年產(chǎn)5萬噸甲醛生產(chǎn)用固定床反應器設計

《年產(chǎn)5萬噸甲醛生產(chǎn)用固定床反應器設計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《年產(chǎn)5萬噸甲醛生產(chǎn)用固定床反應器設計（25頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、年產(chǎn)5萬噸甲醛生產(chǎn)用固定床反應器設計 Yibin University 化學反應工程課程設計 題 目 50104ty甲醛生產(chǎn)用固定床反應器設計 專 業(yè) 學生姓名 學 號 年級 指導教師 職稱 博士后副教授 化學與化工學院 二〇一三年六月 目 錄 50104ty甲醛生產(chǎn)用固定床反應器設計 1 Fixed-bed Reactor Design of 50104ty Formaldehyde 1 1 概述 2 11 銀法制甲醛生產(chǎn)工藝 2 12 鐵鉬

2、催化氧化法 2 2 原料輔助原料產(chǎn)品的主要技術規(guī)格 4 21 銀法和鐵鉬法生產(chǎn)甲醛的技術經(jīng)濟指標 4 22 原輔料規(guī)格及消耗配比 4 23 產(chǎn)品質量標準 5 3 反應工段工藝簡介 6 4 反應工段工藝計算 7 41 催化反應過程的物料衡算 7 411 計算用原始數(shù)據(jù) 7 412 化學反應 7 42 合成甲醛過程的熱量衡算 9 421 各物質比熱容的計算 9 422 各物質焓值的計算 10 5．反應器工藝尺寸計算 12 51 反應器型式的確定 12 52 合成甲醛反應器幾何尺寸的確定 12 521 設計依據(jù) 12 523 列管根數(shù)的確定 15 524 列管式固

3、定床反應器殼體內徑的確定 15 6 設計體會 18 參考文獻 19  50104ty甲醛生產(chǎn)用固定床反應器設計 摘 要選用鐵鉬法以甲醇空氣和水蒸氣為原料經(jīng)預熱反應換熱后得甲醛產(chǎn)品設計5萬噸工業(yè)級甲醛根據(jù)反應特征采用等溫固定床列管式反應器物料衡算確定了反應器的工藝參數(shù)類型及特征尺寸容器內徑1500 mm列管根數(shù)為1805根三角形排列管長6000mm 關鍵詞甲醛設計反應器 Fixed-bed Reactor Design of 50104ty Formaldehyde Abstract Industrial grade formaldehyde of 50 000 t

4、on per year was designed via iron molybdenum process methanol air and water vapor as raw material by preheating the reaction and heat transfer According to the reaction characteristics isothermal packed-bed reactor tube was chose and at same time according to material balance process parameters type

5、 and feature size determine The reactor diameter is 1 500 mm the number of tubes is 1805 equilateral triangle arranged and the length of tube is 6000mm Key words Formaldehyde Methanol Design Fixed-bed reactor  1 概述 甲醛是最簡單的醛結構簡式為HCHO通常把它歸為飽和一元醛但它又相當于二元醛甲醛是一種無色具有刺激性且易溶于水的氣體易溶于水醇和醚甲醛在常溫下是氣

6、態(tài)通常以水溶液形式出現(xiàn)它有凝固蛋白質的作用其35～40的水溶液通稱為福爾馬林常作為浸漬標本的溶液甲醛是一種重要的有機原料為較高毒性的物質在我國有毒化學品優(yōu)先控制名單上甲醛高居第二位 甲醛屬用途廣泛生產(chǎn)工藝簡單原料供應充足的大眾化工產(chǎn)品是甲醇下游產(chǎn)品種中的主干甲醛除可直接用作消毒殺菌防腐劑外合成樹脂表面活性劑塑料橡膠皮革造紙染料制藥農(nóng)藥照相膠片炸藥建筑材料以及消毒熏蒸和防腐過程中均要用到甲醛人造板工業(yè)發(fā)達對甲醛的需求量甚大甲醛的用途非常廣泛可以說甲醛是化學工業(yè)中的多面手 甲醛的生產(chǎn)方法有多種目前工藝比較成熟的有甲醇空氣氧化法其中包括甲醇過量法和空氣過量法 甲縮醛氧化法其中利用甲醇空氣氧化法生

7、產(chǎn)甲醛主要有兩類不同的工藝[1]其一是采用銀催化劑的甲醇過量法也稱銀催化法簡稱銀法其二是采用鐵鉬氧化物催化劑的空氣過量法也稱鐵鉬催化法簡稱鐵鉬法 11 銀法制甲醛生產(chǎn)工藝 銀法制甲醛是早期生產(chǎn)甲醛的主要方法是在過量甲醇甲醇蒸汽濃度控制在爆炸區(qū)上限37％以上條件下甲醇汽空氣和水汽混合物在金屬型催化劑上進行脫氫-氧化反應通常采用Ag催化劑故稱為Ag該方法是用銀作催化劑最好使用電解銀催化劑甲醛的收率可達87甲醇與空氣的混合物為原料在固定床反應器中進行催化氧化反應生成甲醛反應溫度在550～700℃之間甲醇空氣在蒸發(fā)器汽化后再加入一定量的水蒸汽形成三元混合氣經(jīng)過過熱和過濾后在電解銀催化劑作用下生成甲

8、醛甲醛反應氣經(jīng)過急冷段和冷卻段回收部分熱量后用脫鹽水吸收得到37～40的甲醛產(chǎn)品 12 鐵鉬催化氧化法 我國采用鐵鉬法生產(chǎn)甲醛雖在60年代已經(jīng)開始使用但技術進展緩慢由于催化劑性能和工藝控制問題生產(chǎn)水平較低直到90年代引進國外成套設備技術后才改變了我國鐵鉬法甲醛生產(chǎn)水平不如銀法的狀況 鐵鉬氧化物催化劑屬甲醇單純氧化制甲醛工藝在空氣過量的情況下進行以體積計為94左右甲醛幾乎全部被氧化其觸媒是一種鐵和鉬氧化物的混合物以片狀球型或者顆粒形式裝入管式氧化器列管中開車時由管間的導熱油循環(huán)加熱到260℃氧化反應發(fā)生后由導熱油拆熱裝置運行相當穩(wěn)定性能重現(xiàn)性非常好抗氧化性優(yōu)良能在較低的溫度下300～38

9、0℃進行反應從而減少副反應的產(chǎn)生具有較高的選擇性可不通過精餾直接獲得低醇的55左右的高濃度甲醛由于催化劑裝填在列管內能夠很好地把握床層的均勻度不會出現(xiàn)裂縫翻身等現(xiàn)象固催化劑的壽命長達一年以上 2 原料輔助原料產(chǎn)品的主要技術規(guī)格 21 銀法和鐵鉬法生產(chǎn)甲醛的技術經(jīng)濟指標 表1 銀法和鐵鉬法生產(chǎn)甲醛的技術經(jīng)濟指標對比 項目 銀法 鐵鉬法 投資比 100 115～130 甲醇單耗kgt 445～470 420～437 項目 銀法 鐵鉬法 能耗節(jié)余美元t 62 119 生產(chǎn)成本比 10 10 反應溫度 37 7 甲醇質量分數(shù) 600～700 280～350 催化劑壽命月 3～

10、6 12～18 甲醛質量分數(shù) 37～40 55～60 產(chǎn)品醇含量 4～8 05～15 產(chǎn)品酸含量 100～200 200～300 收率 86～90 95～98 組分 電解銀或載體銀 Fe-Mo 對毒物敏感 大 小 失活原因 燒結或中毒 Mo升華 綜上可知我組選擇鐵鉬催化法生產(chǎn)甲醛 22 原輔料規(guī)格及消耗配比 表2 原輔料規(guī)格及消耗配比 原輔料 規(guī)格 配比摩爾比 原料 甲醇 99 36 原料 空氣 100 1 催化劑 和 985 2～3之間 23 產(chǎn)品質量標準 表3 鐵鉬法生產(chǎn)甲醛的產(chǎn)品組成 外觀 無色透明液體無機械雜質無游離水 甲醛含量 甲醇含量

11、 酸含量㎎㎏ 37～55 005～15 200～300 3 反應工段工藝 本設計所采用的生產(chǎn)工藝流程[3]如下將含量約為84％的甲醇在甲醇預熱器中預熱到沸點然后再通過蒸發(fā)器在其沸點下將甲醇從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)然后和經(jīng)空氣預熱氣預熱的空氣混合其中空氣中所含氧氣的含量約為10％再經(jīng)過一個預熱器將混合氣體升溫到進入反應器進行反應最終獲得純度為37的產(chǎn)品甲醛 圖1 反應工段工藝流程圖  4 反應工段工藝計算 本工藝[4]是在壓力為1個大氣壓溫度為350 ℃下在鐵鉬催化劑上進行的等溫氣固相催化反應 41 催化反應過程的物料衡算 411 計算用原始數(shù)據(jù) 此處所選的原始數(shù)據(jù)均為年

12、產(chǎn)5萬噸甲醛的中間試驗數(shù)據(jù)進入反應器時甲醇含量約為84氧氣含量約為10體積分數(shù)進料空氣和甲醇的摩爾比為36 表4 原料氣的組成摩爾比 CH3OH O2 H2O N2 10 8 52 29 412 化學反應 主反應[5] 平行反應 表5 反應中涉及到的物質的相對分子質量 CH3OH O2 HCHO N2 H2 CO H2O 32 32 3003 28 2 28 18 413 物料衡算過程 催化合成甲醛

13、過程是一個連續(xù)流動反應在定態(tài)下其物料衡算基本公式 本工藝計算[6]以生產(chǎn)5萬噸甲醛按300天計工業(yè)級別的甲醛質量分數(shù)為37 則每小時生產(chǎn)工業(yè)級別的甲醛的量為 其物質的量為 并以其為基準 4141 反應器進口物料的計算 根據(jù)表3表5中各組分的數(shù)據(jù)計算可得 純甲醇的物質的量 空氣的物質的量 氧氣的物質的量 氮氣的物質的量 水蒸氣的物質的量 表6原料氣的組成及含量 物質 摩爾分數(shù) 物質的量kmolh 10

14、 9006 8 6809 52 44601 29 25290 4142 反應器出口物料的計算 未反應的甲醇的物質的量[7] 生成甲醛的物質的量 水蒸氣的物質的量 未反應的氧氣的物質的量 氮氣的物質的量 二氧化碳的物質的量 一氧化碳的物質的量 甲烷的物質的量 氫氣的物質的量 甲酸的物質的量 表7 反應器出口主要氣體的組成及含量 物質 摩爾分

15、數(shù) 物質的量kmolh 0004 36 009 8556 059 53229 003 2479 028 25290 001 901 42 合成甲醛過程的熱量衡算 熱量衡算[8]過程以常壓下的氣體為計算基準反應氣體于常壓下進入反應器在催化劑作用下進行恒溫反應反應器出口氣體以離開反應器總的熱量衡算式為 42

16、1 各物質比熱容的計算 每個組分的熱容與溫度的函數(shù)式即CpabTcT2 表8 各物質平均溫度為的物性 物質 2817 6297 -07494 2733800 2732 6226 -09502 2733800 2916 1449 -2022 2733800 1840 10156 -2868 2731000 Cp2817629710-3T－0749410-6T2 Cp2732622610-3T－0950210-6T2 Cp2916144910-3T－202210-6T2 Cp18401015610-3

17、T－286810-6T2 把T3352731560815K帶入上述公式得 Cp2817629710-360815 －0749410-6 573152 3172 同理可計算其他物質的比熱容[9]其結果如下表 表9 各物質在平均溫度為的 物質 3172 3075 3722 6956 422 各物質焓值的計算 計算焓時的參考態(tài)350℃101325

18、Kpa各物質均為氣態(tài)故反應器出口各物質的焓為零 又甲醇的消耗量為 由得 即為了維持反應器內溫度為350℃應每小時從反應器移走的熱量 43 導熱油用量的確定 列管式固定床反應器的殼程走導熱油移走反應放出的熱量使導熱油從200 ℃升溫到320 ℃ 表10 導熱油的物性數(shù)據(jù) 名稱 平均分子量 密度 比熱容 汽化熱 導熱系數(shù) 導熱油 252 1005 240 272 0458 由得 導熱油用量 5．反應器工藝尺寸計算 51 反應器型式的確定 選擇并確定工業(yè)反應器的型式和結構一要掌握工業(yè)反應器的要求

19、根據(jù)反應工程的理論對反應過程作出合理的反應器類型選擇二要熟悉和掌握各種反應器的類型及其基本傳遞特征 固定床反應器是用來進行氣固催化反應的典型設備按操作及床層溫度分布的不同可分為絕熱式等溫式和非絕熱非等溫三種類型常用的固定床反應器下部設有多孔板板上放置固體催化劑顆粒氣體自反應器頂部通入流經(jīng)催化劑床層反應后自反應器底部引出催化劑顆粒保持靜止狀態(tài)故稱固定床反應器當用于反應器熱效應較小的場合時反應器傳熱問題易于解決其反應器直徑較大設備為簡單的筒體式 合成甲醛的反應器有很多類型但是由于合成甲醛的反應是一個放熱反應反應熱效應大為使反應始終處于較高的速度進行必須及時移走反應熱量因此按照不同的移熱方法反應

20、器可分為等溫固定床列管式和絕熱冷激型多段式兩大類由于等溫固定床列管式反應器溫度便于控制目前采用較多所以工藝采用等溫固定床列管式反應器這種反應器的優(yōu)點是采用管束式合成塔這種合成塔的溫度幾乎是恒定的反應溫度恒定的好處一是有效抑制了副反應二是催化劑的使用壽命長 52 合成甲醛反應器幾何尺寸的確定 在工程上要確定反應器的幾何尺寸首先得確定一定生產(chǎn)能力下所需的催化劑容積再根據(jù)工程實驗所提供的反應器資料最后確定出反應器的幾何尺寸 521 設計依據(jù) 生產(chǎn)規(guī)模50000 ta 37 年生產(chǎn)時間7200 h即300 d 甲醛生產(chǎn)能力Wp 522 催化劑容積的計算 5221 催化劑用量的計算 合

21、成甲醛的反應是一個氣固相催化反應催化劑的用量需要根據(jù)反應工程上通過單位催化劑列物料衡算的動力學方程才能得出 合成甲醛的動力學方程為 其中 M甲醇 O氧氣 W水 式中 各物質摩爾分數(shù)的計算 合成甲醛的反應在轉化率為96時到達平衡達平衡時總的物質的量為 則各物質的摩爾數(shù)分別表示為 求解動力學方程 由定義有 查得 令即 則 兩邊同時積分得 其中 用辛普森數(shù)值積分法求解定積分 數(shù)值積分法[10]為 其中 實用于奇數(shù)個數(shù)據(jù)點n為偶數(shù)f的

22、角標代表選取數(shù)據(jù)點的編號且點與點之間等間距 表11 與的關系 0 012 024 036 048 060 072 084 096 4167 5319 6849 9615 1339 2012 3448 6944 32258 則 3417 因此催化劑所需質量 反應采用的催化劑為鐵鉬催化劑鐵鉬比在2128間最佳為25催化劑成圓環(huán)狀粒度為50mm20mm35mm堆密度為比表面積為54故反應所需的體積 523 列管根數(shù)的確定 根據(jù)中間試驗的結果列管規(guī)格為Φ252 5m

23、m 管長為l6 m 解方程得n1805 根 524 列管式固定床反應器殼體內徑的確定 由公式[11] 式中D殼體內徑 mm t管中心距 mm 橫過管束中心線的管束 b 一般取 mm 管子采用正三角形排列 故帶入公式得 標準化后D1500 mm 核算過程 管長和殼徑應相適應一般取LD為46 對該反應器因此所設計的反應器符合實際情況 53 等溫固定床列管式反應器的設計計算結果 表12 等溫固定床列管式反應器的設計計算結果 序號 項目 數(shù)據(jù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1

24、0 11 12 列管式反應器入口溫度 列管式反應器出口溫度 反應壓力 原料甲醇的量 原料空氣的量 原料水蒸氣的量 催化劑床層高度 塔徑 催化劑用量 列管根數(shù) 列管規(guī)格 管子排列方式 165℃ 350℃ 1大氣壓 9006kmolh 32422kmolh 8557025kmolh 6m 15m 307735kg 1805根 Φ2525mm 三角形排列  參考文獻 [1] 周萬德．甲醛生產(chǎn)操作技術[M]．北京化學工業(yè)出版社2009． [2] 姚守信．中國甲醛市場發(fā)展趨勢分析及投資前景預測報告[J]市場研究報告20

25、091134-142 [3] 李方玉朱春英．鐵鉬催化法甲醛生產(chǎn)裝置簡介[J]．化肥工業(yè)2005410 [4] 黃仲九房鼎業(yè)．化學工藝學[M]．北京高等教育出版社2001 [5] 譚柳．甲醛生產(chǎn)工藝[J]化工專業(yè)文獻19931190-193 [6] 葛婉華陳鳴德．化工計算[M]．北京化學工業(yè)出版社2009 [7] 李紹芬主編．反應工程第二版[M]．北京化學工業(yè)出版社2008 [8] 時軍沈復鄭紅．化工熱力學[M]．北京化學工業(yè)出版社2000 [9] 天津大學物理化學教研室編第四版[M]．高等教育出版社2007 [10] 肖成基林亞蘭．數(shù)據(jù)處理[M]．北京石油化學工業(yè)出版社2001 [11] 夏清陳常貴等．化工原理[M]．天津天津大學出版社2005 2 18 1 甲醇 空氣 預熱器 吸 收塔 冷 卻器 廢熱鍋 爐 反應器 預熱器 加熱器 蒸發(fā)器 產(chǎn)品