年产28000吨甲醛生产装置工艺与设备设计

1、设计论文题目：*学 院： 吉林工业职业技术学院 专 业： 过程装备与控制技术学 生： *指导教师： 赵继平完成时间： 2012年12月20日 诚信声明本人声明：我所呈交的本科毕业设计论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：日期： 2012 年 12 月 20 日毕业设计（论文）任务书设计（论文）题

2、目：*学院：吉林化工学院 专业：过程装备与控制技术学生：*指导教师：赵继平1设计（论文）的主要任务及目标(1)设计一年产28000吨甲醛生产装置工艺与设备设计；(2)原料为甲醇，其中工业甲醇含量为1.35%（量分数，下同），含水0.65，无其它杂质； (3)工艺条件为：反应温度873-913K，年生产时间300天，甲醇转化率93.3%，甲醛收率83%，原料配比（质量比）甲醇：水：空气=1：0.58：1.338；(4) 副产物组成：CO24.0%、CO 0.5%、O20.2%、H217%、N276.3%、H2O 2%。2设计（论文）的基本要求和内容(1)工艺设计 生产方法的选择； 反应器的物料衡

3、算和热量衡算； 反应器主要工艺尺寸计算。(2)设备计算 反应器的机械强度及有关参数的确立； 辅助设备的选择或确立。 (3)提交设计文件 设计说明书一份； 设计图纸：工艺流程图、反应器装配图、平面布置图各一份。 反应器主要工艺尺寸计3主要参考文献1 梁凤凯、舒均杰有机化工生产技术 2 陈炳和、许宁化学反应过程与设备 3 梁玉华、白守礼物理化学4王振中化工原理5蔡纪宁、张秋翔化工设备机械基础课程设计指导书社，20066化学工业出版社组织编写化工生产流程图7王绍良化工设备基础4进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1题目确定2012年11月2125日2文献查阅及初步设计计算2012年11月26

4、30日3设计计算2012年12月17日4图纸绘制2012年12月812日5设计计算及图纸完善2012年12月1316日6毕业设计答辩准备2012年11月1721日7毕业设计答辩2012年12月22日28000吨/年甲醛生产装置工艺与设备设计摘要甲醛（formaldehyde;methanol）是一种比较重要的有机化工产品，是醛类中最简单的化合物。正常条件下是无色而有刺激性气味的气体，只要有很少量的杂质存在就会发生聚合。甲醛易溶于水，形成各种浓度的水溶液，含37.6%的甲醛水溶液（质量分数）称为福尔马林（即商品甲醛）。甲醛有毒，甲醛蒸汽与空气能形成爆炸性混合物，甲醛除了独立作为产品使用外，更多的

5、是用作原料以制取其他重要化工产品。本设计为年生产能力2.8万吨甲醛生产装置工艺与设备设计，此设计参照了中国石油北方公司吉林市石井沟联合化工厂甲醛车间的经验数据，重点以甲醇为原料，电解银作为催化剂，甲醇经过氧化合成甲醛的反应进行了设计。其中包括生产方法的选择、反应的物料衡算，热量衡算，设备选型及尺寸的计算等工艺设计。本设计在绘图过程中运用Auto CAD等计算机程序辅助作图。最后完成了甲醛生产装置的工艺设计和设计图纸。关键词：甲醇；氧化；甲醛；目录前言1第1章 设计说明2第1.1节产品简介21.1.1 产品性质21.1.2 产品用途21.1.3甲醛的安全措施21.1.4甲醛的安全措施2第1.2节

6、生产方法与工艺条件的确定31.2.1反应原理41.2.2生产方法的确定41.2.3电解银法工艺条件的确定61.2.4反应器的选择81.2.5分析方法的选择8第1.3节工艺流程9工艺流程简图9流程叙述9第1.4节车间人员配置10第1.5节三废处理11第2章 设计计算12第2.1节基础数据及反应过程12参考数据12原料规格13产品规格14主要反应过程14第2.2节物料衡算和热量衡算15物料衡算过程15热量衡算过程17第2.3节设备工艺尺寸计算和设备机械强度计算23确定床层高度与直径23确定换热气列管242.3.3 核算换热面积242.3.4 设备机械强度计算24结论29参考文献30致谢31前言甲醛

7、（formaldehyde;methanol）是一种比较重要的有机化工产品，是醛类中最简单的化合物。正常条件下是无色而有刺激性气味的气体，只要有很少量的杂质存在就会发生聚合。甲醛易溶于水，形成各种浓度的水溶液，含37.6%的甲醛水溶液（质量分数）称为福尔马林（即商品甲醛）。甲醛有毒，甲醛蒸汽与空气能形成爆炸性混合物，甲醛除了独立作为产品使用外，更多的是用作原料以制取其他重要化工产品，如酚醛树脂、脲醛树脂、新型塑料、合成橡胶和合成纤维、医药、杀虫剂等。工业上生产甲醛的传统原料主要是甲烷和甲醇。第二次世界大战以前，由于甲醇合成技术不先进，而且价高量少，甲烷直接氧化制甲醛曾经风行一时，该法在常压下一

8、步合成甲醛，工艺简单，但单程收率低、能耗大和产品浓度低，在竞争中失利。1984年该法产量仅占世界甲醛总产量的10%左右，目前，甲醛产量的90%以上均采用甲醇为原料的工艺路线。本设计采用甲醇为原料，电解银作为催化剂，由空气氧化制甲醛，对生产装置工艺和设备进行设计。其中包括生产方法的选择、反应的物料衡算，热量衡算，设备选型及尺寸的计算等工艺设计。并在绘图过程中运用Auto CAD等计算机程序辅助作图。由于本人初次进行此类设计，水平有限，经验不足，难免有不足和错误之处，恳望老师和同学给予批评指正。第1章 设计说明第1.1节 产品简介1.1.1产品性质甲醛（formaldehyde;methanol）

9、是一种比较重要的有机化工产品，是醛类中最简单的化合物。正常条件下是无色而有刺激性气味的气体，冰点-118，熔点-92，沸点-21，燃点430，只要有很少量的杂质存在就会发生聚合。因此，市场上没有单体甲醛出售。甲醛易溶于水，形成各种浓度的水溶液，含37.6%的甲醛水溶液（质量分数）称为福尔马林（即商品甲醛）。甲醛有毒，浓度很低时就能刺激眼、鼻的黏膜；浓度较高时，对呼吸道黏膜也有刺激作用；吸入浓度大的甲醛会引起肺部化脓性水肿；甲醛也能刺激皮肤造成灼伤。甲醛蒸汽与空气能形成爆炸性混合物，爆炸极限（体积积分）为7%73%。甲醛除了独立作为产品使用外，更多的是用作原料以制取其他重要化工产品，其衍生物以达

10、上百种。由于其分子中具有碳-氧双键，因此易进行聚合与加成反应。1.1.2产品用途（1）木材工业用于生产脲醛树脂及酚醛树脂，由甲醛与尿素按一定摩尔比混合进行反应生成。（2）纺织业服装在树酯整理的过程中都要涉及甲醛的使用。服装的面料生产，为了达到防皱、防缩、阻燃等作用，或为了保持印花、染色的耐久性，或为了改善手感，就需在助剂中添加甲醛。目前用甲醛印染助剂比较多的是纯棉纺织品，因为纯棉纺织品容易起皱，使用含甲醛的助剂能提高棉布的硬挺度。含有甲醛的纺织品，在人们穿着和使用过程中，会逐渐释出游离甲醛，通过人体呼吸道及皮肤接触引发呼吸道炎症和皮肤炎症，还会对眼睛产生刺激。甲醛能引发过敏，还可诱发癌症。厂家

11、使用含甲醛的染色助剂，特别是一些生产厂为降低成本，使用甲醛含量极高的廉价助剂，对人体十分有害。（3）防腐溶液甲醛是由(即甲醛亚硫酸氢钠)在60以上分解释放出的一种物质，它无色，有刺激气味、易溶于水。35%40%的甲醛水溶液俗称福尔马林，具有防腐杀菌性能，可用来浸制生物标本，给种子消毒等。甲醛具有防腐杀菌性能的原因主要是构成生物体(包括细菌)本身的蛋白质上的氨基能跟甲醛发生反应。（4）食品行业利用甲醛的防腐性能，加入水产品等不易储存的食品中。甲醛的危险特性甲醛蒸气与空气混合能成为爆炸性气体。本品与氧化剂、火种接触有燃烧危险。在甲醇制甲醛氧化反应的工艺流程，氧化反应需要加热，反应过程又会放热，特别

12、是催化气相氧化一般都会在250600的高温下进行。由于被氧化物质大都易燃易爆，生产过程又往往采用空气或氧气氧化，所以反应系统随时可能形成爆炸性混合物。 甲醇在蒸气或空气中氧化其物料配比接近于爆炸下限，倘若比例失调或控制不当都可能引起系统爆炸。甲醛的安全措施采用灭火剂：水、泡沫、二氧化碳。储运注意事项：储存于阴凉通风库房内，远离火种、热源。应与氧化剂、遇水燃烧物资隔离堆放。防止阳光爆晒引起鼓桶。冷天易储于较温暖处。包装要完整。搬运时轻拿轻放，防止破漏。流失在地上的甲醛可用水冲洗后再用纯碱中和，冲洗干净。触及皮肤可用水洗后，再用酒精擦洗，最后涂甘油。甲醛既有爆炸性危险又有较高的毒性，因此，贮存、运

13、输和使用过程要特别注意安全第1.2节生产方法与工艺条件的确定反应原理以甲醛为原料，电解银触媒为催化剂，反应温度在620-730高温下发生氧化脱氢反应，生在甲醛气体，主要反应式如下：主反应：CH3OH+1/2O2   CH2O+H2O                     CH3OH=CH2O+H2                

14、0;                  H2+1/2O2     H2O                   反应在200左右开始进行，反应在600左右进行，反应的进行可使反应不断向右进行，多余的热量利用水蒸汽的升温带热作用从反应系统中移走，使反应正常进行。1.2.2生产方法的确定甲醇氧化制甲醛生产方法分为二

15、种：即银法和铁钼法。银法亦称“甲醇过量法”或“氧化脱氢法”，于1925年实现工业化。银法在爆炸上限操作，原料气中甲醇浓度较高，设备生产效率高，所以，其建设投资较低，但是，由于银法在873K以上的高温操作下，银粒易熔结增大，加之对毒物（Fe、S）很敏感，因而催化剂易失活，寿命仅为铁钼法催化剂的1/21/3。铁钼法是在空气过量条件下操作，进入反应器的混合气中甲醇浓度低，必然使设备效率降低，动力消耗增大。但由于该法是强烈放热反应，加之反应温度低，对所产生蒸汽余热的利用率高，以致其成本与银法类似，甚至更低。而银法又分电解银法和浮石银法。浮石银法其制造方法是将4mm左右的浮石颗粒用硝酸处理，除去铁杂质后

16、，浸于硝酸银溶液中煮沸、蒸发。再将载有硝酸银的浮石在高温下煅烧、分解：2AgNO3Ag2O+ NO2 +NO+O2氧化银在使用时被还原银。该催化剂的比表面积大，活性较高，甲醇转化率达84%，选择性达88%。电解银法其制造方法是将含硝酸的硝酸银水溶液置于电解槽中，通直流电进行分解，制成金属网状高纯度银。电解银催化剂活性高，甲醇转化率可达90%，选择性可达91%以上。银法和铁钼法的技术经济指标（以37%甲醛水溶液计）比较下表1·1。表1·1银法和铁钼法的技术经济指标比较表项 目银法铁钼法投资比1.001.151.30甲醇但耗，kg/t445470420437能耗节余，元/t49

17、.695.2生产成本比1.01.0工作指标甲醇质量分数%>37<7反应温度600700280350催化剂寿命，月361218反应效果甲醛质量分数%37405560产品醇含量，%480.51.5产品酸含量，%100200200300收率，%86909598催化剂组分电解银或浮石银Fe-Mo对毒物敏感度大小失活原因烧结会中毒 Mo升华综上所述，基于三种方法，采用电解银法比较合理，因此本设计是以电解银为催化剂生产甲醛。1.2.3电解银法工艺条件的确定(1)反应温度 反应温度是影响甲醇氧化生产甲醛的重要因素。在工业生产中，反应温度的选择主要是根据催化剂的活性、反应过程甲醛收率、催化剂床层压

18、降以及副反应等因素决定的。图1·1给出了甲醛单程收率和反应温度的关系。图1·1甲醛单程收率和反应温度的关系（氧醇摩尔比为0.340.40）有图可见，当反应温度在873913k之间时，均可获得较高的甲醛收率；当温度超过913k，甲醛收率明显下降。（2） 反应压力由于高温下甲醇氧化反应平衡系数较大,故压力对甲醇氧化反应化学平衡的影响基本可以忽略。生产中一般采用常压操作,反应压力（表压）为0.02MPa左右,主要是为了克服系统阻力。（3） 氧醇摩尔比 图1·2表示了氧醇摩尔比与甲醇单程收率的关系。图1·2甲醛单程收率与氧醇摩尔比的关系由图可见，甲醇单程收率随氧

19、醇摩尔比的增大而升高。因此，适当提高氧醇摩尔比是有利的，但过大的氧醇摩尔比并无好处。当氧醇摩尔比超过0.40之后，甲醇单程收率增加缓慢，而尾气中碳的氧化物含量增加，即消耗于二氧化碳和一氧化碳的甲醇量增多，反应的选择性下降。鉴于以上原因，在工业生产中一般采用0.390.40的氧醇摩尔比。（4）原料气纯度原料气中的杂质严重影响催化剂的活性，因此对原料气的纯度有严格的要求。当甲醇中含硫时，它会与催化剂形成不具活性的硫化银；含醛、酮时，会发生树脂化，甚至成碳，覆盖于催化剂表面；含五羰基铁时，在操作条件下析出的铁沉淀于催化剂的表面，会加速甲醛分解反应。为此，作为氧化剂的空气应经过滤，以除去固体杂质，并在

20、填料塔中用碱液洗涤除去二氧化碳和二氧化硫。为了除去五羰基铁，将混合原料气在反应前于473573K通过充满石英或瓷片的设备进行过滤。（5）反应时间增加反应时间，有利于甲醇转化率的提高，但深度氧化、分解等副反应增加，因此，工业上用短停留时间的方法。一般控制接触时间为0.1s左右。综上所述，可得工艺条件一览表如1·2。表1·2工艺条件一览表反应温度873913K反应压力常压氧醇摩尔比0.390.40接触时间0.1s1.2.4反应器的选择由于采用电解银法生产甲醛，反应温度较高，反应过程中产生大量的热，这部分热量及时移出反应器，因此，氧化器下必须设有废热锅炉，可以将余热充分利用在其他

21、需要热量的地方，由于氧化反应混合气经过废热锅炉后，温度仍然较高（200）左右，在废热锅炉下部须再设有列管式换热器。由此可得反应器工三个部分；即反应器、废热锅炉段、换热段、为防止开、停车时热胀冷缩对反应带来损坏，消除温差引起的线形应力，反应器上应设有膨胀节和防爆装置。1.2.5分析方法的选择对照化工分析中的几种方法，重量分析法、吸光光度法、原子吸收分光度广度法、原子发射光谱分析法、电位分析法、气相色普法等多种分析方法。因为色普法是一种用于分离、分析多组分混合物质有效的方法，且分析纯度较高，速度比较快，灵敏度高。根据实际情况，采用气相色普法。第1.3节 工艺流程1.3.1工艺流程简图甲醇氧化制甲醛

22、的工艺流程简图如1·3所示。甲醇罐高位槽流量计蒸发器过热器过滤器风机一塔冷却器一塔循环泵第一吸收塔反应器混合过滤器甲醇贮罐二塔冷却器二塔循环泵第二吸收塔空气qi 气软水水第三吸收塔三塔循环泵三塔冷却器图1·3 工艺流程简图流程叙述（1）甲醇从甲醇罐经泵打到甲醇高位槽中，由甲醇过滤器除去杂质后进入甲醇蒸发器中，在318-322K蒸发。（2）空气经过滤器后进入鼓风机，经空气缓冲罐进入甲醇蒸发器鼓泡，与甲醇蒸汽混合。（3）蒸汽与甲醇混合称之为混合气，进入到过滤器中加热到398K。混合气经过过滤器后进入到氧化器中，通过873-913K的电解银床层反应生成甲醛。混合气由氧化器中部的废

23、热锅炉段冷却到353-373后去吸收塔。（4）软水由软水贮罐加热到热水槽中，由分汽缸来的蒸汽通入到热水槽中，将软水加热到338K，用蒸发器热水泵送到蒸发器中加热，促使甲醇蒸发。热水降到333K后到氧化器的冷却部分冷却器。它使反应后的混合气降温。出氧化器的冷凝水则收集在热水槽中贮存使用。（5）从氧化器来的热水用氧化器热水泵送到汽包，流入到废热锅炉段中。加热的水蒸气通过汽包到分汽缸中工系统使用。（6）由氧化器来的物料进入到一吸收塔下部，被塔顶流下来的甲醛溶液吸收下来。由塔顶出来的气体进入二塔下部。由二塔顶部出来的未被吸收的气体进入三下部，尾气由三塔顶放空。（7）软水由软水贮罐用三塔循环泵送到三塔顶

24、部，塔底组分经泵一部分到二塔循环泵，一部分到二塔冷却器冷却后，回二塔循环，另一部分送到一吸收塔顶作为吸收液由一塔循环泵送到冷却器后，进入一吸收塔顶部循环。（8）待取样化验浓度合格，可采出到合成工段的甲醛贮罐中。第1.4节 车间人员配置 本车间实行班期制，共分四个班，三班连续化生产。每班4人（包括班长1）人。车间人员分配见表1·3。表1·3工艺条件一览表车间主任1人工段长1人班长4人分析员4人设备技术员1人工艺技术员1人统计员1人材料员1人工人20人合计34人第1.5节 三废处理本生产流程中主要的废弃物有废气、废液两种，从第三吸收塔放空的尾气不直接放空，而是送入尾气燃烧炉，此

25、时可以回收其燃烧所放出的热量，并将其产生的一定量的蒸汽供甲醇配料使用，不但减少了尾气对大气的污染，还降低甲醛生产的能耗。从第二、第三吸收塔塔底引出的废液送入脱醇塔，回收甲醇循环利用。剩余废液送入贮罐，通过化学方法将其中的主要污染物进行清洁处理。在整个生产过程过程中冷却水循环使用。 第2章 设计计算第2.1节 基础数据及反应过程2.1.1 参考数据原料、辅助剂、产品的主要技术特性参数及规格如表2·1所示。表2·1技术特性参数表名称甲醇空气甲醛水分子式CHOHHCHOH2O分子量32293018密度(20, 101.33Kpa)Kg/m37911.293998比热容KJ/(Kg

26、)2.481.0093.0694.183粘度u×105pa .s0.61.731.005沸点(101.33Kpa)64.7-195-21100汽化热kJ/Kg11011972258临界点温度-140.7压强K pa3768.4导热系数w/(m )0.2120.02440.599自燃点400430体积爆炸极限6%-36%7%-73%生成热kJ/mol-201.3-115.970燃烧热kJ/mol727.03563.840反应过程的各项指标参数如表2·2所示。表2·2参考数据表甲醛收率83%（质量分数）甲醇转化率93.3%（质量分数）原料配比甲醇（g）：水（g）：空气

27、（g）=1：0.58：1.338反应温度873K913K生产时间300天（连续生产）原料入口温度393K原料出口温度473K冷却水入口温度298K冷却水出口温度338K原料规格成分CH3OH酸值硫酯水羰基化合物质量分数%980.030.0150.61.350.005尾气组成成分CO2COO2H2N2H2O(g)质量分数%4.00.50.21776.32生产量（t）28000原料气流速m/s0.76换热面积m280催化剂负荷22Kg/(Kg·h )热损失量10%2.1.2 原料规格（1）甲醇外观无色透明，没有机械杂质，d= 0.793 馏程范围： 64-67含量： 98%酸值 0.03

28、%（以甲酸计）硫值 0.015%酯值 0.6%羰基化合物（以HCHO计）0.005%水：1.35%（2）空气不含灰尘、机械杂质和可能使催化剂中毒的硫化物、氰化物。（3）水不含酸酐、机械杂质和悬浮物。2.1.3 产品规格本设计对产品的规格要求如表2·3所示。表2·3参考数据表指标名称单位一级品二级品企业标准甲醛含量g/100g370.5370.5401甲醇含量g/100ml6-12121甲酸含量g/100ml0.040.050.05灼烧残液g/100ml0.010.010.012.1.4主要反应过程反应气空气、水CH3OH反应器主反应：CH3OH+1/2O2 HCHO+2H2

29、O(2·1)副反应：CH3OH HCHO+ H2(2·2)CH3OH+3/2O2 CO2+2 H2O(2·3)CH3OH+1/2 CO+2 H2O(2·4)第2.2节 物料衡算和热量衡算物料衡算过程（1）年（300天）产28000吨37%的甲醛水溶液的每小时的生产量（2）通入的甲醇量（3）原料各组分量H2O：空气：则：O2：N2：（4）原料带入水量（5）尾气量其中：N2：O2：H2：CO：CO2：H2O：CH3OH：（6）剩余氧气量由于系统中仅有反应(2·3)中有CO2生成，根据尾气组成反应(2·3)中耗O2量为：水生成量为：同理：(

30、2·4)式中的耗O2量为：水生成量为：根据(2·2)式得生成的甲醛量为：则：(2·1)式中的甲醛量为：(2·2)式的耗O2量为：(2·3)式的水生成量为：则剩余O2量为：生成水总量为：系统中用水量为：（7）物料衡算一览表由物料衡算过程得到物料衡算一览表如2·4所示。表2·4物料衡算一览表进料出料kg/h%kmol/h%kg/h%kmol/h%CH3OH1347.8230.27942.1225.38488.321.9832.761.431HCOH1027.7823.09234.2617.760O2538.8812.10116.

31、8410.14856.461.2731.780.923N21774.6439.86363.3838.1971774.4639.86863.3832.86CO2146.163.2843.321.721CO11.660.2610.420.218H2O781.7417.55743.4426.1811308.7429.40572.737.688H228.240.63414.127.320HCOOH0.4040.0090.008780.0050.4040.0090.008780.005硫0.2020.0050.006320.0040.2020.0050.006320.004酯8.080.1840.134

32、60.0808.080.1840.13460.069羟基化合物0.0680.0020.002260.0010.0680.0020.002260.001合计4451.84100165.921004450.76100192.9100热量衡算过程热量衡算的目的是通过整个系统的热量平衡计算出反应过程中传递至载体的热量，从而确定蒸汽的消耗量和传热器的冷却水的消耗量。物料带来的热量=物料带走的热量-反应产生的热量+传递至热载体的热量+热损失+积累的热量（1）物料带来的热量（2·5）某物料状态发生变化时焓的改变量，；T1、T2反应物料的温度，K； T1=393K，T2=893K由工艺条件给出 某物

33、料进料时的摩尔流量，。某物质的摩尔热容，其中，（2·6）a、b、c见参考文献（3）附录一。CH3OH O2 N2 H2O H2 HCHO CO2 CO HCOOH 由参考文献（3）中附录八查得。反应物料由393K-893K所带来的热量，由公式（2·5）得，= =750239.9 =134252.78 =489779.49 =408324.66物料带来的热量（2·7）则：= =750239.9+134252.78+489779.49+408324.66 =1782596.83（2）反应热的计算（2·8）（2·9）其中，标准状态下的摩尔相变焓；同式

34、（2·6）；某反应B的计量数标准状态下某反应物B的标准摩尔生成焓，。各物质的标准摩尔生成焓如下：物质O2CH3OHHCHOH2OH2CO2COHCOOH0-200.66-108.57-241.820-393.51-110.53-424.72由参考文献（3）中附录九查得。根据上述数据，对反应（2·1）可得， = =5524.92 =-1507760.96同理对于反应（2·2） = =38098.33同理对于反应（2·3） = =5091.22=-1122965.11 同理对于反应（2·4） = =2624.95 =-82635.21根据以上计算值

35、得到总反应热为-2011966.49（3）带出的热量设物料出口物质组成为：CH3OH 、HCHO 、O2 、N2 、CO2、CO、H2、H2O（2·10）其中， 某物料带出的热量，； 反应出口温度，K；=473K，工艺条件给定 物料出口处的摩尔流量，CH3OH =-42870.08HCHO =-368230.23O2 =-382204.14N2 =-414136.17CO2 =-33992.16CO =-2753.66H2 =-88042.40H2O =-581423.90物料带出的热量为：=-1913652.74（2·11）（4）热损失的热量（2·12）其中，物

36、料带出的总热量，；=1782596.83，由式（2·7）计算得到。 热损失占供热量的百分数，%。，由工艺条件给出所以，（5）传递至载体的热量由热量衡算式可知：传递至载体的热量=物料带来的热量-物料带出热量+反应产生的热量-热损失-积累的热量其中，积累的热量0，工艺条件给定。计算得：传递至载体的热量 =1782596.9-（-1913652.74）+（-2011866.49）-178259.69-0 =1506123.46（6）冷却水的用量废热锅炉的用水量废热锅炉安装在下段，其入口温度为406K，压力为0.3MPa，查表得汽化热为2200，该冷却水的热源是物料带出的热量（2·

37、13）其中， Q 物料带出的热量，由计算得到。Q=1913652.74 物料的汽化热计算得：换热器用水量本设计中采用的冷却水的标准参数是依据吉林联合化工厂甲醛生产车间的实际参数，入口温度为25，出口温度为65，冷却段的热量为传递至载体的热量，由式（2·14）可知（2·15）其中， Q 传递至载体的热量，由计算得到。Q=1506123.46；水的比热容，；入口、出口处的温度差，。计算得：冷却水的总用量（7）催化剂用量设计中催化剂负荷采用吉林联合化工厂的实际参数22（2·16）其中，催化剂用量，kg；催化剂负荷，；单位时间内生成目的产物所消耗的原料量，kg/h催化剂用

38、量为：（8）热量衡算一览表由上述计算，整理得到热量衡算数据如表表2·5所示。表2·5热量衡算一览表组分CH3OH750239.9742870.08HCHO368230.23O2134252.78382204.14N2489779.49414136.17CO233992.16CO2753.66H288042.40H2O408324.66581423.90反应热2011866.49热损失178259.69冷却水1506123.46合计3794463.393794463.39第2.3节 设备工艺尺寸计算和设备机械强度计算2.3.1确定床层高度与直径一 床层高度计算V=F0=82.

39、96mol/h物料入口的体积流量=×=得因物料流速已知，由公式H=所以催化剂床层密度为：H=0.76×3600×二 直径计算反应器横截面积由得 D=圆整后直径为1300mm。2.3.2核算换热面积取K作为500w/m热流体 620120冷流体 2565则，由公式Q=k得需要=Q/k=1806281.3/226.9500=15.92m,能够满足工业需要。2.3.3确定换热气列管取国标中列管规格，管程数N=6，管子根数1192，中心管数38，管长6000。设备机械强度计算(1)给定工艺条件原料气管压P<0.78×105Pa，取管压为P<0.78&

40、#215;105Pa废热炉压力取2.94×105Pa换热器压力取2.94×105Pa焊缝系数取0.7年腐蚀余量0.5mm，对氧化器腐蚀余量为2mm，废热锅炉和换热器的腐蚀余量为mm反应器与甲醛接触材质0Cr18Ni12Mo2Ti，废热锅炉与管板接触材质20R，其余A3R。(2) 设计参数设计参数如表2·6所示。表2·6设计参数一览表名称废热锅炉下部换热器氧化器设计压力0.1MPa管内管外管内管外0.78设计压力0.1MPa管内管外管内管外0.780.782.940.781.96工作温度K475-973406-973973-363334-338973-39

41、3介质甲醛蒸汽甲醛水甲醛混合气混合气水混合气气焊缝系数0.70.70.70.70.7腐蚀余量1.01.02.0钢管长m1.01.0钢管规格25×225×2（3）关于氧化器封头的计算已知：反应器压力为0.78×105Pa，C2=2.0 材质为1Cr18Ni9Ti，有参考文献（9）得：t =1.176×107Pa,封头焊缝系数取=1.0， C1=0.8则=PcDi/2t-0.5Pc=0.78×105×1300/2×1.76×107-(0.5×0.78×105)=4.35mm名义厚度=4.32+0.8

42、+2+=7.12+，圆整到8mm。（4）氧化器壳体壁厚的计算已知：压力为0.78×105Pa，C2=2.0，材质为1Cr18Ni9Ti，=0.7, t=1.176×107Pa= PcDi/2t -Pc =0.78105×1300/2×1.176×107×0.7-0.78×105=6.19mmn=+C1+C2+ =8.99+ 圆整到10mm校核：PT=1.25Pc/t取/t1 PT=1.25×0.78×105=0.975×105Pa=0.0975MPa1MPa0Cr18Ni12Mo2Ti的s40M

43、Pa =0.7t=(PT+PL)(Di+e)/2e0.96S= (C1+C2)=10-2.8=7.2t=0.1×(1300+7.2)/2×7.2=9.08MPa0.9×0.7×41=25.2MPa经过校核满足要求。（5）废热锅炉上部壳体壁厚的计算选材质20R，得t=134.3MPa =PcDi/2t-Pc =2.94×105Pa×1300/2134.4×106×0.7-2.94×0.78×105=2.04mmn=n+C1+C2+=2.04+1+0.8=3.84mm以便于连接圆整到8mm= (C1

44、+C2)=8-1.8=6.2mm水压试验校核：20R的s =245MPa PT=1.25Pc/t=1.25×2.94×105=0.3675MPaT =(PT+PL)(Di+e)/2e =38.7MPa0.9×0.7×245=154MPa符合要求。（6）下部壳体材质A3R t =124.5MPa=PcDi/2t-Pc=2.94×105×1300/(2×124.5×106×0.7-2.94×105)=2.20mmn=n+C1+C2+=2.2+1.0+0.8+=4mm 根据需要圆整到8mm=8-1.8

45、=6.2mm校核：PT=(PT+PL)×(Di+e)/(2e)=38.70.9×0.7×235=148.05MPa符合要求。（7）换热器壁厚计算材质A3R t =124.5MPa =0.7=PcDi/2t-Pc=1.96×1051300/(2×124.5×106×0.7-1.96×105)=1.46mm=n+C1+C2+=3.26mm按需要圆整到n=8mme = (C1+C2)=6.2mm校核：查表得A3R的s=25.8MPa PT=1.25Pc/t=2.45×105PaT =(PT+PL)(Di+e)/

46、2e =25.8MPa0.9s=0.9×0.7×253=148.05MPa25.8MPa所以符合要求。（8）膨胀节的选取考虑温差引起的效应损坏设备，反映器应该加膨胀节补偿，根据公称直径Dg=1300，选取膨胀节壁厚为6mm，材质为1Cr18Ni9TiR>45mm L=200mm 最大外径 D0=1450mm,标号：JB112168L7 （9）换热气法兰的选择因为换热器温度为65,根据文献（9）表18-1知道温度为50的时候，允许工作压力为2.2×105Pa，公称压力为Pg=2.5×105Pa ，选公称压力为2.5×105Pa的甲型平焊法兰

47、。（10）反应器支座的选择与计算设备重量：G1=3307Kg氧化器高度为H=1m,体积V1=（/4）D2H=1.33m3,物料重：G2=V1×1.29=1700Kg废热锅炉水重：列管体积V列=（d2/4）×1.0×n=0.33m3废热锅炉的体积V废=0.785×1.0×1.3=1.02m3则通水的体积V2=V废-V列=0.69m3通水重量V3=V2×1.0×10m3=0.69Kg换热气通水量：列管体积V列=（/4）×d2×L×n=0.785×0.0252×1.3×525=0.33m3换热气体积V换=/4d2×L=1.72m3通水重量G4=G3=1390Kg总重G=G1+G2+G3+G4=7087Kg支座允许负荷重量：=G/2=3539.5Kg选用B型悬挂式支座。（11）椭圆封头尺寸选取DN=1300mm h1=325mm h2=40mm（12