学士学位论文年产5万吨甲醇氧化制甲醛工艺及反应器设计姓名：学号：************指导教师：院系（部所）：化学化工系专业：化学完成日期：2010年6月1日枣庄学院学士学位论文作者声明本人声明：本人呈交的学位论文是本人在导师指导下取得的研究成果。
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作者签名：日期：年月日摘要甲醛作为一种基础化工产品，一直都有着广泛的需求市场。
本文在阅读大量文献的基础上，论述了甲醇、甲醛的主要理化性质及工业用途，总结并比较了目前国内外工业上合成甲醛的主要方法及生产状况，选择用银催化剂进行了年产5万吨甲醇氧化制甲醛的工艺设计，探讨了由甲醇氧化合成甲醛的具体工艺路线和条件、催化剂的保护、主要设备的操作控制参数和作用、主要工段具体的物料衡算与能量衡算，并以以上工艺数据为基础，进行了核心设备——三段式反应器的设计，包括每段的工艺参数、选用材料、具体尺寸、段与段之间的连接方式，并绘有各部分装配图。
关键词：甲醇氧化制甲醛；工艺设计；电解银；催化剂；反应器设计AbstractAs a basical chemical products, formaldehyde has been always demand for a broad market. In this paper, based on a lot of reading, I discussed the main physical and chemical properties and industrial uses of methanol and formaldehyde, summarized and compared the existing domestic and international industrial major synthesis technology of formaldehyde and production conditions, choosed silver as the catalysts to design the technology of the annual output of 50,000 tons of methanol oxidation to formaldehyde, I explored the specific process routes and the conditions, the main operation of equipment control parameters and functions, the main section in the specific mass balance and energy balance. Based on these peocess data, I designd the core equipment – three-stage reactor, including each piece of process parameters, material selection, specific size, section and paragraph of the connection between, and painted parts of the assembly drawing.Key-words：methanol oxidation to formaldehyde; technology design; electrolytic silver; catalyst; reactor design目录第1章绪论 (1)1.1甲醇、甲醛的主要理化性质及工业用途 (1)1.1.1甲醇理化性质 (1)1.1.2甲醇的主要工业用途 (2)1.1.3甲醛的理化性质 (3)1.1.4甲醛的主要工业用途及相关问题 (4)1.2由甲醇制甲醛的工艺方法概述 (5)1.2.1主要的工艺状况 (5)1.2.2两种主要工艺路线的比较 (7)1.3甲醛的生产 (7)1.3.1我国的生产情况 (7)1.3.2世界上的生产情况 (8)第2章年产5万吨甲醇制甲醛工艺设计 (9)2.1总述 (9)2.2工艺流程 (9)2.2.1反应段流程 (9)2.2.2吸收段流程 (10)2.2.3主要设备的工艺指标 (10)2.3关于催化剂 (11)2.3.1银氧化法对催化剂的技术指标和要求 (11)2.3.2催化剂活性下降的原因 (12)2.3.3生产过程中的防范措施 (13)2.4物料衡算 (13)2.4.1产品物料衡算 (13)2.4.2原料气物料衡算 (14)2.4.3关于反应产物的衡算 (14)2.5能量衡算 (15)2.5.1蒸发器 (16)2.5.2过热器 (17)2.5.3反应器中段 (17)2.5.4反应器下段 (18)第3章反应器设计 (20)3.1上段-氧化室 (20)3.1.1总述 (20)3.1.2塔径 (20)3.1.3壁厚 (20)3.1.4高度 (20)3.1.5封头 (21)3.2中段-换热器 (21)3.2.1总述 (21)3.2.2确定平均温度差Δt m (21)3.2.3假定总传热系数K (22)3.2.4计算传热面积A (22)3.2.5选择管程数、壳程数、尺寸、管数 (22)3.2.6确定外壳直径 (22)3.3下段-换热器 (23)3.3.1总述 (23)3.3.2确定相关参数 (23)3.4反应器结构 (23)3.4.1换热器外壳直径 (23)3.4.2换热器的材料、壁厚、封头、管板 (23)3.4.3换热器折流挡板 (23)3.4.4反应器流体进出口用钢管设计 (24)3.5法兰设计 (24)3.5.1上段法兰 (24)3.5.2中段法兰 (24)3.5.3其它法兰 (25)3.6结构装配图 (25)3.6.1上段-上封头 (26)3.6.2上段-中段连接、管板、换热管、催化剂 (26)3.6.3中段-下段连接、折流挡板 (27)3.6.4下段-下封头 (27)总结 (28)参考文献 (30)致谢 (32)第1章绪论1.1甲醇、甲醛的主要理化性质及工业用途1.1.1甲醇理化性质1.物理性质（1）概述甲醇（Methanol）是最简单的饱和一元醇类，分子式为CH3OH，相对分子质量为32.04。
在常温常压下，纯甲醇是无色透明、易挥发、可燃、略带酒精气味的有毒液体。
甲醇蒸汽能够与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限在6%~36.5%。
（2）分子结构甲醇分子中氧原子为sp3杂化，结构如下：图1-1 甲醇的锯架投影式表1-1 甲醇分子结构键长键角[1]C—H 109.5 pm ∠COH 108.9°C—O 143 pm ∠HCH 109°O—H 96 pm ∠HCO 110°（3）主要物理性质甲醇的主要物理性质见表1-2。
表1-2 甲醇的主要物理性质[2]性质数据性质数据密度（0℃）/(g/mL) 0.81 蒸汽压(20℃)/Pa 1.2879×104比热容相对密度d2040.7913 液体(20~25℃)/[J/(g·℃)] 2.51~2.53 熔点/℃-97.8气体(25℃)/[J/(g·℃)] 45 沸点/℃64.5~64.7甲醇分子中α-氢原子和羟基集团，化学性质活泼，其主要化学反应有：氧化反应、脱氢反应、置换反应、酯化反应等。
（1） 氧化反应在一定条件下，甲醇不完全氧化生成甲醛和水：CH 3OH+21O 2HCHO+H 2O 式(1-1)甲醛完全燃烧：CH 3OH+23O 2CO 2+2H 2O 式(1-2)（2） 脱氢反应在金属催化剂条件下，甲醇气相脱氢生成甲醛：CH 3OHHCHO+H 2 式(1-3)（3） 置换反应 典型的置换反应有：2CH 3OH+2Na2CH 3ONa+H 2 式(1-4)（4） 酯化反应甲醇可以与多种无机酸和有机酸发生酯化反应，典型反应——与硫酸、甲酸反应方程式如下[3-5]：CH 3OH+H 2SO 4CH 3OSO 2OH+H 2O 式(1-5)CH 3OH+HCOOHHCOOCH 3+H 2O式(1-6)1.1.2 甲醇的主要工业用途1.作有机化工原料甲醇是基础的有机化工原料，主要应用于精细化工，塑料等领域，用来制造二甲醚、甲醛、甲酸、醋酸、等多种有机产品，也是农药、医药的重要原料之一。
2.作燃料——甲醇汽油甲醇在深加工后可作为一种新型清洁燃料，也可加入汽油掺烧，即甲醇汽油。
因甲醇和汽油相似，可以方便的储存、运输和添加等，那么甲醇作为汽油的替代品，具有其他物质无可比拟的优越性。
甲醇汽油作汽车燃料与汽油相比，优势有以下四点：○1甲醇辛烷值较高，抗爆性能好，可以提高汽油机的压缩比，而且理论上讲，燃用高比例甲醇汽油（使用改造过的发动机），动力上更有优势；○2甲醇含氧量高，加入汽油中则会相应提高汽油含氧量，从而有助于汽油的充分燃烧，进而可相应的减少尾气排放量，燃料的热值损失也同样会减少；○3甲醇的点火温度和自燃温度都比汽油高，燃烧过程相比汽油更安全；○4由于热效率高，使用甲醇汽油的汽车尾气中CO、碳氢化合物（HC）、SO2、NO x和固体悬浮颗粒都会下降[6]。
3.甲醇燃料电池（Methanol Fuel Cell，MFC）为适应全球性的能源可持续利用和环境保护的需要，甲醇燃料电池技术已经成为国际高技术研究开发的热点。
甲醇燃料电池分为直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）和间接甲醇燃料电池（Indirect Methanol Fuel Cell，IMFC）。
其中，直接以甲醇为燃料，以甲醇和氧气的电化学反应将化学能转变为电能的发电装置称为直接甲醇燃料电池；将燃料系统分开，先用甲醇催化氧化制出氢气，在进入电池作为燃料的电池称为间接甲醇燃料电池。
因DMFC是甲醇不经过预处理可直接应用于阳极反应产生电流并生成水和二氧化碳，洁净无污染，且能量转换率高（实际效率可达70%以上），具有高能量密度、高功率、零污染等特点，即操作简便、综合性能优良，因此具有广泛的应用前景[7-9]。