年产5万吨甲醛的工艺设计——甲醇混合气过热器的设计

目录摘 要11. 概述21.1 甲醛的物化性质21.1.1 甲醛的物理性质21.1.2 甲醛的化学性质21.2 甲醛的用途31.3 甲醛工业的发展及需求状况3 1.4 甲醛的生产方法41.4.1 尾气循环法4 1.4.2 传统银法51.4.3 甲缩醛氧化法51.4.4 其他方法51.5 工艺流程简述52. 甲醇混合气过热器的选择6 2.1 过热器在工业中的应用62.2 过热器的种类63. 过热器方案的确定84. 原料、辅助原料95. 过热器的基本计算95.1定性温度及物体性质参数95.2 计算热流体的用量105.2.1 冷流体需要吸收的热量105.2.2 热流体的用量115.3 计算平均传热温差115.4 估算传热面积115.5 过热器的选择及其工艺结构尺寸115.5.1 选择过热器的类型规格115.5.2 其他附件125.6 核算压强降135.6.1 管程压强降135.6.2 壳程压强降145.7 核算总传热系数145.7.1.管程对流传热系数145.7.2 壳程对流传热系数155.8 污垢热阻165.9 总传热系数K0166. 换热器主要结构尺寸和计算结果17结 束 语18谢 辞19参考文献20年产5万吨甲醛的工艺设计甲醇混合气过热器的设计摘 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及用途，主要生产方法、市场前景及发展趋势。本文主要承担过热器的设计。根据物料衡算和热量衡算结果，确定了过热器的工艺参数、类型及特征尺寸。并对过热器进行了流力学和热力学的衡算，结果表明所设计的过热器符合要求。关键词：甲醛；工艺设计；过热器Process design of industrial formaldehyde of 50,000 Tons Per Year-the design of Methanol superheaterAbstract: Formaldehyde is the important product of chemical industry. Its natures, the uses, the main production methods,the market prospect and the trend of development were mainly introduced in this paper. It is responsible for the design of superheater. According to the material and energy balance calculations, technological parameters, types, and characteristic dimension of superheater were determined. At the same time, the flow resistance and energetic of superheater were checked. The result showed that the superheater designed can meet requirements. Key words: Formaldehyde; Process design; Superheater1. 概述1.1 甲醛的物化性质1.1.1 甲醛的物理性质 甲醛：福尔马林;Formalin; Methanal;Formaldehyde性质：气体的相对密度1.067（空气=1）,液体的相对密度0.815(-20),熔点-92,沸点-19.5,易溶于水和乙醇。水溶液的浓度最高可达55，通常是40，称作甲醛水，俗称福尔马林（formalin），是有刺激性气味的无色液体。保藏于冷处时，生成仲甲醛而变浑浊，蒸发时也生成仲甲醛。加入8%-12%甲醇，可防止聚合。有强还原作用，特别是在碱性溶液中。能燃烧,蒸气与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限7%-73%（体积）。着火温度约3001。1.1.2 甲醛的化学性质 甲醛分子结构中存在羰基氧原子和2-氢原子，化学性质活泼，能与许多化合物进行反应。1. 加成反应 有机溶剂中，甲醛能与单烯烃催化加成反应，生成二烯烃或者相应的醇类。在碱性溶液中，甲醛与氰化氢加成反应生成乙腈。在HOCH2CN工业，用该反应制取氨基酸系列产品，俗称Mannich反应。在乙炔铜银催化剂的作用下，甲醛与单炔烃加成反应生成炔属醇。在碱性或中性条件下，甲醛与不饱和胺加成反应生成相对稳定的单甲醇基和二甲醇基的衍生物。在碱性的条件下，醛还可以与含2个氢原子的醛和酮加成反应生成单羟甲基和多羟甲基醛。2. 缩合反应 甲醛自身能缓慢进行缩合反应，生成低级的羟基醛、羟基酮和其他的羟基化合物，在碱性的条件下，能加快反应的进行。甲醛还能与各种化合物进行缩合反应，著称ToUes反应。在碱性的条件下反应生成羟甲基化合物；在酸性条件下或其相进行缩合反应则生成甲烯基化合物衍生物。3. 聚合反应 甲醛的特殊性质为自身容易聚合，但干燥的甲醛气体是十分稳定的，仅在同时出现部分沉淀。甲醛常发生的聚合反应有二聚反应。4. 羰基化反应 在钴或铑催化剂的作用下，110，13-15Mpa条件下，甲醛与合成气进行羰基化反应；在过渡金属催化剂、液体催化剂或者固体催化剂的作用下，甲醛与一氧化碳进行羰化反应；在羰基铑催化剂和卤化物促进作用下，甲醛和合成气能进行反应生成乙醛，进而生成乙醇。5. 氧化反应 在低于300时，无催化剂作用其分解速率相当缓慢。在400，分解速率为每分钟0.44%，工业上看到的甲醛的分解归因于反应器壁效应或催化剂的作用。6. 氧化反应 许多金属以及金属氧化物都能使甲醛还原成甲醇，甲烷或是甲醛深度氧为甲酸，二氧化碳和水。1.2 甲醛的用途 甲醛有着广泛的用途，其中约65的消费量是用于生产甲醛树脂，主要有脲醛树脂(胶粘剂、氨基塑料)、酚醛树脂(胶粘剂、酚醛塑料、杀车片)、蜜胺甲醛树脂(胶粘剂、蜜胺塑料)及其他各种甲醛树脂。其次是用于生产聚甲醛树脂、聚甲醛工程塑料，多聚甲醛，乌洛托品，季戊四醇，新戊二醇，三羟甲基丙烷，三羟甲基乙烷，二羟甲基丙酸，吡啶及其衍生物，炔醛法1，4一丁二醇及其衍生物(PBT、PTMEG、7-丁内酯、N一甲基吡咯烷酮、乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯基吡咯烷酮)，二苯基甲烷异氰酸酯(MDI)、螯合剂(EDTA、NTA等)，聚乙烯醇(维尼纶)，甲缩醛、硝基烷烃衍生物(三羟甲基硝基甲烷、三羟甲基氨基甲烷等)，脲醛预缩液，缓释肥料大颗粒尿素)，纤维处理化学制品，纸张处理化学制品等等，有16个大类近几百个品种。同时甲醛在农药、医药、炸药和染料工业，还可做杀虫剂、消毒剂、溶剂和还原剂，在农业上可做尿素一甲醛型缓效肥料。1.3 甲醛工业的发展及需求状况 甲醛几乎都采用甲醇空气氧化法制得，按所用催化剂的不同类型，可分为铁钼催化剂法和银催化剂法。国外现有甲醛生产装置中约70使用银法工艺，近几年新建甲醛装置大部分采用铁钼法。采用铁钼催化剂工艺的甲醛装置一般生产能力较大，甲醇转化率可达95 99 ，甲醇消耗低，不需要蒸馏装置，可以生产高浓度甲醛，甲醛成品中醇含量低、催化剂使用寿命长、一次性投资大、电耗高。银法工艺简单，投资省、调节能力强、产品中甲酸含量少，但是甲醇转化率低、单耗高、催化剂寿命短、对甲醇纯度要求高，甲醛成品中甲醇含量高，只能生产低浓度甲醛。 我国甲醛工业发展至今，在生产规模、产量、质量、技术等方面已有了很大的进步，在不少方面也已达到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发展。当前我国甲醛生产工艺现状甲醛生产方法主要有银法和铁铝法。铁铝法虽然甲醇单耗低，投资大、能耗高、催化剂费用高，在我国很少采用。我国甲醛工业生产以银法为主，经过40多年的发展，经历了由浮石银催化剂到电解银催化剂的进步，经历了废热锅炉和尾气锅炉从无到有的进步经历了蒸发器由水蒸气加热到由热水或热甲醛加热的进步，从而形成了我国经典的银法甲醛设备及流程，即通常所说的传统银法工艺。我国的甲醛消费量不大，主要用于脲醛树脂，其次用于制造乌烙托品和季戊四醇。许多重要的甲醛衍生产品，如1，4-丁二醇，聚甲醛等的技术还没有达到工业化的要求，只是甲醛的用途受到局限，也限制了甲醛需求量的提高，但我国市场较大，未来的应用前景乐观。1.4 甲醛的生产方法1.4.1 尾气循环法 甲醛通过泵打入蒸发器,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部分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应器。设定各项气体的比例来控制反应温度,原料气经氧化脱氢反应生成甲醛气体。最后经吸收塔吸收,通过塔顶加水来控制成品浓度,产品由塔采出.甲醇通过加热汽化为甲醇气体,控制系统按其氧醇比控制反应温度,使反应在最佳状态下进行。工艺上采用尾气循环法,将部分反应热量由循环气带走。而传统工艺路线是将反应热全部由配料蒸汽带走, 由于采用了尾气循环法, 这样就可能制取37%以上的不同浓度的工业甲醛,以满足不同下游产品的需要。1.4.2 传统银法 传统的银法是在甲醇空气爆炸极限以外操作，即在甲醇过量的条件进行操作。因催化反应在常压和600-700下进行，发生脱氢和氧化两个主反应，50-60%甲醛是由氧化反应得来的1。(1)CH3OH HCHO+H2 H = +20400kJ/kmol(2)CH3OH+1/202 HCHO+H2O H = - 37400kJ/Kmol 甲醛生产工艺分为三个单元进行，首先是将原料甲醇和空气(氧气)混合成符合反应比例的混合气，接着是将甲醇在催化剂的作用下，氧化、脱氢生成甲醛气，然后是将甲醛气用软水吸收并达到质量要求，成为甲醛水溶液产品。1.4.3 甲缩醛氧化法 甲缩醛氧化法制取高浓度的甲醛由三步过程组成：甲缩醛的合成，甲醛与水溶液缩合生成甲缩醛，反应温度60-90，甲醇与甲醛的摩尔比为2：1，使用固体酸催化剂；甲缩醛氧化，空气作氧化剂，反应温度200-400；高浓度甲醛的吸收与利用。1.4.4 其他方法 制取甲醛还可以采用二甲醚氧化法，烷烃氧化法和甲醇脱氢法等。1.5 工艺流程简述甲醇经过滤后进入蒸发器，控制一定的温度与空气混合，配成一定的蒸汽形成三元混合气体，过热至100140，除杂质后进入氧化反应器，反应温度为640；采用性能较好的电解银催化剂，脱氢生成甲醛，反应产物立即骤冷至230，在进一步冷却至8090进入吸收系统。吸收后的产品由塔底排出，未吸收的甲醛及其他气体进入第二吸收塔，进行再次吸收，部分甲醛液回流，尾气进入尾气锅炉作燃料。甲醛产品反应 器 蒸 发过热吸收甲醇空气脱盐水2. 甲醇混合气过热器的选择2.1 过热器在工业中的应用过热器属于换热器的一种。换热器（英语翻译：heat exchanger），是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交