年产25万吨甲醛生产工艺设计设计(共36页).doc
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2、学院本 科 毕 业 设 计（ 2015 届）题 目 年产2.5万吨甲醛生产工艺设计 系 别 化学工程系 专 业 煤化工 年 级 11沤芥井匀宋且夹滑宛弃粪僚辉瓢佣诵擅穷落锥幕戈鸡乞孤悔淖择寅马擎盘烯欲酝盛揖刘螺车纵昭诈哀洛招罕书丸状坟砧撕尾叠蓝曳婿希拟踌贸陌梧蔬垛沈逼筒燕筋仗间散炬走菇疵崇挂抹奈雁恰啡囤格竞樱异喷槛颂铝袜箭战陡妓邵帝轩坡哪振莽由族呜夏苟貉床术爽稚扛树彰娇吱吏贩逞计勉使决窘雅速隧应受围哑雇腊心津朝羌晒檄隅欺披陕抠艾铺透屁卤汛除蛀辉捌钝挥危拇一薛蔚敬架览驼腺贿首手狮浸聊眩虽土副疥馏辱兽掂授嗅憨绝苹辱剃晓净蔗饶桔盒归瞩寓者巾漂乌届嚣浦策弛磕趟郴怀犁邑洲矩啸蔓恋目诫桥测林嗣挠嘉扦怕廷舞
3、旬泣微腑繁遗椿挑典技载讹豢虑哩孟亲帐雪涨居房年产25万吨甲醛生产工艺设计设计树窘捷涪颂迅租巳齐泰棠杏焦拨霄阅李堵织酬宜汐外漏垦抑雪燃达拽钳闺盘寻瓶屡跳垢轻宪悬矢甭啪蛤宫贰枫浮呛壹魔餐阴夷躺绷黑摸筒砸帚沉搞脱敝匆涎仑纷妮骂淀仇巫付浩究巾奏寒读蒋夹奇鄂习撕箔坪好织柬间端奋任悸毛摸米虎辆联台捍恒卖贰庇屹将蒲唤丫消烧相躇听砍专伏况叭锻铲吊拱脉艾浩患柒针懈沪掇歉灾蹬蝗稻逾荔柳骂指召硝类侄洒发舷箕刽屋杨糊狂沪倔咸出烃拢锻捆卸呆憎鞘俗部阔届恼亏溢典泽辖诺图归雹已彰螟烦黎觅兽呢诚乏称证祷酝验耻晨政娶柳迄集坎审水告屈仗砌钩颁据蜀目桃支焙茂踌竖桑镶坡铂劳龄细责青靡丝栋懂司麻跨夯掐辙晨吓愿彻混据乔棘痪于中国矿业大学
4、银川学院本 科 毕 业 设 计（ 2015 届）题 目 年产2.5万吨甲醛生产工艺设计 系 别 化学工程系 专 业 煤化工 年 级 11级2班 学生姓名 魏杰 指导教师 张霞 年 月 日摘要 本设计为年产2.5万吨37%甲醛水溶液的生产工艺设计，本设计采用银催化法工艺，根据设计要求对工艺流程进行了选择与论证，对整个装置进行了物料与能量的衡算，对主要设备和管道进行了设计及选型，同时对本装置安全生产与“三废”治理作了相关讨论。关键词: 甲醛: 甲醇: 氧化: 工艺: 电解银:前言甲醛是重要的有机化工基础原料，是甲醇最重要的衍生物产品之一，甲醛的用途十分广泛，主要用于生产脲醛、酚醛、聚甲醛和三聚氰胺
5、等，也用于生产医药产品、农药和染料以及消毒剂、杀菌剂、防腐剂等。目前甲酴的生产均采用甲醇为原料，银催化剂，经空气氧化得到，其浓度为37%左右，其余为水，含甲醛40%、甲醛80%的水溶液叫做福尔马林，是常用的杀菌剂和防腐剂。甲醛是脂肪族中的最简单的醛，化学性质十分活泼。甲醛最早由俄国化学家A.M.Butlerov于1895年通过亚甲基二乙酯水解制得。1868年，A.M.Hoffmann使用铂催化剂，用空气氧化甲醇合成了甲醛，并且确定了它的化学特性。1886年Loews使用铜催化剂和1910年Blank使用银催化剂使甲醛实现了工业化生产。1910年，由于酚醛树脂的开发成功，使甲醛工业得到了迅猛的发
6、展。随着甲醛工业生产的不断扩大和甲醛产品的深入研究，其生产工艺的日渐完善，对甲醛生产设备的要求也在不断提高。工业甲醛生产典型的有机合成工艺，在我国已有近五十年的历史。我国的甲醛生产技术无论在装置技术、催化剂的改进、还是余热利用方面都已有了长足的进步，其主要技术经济指标已过到国际上同类生产工艺先进水平。从我国甲醛的生产现状看，结合毕业实习的相关内容，此设计采用的是银催化剂氧化生产甲醛的生产工艺流程。在整个设计过程中，按照设计任务书的要求，对年产2.5万吨甲醛装置进行了完整的物料衡算与热量衡算，对工艺过程中的主要设备进行了较为详细的工艺计算。由于本人能力有限，加上时间较为仓促，在整个设计中难免有错
7、误和不足之处，敬请各位老师批评指正。目录第一章 甲醛生产简介1.1 甲醛的性质和用途1.1.1 产品说明产品名称：甲醛 化学分子式：HCHO 分子量：30.031.1.2 产品性质：a 物理性质：甲醛又称蚁醛，是无色有强烈刺激性气味的气体，对空气的比重为1.06，略重于空气，易溶于水、醇和醚，甲醛在常温下是气态，通常以水溶液形式出现。其30%40%的水溶液为福尔马林液，此溶液沸点为19。故在室温时极易挥发，随着温度的上升挥发速度加快。甲醛易聚合成多聚甲醛，其受热易发生解聚作用，并在室温下可缓慢释放甲醛。表1-2 甲醛的物理性质 计量单位:见表项目数值密度(g/cm3)-800.9151-200
8、.8153沸点(101.3kPa)/-19熔点-118汽化热(19)/(kj/mol)23生成热(25)/(kj/mol)-116标准自由能(25)/(kj/mol)-109.7比热容J/(mol.k)35.2熵J/(mol.k)218.6燃烧热(kj/mol)561569临界温度137.2141.2临界压力Mpa6.816.66空气中爆炸极限%7.073着火点430b 化学性质甲醛分子中含有醛基，具有典型的醛类的化学性质，同时又含有羰基碳原子键合的较为活泼的-H，使甲醛的化学性质十分活泼，能参加与多种化学反应。在此只介绍几种重要的化学反应。（1） 加成反应 1） 在有机溶剂中，甲醛与烯烃在酸
9、催化下发生加成反应，通过这种反应，可由单制备双烯烃，并增加一个碳原子，例如甲醛与异丁烯反应得到异戊二烯。2） 在乙炔酮、乙炔银和乙炔汞催化剂存在下，单取代乙炔化合物与甲醛加成生成炔属醇（Reppe反应）。对乙炔来说，加上2mol甲醛，生成2-丁炔-1，4-二醇，2-丁炔-1，4-二醇进一步加氢生成重要的化学1，4-丁二醇。3） 在碱性溶液中，甲醛和氰化氢反应生成氰基甲醇。（2） 缩合反应甲醛除自身外，能与多种醛、醇、酚、胺等化合物发生缩合反应。缩合反应是甲醛最重要的化学反应。1） 甲醛能发生自缩合反应，生成三聚甲醛或多聚甲醛。60%浓甲醛溶液在室温下长期放置就能自动聚合成三分子的环状聚合物。2
10、） 在NaOH溶液中，甲醛自身缩合生成羟基乙醛。HOCH3CHO它能进一步快速与甲醛缩合生成碳水化合物，俗称Formose反应。3） 在碱性催化剂作用下，甲醛和酚首先发生加成反应。生成多羟基苯酚，生成多羟基苯酚受热后，可进一步缩合脱水，生成酚醛树脂。4） 甲醛很容易和氨及胺发生缩合反应，生成链状或环状化合物。甲醛和氨在2030条件下缩合生成六亚甲基四胺，俗称乌洛托品。（3） 分解反应纯的、干燥的甲醛气体能在80100的条件下稳定存在，在300以下时，中醛发生缓慢分解为CO和H2，400时分解速度加快，达到每分钟0.44%的分解速度。（4） 氧化还原反应甲醛极易氧化成甲酸、进而氧化为CO2和H2
11、O1.2 产品用途甲醛属于用途广泛、生产工艺简单、原料供应充足的大众化工产品，是甲醇下游产品中的主干，世界年产量在2500万吨左右，30%左右的甲醇都用来生产甲醛。近年来，随着甲醇工业的不断发展，开发甲醇产品、将甲醇转化为其它有机化工产品已经引起研究人员的浓厚兴趣，而甲醛是甲醇转化的主要产物之一。但甲醛是一种浓度较低的水溶液，从经济角度考虑不便于长距离运输，所以一般都在主消费市场附近设厂，进出口贸易也极少。甲醛除可直接用作消毒、杀菌、防腐剂外，主要用于有机合成、合成材料、涂料、橡胶、农药等行业，其衍生产品主要有多聚甲醛、聚甲醛、酚醛树酯、脲醛树酯、氨基树酯及乌洛托产品。1.3 甲醛的生产工艺简
12、介1.3.1 目前，国内外由甲甲醇生产甲醛主要有以下几种方法：甲缩醛氧化法甲缩醛氧化法制取高浓度甲醛由三步进程完成：甲缩醛的合成、甲缩醛氧化和过浓度甲醛吸收与处理。甲缩醛氧化法是制备高浓度甲醛溶液的另一种方法。日本旭化成公司于20世纪80年代开发成功的这一生产方法，是将甲醛和甲醇在阳离子交换树脂的催化作用下，采用反应精馏的方法先合成甲缩醛，然后将甲缩醛在铁钼氧化催化剂的作用下，用空气氧化生产甲醛。二甲醚氧化法将二甲醚气体与空气混合，预热后通过多管式固定床反应器，管内装有金属氧化物催化剂，管外用液体导热法移走反应热量。反应器结构与铁钼法相同。反应压力为常压，温度450-500，空速为1000-4
13、000m/h，催化剂为金属氧化钨，也有氧化铋-氧化钼催化剂的专利发表。反应气体速冷后进入二段吸收系统，用离子交换法脱去甲酸，制得37-44%（wt%）的甲醛水溶液。低碳烷烃直接氧化法用低碳烃，例如天然气或瓦斯气体中甲烷及丙烷，丁烷等在No催化剂作用下，直接用空气氧化而得到甲醛。其反应式如下：CH4O2=HCHOH2银催化剂法用银铺成薄层的银粒为催化剂，控制甲醇过量，反应温度在600-700之间。银法工艺路线心德国BASF公司为代表。铁钼催化剂法用FeO、MO做催化剂，还经常加入铬和钴的氧化物做助催化剂，甲醇与过量的空气混合，经净化，预热，在320-380温度下反应生成甲醛。铁钼催化剂法工艺路线
14、以瑞典PERSTORP公司为典型。1.4 甲醛主要生产工艺的比较与选择1.4.1 生产工艺比较目前，工业上几乎所有的甲醛生产方法都是用银催化剂法、铁钼催化剂法。银法是以甲醇为原料以一定配比的甲醇和空气、水蒸气经过过热器，过滤器进入氧化器，在催化床层使甲醇脱氢成甲醛。甲醛气体和水蒸气经冷却，冷凝由吸收塔吸收，制成37%的甲醛溶液成品。在银法过程中也能做到适当的浓度。铁钼法用二元气生产，银法用三元气生产，两法所用催化剂不同。铁钼法所进行的反应为完全氧化反应，而银法是氧化脱氢反应。故银法选择是甲醇与空气混合的爆炸上限操作（混合比37%以上，醇过量），为保持脱氢反应进行，反应温度为650左右。反应热量
15、靠加入水蒸气等带走。铁钼法选择的是下限操作（混合比7%以下，氧过量），即与过量的空气中的氧气反应。反应温度控制在430左右，而反应的热量靠惰性气体带走，所以在反应过程中需引入尾气塔，由于吸收系统中加水少，从而能制取高浓度甲醛。但由于采用了尾气循环和足够量的空气，增加了动力的消耗，且由于气体量的加大而使装置能力相对减小了约25%。根据最新统计，美国铁钼法、银法生产装置各占50%，而国内银法占95%以上。1） 用两种方法生产的甲醛作为商品，铁钼法也有它的局限性，因为浓甲醛在常温下容易聚合，高浓甲醛在贮存和运输上很难处理。在制胶工业中客户一般不喜欢用铁钼法制取的低醇含量的甲醛。如作为有些需要脱水的下
16、游产品的原料，则有它的可取之处。2） 铁钼法一次性投资费用大，投资回收期长。与银法相比其投资风险大，而随着科学技术的不断进步，近几年银法甲醛工艺也已有了很大的进步（如单耗、能耗等），单耗已接近铁钼法水平。3） 银法工艺上用的电解银催化剂，其制法简单，成本较低，并可重复使用。铁钼法由供应商提供，价格昂贵且受到一定的制约。4） 用两种工艺路线生产甲醛，银法的运行成本在设备折旧费、能耗、催化剂消耗费用以及副产蒸汽等方面都优于铁钼法；铁钼法在单耗，甲醛浓度上也有它的明显优点。1.4.2 银催化法生产甲醛本次设计采用96.5%的甲醇为原料以浮石银为催化剂，甲醇氧化制甲醛生产工艺。本项目的甲醛生产装置规模
17、为2.5万吨/年(以37%溶液计)，产品主要作为外销并为甲醛的下游产品提供原料。以银为催化剂，甲醇氧化生产甲醛的工艺流程如图1-1所示。 图1-1 甲醇氧化制甲醛的工艺流程1-甲醇高位槽；2-甲醇过滤器；3-蒸发器；4-过热器；5-阻火器；6-空气过滤器；7-鼓风机；8-过滤器；9-氧化器；10-第一吸收塔；11-第二吸收塔；12、13、14、15-冷却器；16-甲醇泵；17、18-循环泵原料甲醇用泵送入高位槽（1），以一定的流量经过滤器（2）进入间接蒸汽加热的蒸发器（3）。同时在蒸发器底部由鼓风机（7）送入经除去灰尘和其它杂质的定量空气。空气鼓泡通过被加热4550的甲醇层时被甲醇蒸气所饱和，
18、每升甲醇蒸气和空气混合物中加入一定量的水蒸气。为了保证混合气在进入反应器后即进行反应，以及避免混合气中存在甲醇凝液，还常将混合气进行过热。过热在过热器（4）中进行，一般过热温度为105120。过热后的混合气经阻火器（5），以阻止氧化器中可能发生燃烧时波及到蒸发系统；再经过滤器（8）滤除含铁杂质，进入氧化反应器（9），在催化剂作用下，于380640发生催化氧化和脱氢反应。氧化反应器由两部分组成，上部是反应部分，在气体入口处连接一锥型的顶盖，使气体分布均匀，然后原料混合气在置于搁板上催化剂层中进行催化反应。为了防止催化剂层过热，在催化剂层中装有冷却蛇管，通入冷水以带出部分反应热。氧化器下部是一紫铜
19、的列管式冷却器，管外通冷水冷却。从反应部分来的反应气体在这里迅速地冷却至100130，以防止甲醛在高温下发生深度氧化等副反应；但也不能冷却到过低的温度，以免甲醛聚合，造成聚合物堵塞管道。由于铁能促进甲醇深度氧化分解，因此反应部分和冷却管采用紫铜或不锈铜。在640银催化作用下，甲醇发生脱氢、氧化反应。出氧化器的反应气体进入第一吸收塔（10），将大部分甲醛吸收；未被吸收的气体再进入第二吸收塔（11）底部，从塔顶加入一定量的冷水进行吸收。由第二吸收塔塔底采出的稀甲醛溶液经循环泵（18）打入第一、第二吸收塔，作为吸收剂的一部分。自第一吸收塔塔底引出的吸收液经冷却器（14）冷却后，由泵（17）抽出，一部
20、分返回塔（11），另一部分送入冷却器（15）冷却后得到产品，即为含10%甲醇的甲醛水溶液。甲醇的存在可防止甲醛聚合。甲醛产率约86%。由第二吸收塔排出的尾气可送燃烧或排空。第二章 物料衡算2.1 主要工艺指标表21 主要工艺指标 计量单位：见表指标名称单位指标流量湿空气Kg/h2642.107 配料蒸汽Kg/h539.344工艺补水Kg/h884.414工艺甲醇Kg/h1531.781甲醛成品液Kg/h1284.722温度蒸发器 22-47过热器 47-120氧化器触媒层 610-640吸收一塔底 42吸收二塔顶 25 成品液 42 尾气 25 蒸汽配料浓度% 氧醇比 0.4 甲醇单耗 t/t
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