年产5万吨甲醛的工艺设计——一吸塔换热器的设计

1 目录 摘 要：.1 ABSTRACT:.1 1. 概述.2 1.1 性状及用途.2 1.2 甲醛的生产工艺.2 1.2.1 尾气循环法.2 1.2.2 甲缩醛氧化法法.3 1.2.3 银催化法.3 1.2.4 其他方法.3 1.3 我国甲醛工业的发展及需求状况.3 1.3.1 甲醛工业的发展.3 1.3.2 我国甲醛需求状况.5 2. 原料、辅助原料及产品的主要技术规格.5 3. 工艺介绍.6 4. 换热器及设计方案简介.7 4.1 换热器.7 4.2 设计方案简介.8 4.3 换热器类型选择.10 4.4 流径的选择.10 4.5 流速的选择.11 4.6 材料的选择.11 4.7 管程结构.11 5. 换热器方案确定及工艺计算.12 5.1 确定物性数据.13 5.2 计算热负荷和冷却用水量.14 5.3 计算流体的平均传热温差.14 5.4 估算传热面积.14 1 5.5 选择冷凝器类型规格.15 5.6 核算压强降.16 5.6.1 管程压强降.16 5.6.2 壳程压强降.17 5.7 核算总传热系数.17 5.7.1 管程对流传热系数.17 5.7.2 壳程对流传热系数.18 5.8 污垢热阻.18 5.9 总传热系数.18 6. 换热器主要结构尺寸和设计计算结果.19 结束语.20 参考文献.21 谢 辞.22 设计体会和总结.23 附图.24 1 年产 5 万吨甲醛的工艺设计一吸塔换热器的设计 摘 要：甲醛是重要的化工产品，本文主要承担换热器的设计，根据物料衡算及热量衡算结 果，确定了换热器的工艺参数、类型及特征尺寸，类型及特征尺寸：公称直径 400mm、公 称面积 32.5m2、管数 94、管长 4.5m；采用管板式换热器，并对换热器进行了流体力学和 热力学的核算.结果表明所设计的换热器符合要求。 关键词：甲醛;工艺设计;换热器 2 Process Design of Formaldehyde of 50,000 Tons Per YearThe Design of the Heat Exchanger Abstract: Formaldehyde is an important chemical products, mainly responsible for the design of the heat exchanger.According to the material balance and heat balance, then determine the process parameters of the heat exchanger, the type and characteristics of size: nominal diameter of 400mm, nominalarea 32.5m2, tube 94, tube length 4.5m; tube plate heat exchangers, and use mechanics and thermodynamics to the heat exchanger showing that the design of the heat exchanger meet the requirements. Key words: formaldehyde; process design; the heat exchanger1 * 交稿日期：2012-05-27. 指导教师：卫粉艳 作者简介：叶帅（1990-） ，男，陕西省榆林人，化学化工学院 2013 届毕业生 3 1 概述 1.1 甲醛性状及用途 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，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。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。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。 1.2 甲醛的生产工艺 甲醛生产工艺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。 1.2.1 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 4 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。 1.2.2 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，反应温度诶 200-400；高浓 度甲醛的吸收与利用。 1.2.3传统银法（银催化法） 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。因催化反应再常压和 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。 银催化法又称甲醇过量工艺，利用两种主要反应：脱氢和部分氧化，将甲 醇转化成甲醛，主要反应如下： (1)CH3OH HCHO+H2 H = +20400kJ/kmol (2)CH3OH+1/202 HCHO+H2O H = - 37400kJ/Kmol 副反应：CH3OH + 3/2O2 CO2 + 2H2O + 673. 90kJ/Kmol CH3OH + O2 CO + 2H2O + 391. 75 kJ/Kmol CH3OH + H2 CH4 + 2H2O + 115. 37kJ/Kmol 1.2.4 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 1.3 我国甲醛工业的发展及需求状况 1.3.1 甲醛工业的发展 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 我国甲醛工业的发展大致可分为三个阶段。 5 (1)起步阶段 20 世纪 50-60 年代，以浮石银作催化剂的银法生产甲醛是我国甲醛工业的 起步阶段。1965 年-1969 年，由于合成纤维和木材加工工业的发展，甲醛需求 量增加，北京维尼纶厂、苏州助剂厂等一批采用浮石银作催化剂的甲醛生产装 置先后投产，到 60 年代末生产厂达到 10 家，总生产能力扩大到 10 万吨/年。 60 年代后期由于开发聚甲醛树脂等对浓甲醛的需要，又自行开发了“铁钼氧化 物”催化剂，吉林石井沟联合化工厂、安阳塑料厂先后采用“铁钼氧化物” 催 化剂生产甲醛，但由于催化剂性能不佳和工艺落后以及安全性差等原因未能长 期生产。 (2) 发展阶段 上世界 70-80 年代的以电解银催化剂为主体的银法生产甲醛是我国甲醛工 业日趋成熟的发展阶段。 20 世纪 70 年代以后，我国甲醛工业无论在产能、生产技术还是在设备、 节能和自动控制等方面都有了较大的改进和提高。随着反应热和尾气的燃烧热 的利用，使甲醛生产装置由原来的“耗汽型”变成为“不耗汽型”或“外供蒸 汽型”装置，至 70 年代末我国甲醛工业的产量接近 40 万吨/年。 20 世纪 80 年代以后，由于木材加工业和甲醛下游产品发展的需要，我国 甲醛工业又有了较大的发展，至 80 年代末生产甲醛厂家达 51 家，总生产能力 超过 80 万吨/年。 (3) 快速增长阶段 20 世纪 90 年代至今的银法生产甲醛和铁钼法生产甲醛同时发展是我国甲 醛工业快速增长阶段。20 世纪 90 年代，特别是 90 年代中后期，由于我国经济 的快速发展，木材加工业、建材业、塑料工业的社会需求量的大幅度增加和小 氮肥厂的转产等因素，我国甲醛工业进入快速增长时期，1990 年-1999 年的 10 年中，总生产能力翻了近 3 倍。在这一阶段国内多家企业从国外引进以铁钼氧 化物作催化剂的铁钼催化法的甲醛生产装置，逐渐使我国铁钼催化法甲醛装置 达到了国际同类装置的先进水平。 进入 21 世纪，我国甲醛工业仍保持持续发展的势头，2002 年总生产能力 已超过 700 万吨。迄今，总生产能力已超过 840 万吨/年（以 37%HCHO 计） 。 6 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 1.3.2 我国甲醛需求状况 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。 2. 原料、辅助原料及产品的主要技术规格 表 1 主原料甲醇的技术要求 项目 优等品 一等品 合格品 色度（銅-钴号） 5 10 密度（） 0.791-0.792 0.791-0.793 20 3 g/cm 温度范围（0-101325Pa） 64.065.5 沸程 50 30 20 水溶性试验 澄 清 - 水分含量 % 0.10 0.15 - 酸度（以 HCOOH 计）% 0.0015 0.0030 0.0050 碱度（以计） % 0.0002 0.0008 0.0015 3 NH 羟基化合物含量（以计）% 0.002 0.005 0.010 2 COH 7 蒸发残渣含量 % 100)下即可达到湍流，以提 高对流传热系数。 若两流体的温度差较大，传热膜系数较大的流体宜走壳程，因为壁温接近 传热膜系数较大的流体温度，以减小管壁和壳壁的温度差。 综合考虑以上标准，确定甲醛应走壳程，水走管程。 13 4.5 流速的选择 由于增加流体在换热器中的流速，将加大对流传热系数，减少污垢在管子 表面上沉积的可能性，即降低了污垢热阻，使总传热系数增大，从而可减小换 热器的传热面积。但是流速增加，又使流体阻力增大，动力消耗就增多。 4.6 材质的选择 列管换热器的材料应根据操作压强、温度及流体的腐蚀性等来选用。在高 温下一般材料的机械