《化工设计》课程设计说明书

1、太原理工大学化学化工学院化工设计课程设计说明书项目名称:年生产4万吨草酸初步设计设计人姓名:专业班级:指导老师姓名设计起止日期:1.概述1.1设计依据主要技术经济指标: 用途:草酸是重要的有机工业原料,草酸及其衍生物是许多药品生产那的中间体,如用于生产色甘酸钠、异唑肼。草酸可用于稀土元素的提取、分离和精制。此外,草酸可用于纺织品的清洗,纤维染色,永久定型及其阻燃。在聚合物合成中,草酸是制取许多有机物的原料或其它反应的催化剂等。主要原辅材料的物理化学性质、技术指标及供应: 设计进度:232322222(H CO NaCO HCOONa O H NaCO NaOH CO OH Ca O H CaO

2、 +1.2车间组成及生产制度(1造气合成车间(造气工段、合成工段、(2脱氢车间(脱氢工段、(3钙化、酸化车间(钙化工段、酸化工段、4结晶、干燥车间(结晶工段、干燥工段本项目为年产(4吨草酸产品的项目,本设计说明书对厂区围墙内的年产4吨的草酸产品装置,辅助生产装置,供排水系统,供热系统等进行了比较详细的说明。2.化工计算(物料衡算和热量衡算 2.12工艺示意图简述如下:(1鼓风机加压的空气由下部鼓入煤气发生炉,焦炭有煤气发生炉顶部加入,空气与燃烧状态的焦炭相互反应生成含有30%一氧化碳的空气煤气,煤气由顶出口排出,经洗气后进入第一水洗塔,水洗后的煤气进入真空泵加压,加压后的煤气进入第二水洗塔进一

3、步除去细小微量灰尘,通过企业分离器进入压缩机煤气经压缩机压缩到1.8-2.0兆帕经油分离器分去掉其中油污,进入高压水洗塔出去二氧化碳和微量的硫化氢,然后在预热器中和稀碱液混合升温到150-170摄氏度再进入合成管合成甲酸钠混合气,经减压的甲酸钠混合气在尾气分离器中分离掉未反应的气体和水蒸气同时把合成的稀甲酸钠液体送到甲酸钠储罐,待用。(2由甲酸钠储罐打入蒸发室经管间水蒸气加热,在真空蒸发浓缩到1000Be后放入浓甲酸储罐,再由泵打入离心机,分离的到固体甲酸钠,母液返回蒸发室,将固体甲酸钠投入脱氢反应器有过热蒸汽升温到410-430摄氏度脱氢生成草酸钠,迅速加入新鲜冷却溶解,通过真空吸料罐放入草

4、酸钠槽,然后经过滤机得到的滤饼放入悬浮液配料槽中加水配成草酸钠含量160-180g/L的悬浮液,待用。(3由脱氢来的草酸钠悬浮液由离心泵打入钙化灌,与氢氧化钠在搅拌下反应,反应后用带式过滤机过滤,滤液打到稀碱液槽,一部分送到御配碱池与外购的浓碱液加入新鲜水配制成185g/L的溶液送达合成车间,另一部分送三效蒸发器浓缩后送合成车间,草酸钙悬浮液送入酸化罐,然后将配酸罐中浓度为35%的硫酸用泵打入酸化罐与草酸钙悬浊液混合反应,然后将反应后的液体送去带式过滤机过滤,滤液进入吸收罐,用蒸汽加热至85摄氏度送入带有搅拌的结晶罐晶体。滤液经5次洗涤,前两次结晶后的母液、洗水送到石墨蒸发器浓缩,其余三次用新

5、鲜水洗涤,洗水和浓缩后的母液一起送去配酸罐稀释92.2%的浓硫酸使其达到反应所需浓度。待用。(4吸附罐出来的草酸溶液结晶浓缩后进入离心机,离心后的固体草酸加入新鲜水溶解,经过过滤除杂后重新结晶,离心分离后的草酸固体用真空吸入滚筒干燥器与经过加热的热空气逆流干燥,在滚筒的尾部计量包装即成成品草酸。 生产能力的计算(1 草酸每小时生产能力:=24*3001000*400005555.56kg/h 各部分反应所需的物料流量(1CaC2O4+H2SO4CaSO4+H2C2O444.07/0.92=47.90kmol/h每小时消耗的H2SO4 47.90*98=4694.2kg/h原料中H2SO4的含量

6、为92.5%每小时消耗的硫酸原料量为4694.2/0.925=5074.8kg/h(2NaC2O4+Ca(OH2CaC2O4+2NaOH每小时消耗的Ca(OH2的量为47.90/0.98=48.88每小时消耗的NaC2O4的量为47.90/0.98=48.88(32HCOONa=NaC2O4+H2每小时消耗HCOONa 的量为2*48.88/0.83=117.8kmol/h(4CO+Na=HCOONa每小时消耗CO的量和NaOH得量都是117.8/0.95=123.98kmol/h (52C+O2=2CO每小时消耗C的量为123.98kmol/h每小时消耗O2的量为61.99kmol/h(6副

7、反应的C的消耗从汽化炉出来的各种气体的含量如下表 因为C+O2=CO2,所以生成需要消耗C的量和O2的量都是10.33kmol/h (7综合(5(6C的消耗量123.98+10.33=134.31kmol/h*12=1611.72kg/h因为焦炭中含碳85%,所以实际消耗C的量为1611.72/0.85=1896.14kg/h(8综合(5(6O2的消耗量为61.99+10.33=72.32kmol/h入炉空气中O2的含量为72.32+58.68=131.00kmol/h 466.37kmol/h*22.4*1000/1000=10446.69Nm3/h空气总量为123.98+466.37=59

8、0.35kmol/h(9 CaO+H2O=Ca(OH2有(2中的投料比NaC2O4:Ca(OH2=1:1.15因为生石灰中CaO的含量为90%,所以消耗石灰的量为56.212*56/0.9=3497.64kg(10 NaOH消耗量为123.98*40=4959.2因为采购的NaOH为42%,所以NaOH的消耗量为4959.2/0.42=11807.62kg/h又因为副产物消耗 CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O消耗NaOH 10.33*2=20.66kmol/h所以消耗总量为123.98+20.66=144.64kmol/h*40=5785.6kg/h表1-4物料消耗统计汇总表(每小时

9、2.3副产物生产量的计算(12HCOONa=NaC2O4+H2每小时H2生产量为48.88*1000/1000*22.4=1094.91Nm3/h (2 NaC2O4+Ca(OH2= CaC2O4+2NaOH每小时NaOH的生成量为47.91*2=95.81kmol/h95.81*40=3832.5kg/h(3 CaC2O4+H2SO4=CaSO4+ H2C2O4每小时CaSO4的生成量44.08*136=5996.0kg/h2.4物料与热量和能算(1煤气发生炉物料与热量和能算计算依据其中空气组成问为O2:N2=0.21:0.79【C】产物空气组成如下表 物料衡算a 炉出口气组分流量CO 12

10、3.98kmol/hO2 58.68kmol/hCO2 10.33kmol/hN2 466.37kmol/hb 进口的分流量焦炭1611.72kg/hO2 10446.69Nm3/hN2 10446.69Nm3/h表2-2物料衡算表 (1计算依据a 进炉空气焦炭均为25b 出口混合气温度为800c 出口气体组成如下表 ·kd 平均热熔(1073K,KJ/Kmol C+O2=CO查表得fHm(CO=110.525KJ/molH1=123.98*(-110.525=-1.37*105KJ/hC+O2=CO2查表得fHm(CO2=-393.509kJ/molH2=10.33*(-393.5

11、09=-4.06*103KJ/h 以下为个气体从25-800是的焓变总焓变H=-1.61*107 KJ/h冷却介质用100锅炉给水出口为190的饱和蒸汽,100水的焓值为419.04KJ/kg需水产气量为 1.61*107/(2786.4-419.04 =6803.69kg/h(1计算依据a 入口气与出口气组成相同,结尾煤气发生炉的出口气组成b 入口气温度为800c 出口气温度为300d 锅炉侧产生200的饱和蒸汽,进水100(2热量衡算 查表得各组分平均热熔Cp(KJ/mol 现行内插举例:298K-1073K间CO平均热熔Cp=30.93+(31.24-30.93/(1100-1000*(

12、1073-1000=31.16KJ/k 内插法结果如下表所示 O2 800-300N2800-300CO 800-300CO2 800-300所以煤气总焓变H=1.059*107KJ/h蓄水量为1.059*107/(2786.4-419.04=4470kg气体50-25新鲜水18-25 总焓值H=4.87*105 KJ/h18水的焓值为75.57KJ/kg25水的焓值为104.89KJ/kg需水量为4.87*105/(104.89-75.57=16633.7 kg/h由高压水洗塔出来的气体温度为25,经预热器预热至160,高压水洗塔出去CO2 总焓值H=2.57*106KJ/h需190的蒸汽量

13、为2.57*106/1978.3=1299kg/h有物料衡算得碱液4339.8kg/hCp近似取值为4.2 KJ/kg·k用190的蒸汽预热A 物料衡算(1计算依据a HCOONa的产量为117.8kmol/hb CO+NaOH=HCOONa 收率为95%c 原料气组成CO:O2:CO2:N2=300:142:25:533d 碱液中含NaOH为42%(质量,即0.246(摩尔(2物料衡算a 合成反应器进口原料气给组成流量 b 合成反应出口物料 B 热量衡算各物质热容如下表: CO+NaOH=HCOONa fHm(CO=-110.525KJ/molfHm(NaOH=-525.60KJ/

14、molfHm(HCOONa=-665.57KJ/molfHm=fHm(HCOONa- fHm(NaOH=-129.536 KJ/mol 故反应热为117.8*103*(-129.536=-15.7*106KJ用100循环水升温到汽化热为2257KJ/kg需水量为15.7*106/2257=6956kg(1计算依据a入口气组成与出口气组成基本相同b 入口气温度为300出口气温度为50c 进洗气箱循环温度为25d 出气箱循环水温度是40(2热力学参数取基准温度为298K查表298K-400K间各组分平均热容如下表 查表298K-600K间各组分平均热容如下表 利用线性内插法求得298K-323K间

15、各组分平均热容如下表 298K-573K间各组分平均热容如下表 故得总焓H=4.92*106KJ/mol40水的焓值为167.57KJ/kg25水的焓值为104.89 KJ/kg故需水量为4.92*106/(167.57-104.89=7.84*104KJ/molA 物料衡算(1计算依据a 每小时需浓缩出117.8kmol/hHCOONa即8010kg/hb 进料浓度为400g/l 出料浓度为900g/lc 加热蒸汽温度为200d 进料液温度为100(2热参数100水的汽化潜热为2257KJ/kg200水的汽化潜热为1940.7 KJ/kg(3物料衡算a 入口物流稀HCOONa溶液为117.8

16、*68/400=20.03m3/hb 出口物流浓HCOONa溶液为117.8*68/900=8.90m3/h H2O为(20.03-8.90*1000=11130kg/hB 热量衡算a 稀HCOONa溶液蒸发水吸热Q=11130*2257=2.51*107 KJ/hb 需加蒸汽量为2.51*107/1940.7=12900 kg/hA 物料计算(1计算依据 2HCOONa=Na2C2O4+H2a 每小时脱氢生成48.88molNa2C2O4b 脱氢反应收率83%c 进料为HCOONa固体d 副产物为2HCOONa=Na2CO3+CO+H2(2 物料衡算a 出口物料组成流量草酸钠假设碳酸钠的转化

17、率为90%,已知收率为83%CO 4.17kmol/hH2 4.17+48.88=53.05kmol/hb 进口物料组分流量HCOONa 38.88*2/0.83=93.69c 物料衡算表 B 热量衡算计算依据脱氢反应在380-420发生,在280-300有副反应 2HCOONa=Na2CO3+CO+H2发生 2HCOONa=(COONa2+ H2Hf=-1305.34+2*664.67=24KJ/molHof=-1135.717-110.129+2*664.67=83.494 KJ/mola 未反应的甲酸钠所吸收的热量G1b 发生副反应的甲酸钠吸收的热量G2甲酸钠升温热Q1=4.17*2*(

18、300-25*76.53=1.76*105 KJ/h G2= Q2 +Q1=5.24*105 KJ/hc 甲酸钠生成草酸所需的热量G3甲酸钠的反应热Q2=38.88*6*103=2.33*105 KJ/hG3=Q1+Q2=2.46*106 KJ/hd 总热量 G= G1+G2+G3=3.34*106 KJ/h(1 计算依据a 每小时生成CaC2O437.91kmolb 钙化反应收率 0.98c 进口草酸钠(悬浮液浓度为400g/l,Ca(OH2浓度为900g/ld 投料比 NaC2O4:Ca(OH2=1:1.15e 产物碱液浓度为80g/l(2 物料衡算a 出口物料CaC2O4 37.91km

19、ol/h碱液 37.91kmol/hb 进口物料44.49*74/900=3.66m3/h(1计算依据a 出口H2C2O4密度为320g/lb 每小时需处理CaSO4浓度为37.91kmolc H2SO4进口浓度为92.5% 出口为400g/ld 进料CaSO4浓度为400g/le 物料比H2SO4:CaSO4=1:1.1f CaC2O4+H2SO4=Ca+ H2C2O4g 反应温度 85h 操作压力 0.1Mpa进料 CaSO4 37.91kmol/hH2C2O4溶液 35.06*90/320=9.86m3/hCaSO4 35.06kmol/h=4769.1kg/h草酸溶解度 草酸的溶解度随

20、温度变化很大适用于冷却结晶,将此溶液冷却到20,草酸浓度350kg/m3,c产量5555.56kg/h,结晶罐夹套水温为20,结晶出的盐为H2C2O4·2H2O,近似认为10000Kg水中有350kg H2C2O4,假设有2%的水蒸发R=126/90=1.4C1=350/1000=0.35kgC2=9.52/100=0.0952kgC3=2/106=0.02kg(1计算依据a 吸附罐内草酸溶液入口温度25,出口温度85b 用1.3MPa蒸汽加热c 草酸钠溶液浓度350 kg/m3,产量5555,56kg/h(2热量衡算草酸的平均热容Cp=101.156KJ/mol·k水平均

21、热熔Cp=75.28 KJ/mol·k草酸升温所需要的热量水吸收的热量Q2=5555.56/350*1000*75.28/18*(85-25=4.0*106 KJ/h总热量Q= Q1+Q2=4.268*106 KJ/h则所需1.3MPa蒸汽为G=Q/Hf=165961.3kg/h(1计算依据a 干燥水分为30%,H2C2O4·2H2O的量5555.56kg/hb 物料入口温度20,出口温度45,含水5%c 气体入口温度165,出口温度80d 桶内物料存留率5%(2热量衡算干物料的平均热容Cp=1.124KJ/kg入口热风 H1=0.03 KJ/kg 干空气a 所需风量,入口

22、处热焓b 设排风湿度为H2出口处热风焓为 1.005*80+(2500+1.956*80=2736.88 KJ/kgKJ/h根据热量衡算,G0为必须的干空气量G0=53564kg/h3主要设备的选择及计算3.1甲酸钠蒸发器(采用单效蒸发器a 进口甲酸钠溶液的浓度为400 kg/m3,出口浓度为900 kg/m3b 用1.3Mpa,190饱和蒸汽加热c 操作压力P=-450mmHgd 甲酸钠溶液进口温度250,出口温度75.2e 甲酸钠的量 177.8kmol/h 即12090.4kg/h蒸发器内操作压力为P=(760-450/760*105=4.1*104Pa在此操作压力下水沸点T=75.2甲

23、酸钠热容:平均Cp=76.53KJ/kmol·k水的平均热容 Cp=75.78KJ/kmol·kP=0.04 MPa时,水蒸发潜热为2321.4KJ/kgP=1.3 MPa时,水的蒸发潜热1978.8 KJ/kg蒸发器中蒸发掉的质量为M1,M1=(1-400/900*3946.3/400*1000=5480.97kg/h蒸发需要的热负荷Q溶液升温所需的热为蒸发水分所需的热Q=Q1+Q2=1.34*107 KJ/h则需水量G=7250kg/h有效温差为114.8,总传热系数W=1200w/m2·忽略热损失S=Q/Kt=14419327.31/(1200*114.8=

24、104.67 m2a 加热室选用38mm×3mm,长为3mm的无缝管为加热管管数n=S/d=282加热室内径D=t(Nc-1+2b采用膨胀管取t=1.5d故t=1.5d=57mm取b=1.5d=57mm加热室直径D=57*18+2*57=1140mmb循环管根据经验值取循环管额截面积为加热管总截面的75%,故循环管的截面积为0.75*/4*0.0322*210=0.1676m2故选用426mm×9mm的无缝钢管为循环管c 分离室取分离室的高度为3.5m41Kpa 蒸汽密度为0.2146 kg/m3,则二次蒸汽的体积流量为Vs=5524.86/(0.2416*36000=0.

25、64 kg/m3取允许分离蒸发体积强度Vs为1.5kg/m3分离室直径D1=(4Vs0.5/HVs=6.02H/D=1.46 高径比在1-2之间3.2 氢氧化钠溶液蒸发器(采用单效蒸发器a NaOH溶液入口浓度80kg/m3,出口浓度185kg/m3b 操作压力P=0.08169*105Pac 溶液入口温度25,出口温度25d用1.3Mpa的蒸汽加热。P=0.8169*105Pa时,水的汽化潜热为2442.3 KJ/kg蒸发水所需的热量Q=(4340/80-4340/185*1000*2442.3=7.5*107 KJ/h所需饱和蒸汽的热量G=Q/Hf=3624 KJ/h有效温差t=190-2

26、5=165,蒸发器中溶液的沸点为25S=Q/K=7.5*107/(1200*165=378.8m2a 加热室采用正三角形排列,长为3m的无缝钢管为加热管管数n=S/d=356管子的采用正三角形排列的管数中心的管数NcD=t(Nc-1+2b, t=1.5d=57mmb 循环管根据经验值取循环管额截面积为加热管总截面的故用48mm×9mm的无缝钢管为循环管蒸发的水量G=12825410/2242.3=5719.8kg/h25时3.1677Kpa,水蒸气的密度为0.02304kg/m3二次蒸汽Vs=5719.8/(3600*0.02304=68.96 m3/s取允许分离室蒸发体积Vs为5

27、高度为3.5mH/D=1.11 高径比在1-2之间3.3 废热锅炉a 管内气体流量和组成如下 b 管内气体进口温度500,出口温度230馆内气体进口压力为0.11Mpa,出口压力为0.1 Mpac 采用42mm×3.5mm无缝管管360根作为换热器,管外热水沸腾产生1.3Mpa饱和蒸汽d 热负荷为6.5832*103KJ/h总传热系数管内气体体积流量=15245.6/19560.8=0.78其他数据误差不计,平均温度365,此时温度下空气的物据传热系数=4.61*10-2w/m·k·=3.14*10-5Pa·s管内气体给热系数为管外热水沸腾的给热系数取2

28、=4651w/m·k总产热系数K 污垢热阻取0.26*10-31/K=1/54.7+1/4651+0.0034/45+0.26*10-3+0.5*10-3所以K=1.8 w/m·k对数平均传热温差tm=131.86换热面积热负荷 Q=1.8278*10610-3J/sA=Q/ktm=267073m2取安全系数1.2 则换热面积320m2换热管长L=Q/ktm=8.08 取8.5m3.4 合成造气工序气量3.0万吨/年草酸,每小时需煤气量为4168.3Nm3空气煤气的工艺参数是:气体成分CO<30%,O2<1.0%,CO2<2.5%压力10-20mmHg温度

29、>800气体强度250Nm3/m2h因此选用2400mm×7000mm直型煤气发生炉选用台数3.1台为满足3.0万吨/年草酸,每小时需煤气量为4168.3Nm3,考虑选用国内广泛使用的5.5L-20/25-1煤气压缩机其性能参数如下:打气量: 20m3/min 1200m3/h出口压力:2.5Mpa功率: 250KW计算台数:4168.3/1200=3.5台(备用2台共6台3.5 脱氢工序根据生产任务,由物料衡算得每小时需处理草酸钠固体9801.3kg,每台脱氢锅可加草酸钠固体350kg,需脱氢锅台数为28台(备用4台共32台根据物料衡算,每小时生产草酸钠的量为88.3kmol

30、浓甲酸钠溶液浓度为900g/l,密度为2055g/l每小时需处理浓甲酸钠溶液为88.3*68*2500/900=16.7t】10H-800型卧式活塞推料离心机最大处理能力为5T/h,实际处理能力为4T/h,需离心机5台,选8台。选G-5-1.75型转鼓真空过滤机过滤面积为5m2,转鼓转速0.13-0.26r/min过滤量为3t/h每小时可处理草酸钠固体30.54kmol配成水溶液浓度400g/l,溶液密度为1400g/l溶液质量30.54*134*1400/400=14.32t/h需5台考虑备选共选7台3.6 双化及成品工序每台反应器操作时间1.5h,投草酸钠1.5t,投氢氧化钠1.4t 单日

31、处理NaC2O4的量:1.5t则单罐日产出草酸量为1.52t30000/300/1.52=66台考虑备选共选77台(30000*1000/(300*300=20台,考虑备选共选25台V=5000L结晶罐,日产能力为3.85t/日30000/300/3085=26台,考虑备选共选32台=1000×900滚筒干燥器,每台日产能力20t30000/300/20=5台,考虑备选共选8台4 工艺设备一览表 5工艺流程叙述5.1造气工艺流程叙述由罗茨鼓风机加压的空气由煤气发生炉下部鼓入,焦炭有顶部加入,气化炉带有夹套锅炉,可回收一部分燃烧释放的热量,空气与燃烧状态的焦炭反应生产含CO约30%的空

32、气煤气,煤气由上部出口连续排出,经除尘器出去颗粒较大的灰尘,然后一次经过废热锅炉,饱和器进行热量回收,饱和器出口气体温度约为80,再由罗茨鼓风机出入水洗塔进一步降温,除尘,然后经碱洗塔洗去CO2,碱洗塔中的碱液循环使用,并定期排出废碱液,添加新鲜碱液,经气液分离器除去水分后送入压缩机,将煤气压缩至1.8-2.0Mpa,再经油分离器除去油污,为合成工段提供合格的原料气。5.2合成工段的工艺流程叙述造气工段送来的煤气进入混合器与计量泵送来的1.8-2.0Mpa的185g/l的碱液混合均匀后,进入预热器加热至150-170,送至合成管进行合成反应,生产甲酸钠气液混合物,再经释压罐减压至0.7-1.3

33、Mpa,再经气液分离器分离掉为反应的气体和水蒸气,同时把合成的稀甲酸钠溶液送至稀甲酸钠储槽,由稀碱液泵将稀甲酸钠溶液送至蒸发泵,减压条件下浓缩至1000g/l后送至浓甲酸钠储罐,由浓碱液泵将浓甲酸钠溶液送至离心分离器,分离得到固体甲酸钠,母液返回蒸发器,将固体甲酸钠投入脱氢锅,用电加热器迅速升温至410-430下脱氢生产草酸钠。5.3 双化工段工艺流程叙述热空气换热干燥,草酸钠中迅速加入新鲜水冷却溶解,通过草酸钠液泵送入离心分离器,分离出的碳酸钠滤液送至碳酸钠储槽待用,草酸钠虑粗出的氢氧化钠滤液经真空蒸发器浓缩后送至氢氧化钠储槽待用,草酸钙滤液饼则配成悬浮液送至酸化器酸化,通过草酸液离心分离器,分离出的硫酸钙滤饼经处理后送往石膏仓库,草酸滤液送往成品工段。5.4 成品工段工艺流程叙述双化工段送来的草酸溶液经结晶后送至离心分离器分离,分离出的滤液经压缩阶段返回结晶罐,草酸滤饼送至粗糙算槽溶解后送入重结晶罐结晶,然后送至离心分离器分离,分离出的滤液经浓缩后返回重结晶罐,草酸滤饼送入回转干燥器与逆流接触的160-170热空气干燥,由回转干燥器出来的草酸即可计量包装为