年產(chǎn)1.4萬噸環(huán)氧乙烷的固定床反應(yīng)器設(shè)計(jì)

1、 化學(xué)反應(yīng)工程課程設(shè)計(jì) 33目錄摘要2第一章概 述3第二章 環(huán)氧乙烷的性質(zhì)42.1 物理性質(zhì)42.2化學(xué)性質(zhì)5第三章 設(shè)計(jì)方案的確定73.1 環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)方法的確定73.2 環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)方法比較83.3 催化劑的選擇83.4環(huán)氧乙烷生產(chǎn)工藝條件的確定83.4.1反應(yīng)溫度83.4.2反應(yīng)壓力93.4.3空速93.4.4原料配比和循環(huán)比93.4.5 抑制劑103.4.6 穩(wěn)定劑的選擇103.5 環(huán)氧乙烷生產(chǎn)的工藝流程113.5.1 工藝流程概述11第四章 工藝計(jì)算134.1 設(shè)計(jì)條件144.1.1反應(yīng)原理144.1.2 原料組成144.1.3 反應(yīng)器條件144.2 物料衡算154.3 熱量衡算

2、18第五章 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)225.1 催化劑的用量225.2 確定氧化反應(yīng)器的基本尺寸245.3床層壓力降的計(jì)算255.4 傳熱面積的核算265.4.1床層對(duì)壁面的給熱系數(shù)的計(jì)算265.4.3 傳熱面積的核算275.5 反應(yīng)器塔徑的確定275-6氧化反應(yīng)器的參數(shù)29第六章結(jié)論30參考文獻(xiàn)31摘 要綜述了環(huán)氧乙烷的性質(zhì)、用途及生產(chǎn)方法。簡介了直接氧化法合成環(huán)氧乙烷的方法及生產(chǎn)原理。以年產(chǎn)1.4萬噸環(huán)氧乙烷的固定床反應(yīng)器設(shè)計(jì)為例，介紹固定床反應(yīng)器工藝計(jì)算和結(jié)構(gòu)計(jì)算情況。根據(jù)設(shè)計(jì)條件和要求，通過物料衡算、熱量衡算及其他工藝計(jì)算設(shè)計(jì)出年產(chǎn)1.4萬噸環(huán)氧乙烷的固定床反應(yīng)器，并確定反應(yīng)器的選型和尺寸，計(jì)算壓

3、降，催化劑用量等，設(shè)計(jì)出符合要求的反應(yīng)器。 abstractthe nature use and production methods of oxirane were simply introduced.introduced direct oxidation synthesis methods of epoxy ethane and reaction p-rinciple.with fixed-bed reactor for producing oxirance with an annual output of 14,000 tons as example,the cajculation si

4、tuations of process of fixed-bed re-actor were introduced.in the design,we mainly calculated the process parame-ter and the size of the oxidized reactor.according to the design conditions and requirements,through constant calcu-late,heat material constant calculate and other process calculation desi

5、gned a-nnual 14,000 tons of epoxy ethane fixed-bed reactor,and determined the sele-ction and size,calculate pressure drop,catalyst etc,designed to meet the requirements of the reactor.第一章 概 述 環(huán)氧乙烷（oxirane）又名氧化乙烯（ethylene oxide）是最簡單的環(huán)狀醚。分子式,分子量44.05。環(huán)氧乙烷是以乙烯為原料的主要石油化工產(chǎn)品之一。世界乙烯總產(chǎn)量的16%用來生產(chǎn)環(huán)氧乙烷，環(huán)氧乙烷是以乙烯

6、工業(yè)衍生物中僅次于聚乙烯的第二位化工產(chǎn)品。環(huán)氧乙烷還是重要的石油化工原料及有機(jī)和精細(xì)化工產(chǎn)品的中間體，主要用來生產(chǎn)乙二醇。隨著精細(xì)化工的發(fā)展，環(huán)氧乙烷已成為精細(xì)化工工業(yè)不可缺少的一種有機(jī)化工原料。環(huán)氧乙烷早期采用氯醇法工藝生產(chǎn)，20世紀(jì)20年代初，ucc公司進(jìn)行了工業(yè)化生產(chǎn)，之后公司基于lefort有關(guān)銀催化劑的研究成果，使用銀催化劑，推出空氣法乙烯直接氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的工藝。50年代末，shell公司采用近乎純氧代替代替空氣作為生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的氧原料，推出氧氣法乙烯直接氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷工藝，經(jīng)過不斷改進(jìn)，目前較先進(jìn)的生產(chǎn)方法是用銀作催化劑，在列管式固定床反應(yīng)器中，用純氧與乙烯反應(yīng)，采用乙烯直接

7、氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷。環(huán)氧乙烷是石油化學(xué)工業(yè)的重要產(chǎn)品，也是一種基本有機(jī)化工原料，用途很多，廣泛用于生產(chǎn)乙二醇、非離子表面活性劑、乙醇胺、乙二醇醚溶劑、醫(yī)藥中間體、油田化學(xué)品、農(nóng)藥乳化劑等各種精細(xì)化學(xué)品。環(huán)氧乙烷的工業(yè)化生產(chǎn)已經(jīng)有半個(gè)多世紀(jì)的歷史，最早的工業(yè)化生產(chǎn)方法是氧醇法，由于其存在腐蝕設(shè)備、污染環(huán)境和耗氧量大等一系列問題，現(xiàn)在已基本上被淘汰了，取而代之的是直接氧化法。直接氧化發(fā)又分為空氣氧化法和氧氣氧化法，其主要區(qū)別在于乙烯的氧化劑各不相同。在環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)發(fā)張過程中，生產(chǎn)技術(shù)和工藝過程都有不斷的改進(jìn)和革新，到目前為止，世界上幾乎所有的環(huán)氧乙烷都是用乙烯直接氧化發(fā)生產(chǎn)的。直接氧化法中，首先出

8、現(xiàn)的是空氣氧化法，而后氧氣氧化法問世，二者并行：近幾十年來，許多廠家都采用氧氣氧化法生產(chǎn)環(huán)氧乙烷，因?yàn)檠鯕庋趸ú恍枰諝鈨艋到y(tǒng)，并且氧氣氧化法的環(huán)氧乙烷收率高于空氣氧化法，乙烯單耗較低。由于用純氧作氧化劑，連續(xù)引入系統(tǒng)的惰性氣體大為減少，未反應(yīng)的乙烯基本上可完全循環(huán)使用。本設(shè)計(jì)采用氧氣直接氧化法，對(duì)原有單元設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)能力標(biāo)定和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)定。在此基礎(chǔ)上，查閱了大量資料，根據(jù)設(shè)計(jì)條件，通過物料衡算、熱量衡算、反應(yīng)器的選型及尺寸的確定，計(jì)算壓降、催化劑的用量等，設(shè)計(jì)出符合設(shè)計(jì)要求的反應(yīng)器。第二章 環(huán)氧乙烷的性質(zhì) 2.1 物理性質(zhì)表1-1環(huán)氧乙烷的主要物理性質(zhì)參數(shù)名稱數(shù)值沸點(diǎn)（101. 3kpa

9、）.10.8熔點(diǎn)（101. 3kpa）.-112.5臨界溫度. 195.8臨界壓力。mpa7.194臨界密度.kg/m314折射率.d1.3597空氣中爆炸極限（101.3kpa）,%(體積)下限2.6空氣中爆炸極限（101. 3kpa）,%(體積)上限100燃燒熱（25，101.3kpa）kj/kg29.648生成的熱蒸汽，kj/mol71.13生成熱液體，kj/kg97.49 溶解熱，kj/kg117.86聚合熱，kj/kg2091汽化熱，（10.5），kj/kg580.58比熱容（35），kj/(kg,k)1.96氣相分解熱，kj/kg1901著火點(diǎn)，k702自燃點(diǎn)，k644表面張力（2

10、0），mn/m24.3熱導(dǎo)率（25），j/（cm.s.k）0.0001239粘度，mpa.s,00.31粘度，mpa.s,100.28常溫下環(huán)氧乙烷為無色、具有甜醚味的氣體。在較低的溫度下環(huán)氧乙烷成為無色、透明、易流動(dòng)的液體。易溶于水、醚和醇等有機(jī)溶劑。主要物理性質(zhì)如表1。2.2化學(xué)性質(zhì)環(huán)氧乙烷的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，能與很多化合物進(jìn)行反應(yīng)，其反應(yīng)主要是環(huán)氧乙烷開環(huán)與其他化合物進(jìn)行加成反應(yīng)，放出大量反應(yīng)熱，有的反應(yīng)進(jìn)行的非常劇烈，甚至產(chǎn)生爆炸。許多反應(yīng)產(chǎn)物是重要的有機(jī)化工及精細(xì)化工產(chǎn)品。（1）分解反應(yīng)氣體環(huán)氧乙烷在約400時(shí)開始分解，主要生成co、ch4以及c2h6、c2h4、h2、c、ch3ch

11、o等。分解反應(yīng)的第一步是環(huán)氧乙烷異構(gòu)成乙醛。環(huán)氧乙烷的分解反應(yīng)還可以被引發(fā)，且在一定條件下會(huì)在氣相中傳播，直到瞬間產(chǎn)生爆炸。（2）加成反應(yīng)環(huán)氧乙烷與含有活潑氫原子的化合物，如、hx、roh、等進(jìn)行加成反應(yīng)，生產(chǎn)含的化合物（其中x為鹵素，r為烷基或芳基）。與水反應(yīng)環(huán)氧乙烷與水反應(yīng)生成乙二醇，這是工業(yè)生產(chǎn)乙二醇的方法。+hochohchoh (2-1) 該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，熱效應(yīng)為96.3kj/mol。反應(yīng)過程不采用催化劑。生成的乙二醇可以與環(huán)氧乙烷繼續(xù)作用生成二甘醇、三甘醇及多甘醇。與醇類反應(yīng)環(huán)氧乙烷與醇反應(yīng)生成醚，其反應(yīng)的最終產(chǎn)品是至少含一個(gè)羥基的醚。x +n（環(huán)氧乙烷）x()h (2-2)在乙

12、二醇生產(chǎn)中生成部分二甘醇，三甘醇就是環(huán)氧乙烷進(jìn)一步與乙二醇反應(yīng)的產(chǎn)物。如果進(jìn)一步反應(yīng)可以生成分子量更大的化合物。與苯酚反應(yīng)環(huán)氧乙烷與苯酚反應(yīng)生成苯氧基乙醇。+ (2-3)其酯類是香料的定香劑、殺菌劑和驅(qū)蟲劑。與氨反應(yīng)環(huán)氧乙烷可以與氨反應(yīng)生成一乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺，這是工業(yè)上制造乙醇胺的方法。該反應(yīng)一般是在高壓、較低溫度和液相下進(jìn)行的，三種產(chǎn)品的比例可通過氨與環(huán)氧乙烷的摩爾比例來調(diào)節(jié)，氨過量有利于一乙醇胺的生成。與酸反應(yīng)環(huán)氧乙烷可與有機(jī)酸、無機(jī)酸反應(yīng)生成相應(yīng)的酯。環(huán)氧乙烷與硝酸反應(yīng)最為重要，生成的乙二醇二硝酸酯是能再低溫下引爆的炸藥。+ (2-4)（3）氧化還原反應(yīng)在鈉汞齊及催化劑存在下環(huán)

13、氧乙烷加氫還原生成乙醇，此反應(yīng)沒有工業(yè)意義。環(huán)氧乙烷在鉑黑等催化劑存在下可以有控制的氧化成羥基乙酸，最終則被氧化成二氧化碳及水。（4）異構(gòu)化反應(yīng)環(huán)氧乙烷在三氧化鋁、磷酸、磷酸鹽等催化劑存在下可異構(gòu)化為乙醛。 (2-5)在一定的條件下銀催化劑也有此功能，這是乙烯氧化制環(huán)氧乙烷過程的副反應(yīng)之一，要極力避免，因?yàn)槿┑拇嬖谠黾恿谁h(huán)氧乙烷提純凈化的難度。（5）與雙鍵進(jìn)行加成反應(yīng)環(huán)氧乙烷和以下一些含雙鍵的化合物可進(jìn)行加成反應(yīng)生成環(huán)狀化合物，例如、等。（6）與格利雅試劑反應(yīng)環(huán)氧乙烷與格利雅試劑反應(yīng)可生成比原來烷基多兩個(gè)碳原子的醇，這是實(shí)驗(yàn)室制備加長碳鏈醇的一種方法，羥基在鏈的端部。（7）齊聚反應(yīng)環(huán)氧乙烷進(jìn)行

14、齊聚反應(yīng)可生成冠醚，催化劑為含氟的路易斯酸。反應(yīng)在室溫常壓下進(jìn)行。（8）與二甲醚反應(yīng)在作用下環(huán)氧乙烷與二甲醚反應(yīng)生成聚乙二醇二甲醚。該反應(yīng)在工業(yè)上用來生產(chǎn)低分子量的均聚物，其產(chǎn)品廣泛用作溶劑。第三章 設(shè)計(jì)方案的確定3.1 環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)方法的確定 目前，我國工業(yè)生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的方法有氯醇法和乙烯氧化法兩種，乙烯氧化法又分為乙烯空氣氧化法及乙烯氧氣氧化法。（1）氯醇法 氯醇法環(huán)氧乙烷生產(chǎn)分為兩步進(jìn)行：氯氣與水反應(yīng)生成次氯酸，、再與乙烯反應(yīng)生成氯乙醇；氯乙醇用石灰乳皂化生成環(huán)氧乙烷。（2）直接氧化法 直接氧化法，分為空氣法和氧氣法兩種。這兩種氧化方法均采用列管式固定床反應(yīng)器，反應(yīng)器是關(guān)鍵性設(shè)備，與反

15、應(yīng)效果密切相關(guān)，其反應(yīng)過程基本相同，都包括反應(yīng)、吸收、汽提和蒸餾精制等工序。 空氣氧化法：此方法用空氣為氧化劑，因此必須有空氣凈化裝置，以防止空氣中有害雜質(zhì)帶入反應(yīng)器而影響催化劑的活性?？諝忾y的特點(diǎn)是有兩臺(tái)或多臺(tái)反應(yīng)器串聯(lián)，即主反應(yīng)器和副反應(yīng)器，為使主反應(yīng)器催化劑的活性保持在較高水平（6375%），通常以低轉(zhuǎn)化率進(jìn)行操作，保持在2050%范圍內(nèi)。氧氣氧化法：氧氣法不需要空氣凈化系統(tǒng)，而需要空氣分離裝置或有其它氧源。由于用純氧作氧化劑，連續(xù)引入系統(tǒng)的惰性氣體大為減少，未反應(yīng)的乙烯基本上可完全循環(huán)使用。從吸收塔頂出來的氣體必須經(jīng)過脫碳以除去二氧化碳，然后循環(huán)返回反應(yīng)器，不然二氧化碳濃度超過15%（

16、mol%）,將嚴(yán)重影響催化劑的活性。3.2 環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)方法比較 環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)方法各具特點(diǎn)。氯醇法生產(chǎn)工藝的嚴(yán)重缺點(diǎn)大致有：消耗氯氣，排放大量污水，造成嚴(yán)重污染；乙烯次氯酸化生產(chǎn)氯乙醇時(shí)，同時(shí)有二氧化碳等副產(chǎn)物生成，在氯乙醇皂化時(shí)生產(chǎn)的環(huán)氧乙烷可異構(gòu)化為乙醛，造成環(huán)氧乙烷的損失，乙醇單耗高；氯醇法生產(chǎn)的環(huán)氧乙烷，醛的含量很高，約為50007000mg/ m3，最低亦有2500 mg/ m3 。氯醇法生產(chǎn)環(huán)氧乙烷，由于裝置小、產(chǎn)量少、質(zhì)量差、消耗高，因而成本也高，與大裝置氧化法生產(chǎn)的高質(zhì)量產(chǎn)品相比失去了市場競爭能力。采用氯醇法生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的小型石油化工廠正在受到嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。故根據(jù)環(huán)保及成本的

17、限制要求本實(shí)驗(yàn)采用直接空氣氧化法。3.3 催化劑的選擇氧化法生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的關(guān)鍵是催化劑的選擇。雖然大多數(shù)金屬和金屬氧化物催化劑都能使乙烯發(fā)生環(huán)氧化反應(yīng)，但是生成環(huán)氧乙烷的選擇性很差，氧化結(jié)果主要生成二氧化碳和水。只有銀催化劑例外，在銀催化劑上乙烯能選擇性的氧化成環(huán)氧乙烷，該催化劑在選擇性、強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和壽命等方面都有一定的特色。近年來國內(nèi)外對(duì)活性組分銀的開發(fā)研究取得了顯著的成效。也有不少學(xué)者試圖另一類金屬取代銀，但至今仍認(rèn)為活性組份銀是乙烯氧化生成環(huán)氧乙烷的最佳催化劑。3.4環(huán)氧乙烷生產(chǎn)工藝條件的確定環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、空間速度與空管線速度、原料配比和循環(huán)比、抑制劑等工藝條件的

18、制約。3.4.1反應(yīng)溫度溫度直接影響化學(xué)反應(yīng)速度，在工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)反應(yīng)過程的具體情況，采取相應(yīng)措施，使反應(yīng)溫度控制在適宜范圍內(nèi)，以期獲得較高的收率。乙烯直接氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷和其它多數(shù)反應(yīng)一樣，反應(yīng)速度隨溫度升高而加快。乙烯直接氧化的主、副反應(yīng)都是強(qiáng)放熱反應(yīng)，且副反應(yīng)（深度氧化）放熱量是主反應(yīng)的十幾倍，因此，對(duì)反應(yīng)過程的溫度控制要求十分嚴(yán)格。當(dāng)反應(yīng)溫度高時(shí)，一是轉(zhuǎn)化率增加，這意味著乙烯氧化的總速率提高，二是生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的選擇性降低，即更多的乙烯轉(zhuǎn)化成二氧化碳和水，因此，這時(shí)反應(yīng)熱量的急劇增加，不是使更多的乙烯被氧化，而是使反應(yīng)過程的選擇性降低，副反應(yīng)增加是更主要的原因。可見，當(dāng)反應(yīng)溫度升高時(shí)

19、，反應(yīng)熱量就會(huì)不成比例的驟然增加，使反應(yīng)過程時(shí)失控，所以在生產(chǎn)中，對(duì)于氧化操作，一般均設(shè)有自動(dòng)保護(hù)裝置，以防萬一。此外在催化劑使用初期，其活性較高，宜采用較低的溫度。3.4.2反應(yīng)壓力乙烯直接氧化反應(yīng)過程，主反應(yīng)是體積減少的反應(yīng)，副反應(yīng)（深度氧化）是體積不變的反應(yīng)。因此，采用加壓操作有利。因主、副反應(yīng)基本上都是不可逆反應(yīng)，故壓力對(duì)主、副反應(yīng)的平衡沒有太大的影響。目前，工業(yè)生產(chǎn)上采用加壓操作不是出于化學(xué)平衡的需要，其目的是提高乙烯和氧的分壓，加快反應(yīng)速率，提高反應(yīng)器單位容積的產(chǎn)率，以強(qiáng)化生產(chǎn)。但應(yīng)看到，由于提高反應(yīng)壓力，反應(yīng)速度加快，相應(yīng)就要提高反應(yīng)器的換熱速率，這樣對(duì)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)就提出更高的要

20、求。3.4.3空速空間速度簡稱空速，所謂空速是指單位時(shí)間內(nèi)，通過單位體積催化劑的反應(yīng)物的體積數(shù)量。通常每小時(shí)每升（或m3）催化劑通過的原料氣的升（或m3）數(shù)來表示。對(duì)于乙烯直接氧化過程，實(shí)踐證明，提高空速，轉(zhuǎn)化率會(huì)略有下降，而選擇性將有所上升，在一定范圍內(nèi)提高空速可提高設(shè)備的生產(chǎn)能力。但空速也不宜太高，因?yàn)殡m然產(chǎn)量提高，然而環(huán)氧乙烷在反應(yīng)氣體中含量很低，造成分離困難，動(dòng)力消耗增加?？账僖膊灰颂停?yàn)殡m然轉(zhuǎn)化率增加，但選擇性下降，生產(chǎn)能力也下降。另外，空速大小還要根據(jù)催化劑的活性及制造方法、反應(yīng)溫度、壓力和反應(yīng)氣體的組成等因素而定。3.4.4原料配比和循環(huán)比原料中乙烯和氧的配比對(duì)反應(yīng)過程影響很

21、大，其值主要決定于原料混合氣的爆炸極限。在混合氣體中乙烯的爆炸下限是2.05%，在2.056.5%的乙烯濃度范圍內(nèi)氧含量不得大于71%。實(shí)際生產(chǎn)中一種是選取低氧高乙烯配比，另一種是高氧低乙烯配比。從裝置的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)性來看，低氧高乙烯操作優(yōu)于高氧低乙烯操作，因此，在可能的體積下，應(yīng)該盡量采用低氧高乙烯操作。在確定適宜的原料配比時(shí)，還應(yīng)注意到，提高乙烯含量可能會(huì)導(dǎo)致為其中乙烯損失過多而影響經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。當(dāng)乙烯含量接近5%時(shí)，操作不易控制，反應(yīng)溫度增加很快，易產(chǎn)生飛溫。因此，必須根據(jù)具體情況，綜合考慮各方面影響因素，來確定適宜的原料配比。循環(huán)比是指循環(huán)到主反應(yīng)器的循環(huán)氣占主吸收塔頂排出氣體總量的百分

22、數(shù)。在生產(chǎn)操作中，可通過正確掌握循環(huán)比來嚴(yán)格控制氧含量。在工藝設(shè)計(jì)中，循環(huán)比直接影響主、副反應(yīng)器生產(chǎn)負(fù)荷的分配。提高循環(huán)比，主反應(yīng)器負(fù)荷增加。反之，副反應(yīng)器負(fù)荷增加。生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)能.動(dòng)力消耗及其它工藝指標(biāo)來確定適宜的循環(huán)比，通常為85-90%左右。3.4.5 抑制劑乙烯直接氧化制環(huán)氧乙烷是一個(gè)平行串聯(lián)反應(yīng)過程，在乙烯環(huán)氧化過程中，伴隨發(fā)生乙烯的深度氧化，并且生成的環(huán)氧乙烷也有少部分發(fā)生深度氧化。這不僅降低了環(huán)氧乙烷的產(chǎn)率，增加了乙烯的定額消耗，而且發(fā)生深度氧化的放熱量很大，直接影響操作的穩(wěn)定。生產(chǎn)中除采用優(yōu)良的催化劑，控制適宜的轉(zhuǎn)化率及有限移出反應(yīng)熱等措施外，在反應(yīng)系統(tǒng)中還是使用適量的副

23、反應(yīng)抑制劑。工業(yè)上常用的抑制劑是1,2-二氯乙烷。在催化劑的預(yù)處理階段，1,2-二氯乙烷的用量要多一些，而在加壓循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)中，用量要少一些。3.4.6 穩(wěn)定劑的選擇世界上生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的專利很多，使用的穩(wěn)定劑有：氮?dú)?、甲烷、二氧化碳、乙烷等。選擇穩(wěn)定劑需要根據(jù)生產(chǎn)安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益情況來確定。目前世界上環(huán)氧乙烷專利商都先后將氮?dú)庵路€(wěn)更新為甲烷致穩(wěn)。它與氮?dú)庵路€(wěn)相比，不僅增加了穩(wěn)定性和安全性，而且有顯著地經(jīng)濟(jì)效益。3.5 環(huán)氧乙烷生產(chǎn)的工藝流程環(huán)氧乙烷生產(chǎn)裝置的主要設(shè)備有反應(yīng)器、吸收塔、反應(yīng)系統(tǒng)的氣-氣換熱器和循環(huán)冷卻器。其設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為年產(chǎn)1.4萬噸環(huán)氧乙烷，設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為6960小時(shí)/

24、年3.5.1 工藝流程概述本次設(shè)計(jì)采用氧氣氧化法進(jìn)行環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)，以氧氣作為氧化劑，乙烯在1mpa、250下通過裝有銀催化劑的固定床反應(yīng)器，直接氧化為環(huán)氧乙烷。環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)系統(tǒng)分為三部分：反應(yīng)系統(tǒng)、回收系統(tǒng)和二氧化碳脫出系統(tǒng)。下面逐一進(jìn)行介紹。（1） 環(huán)氧乙烷的反應(yīng)系統(tǒng)反應(yīng)系統(tǒng)是以一種循環(huán)過程來操作的，以乙烯和氧氣為原料使用甲烷致穩(wěn)，從外界儲(chǔ)罐來的乙烯在過濾器中進(jìn)行過濾，經(jīng)換熱器預(yù)熱，然后按著一定的路線進(jìn)入混合器，與從環(huán)氧乙烷吸收塔頂部通過分離器分離出的循環(huán)氣進(jìn)行混合，乙烯混合器中的循環(huán)氣進(jìn)入壓縮機(jī)的吸入口并在氧氣混合器之前，由壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮。從外界來的氧氣進(jìn)料通過過濾器之后在流量控制下進(jìn)

25、入氧氣混合器。為了能在進(jìn)料之后和開車期間可靠地對(duì)氧氣混合器進(jìn)行吹掃，一個(gè)高壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)及氮?dú)獯祾吖捱B接在僅靠氧氣混合站上游的氧氣進(jìn)料線上。為控制循環(huán)氣中得二氧化碳濃度，一股循環(huán)氣的分支流被送往二氧化碳脫除工段。從氧氣混合器出來的含有乙烯和氧氣的循環(huán)氣 ，在換熱器的管程進(jìn)行加熱后進(jìn)入反應(yīng)器。在反應(yīng)器的殼程用石蠟油來移走反應(yīng)熱，以控制反應(yīng)溫度。含有環(huán)氧乙烷的氧化氣進(jìn)入附帶的循環(huán)氣/鍋爐給水預(yù)熱器，而后反應(yīng)器出口全體流經(jīng)循環(huán)器換熱器的殼程，與反應(yīng)器入口氣體換熱，被進(jìn)一步冷卻下來，之后循環(huán)氣體進(jìn)入循環(huán)氣冷卻器進(jìn)行最后的冷卻。本反應(yīng)使用一種氣相狀態(tài)的抑制劑來控制反應(yīng)活性，循環(huán)氣在氧氣進(jìn)料混合器和循環(huán)氣熱

26、交換器之間分叉轉(zhuǎn)向壓入裝有液體二氯乙烷的儲(chǔ)罐，使這股循環(huán)氣中的二氯乙烷濃度達(dá)到飽和，然后在乙烯進(jìn)料混合器和循環(huán)氣壓縮機(jī)之間再次進(jìn)入反應(yīng)循環(huán)氣中。反應(yīng)進(jìn)料不是絕對(duì)純凈，有必要依次從分離器下游定期排放惰性組分。（2）環(huán)氧乙烷的回收系統(tǒng) 從冷卻器出來的氧化氣進(jìn)入到環(huán)氧乙烷吸收塔底部，使用從環(huán)氧乙烷氣提塔底部過來的乙二醇溶液以及從泵過來的工藝水進(jìn)行吸收，保證吸收夜的濃度恒定在7.5%（wt%）,被吸收下來的環(huán)氧乙烷按一定的路線進(jìn)到氧化物/水閃蒸罐進(jìn)一步閃蒸出惰性氣體，然后經(jīng)換熱器進(jìn)入環(huán)氧乙烷氣提塔使環(huán)氧乙烷和水進(jìn)行分離，環(huán)氧乙烷蒸汽從塔頂出來經(jīng)冷卻器進(jìn)行冷凝后收集在回流罐中，回流罐中的環(huán)氧乙烷用泵送到

27、環(huán)氧乙偶玩貯罐。 環(huán)氧乙烷氣提塔頂部冷凝器中的不凝氣送到惰性氣體洗滌塔中，同閃蒸罐中閃蒸出的惰性氣體一起被洗滌后送往尾氣壓縮機(jī)吸入罐中，再進(jìn)入尾氣壓縮機(jī)中壓縮，經(jīng)二氧化碳脫除系統(tǒng)進(jìn)入環(huán)氧乙烷反應(yīng)循環(huán)系統(tǒng)。 在環(huán)氧乙烷吸收塔中未被吸收下來的環(huán)氧乙烷以及其它惰性氣體經(jīng)分離器進(jìn)一步分離后送往乙烯混合氣中循環(huán)使用。（3）二氧化碳脫除系統(tǒng) 來自尾氣壓縮的一股氣流和尾氣壓縮機(jī)出口的混合為一般，進(jìn)入二氧化碳吸收塔的地步，與從塔頂向下流動(dòng)的吸收劑在填料上充分接觸完成吸收后，進(jìn)入二氧化碳水洗塔,通過填料層和除霧器,除掉氣流中夾帶的微星的鉀和礬的化合物微粒,以防止這些物質(zhì)帶入法青年帶入反應(yīng)器造成催化器中毒.這股氣

28、流冷卻后返回循環(huán)氣流中，與其他物流混合。從二氧化碳吸收塔頂部流下來的二氧化碳吸收劑，在與循環(huán)氣接觸完成二氧化碳的吸收之后，在二氧化碳吸收塔底部靠壓差進(jìn)入閃蒸罐中，這時(shí)的吸收劑被稱為富吸收劑，復(fù)習(xí)說及在閃蒸罐中進(jìn)行減壓閃蒸，閃蒸出來的氣體進(jìn)入尾氣壓縮機(jī)，再吸入罐中，經(jīng)尾氣壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)。閃蒸后的吸收劑流向二氧化碳的再生塔的頂部，經(jīng)再沸器加熱后，被吸收的二氧化碳就釋放出來，排入大氣中。再生后的吸收劑被稱為貧吸收劑，貧吸收劑集聚于再生塔的底部，被分為三段，一股經(jīng)再沸器加熱循環(huán)，一股經(jīng)泵在過濾器中過濾存貨使用。余下的進(jìn)入貧吸收劑閃蒸罐中再次進(jìn)行閃蒸后由貧吸收劑泵打回吸收塔中進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。水

29、洗塔有兩個(gè)循環(huán)回路來移走氣體物流中的微量鉀和釩的化合物，用二氧化碳水洗塔下部循環(huán)泵把塔底的液體抽出來經(jīng)一個(gè)冷卻器送到下部填料段的頂部。用二氧化碳水洗塔下部循環(huán)泵從上部填料段的底部抽出液體，循環(huán)到上部填料段的底部，抽出液體再循環(huán)到上部填料塔的頂部。兩個(gè)循環(huán)泵系統(tǒng)共用一臺(tái)公用的備用泵。高壓工藝水通過一流量控制器補(bǔ)充到上部的循環(huán)回路中，以便控制水洗塔中鉀的濃度。用二氧化碳吸收管和二氧化碳吸收池-作為二氧化碳脫除系統(tǒng)運(yùn)行的必要裝置。不論是吸收劑罐還是吸收池都是用通入65kg/c壓力蒸汽的蛇管進(jìn)行加熱，以防止環(huán)境溫度下結(jié)冰上凍，用貧吸收劑過濾器循環(huán)泵和二氧化碳吸收劑池泵在系統(tǒng)和貯存器之間進(jìn)行吸收劑的輸送

30、。乙醇進(jìn)料解析塔環(huán)氧乙烷洗滌塔環(huán)氧乙烷解析塔循環(huán)壓縮機(jī)乙烯去乙二醇系統(tǒng)環(huán)氧乙烷浸漬塔再吸收塔工業(yè)水接觸塔碳酸鉀再生塔二氧化碳氧化反應(yīng)器氧化反應(yīng)器氧氣產(chǎn)物出口3-1 工藝流程圖 第四章 工藝計(jì)算工藝參數(shù)計(jì)算包括物料衡算和熱量衡算兩部分。物料衡算以質(zhì)量守恒定律為基礎(chǔ)，主要計(jì)算所需物料量和產(chǎn)品量，還可以算出物料的組成，確定物料中各組分在化學(xué)反應(yīng)過程中的定量轉(zhuǎn)化關(guān)系，并通過衡算求得原料的定額消耗。其計(jì)算依據(jù)是工藝流程圖、在工廠采集的數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)時(shí)要求的和查的的各種參數(shù)。熱量衡算以能量守恒定律及物料衡算為基礎(chǔ)，計(jì)算傳入，傳出的熱量，從而確定公用工程的能耗以及傳熱面積。其計(jì)算依據(jù)與物料衡算相同。4.1 設(shè)計(jì)

31、條件4.1.1反應(yīng)原理 乙烯和氧氣在銀催化劑上，于一定溫度和壓力下，直接氧化生成環(huán)氧乙烷，反應(yīng)方程式可表為：主反應(yīng)：c2h4+c2h4o (4-1)（1） 反應(yīng)（4-1）為放熱反應(yīng)，在250時(shí)，每生成一摩爾環(huán)氧乙烷要放出25.19kj的熱量。（2） 在主反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)，還發(fā)生其它副反應(yīng)，其中主要是乙烯的燃燒反應(yīng)。副反應(yīng)：ch2=ch2+3o22co2+2h2o (4-2) 反應(yīng)（4-2）為強(qiáng)放熱反應(yīng)，在250，每反應(yīng)掉一摩爾乙烯，可放出315.9kj的熱量。4.1.2 原料組 組分c2h4 co2 o2 n2含量（mol%）3.4 7.7 5.6 反應(yīng)器條件 原料進(jìn)入反應(yīng)器

32、溫度為210 反應(yīng)器溫度為250 反應(yīng)壓力為1mpa 乙烯轉(zhuǎn)化率為20%；選擇性為66%；空速為5000 年工作時(shí)間290天，年產(chǎn)量14000噸 應(yīng)產(chǎn)物分離后回收率為90% 反反應(yīng)器采用列管式固定床反應(yīng)器，管徑為27mm2.5mm,管長8mm,催化劑充填高度5.7m。 采用道生油強(qiáng)制外循環(huán)換熱，道生油進(jìn)口溫度503k,出口溫度508k,道生油對(duì)管壁給熱系數(shù)0 = 2717kj/(m2hk)。催化劑 球形催化劑（以銀為催化劑）dp =5mm，空隙率=0.50 在250，1mpa下反應(yīng)氣體導(dǎo)熱系數(shù)為0.0304w/k,粘度為4.26pas，密度為7.17kg/4.2 物料衡算（1） 反應(yīng)部分的工藝

33、參數(shù)環(huán)氧乙烷生產(chǎn)能力：14000噸/年； 年操作時(shí)間6960小時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器的溫度：210； 反應(yīng)溫度：250乙烯轉(zhuǎn)化率為20%； 選擇性為66%空速為5000； 生產(chǎn)過程安全系數(shù)：1.04應(yīng)產(chǎn)物分離后回收率為90%原料組成如表4-2所示：表4-2 原料氣的組成組分c2h4co2o2n2含量（mol%）83.3表4-3 各組分分子量組分c2h4co2o2n2分子量28.05444.01031.99928.01344.05418.015(2)反應(yīng)部分的基礎(chǔ)計(jì)算以100kmol/氣體進(jìn)料為基準(zhǔn)，根據(jù)已知原料氣組成，計(jì)算出每小時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器的各種氣體組分的摩爾數(shù)，計(jì)算結(jié)果列于表4-4中

34、。根據(jù)反應(yīng)方程式及已知數(shù)據(jù)，計(jì)算反應(yīng)器出口氣體量。 主反應(yīng)： =+ （4-3） 副反應(yīng)： =+32+2 (4-4)已知乙烯轉(zhuǎn)化率20%，選擇性為66%，進(jìn)入反應(yīng)器的乙烯量為3.4kmol/h,所以由式 （4-3）有： 消耗乙烯量：6=0.4488kmol 消耗氧氣量：0.44880.5=0.2244kmol 生成環(huán)氧乙烷：0.4488kmol由式 （4-4）有：消耗乙烯量：3.40.2（1-0.66）=0.2312kmol 消耗氧氣量：0.23123=0.6936kmol 生成二氧化碳量：0.23122=0.4624kmol 生成水量：0.23122=0.4624kmol則可

35、知 未反應(yīng)的乙烯量：3.4-0.4488-0.2312=2.72kmol 未反應(yīng)的氧氣量：5.6-0.2244-0.6936=4.682kmol 出反應(yīng)器的二氧化碳量：7.7+0.4624=8.1624kmol 出反應(yīng)器的水量：0+0.4624=0.4624kmol氮?dú)?、氬氣和甲烷的量在反映的過程中不發(fā)生變化，所以出口氣體中各組分的量如表4-4所示。表4-4 反應(yīng)器入口和出口的氣體量（kmol/h）組分 c2h4co2o2n2入口83.300出口2.728.16244.68283.30.44880.4624（3）實(shí)際裝置每小時(shí)生產(chǎn)的環(huán)氧乙烷可折算為 綜上所述，氣體進(jìn)料為100

36、kmol/h時(shí)，可生產(chǎn)環(huán)氧乙烷0.4488kmol/h。若要達(dá)到50.73kmol/h的環(huán)氧乙烷生產(chǎn)能力，則需要原料量為: =11303.48kmol/h為了保證所設(shè)計(jì)的裝置能夠達(dá)到所要求的生產(chǎn)能力，必須考慮到原料損失等原因素，一般取安全系數(shù)為1.04則實(shí)際進(jìn)料量為: 1.0411303.48=11755.61kmol/h (4)原料氣與氧化氣的組成計(jì)算 根據(jù)基準(zhǔn)氣體進(jìn)料量為100kmol/h是的計(jì)算結(jié)果，可折算出實(shí)際進(jìn)料量為11755.61kmol/h時(shí)的物料衡算情況。如表4-5所示表4-5 實(shí)際原料氣進(jìn)料時(shí)的物料衡算組分kmol/hkg/hmol%wt%399.6911212.923.43

37、.24o2658.3121065.395.66.08co2905.1839837.067.711.50n29792.42274315.1583.379.18cho00000000合計(jì)11755.61346430.52100100表4-6 氧化氣的物料衡算組分kmol/hkg/hmol%wt% c2h4320.939003.372.732.60o2550.1617604.564.685.0co2959.2642217.038.1612.19n29814.76274315.1583.4979.18cho52.902330.450.450.64354.08974.250.460.281合計(jì)11752

38、.08346444.811001004.3 熱量衡算設(shè)原料氣帶入的熱量為,氧化氣帶出的熱量，反應(yīng)熱為，反應(yīng)器的散熱量。當(dāng)忽略熱損失時(shí)，有： = （4-1） （1） 各組分的比熱查得理想氣體的比熱計(jì)算 =a+bt+ （4-2)上式中的各項(xiàng)系數(shù)值如表4-6所示。 表4-7 各組分的定壓比熱系數(shù)值 組分ab100c105d108 c2h45.7037321.438947-6.7284751.179194o226.00820.117472-0.234106-0.0561944co223.056660.5687698-3.1828150.6387703n229.47170-0.04765011.2706

39、22-0.4793994cho-7.5911192.223796-12.604382.61227232.415020.003422141.285147-0.4408350原料氣溫度為210 ，氧化氣溫度250。在此條件下各組分的值如表4-7,4-8所示 。 表4-7 原料氣各組分的 值（j/molk）組分c2h4co2o2n2原料氣60.831.143.829.6 表4-8 氧化氣各組分的 值（j/molk）組分c2h4co2o2n2氧化氣64.331.445.029.835.578.0可查得真是氣體與理想氣體的比熱之間關(guān)系式: =+=+ （4-3） 而和與tr、pr的關(guān)系可在的圖3-10中查

40、出。原料氣溫度為210+273.15=483.15k,壓力為1mpa;氧化氣溫度為250+273.15=523.15k，壓力為1mpa。查表計(jì)算，各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果如表4-9、4-10所示。比熱單位為j/molk表4-9 原料中各組分定壓的壓力校正參數(shù)組分c2h4co2o2n2/k282.4154.6304.2126.2/mpa5.0365.0467.3763.3941.7113.1251.5883.8280.1990.1980.1360.2950.0850.0210.2250.0400.6700.1590.5440.1380.6280.0380.586061.52331.26044.47629.7

41、38 表4-10氧化氣中各組分定壓比熱的壓力校正參數(shù)組分 ch o co n ho chot 282.4 154.6 304.2 126.2 647.3 469p 5.036 5.046 7.376 3.394 22.05 7.194t 1.853 3.384 1.720 4.145 0.808 1.115p 0.199 0.198 0.136 0,295 0.045 0.139 0.085 0.021 0.225 0.040 0.344 0.200c 0.554 0.134 0.419 0.126 1.381 2.093c 0.502 0.0084 0.502 0 4.186 5.023c

42、64.887 31.534 45.532 29.926 38.321 81.098(2)熱量衡算原料氣帶入的熱量q,原料氣的入口溫度為483.15k，以273.15k為基準(zhǔn)溫度，則 : q = （kj/h） (4-4)計(jì)算結(jié)果列于表4-11中表4-11原料氣帶入的熱量組分 c (j/mol.) x xc ch 61.523 0.034 2.092 o 31.260 0.056 1.751 co 44.476 0.077 3.425 n 29.738 0.833 24.772合計(jì) 1.00 30.040由計(jì)算結(jié)果可知 ： q=nxct （4-5）由公式4-5可得：q=11755.6130.040

43、(483.15-273.15)=7.41610kj/h反應(yīng)熱q在操作條件下，主副反應(yīng)的熱效應(yīng)分別為主反應(yīng): ch+1/2o cho+25.19 kcal/mol （4-5）副反應(yīng): ch+ 3o 2co+2ho+315.9 kcal/mol （4-6）則主反應(yīng)的放熱量為：q=399.690.2副反應(yīng)的放熱量為： q總反應(yīng)熱為：qqq=(5.567+35.962)10氧化氣帶出的熱量q，氧化氣出口溫度為523.15k，以273.15k為基準(zhǔn)溫度，則： （4-6）計(jì)算結(jié)果列于表4-12中 表4-12氧化氣帶出的熱量 組分 c (j/mol.) x xc ch 64.887 0.0273 1.771

44、 o 31.534 0.0468 1.476 co 45.532 0.0816 3.725 n 29.926 0.8349 24.985ho 38.321 0.0045 0.172 81.098 0.0046 0.373合計(jì) 1.00 32.49由計(jì)算結(jié)果可知： q=nxct （4-7）由公式4-7可得： 反應(yīng)器的撤熱量q： （4-8）可得反應(yīng)器的撤熱量：第五章 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)在物料衡算和熱量衡算的基礎(chǔ)上，可以對(duì)反應(yīng)部分主要設(shè)備的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。這一部分主要是反應(yīng)器的工藝參數(shù)優(yōu)化。設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力：13000噸/年；生產(chǎn)過程安全系數(shù)：1.04；年操作時(shí)間：290天；本設(shè)計(jì)采用兩臺(tái)反應(yīng)器并聯(lián)進(jìn)行

45、反應(yīng)。已知：（1）每小時(shí)輸入的原料氣量總為11755.61kmol/h; （2）以銀為催化劑，顆粒為球形，d=5mm，孔隙率=0.8； （3）反應(yīng)溫度為250，操作壓力為1mpa,空速為5000-1； （4）反應(yīng)器列管規(guī)格為323.5mm; （5）反應(yīng)熱用油撤走，導(dǎo)出液進(jìn)口溫度230，導(dǎo)出液出口溫度235； （6）原料氣進(jìn)口溫度為210，氧化氣出口溫度為250。5.1 催化劑的用量（1）催化劑總體積vr（m3）是決定反應(yīng)器主要尺寸的基本依據(jù)，其計(jì)算公式如下所示:vr=式中v原料氣流量，m3/h s空速，h-1。（2） 原料的體積流量v 立方型狀態(tài)方程rk用于氣體混合物的vp= 其中 a=0.42748 （5-3） b=0.08664 （5-4）方程中參數(shù)a和b常采用混合規(guī)則am= （5-5） = （5-6）交叉項(xiàng) =（）（1-） （5-7）其中=0先求和由表4-9知各物質(zhì)的和代入式5-3和5-4計(jì)算結(jié)果如表5-1表5-1原料氣的計(jì)算組分 c2