年产四万吨甲醛开题报告

一、基本内容

    对年产4万吨甲醛合成工艺吸收段初步设计，对整个生产过程进行了物料衡算和热量衡算，重点对吸收塔进行了设计，并对各种管道及其设备进行了选型。

    主要解决包括流体流动（动量传递），热量交换（热量传递），物质的迁移（质量传递）等多种物理现象和涉及反应热的力学和动力学问题。

二、具体要求

1、研究设计年产4万吨甲醛合成初步工艺流程。

2、化工计算，包括物料衡算、能量衡算以及工艺所需主要设备的计算和选型。

3、工艺布置，绘制带控制点的工艺流程图及主要设备图。

4、经济概算，撰写设计说明书

一、前人的工作 

 吸收塔是实现吸收操作的设备。按气液相接触形态分为三类。第一类是气体以气泡形态分散在液相中的板式塔、鼓泡吸收塔、搅拌鼓泡吸收塔；第二类是液体以液滴状分散在气相中的喷射器、文氏管、喷雾塔；第三类为液体以膜状运动与气相进行接触的填料吸收塔和降膜吸收塔。塔内气液两相的流动方式可以逆流也可并流。通常采用逆流操作，吸收剂以塔顶加入自上而下流动，与从下向上流动的气体接触，吸收了吸收质的液体从塔底排出，净化后的气体从塔顶排出。

二、研究现状

     吸收采用双塔循环，二塔用软水作吸收剂，一塔用二塔来的甲醛溶液的稀溶液（二补一）作吸收剂。主要设备的尺寸计算及选型如下。

 1、填料塔工艺尺寸的计算填料塔工艺尺寸的计算包括塔径的计算、填料层高度的计算及分段。

 塔径的计算中气体体积流量由设计任务给定。由上式可知，计算塔径的核心问题是确定空塔气速。                                                                

 1.1空塔气速的确定泛点气速：泛点气速是填料塔操作气速的上限，填料塔的操作空塔气速必须小于泛点气速，操作空塔气速与泛点气速之比称为泛点率。对于散装填料，其泛点率的经验值为对于规整填料，其泛点率的经验值为填料的泛点气速可由贝恩—霍根关联式计算， —泛点气速，m/s；—重力加速度，9.81m/s2；—填料总比表面积，m2/m3；—填料层空隙率，m3/m3；、—气相、液相密度，kg/m3；—液体粘度，mPa·s；、—液相、气相的质量流量，kg/h；、—关联常数，与填料的形状及材质有关。                          

 1.2塔径的计算与圆整根据方法得出空塔气速后，计算出塔径D。计算出塔径D后，还应按塔径系列标准进行圆整。常用的标准塔径为：400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、2200mm等。圆整后，再核算操作空塔气速与泛点率。

1.3液体喷淋密度的验算填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量，—液体喷淋密度，m3/(m2·h)；—液体喷淋量，m3/h；—填料塔直径，m。为使填料能获得良好的润湿，塔内液体喷淋量应不低于某一极限值，此极限值称为最小喷淋密度，以表示。对于散装填料，其最小喷淋密度通常采用下式计算，即(4)式中—最小喷淋密度，m3/(m2·h)；—最小润湿速率，m3/(m·h)；—填料的总比表面积，m2/m3。对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率为0.08m3/(m·h)；对于直径大于75mm的散装填料，取=0.120.08m3/(m·h)。实际操作时采用的液体喷淋密度应大于最小喷淋密度。若液体喷淋密度小于最小喷淋密度，则需进行调整，重新计算塔径。

2、填料层高度计算及分段

 填料层高度计算采用传质单元数法计算填料层高度。目前，在进行设计时多选用一些准数关联式或经验公式进行计算，其中应用较为普遍的是修正的恩田(Onde)公式。、—气体、液体的质量流量，kg/(m2·h)；、—气体、液体的粘度，kg/(m·h)[1Pa·s=3600kg/(m·h)]；、—气体、液体的密度，kg/m3；、—溶质在气体、液体中的扩散系数，m2/s；—通用气体常数，8.314(m3·kPa)/(kmol·K)；—系统温度，K；—填料的总比表面积，m2/m3；—填料的润湿比表面积，m2/m3；—重力加速度，1.27×108m/h；—液体的表面张力，kg/h2(1dyn/cm=12960kg/h2)；填料层的分段液体沿填料层下流时，有逐渐向塔壁方向集中的趋势，形成壁流效应。壁流效应造成填料层气液分并不均匀，使传质效率降低。因此，每隔一定的填料层高度，需要设置液体收集再分布装置，即将填料层分段。                      

填料层压降的计算

填料层压降通常用单位高度填料层的压降表示。设计时，根据有关参数，由通用关联图（或压降曲线）先求得每米填料层的压降值，然后再乘以填料层的高度，即得出填料层的压力降。

3、填料塔内件的类型与设计

 填料支承装置设计中，为防止在填料支承装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料支承装置的自由截面积应不大于75%。 填料压紧装置设计中，为防止在填料压紧装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料压紧装置的自由截面积应不大于70%。

 液体分布装置

液体分布均匀评价液体分布均匀的标准是：足够的分布点密度；分布点的几何均匀性；降液点间流量的均匀性。操作弹性大液体分布器的操作弹性是指液体的最大负荷与最小负荷之比。设计中，一般要求液体分布器的操作弹性为2-4，对于液体负荷变化很大的工艺过程，有时要求操作弹性达到10以上，此时，分布器必须特殊设计。

 自由截面积大液体分布器的自由截面积是指气体通道占塔截面积的比值。根据设计经验，性能优良的液体分布器的自由截面积为50%-70%。设计中，自由截面积最小应在35%以上。

4、液体分布器布液能力的计算

 液体分布器的布液能力的计算是液体分布器设计的重要内容。设计时，按其布液作用原理不同和具体结构的特性，选用不同的公式计算。

 重力型液体分布器布液能力计算重力型液体分布器有多孔型和溢流型两种型式，工业上以多孔型应用为主，其布液工作的动力为开孔上方的液位高度。多孔型分布器布液能力的计算公式为(15)式中 —液体流量，m3/s；—开孔数目（分布点数目）；—空流系数，通常取=0.55-0.60；—孔径，m；—开孔上方的液位高度，m。

 压力型液体分布器布液能力计算压力型液体分布器布液工作的动力为压力差（或压降），其布液能力的计算公式为(16)式中 —液体流量，m3/s；—开孔数目（分布点数目）；—空流系数，通常取=0.55-0.60；—孔径，m；—分布器的工作压力差（或压降），Pa；—液体密度，kg/m3。设计中，液体流量为已知，给定开孔上方的液位高度（或已知分布器的工作压力差），依据分布器布液能力计算公式，可设定开孔数目，计算孔径；也可设定孔径，计算开孔数目。            

5、液体收集及再分布装置在通常情况下，一般将液体收集装置及液体再分布器同时使用，构成液体收集及再分布装置。槽板式液体分布器兼有集液和分液的功能，故槽盘式液体分布器是优良的液体收集及再分布装置。                                                                                                                    

三、应用前景

    随着新型填料塔的相继开发，其优点更加突出，应用范围更加广泛。在炼油、石油化工、精细化工、化肥、制药和原子能工业部门，以及环保领域的应用已趋于成熟。填料塔尤其适用于真空蒸馏、常压和中压下的蒸馏，当然还有大气量的两相接触过程（如气体的吸收、冷却等）。

填料塔应用的另一个新领域是空气分离装置。30年代以前的空分设备，主要是满足焊接、切割用氧及化工用氮。由于现代钢铁、氮肥、化工及火箭等技术的发展，氧、氮及稀有气体的用量显著增加。

2013年01月09日—2012年03月04日：查阅资料，文献综述

2013年03月04日—2011年03月10日：开题报告

2013年03月11日—2011年04月14日：毕业实习阶段

2013年04月15日—2011年04月30日：毕业设计阶段

2013年05月01日—2011年05月18日：撰写毕业论文

2013年05月19日—2011年06月07日：修改论文

2013年06月08日：准备毕业答辩

预期结果

通过查阅相关文献论证得出最合理的甲醛合成工艺流程为电解银催化法合成甲醛，然后进行物料衡算、能量衡算和设备工艺计算，选择合适的设备，再进行车间布置和管路设计，其次绘制带控制点的工艺流程图和设备装置图，最好修改整理完成毕业设计。通过该工艺流程设计，甲醇氧化制甲醛能在节能及提高产品质量方面能有所提高。

成果形式

撰写毕业设计说明书及绘制图纸。

1．已具备的条件

（1）大学里已经学习过有机化学、化工原理、化工热力学、机械制图等有关知识；

（2）通过在实习地方的实习已经对甲醛生产的整体结构和设备有基本的认识和了解

（3）学校网站上有前人提供的对甲醛生产工艺的资料可以供参考

（4）指导老师有丰富的相关经验和知识，可以询问

（5）老师提供相关方面的书籍

2．待解决的问题

（1）需要获取大量的甲醛工艺生产设备结构、尺寸、材料参数

（2）要查询很多甲醛生产原料气各成分的燃烧焓及其内部反应和传热系数等

3．拟采取的研究方法

 对自己整个设计先有个总体印象，通过自己所学所了解先画出工艺流程草图，然后通过查阅资料和书籍，再计算，设计出最主要的吸收设备其次是主设备之间的链接管路最后再通过整理修改做出设计。

4.技术路线

    吸收采用双塔循环，二塔用软水作吸收剂，一塔用二塔来的甲醛溶液的稀溶液（二补一）作吸收剂。具体流程：

自氧化器出来的甲醛从一塔底进入，向塔顶流动；二塔来的稀甲醛溶液（二补一）从塔顶加入，一塔循环液从塔顶和塔中部加入，向下流动，气流逆向流动；在此运行过程中大部分甲醛被吸收，并放出大量的热；为控制一定的一塔循环温度以保证吸收效果，一塔出来的循环液经泵送入塔顶和塔中部前，必须经一塔第一冷却器和一塔第二冷却器冷却后，才能送入形成自塔循环。未被吸收的气体由塔顶引出，进入第二吸收塔的底部，由塔顶引出尾气锅炉或真空系统。

    吸收用水由泵经冷却器打到第二吸收塔顶，在二塔内吸收甲醛后，用泵经第二冷却口头冷却后，打到第一吸收塔顶，在一塔内进一步吸收甲醛后，由一塔底引出冷却器流入甲醛贮槽。

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[4] 赵敏杰. 沸腾床钼的氧化物催化剂甲醇氧化制甲醛研究[J]. 精细石油化工

[5] 尹先清. 化工设计[M]. 北京:石油工业出版社, 2006.11

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[7] 赵惠清. 化工制图[M]. 北京:化学工业出版社, 2008

[8] 谭天恩. 化工原理[M]. 北京:化学工业出版社, 2010

[9] 李景林, 李斌, 江丽等. Fe-Mo/KZSM-5上甲醇氧化为甲醛的研究[J]. 催化学报, 1999

                                           指导教师（签名）：

                                                       年    月    日

____________教研室主任（签名）：

                                                       年    月    日

系（二级学院、部）主任（院长）（签名）：

                                                       年    月    日