环氧乙烷固定床反应器课程设计.doc

化工与制药学院课程设计说明书课题名称：年产1.5万吨环氧乙烷固定床反映器设计专业班级：2023 级有机与石油化工 1 班 学生学号：学生姓名：陈正飞 学生成绩: 指导教师：杨昌炎设计时间：2023.1.62023.01.20武汉工程大学课程设计任务书系别 化工与制药学院班级有机一班学生 陈正飞一、设计名称年产吨环氧乙烷固定床反映器设计二、任务根据设计条件，通过物料衡算、热量衡算、反映器的选型及尺寸的拟定，计算压降、 催化剂的用量等，设计出符合设计规定的反映器，并画出设备的装配图。三、内容1、概述2、环氧乙烷物化性质3、设计方案4、设计条件5、工艺计算6、设计总结7、参考文献四、计划进度1、发题 2023年1月6日2、第一阶段：2023年1月6日1月12日工艺计算与设备计算3、第二阶段：1月13日1月18日画图、撰写设计报告、答辩4、第三阶段：1月19-日1月20日设计答辩指导老师杨昌炎教研室主任刘生鹏 目录摘 要IAbstractII第一章概述1第二章 环氧乙烷物化性质32.1 物理性质32.2 化学性质43.1 环氧乙烷生产艺73.2 环氧乙烷生产的设计方案83.3.2 工艺参数83.3.3 环氧乙烷生产工艺流程10第四章 工艺计算134.1 设计条件134.1.1 反映原理134.1.2 原料组成144.1.3 反映器设计条件144.2 物料衡算144.3 热量衡算17第五章 反映器的工艺参数优化215.1 催化剂的用量215.2 拟定氧化反映器的基本尺寸255.3 床层压力降的计算265.4 传热面积的核算275.4.1 床层对壁面的给热系数a275.4.2 总传热系数的计算285.4.3 传热面积的核算285.5 反映器塔径的拟定29第六章 设计参数总结31第七章 安全生产33第八章 三废治理与环境保护37第九章 资金核算39第十章 设计体会41摘 要环氧乙烷是乙烯的衍生物，是重要的基本有机化工原料,广泛用于生产乙二醇、农药乳化剂等各种精细化学品。目前较先进的生产方法是用银作催化剂，在列管式固定床反映器中，用纯氧与乙烯反映，采用乙烯直接氧化生产环氧乙烷。本文重要介绍了生产环氧乙烷的原理、工艺设计条件，通过进行物料衡算、热量衡算拟定了反映器的尺寸、传热面积、塔径等参数。同时，关注了安全生产、三废解决等问题并提出了相应的解决措施。关键词 环氧乙烷 乙烯 直接氧化 固定床反映器AbstractEthylene Oxide is the derivative of ethylene, which is the important basic organic chemical raw material. It is widely utilized in producing varied fine chemicals like ethanediol, agricultural pesticide emulsifier, just name two. Advanced method we apply now is the direct oxidation reaction between pure oxide and ethylene with the catalyst of silver in Tube fixed-bed reactor.In this them, we mainly introduce the principle and the condition of process design of producing ethylene oxide. Meanwhile, the parameters such as the volume, transfer area and reactor diameter are determined by calculating the material balance and energy balance. At the end of this thesis, we put safety issue and recycle issue of waste into discussion with proposing some measure to solve those problems.Keywords Ethylene oxide, Ethylene, Racked-bed reactor 第一章 概述乙烯是碳原子数最少的烯烃，由于它具有极其活泼的双键结构，因而其反映能力很 强，且成本低、纯度高、易于加工运用，所以是有机化工中最重要的基本原料。通过乙 烯的聚合、氧化、卤化、烷基化、水合、羰基化、齐聚等反映的实现，可以得到一系列 极有价值的乙烯衍生物，如环氧乙烷、乙二醇、乙醛、醋酸、醋酸乙烯、乙苯、聚乙烯 等，由乙烯出发还可生产溶剂、表面活性剂、增塑剂、合成洗涤剂、农药、医药等。环氧乙烷(Oxirane) 又名氧化乙烯(Ethylene Oxide)，是最简朴的环状醚,分子式 C2 H 4 O ，分子量44.05。 环氧乙烷是以乙烯为原料的重要石油化工产品之一。世界乙烯总产量的16用来生产环氧乙烷，环氧乙烷是乙烯工业衍生物中仅次于聚乙烯的第二位重要化工产品。环氧 乙烷还是重要的石油化工原料及有机和精细化工产品的中间体，重要用来生产乙二醇。随着精细化工的发展，环氧乙烷已成为精细化工工业不可缺少的一种有机化工原料1 环氧乙烷初期采用氯醇法工艺生产，20世纪2023代初，UCC公司进行了工业化生产，之后公司基于Lefort有关银催化剂的研究成果，使用银催化剂，推出空气法乙烯直接氧化生产环氧乙烷工艺。50年代末，Shell公司采用近乎纯氧代替空气作为生产环氧 乙烷的氧原料，推出氧气法乙烯直接氧化生产环氧乙烷工艺，通过不断改善，目前较先 进的生产方法是用银作催化剂，在列管式固定床反映器中，用纯氧与乙烯反映，采用乙烯直接氧化生产环氧乙烷2-5 。 环氧乙烷是石油化学工业的重要产品，也是一种基本有机化工原料，用途很多，广泛用于生产乙二醇、非离子表面活性剂、乙醇胺、乙二醇醚溶剂、医药中间体、油田化学品、农药乳化剂等各种精细化学品。 环氧乙烷的工业化生产已有半个多世纪的历史，最早的工业化生产方法是氯醇法，由于其存在腐蚀设备、污染环境和耗氯量大等一系列问题，现在己基本上被淘汰了， 取而代之的是直接氧化法直接氧化法又分为空气氧化法和氧气氧化法，其重要区别在 于乙烯的氧化剂各不相同。在环氧乙烷的生产发展过程中，生产技术和工艺过程都有不断的改善和革新，到目前为止，世界上几乎所有的环氧乙烷都是用乙烯直接氧化法生产的。直接氧化法中，首 先出现的是空气氧化法，而后氧气氧化法问世，两者并行：近几十年来，许多厂家都采 用氧气氧化法生产环氧乙烷，由于氧气氧化法不需要空气净化系统，并且氧气氧化法的 环氧乙烷收率高于空气氧化法，乙烯单耗较低。由于用纯氧作氧化剂，连系统的 惰性气体大为减少，未反映的乙烯基本上可完全循环使用。本设计采用氧气直接氧化法，对原有的单元设备进行生产能力标定和技术经济评 定。在此基础上，查阅了大量资料，根据设计条件，通过物料衡算、热量衡算、反映器 的选型及尺寸的拟定，计算压降、催化剂的用量等，设计出符合设计规定的反映器。第二章 环氧乙烷物化性质2.1 物理性质常温下环氧乙烷为无色、具有甜醚味的气体。在较低的温度下环氧乙烷成为无色、透明、易流动的液体。易溶于水、醚和醇等有机溶剂。表1-1 环氧乙烷的重要物理性质物理性质数据沸点(101.3kPa)，10.8熔点(101.3l(Pa)，下限112.5临界温度，195.8临界压力，Mpa7.194临界密度，kg/ m3折射率，h 7 D3141.3597空气中爆炸极限(101.3kPa)，(体积)2.6上限100燃烧热(25，101.3kPa)，kJ/kg29.648蒸汽71.13生成热，kJ/mol液体97.49熔解热，kJ/kg117.86聚合热，kJ/kg2091汽化热，(10.5)，kJ/kg580.58比热容(35)，kJ/(kgK)1.96气相分解热，kJ/kg1901着火点，K702自燃点，K644表面张力(20)，mN/m(dyn/cm)24.3热导率(25)，J/(cmsK)0.000123900.3l10 0.28粘度，mPas 2.2 化学性质环氧乙烷的化学性质非常活泼，能与很多化合物进行反映，其反映重要是环氧乙烷 开环与其它化合物进行加成反映，放出大量反映热，有的反映进行得非常剧烈，甚至产 生爆炸。许多反映产物是重要的有机化工及精细化工产品。1)分解反映气体环氧乙烷在约400时开始分解，重要生成CO、CH 4 以及 C2 H 6 、C2 H 4 、H 2 、 C、CH3CHO 等。分解反映的第一步是环氧乙烷异构成乙醛。环氧乙烷的分解反映还可 以被引发，且在一定条件下会在气相中传播，直到瞬时产生爆炸。2)加成反映环氧乙烷与具有活泼氢原子的化合物，如 H 2 O 、HX、 NH3 、 RNH 2 、 R 2 NH 、 RCOOH、ROH、RSH、HCN等进行加成反映，生产含OH的化合物(其中X为卤素，R 为烷基或芳基)。(1)与水反映 环氧乙烷与水反映生成乙二醇，这是工业上生产乙二醇的方法。C2 H 4O + H 2O CH 2OH该反映为放热反映，热效应为96.3kJ/mol。反映过程不采用催化剂。生成的乙二醇 可以与环氧乙烷继续作用生成二甘醇、三甘醇及多甘醇。(2)与醇类反映 环氧乙烷与醇反映生成醚，其反映的最终产品是至少含一个羟基的醚。XCH 2CH 2OH + nC2 H 4O(环氧乙烷） X (CH 2CH 2O)n+1 HX可为卤素、氢、羟基等,在乙二醇生产中生成部分二甘醇，三甘醇就是环氧乙烷进 一步与乙二醇反映的产物。假如进一步反映可以生成分子量更大的化合物。(3)与苯酚反映 环氧乙烷与苯酚反映生成苯氧基乙醇。C2 H 4O + C6 H5OH C6 H5OCH 2CH 2OH其酯类是香料的定香剂、杀菌剂和驱虫剂。(4)与氨反映 环氧乙烷可以与氨反映生成一乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺，这是工业上制造乙醇胺的方法。该反映一般是在高压、较低温度和液相下进行的，三种产品的比例可通过氨 与环氧乙烷的摩尔比例来调节，氨过量有助于一乙醇胺的生成。(5)与酸反映 环氧乙烷可与有机酸、无机酸反映生成相应的酯。环氧乙烷与硝酸反映最为重要，生成的乙二醇二硝酸酯是能在低温下引爆的炸药。C2 H 4O + 2HNO3 NO2 O CH 2CH 2 O NO23)氧化还原反映 在钠汞齐及催化剂存在下环氧乙烷加氢还原生成乙醇，此反映没有工业意义。环氧乙烷在铂黑等催化剂存下可以有控制地氧化成羟基乙酸，最终则被氧化成二氧化碳及 水。4)异构化反映 环氧乙烷在三氧化二铝、磷酸、磷酸盐等催化剂存在下可异构化为乙醛。C2 H 4O CH3CHO在一定的条件下银催化剂也有此功能，这是乙烯氧化制环氧乙烷过程的副反映之 一，要极力避免，由于醛的存在增长了环氧乙烷提存净化的难度。5)与双键进行加成反映环氧乙烷和以下一些含双键的化合物可进行加成反映生成环状化合物，例如R2C=O、SC=S、02S=O、RN=CO、OS=O等。6)与格利雅试剂反映 环氧乙烷与格利雅试剂反映可生成比本来烷基多两个碳原子的醇，这是实验室制备加长碳链醇的一种办法，羟基在链的端部。7)齐聚反映 环氧乙烷进行齐聚反映可生成冠醚，催化剂为含氟的路易斯酸。反映在室温、常压下进行。8)与二甲醚反映在 BF3 作用下环氧乙烷与二甲醚反映生成聚乙二醇二甲醚。该反映在工业上用来生 产低分子量的均聚物，其产品广泛用作溶剂7 。第三章 环氧乙烷生产工艺及设计方案3.1 环氧乙烷生产艺目前，我国工业生产环氧乙烷的方法有氯醇法和直接氧化法两种，直接氧化法又分 为乙烯空气氧化法及乙烯氧气氧化法。(1) 氯醇法 氯醇法环氧乙烷生产分两步进行：氯气与水反映生成次氯酸，再与乙烯反映生成氯乙醇；氯乙醇用石灰乳皂化生成环氧乙烷。 氯醇法生产工艺的严重缺陷大体有：消耗氯气，排放大量污水，导致严重污染；乙烯次氯酸化生产氯乙醇时，同时副产二氧化碳等副产物，在氯乙醇皂化时生产的 环氧乙烷可异构化为乙醛，导致环氧乙烷损失，乙烯单耗高；氯醇法生产的环氧乙烷，醛的含量很高，约为 5000-7000，最低亦有 2500。氯 醇法生产环氧乙烷，由于装置小、产量少、质量差、消耗高，因而成本也高，与大装置 氧化法生产的高质量产品相比失去了市场竞争能力。采用氯醇法生产环氧乙烷的小型石 油化工厂正在受到严重的挑战。(2)直接氧化法 直接氧化法，分为空气法和氧气法两种。这两种氧化方法均采用列管式固定床反映器。反映器是关键性设备，与反映效果密切相关，其反映过程基本相同，都涉及反映、 吸取、汽提和蒸馏精制等工序。空气氧化法：此方法用空气为氧化剂，因此必须有空气净化装置，以防止空气中有 害杂质带入反映器而影响催化剂的活性。空气法的特点是有两台或多台反映器串联，即 主反映器和副反映器，为使主反映器催化剂的活性保持在较高水平(63-75)，通常以低 转化率进行操作，保持在 20-50范围内。氧气氧化法：氧气法不需要空气净化系统，而需要空气分离装置或有其它氧源。由 于用纯氧作氧化剂，连续引入系统的惰性气体大为减少，未反映的乙烯基本上可完全循 环使用。从吸取塔顶出来的气体必须通过脱碳以除去二氧化碳，然后循环返回反映器， 不然二氧化碳浓度超过 15(mol)，将严重影响催化剂的活性。根据环保及成本限制，本设计选用直接空气氧化法。3.2 环氧乙烷生产的设计方案3.2.1 催化剂由于选择性在反映过程中的重要性，所以要选择选择性好的催化剂，银催化剂对乙 烯环氧化反映较好的选择性，强度、热稳定性、寿命符合规定，所以用银催化剂。催化 剂由活性组分银、载体和助催化剂组成。助催化剂重要有碱金属、碱土金属、稀土金属 化合物等。其作用是提高活性、增大稳定性、延长寿命。克制剂的作用是克制非目的产 物的形成，重要有硒、碲、氯、溴等。载体的重要功能是负载、分散活性组分，提高稳 定性。载体的结构（特别是孔结构）对助剂活性的发挥、选择性控制有极大的影响（乙 烯氧化制环氧乙烷的特殊性规定载体比表面积低并且以大孔为主）。3.3.2 工艺参数环氧乙烷生产的工艺参数重要有反映温度、反映压力、空间速度与空管线速度、原料配比和循 环比、克制剂等。（1）反映温度 温度直接影响化学反映速度，在工业生产中，应根据反映过程的具体情况，采用相应措施，使反映温度控制在适宜范围之内，以期获得较高的收率。乙烯直接氧化生产环氧乙烷和其它多数反映 同样，反映速度随温度升高而加快。乙烯直接氧化过程的主、副反映都是强放热反映，且副反映(深 度氧化)放热量是主反映的十几倍，因此，对反映过程的温度控制规定十分严格。当反映温度高时， 一是转化率增长，这意味着乙烯氧化的总速率提高，二是生产环氧乙烷的选择性减少，即更多的乙 烯转化成二氧化碳和水，因此，这时反映热量的急骤增长，不是使更多的乙烯被氧化，而是使反映 过程的选择性减少，副反映增长是更重要的因素。可见，当反映温度升高时，反映热量就会不成比 例的骤然增长，使反映过程失控，所以在生产中，对于氧化操作，一般均设有自动保护装置.乙烯直接氧化反映过程，主反映是体积减少的反映，副反映(深度氧化)是体积不变 的反映。因此，采用加压操作有利。因主、副反映基本上都是不可逆反映，故压力对主、 副反映的平衡没有太大影响。目前，工业生产上采用加压操作不是出于化学平衡的需要，其目的是提高乙烯和氧的分压，加 快反映速率，提高反映器单位容积的产率，以强化生产。但应看到，由于提高反映压力，反映速度 加快，相应就要提高反映器的换热速率，这样对反映器的结构就提出更高的规定。（3）空速 空间速度简称空速，所谓空速是指单位时间内，通过单位体积催化剂的反映物的体积数量。通常用每小时每升(或)催化剂通过的原料气的升(或 m3 )数来表达。对于乙烯直接氧化过程，实践证明， 提高空速，转化率会略有下降，而选择性将有所上升，在一定范围内提高空速可提高设备的生产能 力。但空速也不宜太高，因此虽然产量提高，然而环氧乙烷在反映气体中的含量很低，导致分离困 难，动力消耗增长。空速也不宜太低，因此时虽然转化率增长，但选择性下降，生产能力也下降。 此外，空速大小还要根据催化剂的活性及制造方法、反映温度、压力和反映气体的组成等因素而定。（4）原料配比与循环比原料中乙烯与氧的配比对反映过程影响很大，其值重要决定于原料混合气的爆炸 极限。在混合气体中乙烯的爆炸下限是 2.05，在 2. 056.5的乙烯浓度范围内氧含 量不得大于 71。实际生产中一种是选取低氧高乙烯配比，另一种是高氧低乙烯配比。 从装置的生产能力和经济性来看，低氧高乙烯操作优于高氧低乙烯操作，因此，在也许 的体积下，应尽量采用低氧高乙烯操作。在拟定适宜的配料比时，还应注意到，提高乙 烯含量也许会导致尾气中乙烯损失过多而影响经济指标。当乙烯含量接近 5时，操作 不易控制，反映温度增长不久，易产生飞温。因此，必须根据具体情况，综合考虑各方 面影响因素，来拟定最适宜的配料比。循环比是指循环到主反映器的循环气占主吸取塔顶排出气体总量的百分数。在生产操作中，可 通过对的掌握循环比来严格控制氧含量。在工艺设计中，循环比直接影响主、副反映器生产负荷的 分派。提高循环比，主反映器负荷增长。反之，副反映器负荷增长。生产中，应根据生产能力、动 力消耗及其它工艺指标来拟定适宜的循环比，通常为 8590左右。（5）克制剂 乙烯直接氧化制环氧乙烷是一个平行串联反映过程，在乙烯环氧化过程中，乙烯的定额消耗，并且发生深度氧化的放热量很大，直接影响操作的稳定。生产中除采用优良的催化 剂，控制适宜的转化率及有限移出反映热等措施外，在反映系统中还使用适量的副反映克制剂。工 业上常用的克制剂是 l,2-二氯乙烷。在催化剂的预解决阶段，l,2 一二氯乙烷的用量要多一些，而在 加压循环反映系统中，用量要少一些7。（6）致稳剂选择世界上生产环氧乙烷的专利很多，使用的致稳剂有：氮气、甲烷、二氧化碳、乙烷 等。选择致稳剂需要根据生产安全性、稳定性和经济效益情况来拟定。目前世界上环氧 乙烷专利商都先后将氮气致稳更新为甲烷致稳。它与氮气致稳相比，不仅增长了生产过 程的稳定性和安全性，并且有显著的经济效益。3.3.3 环氧乙烷生产工艺流程环氧乙烷生产装置的重要设备有反映器、吸取塔、反映系统的气-气换热器和循环 气冷却器。本次设计生产能力为年产 1.5万吨环氧乙烷固定床反映器，年工作时间 为 7200 小时/年。本次设计采用氧气氧化法进行环氧乙烷的生产，以氧气作为氧化剂，乙烯在 1MPa、 250下通过装有银催化剂的固定床反映器，直接氧化为环氧乙烷。环氧乙烷的生产系 统分为三部分：反映系统、回收系统和二氧化碳脱除系统。下面逐个进行介绍。1)环氧乙烷的反映系统 反映系统是以一种循环过程来操作的，以乙烯和氧气为原料使用甲烷致稳。从外界贮罐来的乙烯在过滤器中进行过滤，经换热器预热，然后按着一定的路线进入混合器， 与从环氧乙烷吸取塔顶部通过度离器分离出的循环气进行混合，乙烯混合器中的循环气 进入压缩机的吸入口并在氧气混合器之前，由压缩机进行压缩。从外界来的氧气进料通过过滤器之后在流量控制下进入氧气混合器。为了能在进料 之后和开车期间可靠地对氧气混合器进行吹扫，一个高压氮气压缩机及氮气吹扫罐连接 在紧靠氧气混合站上游的氧气进料线上。为控制循环气中的二氧化碳浓度，一股循环气的分支物流被送往二氧化碳脱除工段8 。 从氧气混合器出来的具有乙烯和氧气的循环气，在换热器的管程进行加热后进入反应器。在反映器的壳程用石蜡油来移走反映热，以控制反映温度。具有环氧乙烷的氧化气进入附带的循环气锅炉给水预热器，而后反映器出口全体流经循环器换热器的壳程，与反映器入口气体换热，被进一步冷却下来，之后循环气体进入循环气冷却器进行最后 的冷却。本反映使用一种气相状态的克制剂来控制反映活性，循环气在氧气进料混合器和循 环气热互换器之间分叉转向压入装有液体二氯乙烷的贮罐，使这股循环气中的二氯乙烷 浓度达成饱和，然后在乙烯进料混合器和循环气压缩机之间再次进入反映循环气中。反 应进料不是绝对纯净，有必要依次从分离器下游定期排放惰性组分。2)环氧乙烷的回收系统 从冷却器出来的氧化气进入到环氧乙烷吸取塔底部，使用从环氧乙烷气提塔底部过来的乙二醇水溶液以及从泵过来的工艺水进行吸取，保证吸取液的浓度恒定在 7.5 (wt)，被吸取下来的环氧乙烷按一定的路线进到氧化物-水闪蒸罐进一步闪蒸出惰性气 体，然后经换热器进入环氧乙烷气提塔使环氧乙烷和水进行分离。环氧乙烷蒸汽从塔顶 出来经冷却器进行冷凝后收集在回流罐中，回流罐中的环氧乙烷用泵打出一部分返回到 环氧乙烷气提塔顶部作回流用，另一部分送往排气塔中脱除二氧化碳，塔底用再沸器进 行加热，塔底中不含二氧化碳的环氧乙烷经冷却器冷却后用泵送到环氧乙烷贮罐。环氧乙烷气提塔顶部冷凝器中的不凝气送到惰性气体洗涤塔中，同闪蒸罐中闪蒸出 的惰性气体一起被洗涤后送往尾气压缩机吸入罐中，再进入尾气压缩机中压缩，经二氧 化碳脱除系统进入环氧乙烷反映循环系统。在环氧乙烷吸取塔中未被吸取下来的环氧乙烷以及其它惰性气体经分离器进一步 分离之后送往乙烯混合器中循环使用。3)二氧化碳脱除系统 来自尾气压缩机的一股气流和尾气压缩机出口的气流混合为一股，进入二氧化碳吸收塔的底部，与从塔顶向下流动的吸取剂在填料上充足接触完毕吸取后，进入二氧化碳 水洗塔，通过填料层和除雾器，除掉气流中夹带的微量的钾和矾的化合物微粒，以防止 这些物质带入反映器导致催化剂中毒。这股气流冷却后返回到循环气流中，与其它物流 混合。从二氧化碳吸取塔顶部流下的二氧化碳吸取剂，在与循环气接触完毕二氧化碳的吸 收之后，在二氧化碳吸取塔底部靠压差进入闪蒸罐中，这时的吸取剂被称为富吸取剂， 富吸取剂在闪蒸罐中进行减压闪蒸，闪蒸出来的气体进入尾气压缩机，再吸入罐中，经 尾气压缩机压缩后进入循环系统。闪蒸后的吸取剂流向二氧化碳再生塔的顶部，经再沸器加热后，被吸取的二氧化碳就释放出来，排入大气中。再生后的吸取剂被称为贫吸取 剂，贫吸取剂集聚于再生塔的底部，被分为三股，一股经再沸器加热循环，一股经泵在 过滤器中过滤存货使用，余下的进入贫吸取剂闪蒸罐中再次进行闪蒸后由贫吸取剂泵打回吸取塔中进行下一个循环9 。 水洗塔有两个循环回路来移走气体物流中的微量钾和矾的化合物，用二氧化碳水洗塔下部循环泵把塔底的液体抽出来经一个冷却器送到下部填料段的顶部。用二氧化碳水洗塔上部的循环泵从上部填料段的底部抽出液体，循环到上部填料段的底部，抽出液体 再循环到上部填料段的顶部。两个循环泵系统共用一台公用的备用泵。高压工艺水通过 一流量控制器补充到上部的循环回路中，以便控制水洗塔中钾的浓度。用二氧化碳吸取 剂罐和二氧化碳吸取剂池作为二氧化碳脱除系统运营的必要装置。不管是吸取剂罐还是口出 物 产环氧乙烷浸渍塔水业 工再吸取塔环氧乙烷解析塔机缩 压 环循环氧乙烷洗涤塔接触塔碳化 氧 二再生塔烯乙气氧吸取剂池都使用通入 65 kg / cm2 压力蒸汽的蛇管进行加热，以防止环境温度下结冰上 冻，用贫吸取剂过滤器循环泵和二氧化碳吸取剂池泵在系统和贮存器之间进行吸取剂的 输送。氧化反映器统系 醇 二乙 去乙二醇进料解析塔钾酸 碳图 3-1 银催化氧化乙烯合成环氧乙烷工艺流程第四章 工艺计算工艺参数优化涉及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， 重要计算所需物料量和产品量，还可以算出物料的组成，拟定物料中各组分在化学反映 过程中的定量转化关系，并通过衡算求得原料的定额消耗。其计算依据是工艺流程图、在工厂采集的数据及设计时规定的和查得的各种参数10-12 。 热量衡算以能量守恒定律及物料衡算为基础，计算传入、传出的热量，从而拟定公用工程的能耗以及传热面积。其计算依据与物料衡算相同13 。4.1 设计条件4.1.1 反映原理(1)乙烯和氧气在银催化剂上，于一定温度和压力下，直接氧化生产环氧乙烷，反 应方程式可表为：主反映：C2 H 4 +1O2 C2 H 4O2(4-1)的热量。反映(4-1)为放热反映，在 250时，每生成一摩尔环氧乙烷要放出 25.19KJ(2)在主反映进行的同时，还发生其它副反映，其中重要是乙烯的燃烧反映。副反映：CH 2 = CH 2 + 3O2 2CO2 + 2H 2O(4-2)反映(4-2)为强放热反映，在 250，每反映掉 1mol 乙烯，可放出 315.9KJ 的热量。4.1.2 原料组成表 4-1 原料气的组成组分C2 H 4CO2O2N2含量（mol%)3.47.75.683.34.1.3 反映器设计条件原料进入反映器的温度为 210反映温度为 250反映压力为 1MPa乙烯转化率为 21.0%；选择性为 67.6%；空速为 5000h -1年工作时间 7200 小时，年产量 15000 吨 反映产物分离后回收率为 90% 反映器内催化剂填充高度为管长 95%，每根管长 6 米采用间接换热方式：导出液进口温度 230，出口温度 235,导出液对管壁的给热 系数为 650W/m 2 K催化剂为球体，D=5mm,床层孔隙率为 0.8在 250，1MPa 下反映气体导热系数为 0.0304 W/m2 K ,粘度为 4.2610 -5 PaS,密 度为 7.17 kg / m3 。4.2 物料衡算1)反映部分的工艺参数环氧乙烷生产能力：1.5万吨/年；年操作时间：7200 小时 进入反映器的温度：210；反映温度：250 乙烯转化率：21.0；选择性： 67.6%反映空速：5000 h-1 ；生产过程安全系数：1.04反映产物分离后回收率：90% 原料组成如表 4-1 所示。表 4-1 原料气的组成组分C2 H 4CO2O2N2含量(mol%)3.47.75.683.3各组分的分子量如表 4-2 所示：(均取自石油化工基础数据手册)4表 4-2 各组分的分子量组分C2 H 4CO2O2N2C2 H 4OH 2O分子量28.05444.01031.99928.01344.05418.0152)反映部分的基础计算 (1)以100kmol/h气体进料为基准，根据已知原料气的组成，计算出每小时进入反映器的各种气体组分的摩尔数，计算结果列于表4-3中。(2)根据反映方程式及已知数据，计算反映器出口的气体量。1主反映：CH 2 = CH 2 O2 C2 H 4 O2(4-1)副反映：CH 2 = CH 2 + 3O2 2H 2 O + 2CO 2(4-2)已知乙烯转化率为20，选择性为66，进入反映器的乙烯量为3.4kmol/h 由式(4-1)有消耗乙烯量：3.40.210.676=0.4827kmol消耗氧气量：0.48270.50.2414kmol 生成环氧乙烷量：0.4827 kmol由式(4-2)有消耗乙烯量：3.40.21(1-0.676)=0.2313kmol消耗氧气量：0.23133=0.6939kmol 生成二氧化碳量：0.23132=0.4626kmol 生成水量：0.23132=0.4626kmol可知未反映的乙烯量：3.4-0.4827-0.2313=2.686kmol 未反映的氧气量：5.6-0.2244-0.6936=4.665kmol 出反映器的二氧化碳量：7.7+0.4624=8.1626kmol 出反映器的水量：0+0.4626=0.4626kmol氮气、氩气和甲烷的量在反映过程中不发生变化，所以出口气体中各组分的量如表4-3所示。表4-3 反映器入口和出口的气体量(kmol/h)组分C2 H 4CO2O2N2C2 H 4OH 2O入口3.47.75.683.300出口2.724.6828.162483.30.44880.4624(3)实际装置每小时生产的环氧乙烷可折算为1.5107= 52.54kmol / h7200 44.054 0.90综上所述，气体进料为100kmol/h时，可生产环氧乙烷0.4827kmol/h。若要达成52.54kmol/h的环氧乙烷生产能力，则所需原料量为 35.03 100 = 10884.607kmol / h0.4488为了保证所设计的装置可以达成所规定的生产能力，必须考虑到原料损失等因素， 一般取安全系数为1.04。则实际进料量为1.0410884.60711319.991kmol/h3)原料气与出口气的组成计算根据基准 气体进料 为 100kmol/h 时的计 算结果， 可以折算 出实际进 料量 为10884.607kmol/h时的物料衡算情况。如表4-4所示。表4-4 实际进料时的物料衡算(a) 原料气的物料衡算组分g/molkmol/hkg/hmol%wt%C2 H 428.054384.88010797.4243.43.24O244.010633.91920284.7745.66.08CO231.999871.63938360.8327.711.50N228.0139429.553264150.06883.379.18C2 H4O44.0540000H 2O18.0150000合计11319.991333593.098100100(b) 出口气的物料衡算组分g/molkmol/hkg/hmol%wt%C2 H 428.054303.776203.022.692.593O244.010528.512154.824.685.081CO231.999105.7429157.518.1812.189N228.0139429.4189425.5983.579.185C2 H4O44.05454.21605.770.480.671H 2O18.01551.95671.240.460.281合计11292.7239217.951001004.3 热量衡算反映器的热量衡算参照环氧乙烷与乙二醇生产的环节进行 14-17 。设原料气带入的热量为Q1，反映热为Q2，出口气带出的热量为Q3，换热器互换的热量为Q4。当忽略热损失时，有1)各组分的比热Q1+Q2=Q3+Q4(4-3)(1)由化工热力学5可查得抱负气体的比热计算式PC 0 = A + BT + CT 2 + DT 3(4-4)上式中的各项系数值如表4-5所示。将各项系数代入上式，即可求得原料气中各组 分在任一温度T时的定压比热。表4-5 各组分的定压比热系数值组分AB10C10 5D10 8C2 H 45.7037321.438947-6.7284751.179194O226.00820.1174720.2341060.0561944CO223.056660.56876983.1828150.6387703N229.471700.04765011.2706220.4793994H 2O32.415020.003422141.2851470.4408350C2 H4O7.5911192.22379612.604382.612272p(2)原料气温度为 210,氧化气温度为 250.在此条件下各组分的 C0 值如表 4-6 所示p表4-6 各组分的 C0 值(J/molK)组分C2 H 4O2CO2N2原料气60.831.143.829.6组分C2 H 4O2CO2N2H 2OC2 H4O氧化气64.331.