乙烯制取環(huán)氧乙烷生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)說明書

蘇州科技學(xué)院化工工藝設(shè)計(jì)說明書環(huán)氧乙烷是以乙烯為原料的一個(gè)主要石油化工產(chǎn)品，其產(chǎn)量僅次于乙烯，環(huán)氧乙烷也是一種非常重要的精細(xì)化工原料。環(huán)氧乙烷直接使用價(jià)值很小，98%以上轉(zhuǎn)化為各種衍生物。中國石化總公司的環(huán)氧乙烷主要用于生產(chǎn)乙二醇。在環(huán)氧乙烷工業(yè)衍生物中，乙二醇占有最大的比重，即環(huán)氧乙烷主要是用來制造乙二醇，其次是生產(chǎn)表面活性劑等。此外還用于制造醫(yī)藥、乙醇胺、油品添加劑、農(nóng)藥乳化劑以及殺蟲劑等。環(huán)氧乙烷的發(fā)展歷史是漫長的。早在1859年，法國化學(xué)家伍爾茲就發(fā)現(xiàn)氯乙醇與為環(huán)氧乙烷生產(chǎn)的唯一方法，直到50年代中期此法仍占有絕對優(yōu)勢。制得，所以叫做氧化乙烯。分子式為c,H?O,分子量為44。溶。比重0.8969(0/4℃),熔點(diǎn)-111.3℃沸點(diǎn)10.73℃,閃點(diǎn)<-18℃,熔點(diǎn)429℃,自蘇州科技學(xué)院化工工藝設(shè)計(jì)說明書1.2.2環(huán)氧乙烷的用途環(huán)氧乙烷可殺滅細(xì)菌(及其內(nèi)孢子)、霉菌及真菌，因此可用于消毒一些不能耐受高溫消毒的物品。美國化學(xué)家LloydHall在1938年取得以環(huán)氧乙烷消毒法保存香料的通常采用環(huán)氧乙烷-二氧化碳(兩者之比為90:10)或環(huán)氧乙烷-二氯二氟甲烷的混采用硝基甲烷和環(huán)氧乙烷的混合物(60:40-95:5)。這種混合燃料燃燒性能好，凝固環(huán)氧乙烷的毒性為乙二醇的27倍，與氨的毒性相仿。在體內(nèi)形成甲醛、乙二醇和乙二環(huán)氧乙烷主要用于制造乙二醇(制滌綸纖維原料)、合成洗滌劑、非離子表面活性蘇州科技學(xué)院化工工藝設(shè)計(jì)說明書環(huán)氧乙烷(簡稱EO),又稱氧化乙烷，也稱惡烷，是一種最簡單的環(huán)醚，是乙烯工業(yè)衍生物中僅次于聚乙烯和聚氯乙烯的重要有機(jī)化工產(chǎn)品，是最簡單最重要的環(huán)氧化的產(chǎn)量的60%都轉(zhuǎn)變?yōu)橐叶?，乙二醇可進(jìn)一步加工成聚酯纖維和樹脂，有13%的環(huán)氧1.3.2國內(nèi)外環(huán)氧乙烷的市場需求年的數(shù)據(jù)與美國、日本、西歐1991年、1992年的數(shù)據(jù)相比，美國的非乙二醇應(yīng)用占環(huán)氧乙烷消費(fèi)的30.5%、日本為44.9%、西歐達(dá)到60.1%,而我國只有11.8%,與乙二醇相我國非乙二醇應(yīng)用的各類產(chǎn)品消耗環(huán)氧乙烷的比例也與發(fā)達(dá)國家有很大差異，另目前工業(yè)上系由環(huán)氧乙烷直接水合生產(chǎn)乙二醇，所以兩個(gè)產(chǎn)品大都在同一工廠里生產(chǎn)，從環(huán)氧乙烷合成乙二醇的技術(shù)，是以乙烯和氧為原料，在存在銀催化劑，甲烷致穩(wěn)定氣和二氯乙烷或氯乙烯抑制劑的條件下，直接氧化生成環(huán)氧乙烷，然后環(huán)氧乙烷與水在一定分子比下于管式反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行水合反應(yīng)生成乙二醇，其溶液經(jīng)提濃、干燥、精餾分離出環(huán)氧乙烷及其他二元醇副產(chǎn)品。提供1萬噸左右的商品環(huán)氧乙烷，撫順的5萬噸環(huán)氧乙烷，遼化二期工程又增加3萬噸烷為原料的化工廠總數(shù)不足20家，主要用于生產(chǎn)各種非離子表面活性劑，少數(shù)用來生產(chǎn)乙二醇單醚溶劑。估計(jì)年消耗量5000噸環(huán)氧乙烷，我省輕工業(yè)系統(tǒng)將在遼陽、鞍山的不同，又分為空氣氧化法(空氣為氧化劑)和氧氣氧化法(氧氣為氧化劑)。隨著科在20～25℃0.26MPa(2.5atm)下進(jìn)行乙烯次氯酸化生成氯乙醇，而后加堿環(huán)化得環(huán)氧乙烷。用氯醇法操作，每生產(chǎn)一噸環(huán)氧乙烷(80%收率)需消耗0.8噸乙烯，2噸氯和1.6噸石灰，同時(shí)還生成了3.2噸氯化鈣和0.1～0.15噸二氯乙烷副產(chǎn)物。氯醇法生產(chǎn)環(huán)氧乙烷包括兩個(gè)基本反應(yīng)：乙烯與次氯酸反應(yīng)和氯乙醇脫氯化氫反應(yīng)。醇法逐漸為后來發(fā)展起來的直接氧化法所取代。如美國1960年氯醇法生產(chǎn)的環(huán)氧乙烷占其總產(chǎn)量的40%,到1968年已降至10%,只有道化(DowChem)公司還采用氯醇法，而在1971年以后，氯醇法全部被淘汰。1931年，美國蘭赫爾提出，于硬質(zhì)玻璃管或石英管中，在300～525℃條件下，用個(gè)空氣氧化法生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的試生產(chǎn)裝置，于1938年正式投入生產(chǎn)，但生產(chǎn)不正常，司也建立了空氣氧化法的試驗(yàn)裝置，但到1953年才建成年產(chǎn)2.7萬噸空氣氧化法生產(chǎn)2萬噸的第一個(gè)氧氣氧化法生產(chǎn)環(huán)氧乙烷裝置。開始時(shí)氧氣氧化法并不十分完善，經(jīng)不斷改進(jìn)，到1960年以后，氧氣氧化法生產(chǎn)環(huán)氧乙烷裝置才日益增多起來。兩種方法都可分為兩個(gè)部分——氧化與提純，兩部分之間都是由循環(huán)使用的環(huán)氧兩種方法都為了獲得高選擇性，乙烯的單程轉(zhuǎn)化率必須保持很低，這就是說反應(yīng)噸環(huán)氧乙烷消耗1～1.1噸乙烯。氧氣氧化法設(shè)備數(shù)目較少，流程較短，設(shè)備及建廠投資較空氣法少15%。如包括空氣分離裝置在內(nèi)則其建廠投資高于空氣法10%。此外，氧氣氧化法要求純氧及較高的乙為0.95噸。生成的環(huán)氧乙烷經(jīng)乙二醇水溶液吸收、閃蒸、再吸收解吸(去脫除CO2等雜質(zhì)),生成的環(huán)氧乙烷水溶液送入環(huán)氧乙烷汽提塔及其精制塔，以除去二氧化碳等微量雜質(zhì)，得到環(huán)氧乙烷產(chǎn)品。1.5.1設(shè)計(jì)題目：原料乙烯年處理量為12噸用N?作為惰性致穩(wěn)氣時(shí)的原料氣組成組成C?H?O?N?CO?C?H?ArH?Omol,%(4)0?中夾帶Ar0.00856mol,循環(huán)排放氣中含Ar為12.85%,產(chǎn)品環(huán)氧乙烷中含本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容為乙烯制取環(huán)氧乙烷生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)，具體包括以下幾個(gè)設(shè)計(jì)階段：(3)繪制環(huán)氧乙烷反應(yīng)系統(tǒng)的工藝流程圖(一張);(4)繪制二氧化碳脫除系統(tǒng)的工藝流程圖(一張);(5)編制課程設(shè)計(jì)說明書(一份)。2設(shè)計(jì)方案簡介環(huán)氧乙烷0(沸點(diǎn)10.5℃)是最簡單也是最重要的環(huán)氧化合物，其用途是制取2.1反應(yīng)過程分析乙烯在Ag/a-Al?O?催化劑存在下直接氧化制取環(huán)氧乙烷的工藝，可用空氣氧化也可以用氧氣氧化，氧氣氧化法雖然安全性不如空氣氧化法好,但氧氣氧化法選擇性較好，AH°zanx=-103.4kJ/molAH?szxCH?=CH?+3O?—>2CO?+2H?O△H°zak=-1324.6kJ/molAH°szx=-1324.6kJ/mol2.2催化劑的選擇定性。載體的結(jié)構(gòu)(特別是孔結(jié)構(gòu))對助劑活性的發(fā)揮、選擇性控制有極大的影響(乙用操作壓力為2Mpa左右。2.4反應(yīng)溫度及空速的影響制適宜溫度，其與催化劑的選擇性有關(guān)，一般控制的適宜溫度在200-260℃。以氧氣作氧化劑單程轉(zhuǎn)化率控制在12-15%,選擇性可達(dá)75-80%后更高。(鐵離子);使反應(yīng)熱效應(yīng)增大(H2、C3以上烷烴和烯烴);影響爆炸極限，如氬氣是惰度而且影響催化劑的生產(chǎn)能力，所以其濃度也需控制。乙烯和氧濃度有一適量值(如濃可達(dá)15-20%,氧濃度為8%左右。由于反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率比較低，為了充分利用原料從吸收分有害氣體排除，即脫除二氧化碳。從吸收塔排出的氣體，大部分(90%)循環(huán)使用，小部分送二氧化碳吸收裝置，用堿洗法(熱碳酸鉀溶液)脫除掉副反應(yīng)生成的二氧化碳。蘇州科技學(xué)院化工工藝設(shè)計(jì)說明書3生產(chǎn)工藝流程簡述3.1工藝流程簡述原料乙烯、氧氣和循環(huán)氣經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入反應(yīng)器，在銀觸媒作用下進(jìn)行如下主要反應(yīng)。C?H?+3O?^?→2CO?+2H?O+1.35MJ/mol(2)由反應(yīng)式可知，反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的是強(qiáng)放熱化學(xué)反應(yīng)，特別是反應(yīng)放熱量是式(1)反應(yīng)放熱量的10倍之多。操作稍有不慎，即可加速式的反應(yīng)，引發(fā)溫度驟升，造成燃燒；或者操作條件波動(dòng)，使反應(yīng)進(jìn)入爆炸極限區(qū)域內(nèi)，引發(fā)重大事故的發(fā)生。國內(nèi)很多裝置的此反應(yīng)器爆炸事故，大都因氧氣加入量導(dǎo)致氧和乙烯比例進(jìn)入爆炸極限區(qū)而發(fā)生。3.2工藝流程草圖及說明3.2.1工藝流程草圖(一)氧化反應(yīng)部分33圖1氧化反應(yīng)蘇州科技學(xué)院化工工藝設(shè)計(jì)說明書3.2.2流程草圖說明反應(yīng)器上部進(jìn)入催化床層。自反應(yīng)器流出的反應(yīng)氣環(huán)氧乙烷含量僅1-2%,經(jīng)熱交換器利故采用水做吸收劑以吸收反應(yīng)氣中的環(huán)氧乙烷。從吸收塔排出的氣體，大部分(約90%)鉀-碳酸鉀溶液經(jīng)減壓入再生塔，經(jīng)加熱，使碳酸氫鉀分解為二氧化碳和碳酸鉀，CO24.1已知條件原料乙烯年處理量為12萬噸用N?作為惰性致穩(wěn)氣時(shí)的原料氣組成組成O?N?CO?C?H?H?O0?中夾帶Ar0.00856mol,循環(huán)排放氣中含Ar為12.85%,產(chǎn)品環(huán)氧乙烷中含Ar0.00631mol。環(huán)氧乙烷水溶液圖2乙烯催化氧化制取環(huán)氧乙烷得物料衡算框圖循環(huán)氣P產(chǎn)品環(huán)氧乙烷W排空廢氣脫除的二氧化碳4.2衡算過程(1)根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，原料乙烯年處理量為12萬噸，若按年工作日300天，每天開動(dòng)設(shè)備24小時(shí)計(jì)算衡算基準(zhǔn)：以單位時(shí)間進(jìn)入反應(yīng)器的混合原料氣3306.878kmol為基準(zhǔn)衡算范圍：以下各步的衡算范圍如圖2虛線框所示(2)以反應(yīng)器為衡算范圍，確定反應(yīng)混合氣(RP)組成主反應(yīng)方程式：平行副反應(yīng)方程式：CH=CH?+3O?→2CO?+2H?O(氣)(B)原料混合氣(MF)各組分摩爾數(shù)的變化3306.878×18%×15.1%=89.8810kmol89.8810×83.8%=75.3203kkmol89.8810×(1-83.8%)×2=29.1214kmol29.1214kmol75.3203×1/2+29.1214×3/2=81.3423kmol(C)反應(yīng)混合氣(RP)的組分含量C?H?3306.878×18%-89.8810=505.3570kmolO?3306.878×8%-81.3423=183.2079kmolC?H?O75.3203kmolCO?3306.878×9.13%+29.1214=331.0394kmolH?O3306.878×0.50%+29.1214=45.6558kmol其他氣體未參加反應(yīng)，故他們的量不變，同原料氣CH?3306.878×0.59%=19.5106kmolN?3306.878×50.50%=1169.9734kmol3306.878×0.76%=25.1323kmol蘇州科技學(xué)院化工工藝設(shè)計(jì)說明書Ar3306.878×12.52%=414.0211kmol由以上計(jì)算可得RP中混合物的總量(Sp)RP=505.3570+183.2079+331.0394+19.5106+75.3203+45.6558+25.1323+414.0211+1669.9734=3269.2178kmol組成O?N?CO?Kmol,%組成C?H?ArH?OC?H?O414.021145.6558Kmol,%(3)以吸收塔為衡算范圍，確定混合分離氣(SP)的組成(A)RP中各組分量的變化(即在產(chǎn)品P中的含量)△(C?HO):75.3203×99.5%=74.9437kmol△(Ar):74.9437×0.00631=0.4729kmol△(H?O):45.6558kmol(即考慮水全部進(jìn)入產(chǎn)品中)由此可得，產(chǎn)品(P)中帶出的物質(zhì)總量(SP)P=74.9437+0.4729+45.6558=121.0724kmo1(B)SP中各組分的含量RP(X)=SP(X)+P(X)對CHO和Ar作物料衡算，得它們的含量如下Ar:414.0211-0.4729=413.5482kmolH?O:45.6558-45.6558=0(C)確定SP的組成由于SP的組成與循環(huán)排放氣W組成相同，故SP中Ar的摩爾分?jǐn)?shù)也為12.85%?？傻肧P中各組分的總量(Ssp)SP=413.5482/12.85%=3218.2739kmol組成O?N?CO?組成C?H?H?OC?H?O0000(4)確定新鮮原料(FF)和循環(huán)氣(RC)組成(A)以整體為衡算范圍，對Ar作物料衡算.設(shè)FF中0?為Xkmol,CH?為Ykmol;RC中0,為Zkmol,CH?為Gkmol。FF(Ar)=P(Ar)+W(Ar)0.00856X=0.4729+W×12.85%①(B)以節(jié)點(diǎn)B為衡算范圍，對CH?和0?作物料衡算。利用衡算式SP(x)=RC(x)+W(x)X為C?H和0?且W中各組分的組成與SP中各組分的組成相等，可得對CH:505.3570=G+W×15.7030%②③利用衡算式MF(X)=FF(X)+RC(X)X為CH和0,可得：對O?:264.550=X+ZX=81.4407Y=90.1550Z=183.1093G=505.0830W=1.7450(D)確定FF的組成由以上計(jì)算可知FF中：0?含量為81.4407kmolCH?含量為90.1550kmol,以節(jié)點(diǎn)B為衡算范圍，對N?作物料衡算，利用衡算式SP(N)=RC(N?)+W(N?)可得RC(N?)=1669.9734-1.7450×51.890%=1669.0679kmolMF(N?)=FF(N?)+RC(N?)可得FF(N?)=1669.9734-1669.0679=0.9055kmolFF=90.1550+81.4407+0.6971+0.9055=173.1983kmol組成C?O?N?132(E)確定RC的組成由前面的計(jì)算已得RC中：0:183.1093kmol,CH:505.0830kmol,N:1669.0679kmol。以節(jié)點(diǎn)A為衡算范圍，對Ar作物料衡算，利用衡算式MF(Ar)=FF(Ar)+RC(Ar)可得：RC(Ar)=414.0211-0.6971=413.3240kmolRC=505.0830+183.1093+1669.0679+301.9180+19.5106+25.1323+414.0211+16.5344=3134.3766kmolO?N?CO?1906蘇州科技學(xué)院化工工藝設(shè)計(jì)說明書組成C?H?ArH?OC?H?Ol25.1323414.02110Kmo0.8020.5280(5)確定未脫CO?的循環(huán)氣SPC的組成(A)W中含CO?的量1.7450×10.286%=0.1795kmol(極少，略去)TC(CO?)=SP(CO?)-RC(CO?)(B)根據(jù)工藝條件，可設(shè)二氧化碳脫除裝置中CO?的脫除效率為70%則進(jìn)入裝置的RC(CO?)=SRC(CO?)+SPC(CO?)可得：SPC(CO?)=301.9180-12.4806=289.4374kmol又SPC中各組分的組成與SP各組分相等，故SPC各組分總量SPC=289.4374/10.286%=2813.8766kmol因SPC/(SP-W)=2813.8766/(3218.2739-1.7450)=87.5%所以從吸收塔出來進(jìn)入循環(huán)的混合氣有87.5%直接循環(huán)，12.5%進(jìn)入CO?脫除(B)因SPC與SP各組分組成相等，可得SPC中各物質(zhì)的摩爾數(shù)SPC組成的計(jì)算結(jié)果如下表：組成O?N?CO?8第17頁組成H?OC?H?O0000(6)以節(jié)點(diǎn)D為衡算范圍，確定SRC的組成。可得SRC中各組分的量505.0830-442.1874=62.8956kmol183.1093-160.3969=22.8024kmolN?:1669.0679-1461.2267=207.8412kmolCO?:301.9180-289.6595=12.2585kmol19.5106-17.0718=2.4388kmol25.1323-21.9908=3.1415kmolAr:414.0211-361.8547=52.1664kmolH?O:16.5344-0=16.5344kmol故SRC中各組分的總量SRC=62.8956+22.8024+207.8412+12.2585+2.4388+3.1415+52.1664+16.5344=380.0788kmol組成N?CO?組成H?OC?H?O00 蘇州科技學(xué)院化工工藝設(shè)計(jì)說明書4.3數(shù)據(jù)校核、結(jié)果評價(jià)和心得體會(huì)4.3.1數(shù)據(jù)校核其中FF=173.1983kmolP=121.0724kmolW=1.7450kmolTC=29.1214kmol故方程右邊=151.9388kmol≈方程左邊②吸收塔物料平衡RP=SP+P其中RP=3269.2178kmolSP=3218.2739kmolP=121.0724kmol得方程右邊=3339.3463kmol≈方程左邊其中FF=173.1983kmolRC=3134.3766kmolMF=3306.878kmol有方程右邊=3307.5749kmol≈方程左邊④節(jié)點(diǎn)B(C)物料平衡SP=W+RC+TC其中SP=3218.2739kmolW=1.7450kmolRC=3134.3766kmolTC=29.1249kmol1廣方程右邊=3165.243kmol≈方程左邊⑤節(jié)點(diǎn)D物料平衡RC=SRC+SPC其中RC=3134.3766kmolSRC=380.0788kmolSPC=2813.8966kmol有方程右邊=3193.9754kmol≈方程左邊4.3.2結(jié)果評價(jià)以上在不同的衡算范圍對總氣體量分別進(jìn)行校核，計(jì)算的結(jié)果顯示各種計(jì)算數(shù)據(jù)基本符合要求。雖有一些誤差，但都在工程允許范圍內(nèi)。下面對誤差進(jìn)行分析。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于在環(huán)氧乙烷吸收塔中，水也溶解了其它微量氣體，所以產(chǎn)品P中并非僅有CHO及微量的Ar,而在計(jì)算過程中沒有考慮那部分氣體的量，視產(chǎn)品中僅有CH?O和Ar,而且計(jì)算過程中忽略了W中排出的極少部分氣體，所以導(dǎo)致SP的氣體總量及部分物質(zhì)的量不精確，但誤差很小，并不影響整體結(jié)果。在計(jì)算過程中，將SP中H?O和CH?O的量視為零，因SPC與SP的組成相同，所以RC中的HO考慮為從SRC中來，即從CO?組成C?H?O?N?CO?CH?C?H?ArH?OC?H?O總計(jì)mol混合氣mol505.3570183.20791669.9734331.039419.510625.1323414.021145.655875.32033269.2178RPMol,%5.60451.8020.5972.304mol505.3570183.20791669.9734331.039419.510625.1323413.5482003218.2739Mol,%5.69351.8900.6060.78100mol90.155081.44070.90550000.697100173.1983FFMol,%52.05347.0220.5230000.40200mol505.0830183.10931669.0679301.918019.510625.1323414.021116.534403134.3766RCMol,%5.84253.2509.6320.6220.8020.5280mol442.1874160.30691461.2267289.659517.071821.9908361.8547002813.8699SPCMol,%5.69351.8900.6060.78100mol62.895622.8024207.841212.25852.43883.141552.166416.53440380.0788SRCMol,%6.00054.6843.2250.6420.8274.35006工藝流程及控制點(diǎn)說明6.1工藝流程說明6.1.1環(huán)氧乙烷反應(yīng)系統(tǒng)工藝流程(1)原料流程原料乙烯、氧氣和致穩(wěn)氮?dú)鈦碜越鐓^(qū)，他們與循環(huán)物料氣的混合氣體站(H-102)充分混合后，進(jìn)入氣一氣換熱器(E-111)與反應(yīng)生成氣換熱并預(yù)熱到指一定溫度后，從填充銀催化劑的列管式固定床反應(yīng)器(D-110)的上部進(jìn)入催化床層，在一定溫度(220-260℃)和壓力(2Mpa)下，進(jìn)行氧化反應(yīng)。(2)吸收流程率和避免循環(huán)氣中二氧化碳的積累，從吸收塔頂部排出的氣體，一部分(90%)循環(huán)回蘇州科技學(xué)院化工工藝設(shè)計(jì)說明書燒掉：另一部分作為循環(huán)氣與致穩(wěn)氣氮?dú)膺M(jìn)入循環(huán)壓2輔助流程(1)熱油循環(huán)流程乙烯的環(huán)氧化反應(yīng)為放熱反應(yīng)，其副反應(yīng)為乙烯完全氧化為二氧化碳和水的反應(yīng)循環(huán)載熱的熱油經(jīng)過熱油冷卻器(E-110)冷卻后，進(jìn)入氧化