年产2465万吨甲醛生产工艺设计毕业论文设计

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

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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:

: 氧化: 工艺: 电解银:

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甲醇前言

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。

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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 -

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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 -

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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：30.03

1.1.2 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 密度(gcm3) -80℃ -20℃ 沸点(101.3kPa)℃ 熔点℃ 汽化热(19℃)(kjmol) 生成热(25℃)(kjmol) 标准自由能(25℃)(kjmol) 比热容J(mol.k) 熵J(mol.k) 燃烧热(kjmol) 临界温度℃ - 6 -

数值 0.9151 0.8153 -19 -118 23 -116 -109.7 35.2 218.6 561～569 137.2～141.2 临界压力Mpa 6.81～6.66 7.0～73 430 空气中爆炸极限% 着火点℃ b 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α-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20~30℃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80~100℃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。

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（4） 氧化还原反应

甲醛极易氧化成甲酸、进而氧化为CO2和H2O

1.2 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=（33－16.7）÷0.68＝24.0℃

气体传热系数k＝180w(m2·℃)；甲醇蒸发器的热负荷为Q＝1544387.136KJ Q=KSΔtm

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S＝1544387.136÷180÷24.015＝99.244m2

参考《化工原理》第二版的《化工流体流动与传热》第364页附录二十五、管壳式换热器系列标准 1．固定管板式换热器

（2）换热管φ25的基本参数（管心距32mm）

选公称直径为：800mm；管程数为：1；公称压力为：0.6Mpa；管子根数为：467根；中心排管数为：23；管程流通面积（φ25×2.5）为：0.1466m2；换热管长度为：3m；计算换热面积为：106.3m2

实际传热面积S0=nπdL＝106.313 m2 则采用此换热器过程总传热系数为

K＝1544387.136÷106.3÷24.015＝168.032w(m2·℃)

4.2过热阻火器

不考虑配料蒸汽的温度变化

水蒸汽温度 126.4℃ 原料进入温度： 47℃ Δt＝79.4℃ 水蒸汽变水温度 126.4℃ 原料出口温度： 120℃ Δt＝ 6.4℃ 则可先求出Δtm=（79.4－6.4）÷2.523＝29℃

气体传热系数k＝140w(m2·℃)；过热阻火器的热负荷为Q＝389407.435KJ Q=KSΔtm

S＝389407.435÷140÷29＝26.700m2

参考《化工原理》第二版的《化工流体流动与传热》第364页附录二十五、管壳式换热器系列标准 1．固定管板式换热器

（2）换热管φ25的基本参数（管心距32mm）

选公称直径为：450mm；管程数为：1；公称压力为：0.6Mpa；管子根数为：135根；中心排管数为：13；管程流通面积（φ25×2.5）为：0.0424m2；换热管长度为：3m；计算换热面积为：30.7m2

实际传热面积S0=nπdL＝30.7 m2

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则采用此换热器过程总传热系数为

K＝389407.435÷29÷30.7＝121.752w(m2·℃)

4.3氧化炉

4.3.1废热段

原料反应温度 640℃ 水温度： 126.4℃ Δt＝513.6℃ 物料出口温度 150℃ 水蒸汽温度： 126.4℃ Δt＝ 23.6℃ 则可先求出Δtm=（513.6－23.6）÷3.079＝159.1℃

气体传热系数k＝100w(m2·℃)；废热段的总传热量为：Q＝5666199.427KJ Q=KSΔtm

S＝5666199.427÷100÷159.1＝98.901m2

参考《化工原理》第二版的《化工流体流动与传热》第364页附录二十五、管壳式换热器系列标准 1．固定管板式换热器

（2）换热管φ25的基本参数（管心距32mm）

选公称直径为：800mm；管程数为：1；公称压力为：0.6Mpa；管子根数为：467根；中心排管数为：23；管程流通面积（φ25×2.5）为：0.1466m2；换热管长度为：3m；计算换热面积为：106.3m2

实际传热面积S0=nπdL＝106.313 m2 则采用此换热器过程总传热系数为

K＝5666199.427÷106.313÷159.1＝93.029w(m2·℃)

4.3.2急冷段

进口温度 150℃ 热水（出）： 80℃ Δt＝70℃ 出口温度 90℃ 水（进）： 50℃ Δt＝40℃ 则可先求出Δtm=53.6℃

气体传热系数k＝60w(m2·℃)；废热段的总传热量为：Q＝1544387.136KJ

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查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。

参考文献

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[7] 何寿林，刘生鹏：甲醇氧化生产甲醛装置的工艺查定及分析（Ⅰ）[J]，湖北化工，2001，18（6）：34—36

[8] 何寿林，刘生鹏：甲醇氧化生产甲醛装置的工艺查定及分析（Ⅱ）[J]，湖北化工，2002，18（1）：35—38

[9] 何寿林，刘生鹏：甲醇氧化生产甲醛装置的工艺查定及分析（Ⅲ）[J]，湖北化工，2002，18

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（6）：37—40

[10] 何寿林，刘生鹏：甲醇氧化生产甲醛装置的工艺查定及分析（Ⅳ）[J]，湖北化工，2002，18（6）：36—38

[11] 邝生鲁主编：化学工程师技术全书（下册）[M]，化学工业出版社，2001。 [12] 谢克昌主编：甲醇及其衍生物[M]，化学化工出版社，2002，

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7n3o.html