年产2.5万吨甲醛生产工艺设计毕业设计论文.doc

中国矿业大学银川学院毕业设计（论文）中国矿业大学银川学院本 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- 5 -1.1 甲醛的性质和用途- 5 -1.1.1 产品说明- 5 -1.1.2 产品性质：- 5 -1.2 产品用途- 7 -1.3 甲醛的生产工艺简介- 7 -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：- 7 -1.4 甲醛主要生产工艺的比较与选择- 8 -1.4.1 生产工艺比较- 8 -1.4.2 银催化法生产甲醛- 9 -第二章 物料衡算- 11 -2.1 主要工艺指标- 11 -2.2 甲醛、甲醇物料衡算- 12 -2.2.1 产品产量及其组成- 13 -2.2.2 原料投入量- 14 -2.2.3 尾气中各组分含量的计算- 14 -2.2.4 校核- 15 -2.2.5主要设备物料衡算- 16 -第三章 热量衡算- 20 -3.1物性参数及计算公式- 20 -3.2主要设备热量衡算- 20 -第四章 主要非定型设备的计算及选型- 26 -4.1蒸发器- 26 -4.2过热阻火器- 27 -4.3氧化炉- 28 -4.3.1废热段- 28 -4.3.2急冷段- 28 -4.4一塔一冷- 29 -4.5一塔二冷- 30 -4.6二塔一冷- 30 -第五章 “三废”处理- 31 -5.1废气处理- 31 -5.2废水处理- 32 -5.3噪声防治- 32 -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)-800.9151-200.8153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） 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h2o1.2 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1000-4000m/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，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 0.457 工业甲醇浓度 % 96.5 湿空气含水量 % 0.52.2 甲醛、甲醇物料衡算甲醇氧化制甲醛主反应方程式：ch3oh +1/2o2 = hcho +h2o（式21）ch3oh = hcho + h2（式22）h2 +1/2o2 = h2o（式23）甲醇氧化制甲醛副反应方程式： ch3oh + o2 = co + 2h2o（式24）ch3oh + 2/3o2 = co2 + 2h2o（式25） hcho +1/2o2 = hcooh（式26）hcooh = co + h2o（式27）hcho = co + h2（式28）hcho + o2 = co2 + h2o（式29）ch3oh = c + h2o + h2（式210）ch3oh + h2 = ch4 + h2o（式211）2hcho + h2o = ch3oh + hcooh（式212）该反应系统的物质数有10种，它们是ch3oh、hcho、hcooh、co、co2、ch4、h2、o2、h2o、n2，构成这些物质的元素有4种，因此该系统的独立反应数为1046，可选用反应以下反应作为该系统的独立反应，它们是：ch3oh1/2o2hchoh2o（式213）ch3oh3/2o2co22h2o（式214）ch3oho2co2h2o（式215）ch3oho2hcoohh2o（式216）ch3ohh2ch4h2o（式217）ch3ohhchoh2（式218）产品产量及其组成按每小时算，则年产2.5万吨37%的甲醛溶液物料衡算如下：已知年工作时间：1年以300天计（约7200小时）；年生产能力：2.5万吨/年；水醇比：0.7；装置所有蒸汽压力 250kpa(表压)；空气相对湿度为48%：其中含o2：21%；n2：78.5%；h2o：0.5%；甲醛分子量：30尾气组成及产品质量见下表：表22 尾气组成及产品质量 尾气及产品组成wt%组分co2coo2h2ch4n2h2ohchoch3ohhcooh二塔尾气2.21.50.2515.30.0780.68100产 品61.45371.50.051002.2.1 产品产量及其组成25000（30024）=3.472（t）=3472.222kg其中：hcho： 3472.22237%=1284.722kg=42.824kmolch3oh： 3472.22215.3%=52.083kg=1.628kmolhcooh： 3472.2220.05%=1.736kg=0.038kmolh2o： 3472.222(1284.72252.0831.736)=2133.607kg=118.538kmol表23 产品组成 计量单位：见表组分hchoch3ohh2ohcooh含量/kmolh142.8241.628118.5380.038163.027含量/kgh11284.72252.0832133.6011.7363472.2222.2.2 原料投入量甲醇投入量：（42.824+1.628+0.038）（10.0380.7850.40.8070.21）47.831 kmol空气投入量（根据氧醇比求）：0.4047.83122.421%=2040.800m3=91.107kmolo2：91.10721%=19.133kmol=612.240kgn2：91.10778.5%=71.517kmol=2002.475kgh2o：91.1070.5%0.458kmol=8.238kg2.2.3 尾气中各组分含量的计算尾气总量：91.10778.5%80.60%=88.643kmol其中：co2： 88.6432.2%=1.950kmol=85.806kgco： 88.6431.5%=1.330kmol=37.230kgch4： 88.6430.07%=0.062kmol=0.993kgo2： 88.6430.25%=0.222kmol=7.091kgh2： 88.64315.3%=13.562kmol=27.125kgn2： 88.64380.60%=71.517kmol=2002.475kg由以上数据及下列反应式可求的甲醇消耗量：式213甲醇消耗量29.237kmolh1式214甲醇消耗量1.950kmolh1式215甲醇消耗量1.330kmolh1式216甲醇消耗量0.038kmolh1式217甲醇消耗量0.062kmolh1式218甲醇消耗量13.562kmolh1根据氧的衡算，由式213和上列有关反应式得甲醛量为：由式217与式218得甲醛量为：13.5620.062=13.624kmol总甲醛量为：29.23713.624=42.861kmol所以实际甲醛产量为：42.861 kmol=1285.830kg预计产品总量（含37%的甲醛水溶液）：1285.83037%=3475.215kg预计计划生产量为：25009007200=3472.222kg预计产品与设计计划量要求基本一一致。2.2.4 校核甲醇耗量（由上列反应得）：29.2371.9501.3300.0380.0620.06213.562=46.240kmol产品带走甲醇：1.628kmol总消耗甲醇量：46.2401.628=47.860kmol=47.860kg技术单耗：47.8603472.222=0.441t/t实际单耗：47.8603472.22296.5%=0.457t/t水量衡算（由上计算知）：原料中甲醇带入的水：47.86096.5%47.860=3.086kmol= 55.557kg空气带入的水：0.458kmol=8.238kg产品带出的水：118.538kmol=2133.601kg 反应生成的水：29.23721.95021.3300.0620.038=35.896kmol=646.127kg水醇比0.7，应加入的配料水蒸气为：47.8600.7(3.086+0.458)=29.964kmol=539.344kg吸收塔加水量总产品中带出水（原料中带入水过程中带入水）118.538(3.0860.45835.89629.964)=49.134kmol=884.414kg转化率、选择性、收率及吸收系统的计算：甲醇总转化率=1产品带走甲醇/总甲醇消耗量 = 11.62847.860 =96.6%甲醛选择性=(生成甲醛总量甲醇总耗量）100% = (42.86147.860）100%=89.54%甲醛收率 =（甲醇总转化率甲醛选择性）100% =0.9660.8954100%=86.5%设 一塔吸收甲醛率为：86%则 一塔吸收甲醛量为：42.86186%=36.86kmol=1105.814kg 二塔吸收甲醛量为：42.86136.86=6kmol=180.016kg该二塔循环液中机器权浓度为14%，在二塔全部被吸收。则二塔循环液入一塔量为：180.01614%=1285.83kg甲醇量：1.628kmol=52.083kg水量：1285.8352.083180.016=58.541mol=1053.73kg2.2.5主要设备物料衡算蒸发器物料衡算：其中进料量在物料衡算中求得，出料水为工业甲醇水和湿空气中水相加：55.5578.238=63.795kg。其中出料量与进料量相同。表24 蒸发器物料衡算 计量单位：见表物料输入物料输出名称kmolkg名称kmolkg原料甲醇50.955 1587.338原料气142.0624229.445ch3oh47.8601531.781ch3oh47.8601531.781h2o3.08655.557 h2o3.54463.795空气91.1072642.107o219.133 612.240o219.133 612.240n271.5172002.475n271.5172002.475h2o0.4588.238合计142.062 4229.445142.0624229.445过热器物料衡算出料中h2o量为配料蒸气与原料气水量相加。表25 过热器物料衡算 计量单位：见表物料输入物料输出名称kmolkg名称kmolkg原料气142.062 4229.445三元气172.0254760.789ch3oh47.8601531.781ch3oh47.8601531.781h2o3.54463.795 h2o33.508603.139o219.133 612.240o219.133 612.240n271.5172002.475n271.5172002.475配料蒸汽29.964 539.344合计172.0254760.789172.0254760.789氧化器物料衡算：进料量如表25，出量料计算：甲醛量=产品中甲醛量尾气中甲醛量 甲醇量=产品中甲醇量尾气中甲醇量 水量=进料中水量反应生成的水量表26 氧化器物料衡算 计量单位：见表物料输入物料输出名称kmolkg名称kmolkg三元气172.0254760.789ch3oh47.8601531.781ch2o42.861 1285.830h2o33.508603.139ch3oh1.62852.083o219.133 612.240hcooh0.038 1.736n271.5172002.475h2o69.4041249.266co21.95085.806co1.33037.230ch40.0620.993h213.56227.125o20.2227.091n271.5172002.475合计172.0254760.789202.5734749.635吸收一塔物料衡算进料的转化气量已在表25求得，来自二塔液相各组分量已在物料衡算中求得，出料中的成品量已在物料衡算中求出。塔顶气相各组分量=对应进料量对应一塔吸收量。表27 吸收一塔物料衡算 计量单位：见表物料输入物料输出名称kmolkg名称kmolkgch2o42.861 1285.830成品163.0273472.222ch3oh1.62852.083ch2o42.8241284.722hcooh0.0381.736ch3oh1.62852.083h2o69.4041249.266hcooh0.0381.736co21.95085.806h2o118.5382133.601co1.33037.230塔顶气体105.6772562.135ch40.0620.993ch2o6.000183.016h213.56227.125 ch3oh1.62852.083o20.2227.091h2o9.406169.316n271.5172002.475co21.95085.806来自二塔液66.1691285.830co1.33037.230ch2o6180.016ch40.0620.993ch3oh1.62852.083h213.56227.125h2o58.5411053.73o20.2227.091n271.5172002.475合计260.7416035.465260.7056034.357吸收二塔物料衡算：进料的进塔气相量在表26中求得，塔顶加水量已在物料衡算中求得。出料的尾气在物料衡算中已求出，二塔液相采出量与表26中相同表28 吸收二塔物料衡算 计量单位：见表物料输入物料输出名称kmolkg名称kmolkg进料气相105.677 2562.135尾气88.6432160.720ch2o6.000 180.016co21.95085.806ch3oh1.62852.083co1.33037.230h2o9.406169.316ch40.0620.993co21.95085.806h213.56227.125co1.33037.230o20.2227.091ch40.0620.993n271.5172002.475h213.56227.125 二塔液采出66.1691285.830o20.2227.091ch2o6.000180.016n271.5172002.475ch3oh1.62852.083塔顶加水49.134884.414h2o58.5411053.730合计154.811344750 154.811344750第三章 热量衡算3.1物性参数及计算公式液态组分在22下的cp值为：甲醇cp=79.237kj/(kmol)水cp=75.338kj/(kmol)计算公式：在恒压下，气态物质过程的焓变采用h=ncpt计算，恒压绝热过程热qp=h3.2主要设备热量衡算蒸发器的热量衡算：已知：甲醇在蒸发器无化学变化，取蒸发器温度：47；甲醇进料温度：22；蒸发器空气温度60；蒸发器内加热水进口温度：80；出口温度：50甲醇在蒸发器内无化学变化，只有相变热和显热。原料甲醇和空气带入的热量见下表：表31 原料甲醇和空气带入的热量 计量单位：见表物料n/(kmolh-1)输入名称t/cp/kj/kmolq/kjch3oh47.8602279.23783444.457h2o3.0862275.3385115.661空气n271.5176029.4126155.907 o219.133 6029.633979.250h2o0.4586034.05935.060合计249630.406原料气带出的热量见下表：表32 原料气带出的热量 计量单位：见表物料n/(kmolh-1)输出名称t/cp/kj/kmolq/kjch3oh47.8604744.89410902.692 h2o3.5444733.895645.277n271.5174729.2998452.385o219.133 4729.4626491.243合计231591.596查化学工程技术全书下册p1200-1202得原料相变焓：ch3oh：3.448104kj/kmolh2o：4.066104kj/kmol则原料甲醇相变热：1650494.361+125484.3715=1775978.725kj则需补充热量：q=1775978.725231591.596=1544389.136kj所需用来加热的水量：g=q/4.184(8050)=12303.913kgh-1过热器的热量衡算：已知：取热损失为：3% ；甲醇、空气水出蒸发器的温度为47。为了防止液体析出，设来自蒸汽网管的配料蒸汽温度为126.37。查表知cp（水蒸气）=34.25kj/kmol则水蒸气带入的热量为：29.96434.25126.37=129687.351 kj而原料气带入的热量为：231591.596kj三元气带出的热量见下表：表33 三元气带出的热量 计量单位：见表物料n/(kmolh-1)输出名称t/cp/kj/kmolq/kjch3oh47.86012047.739274221.405h2o33.50812034.64139284.875n271.51712029.87256345.371o219.133 12030.1269152.509 合计739004.159需加入的热量（热损失为3%）：q=h=(739004.159129687.351231591.596)/(13%)=389407.435 kj查得250kpa（表压）水蒸气的冷凝热为39438.98kj/kg则加热蒸汽量g=389407.435/39438.9818=177.726kgh-1氧化器的热量衡算：已知：三元气带入的热量为：739004.159kj各主副反应298k时的反应热（见计算表中）；基准：1h，298k气态；绝热过程，热损失为反应热的10%，产物离开催化剂层的温度为640。反应段与一段急冷段反应热的计算（25）：表34 反应热 计量单位：见表反应式反应焓甲醇耗量q105kj/moln/(kmolh-1)q105kjch3oh1/2o2hchoh2o1.57529.23746.048ch3oh3/2o2co22h2o6.7461.95013.156ch3oho2co2h2o3.9271.3305.221ch3oho2hcoohh2o4.0080.0380.151ch3ohh2ch4h2o1.2090.0620.075ch3ohhchoh20.901213.56212.222合计52.429则反应放出的总热量q放=52.429105 kjh-1冷却段冷却热：转换气经急冷段后降温至90，由于转换气的非理想性，因此可设其冷凝热占产品量的12%：则3472.22212%=416.667(kg)其中：甲醛占37%；水占62%416.66737%=154.167kg=5.139kmol416.66762%=258.333kg=14.352kmol从而冷凝热见下表表35 冷凝热 计量单位：见表物料n相变焓q104名称kmolh-1kj/kmolkjhcho5.1396.19610431.841h2o14.3524.13510459.345合计91.185即冷凝放出的总热量为91.185104kj转化气带出的热量见下表：表36 转化气带出的热量 计量单位：见表物料n/(kmolh-1)输出名称t/cp/kj/kmolkjch2o42.861 9036.02138946.755ch3oh（含甲酸）1.6659046.576979.964h2o69.4049034.27214061.744co21.9509040.137043.251co1.3309031.343750.385ch40.0629036.65204.672h213.5629029.3735849.257o20.2229029.8594.350n271.5179029.6190521.166合计597951.682氧化器所剩余的总热量：739004.1595242870.03591.1851049597851.682=6295777.142 kj设热损失为10%，则有：6295777.142(110%)=7415.387104 (kj)的剩余热可供利用。这部分剩余热量一部分产生热水（作蒸发器加热热源），其余则用于产生250kpa的饱和蒸汽。吸收塔的热量衡算：已知：产品气带入的热量为597951.682 kj；塔顶加水量：49.134kmol；水温：22； cp=75.338 kj/kmol。计算：塔顶加水带入的热量q加=49.1342275.338=81490.736 kj生成的产品已有12%被氧化器的冷凝段冷凝，余下的被吸收塔冷凝，其量为：hcho：42.8245.139=37.685kmolch3oh：1.627+0.038=1.665kmolh2o：118.53814.352=104.186kmol相变焓见下表：表37 相变焓 计量单位：见表物料n相变焓q104名称kmolh-1kj/kmolkjhcho37.6856.169104225.480ch3oh(含甲酸)1.6653.251045.529h2o104.1864.135104430.809合计668.818成品带出的热量的计算：成品出料温度为42，ch2o：cp=35.836 kj/kmol；ch3oh：cp=44.743 kj/kmol h2o：cp=33.63 kj/kmol则成品带出的热量为：q=42(42.82435.8381.66544.743118.53833.63)=586283.506 kj尾气带出的热量（尾气温度为25）：表38 尾气带出的热量 计量单位：见表物料尾气输出名称n/(kmolh-1)t/cp/kj/kmolq/kjco21.9502538.111857.996co1.3302529.29973.630ch40.0622535.254.604h213.5622529.299931.022o20.2222529.3162.327n271.5172529.1752153.739合计65133.317则吸收工段共多余热量为：（597951.68281490.736668.818104586283.50665133.317）=6716203.46 kj设冷水进口温度为22，出口温度为32，则共需要冷凝水量为：6716203.464.184(3222)103=160.521t/h装置总热量平衡表表39 装置总热量平衡表 计量单位：见表项目入方（kj/h）项目出方（kj/h）ch3oh带入热83444.457废锅蒸汽吸热6295777air（干）带入热160135.221换热器吸热6716203h2o带入热6050.721尾气带走热65133.32加热热水1544387.136成品带走热586283.5配料蒸汽129687.351不计热损失13663397加热蒸汽389407.435总计热损失15029737工艺补水81490.736反应放热5242870.035冷水段冷凝热911854.63015237505.5915029737第四章 主要非定型设备的计算及选型4.1蒸发器蒸发器的换热器计算：由前面的热量衡算知，设空气和甲醇先混合，已知：甲醇的平均比热为2.51kj/(kgk)；空气的平均比热1.07 kj/(kgk)w甲醇cp甲醇（t-22）= w空气cp空气（60-t）则t33.329补充热水进口温度80蒸发器温度47t33补充热水出口温度50 蒸发器温度3