银法甲醛毕业论文装置说明书

第 1 页 共 50 页目录1 产品方案选择与生产规模 .21.1 设计背景 .21.2 甲醛性质、用途、生产状况 .21.3 甲醛生产工艺 .21.4 甲醛生产技术的要求 .62 物料衡算 .82.1 设计条件 .82.2 物料流程简图 .82.3 甲醛、甲醇物料衡算 .93 能量衡算 .173.1 甲醇再沸器、蒸发器 .173.2 空气加热器 .183.3 混合气加热器 .193.4 氧化反应器热量热量衡算 .193.5 吸收塔热量衡算 .234 设备工艺计算 .254.1 反应器类型的确定 .254.2 氧化器设计 .254.3 设备一览表 .334.4 主要工艺管道计算及选型 .345 节能方案和安全控制技术改进 .375.1 甲醛生产工艺的能量分析 .375.2 甲醛生产中能耗消耗部位 .375.3 能量利用措施 .385.4 自控仪表及火灾报警安全措施 .386 技术经济初步评估 .406.1 产品甲醛及原料市场分析 .406.2 经济效益初步梳算 .42本 科 毕 业 设 计 第 2 页 共 50 页结 论 .44参考文献 .45附图 1 PFD 图-原料净化工段 .47附图 2 PFD 图-氧化反应工段 .48附图 3 PFD 图-吸收工段 .49附图 4 首页图 .50附图 5 甲醛工艺流程图-净化工段 .51附图 6 甲醛工艺流程图-反应工段 .52附图 7 甲醛工艺流程图-吸收工段 .53附图 8 甲醛装置一览表 .54附图 9 甲醛装置图 .57附图 10 管道轴测图 .61附图 11 车间三维图 .62本 科 毕 业 设 计 第 3 页 共 50 页1 产品方案选择与生产规模1.1 设计背景甲醛是是重要的化工原料,主要用于消毒防腐,有机合成、农药、橡胶和涂料等行业,且其衍生产品多种多样,市场需求量巨大.而由其自身性质决定甲醛不适合长途运输,一般为地域性消费,大至我国,小到我市,甲醛都有着很大的消费,我国甲醛生产单套能力小,生产能力不强,达不到市场需求,单石家庄而言,大如石家庄鑫丰科技有限公司生产能力尚不足 20kt/a,生产能力急需提高.此次设计 100kt/a 甲醛生产即为缓解石家庄甲醛需求量,同时推广大生产能力装置,更具经济效益.1.2 甲醛性质、用途、生产状况甲醛常温常压下是无色、有强烈刺激性气味的气体.在任意比例下能与水混溶.商品通常是以水溶液的形式,通常所见的福尔马林即为 3540%的甲醛水溶液,主要用作用作浸制生物标本,农业上用其稀溶液（0.1%0.5%）进行浸种来消毒.液体久贮易混浊,形成三聚甲醛沉淀.甲醛广泛应用于化工、医药、染料和农业等行业中.其重大用途是生产脲醛、酚醛、聚甲醛和三聚氰胺等树脂的原料,也用于生产维尼纶、1,4丁二醇、季戊四醇、乌洛托品和异戊二烯等化工产品和一些消毒防腐剂.随着甲醛合成工业的不断发展,甲醛的应用会更加广泛.我国是甲醛生产和消费大国,位居全球首位,全国甲醛厂家 624 余家,但总生产能力只有约 28700kt/a,生产能力偏小,且有的地区装置还常年处于停工的状态,开工率仅有六成左右,但是下游树脂市场正在快速增长.未来全球需要新增甲醛产能才能满足市场的需求 12.1.3 甲醛生产工艺甲醛水溶液从经济角度考虑不便于长距离运输,所以一般在其主消费市场本 科 毕 业 设 计 第 4 页 共 50 页附近设厂,进出口贸易和长途运输极少.甲醛工业生产历史较为长远,发展较为成熟,工艺种类也繁多,到目前工业生产主要有以下工艺：银催化剂法、铁钼催化剂法、甲缩醛氧化法、二甲醚氧化法、低碳烷烃直接氧化法 3.工业生产中 90以上的产品甲醛是由甲醇氧化制得,仅有是少量直接从烃类氧化和二甲醚氧化来制取,目前甲醇直接脱氢制甲醛技术尚不成熟,无法进行工业生产.以甲醇为原料生产甲醛的方法,按其所用催化剂和生产工艺的不同,主要可分为银法和铁钼法两种不同的工艺路线 4.1.3.1 银法生产工艺银法生产工艺是在过量甲醇下,使用甲醇、空气和水蒸气三元混合气在银催化剂上进行脱氢氧化反应生成甲醛.反应温度一般在为 600700,视催化剂情况而定.由于此种方法甲醇浓度需要控制在爆炸浓度上限以避免生产过程中发生爆炸危险,故甲醇需要过量,其浓度在 37以上,也被成为甲醇过量法.银法单就催化剂使用银而言又可分为浮石载银和电解银两种方法.其工艺大致一致,但催化剂结构差别使两种工艺反应条件略有差别.电解银的反应温度相对浮石银要低,但浮石银的制备工序颇为繁杂,活性差,且劳动强度大,银耗相对电解银较高,银回收率低等缺点；而电解银制备和再生容易,转化率和选择性较高.虽然电解银对毒物更加敏感,但现在工艺去除毒物以达到要求.故工业上现用电解银法比较普遍.银法有工艺简单,投资省,调节能力强,产品中甲酸含量少等优点,相对铁钼法工艺甲醇转化率低,单耗较高,催化剂寿命短,对甲醇纯度要求高,成品中甲醇含量高,由于产品中水较多,适合生产低浓度甲醛 5.1.3.2 铁钼法生产工艺铁铁钼法生产工艺是在过量空气下,使用甲醇气与空气混合为混合器,后经净化和预热,而后在 320380温度下在催化剂上进行氧化反应制取甲醛,此种方法的催化剂以铁钼系最为常见,所以称之为“铁钼法生产工艺”,由于此种方法甲醇气浓度需要控制在爆炸浓度下限(7以下),故氧醇比较大,也被称为空气过量法. 铁钼法生产工艺的特点是生产能力较大,甲醇转化率较高,现状通常达到 99%左本 科 毕 业 设 计 第 5 页 共 50 页右,甲醇单耗比较低,且不需要蒸馏装置就可以生产高浓度甲醛,甲醛成品中醇含量低,催化剂使用周期较长,适合高浓度甲醛生产.但其一次性投资大,电耗高,操作指标要求较高,催化剂昂贵且不能循环使用 6.1.3.3 工艺比较甲醛工艺的经典的生产方是法银法,于 1888 年在德国首先实现工业化,接着在美国于 1901 年,日本于 1912 年也相继实现工业化生产.铁钼法工艺生产甲醛,是在三十年代初期开始发展,1952 年实现工业化,随着 1959 年聚甲醛塑料工程的兴起而快速发展起来,由于铁钼法可直接生产高浓度甲醛作为聚甲醛的原料.因此,铁钼法工艺在当时新建厂中占据了很大比例.在铁钼法迅速发展的同时,银法也在不断加以自我改善.其工艺的崭新开端是电解银分子筛载银催化剂的出现,代替了浮石银 ,使得银法工艺有了新的发展.现代所采用的银法工艺,也是可以直接生产低醇甲醛,且甲醛浓度也可达 50%左右,已直追铁钼法.虽然工业发达国家的甲醛生产工艺都同时兼有银法和铁钼法两种,但其侧重面是不一样的.欧美西方国家,由于聚甲醛塑料较为发达,采用铁钼法生产的厂家占据较多.美国铁钼法工艺生产的甲醛曾一度占总产量的 80%以上.在近些年中,美国新建的甲醛装置全部用铁钼法,共有 20 多套.俄罗斯等东欧国家银法和铁钼法同时侧重.我国则是银法占有支配地位. 现代社会,就全球而言,银法和铁钼法各有千秋,世界上各工业发达国家都同时采用银法和铁钼法两种工艺路线.且两种方法都在不断地加以改进和提高,可以说是在竞争中共存.这两中方法有各自的优缺点,银法投资较低,操作弹性大,技术简单,但单耗相对略高,催化剂使用寿命短；铁钼法反应温度较低,所以其副反应比较少,选择性比较高,甲醇单耗较低,甲醛浓度高,催化剂效率高,寿命较长,但投资较高高,操作安全措施要求高,操作弹性小,要求技术严格.我国在上世纪六十年代曾建有多套甲烷氧化法的生产甲醛的小型装置,由于转化率和收率及产品浓度低等诸多问题而相继停止生产.现我国工业甲醛都使用甲醇作为原料.使用工艺主要是银催化法及小部分铁钼催化法. “银法”的占绝大多数,虽然铁钼法单耗相对银法较低,但设备系统庞大,耗能相对较大,本 科 毕 业 设 计 第 6 页 共 50 页关键设备还需进口,投资较大.且我国工人技术想对较落后发达国家,操作技术相对较难,因此我我国多采用银法工艺,因该法工艺已相当成熟,其主要设备是目前国内及世界最先进的,如新型氧化器 ,一体化甲醇过滤阻火器等,同时该法我国采用历史较长,有一批过硬的生产技术骨干,投资较少,产品生产期快.根据上述工艺特点比较,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.而且由于银法工艺的改进,甲醇单耗上已经直追铁钼法,生产37%的甲醛,浓度相对较低,银法不用增加蒸馏装置,比较合适,我国银法历史较长,工艺相当成熟,操作技术可靠,因此,采用银法生产还是比较符合国情和当前利益的 78.而银法选择,伴随着单耗高和温控的问题,现通过温控调频罗茨风机,合理氧醇比降低单耗,使设计更为理想,更为合理.氧醇比太低可能会影响甲醇的转化率,太高则会产生大量副反应,由其工艺指标,一般控制在 0.380.44 之间,甲醇单耗与反应温度有很大关系.甲醛生产最佳温度在 600700的范围内,如果催化剂允许可以适当提高.但温度过高会使甲醇深度氧化,为防止这种现象,使用温控调频罗茨风机,通过减少空气鼓入来减少甲醇深度氧化.甲醛的尾气作为废热锅炉的燃料,以产生蒸汽,为装置提供能源,实现能源回收利用 91011 .电解银催化剂法和铁钼催化剂法的特点 计量单位：见表项目 银催化剂法 铁钼催化剂法反应温度（） 600700 320380催化剂寿命（月） 36 1218收率（%） 8991 9194甲醇单耗(Kg/t) 450480 420470甲醛浓度（%） 3755 3755产品中甲醇含量（%） 48 0.51.5产品中甲酸量（104） 100200 200300甲醛中混合气体中浓度（%） 37 7投资 较低 较高银法和铁钼法消耗比较比较项 银法 铁钼法催化剂 电解银催化剂 铁钼法氧化催化剂物料 甲醇过量 空气过量甲醇,吨 0.45 0.42电,KWH 37 88本 科 毕 业 设 计 第 7 页 共 50 页冷却水,m3 40.7 40工艺水,m3 0.2 -锅炉给水,吨 0.32 0.44催化剂损失,克 0.027 0.006副产蒸汽：压力 Pa 3 20数量 吨 0.315 0.69反应温度, 600-700 250350压力,MPa 0.1 0.10.5反应器型式 绝热式固定床 列管式固定床催化剂寿命 38 个月 1.5 年2.5 年甲醛浓度（wt%） 4055 5560甲醇浓度（wt%） 1.01.3 0.51.0投资 1 11.10催化剂敏感度 敏感 不敏感催化剂价格 波动大 波动小从冷态开车时间 小时 2024 8停车后开车时间 小时 数小时 1尾气处理 大部分循环,小部分燃烧产生蒸汽 大部分循环,小部分催化转化1.4 甲醛生产技术的要求本设计的甲醛装置规模为 10 万吨/年(以 37%溶液计),产品主要作为外销和下游产品的原料.并缓解原料甲醇销售压力.本次设计对甲醛生产技术的要求如下：1.4.1 技术可靠、消耗指标低应选择在相似规模下良好应用业绩的可靠技术.目前甲醇稳定；但由于煤价的上涨,蒸汽价格也在不断上升,因此所选的工艺技术要求能做到甲醇单耗低,蒸汽量供应平衡.1.4.2 低醇甲醛产品以甲醛为原料的下游产品,在生产要求脱除甲醛中的残余甲醇,为了为保证后期产品质量上升,减少后续甲醛净化加工装置的能耗及投资,同时也为了减少后续加工装置中含醇废水的处理所带来的消耗,要求产品甲醛溶液中甲醇含量不超过 1.6wt%,同时也要求甲醛产品本 科 毕 业 设 计 第 8 页 共 50 页中甲酸的含量低于 200PPm.1.4.3 安全性由于甲醛可以和空气形成爆炸性混合物,故在设计、操作顺序及人员培训中需始终注意安全问题.工艺过程存在易燃气体和有毒气体,需设置报警系统和注意人员疏散通道设计.设计规范依据下列标准规范:（1） 建筑设计防火规范 （GB50016-2006）（2） 石油化工企业设计防火规范 （GB50160-2008 ）（3） 化工企业总图运输设计规范 （GB50489-2009 ）（4） 压力管道规范工业管道 （GB/T20801-2006 ）（5） 工业金属管道设计规范 （GB50316-2000）（6） 危险场所电气安全防爆规范 （AQ 3009-2007）（7） 生产经营单位安全生产事故应急预案编制导则 （AQ/T9002-2006）（8） 生产设备安全卫生设计总则 （GB 5083-1999）（10） 生产过程安全卫生要求总则 （GB12801-2008 ）（11） 职业性接触毒物危害程度分级 （GBZ230-2010）（12） 工业建筑防腐蚀设计规范 （GB50046-2008 ）（13） 压力容器(GB150.1-150.4-2011)（14） 压力管道规范(GB/T20801-2006) （15） 流体输送用无缝钢管(GB/T8163-2008)（16） 工业金属管道工程施工质量验收规范(GB50184-2011)本 科 毕 业 设 计 第 9 页 共 50 页2 物料衡算2.1 设计条件按照选定的工艺流程,确定设计参数和条件.已知：空气为氧化剂,电解银为催化剂,固定气相氧化法,年开工 7200h,相关数据见下表:表 2.1 原始数据表组份 工业甲醇组成（质量 分数）/% 反应尾气组成（体积分数）/% 甲醛溶液组成（质量分数）/% 其他参数CH3OH 99.0H2O 1.0空气 O2,N2,H2OO2 21 0.2CO2 3.6CO 0.4CH4 0.2H2O 2H2 19.0HCHO 0.05CH3OH 0.15N2 77.16 74.4HCHO 37.0CH3OH 1.6H2O 1.84 61.36HCOOH 0.004氧醇比 0.38配料浓度 60%单耗CH3OH/37%HCHO0.450t/1t本 科 毕