论文：环氧乙烷废气处理装置的工艺设计.pdf

分类号：TQ223.26 密级：U D C：_华东理工大学工程硕士学位论文环氧乙烷废气处理装置的工艺设计：_ 作者声明我郑重声明；本人恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导 师的指导下，独立进行研究工作所取得的结果。除文中明确注明和引用的内容外，本论 文不包含任何他人已经发表或撰写过的内容。论文为本人亲自撰写，并对所写内容负责。论文作者签名:华东理工大学 工程硕士学位论文第I页环氧乙烷废气处理装置的工艺设计摘要本文设计并制造了一套装置用以处理环氧乙烷废气。采用的是常压催化水合法工 艺，对环氧乙烷废气处理过程进行了初步的工艺设计并对主要设备参数进行了优化，对 处理过程中的安全等问题进行了初步评定。洗涤塔是环氧乙烷吸收处理工艺中的重要设备，本设计中采用填料塔。在操作温度 为35、操作压力为1.5ba r的工艺条件下，经过物料衡算和水力计算决定采用直径为 350mm,高度为10m的洗涤塔。填料采用鲍尔环，填料高度为8m。反应罐是本工艺中另一重要设备，在操作温度为35、操作压力为1.5ba r的工艺 条件下，经过物料衡算和热量衡算决定采用直径为2.2m,长度为6.6m的五腔室反应罐。以硫酸为催化剂进行反应。根据相关计算检验，认为所设计选型的设备符合要求。依据本设计进行的项目建设 成果达到了预期目标。关键词：环氧乙烷；废气处理：洗涤塔；催化水合第n页华东理工大学工程硕士学位论文Process Design of Ethylene Oxide Exhaust Treatment PlantAbstractTh e pu rpo se o f th i s pa per i s to desi g n a pl a n t wh i ch i s eth yl en e o xi de wa ste exh a u st trea tmen t.Th i s pro cess i s ba sed o n ca ta l yti c h ydra ti o n.In th i s desi g n,we ma i n l y ca l cu l a ted th e pro cess pa ra meter a n d th e si ze o f th e ma jo r equ i pmen ts.At th e sa me ti me,we h a v e a prel i mi n a ry esti ma ti n g o f secu ri ty i n th e trea tmen t pl a n t o f eth yl en e o xi de a n d so o n.S cru bber i s o n e o f th e mo st i mpo rta n t dev i ce i n th e trea tmen t pl a n t o f eth yl en e o xi de.In th i s desi g n,we ch o o se pa cked to wer.Un der th e co n di ti o n o f o pera ti n g tempera tu re i s 35 a n d o pera ti n g i s 1.5 ba r,th ro u g h th e ma ss ba l a n ce a n d f l u i d-dyn a mi c we determi n ed u sed a 340mm i n di a meter a n d 10m i n h ei g h t.Th e pa cki n g i s deci ded to a do pt Pa l l Ri n g.An d th e h ei g h t o f pa cki n g i s 8m.Rea cto r i s a n o th er o n e o f th e mo st i mpo rta n t dev i ce i n th e trea tmen t pl a n t o f eth yl en e o xi de.Un der th e co n di ti o n o f o pera ti n g tempera tu re i s 35 a n d o pera ti n g i s 1.5 ba r,th ro u g h th e ma ss ba l a n ce a n d h ea t ba l a n ce we determi n ed u sed a 2.2m i n di a meter a n d 6.6m i n l en g th.Th e rea cto r i s di v i ded i n to f i v e pa rts.In th i s system,we ch o o se H2S O4 a s ca ta l yst.Acco rdi n g to th e rel ev a n t ca l cu l a ti o n,we bel i ev e th a t th e equ i pmen t meets th e requ i remen t o f th e desi g n.Key words：eth yl en e o xi de：exh a u st trea tmen t;scru bber;ca ta l yti c h ydra ti o n华东理工大学工程硕士学位论文第n i页目录前言.1第1章文献综述.21.1 环氧乙烷简介.21.1.1 环氧乙烷的物理性质.31.1.2 环氧乙烷的化学性质.51.1.3 环氧乙烷对人体的危害.51.2 环氧乙烷处理方法.61.2.1 直接燃烧法.61.2.2 吸收法.61.2.3 催化燃烧法.61.2.4 吸附法.61.2.5 吸附-催化燃烧法.71.2.6 水合法.71.3 环氧乙烷处理工艺容器材料.81.3.1 不锈钢.81.3.2 氯化乙烯.81.3.3 聚丙烯.91.3.4 纤维增强塑料.10第2章 进气参数、公用工程及工程目标.122.1 进气参数.122.2 公用工程技术规格.122.3 工程目标.12第3章工程工艺.133.1 工艺流程.133.1.2工艺核心.13工程工艺说明.161吸收.162水解反应.163系统循环及排料.164喷射泵.175排料的中和.17第4章工艺参数优化.184.1 物料衡算.184.1.1 洗涤塔的物料衡算.184.1.2 反应液需在反应罐的停留时间.19第IV页华东理工大学工程硕士学位论文4.2 热量衡算.214.3 物料平衡.224.4 水力计算.314.4.1 喷射泵系统水力计算.324.4.2 洗涤塔系统水力计算.33第5章 主要设备参数优化.355.1 洗涤塔.355.1.1 塔径的计算.355.1.2 填料层高度的计算.355.1.3 填料层压降的计算.365.1.4 填料支撑装置.375.1.5 液体分布器.375.1.6 除雾器.385.2 反应罐.385.3 循环罐.395.4 中和罐.39第6章系统设备.406.1 EO洗涤塔.406.2 反应罐.406.3 喷射泵.406.4 循环罐.406.5 热交换器.416.6 E0洗涤塔的循环泵.416.7 喷射泵的循环泵.416.8 硫酸加药泵.426.9 氢敏化钠加药泵.426.10排料泵.426.11 电加热器.426.12阻火器.426.13 中和罐.436.14搅拌器.43第7章安全技术.447.1 常见的着火原因及火灾防止.447.1.1 制度管理.447.1.2 静电防护.447.1.3 防爆设备.447.1.4 设备传热良好.447.2 消防器材的选用.447.3 爆炸事故的防止.457.3.1 措施.457.3.2 防止超压.457.3.3输送过程.45华东理工大学工程硕士学位论文 第V页7.3.4 维护.457.4防毒和灼伤.45第8章结论.47参考文献.48致谢.50华东理工大学工程硕士学位论文第1页前言环敏乙烷是以乙烯为原料的主要石油化工产品之一.环氧乙烷也是乙烯工业衍生物 中仅次于聚乙烯的第二位的重要化工产品。环氧乙烷可作为重要的有机合成原料.通常 被用来制造乙二醇、合成非离子型表面活性剂、洗涤剂、抗冻剂、乳化剂、杀虫剂、润 滑剂、增塑剂以及用于仓库熏蒸剂。环氧乙烷有两种生产方法，分别是氯醇法以及直接氧化法。其中氯醇法于1925年 由美国联碳公司首先实现工业化生产。直接氧化法也是由美国联碳公司于1938年开发 成功。由于受当时工业技术水平的限制，一直到50年代才开始大规模的工业化生产ML环氧乙烷的化学性质非常活泼，能与许多化合物发生反应。且环氧乙烷易燃，遇高 温、明火有引起燃烧爆炸的危险。环氧乙烷也是一种中等毒类物质，对人体可造成极大 危害。经实验表明，对实验动物有潜在致癌作用。鉴于环氧乙烷的理化性质，工业生产其他产品产生的少量环氧乙烷废气，并不能直 接排入大气。而需要进行废气处理后达到国家相关排放标准后再予以排放。本单位接到AKN公司委托设计并制造一整套装置处理生产其他产品时产生的环氧 乙烷废气。其工艺参数如下：进气量：50Nm3/h；气体温度：-510；压力：LOl ba ra。其中含氮气38Nm3/h即 47.48kg/h,含环氧乙烷12Nn?/h即23.56kg/h.环氧乙烷浓度453017mg/Nm3即 230365ppm.本文在本单位以往工程经验的基础上，查阅了大量资料，并吸取了其他相关单位的 工程经验。本工艺设计采用常压催化水合法，力求使各工艺条件达到理想操作状态，以 期尾气达到排放的相关标准。第2页华东理工大学工程硕士学位论文第1章文献综述1.1 环氧乙烷简介环氧乙烷英文名称Oxira n e,又被称为氧化乙烯，一氧三环，英文别名Eth yl en e Oxi de(EO)N 1,2-Epo xyeth a n e、An pro l en e等。环氧乙烷是最简单的环状酸。分子式是 C2H4。，分子量为44.05。1.1.1 环氧乙烷的物理性质环氧乙烷在常温常压下为无色易燃的气体，低温时是无色易流动的液体。有乙醛的 气味，高浓度时具有刺激性臭味。本身具有温和的麻醉性。表1.1列出了环氧乙烷主要 的物理性质。图1.1为环氧乙烷的可燃区间。表1.1环，乙烷的主要物理性及Table 1.1 Main physical properties of EO物理性质 数据熔点(101.3kPa),-112.5沸点(101.3kPa),10.8临界温度,。C195.8临界密度,kg/n?314临界压力,bar71.94折射率，n7D1.3597空气中爆炸极限 上限100(101.3kPa),%(体积)下限2.6燃烧热(25 C,101.3kPa),kJ/kg29.648液体97.49生成热,kJ/mol蒸汽71.13聚合热,kJ/kg2091溶解热,kJ/kg117.86汽化热,(10.5),kJ/kg580.58比热容,(35),kJ/(kg.K)1.96气相分解热,kJ/kg1901自燃点,K644着火点,K702表面张力(20),mN/m(dyn/cm)243热导率(25),J/(cnLs.K)0.0001239粘度,mPas 00.31华东理工大学工程硕士学位论文第3页空气浓度(%Vo l)图1.1环氧乙烷可燃区间Fig.1.1 Flammable Region of Ethylene Oxide/Nitrogen/Air Mixtures1.1.2 环氧乙烷的化学性质环氧乙烷易溶于水，以及有机溶剂。该物质的化学性质非常活泼，能与许多化合物 起加成反应，能用于还原硝酸银等物质。反应过程中大量的热会被释放出来，部分反应 会进行得非常剧烈，甚至还会产生爆炸。久储会起聚合反应。许多反应产物是重要的精 细化工以及有机化工产品。(1)分解反应环氧乙烷气体会在大约400C时开始分解，主要生成CH,、CO以及C、七、C2H4、C2H6、CH3CHO等。分解反应发生的第一步为环氧乙烷异构成为乙醛。环氧乙烷的分解 反应还可能被引发，而且一定条件下在气相中传播，直到到达爆炸极限瞬时产生爆炸。(2)加成反应环氧乙烷与含有氢原子的化合物，例如HX、H20.HCN、NH3、RN%、R2NH、ROH、RCOOH.RS H等进行加成反应，产生含有羟基的化合物(其中X为卤族元素，R 为芳基或烷基)。(a)与水反应水与环氧乙烷反应生成乙二醇(EG),这也是工业上生成乙二醇的主要方法。C2H4O+H2。f CH2OH-CH2OH本反应为放热反应，放热量为96.3kJ/mo l o反应过程中可不采用催化剂，环氧乙烷 第4页 华东理工大学 工程硕士学位论文可以与生成的乙二醇继续反应生成二甘醇、三甘醇以及多甘醇。(b)与氨反应环氧乙烷可与氨反应生成一乙醇胺、二乙醇胺以及三乙醇胺。这也是工业上制造乙 醇胺的办法。本反应通常情况下是在较低温度、高压和液相下进行的，三种产品的比例 可以通过环氧乙烷与氨的摩尔比例来调节，过量氨有利于生成一乙醇胺。(c)与酸反应环氧乙烷遇无机酸、有机酸可反应生成相对应的酯。硝酸与环氧乙烷反应生成的乙 二醇二硝酸酯是能在低温下引爆的炸药。C2H4O+2HNO3-NO2OCH2CH2ONO2(d)与醇反应醇类与环氧乙烷反应生成酸，该反应的最终产品为至少含有一个羟基的醛。XCH2cH2OH+11C2H4。-X(CH2CH2O)n+i H(其中X是卤素、羟基或氢等)在生成乙二醇的反应中生成部分的二甘醇，三甘醇就是乙二醇进一步与环氧乙烷反 应的产物。如果进一步反应可以生成分子量更大的化合物。(e)与苯酚反应苯酚与环氧乙烷反应生成苯氧基乙醇。CHOH+C2H4O-CJi sOCH2cH20H其对应的酯类是杀菌剂、驱虫剂和香料的定香剂。(3)与双键进行加成反应环氧乙烷与下列含双键的化合物可进行加成反应，生成环状化合物。例如sc=s、R2c=O、RN=CO.02s=O、OS=O 等。(4)异构化反应环氧乙烷在磷酸、磷酸盐、三氧化二铝等催化剂的催化作用下可以异构成为乙醛.C2H4。-*CH3CHO在一定条件下，银催化剂的存在也会使此反应发生，这也是乙烯某化制环氧乙烷过 程的副反应之一，要极力避免。否则醛的存在会使环负乙烷提纯净化的难度增加。(5)氧化还原反应在钠汞齐及催化剂存在的前提下，环氧乙烷加氢还原生成乙醇，此反应因成本等问 题没有实际工业意义.环氧乙烷在伯黑等催化剂存在下可以可控的氧化成为羟基乙酸，进一步氧化最终会被氧化成为水和二氧化破。(6)齐聚反应环氧乙烷可在含氟的路易斯酸的催化作用下进行齐聚反应生成冠醒.该反应可在室 温、常压条件下进行。(7)与格利雅试剂反应环氧乙烷与格利雅试剂反应可生成加长碳链醇。该醇比原来烷基多两个碳原子，羟 华东理工大学 工程硕士学位论文 第5页基位于链的端部。这也是实验室制备加长链醇的办法。(8)与二甲醛反应环氧乙烷在BF3作用下与二甲醛反应，生成聚乙二醇二甲醛。该反应在工业上用来 生产一些低分子量的均聚物，其产品可广泛用为溶剂。1.1.3 环氧乙烷对人体的危害沏环氧乙烷的毒性属于中等毒类。气体可以经过呼吸道被人体吸收，也容易透过衣服、手套等被皮肤所吸收。环氧乙烷的毒性可能是由于在人体内转化成为甲醛或者乙二醇，再进一步氧化成为草酸，从而引起了细胞机能障碍；或者与三甲胺结合形成乙酰胆碱，从而使神经系统功能被干扰。环氧基是直接烷化剂，不需代谢活化就会具有细胞遗传毒 性。实验鼠吸入LC502.63g/n?(4h),人吸入IS Omg/i d就会出现中毒症状，一小时内吸 入450mg/m3,会严重中毒。临床表现为：(1)急性中毒(a)呼吸系统：初期主要表现是呼吸道刺激症状，出现咳嗽、流涕、流泪、气急、胸闷、咽部及眼结膜充血，X光胸片显示肺部纹理加强，临床表现酷似感冒，所以早期 极容易误诊。病情进一步发展后.会出现紫组和呼吸困难，肺部湿啰音，X光胸片表现 为支气管炎或肺炎。严重时也可能出现肺水肿。经血气分析可能有呼吸性酸碱中毒、低 氧血症。国外曾报道过一例铁路危险品搬运工在接触环氧乙烷后引起哮喘发作。另有一 例女性患者长期从事接触环氧乙烷工作，在近十年时间内反复发生阻塞性、吸入性哮喘。(b)神经系统：初期表现为头晕、乏力、搏动性头痛、萎靡不振。随后会出现出汗、全身肌束震颤、步态不稳、手足无力、四肢感觉衰退、跟腱反射减弱甚至消失。严重时 会出现共济失调、言语障碍、谐妄、意识障碍，甚至昏迷不醒。个别病例于意识清醒后 三到四天出现膝反射亢进、中枢性肢体瘫痪、锥体束征阳性、脑电图显示异常，或出现 暂时性的精神失常。(c)循环系统：初期心跳过慢，以后可能出现各种心律失常。心电图可有S T段、T 波改变、QT间期延长，可能会有提示心肌受损。(d)消化系统：常出现恶心、呕吐、腹痛、腹部压迫感或沉重感、腹泻，重症病人 可能会出现肝损害或肝功能障碍。(e)皮肤损害：皮肤直接接触可出现红肿、水泡或渗出，感觉疼痛。反复接触可导 致皮肤过敏反应。环氧乙烷蒸汽会对眼结膜有强烈刺激，高浓度可引起结膜和角膜受损，严重时可发生角膜灼伤.(2)慢性影响(a)神经系统：长期接触可引起神经衰弱综合症和自主神经功能紊乱.据报道，环 氧乙烷消毒工，低浓度长期接触后发生手脚活动不便、共济失调以及震颤等周围神经病 表现。(b)晶体混浊和白内障：根据法国巴黎40年间16家医院对55名从事环氧乙烷消毒 第6页 华东理工大学 工程硕士学位论文工的调查资料表明，接触组与非接触组相比较，前者晶体混浊和白内障发生率有明显上 升。(c)细胞遗传学和血液学影响：Pa rera以某大学医院从事环氧乙烷消毒工为观察组，23名该大学图书馆工作人员为对照组，分别对其外围细胞中姊妹染色单体交换(S CEs)、环氧乙烷血红蛋白加合物(EQHb)、微核(MN)、DNA单链断裂、染色体畸变以及DNA 修复指数等指标进行数年检测。结果发现接触组在TWA接近或低于1.97mg/m3状态下，调整吸烟影响因素后，Eto-Hb和S CE的变化与环氧乙烷接触水平明显相关(P8000hrs/a系统回流比50%120%进气温度-50C 10进气压力（绝压）l.Olbar氮气流量38Nm3/h47.48kg/hE0流量12Nm3/h23.56kg/hEO浓度453017mg/Nm3230365ppm2.2 公用工程技术规格表X2公用工程技术规格Table 2J Technical specification of utility项目压力普通流量最大原水200kg/h220kg/h冷却水23m3/h28m%氮气12Nm3/h15Nm3/h仪表空气8bar0.5Nm3/h2.3 工程目标表23出气Table 23 Outlet gas specification温度35压力（绝压）1.005barEO浓度20ppm（工艺目标）设计误差 r1Ii-I峥：，a心|零用耳现I 号.&的i_y929日甲举IfnH用图3.1工艺流程Fig.3.1 PFD3.1.2工艺核心3.1.2.1 吸收吸收是依据气体混合物的各个组分在选定的液体吸收剂中溶解度的差异或者化学 反应的不同而实现气体组分分离的传质单元操作。依据所需的吸收要求，从技术与经济 相结合的观点选择合适的吸收剂。吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的。吸收剂性能的优劣是决定吸 收操作效果的关键条件之一，选择吸收剂时应着重考虑以下几个方面。1）溶解度吸收剂对溶质组分要有大的溶解度，以提高吸收速率并减少吸收剂的需 用量。2）选择性吸收剂对溶质组分要有良好的吸收能力，而对混合气体中其他组分不吸 收或吸收能力低下，否则无法达到有效分离。3）挥发度操作温度下吸收剂的蒸气压要低，以减少吸收和再生过程中吸收剂的损失。第14页 华东理工大学工程硕士学位论文4)粘度吸收剂在操作温度下的粘度越低，其在塔内的流动性能越好，有利于传质、传热速率的提高。5)其他所选择的吸收剂应尽可能满足无毒、无腐蚀、不易燃易爆、不发泡、冰点 低、廉价易得以及化学性能稳定等要求。本项目根据工艺要求兼顾经济合理性，选用水为吸收剂。3.1.2.2 操作温度与压力的确定1)操作温度的确定由吸收过程的气液平衡关系可知，温度降低有利于吸收，但操 作温度的低限应当由吸收系统的具体情况决定。本系统考虑工艺要求及兼顾经济合理 性，采用循环系统，温度低有利于吸收，需要降低环境温度。当环氧乙烷被吸收后与水 发生水解反应时，温度高有利于反应进行，需要增高环境温度。综合考虑，在反应器上 添加电加热器，将反应罐中温度提升至40。在循环水系统中添加热交换器，将吸收水 温度降至35.2)操作压力的确定由吸收过程的气液平衡关系可知，压力升高有利于吸收。但随 着操作压力的升高，对设备的加工制造要求提高，且能耗增加。结合本项目工艺条件考 虑，确定本系统在常压下进行。3.1.23填料洗涤塔本工艺是处理气体污染物中部分成分，统称为“湿式洗涤塔”。这项工艺基于污染 物的一些特性，例如惯性传播，与吸附剂反应。这是一项非常重要的技术，已被广泛应 用。目前仍有新的标准和应用在不断涌现。洗涤塔用于大气污染物处理时，可供选择的形式及尺寸范围很广.它们主要用于消 除气流中一种或多种气体或微小颗粒。设计原理基于质量传递(扩散)，惯性嵌塞，或静 电吸引力。在传质过程中，气体组分溶入溶液。当气液充分接触融合，两相间浓度梯度 确立，传质过程发生.当气体中含有不利于吸收反应的成分，在气体中的浓度较高，当 这部分气体进入液相时，会使液相浓度降低。在这个扩散过程中，液体中溶质传递过程 可能会发生化学反应 3.1.2.4 填料填料洗涤塔由多层铺设填料的腔室组成。塔填料的选择是填料塔设计中重要的一环，一般要求塔填料具有较大的通量，较低 的压降，较高的传质效率，同时操作弹性大，性能稳定，能够满足物系的腐蚀性、污堵 性、热敏性等特殊要求，填料的强度要高，便于塔的拆装、检修、经济型强。因此填料 应具有较大的比表面积，较高的空隙率，结构要敞开，死角小，液体的再分布性能好，填料的类型、尺寸、材质选择适当。塑料填料的材质包括聚丙烯(PP),聚乙烯(PE),聚偏氟乙烯(PVDF)及聚氯乙烯(PVC)等。塑料填料的耐腐蚀性能较好，可耐一般的无机酸、碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性 能良好，可以长期在100环境下使用.对于水吸收环家乙烷过程，在35,常压条件 下，可以采用塑料填料。华东理工大学 工程硕士学位论文 第15页塔填料的选择这些填料可根据具体情况进行选择，例如拉西环，螺旋环，或贝尔鞍。这些填料为反应提供了更大的接触面积。填料被放置在金属网盒中，这些盒子支撑在洗 涤塔靠近底部的板上。洗涤液均匀的流过这些填料，然后向下流过填料床。流体覆盖了 这些填料，并在填料外围造成了一层薄膜，流体中的污染物会被吸附在这些薄膜上。本系统采用鲍尔环作为填料。鲍尔环的特性参看表3.1及图3.2o表3.1鲍尔环特性Table 3.1 Properties of the pali ring材料PVDF尺寸15mm密度80kg/m3表面积350m2/m3孔隙91%图3.2鲍尔环Fig.3.2 Pall ring3.1.2.5水解反应由于EO的特性，它在环境中是不稳定的。在EO的活动过程中，水解，光分解，挥发，生物降解都有可能发生。化学水解工艺是一种主要的处理工艺。然而，在室温环 境下E0转化成EG通常需要好几周时间。转化过程：当PH值降低时，E0水解反应速率随之增加。同时E0会与EG进行加成聚合反应,生成分子量更高的产物二甘醇，三甘醇，多甘醇。值得注意的是，在酸性条件：pH值 等于12的条件下，反应速率会大大加快。反应过程：第16页 华东理工大学工程硕士学位论文CHj-CH2+父-CH2 H2Q CyH2.-oh2-(HHO-CH2-CH2-0H2.-CH2-CH2+h*I IOH OH3.2工程工艺说明由于进气的工艺参数为进气温度-5C10C,进气压力为Iba ra正压.现将设计温 度定为-5,设计压力LOl ba ra。整个吸收系统的动力由喷射泵提供。基于进气参数和 工程目标，整个工艺流程主要包括两个部分，即吸收和水解反应。为减少废液排放量，本系统采用循环吸收。3.2.1 吸收喷射泵提供动力使进气能以微弱正压通过洗涤塔系统。为优化吸收工艺，在洗涤塔 中设置填料床。填料扩大了反应的接触面积进而促进了反应的发生。在填料床中，为保 证大部分的污染物被吸收。填料的大小，及填料层的厚度需要进行专门设计。废气的流 量以及吸收塔内液体的流量也都需要进行计算，以避免泛液的发生。一般气体的溶解过 程是放热的，且体积减小。所以，降低温度和增大压力对吸收有利。可以通过热交换器 将通过喷头的水温降低至35.喷头使温水均匀的喷淋至填料床。填料层附近设置一个 网型除雾器，避免废气随水雾流失。3.2.2 水合反应喷淋液带着要被吸收的E0进入反应罐，在反应罐中将进行水合反应。由于酸性条 件下，E0水和速率会有显著提升。所以为达到提升效率目的，在反应罐中加入1%浓度 硫酸作为催化剂。另外，反应温度与EO水混合液在反应罐中滞留时间也是水合反应的 两个重要因素。温度增高有利于水解反应。故而需要反应罐需要具备一定条件满足承受 一定温度及具有足够空间。为提供足够液体停留时间，可将反应罐分为5个腔室。EO水的混合液通过反应罐 腔室底部的管道引导。气流通过顶部的分流板上的孔板进行分离。有一股持续流动的氮 气逆向通过腔室，将部分可能从溶液中脱出的EO气体带回到洗涤塔的出口。E0在反 应容器中停留的平均时间约4.5小时.依照工艺参数多于99.5%的E0将被转化，在最 后一个腔室里，EO浓度将小于l ppm循环泵连在最后一个腔室。所以依照EO气相 及溶液液相均压平衡曲线，能保证EO在填料层出口的浓度小于l ppm.为保证反应器内水温一定，需要在第一个腔室里安装一个电加热器。反应罐和填料 洗涤塔需要安装隔热层以减少热损失.323系统循环及排料循环泵连接到最后一个腔室。它将吸收液从反应罐带到填料床的顶部。因为EO水 华东理工大学 工程硕士学位论文 第17页解会形成EG,这个过程可以通过再循环液中设立密度计检测。当循环液密度超过设定 点，排料阀将会自动打开.废水将持续送至中和罐。反应罐中的硫酸浓度通过电导率分 析仪来进行监控。为保证反应罐中液位稳定，将引入淡水。硫酸溶液(37%w/w)将与补 充水流量比例一定进行添加。3.2.4 喷射泵喷射泵不但提供氮气和E0混合气的流动动力，同时提供硫酸溶液(10%)循环动力。任何因液位降低或反常液位增大需要调节液位由液位传感器监控。喷射泵系统预装压力传感器与流量计来监控循环系统，避免流体因为特殊情况而被 打断。3.2.5 排料的中和为满足要求，排料中的硫酸溶液需要被中和。通过加药泵将氢氧化钠溶液(20%w/w)引入中和罐。加药泵通过PH计控制。中和罐的顶部需要安装一台搅拌器使罐内溶液浓 度分布均匀.当pH值达到69的范围且中和罐的液位处于设定值时，排水泵将开始 工作将废水引向乙二醇回收再利用区域。含有乙二醇的废水可作为工厂内其他区域载冷剂使用。第18页华东理工大学工程硕士学位论文第4章 工艺参数优化工艺参数优化包括物料衡算和热量衡算两部分。物料衡算以质量守恒定律为基础，主要计算进料量和出料量，还可计算出物料的组 成，确定物料中各组分在化学反应过程中的定量转化关系，并通过衡算求得进料量的消 耗，确定处理是否达到工程目的。其计算依据是工艺流程图、已采集到的数据以及设计 时要求的和查到的各种参数。热量衡算以能量守恒定律以及物料衡算为基础，计算传入、传出的热量，从而确定 公用工程的消耗以及传热面积。其计算依据与物料衡算相同。4.1 物料衡算4.1.1 洗涤塔的物料衡算废气为环氧乙烷与氮气的混合气体，处理环氧乙烷就需要将其中的环氧乙烷分离出 来。环氧乙烷的分离是通过吸收的操作实现的。环氧乙烷气体的溶解过程是放热的，而 且体积会随之减小。所以增大压力和降低温度对吸收有利。但是温度升高有利于水解反 应的进行，在水解过程中即反应罐中进行反应时需要适当升高温度。本系统考虑经济型 采用循环系统。循环泵将未达设定密度的循环液作为吸收液送至填料床顶部。为优化经 济效益，本设计中，洗涤塔在35和0.105MPa下操作。为提高吸收效率，设计采用逆 流操作。1)液相物性参数对于低浓度的吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由化工工艺设 计手册查得30和40水的有关物理性质：密度 P L3o=995.7 kg/m3 P u o=992.2 kg/m3粘度 Pl3o=0.00082 Pa-S=2.95 kg/(m-h)Uu o=0.00067 Pa-S=2.41 kg/(mh)表面张力。u o=72.6 dyn/cm=94896 kg/h o u o=71.0 dyn/cm=94805 kg/h通过计算获得35时水近似的相关物理性质；密度 p L35=994 kg/m3粘度 UL35=2.68kg/(m-h)表面张力。L35=94851 kg/h2)气相物性参数EO、氮气混合气流量50Nm3/h氮气流量 38Nm3/h 即 47.48kg/hEO 流量 12Nm3/h 即 23.56kg/h混合气体的平均摩尔质量为M=(47.48+23.56)/(47.48/28+23.56/44.05)=31.86g/mo l华东理工大学工程硕士学位论文 第19页混合气体的平均密度为P r=PM.h/RT=101.325 X 31.86/(8314 X 308.15)=1.26 kg/m3混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查化工工艺设计手册得30和40空气 的粘度为：P 空,30=L86X10 Pa-S=0.67 kg/(mh)u 空气钝=1.90X105 Pa-S=0.68 kg/(m-h)经计算获得35时空气的近似粘度为：U sn 35=0.68 kg/(meh)3)物料衡算进塔气相摩尔比：Yb=yb/(l-yb)=0.24/(l-0.24)=0.3158EO吸收率92%EO 排放含量：y.=yb-n yb=0.24-0.92 X 0.24=0.0192出塔气相摩尔比：Y.=y/(l-ya)=0.0192/(l-0.0192)=0.019576进塔惰性气体流量：Gb=38 X 273.15/308.15/22.4=1.504mo l/h由于该吸收过程为低浓度吸收，可将吸收液视作清水，平衡关系可按照以下计算：对于清水作为吸收剂，X.=O由基本有机化学工程可查得70c 时，EEo=3400mmHg：20 时，EEo=5980mmHg由外插法可算得35时环氧乙烷的亨利系数为Eeo=3400+(5980-3400)/(20-7)X(35-7)=8956.92mmHg=l.l 94(LGb)mi n Yb-Ya)/(XbX.)=(Yb-Y.)/(Yl/EEo-X.)=(0.3158-0.019576)/(0.3158/1.194-0)=1.1200取操作液气比为1.6,则(L,/Gb)=l(Ls/Gbl.6 X1.200=1.92L=1.92 X 1.504=2.0237mo l/h对全塔进行物料衡算，GbCYb-Ya IXXb-X.)Xb=Gb/Ls(Yb-Y1)+Xa=l.504 X(0.3158-0.019576)/2.0237+0=0.1543操作线性方程：Y=(Ls/Gb)X+Y(Ls/Gb)XJ=L92X+0.0195764.1.2 反应液需在反应罐的停留时间反应罐的停留时间依据环氧乙烷的降解速率而定，不同温度下环氧乙烷的降解速度 不同，温度越高，降解速率越高。但相应的需要增加系统运行成本。誓1=一心皿dt(4-1)=左。exp-RT(4-2)第20页华东理工大学工程硕士学位论文将4-1进行积分，并取初始值LO,C=Co,得：0=R exp-kEOt(4-3)环氧乙烷初始浓度(co)为0.119mo l o1)10时停留时间由基本有机化学工程可查得，环氧乙烷在10时的降解速率为3.60E-04s”,活化能为53900J/mo L另外可得指前因子ko=3.20E+06。60005500500045004000巨 3500Q-30002500200015001030500 00 2500 5000 7500 10000 12500 15000(s图4.1 10时EO降解速率Fig.4.1 Degradation Rate of EO at 10 二 U COfl_.11一III一 TVVEOconc.2)20时停留时间由基本有机化学工程可查得，环氧乙烷在20时的降解速率为7.87E-04 sL 活化能为53900J/mo L另外可得指前因子ko=3.20E+06。EOconc.图4.2 20P时EO降解速率Fig.4J Degradation Rate of EO at 20 第21页华东理工大学工程硕士学位论文3)35时停留时间由基本有机化学工程可查得，环氧乙烷在35时的降解速率为2.31E-03S”,活化能为53900J/mo L另外可得指前因子ko=3.20E+06。60005500500045004000,3500 g.3000 250020001500100050000U COIlVaL,1.It一IIIIVV2500 5000 7500 10000 12500 15000EO cone.图43 35。(3时EO降解速率Fig.43 Degradation Rate of EO at 35*C4.2 热量衡算热量衡算按照能量守恒定律”在无轴功的条件下，进入系统的热量与离开的热量应 该守恒”，在实际计算中，系统的热量衡算可由下式表示：Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6(4-4)其中：Qi一所处理的物料带入系统总的热量，KJ；Q2一加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量(规定加热剂加入热量为“+”，冷 却剂吸收热量为KJ;Q3过程的热效率，(规定过程放热为“+”，吸热过程为Q4一反应终了时的物料的培，(输出系统的物料的熔)；Qs设备不见所消耗的热量，KJ;Q6一热损失，KJ；式中各项可用以下方法计算：l)Qi和Q4的计算Qi和Q4均可以用以下公式计算：QNmiCiTO(4-5)第22页 华东理工大学 工程硕士学位论文式中：m,反应物体系中组分i的质量，Kg；q组分i在QT七时的平均比热容，KJ/（Kg，C）或KJ/（Kmo b）；T（T2）反应物系反应前后的温度，C。2）Q3的计算Q3作为过程热效率分为化学反应热效应和物理过程热效应，故可以下式表示：Q3=Qr+Qp（4-6）式中：QL化学反应热效应，KJ；Qp一物理过程热效应，KJoQr可通过标准化学反应热勺计算：QKIOOOGa/Ma）qr（4-7）式中：qr-标准化学反应热，KJ/mo l；Ga一参与化学反应的A物质质量，Kg；Ma-A物质分子量。Qr0=Z（qC-Z（qc）p（4-8）4.3 物料平衡表4.1 005工段数Table 4.1 Physical and Safety Data of 005 Part温度-5比热容（气体/总共）1.0315kJ/kgK压力（表压）lOmbar培（气体/总共）-29.863MJ/h压力（绝压）1020.00mbar动力粘度（气体）13.7jAPas大气压lOlO.OOmbar运动粘度（气体）9.7253mm2/s密度（气体/总共）1.4087kg/m3导热系数0.0194W/mK平均分子量（气体/总共）31.865g/mol表42 005工段，体姐分Table 4J Gas Composition of 005 Part成分质量分数（w/w）摩尔分数（v/v）浓度 mg/m3浓度（千）mg/m3浓度 mg/Nm3浓度（干）mg/Nm3摩尔质量 g/mol水蒸汽00000018.015负气66.844459076977145.7977145.7365949854.621949854.62128.013EO33.1555409244846743484