铁钼法甲醇氧化年产1.5万吨甲醛车间工艺设计

铁钼法甲醇氧化年产1.5万吨甲醛车间工艺设计

摘要

本设计为铁钼法甲醇氧化制甲醛（年产1.5万吨）生产车间设计。通过查阅相关文献资料，决定选用铁钼催化剂法设计工艺路线。本设计配有设计说明书一本，附图4张。说明书包括1：总论；2：工艺流程的选择及论证；3：年产1.5万吨37.2%甲醛水溶液工艺计算；4：非标准设备的计算及定性设备的选型；5：工艺管道计算；6：安全以及“三废”治理；7：技术经济初步核算。图纸包括：1 带控制点的工艺管道及工艺流程图；2 氧化器装配图；3 装置平面图；4 装置立面图。

关键词：甲醇，铁钼法，甲醛，经济评价，“三废”处理

摘要 1

ABSTRACT 2

1 设计总论 5

1.1 设计概述 5

1.1.1 设计名称 5

1.1.2 设计内容 5

1.1.3设计要求 5

1.2 设计背景 6

1.3 设计方案选择 7

1.3.1 铁钼催化剂法 7

1.3.2 银催化剂法 7

2 工艺流程模拟 10

2.1 总工艺流程 10

2.1.1 工艺流程描述 10

2.1.2 流程工段描述 10

2.2 流程模拟 14

2.2.1 流程模拟概述 14

2.2.2 甲醇汽化工段模拟 15

2.2.3 氧化反应工段 15

2.2.4 双塔吸收工段 16

3 物料衡算和能量衡算 18

3.1物料衡算 18

3.1.1 物料衡算原理 18

3.1.2 物料衡算任务 18

3.1.3 系统物料衡算 18

3.2 能量衡算 20

3.2.1 基本原理 20

3.2.2 能量衡算任务 21

3.2.3 系统能量衡算 21

4 主要设备设计及计算 24

4.1 第一吸收塔 24

4.1.1填料塔的基本构造 24

4.1.2填料的类型 24

4.1.3 填料的适用范围 24

4.1.4 填料的选择 25

4.1.5 填料的性能参数 26

4.1.6 吸收塔计算 26

4.1.7 塔径及空塔气速的计算 31

4.1.8 填料层阻力计算 32

4.1.9 填料层高度 34

4.1.10 辅助设备的计算及选型 35

4.1.11 吸收塔壁厚的计算(包括计算壁厚和最小壁厚) 40

4.1.12 吸收塔封头选择计算 41

4.1.13 吸收塔裙式支座选择 42

4.2反应器 44

4.2.1反应方程 44

4.2.2工艺条件的确定 44

4.2.3 甲醇氧化反应器的设计计算 45

4.2.4反应器的数学模型 47

4.2.5反应管长度计算 49

4.3反应器部件设计 50

4.3.1 反应器壳体内径设计 50

4.3.2折流板的设计 51

4.3.3反应器壳体壁厚设计 52

4.3.4压力试验及其强度校核 52

4.4反应器接管设计 53

4.4.1反应器进口 53

4.4.2反应器出口 53

4.4.3导热油（联苯醚）[]进出口 54

4.5反应器封头设计 55

4.6反应器支座设计 56

4.7反应器拉杆设计[] 57

4.8反应器接管法兰设计 57

4.9反应器管板、管箱、反应列管的连接结构设计 57

4.9.1壳体与管板的连接结构 57

4.9.2管箱与管板的连接结构 58

4.9.3反应管与管板的连接结构 58

5 “三废”处理与节能措施 59

5.1 各工段污物 59

5.2 污染物治理方法 60

5.2.1 废气 60

5.2.2 废水 61

5.2.3 废渣 62

5.2.4 噪声 62

5.3 处理评述 62

结语 63

参考文献 64

1 设计总论

1.1 设计概述

1.1.1 设计名称

铁钼法甲醇氧化制甲醛（年产1.5万吨）生产车间设计

1.1.2 设计内容

结合铁钼法甲醇氧化制甲醛技术发展实际，依据相关技术规范和标准，利用所学知识利用所学知识进行工艺设计和计算，甲醛的年产量为300kt。此设计主要工作内容包括：

①查阅国内外关于铁钼法甲醇氧化制甲醛的文献资料，综合对比分析各种方法的优缺点，确定拟采用的工艺流程方案；

②收集相关的数据进行相应的设计计算，主要包括：用Aspen plus完成物料衡算、热量衡算、热量集成计算、反应器的工艺及机械设计计算、辅助设备选型计算；

③用AutoCAD完成物料流程图、带控制点工艺流程图、车间布置图、车间管路轴测图、反应器的装配图及主要零件图。

④完成车间经济动态评价计算，并进行安全和技术经济分析，提出三废处理方案；

⑤编制设计说明书，整理形成毕业论文。

1.1.3设计要求

①工艺流程具有创新性；

②计算正确；

③核心设备设计结构合理；

④车间与管路布置合理；

⑤经济、技术可行；

⑥图纸规范。

1.2 设计背景

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3万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，同时也对装置的技术经济状况进行了初步估计。

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，敬请老师和同行批评指正。

1.3 设计方案选择

通过查阅相关文献[[[] 王立辉, 刘瑞英等. 甲醛及多聚甲醛的生产技术[J]. 河北化工, 2012, 35(12): 25-28.]]，可知国际上生产甲醛的工艺主要有2种：甲缩醛法和甲醇直接氧化法。前者主要通过二甲氧基甲烷氧化制取，后者为甲醇在催化剂下作用下直接氧化制取。其中我国甲醛生产的工艺绝大多数采用第二种，占比约为90%。而甲醇直接氧化制备甲醛的主要工艺路线又可分为两种，即铁钼法和银法。

1.3.1 铁钼催化剂法

铁钼催化剂法，即过量空气氧化法。是用 Fe2O3、MoO3作为催化剂,以铬和钴的氧化物作为助催化剂, 甲醇经甲醇汽化器汽化后与过量空气按一定比例混合, 经净化, 预热, 在 320～ 380 ℃温度下反应生成甲醛，经双塔吸收系统吸收得到浓度为37%~55%的甲醛溶液，从第二吸收塔塔顶出来的尾气，一部分经风机循环回反应系统，另一部分经尾气处理系统处理产生蒸汽，剩余废气达标后排入大气[[[] 孙继光. 电解银法和铁钼法生产甲醛工艺技术分析比较[J]. 化工技术与开发, 2012-05, 41(5):26-29.]]。工艺流程图如图1.1所示。铁、钼法工艺路线主要以瑞典Perstorp公司和美国D.B western为代表。

1.3.2 银催化剂法

银催化剂法，即甲醇过量法。是用银丝网或铺成薄层的银粒为催化剂, 控制甲醇过量, 在反应温度约为 600～ 720℃下反应转化为甲醛气体，氧化器下段为一废

热锅炉段——副产蒸汽，高温甲醛气体经此系统急冷至150℃后进入吸收塔进行吸收。此吸收塔系统与铁钼法流程类似。工艺流程图如图1.2所示。银法工艺路线主要以德国BASF 公司和香港富艺公司为代表。

表1.1 银法与铁钼法特点对比

项目	银催化剂法	铁钼催化剂法
反应温度（℃）	600～720	320～380
反应压力/MPa	0.1	0.1
反应器	绝热式	列管式固定床
催化剂寿命	2～6月	12～18月
副产蒸汽	较少	较多
收率（%）	89～91	91～94
甲醇单耗(Kg/t)	470～480	420～470
甲醛浓度（%）	40～55	37～57
产品中甲醇含量（%）	4～8	0.5～1.5
催化剂损失/kg	0.027	0.036～0.045
甲醛混合气体中浓度（%）	＞37	＜7
投资	相对低	相对高
催化剂失活原因	原料中铁、硫引起中毒	M升华
对毒物敏感程度	敏感	不敏感

由表可知：银法工艺简单，技术成熟，投资较少，调节能力强，产品中甲酸

含量少，尾气中的氢可以燃烧，但是甲醇的转化率低，单耗高，催化剂寿命短，对甲醇纯度要求高，甲醛成品中甲醇含量高，只能生产低浓度甲醛。

与银催化氧化法相比 , 铁钼法的特点是反应温度低、催化剂寿命长、副反应少、甲醇转化率高于银法，可达 94%～99% ，且单耗低于银法工艺，即原料消耗低、不需蒸馏装置，产品浓度高、含有甲醇少，一般用于制取高浓度甲醛。缺点是铁钼法技术主要依靠引进国外工艺技术，专利成本费用较高，在设备投资上投资也比较大,相对于银法工艺，我国在铁钼法工艺技术与管理上还不太成熟，加上其投资回收期较长，故与银法相比其投资风险较大，但从长远的角度来看，铁钼法由于其技术优势明显，随着国内在这方面技术的不断发展，在不远的将来将会得到更广泛的应用。

综上所述，铁钼法工艺优于传统的银法工艺，故本设计考虑采用铁钼法工艺。

参考文献

[] 王立辉, 刘瑞英等. 甲醛及多聚甲醛的生产技术[J]. 河北化工, 2012, 35(12): 25-28.

[] 孙继光. 电解银法和铁钼法生产甲醛工艺技术分析比较[J]. 化工技术与开发, 2012-05, 41(5):26-29.

[] 李世杰. 甲醛工业生产现状及工艺路线比较[J]. 中氮肥, 2000, 1(1):7-8.

[] 李方玉, 朱春英. 铁钼催化法甲醛生产装置简介[J]. 化肥工业, 2004-12-15, 32(4):39-43.

[] 唐宏青. 甲醛工艺的过程模拟[J]. 化肥设计, 2005-8, 43(4):12-14.

[] 靳冬. 甲醛第一吸收塔的改造[J]. 广州化工, 1997, 25(1):51-54.

[] 王志祥, 于颖, 关琦. 槽式液体分布器的设计及应用[J]. 化工机械, 1999, 26(2):92-94.

[] 汪镇安等. 化工工艺设计手册[M]. 北京:化学工业出版社, 2003. 478-479

[] JB/T4710-2005, 钢制塔式容器[S].

[] 刘福生, 康平. 塔器设计中裙座及地脚螺栓材料选用[J]. 石油化工设备, 2005-11, 34(6):76-77.