年生產(chǎn)4萬(wàn)噸草酸初步設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

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1、化工設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)項(xiàng) 目 名 稱：年生產(chǎn)4萬(wàn)噸草酸初步設(shè)計(jì)設(shè) 計(jì) 人 姓 名：專 業(yè) 班 級(jí)：指 導(dǎo) 老 師 姓 名設(shè)計(jì)起止日期： 1概述1.1設(shè)計(jì)依據(jù)1.1.1設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱：年生產(chǎn)4萬(wàn)噸草酸初步設(shè)計(jì)1.1.2生產(chǎn)能力：年生產(chǎn)能力4萬(wàn)噸1.1.3生產(chǎn)方法：甲酸鈉法（鈣法）主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：序號(hào)項(xiàng)目名稱單位數(shù)量備注一生產(chǎn)規(guī)模噸40000二年操作日天300三主要原輔料、燃料1焦炭噸/年2燒堿噸/年3硫酸噸/年4燃料煤噸/年四運(yùn)輸量噸/年1運(yùn)入量噸/年2運(yùn)出量噸/年 五定員人六建設(shè)期月七工程有地畝八報(bào)批工程中投資萬(wàn)元1建設(shè)投資萬(wàn)元2鋪底流動(dòng)資金萬(wàn)元3建設(shè)期利息萬(wàn)元九資金籌措萬(wàn)元 1.1.4產(chǎn)品物

2、理化學(xué)性質(zhì)、技術(shù)指標(biāo)及用途：【化學(xué)名】乙二酸(Oxalic acid dehydrate) 【分子式】【結(jié)構(gòu)式】、【分子量】126.06 【CASNO】6153-56-6理化性質(zhì)：白色晶體。熔點(diǎn)：101.5。密度：1.653。1.1.5草酸的主要用途用途：草酸是重要的有機(jī)工業(yè)原料，草酸及其衍生物是許多藥品生產(chǎn)那的中間體，如用于生產(chǎn)色甘酸鈉、異唑肼。草酸可用于稀土元素的提取、分離和精制。此外，草酸可用于紡織品的清洗，纖維染色，永久定型及其阻燃。在聚合物合成中，草酸是制取許多有機(jī)物的原料或其它反應(yīng)的催化劑等。主要原輔材料的物理化學(xué)性質(zhì)、技術(shù)指標(biāo)及供應(yīng)：設(shè)計(jì)進(jìn)度：1.1.6生產(chǎn)方法的比較級(jí)確定生產(chǎn)方

3、法的論證：隨著我國(guó)環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)及環(huán)境保護(hù)治理的力度不斷加強(qiáng)，過(guò)去的鉛法生產(chǎn)工藝被淘汰，而鈣法工藝以其生產(chǎn)效率高，環(huán)江污染少，能源消耗少，工藝易操作，綜合效率高，等優(yōu)點(diǎn)逐步成為我國(guó)廣泛推廣的一種生產(chǎn)草酸的工藝。1.1.7生產(chǎn)過(guò)程主要反應(yīng)的反應(yīng)熱：甲酸鈉合成：甲酸鈉脫氫：甲酸鈉鈣化：草酸鈣酸化：生產(chǎn)過(guò)程的主要副反應(yīng)的反應(yīng)熱1.2車間組成及生產(chǎn)制度1.2.1工段組成及設(shè)計(jì)范圍的要求： （1）造氣合成車間（造氣工段、合成工段）、（2）脫氫車間（脫氫工段）、（3）鈣化、酸化車間（鈣化工段、酸化工段）、4結(jié)晶、干燥車間（結(jié)晶工段、干燥工段）本項(xiàng)目為年產(chǎn)（4）噸草酸產(chǎn)品的項(xiàng)目，本設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)對(duì)廠區(qū)圍墻內(nèi)

4、的年產(chǎn)4噸的草酸產(chǎn)品裝置，輔助生產(chǎn)裝置，供排水系統(tǒng)，供熱系統(tǒng)等進(jìn)行了比較詳細(xì)的說(shuō)明。1.2.2生產(chǎn)制度:年工作日（300天/年），班組制（5班3運(yùn)轉(zhuǎn)）、8小時(shí)/班。2化工計(jì)算（物料衡算和熱量衡算）2.1.1生產(chǎn)工藝流程工藝示意圖（物料衡算和熱量衡算的依據(jù)）212工藝示意圖簡(jiǎn)述如下：（1）鼓風(fēng)機(jī)加壓的空氣由下部鼓入煤氣發(fā)生爐，焦炭有煤氣發(fā)生爐頂部加入，空氣與燃燒狀態(tài)的焦炭相互反應(yīng)生成含有30%一氧化碳的空氣煤氣，煤氣由頂出口排出，經(jīng)洗氣后進(jìn)入第一水洗塔，水洗后的煤氣進(jìn)入真空泵加壓，加壓后的煤氣進(jìn)入第二水洗塔進(jìn)一步除去細(xì)小微量灰塵，通過(guò)企業(yè)分離器進(jìn)入壓縮機(jī)煤氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮到1.8-2.0兆帕經(jīng)油分

5、離器分去掉其中油污，進(jìn)入高壓水洗塔出去二氧化碳和微量的硫化氫，然后在預(yù)熱器中和稀堿液混合升溫到150-170攝氏度再進(jìn)入合成管合成甲酸鈉混合氣，經(jīng)減壓的甲酸鈉混合氣在尾氣分離器中分離掉未反應(yīng)的氣體和水蒸氣同時(shí)把合成的稀甲酸鈉液體送到甲酸鈉儲(chǔ)罐，待用。（2）由甲酸鈉儲(chǔ)罐打入蒸發(fā)室經(jīng)管間水蒸氣加熱，在真空蒸發(fā)濃縮到1000Be后放入濃甲酸儲(chǔ)罐，再由泵打入離心機(jī)，分離的到固體甲酸鈉，母液返回蒸發(fā)室，將固體甲酸鈉投入脫氫反應(yīng)器有過(guò)熱蒸汽升溫到410-430攝氏度脫氫生成草酸鈉，迅速加入新鮮冷卻溶解，通過(guò)真空吸料罐放入草酸鈉槽，然后經(jīng)過(guò)濾機(jī)得到的濾餅放入懸浮液配料槽中加水配成草酸鈉含量160-180g/

6、L的懸浮液，待用。（3）由脫氫來(lái)的草酸鈉懸浮液由離心泵打入鈣化灌，與氫氧化鈉在攪拌下反應(yīng)，反應(yīng)后用帶式過(guò)濾機(jī)過(guò)濾，濾液打到稀堿液槽，一部分送到御配堿池與外購(gòu)的濃堿液加入新鮮水配制成185g/L的溶液送達(dá)合成車間，另一部分送三效蒸發(fā)器濃縮后送合成車間，草酸鈣懸浮液送入酸化罐，然后將配酸罐中濃度為35%的硫酸用泵打入酸化罐與草酸鈣懸濁液混合反應(yīng)，然后將反應(yīng)后的液體送去帶式過(guò)濾機(jī)過(guò)濾，濾液進(jìn)入吸收罐，用蒸汽加熱至85攝氏度送入帶有攪拌的結(jié)晶罐晶體。濾液經(jīng)5次洗滌，前兩次結(jié)晶后的母液、洗水送到石墨蒸發(fā)器濃縮，其余三次用新鮮水洗滌，洗水和濃縮后的母液一起送去配酸罐稀釋92.2%的濃硫酸使其達(dá)到反應(yīng)所需濃

7、度。待用。（4）吸附罐出來(lái)的草酸溶液結(jié)晶濃縮后進(jìn)入離心機(jī)，離心后的固體草酸加入新鮮水溶解，經(jīng)過(guò)過(guò)濾除雜后重新結(jié)晶，離心分離后的草酸固體用真空吸入滾筒干燥器與經(jīng)過(guò)加熱的熱空氣逆流干燥，在滾筒的尾部計(jì)量包裝即成成品草酸。2.1.3原材料、動(dòng)力消耗定額（以每噸草酸計(jì)算）序號(hào)名稱規(guī)格及標(biāo)準(zhǔn)單位消耗定額一原材料1焦炭80%t2燒堿42.0%t3硫酸92.5%t二輔助材料1氧化鈣含量90%t三燃料動(dòng)力1電380VkWh2新鮮水18t3蒸汽1.3MPat生產(chǎn)能力的計(jì)算（1） 草酸每小時(shí)生產(chǎn)能力：5555.56kg/h 相對(duì)分子量126.06kg/h 則摩爾流量為5555.56/126.06=44.07kmo

8、l/h2.2各物料的物料衡算22.1計(jì)算依據(jù)各步反應(yīng)的收率物質(zhì)甲酸鈉草酸鈉草酸鈣草酸收率0.950.830.950.90各部分反應(yīng)所需的物料流量(1)CaC2O4+H2SO4CaSO4+H2C2O444.07/0.92=47.90kmol/h每小時(shí)消耗的H2SO4 47.90*98=4694.2kg/h原料中H2SO4的含量為92.5%每小時(shí)消耗的硫酸原料量為4694.2/0.925=5074.8kg/h(2)NaC2O4+Ca(OH)2CaC2O4+2NaOH每小時(shí)消耗的Ca(OH)2的量為47.90/0.98=48.88每小時(shí)消耗的NaC2O4的量為47.90/0.98=48.88 (3)

9、2HCOONa=NaC2O4+H2每小時(shí)消耗HCOONa 的量為2*48.88/0.83=117.8kmol/h(4)CO+Na=HCOONa每小時(shí)消耗CO的量和NaOH得量都是117.8/0.95=123.98kmol/h(5)2C+O2=2CO每小時(shí)消耗C的量為123.98kmol/h每小時(shí)消耗O2的量為61.99kmol/h(6)副反應(yīng)的C的消耗從汽化爐出來(lái)的各種氣體的含量如下表物質(zhì)COCO2O2N2含量0.300.0250.1420.533煤氣中CO2的含量為123.98*0.025/0.3=10.33kmol/h因?yàn)镃+O2=CO2，所以生成需要消耗C的量和O2的量都是10.33km

10、ol/h（7）綜合（5）（6）C的消耗量123.98+10.33=134.31kmol/h*12=1611.72kg/h因?yàn)榻固恐泻?5%，所以實(shí)際消耗C的量為1611.72/0.85=1896.14kg/h（8）綜合（5）（6） O2的消耗量為61.99+10.33=72.32kmol/h此外為其中含O2的量為123.98*0.142/0.3=58.68kmol/h入爐空氣中O2的含量為72.32+58.68=131.00kmol/h131.00*1000*22.4/1000=2934.4Nm3/h空氣O2：N2=0.21:0.79空氣中N2的含量為123.98*0.79/0.21=466

11、.37kmol/h466.37kmol/h*22.4*1000/1000=10446.69Nm3/h空氣總量為123.98+466.37=590.35kmol/h590.35*22.4*1000/1000=13223.84Nm3/h(9) CaO+H2O=Ca(OH)2 有（2）中的投料比NaC2O4:Ca(OH)2=1:1.15故Ca(OH)2的量為48.88*1.15=56.212kmol/h因?yàn)樯抑蠧aO的含量為90%，所以消耗石灰的量為 56.212*56/0.9=3497.64kg（10） NaOH消耗量為123.98*40=4959.2因?yàn)椴少?gòu)的NaOH為42%，所以NaOH的

12、消耗量為 4959.2/0.42=11807.62kg/h又因?yàn)楦碑a(chǎn)物消耗 CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O 消耗NaOH 10.33*2=20.66kmol/h所以消耗總量為 123.98+20.66=144.64kmol/h*40=5785.6kg/h表1-4物料消耗統(tǒng)計(jì)匯總表（每小時(shí)）序號(hào)名稱規(guī)格單位消耗1焦炭含碳85%t16122硫酸92.5%t5.073生石灰90%t34984空氣Nm313.2245燒堿42%t5.7862.3副產(chǎn)物生產(chǎn)量的計(jì)算（1）2HCOONa=NaC2O4+H2每小時(shí)H2生產(chǎn)量為48.88*1000/1000*22.4=1094.91Nm3/h(2)

13、NaC2O4+Ca(OH)2= CaC2O4+2NaOH每小時(shí)NaOH的生成量為47.91*2=95.81kmol/h95.81*40=3832.5kg/h(3) CaC2O4+H2SO4=CaSO4+ H2C2O4 每小時(shí)CaSO4的生成量44.08*136=5996.0kg/h2.4物料與熱量和能算（1）煤氣發(fā)生爐物料與熱量和能算2.4.1物料衡算計(jì)算依據(jù)【A】H2C2O4.H2O產(chǎn)量為4958.1kg/h即55.09kmol/h【B】進(jìn)煤氣發(fā)生爐物質(zhì)為煤氣和空氣其中空氣組成問(wèn)為O2:N2=0.21:0.79【C】產(chǎn)物空氣組成如下表物質(zhì)COCO2O2N2含量0.300.0250.1420.

14、533物料衡算a 爐出口氣組分流量 CO 123.98kmol/h O2 58.68kmol/h CO2 10.33kmol/hN2 466.37kmol/hb 進(jìn)口的分流量焦炭1611.72kg/hO2 10446.69Nm3/hN2 10446.69Nm3/h表2-2物料衡算表物質(zhì)反應(yīng)器入口反應(yīng)器出口CO-123.98kmol/hO210446.69Nm3/h58.68kmol/hCO2-10.33kmol/hN210446.69Nm3/h466.37kmol/h焦炭1611.72 kg/h-2.4.2 能量衡算（1）計(jì)算依據(jù)a 進(jìn)爐空氣焦炭均為25b 出口混合氣溫度為800c 出口氣體組

15、成如下表物質(zhì)COCO2O2N2含量123.98kmol/h10.33kmol/h58.68kmol/h466.37kmol/h d 平均熱熔（1073K，KJ/Kmolk）物質(zhì)COCO2O2N2含量31.3648.2532.1630.85（2） 熱量衡算 C+O2=CO 查表得fHm(CO)=110.525KJ/mol H1=123.98*(-110.525)=-1.37*105KJ/hC+O2=CO2 查表得fHm(CO2)=-393.509kJ/mol H2=10.33*(-393.509)=-4.06*103KJ/h以下為個(gè)氣體從25-800是的焓變 CO H3=123.98*31.16

16、*775=2.99*106 KJ/hCO2 H4=10.33*48.25*775=3.86*105 KJ/hO2 H5=58.68*32.16*775=1.46*106 KJ/hN2 H6=466.37*30.85*775=1.12*107 KJ/h總焓變H=-1.61*107 KJ/h冷卻介質(zhì)用100鍋爐給水 出口為190的飽和蒸汽，100水的焓值為419.04KJ/kg 需水產(chǎn)氣量為1.61*107/（2786.4-419.04）=6803.69kg/h 2.4.3廢熱鍋爐的能量衡算 （1）計(jì)算依據(jù) a 入口氣與出口氣組成相同，結(jié)尾煤氣發(fā)生爐的出口氣組成 b 入口氣溫度為800 c 出口氣

17、溫度為300 d 鍋爐側(cè)產(chǎn)生200的飽和蒸汽，進(jìn)水100 （2）熱量衡算 物質(zhì)COCO2O2N2含量123.98kmol/h10.33kmol/h58.68kmol/h466.37kmol/h查表得各組分平均熱熔Cp(KJ/mol)TCOCO2O2N2298K29.1837.1729.3929.13400K29.3239.2329.7529.23500K29.4540.0730.1829.35600K29.6742.7230.6529.531000K30.9347.5632.3730.641100K31.2448.5032.7030.93現(xiàn)行內(nèi)插舉例： 298K-1073K間CO平均熱熔 Cp

18、=30.93+(31.24-30.93)/(1100-1000)*(1073-1000)=31.16KJ/k內(nèi)插法結(jié)果如下表所示TCOCO2O2N2323K29.2137.6729.4829.18573K29.6142.0030.5229.481073K31.1648.2532.6130.85O2 800-300H1=Q1=58.68*32.16*(1073-298)- 58.68*30.52*(573-298)=9.7*105KJ/hN2 800-300H2=Q2=466.37*30.85*(1073-298)-466.37*29.48*(573-298)=7.37*106 KJ/hCO 8

19、00-300H3=Q3=123.98*31.16*(1073-298)-123.98*29.61*(573-298)=1.98*106 KJ/hCO2 800-300H4=Q4=10.33*48.25*(1073-298)-10.33*42.00*（573-298）=2.67*105KJ/h 所以煤氣總焓變H=1.059*107KJ/h蓄水量為1.059*107/（2786.4-419.04）=4470kg2.4.4水洗塔進(jìn)一步冷卻除塵的衡算氣體50-25 新鮮水18-25TCOCO2O2N2298K29.1837.1723.3929.13323K29.2137.6729.4829.18CO

20、H1123.98*29.21*(323-298)=9.05*104KJ/hCO2 H2=10.33*37.67*(323-298)=9.7*103 KJ/hO2 H3=58.68*29.48*(323-298)=4.3*104KJ/hN2 H4=466.37*29.18*(323-298)=3.4*105 KJ/h總焓值H=4.87*105 KJ/h18水的焓值為75.57KJ/kg25水的焓值為104.89KJ/kg需水量為4.87*105/（104.89-75.57）=16633.7 kg/h 2.4.5原料氣體預(yù)熱器的衡算由高壓水洗塔出來(lái)的氣體溫度為25，經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱至160，高壓水洗塔

21、出去CO2物質(zhì)COCO2N2含量123.98kmol/h10.33kmol/h466.37kmol/h物質(zhì)COCO2N2平均熱容Cp29.36KJ/kmolk29.89 KJ/kmolk29.27 KJ/kmolk CO H1=123.98*29.36*(433-298)=4.9*105 KJ/hO2 H2=58.68*29.89*(433-298)=2.4*105 KJ/hN2 H3=466.37*29.27*(433-298)=1.8*106KJ/h總焓值H=2.57*106KJ/h需190的蒸汽量為2.57*106/1978.3=1299kg/h2.4.6堿液預(yù)熱器的衡算有物料衡算得 堿

22、液4339.8kg/h Cp近似取值為4.2 KJ/kgk 用190的蒸汽預(yù)熱 需蒸汽量為4339.8*4.2*（160-25）/1978.8=1243.5kg/h 2.4.7HCOONa合成器物料衡算與熱量衡算 A 物料衡算（1）計(jì)算依據(jù) a HCOONa的產(chǎn)量為117.8kmol/h b CO+NaOH=HCOONa 收率為95% c 原料氣組成CO:O2:CO2:N2=300:142:25:533 d 堿液中含NaOH為42%（質(zhì)量），即0.246（摩爾）（2）物料衡算a 合成反應(yīng)器進(jìn)口原料氣給組成流量 物質(zhì)COCO2O2N2NaOH含量123.98kmol/h10.33kmol/h58

23、.68kmol/h466.37kmol/h144.64 kmol/hb 合成反應(yīng)出口物料物質(zhì)HCOONaNa2CO3O2N2H2O含量117.8kmol/h10.33kmol/h58.68kmol/h466.37kmol/h378.28kmol/h B 熱量衡算 各物質(zhì)熱容如下表：物質(zhì)COCO2O2NaOHN2H2OCp29.142KJ/kmolk37.11KJ/kmolk29.355 KJ/kmolk59.54KJ/kmolk29.125KJ/kmolk75.29KJ/kmolkCO+NaOH=HCOONa fHm(CO)=-110.525KJ/molfHm(NaOH)=-525.60KJ/

24、molfHm(HCOONa)=-665.57KJ/molfHm=fHm(HCOONa)- fHm(NaOH)=-129.536 KJ/mol故反應(yīng)熱為117.8*103*（-129.536）=-15.7*106KJ用100循環(huán)水升溫到汽化熱為2257KJ/kg需水量為15.7*106/2257=6956kg2.4.8洗氣箱的熱量衡算（1）計(jì)算依據(jù) a入口氣組成與出口氣組成基本相同 b 入口氣溫度為300出口氣溫度為50 c 進(jìn)洗氣箱循環(huán)溫度為25 d 出氣箱循環(huán)水溫度是40（2）熱力學(xué)參數(shù)物質(zhì)COCO2O2N2Cp29.18KJ/kmolk37.17KJ/kmolk29.39 KJ/kmolk

25、29.13KJ/kmolk 取基準(zhǔn)溫度為298K 查表298K-400K間各組分平均熱容如下表物質(zhì)COO2CO2N2平均熱容Cp29.32KJ/kmolk29.75 KJ/kmolk39.23 KJ/kmolk29.23 KJ/kmolk查表298K-600K間各組分平均熱容如下表物質(zhì)COO2CO2N2平均熱容Cp29.67KJ/kmolk30.65 KJ/kmolk42.72 KJ/kmolk29.53 KJ/kmolk利用線性內(nèi)插法求得298K-323K間各組分平均熱容如下表物質(zhì)COO2CO2N2平均熱容Cp36.67KJ/kmolk29.21 KJ/kmolk29.48KJ/kmolk2

26、9.18 KJ/kmolk298K-573K間各組分平均熱容如下表物質(zhì)COO2CO2N2平均熱容Cp42.25KJ/kmolk29.62 KJ/kmolk30.53KJ/kmolk29.49KJ/kmolk故得CO H1=123.98*29.62*（573-298）-123.98*29.21*（323-298）=9.19*105KJ/molO2 H2=58.68*30.53*(573-298)- 58.68*29.48*(323-298)=4.5*105KJ/molN2 H3=466.37*29.49*(573-298)- 466.37*29.18*(323-298)=3.44*106KJ/m

27、olCO2 H4=10.33*42.25*(573-298)- 10.33*37.67*(323-298)=1.1*105KJ/mol總焓 H=4.92*106KJ/mol40水的焓值為167.57KJ/kg25水的焓值為104.89 KJ/kg故需水量為4.92*106/（167.57-104.89）=7.84*104KJ/mol2.4.9HCOONa蒸發(fā)器的物料衡算與熱量衡算A 物料衡算 （1）計(jì)算依據(jù) a 每小時(shí)需濃縮出117.8kmol/hHCOONa即8010kg/h b 進(jìn)料濃度為400g/l 出料濃度為900g/l c 加熱蒸汽溫度為200 d 進(jìn)料液溫度為100（2）熱參數(shù)10

28、0水的汽化潛熱為2257KJ/kg200水的汽化潛熱為1940.7 KJ/kg（3）物料衡算a 入口物流 稀HCOONa溶液為117.8*68/400=20.03m3/hb 出口物流 濃HCOONa溶液為117.8*68/900=8.90m3/h H2O為（20.03-8.90）*1000=11130kg/hB 熱量衡算a 稀HCOONa溶液蒸發(fā)水吸熱 Q=11130*2257=2.51*107 KJ/hb 需加蒸汽量為2.51*107/1940.7=12900 kg/h2.4.10脫氫反應(yīng)器物料衡算如熱量衡算A 物料計(jì)算（1）計(jì)算依據(jù) 2HCOONa=Na2C2O4+H2 a 每小時(shí)脫氫生成

29、48.88molNa2C2O4 b 脫氫反應(yīng)收率83% c 進(jìn)料為HCOONa固體 d 副產(chǎn)物為2HCOONa=Na2CO3+CO+H2 (2) 物料衡算 a 出口物料組成流量 草酸鈉 假設(shè)碳酸鈉的轉(zhuǎn)化率為90%，已知收率為83% 生成碳酸鈉的量（117.8*0.9-48.88*2）/2=4.17kmol/h 甲酸鈉117.8*0.1=11.7kmol/h CO 4.17kmol/h H2 4.17+48.88=53.05kmol/hb 進(jìn)口物料組分流量 HCOONa 38.88*2/0.83=93.69c 物料衡算表物質(zhì)進(jìn)口物料（kmol/h）出口物料（kmol/h）Na2C2O4-48.8

30、8H2-53.05Na2CO3-4.17HCOONa93.69 -CO-4.17B 熱量衡算 計(jì)算依據(jù) 脫氫反應(yīng)在380-420發(fā)生，在280-300有副反應(yīng) 2HCOONa=Na2CO3+CO+H2發(fā)生物質(zhì)HCOONa(COONa)2H2Na2CO3CO平均Cp（KJ/kmolk）76.53133.929.126125.01529.342平均Hf(KJ.mol)-664.67-1305.340-1135.717-110.1292HCOONa=(COONa)2+ H2Hf=-1305.34+2*664.67=24KJ/molHof=-1135.717-110.129+2*664.67=83.4

31、94 KJ/mola 未反應(yīng)的甲酸鈉所吸收的熱量G1 G1=11.78*76.53*(420-25)=356101.7KJ/hb 發(fā)生副反應(yīng)的甲酸鈉吸收的熱量G2 甲酸鈉的反應(yīng)熱Q2=4.17*83.494*103=3.48*105 KJ/h 甲酸鈉升溫?zé)酫1=4.17*2*（300-25）*76.53=1.76*105 KJ/h G2= Q2 +Q1=5.24*105 KJ/hc 甲酸鈉生成草酸所需的熱量G3 甲酸鈉升溫?zé)酫1=38.88*2*76.53*（400-25）=2.23*106 KJ/h 甲酸鈉的反應(yīng)熱Q2=38.88*6*103=2.33*105 KJ/h G3=Q1+Q2=2

32、.46*106 KJ/hd 總熱量 G= G1+G2+G3=3.34*106 KJ/h 2.4.11鈣化反應(yīng)器物料衡算 (1) 計(jì)算依據(jù) a 每小時(shí)生成CaC2O437.91kmol b 鈣化反應(yīng)收率 0.98 c 進(jìn)口草酸鈉（懸浮液）濃度為400g/l,Ca(OH)2濃度為900g/l d 投料比 NaC2O4：Ca(OH)2=1：1.15 e 產(chǎn)物堿液濃度為80g/l (2) 物料衡算 a 出口物料 CaC2O4 37.91kmol/h 堿液 37.91kmol/h Ca(OH)2 37.91*1.15*0.02/0.98=0.89kmol/h b 進(jìn)口物料 Ca(OH)2液 37.91*

33、1.15/0.98=44.49kmol/h 44.49*74/900=3.66m3/h2.4.12酸化反應(yīng)器物料衡算與熱量衡算（1）計(jì)算依據(jù) a 出口H2C2O4密度為320g/l b 每小時(shí)需處理CaSO4濃度為37.91kmol c H2SO4進(jìn)口濃度為92.5% 出口為400g/l d 進(jìn)料CaSO4濃度為400g/l e 物料比H2SO4：CaSO4=1：1.1 f CaC2O4+H2SO4=Ca+ H2C2O4 g 反應(yīng)溫度 85 h 操作壓力 0.1Mpa 進(jìn)料 CaSO4 37.91kmol/h H2SO4 37.91*1.1*98/0.925=4418.0kg/h 出料 H2S

34、O4溶液 37.91*1.1*98/0.4=10216.7kg/h H2C2O4溶液 35.06*90/320=9.86m3/h CaSO4 35.06kmol/h=4769.1kg/h2.4.13結(jié)晶過(guò)程計(jì)算草酸溶解度溫度010203040608090溶解度3.546.089.5214.2321.5244.3284.5120 草酸的溶解度隨溫度變化很大適用于冷卻結(jié)晶，將此溶液冷卻到20，草酸濃度350kg/m3,c產(chǎn)量5555.56kg/h，結(jié)晶罐夾套水溫為20，結(jié)晶出的鹽為H2C2O42H2O，近似認(rèn)為10000Kg水中有350kg H2C2O4,假設(shè)有2%的水蒸發(fā) R=126/90=1.

35、4 C1=350/1000=0.35kg C2=9.52/100=0.0952kg C3=2/106=0.02kg 2.4.14 吸附罐的熱量衡算（1）計(jì)算依據(jù)a 吸附罐內(nèi)草酸溶液入口溫度25，出口溫度85b 用1.3MPa蒸汽加熱c 草酸鈉溶液濃度350 kg/m3,產(chǎn)量5555,56kg/h(2)熱量衡算草酸的平均熱容Cp=101.156KJ/molk水平均熱熔Cp=75.28 KJ/molk草酸升溫所需要的熱量Q1=44.09*101.156*（85-25）=2.68*105 KJ/h水吸收的熱量Q2=5555.56/350*1000*75.28/18*（85-25）=4.0*106 K

36、J/h總熱量Q= Q1+Q2=4.268*106 KJ/h則所需1.3MPa蒸汽為G=Q/Hf=165961.3kg/h2.4.15回轉(zhuǎn)干燥器的物料衡算（1）計(jì)算依據(jù) a 干燥水分為30%，H2C2O42H2O的量5555.56kg/h b 物料入口溫度20，出口溫度45，含水5% c 氣體入口溫度165，出口溫度80 d 桶內(nèi)物料存留率5%（2）熱量衡算 干物料的平均熱容Cp=1.124KJ/kg 入口熱風(fēng) H1=0.03 KJ/kg 干空氣 a 所需風(fēng)量，入口處熱焓 H1=1.036*165*(2500+1.98*165)*0.03=256.1 KJ/kg 物料帶入熱量為 Q1=（5555

37、.56*1.124+0.3*6028.9*4.168）*10=1.3*105 KJ/hb 設(shè)排風(fēng)濕度為H2 出口處熱風(fēng)焓為 1.005*80+（2500+1.956*80）=2736.88 KJ/kgc 產(chǎn)品帶出熱量5555.56*（1.124+4.18*0.05）*45=3.33*10 KJ/h根據(jù)熱量衡算，G0為必須的干空氣量G0=53564kg/h3主要設(shè)備的選擇及計(jì)算3.1甲酸鈉蒸發(fā)器（采用單效蒸發(fā)器）3.1.1設(shè)計(jì)依據(jù) a 進(jìn)口甲酸鈉溶液的濃度為400 kg/m3,出口濃度為900 kg/m3 b 用1.3Mpa，190 飽和蒸汽加熱 c 操作壓力P=-450mmHg d 甲酸鈉溶液

38、進(jìn)口溫度250，出口溫度75.2 e 甲酸鈉的量 177.8kmol/h 即12090.4kg/h 3.1.2熱量衡算求蒸發(fā)器的熱負(fù)荷 蒸發(fā)器內(nèi)操作壓力為P=（760-450）/760*105=4.1*104Pa在此操作壓力下水沸點(diǎn)T=75.2甲酸鈉熱容：平均Cp=76.53KJ/kmolk水的平均熱容 Cp=75.78KJ/kmolkP=0.04 MPa時(shí)，水蒸發(fā)潛熱為2321.4KJ/kgP=1.3 MPa時(shí)，水的蒸發(fā)潛熱1978.8 KJ/kg蒸發(fā)器中蒸發(fā)掉的質(zhì)量為M1,M1=(1-400/900)*3946.3/400*1000=5480.97kg/h蒸發(fā)需要的熱負(fù)荷Q溶液升溫所需的熱

39、為 Q1=（117.8*76.53+5480.97/78*75.78）*（75.2-25）=7.12*105 KJ/h 蒸發(fā)水分所需的熱 Q2=5480.97*2321.4=12723524KJ/h Q=Q1+Q2=1.34*107 KJ/h 則需水量G=7250kg/h3.1.3 蒸發(fā)器傳熱面積 有效溫差為114.8，總傳熱系數(shù)W=1200w/m2忽略熱損失S=Q/Kt=14419327.31/(1200*114.8)=104.67 m2 為了安全取S=1.2*104.67=125.61 m2 3.1.4 蒸發(fā)器的主要工藝尺寸a 加熱室 選用38mm3mm,長(zhǎng)為3mm的無(wú)縫管為加熱管 管數(shù)n

40、=S/d=282 管子采用正三角形排列 正三角形排列的管束中心線上的管數(shù)為Nc=1.1*2820.5=19 加熱室內(nèi)徑D=t(Nc-1)+2b 采用膨脹管取t=1.5d 故t=1.5d=57mm 取b=1.5d=57mm 加熱室直徑D=57*18+2*57=1140mmb循環(huán)管 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取循環(huán)管額截面積為加熱管總截面的75%，故循環(huán)管的截面積為0.75*/4*0.0322*210=0.1676m2故循環(huán)管的內(nèi)徑為d1=0.16760.5/0.25=0.8187故選用426mm9mm的無(wú)縫鋼管為循環(huán)管 c 分離室 取分離室的高度為3.5m 41Kpa 蒸汽密度為0.2146 kg/m3,則二次

41、蒸汽的體積流量為Vs=5524.86/(0.2416*36000)=0.64 kg/m3 取允許分離蒸發(fā)體積強(qiáng)度Vs為1.5kg/m3 分離室直徑D1=（4Vs）0.5/HVs=6.02 H/D=1.46 高徑比在1-2之間3.2 氫氧化鈉溶液蒸發(fā)器（采用單效蒸發(fā)器）3.2.1 計(jì)算依據(jù) a NaOH溶液入口濃度80kg/m3，出口濃度185kg/m3 b 操作壓力P=0.08169*105Pa c 溶液入口溫度25，出口溫度25 d用1.3Mpa的蒸汽加熱。P=0.8169*105Pa時(shí)，水的汽化潛熱為2442.3 KJ/kg3.2.2 熱量衡算求蒸發(fā)器的熱負(fù)荷蒸發(fā)水所需的熱量Q=(4340

42、/80-4340/185)*1000*2442.3=7.5*107 KJ/h 所需飽和蒸汽的熱量G=Q/Hf=3624 KJ/h3.2.3 蒸發(fā)器的傳熱面積 有效溫差t=190-25=165，蒸發(fā)器中溶液的沸點(diǎn)為25 S=Q/K=7.5*107/（1200*165）=378.8m2 a 加熱室采用正三角形排列，長(zhǎng)為3m的無(wú)縫鋼管為加熱管 管數(shù)n=S/d=356 管子的采用正三角形排列的管數(shù)中心的管數(shù)Nc Nc=1.1*n0.5=21 D=t（Nc-1）+2b, t=1.5d=57mm b 循環(huán)管 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取循環(huán)管額截面積為加熱管總截面的75%，故循環(huán)管的內(nèi)徑為0.130.5/0.75=0.4

43、8m 故用48mm9mm的無(wú)縫鋼管為循環(huán)管蒸發(fā)的水量G=12825410/2242.3=5719.8kg/h 25時(shí)3.1677Kpa,水蒸氣的密度為0.02304kg/m3 二次蒸汽Vs=5719.8/(3600*0.02304)=68.96 m3/s 取允許分離室蒸發(fā)體積Vs為5 高度為3.5m 分離室直徑D1=4*(68.96)0.5/10.5=3.16m H/D=1.11 高徑比在1-2之間3.3 廢熱鍋爐 3.3.1 計(jì)算依據(jù) a 管內(nèi)氣體流量和組成如下組分CO2COH2O2H2SN2H2OKmol/h6.45577.4610.1236.660.62291.46.87b 管內(nèi)氣體進(jìn)口

44、溫度500，出口溫度230館內(nèi)氣體進(jìn)口壓力為0.11Mpa,出口壓力為0.1 Mpac 采用42mm3.5mm無(wú)縫管管360根作為換熱器，管外熱水沸騰產(chǎn)生1.3Mpa飽和蒸汽d 熱負(fù)荷為6.5832*103KJ/h3.3.2 計(jì)算換熱面積，確定換熱管及管長(zhǎng)總傳熱系數(shù)管內(nèi)氣體體積流量 Q=4620.04*22.4*0.1013/0.157*（273+365）/273=156049.2m3/h =43.55/360*0.785*0.035=125.2m/s =15245.6/19560.8=0.78 其他數(shù)據(jù)誤差不計(jì)，平均溫度365，此時(shí)溫度下空氣的物據(jù) 傳熱系數(shù) =4.61*10-2w/mk=3

45、.14*10-5PasPr=0.676 Re=du/=0.035*125.2*0.78/3.14*10-5=10882510000 管內(nèi)氣體給熱系數(shù)為 1=0.023/dRe0.8Pr0.3=54.76mk管外熱水沸騰的給熱系數(shù)取2=4651w/mk總產(chǎn)熱系數(shù)K 污垢熱阻取0.26*10-3 1/K=1/54.7+1/4651+0.0034/45+0.26*10-3+0.5*10-3所以K=1.8 w/mk對(duì)數(shù)平均傳熱溫差 tm=131.86換熱面積熱負(fù)荷 Q=1.8278*10610-3J/sA=Q/ktm=267073m2 取安全系數(shù)1.2 則換熱面積320m2 換熱管長(zhǎng)L=Q/ktm=8

46、.08 取8.5m3.4 合成造氣工序3.4.1 煤氣發(fā)生爐氣量3.0萬(wàn)噸/年草酸，每小時(shí)需煤氣量為4168.3Nm3 空氣煤氣的工藝參數(shù)是： 氣體成分CO30%，O21.0%，CO2800 氣體強(qiáng)度250Nm3/m2h 因此選用2400mm7000mm直型煤氣發(fā)生爐 選用臺(tái)數(shù)3.1臺(tái)（備用5臺(tái)），考慮到設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率，應(yīng)配備9臺(tái)煤氣發(fā)生爐。3.4.2 煤氣壓縮機(jī) 為滿足3.0萬(wàn)噸/年草酸，每小時(shí)需煤氣量為4168.3Nm3，考慮選用國(guó)內(nèi)廣泛使用的5.5L-20/25-1煤氣壓縮機(jī) 其性能參數(shù)如下： 打氣量： 20m3/min 1200m3/h 出口壓力：2.5Mpa 功率： 250KW 計(jì)算臺(tái)數(shù)

47、：4168.3/1200=3.5臺(tái)（備用2臺(tái)）共6臺(tái)3.5 脫氫工序3.5.1 脫氫鍋 根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，由物料衡算得每小時(shí)需處理草酸鈉固體9801.3kg,每臺(tái)脫氫鍋可加草酸鈉固體350kg,需脫氫鍋臺(tái)數(shù)為 28臺(tái)（備用4臺(tái)）共32臺(tái)3.5.2 離心機(jī)根據(jù)物料衡算，每小時(shí)生產(chǎn)草酸鈉的量為88.3kmol濃甲酸鈉溶液濃度為900g/l,密度為2055g/l每小時(shí)需處理濃甲酸鈉溶液為88.3*68*2500/900=16.7t】10H-800型臥式活塞推料離心機(jī)最大處理能力為5T/h,實(shí)際處理能力為4T/h,需離心機(jī)5臺(tái)，選8臺(tái)。3.5.3 轉(zhuǎn)鼓真空過(guò)濾機(jī)選G-5-1.75型轉(zhuǎn)鼓真空過(guò)濾機(jī) 過(guò)濾面積

48、為5m2,轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速0.13-0.26r/min過(guò)濾量為3t/h每小時(shí)可處理草酸鈉固體30.54kmol配成水溶液濃度400g/l,溶液密度為1400g/l溶液質(zhì)量30.54*134*1400/400=14.32t/h需5臺(tái) 考慮備選共選7臺(tái)3.6 雙化及成品工序3.6.1 雙化反應(yīng)器每臺(tái)反應(yīng)器操作時(shí)間1.5h，投草酸鈉1.5t,投氫氧化鈉1.4t 單日處理NaC2O4的量：1.5t 則單罐日產(chǎn)出草酸量為1.52t30000/300/1.52=66臺(tái)考慮備選共選77臺(tái)3.6.2 吸附罐酸化液中含草酸量為300-400kg/m3,每罐按6-8h計(jì)，單罐日出3-4次料，每罐每次8.5m3，單罐處理量

49、為：8.5*325.5=2766.75m3/日罐 （30000*1000）/（300*300）=20臺(tái)，考慮備選共選25臺(tái)3.6.3 結(jié)晶罐 V=5000L結(jié)晶罐，日產(chǎn)能力為3.85t/日 30000/300/3085=26臺(tái)，考慮備選共選32臺(tái)3.6.4 滾筒干燥器 =1000900滾筒干燥器，每臺(tái)日產(chǎn)能力20t 30000/300/20=5臺(tái)，考慮備選共選8臺(tái)4 工藝設(shè)備一覽表序號(hào)設(shè)備名稱規(guī)格型號(hào)單位數(shù)量配套功率1煤氣發(fā)生爐24007000臺(tái)92煤氣壓縮機(jī)Q=20m3/H臺(tái)63合成反應(yīng)器臺(tái)14甲酸鈉蒸發(fā)器臺(tái)15甲酸鈉過(guò)濾機(jī)臺(tái)16甲酸鈉干慮機(jī)臺(tái)17脫氫反應(yīng)器臺(tái)18氫氣分離器臺(tái)19草酸鈉儲(chǔ)罐臺(tái)

50、110甲酸鈉泵臺(tái)4011鈣化泵30002700臺(tái)209kw12升降減速機(jī)Swj臺(tái)113吸附罐V=20m3臺(tái)2514減速機(jī)A150-280臺(tái)65.5kw15結(jié)晶罐5000L臺(tái)3216減速機(jī)A150-280臺(tái)154kw17硫酸鈣儲(chǔ)罐V=20m3臺(tái)118粗溶液槽V=40m3臺(tái)119小溶液槽V=40m3臺(tái)120消毒液V=40m3臺(tái)121熱母液槽V=40m3臺(tái)122冷母液槽V=40m3臺(tái)123石墨加熱器F=40m3臺(tái)124沸騰器V=40m3臺(tái)125大氣冷凝器臺(tái)126循環(huán)水泵臺(tái)127冷母液槽臺(tái)128熱母液槽FS80 65-30臺(tái)529酸化料泵80FSZ-K-50-15臺(tái)1830消毒泵臺(tái)631結(jié)晶泵650H

51、B-ZK-A-40-20臺(tái)557.532離心甩干泵650HB-ZK-A-40-20臺(tái)1633離心機(jī)HR-500N臺(tái)863kw34滾筒干燥機(jī)2LGO.99臺(tái)86kw,7.5kw35壓縮機(jī)80m2臺(tái)75工藝流程敘述5.1造氣工藝流程敘述由羅茨鼓風(fēng)機(jī)加壓的空氣由煤氣發(fā)生爐下部鼓入，焦炭有頂部加入，氣化爐帶有夾套鍋爐，可回收一部分燃燒釋放的熱量，空氣與 燃燒狀態(tài)的焦炭反應(yīng)生產(chǎn)含CO約30%的空氣煤氣，煤氣由上部出口連續(xù)排出，經(jīng)除塵器出去顆粒較大的灰塵，然后一次經(jīng)過(guò)廢熱鍋爐，飽和器進(jìn)行熱量回收，飽和器出口氣體溫度約為80，再由羅茨鼓風(fēng)機(jī)出入水洗塔進(jìn)一步降溫，除塵，然后經(jīng)堿洗塔洗去CO2,堿洗塔中的堿液循

52、環(huán)使用，并定期排出廢堿液，添加新鮮堿液，經(jīng)氣液分離器除去水分后送入壓縮機(jī)，將煤氣壓縮至1.8-2.0Mpa,再經(jīng)油分離器除去油污，為合成工段提供合格的原料氣。5.2合成工段的工藝流程敘述造氣工段送來(lái)的煤氣進(jìn)入混合器與計(jì)量泵送來(lái)的1.8-2.0Mpa的185g/l的堿液混合均勻后，進(jìn)入預(yù)熱器加熱至150-170，送至合成管進(jìn)行合成反應(yīng)，生產(chǎn)甲酸鈉氣液混合物，再經(jīng)釋壓罐減壓至0.7-1.3Mpa,再經(jīng)氣液分離器分離掉為反應(yīng)的氣體和水蒸氣，同時(shí)把合成的稀甲酸鈉溶液送至稀甲酸鈉儲(chǔ)槽，由稀堿液泵將稀甲酸鈉溶液送至蒸發(fā)泵，減壓條件下濃縮至1000g/l后送至濃甲酸鈉儲(chǔ)罐，由濃堿液泵將濃甲酸鈉溶液送至離心分

53、離器，分離得到固體甲酸鈉，母液返回蒸發(fā)器，將固體甲酸鈉投入脫氫鍋，用電加熱器迅速升溫至410-430下脫氫生產(chǎn)草酸鈉。5.3 雙化工段工藝流程敘述熱空氣換熱干燥，草酸鈉中迅速加入新鮮水冷卻溶解，通過(guò)草酸鈉液泵送入離心分離器，分離出的碳酸鈉濾液送至碳酸鈉儲(chǔ)槽待用，草酸鈉慮粗出的氫氧化鈉濾液經(jīng)真空蒸發(fā)器濃縮后送至氫氧化鈉儲(chǔ)槽待用，草酸鈣濾液餅則配成懸浮液送至酸化器酸化，通過(guò)草酸液離心分離器，分離出的硫酸鈣濾餅經(jīng)處理后送往石膏倉(cāng)庫(kù)，草酸濾液送往成品工段。5.4 成品工段工藝流程敘述 雙化工段送來(lái)的草酸溶液經(jīng)結(jié)晶后送至離心分離器分離，分離出的濾液經(jīng)壓縮階段返回結(jié)晶罐，草酸濾餅送至粗糙算槽溶解后送入重結(jié)

54、晶罐結(jié)晶，然后送至離心分離器分離，分離出的濾液經(jīng)濃縮后返回重結(jié)晶罐，草酸濾餅送入回轉(zhuǎn)干燥器與逆流接觸的160-170熱空氣干燥，由回轉(zhuǎn)干燥器出來(lái)的草酸即可計(jì)量包裝為成品草酸送入倉(cāng)庫(kù)。5.5 原料工段工藝流程敘述本工段由一系列倉(cāng)庫(kù)和儲(chǔ)罐組成，負(fù)責(zé)為其他工段提供原料，主要包括焦炭，生石灰，配制堿液和配制硫酸。5.6 設(shè)備結(jié)構(gòu)圖敘述 所選的甲酸鈉蒸發(fā)器屬于單效蒸發(fā)器，液體加熱管內(nèi)被管外蒸汽加熱后，在上半部分管內(nèi)沸騰，所形成的氣液混合物比重小于循環(huán)管中受熱較小的溶液，是使循環(huán)得以進(jìn)行，屬于自然循環(huán)蒸發(fā)器。蒸發(fā)器工作壓力為550-660mmHg,工作溫度120，選38mm3mm的無(wú)縫鋼管為加熱管，蒸發(fā)器的傳熱面積為125.61m2,管子采用正三角形排列，管數(shù)282，其他參數(shù)見(jiàn)結(jié)構(gòu)圖。參考文獻(xiàn) 1. 化工原理，高等教育出版社，2008 2. 化工設(shè)計(jì)圖集，化學(xué)工業(yè)出版社，1976 3. 化學(xué)工程手冊(cè)，化學(xué)工業(yè)出版社，19854. 化工設(shè)計(jì)，化學(xué)工業(yè)出版社，20015. 過(guò)程裝備基礎(chǔ)