1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）甲醇氧化法制甲醛（300kt/a）生產(chǎn)車間設(shè)計(jì) 學(xué) 生：邱 偉 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師：陳紅梅 專 業(yè)：化學(xué)工程與工藝重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院二O一四年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityDesign of Production Plant for MethanolOxidation to Formaldehyde(300kt/a) Undergraduate: Qiu Wei Supervisor:Chen Hongmei Major: Chemical Engineering

2、 and TechnologyCollege of Chemistry and Chemical EngineeringChongqing UniversityJune 2014專心-專注-專業(yè)摘 要本設(shè)計(jì)為甲醇氧化法制甲醛（300kt/a）生產(chǎn)車間設(shè)計(jì)。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，決定選用鐵鉬催化劑法設(shè)計(jì)工藝路線。通過(guò)Aspen Plus軟件對(duì)生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行模擬，完成了工藝的物料衡算、熱量衡算、熱量集成計(jì)算、反應(yīng)器及吸收塔的設(shè)計(jì)計(jì)算。運(yùn)用AutoCAD繪出工藝物料流程圖、帶控制點(diǎn)的工藝流程圖、車間布置圖、車間管道軸測(cè)圖、反應(yīng)器及吸收塔裝配圖及主要零件圖。本設(shè)計(jì)還通過(guò)分析評(píng)價(jià)其經(jīng)濟(jì)狀況，確定了設(shè)計(jì)

3、項(xiàng)目在經(jīng)濟(jì)上的合理性及可行性。提出了“三廢”處理的方案，以使設(shè)計(jì)項(xiàng)目達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的環(huán)保要求。關(guān)鍵詞：甲醇，鐵鉬法，甲醛，經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，“三廢”處理ABSTRACTThis design works for the methanol oxidation to formaldehyde (300 kt/a) production workshop design. Basing on the analysis of relevant literatures,technology catalytic by iron molybdenum is selected as the technique for p

4、roduction of formaldehyde. Through the simulation of the whole process by Aspen Plus software, the material balance is completed, as well as the heat balance, heat integration , calculation of the reactor and the absorption tower. The process flow diagram, process piping & instrument flow diagra

5、m and workshop layout, pipeline axonometric diagram, reactor and absorption tower assembly diagram and the towers main parts diagram are drew and completed by AutoCAD software.The rationality and feasibility of the design project in economy is determined on the bases of the analysis and evaluation o

6、f the economic matters."Three wastes" treatment scheme was proposed and employed in order to meet the environment standard.Key words: Methanol, Technology catalytic by iron molybdenum, Formaldehyde,Economic evaluation,"Three wastes”treatment目 錄1 設(shè)計(jì)總論1.1 設(shè)計(jì)概述1.1.1 設(shè)計(jì)名稱甲醇氧化法制甲醛（300kt/a）

7、生產(chǎn)車間設(shè)計(jì)1.1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容結(jié)合甲醇氧化法制甲醛技術(shù)發(fā)展實(shí)際，依據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，利用所學(xué)知識(shí)利用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和計(jì)算，甲醛的年產(chǎn)量為300kt。此設(shè)計(jì)主要工作內(nèi)容包括：查閱國(guó)內(nèi)外關(guān)于甲醇氧化法制甲醛的文獻(xiàn)資料，綜合對(duì)比分析各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，確定擬采用的工藝流程方案；收集相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，主要包括：用Aspen plus完成物料衡算、熱量衡算、熱量集成計(jì)算、反應(yīng)器的工藝及機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算、輔助設(shè)備選型計(jì)算；用AutoCAD完成物料流程圖、帶控制點(diǎn)工藝流程圖、車間布置圖、車間管路軸測(cè)圖、反應(yīng)器的裝配圖及主要零件圖。完成車間經(jīng)濟(jì)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)計(jì)算，并進(jìn)行安全和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，提出三廢

8、處理方案；編制設(shè)計(jì)說(shuō)明書，整理形成畢業(yè)論文。1.1.3設(shè)計(jì)要求 工藝流程具有創(chuàng)新性；計(jì)算正確；核心設(shè)備設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理；車間與管路布置合理；經(jīng)濟(jì)、技術(shù)可行；圖紙規(guī)范。1.2 設(shè)計(jì)背景甲醛是一種基本化工原料，一般由甲醇經(jīng)空氣氧化制得。世界各國(guó)用于生產(chǎn)甲醛的甲醇占甲醇產(chǎn)量的 1/3 左右。在甲醇的下游衍生品當(dāng)中，甲醛的消費(fèi)量是最多的，在有機(jī)化學(xué)工業(yè)中需求量巨大。 目前，已開發(fā)出的甲醛下游產(chǎn)品有上百種，其中主要有熱固性樹脂及聚甲醛、季戊四醇、烏洛托品、1，4丁二醇、吡啶、乙二醇、三羥基甲烷等化工產(chǎn)品。自2004年起，我國(guó)甲醛生產(chǎn)與消耗量已超過(guò)美國(guó)，躍居世界第一位。2007年，我國(guó)甲醛生產(chǎn)力為1340萬(wàn)t

9、，占世界生產(chǎn)能力的37%，并且以每年4.9%的速度增長(zhǎng)。然而我國(guó)甲醛生產(chǎn)工藝在世界范圍來(lái)看還是相對(duì)落后，遠(yuǎn)未達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平。新建的企業(yè)大多為中小型企業(yè)，高耗能，低產(chǎn)出，效率低成為制約我國(guó)甲醛行業(yè)發(fā)展的重要因素。怎樣提高我國(guó)甲醛生產(chǎn)的工藝水平，開發(fā)出具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工藝方案，是我們工藝研發(fā)工作者急切需要努力解決的問(wèn)題。1.3 設(shè)計(jì)方案選擇通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn) 王立輝, 劉瑞英等. 甲醛及多聚甲醛的生產(chǎn)技術(shù)J. 河北化工, 2012, 35(12): 25-28.，可知國(guó)際上生產(chǎn)甲醛的工藝主要有2種：甲縮醛法和甲醇直接氧化法。前者主要通過(guò)二甲氧基甲烷氧化制取，后者為甲醇在催化劑下作用下直接氧化

10、制取。其中我國(guó)甲醛生產(chǎn)的工藝絕大多數(shù)采用第二種，占比約為90%。而甲醇直接氧化制備甲醛的主要工藝路線又可分為兩種，即鐵鉬法和銀法。1.3.1 鐵鉬催化劑法鐵鉬催化劑法，即過(guò)量空氣氧化法。是用 Fe2O3、MoO3作為催化劑,以鉻和鈷的氧化物作為助催化劑, 甲醇經(jīng)甲醇汽化器汽化后與過(guò)量空氣按一定比例混合, 經(jīng)凈化, 預(yù)熱, 在 320 380 溫度下反應(yīng)生成甲醛，經(jīng)雙塔吸收系統(tǒng)吸收得到濃度為37%55%的甲醛溶液，從第二吸收塔塔頂出來(lái)的尾氣，一部分經(jīng)風(fēng)機(jī)循環(huán)回反應(yīng)系統(tǒng)，另一部分經(jīng)尾氣處理系統(tǒng)處理產(chǎn)生蒸汽，剩余廢氣達(dá)標(biāo)后排入大氣 孫繼光. 電解銀法和鐵鉬法生產(chǎn)甲醛工藝技術(shù)分析比較J. 化工技術(shù)與開

11、發(fā), 2012-05, 41(5):26-29.。工藝流程圖如圖1.1所示。鐵、鉬法工藝路線主要以瑞典Perstorp公司和美國(guó)D.B western為代表。圖1.1鐵鉬法工藝流程簡(jiǎn)圖1.3.2 銀催化劑法銀催化劑法，即甲醇過(guò)量法。是用銀絲網(wǎng)或鋪成薄層的銀粒為催化劑, 控制甲醇過(guò)量, 在反應(yīng)溫度約為 600 720下反應(yīng)轉(zhuǎn)化為甲醛氣體，氧化器下段為一廢熱鍋爐段副產(chǎn)蒸汽，高溫甲醛氣體經(jīng)此系統(tǒng)急冷至150后進(jìn)入吸收塔進(jìn)行吸收。此吸收塔系統(tǒng)與鐵鉬法流程類似。工藝流程圖如圖1.2所示。銀法工藝路線主要以德國(guó)BASF 公司和香港富藝公司為代表。圖1.2 銀法尾氣循環(huán)甲醛生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)圖表1.1 銀法與鐵

12、鉬法特點(diǎn)對(duì)比 李世杰. 甲醛工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀及工藝路線比較J. 中氮肥, 2000, 1(1):7-8.項(xiàng)目銀催化劑法鐵鉬催化劑法反應(yīng)溫度（）600720320380反應(yīng)壓力/MPa0.10.1反應(yīng)器絕熱式列管式固定床催化劑壽命26月1218月副產(chǎn)蒸汽較少較多 收率（%）89919194甲醇單耗(Kg/t)470480420470甲醛濃度（%）40553757產(chǎn)品中甲醇含量（%）480.51.5催化劑損失/kg0.0270.0360.045甲醛混合氣體中濃度（%）377投資相對(duì)低相對(duì)高催化劑失活原因原料中鐵、硫引起中毒M升華對(duì)毒物敏感程度敏感不敏感由表可知：銀法工藝簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，投資較少，調(diào)節(jié)能

13、力強(qiáng)，產(chǎn)品中甲酸含量少，尾氣中的氫可以燃燒，但是甲醇的轉(zhuǎn)化率低，單耗高，催化劑壽命短，對(duì)甲醇純度要求高，甲醛成品中甲醇含量高，只能生產(chǎn)低濃度甲醛。與銀催化氧化法相比 , 鐵鉬法的特點(diǎn)是反應(yīng)溫度低、催化劑壽命長(zhǎng)、副反應(yīng)少、甲醇轉(zhuǎn)化率高于銀法，可達(dá) 94%99% ，且單耗低于銀法工藝，即原料消耗低、不需蒸餾裝置，產(chǎn)品濃度高、含有甲醇少，一般用于制取高濃度甲醛。缺點(diǎn)是鐵鉬法技術(shù)主要依靠引進(jìn)國(guó)外工藝技術(shù)，專利成本費(fèi)用較高，在設(shè)備投資上投資也比較大,相對(duì)于銀法工藝，我國(guó)在鐵鉬法工藝技術(shù)與管理上還不太成熟，加上其投資回收期較長(zhǎng)，故與銀法相比其投資風(fēng)險(xiǎn)較大，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)看，鐵鉬法由于其技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，隨著

14、國(guó)內(nèi)在這方面技術(shù)的不斷發(fā)展，在不遠(yuǎn)的將來(lái)將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。綜上所述，鐵鉬法工藝優(yōu)于傳統(tǒng)的銀法工藝，故本設(shè)計(jì)考慮采用鐵鉬法工藝。2 工藝流程模擬2.1 總工藝流程2.1.1 工藝流程描述原料精甲醇（濃度為99.5%）經(jīng)離心泵抽入高位槽，在位差作用下進(jìn)入甲醇蒸發(fā)器進(jìn)行汽化。原料空氣經(jīng)過(guò)濾預(yù)熱器預(yù)熱后與來(lái)自蒸發(fā)器的氣態(tài)甲醇混合形成原料混合氣，混合后的原料氣與反應(yīng)后的高溫產(chǎn)物進(jìn)行換熱升溫至320進(jìn)入列管式固定床反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)在鐵鉬催化劑表面進(jìn)行部分氧化生成甲醛，反應(yīng)溫度為350，壓力為1bar。由于反應(yīng)為放熱反應(yīng)，為維持反應(yīng)溫度不變，反應(yīng)過(guò)程中用導(dǎo)熱油（聯(lián)苯醚）移走反應(yīng)放出的熱量。反應(yīng)生成的

15、產(chǎn)物主要含有甲醛、未反應(yīng)的甲醇、空氣、以及少量甲酸，為防止副反應(yīng)的產(chǎn)生，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)一冷卻器冷卻至一定溫度后進(jìn)入吸收塔中進(jìn)行甲醛吸收。本設(shè)計(jì)中采用雙塔吸收。產(chǎn)品甲醛從第一吸收塔的塔底抽出，產(chǎn)物中不能被吸收的氣體一部分進(jìn)入尾氣處理系統(tǒng)（以鉑作為催化劑的反應(yīng)床層）；另一部分經(jīng)羅茨鼓風(fēng)機(jī)循環(huán)回反應(yīng)體系 李方玉, 朱春英. 鐵鉬催化法甲醛生產(chǎn)裝置簡(jiǎn)介J. 化肥工業(yè), 2004-12-15, 32(4):39-43.。工藝流程框圖如圖2.1所示：圖2.1工藝流程框圖2.1.2 流程工段描述本設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為30萬(wàn)t，經(jīng)計(jì)算結(jié)果分析（見第4章反應(yīng)器的計(jì)算 ），本流程考慮采用三個(gè)反應(yīng)器同時(shí)進(jìn)行反應(yīng)，故相關(guān)流程均分

16、為三個(gè)平行的工藝操作。為方便描述，本工藝分工段進(jìn)行具體說(shuō)明。原料配比混合工段原料空氣經(jīng)空氣過(guò)濾預(yù)熱器E0103進(jìn)行過(guò)濾、預(yù)熱后與來(lái)自甲醇蒸發(fā)器E0201的氣態(tài)甲醇經(jīng)羅茨鼓風(fēng)機(jī)送入管道混合器進(jìn)行充分混合，氧醇混合比為1.74，混合后的原料氣進(jìn)入進(jìn)料預(yù)熱工段進(jìn)行預(yù)熱升溫。工段流程圖如圖所示：圖2.2原料配比混合工段甲醇汽化工段濃度為99.5%的精甲醇經(jīng)離心泵P0201輸送至高位槽V0201中，在重力作用下流入甲醇蒸發(fā)器E0201進(jìn)行蒸發(fā)汽化，汽化的熱量來(lái)自反應(yīng)的高溫產(chǎn)物，汽化后的甲醇進(jìn)入原料配比混合工段與原料空氣進(jìn)行混合。圖2.3甲醇汽化工段進(jìn)料預(yù)熱工段來(lái)自原料配比混合工段的原料氣分別經(jīng)三個(gè)平行的

17、換熱器E0301A/B/C進(jìn)行換熱升溫至320，加熱介質(zhì)分別來(lái)自三個(gè)反應(yīng)器的出料產(chǎn)物，產(chǎn)物經(jīng)換熱器后換熱后被冷卻至70。升溫后的原料氣進(jìn)入氧化反應(yīng)工段進(jìn)行反應(yīng)。圖2.4 進(jìn)料預(yù)熱工段氧化反應(yīng)工段從進(jìn)料預(yù)熱工段來(lái)的原料氣進(jìn)入反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，在固定床鐵鉬催化劑表面部分氧化，反應(yīng)溫度為350，壓力為1bar，在此條件下甲醇反應(yīng)生成甲醛的轉(zhuǎn)化率為94%。反應(yīng)生成的大部分甲醛以及少量的CO、CO2、H2、甲酸與未反應(yīng)的原料氣一起通過(guò)進(jìn)料預(yù)熱工段與進(jìn)來(lái)的原料氣換熱冷卻。圖2.5氧化反應(yīng)工段廢熱鍋爐工段甲醇氧化反應(yīng)生成甲醛為放熱反應(yīng)，反應(yīng)放出的熱量由管間的導(dǎo)熱油帶出。導(dǎo)熱油以熱虹吸的方式在反應(yīng)器-導(dǎo)熱油槽-

18、廢熱鍋爐之間循環(huán)，并副產(chǎn)出蒸汽。產(chǎn)生的蒸汽去到中壓蒸汽貯罐。圖2.6廢熱鍋爐工段雙塔吸收工段反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)甲醇蒸發(fā)器換熱后進(jìn)入吸收塔系統(tǒng)進(jìn)行甲醛吸收。含甲醛的氣體從第一吸收塔塔底進(jìn)入，吸收劑一部分為從第二吸收塔返回的吸收液，一部分為從自身塔底回流回來(lái)的溶液，大部分甲醛在此塔中被吸收。從第一吸收塔塔底出來(lái)的溶液，一部分作為回流液，一部分作為甲醛產(chǎn)品流出。第一吸收塔塔頂未吸收的氣體進(jìn)入第二吸收塔塔底繼續(xù)吸收，塔底流出液除一部分作為自身回流液外，其余均返回第一吸收塔作為吸收劑吸收甲醛氣體。第二吸收塔塔底未吸收的氣體一部分去往尾氣處理系統(tǒng)副產(chǎn)蒸汽，一部分作為循環(huán)氣循環(huán)回反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行反應(yīng)。圖2.7雙塔吸收工

19、段2.2 流程模擬2.2.1 流程模擬概述本設(shè)計(jì)運(yùn)用Aspen Plus模擬軟件對(duì)整個(gè)工藝流程進(jìn)行模擬，通過(guò)流程模擬，可以達(dá)到以下目的。流程模擬最為重要的任務(wù)有三點(diǎn)： 對(duì)各候選工藝進(jìn)行判斷是否可行。 選擇最為合適的工藝方案。對(duì)所選工藝方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定最優(yōu)工藝條件。本流程中物料屬于極性非電解質(zhì)，操作壓力小于10bar，有交互作用參數(shù)，存在液液平衡，選擇UNIQUAC作為模擬的物性方法。圖2.8為流程模擬總圖：圖2.8流程模擬總圖2.2.2 甲醇汽化工段模擬原料甲醇經(jīng)甲醇泵抽取進(jìn)入甲醇蒸發(fā)器蒸發(fā)汽化，汽化操作運(yùn)用Aspen Plus中heater+flash2模塊進(jìn)行模擬，heater與fl

20、ash2模塊溫度均為65，壓力為1bar。將液體甲醇汽化成氣體甲醇，從蒸發(fā)器塔頂流出進(jìn)入下一工段。工藝流程模擬如圖2.9所示：圖2.9 甲醇汽化工段2.2.3 氧化反應(yīng)工段Aspen Plus中反應(yīng)器模塊可分為三類：基于物料平衡的反應(yīng)器（化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器RStoic，產(chǎn)率反應(yīng)器RYield）；基于化學(xué)平衡的反應(yīng)器（平衡反應(yīng)器REquil，吉布斯反應(yīng)器RGibbs）；動(dòng)力學(xué)反應(yīng)器（全混流反應(yīng)器RCSTR，平推流反應(yīng)器RPlug，間歇流反應(yīng)器RBatch）。通過(guò)查閱文獻(xiàn)，可以確定其化學(xué)計(jì)量系數(shù)及反應(yīng)程度，故本設(shè)計(jì)選用化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器RStoic模塊進(jìn)行反應(yīng)器模擬。原料氣甲醛與空氣先經(jīng)一換熱器與反應(yīng)器出

21、來(lái)的物料進(jìn)行換熱至320后進(jìn)入列管式反應(yīng)器中在350，壓力為常壓下進(jìn)行反應(yīng)。涉及的反應(yīng)方程式及相應(yīng)轉(zhuǎn)化率如表2.1所示：表 2.1 反應(yīng)方程式 唐宏青. 甲醛工藝的過(guò)程模擬J. 化肥設(shè)計(jì), 2005-8, 43(4):12-14.反應(yīng)方程式甲醇轉(zhuǎn)化率CH3OH+1/2O2 HCHO+H2O0.94CH3OH+3/2O2 CO2+2H2O0.005CH3OH+O2CO+2H2O0.003CH3OH+O2HCOOH+H2O0.0002CH3OH+H2CH4+H2O0.0018CH3OHHCHO+H20.01圖2.10 氧化反應(yīng)工段2.2.4 雙塔吸收工段反應(yīng)后含產(chǎn)品甲醛的氣體經(jīng)吸收塔進(jìn)行吸收。第一

22、吸收塔底部含甲醛的溶液經(jīng)循環(huán)泵、板式換熱器進(jìn)行換熱后，一部分液體返回吸收塔重新吸收，另一部分作為產(chǎn)品輸送至甲醛成品貯罐。從塔頂出來(lái)的未吸收完全的氣體進(jìn)入第二吸收塔繼續(xù)吸收，第二吸收塔塔頂補(bǔ)充一定量的脫鹽水平衡其液位和濃度，塔底出來(lái)的含甲醛的溶液經(jīng)循環(huán)泵、板式換熱器換熱后一部分返回塔內(nèi)重新吸收，另一部分返回第一吸收塔中進(jìn)行吸收。第二吸收塔不能吸收的氣體作為尾氣從塔頂排出，一部分輸送至尾氣燃燒爐燃燒產(chǎn)生蒸汽，另一部分作為循環(huán)原料氣返回至反應(yīng)體系中。工藝流程模擬如圖2.11所示：圖2.11 雙塔吸收工段3 物料衡算和能量衡算本設(shè)計(jì)為甲醇氧化制備甲醛工藝，制備出的甲醛濃度為37%。設(shè)計(jì)中運(yùn)用Aspen

23、 Plus軟件對(duì)全流程進(jìn)行模擬，在此基礎(chǔ)上對(duì)流程進(jìn)行物料衡算及能量衡算。3.1物料衡算3.1.1 物料衡算原理物料衡算是質(zhì)量守恒定律在化工生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用，它衡算的范圍可以是整個(gè)工藝流程，也可以是某個(gè)單元操作或設(shè)備。進(jìn)入系統(tǒng)的組分的質(zhì)量+該組分在系統(tǒng)中生成（或消失）的質(zhì)量=組分離開系統(tǒng)的質(zhì)量+組分在系統(tǒng)中累積的質(zhì)量假設(shè)系統(tǒng)無(wú)泄漏（對(duì)某一組分）：當(dāng)系統(tǒng)無(wú)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時(shí)：在穩(wěn)定狀態(tài)下，物料在體系中無(wú)累積： ，注：進(jìn)入系統(tǒng)的物料流率；流出系統(tǒng)的物料流率；反應(yīng)產(chǎn)生物料速率；反應(yīng)消耗物料速率。3.1.2 物料衡算任務(wù)通過(guò)對(duì)整個(gè)流程或是單元的物料衡算，得到各組分的進(jìn)料、出料、生成量及消耗量，為后續(xù)相關(guān)設(shè)計(jì)

24、提供定量依據(jù)。3.1.3 系統(tǒng)物料衡算 表3.1 物料衡算總表 進(jìn)料出料CH3OH17498.47 產(chǎn)品尾氣 O213212.33 CH3OH699.94 CH3OH0.00 HCHO0.00 O292.84 O24718.86 H2O12687.93 HCHO15163.68 HCHO414.12 CO20.00 H2O22102.63 H2O21.08 CO0.00 CO211.44 CO2108.73 CH40.00 CO0.71 CO45.18 H20.00 CH40.49 CH415.28 N243490.57 H20.03 H29.00 HCOOH0.00 N2650.30 N24

25、2861.27 HCOOH5.03 HCOOH0.00 Mass Flow kg/hr86889.30 Mass Flow kg/hr38727.08 Mass Flow kg/hr48193.52 總計(jì)86889.30 86920.60 表3.2 反應(yīng)器物料衡算表進(jìn)料出料kg/hkmol/hkg/hkmol/h CH3OH17498.47 546.11 CH3OH699.94 21.84 O222792.56 712.29 O214400.00 449.78 HCHO840.70 28.00 HCHO16400.00 546.80 H2O130.73 7.26 H2O9560.00 530.

26、43 CO2220.76 5.02 CO2340.93 7.75 CO91.70 3.27 CO137.62 4.91 CH431.03 1.93 CH446.80 2.92 H218.28 9.07 H227.30 13.54 N2.00 4659.65 N2.00 4659.65 HCOOH0.00 0.00 HCOOH5.03 0.11 總計(jì).26 5972.60 總計(jì).26 6237.73 表3.3 第一吸收塔物料衡算表進(jìn)料出料進(jìn)料11塔回流2塔回流塔頂塔底 CH3OH699.94 2099.82 0.00 0.00 2799.75 O214392.43 278.52 75.10 14

27、374.70 371.36 HCHO16418.40 45491.17 1170.41 2425.25 60654.73 H2O9555.80 66307.90 12607.52 60.71 88410.52 CO2340.93 34.32 16.64 346.12 45.76 CO137.62 2.13 0.53 137.44 2.85 CH446.80 1.46 0.43 46.75 1.94 H227.30 0.08 0.01 27.29 0.10 N2.00 1950.89 475.27 .97 2601.19 HCOOH5.03 15.08 0.01 0.01 20.11 總計(jì).55

28、 .55 表3.4 第二吸收塔物料衡算進(jìn)料出料2塔回流進(jìn)料2補(bǔ)充水塔頂塔底 CH3OH0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 O2175.24 14374.70 0.00 14299.58 250.35 HCHO2730.96 2425.25 0.00 1254.89 3901.31 H2O29417.55 60.71 12610.70 63.88 42025.07 CO238.82 346.12 0.00 329.48 55.46 CO1.25 137.44 0.00 136.91 1.78 CH41.01 46.75 0.00 46.32 1.45 H20.03 27.29 0.

29、00 27.28 0.04 N21108.97 .97 0.00 .63 1584.31 HCOOH0.01 0.01 0.00 0.00 0.02 小計(jì)33473.84 .23 12610.70 .98 47819.80 總計(jì).77 .77 3.2 能量衡算3.2.1 基本原理系統(tǒng)的能量衡算與物流衡算類似，只是所依據(jù)的理論基礎(chǔ)不同，能量衡算以熱力學(xué)第一定律，即能量守恒為理論基礎(chǔ)，能量的形式有很多種，如熱能、動(dòng)能、勢(shì)能、功等?；どa(chǎn)中，多數(shù)情況下的能量衡算可直接簡(jiǎn)化為熱量衡算，熱量衡算式為：輸入系統(tǒng)的熱量+系統(tǒng)生成（或消耗）的熱量=輸出系統(tǒng)的熱量+系統(tǒng)積累的熱量對(duì)于連續(xù)系統(tǒng)：注：設(shè)備的熱負(fù)荷

30、； 輸入系統(tǒng)的機(jī)械能； 離開設(shè)備的各物料焓之和； 進(jìn)入設(shè)備的各物料焓之和。本項(xiàng)目的能量衡算以單元設(shè)備為對(duì)象，計(jì)算由機(jī)械能轉(zhuǎn)換、化學(xué)反應(yīng)釋放能量和單純的物理變化帶來(lái)的熱量變化。3.2.2 能量衡算任務(wù)確定流程中機(jī)械所需的功率，為設(shè)備設(shè)計(jì)和選型提供依據(jù)。確定吸收各單元操作所需的熱量或冷量，為后續(xù)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。確定反應(yīng)過(guò)程中的熱交換量，指導(dǎo)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和選型。最終計(jì)算出所需的能量和費(fèi)用，判定工藝過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。3.2.3 系統(tǒng)能量衡算反應(yīng)系統(tǒng)的熱量衡算根據(jù)熱量衡算式：式中：Q1進(jìn)料物流帶入熱量，J Q2出料物流帶出熱量，J Q3反應(yīng)生成的熱量，J Q4導(dǎo)熱油帶走的熱量，J 表4.21 進(jìn)料物流帶入熱量Q

31、1進(jìn)料質(zhì)量/kg進(jìn)料溫度/Cp/J/kg·KQ×108/JCH3OH17498.47 320.00 2081.41 116.55 O222792.56 320.00 1000.91 73.00 HCHO840.70 320.00 1594.56 4.29 H2O130.73 320.00 2012.60 0.84 CO2220.76 320.00 1068.15 0.75 CO91.73 320.00 1085.11 0.32 CH431.03 320.00 3247.50 0.32 H218.28 320.00 14545.37 0.85 N2.00 320.00 107

32、3.28 448.31 HCOOH0.00 320.00 1508.72 0.00 總計(jì)Q1645.24 表4.22 出料物流帶出熱量Q2出料質(zhì)量/kg出料溫度/Cp/J/kg·KQ×108/JCH3OH699.94 350.00 2146.42 5.26 O214392.43 350.00 1009.84 50.87 HCHO16418.40 350.00 1637.02 94.07 H2O9555.80 350.00 2031.69 67.95 CO2340.93 350.00 1083.47 1.29 CO137.62 350.00 1092.78 0.53 CH44

33、6.80 350.00 3356.07 0.55 H227.30 350.00 14550.16 1.39 N2.00 350.00 1079.79 493.32 HCOOH5.03 350.00 1552.94 0.03 總計(jì)Q2715.26 表4.23 反應(yīng)生成熱量Q3反應(yīng)式反應(yīng)焓kJ/mol甲醇耗量kmol/hQ×106JCH3OH1/2O2HCHOH2O-159.25513.34-81749.4CH3OH3/2O2CO22H2O-626.452.73-1710.21CH3OHO2CO2H2O-393.451.64-645.258CH3OHO2HCOOHH2O-450.50.1

34、09-49.1CH3OHH2CH4H2O-115.70.983-113.73CH3OHHCHOH282.855.461452.44合計(jì)-83815.258由上表求得導(dǎo)熱油帶走總熱量：總流程熱量衡算表3.8 能量衡算總表序號(hào)名稱進(jìn)料焓出料焓熱負(fù)荷/G1蒸發(fā)器-31.456-26.2535.20242預(yù)熱器-27.741-14.46713.2743后冷器-31.642-44.76-13.1184第一冷卻器-391.837-401.816-9.985第二冷卻器-163.346-163.524-0.1776反應(yīng)器-14.467-31.642-17.175總計(jì)-660.489-682.462-21.97

35、3 （1Gcal/hr=1MMkcal/hr=109cal/hr） 進(jìn)料所含熱量與出料所含熱量基本相等，故判定能量守恒。4 主要設(shè)備設(shè)計(jì)及計(jì)算4.1 第一吸收塔因吸收塔壓降較小，且其處理的物質(zhì)具有腐蝕性，經(jīng)文獻(xiàn)查閱 靳冬. 甲醛第一吸收塔的改造J. 廣州化工, 1997, 25(1):51-54.，考慮選用填料塔進(jìn)行甲醛氣體的吸收。本設(shè)計(jì)只對(duì)第一吸收塔進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。4.1.1填料塔的基本構(gòu)造 填料塔是化工生產(chǎn)中重要的設(shè)備之一。其廣泛應(yīng)用于吸收、精餾、解吸、萃取等化工單元操作中。它可使氣液或者液液之間充分的接觸，達(dá)到充分傳熱和傳質(zhì)的目的。填料塔作為氣體吸收常用的一種吸收塔，其基本構(gòu)造主要有：塔體

36、，氣液進(jìn)出口，液體分布器，填料，填料壓板及填料支撐板等。其中填料是填料塔內(nèi)氣-液兩相接觸的核心元件，填料性能的好壞直接影響吸收效率的高低，其是決定填料塔操作性能主要的關(guān)鍵的因素。4.1.2填料的類型填料的種類很多，根據(jù)填裝方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。規(guī)整填料是將金屬絲網(wǎng)或多孔板壓制成波紋狀并疊成圓筒形整塊放入塔內(nèi)。這種填料不但空隙率大，壓降低，而且液體按預(yù)分布器設(shè)定的途徑流下，改善了溝流和壁流，只要液體的初始分布均勻，全塔填料層內(nèi)的液體分布良好，其具有自分布的作用，相應(yīng)地克服了大塔的放大效應(yīng)，傳質(zhì)性能高。但其造價(jià)較高，易被雜物堵塞并且清洗困難。散裝填料適用于較臟的物系或高壓操作

37、的塔填料。本設(shè)計(jì)中吸收一塔的操作壓力為35bar，屬于壓力較高的吸收操作，故選用的裝填方式為散裝裝填。散裝填料的分類主要有：拉西環(huán)填料、階梯環(huán)填料、鮑爾環(huán)填料、矩鞍形填料、弧鞍形填料、環(huán)矩鞍填料等。4.1.3 填料的適用范圍表4.1 填料使用范圍填料的材質(zhì)使用范圍備 注塑 料可耐酸、堿、鹽、及各種有機(jī)溶劑質(zhì)量較輕，價(jià)格便宜，不易碎，但其表面潤(rùn)濕性能較差金 屬碳鋼適用于無(wú)腐蝕或低腐蝕性物料，強(qiáng)腐蝕可選用不銹鋼材質(zhì)耐高溫、高壓，通量大，氣阻小，但價(jià)格也比較貴，不銹鋼填料表面潤(rùn)濕性能較差陶 瓷耐腐蝕，耐熱，在氣體吸收、洗滌，萃取操作中應(yīng)用普遍價(jià)格便宜，表面潤(rùn)濕性能很好，但缺點(diǎn)是質(zhì)脆、易碎表4.2 各

38、種填料類型應(yīng)用填 料應(yīng) 用 特 性拉西環(huán)最早使用的人造填料類型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，價(jià)格便宜，缺點(diǎn)是效率較低?？捎酶鞣N材料制造以適應(yīng)各種不同的使用要求，常用金屬或陶瓷制成，此種填料空隙率大，通量大，氣阻小，內(nèi)部常有較多的溝流故會(huì)導(dǎo)致較多的液體流向塔壁。鮑爾環(huán)在拉西環(huán)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，側(cè)面上開有長(zhǎng)方形小窗，側(cè)壁沿小窗向中心彎曲，有效利用了其內(nèi)表面積，使液體的分布性能大大提高，壓力降比拉西環(huán)低，通量大，氣阻小，操作彈性也較大，傳質(zhì)效率比拉西環(huán)提高約30%矩鞍環(huán)相比于鮑爾環(huán)，此種填料通量大，阻力小，效率高，耐熱、耐酸及有機(jī)溶劑，是目前效率最高的填料之一及使用最為廣泛的填料，常用于吸收塔、再生塔及洗滌

39、塔中，缺點(diǎn)是價(jià)格較貴?；“靶涡螤钊珩R鞍，表面敞開呈弧形，故流體流動(dòng)阻力較小，液體能均勻分布于表面兩側(cè)，空隙率及比表面積比較大4.1.4 填料的選擇 填料表4.3 常用散堆填料相對(duì)處理能力填料尺寸253850拉西環(huán)100100100矩鞍132120123鮑爾環(huán)155160150階梯環(huán)170176165環(huán)鞍205202195由上表分析可知，在填料尺寸相同的情況下，環(huán)鞍的相對(duì)處理能力在各種類型的散裝填料中為最大，故本設(shè)計(jì)考慮采用環(huán)鞍型填料。 填料尺寸的選擇：根據(jù)文獻(xiàn)資料顯示，填料塔塔徑與填料直徑的比值應(yīng)要保持不低于某一下限值，以防產(chǎn)生較大的壁效應(yīng)，造成塔分離效率下降。就一般來(lái)說(shuō)，填料尺寸大，材料耗費(fèi)

40、少，成本低，處理量大，但效率降低，使用直徑大于50mm的填料，其成本的降低難以抵償其效率的降低所造成的成本增加，所以，綜合考慮，一般大塔常使用直徑50mm的填料。但在大塔中使用小于20至25mm填料，效率并沒(méi)有比較明顯的提高。填料尺寸的選擇可按下表原則進(jìn)行選擇。表4.4 填料尺寸與塔徑關(guān)系塔徑/mm填料尺寸/mmD<3002025300<D<9002538D>9005080由以上分析可得，本設(shè)計(jì)選用公稱直徑為50mm的瓷質(zhì)環(huán)鞍型填料。4.1.5 填料的性能參數(shù) 填料因子f： 填料因子分為干填料因子與濕填料因子。其值為比表面積與空隙率三次方之比，單位1/m。它表征填料的流

41、體力學(xué)性能，f值越小，表明流動(dòng)阻力就越小。本設(shè)計(jì)運(yùn)用貝恩-霍根方程計(jì)算泛點(diǎn)氣速，故選用的填料因子為干填料因子。 空隙率：指填料堆積中空隙體積占堆積體積的百分比。填料空隙率越大，流體通過(guò)填料層的阻力越小。為減小流體通過(guò)填料層的阻力，提高塔的處理能力，填料層應(yīng)適當(dāng)取較大的空隙率。 比表面積a： 即單位體積填料所具有的表面積，單位為m2/m3。填料的粒徑越小，其比表面積越大，氣體與液體接觸的面積越大，傳質(zhì)及傳熱效果越好。但填料粒徑太小，其造價(jià)就越高，填料層的阻力也會(huì)增大，故需選擇顆粒大小適宜的填料。本設(shè)計(jì)所選瓷質(zhì)環(huán)鞍型填料的規(guī)格如表4.5所示：表4.5環(huán)鞍規(guī)格 尺寸外徑×高×厚度

42、比表面積填料因子空隙率堆積密度5075×45×5.0mm103m2/m3125m-10.782m2/m3538kg/m34.1.6 吸收塔計(jì)算 概述填料吸收塔的計(jì)算主要涉及幾個(gè)主要參數(shù)的計(jì)算，其中泛點(diǎn)氣速的計(jì)算是幾個(gè)參數(shù)計(jì)算的關(guān)鍵，其它參數(shù)的計(jì)算均可由泛點(diǎn)氣速直接推出。泛點(diǎn)氣速為塔內(nèi)液體開始出現(xiàn)液泛時(shí)氣體的速度。它與多個(gè)因素相關(guān)，主要因素總結(jié)為以下三點(diǎn)：1） 液體的物理性質(zhì)，如氣體和液體的密度、粘度，液體粘度越大，填料對(duì)液體的阻力越大；氣體的密度越大，同一氣速下對(duì)液體的阻力就越大。2） 填料的特性因素，如填料的比表面積、空隙率與幾何形狀等，歸結(jié)起來(lái)即和其填料因子有關(guān)。填料因

43、子越小，液泛速度越大。3） 液氣比，填料塔內(nèi)液體持液量越大，其空隙率就會(huì)減小，故泛點(diǎn)氣速就越小，而液體量的大小即由噴淋密度表征。計(jì)算泛點(diǎn)氣速通常運(yùn)用關(guān)聯(lián)式或者關(guān)聯(lián)圖法，本次計(jì)算采用關(guān)聯(lián)式法進(jìn)行計(jì)算。 泛點(diǎn)氣速計(jì)算由Aspen Plus模擬計(jì)算得到：進(jìn)塔氣量，kg/h進(jìn)塔溫度，塔底壓力，bar出塔氣量，kg/h出塔溫度，塔頂壓力，bar.2567035.006.2332135 1）氣體重度r氣：（注：重度表示單位體積物質(zhì)所具有的重量，與密度相對(duì)。）塔底（進(jìn)料）：塔頂（出料） 2）液相重度：其中：FCH2O的質(zhì)量濃度(%) MCH3OH的質(zhì)量濃度(%) T溫度（） 3）塔底重度：塔底液體為成品液：

44、CH2O的質(zhì)量濃度(%)F=39.2 CH3OH的質(zhì)量濃度(%)M=1.8溫度（）T=88.9 4）塔頂重度：塔頂液為二塔來(lái)液：CH2O的質(zhì)量濃度(%)F=8.2 CH3OH的質(zhì)量濃度(%)M=0 溫度（）T=20一塔回流液重度同塔頂重度吸收一塔平均液相重度為： 5）液相粘度： 其中：F、M、T與前相同塔底粘度: 塔頂粘度: 6）噴淋密度：式中Umin最小噴淋密度，m3/(m2.h); (Lw)min最小潤(rùn)濕速率，m3/(m.h); a填料比表面積，m2/m；最小潤(rùn)濕速率是指在塔的截面上，單位長(zhǎng)度的填料周邊的最小液體體積流量。其值可由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，也可采用經(jīng)驗(yàn)值。對(duì)于直徑不超過(guò)75mm的散裝填

45、料，可取最小潤(rùn)濕速率(Lw)min為0.08m3/(m.h)；對(duì)于直徑大于75mm散裝填料，取(Lw)min為0.12m3/(m.h)。故本設(shè)計(jì)取0.08m3/(m.h)。主要物性數(shù)據(jù)見表4.6：表4.6 主要物性數(shù)據(jù) 項(xiàng)目單位塔底塔頂液相溫度88.920氣相溫度7021操作壓力bar35.00635液相粘度Cp0.76521.1198液相重度kg/m31076.291028.02氣相重度kg/m333.8640.55液相流量kg/h.317.294氣相體積流量m3/h5084.7553644.472氣相質(zhì)量流量kg/h.256.233 7）泛點(diǎn)氣速計(jì)算：采用貝恩-霍根（Bain-Hougen

46、)泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)式：其中uf泛點(diǎn)氣速m/sg重力加速度m/s2rg、r1氣相、液相重度Kg/m3/3干填料因子m-1L、G液相、氣相流量kg/hul液相粘度CpA取決于填料的常數(shù)，常用塔的A值見下表。填料空隙率m3/m3表4.7常用散堆填料A值填料名稱A填料名稱A瓷拉西環(huán)0.022瓷階梯環(huán)0.2943塑料鮑爾環(huán)0.0942塑料階梯環(huán)0.204金屬鮑爾環(huán)0.1金屬階梯環(huán)0.106瓷矩鞍0.176金屬環(huán)矩鞍0.06225本設(shè)計(jì)為瓷矩鞍，故選擇A=0.176。對(duì)于塔底段：表4.8 塔底數(shù)據(jù) rgr1uLLG1030.782233.861076.290.7652.317.3m2/m3m3/m3kg/m3kg

47、/m3Cpkg/hkg/h故有： 對(duì)于塔頂段：表4.9 塔頂參數(shù)rgr1uLLG1030.782240.551028.021.1198.294.23m2/m3m3/m3kg/m3kg/m3Cpkg/hkg/h故有： 4.1.7 塔徑及空塔氣速的計(jì)算填料塔的空塔氣速是指單位時(shí)間內(nèi)填料塔上升氣體的體積與塔截面積的比，即按空塔計(jì)算所得的氣體線速度。根據(jù)文獻(xiàn)查閱，本設(shè)計(jì)取空塔氣速=80%×泛點(diǎn)氣速。則塔底空塔氣速為：塔頂空塔氣速為：塔徑的計(jì)算由公式： 將u底=0.1437m/s，體積流量Vs=1.412m3/s帶入上式即得：同理計(jì)算得：圓整塔徑得：填料規(guī)格校核：液體噴淋密度校核：故符合。實(shí)際

48、塔底空塔氣速： 實(shí)際塔頂空塔氣速： 4.1.8 填料層阻力計(jì)算塔底參數(shù)如表4.10：表4.10塔底參數(shù)r水LrgLrLU底G塔底T930125.31733.860.76521076.290.1246.25688.9kg/m3m-1kg/hkg/m3Cpkg/m3m/skg/h液相重度校正系數(shù)為： 根據(jù)Eckert泛點(diǎn)與壓降關(guān)聯(lián)圖得：圖4.1 Eckert泛點(diǎn)壓降關(guān)聯(lián)圖塔頂參數(shù)如表4.11：表4.11塔頂參數(shù)r水LrgLrLU頂G塔頂998125.2940.551.11981028.020.0893.2321kg/m3m-1kg/hkg/m3Cpkg/m3m/skg/h液相重度校正系數(shù)： 由Eckert泛點(diǎn)與壓降關(guān)聯(lián)圖得：4.1.9 填料層高度填料層高度的計(jì)算有兩種方法：傳質(zhì)單元法及理論板當(dāng)量高度法。前者由恩田關(guān)聯(lián)式計(jì)算而得，后者由理論板當(dāng)量高度及理論板數(shù)的乘積計(jì)算得出。本設(shè)計(jì)中缺乏可靠的數(shù)據(jù)相平衡常數(shù)值，故本設(shè)計(jì)采用理論板當(dāng)量高度（HETP）法來(lái)計(jì)算塔的高度。理論板當(dāng)量高度法是依據(jù)氣液相之間質(zhì)量傳遞平衡級(jí)的概念，求取填料層高度的方法。利用該方法，填料層高度為： 式