年产5万吨甲醛生产用固定床反应器设计

年产5万吨甲醛生产用固定床反应器设计 Yibin University化学反应工程课程设计题 目50104ty甲醛生产用固定床反应器设计专 业学生姓名学 号年级指导教师职称博士后副教授化学与化工学院二一三年六月目 录50104ty甲醛生产用固定床反应器设计1Fixed-bed Reactor Design of 50104ty Formaldehyde11 概述211 银法制甲醛生产工艺212 铁钼催化氧化法22 原料辅助原料产品的主要技术规格421 银法和铁钼法生产甲醛的技术经济指标422 原辅料规格及消耗配比423 产品质量标准53 反应工段工艺简介64 反应工段工艺计算741 催化反应过程的物料衡算7411 计算用原始数据7412 化学反应742 合成甲醛过程的热量衡算9421 各物质比热容的计算9422 各物质焓值的计算105反应器工艺尺寸计算1251 反应器型式的确定1252 合成甲醛反应器几何尺寸的确定12521 设计依据12523 列管根数的确定15524 列管式固定床反应器壳体内径的确定156 设计体会18参考文献1950104ty甲醛生产用固定床反应器设计摘 要选用铁钼法以甲醇空气和水蒸气为原料经预热反应换热后得甲醛产品设计5万吨工业级甲醛根据反应特征采用等温固定床列管式反应器物料衡算确定了反应器的工艺参数类型及特征尺寸容器内径1500 mm列管根数为1805根三角形排列管长6000mm关键词甲醛设计反应器Fixed-bed Reactor Design of 50104ty FormaldehydeAbstract Industrial grade formaldehyde of 50 000 ton 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 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 6000mmKey words Formaldehyde Methanol Design Fixed-bed reactor1 概述甲醛是最简单的醛结构简式为HCHO通常把它归为饱和一元醛但它又相当于二元醛甲醛是一种无色具有刺激性且易溶于水的气体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它有凝固蛋白质的作用其3540的水溶液通称为福尔马林常作为浸渍标本的溶液甲醛是一种重要的有机原料为较高毒性的物质在我国有毒化学品优先控制名单上甲醛高居第二位甲醛属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种中的主干甲醛除可直接用作消毒杀菌防腐剂外合成树脂表面活性剂塑料橡胶皮革造纸染料制药农药照相胶片炸药建筑材料以及消毒熏蒸和防腐过程中均要用到甲醛人造板工业发达对甲醛的需求量甚大甲醛的用途非常广泛可以说甲醛是化学工业中的多面手甲醛的生产方法有多种目前工艺比较成熟的有甲醇空气氧化法其中包括甲醇过量法和空气过量法 甲缩醛氧化法其中利用甲醇空气氧化法生产甲醛主要有两类不同的工艺1其一是采用银催化剂的甲醇过量法也称银催化法简称银法其二是采用铁钼氧化物催化剂的空气过量法也称铁钼催化法简称铁钼法11 银法制甲醛生产工艺银法制甲醛是早期生产甲醛的主要方法是在过量甲醇甲醇蒸汽浓度控制在爆炸区上限37以上条件下甲醇汽空气和水汽混合物在金属型催化剂上进行脱氢-氧化反应通常采用Ag催化剂故称为Ag该方法是用银作催化剂最好使用电解银催化剂甲醛的收率可达87甲醇与空气的混合物为原料在固定床反应器中进行催化氧化反应生成甲醛反应温度在550700之间甲醇空气在蒸发器汽化后再加入一定量的水蒸汽形成三元混合气经过过热和过滤后在电解银催化剂作用下生成甲醛甲醛反应气经过急冷段和冷却段回收部分热量后用脱盐水吸收得到3740的甲醛产品12 铁钼催化氧化法我国采用铁钼法生产甲醛虽在60年代已经开始使用但技术进展缓慢由于催化剂性能和工艺控制问题生产水平较低直到90年代引进国外成套设备技术后才改变了我国铁钼法甲醛生产水平不如银法的状况 铁钼氧化物催化剂属甲醇单纯氧化制甲醛工艺在空气过量的情况下进行以体积计为94左右甲醛几乎全部被氧化其触媒是一种铁和钼氧化物的混合物以片状球型或者颗粒形式装入管式氧化器列管中开车时由管间的导热油循环加热到260氧化反应发生后由导热油拆热装置运行相当稳定性能重现性非常好抗氧化性优良能在较低的温度下300380进行反应从而减少副反应的产生具有较高的选择性可不通过精馏直接获得低醇的55左右的高浓度甲醛由于催化剂装填在列管内能够很好地把握床层的均匀度不会出现裂缝翻身等现象固催化剂的寿命长达一年以上2 原料辅助原料产品的主要技术规格21 银法和铁钼法生产甲醛的技术经济指标表1 银法和铁钼法生产甲醛的技术经济指标对比项目银法铁钼法投资比100115130甲醇单耗kgt445470420437项目银法铁钼法能耗节余美元t62119生产成本比1010反应温度377甲醇质量分数600700280350催化剂寿命月361218甲醛质量分数37405560产品醇含量480515产品酸含量100200200300收率86909598组分电解银或载体银Fe-Mo对毒物敏感大小失活原因烧结或中毒Mo升华综上可知我组选择铁钼催化法生产甲醛22 原辅料规格及消耗配比表2 原辅料规格及消耗配比原辅料规格配比摩尔比原料甲醇9936 原料空气1001催化剂和98523之间23 产品质量标准表3 铁钼法生产甲醛的产品组成外观无色透明液体无机械杂质无游离水甲醛含量甲醇含量酸含量3755005152003003 反应工段工艺本设计所采用的生产工艺流程3如下将含量约为84的甲醇在甲醇预热器中预热到沸点然后再通过蒸发器在其沸点下将甲醇从液态变为气态然后和经空气预热气预热的空气混合其中空气中所含氧气的含量约为10再经过一个预热器将混合气体升温到进入反应器进行反应最终获得纯度为37的产品甲醛 图1 反应工段工艺流程图4 反应工段工艺计算本工艺4是在压力为1个大气压温度为350 下在铁钼催化剂上进行的等温气固相催化反应41 催化反应过程的物料衡算411 计算用原始数据此处所选的原始数据均为年产5万吨甲醛的中间试验数据进入反应器时甲醇含量约为84氧气含量约为10体积分数进料空气和甲醇的摩尔比为36 表4 原料气的组成摩尔比CH3OHO2H2ON21085229412 化学反应 主反应5 平行反应 表5 反应中涉及到的物质的相对分子质量CH3OHO2HCHON2H2CO H2O323230032822818413 物料衡算过程催化合成甲醛过程是一个连续流动反应在定态下其物料衡算基本公式本工艺计算6以生产5万吨甲醛按300天计工业级别的甲醛质量分数为37则每小时生产工业级别的甲醛的量为其物质的量为并以其为基准4141 反应器进口物料的计算根据表3表5中各组分的数据计算可得纯甲醇的物质的量空气的物质的量 氧气的物质的量氮气的物质的量水蒸气的物质的量 表6原料气的组成及含量 物质 摩尔分数 物质的量kmolh 10 9006 8 6809 52 44601 29 252904142 反应器出口物料的计算未反应的甲醇的物质的量7 生成甲醛的物质的量 水蒸气的物质的量未反应的氧气的物质的量氮气的物质的量 二氧化碳的物质的量一氧化碳的物质的量甲烷的物质的量 氢气的物质的量 甲酸的物质的量 表7 反应器出口主要气体的组成及含量 物质 摩尔分数 物质的量kmolh 0004 36 009 8556 059 53229 003 2479 028 25290 001 90142 合成甲醛过程的热量衡算热量衡算8过程以常压下的气体为计算基准反应气体于常压下进入反应器在催化剂作用下进行恒温反应反应器出口气体以离开反应器总的热量衡算式为421 各物质比热容的计算 每个组分的热容与温度的函数式即CpabTcT2表8 各物质平均温度为的物性物质 28176297-07494273380027326226-09502273380029161449-20222733800184010156-28682731000Cp2817629710-3T0749410-6T2Cp2732622610-3T0950210-6T2Cp2916144910-3T202210-6T2Cp18401015610-3T286810-6T2把T3352731560815K带入上述公式得Cp2817629710-360815 0749410-6 573152 3172 同理可计算其他物质的比热容9其结果如下表 表9 各物质在平均温度为的物质 3172 3075 3722 6956422 各物质焓值的计算计算焓时的参考态350101325Kpa各物质均为气态故反应器出口各物质的焓为零又甲醇的消耗量为由得即为了维持反应器内温度为350应每小时从反应器移走的热量43 导热油用量的确定列管式固定床反应器的壳程走导热油移走反应放出的热量使导热油从200 升温到320 表10 导热油的物性数据名称平均分子量 密度比热容汽化热 导热系数导热油25210052402720458由得导热油用量 5反应器工艺尺寸计算51 反应器型式的确定选择并确定工业反应器的型式和结构一要掌握工业反应器的要求根据反应工程的理论对反应过程作出合理的反应器类型选择二要熟悉和掌握各种反应器的类型及其基本传递特征固定床反应器是用来进行气固催化反应的典型设备按操作及床层温度分布的不同可分为绝热式等温式和非绝热非等温三种类型常用的固定床反应器下部设有多孔板板上放置固体催化剂颗粒气体自反应器顶部通入流经催化剂床层反应后自反应器底部引出催化剂颗粒保持静止状态故称固定床反应器当用于反应器热效应较小的场合时反应器传热问题易于解决其反应器直径较大设备为简单的筒体式合成甲醛的反应器有很多类型但是由于合成甲醛的反应是一个放热反应反应热效应大为使反应始终处于较高的速度进行必须及时移走反应热量因此按照不同的移热方法反应器可分为等温固定床列管式和绝热冷激型多段式两大类由于等温固定床列管式反应器温度便于控制目前采用较多所以工艺采用等温固定床列管式反应器这种反应器的优点是采用管束式合成塔这种合成塔的温度几乎是恒定的反应温度恒定的好处一是有效抑制了副反应二是催化剂的使用寿命长52 合成甲醛反应器几何尺寸的确定在工程上要确定反应器的几何尺寸首先得确定一定生产能力下所需的催化剂容积再根据工程实验所提供的反应器资料最后确定出反应器的几何尺寸521 设计依据生产规模50000 ta 37年生产时间7200 h即300 d甲醛生产能力Wp522 催化剂容积的计算5221 催化剂用量的计算合成甲醛的反应是一个气固相催化反应催化剂的用量需要根据反应工程上通过单位催化剂列物料衡算的动力学方程才能得出合成甲醛的动力学方程为其中M甲醇O氧气W水 式中各物质摩尔分数的计算合成甲醛的反应在转化率为96时到达平衡达平衡时总的物质的量为则各物质的摩尔数分别表示为求解动力学方程由定义有查得 令即则两边同时积分得其中用辛普森数值积分法求解定积分 数值积分法10为 其中 实用于奇数个数据点n为偶数f的角标代表选取数据点的编号且点与点之间等间距 表11 与的关系 00120240360480600720840964167531968499615133920123448694432258则 3417因此催化剂所需质量 反应采用的催化剂为铁钼催化剂铁钼比在2128间最佳为25催化剂成圆环状粒度为50mm20mm35mm堆密度为比表面积为54故反应所需的体积523 列管根数的确定根据中间试验的结果列管规格为252 5mm 管长为l6 m 解方程得n1805 根524 列管式固定床反应器壳体内径的确定由公式11式中D壳体内径 mm t管中心距 mm 横过管束中心线的管束 b 一般取 mm 管子采用正三角形排列 故带入公式得 标准化后D1500 mm核算过程管长和壳径应相适应一般取LD为46对该反应器因此所设计的反应器符合实际情况53 等温固定床列管式反应器的设计计算结果表12 等温固定床列管式反应器的设计计算结果序号项目数据123456789101112 列管式反应器入口温度列管式反应器出口温度反应压力原料甲醇的量原料空气的量原料水蒸气的量催化剂床层高度塔径催化剂用量列管根数 列管规格 管子排列方式165 3501大气压9006kmolh32422kmolh8557025kmolh6m15m307735kg1805根 2525mm三角形排列参考文献1 周万德甲醛生产操作技术M北京化学工业出版社20092 姚守信中国甲醛市场发展趋势分析及投资前景预测报告J市场研究报告20091134-1423 李方玉朱春英铁钼催化法甲醛生产装置简介J化肥工业20054104 黄仲九房鼎业化学工艺学M北京高等教育出版社20015 谭柳甲醛生产工艺J化工专业文献19931190-1936 葛婉华陈鸣德化工计算M北京化学工业出版社20097 李绍芬主编反应工程第二版M北京化学工业出版社20088 时军沈复郑红化工热力学M北京化学工业出版社20009 天津大学物理化学教研室编第四版M高等教育出版社200710 肖成基林亚兰数据处理M北京石油化学工业出版社200111 夏清陈常贵等化工原理M天津天津大学出版社20052181甲醇空气预热器吸 收塔冷 却器废热锅 炉反应器预热器加热器蒸发器 产品