4 换热器的主要结构尺寸参数尺寸形式浮头式传热面积/m29壳体内径/mm101管径/mm管长/mm6000管数/根20管程数1壳程数1管心距/mm32管子排列 折流挡板数/个197材质碳钢表5 换热器的主要计算结果主要计算结果管程壳程流速/m/s2.50.56外表传热系数/W/(m2.K)41783984污垢热阻/(m2.K/W)0.00150.00017阻力/kPa热流量/kW3111079.83传热温差/K12.95传热系数/W/(m2.K)654.5裕度/%56结束语本文主要介绍了铁钼法生产甲醛设计中甲醇的换热器的工艺设计和选型，这是一个相当成熟的工艺，具有广阔的市场前景及开展趋势。但是在设计的整个过程中仍存在很多缺乏之处，由于时间仓促，手头查到的资料欠缺再加上经验贫乏。计算时有的数据取的是经验值和估计值，因而计算出的结果和实际有些偏差，仍需要进一步改良。参考文献1 戴自庚. 甲醛生产M. 成都: 电子科技大学出版社, 1993, 185193.2 何汉文，陈熙东编.精细有机化学品生产工艺手册M.北京.化学工业出版社.2003，2：559-560.3 姚守信主编，甲醛的市场前景与对策M.北京: 石油化学工业出版社, 2005, 34-42.4 姚玉英化工原理新版M. 天津:天津大学出版社,1999.200-286.5 匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计M.北京.化学工业出版社.2001，10：51-185.6 廖巧丽.米镇涛.化学工艺学.化学工业出版社，2001，08：306；7 吴志泉.涂晋林.工业化学第二版.华东理工大学出版社，2003，12：268；7 刘光启.马连湘.化学化工物性数据M.化学工业出版社，2002