年产55万吨环氧乙烷工艺设计样本.doc

年产5.5万吨环氧乙烷工艺设计摘 要本文是对年产5.5万吨环氧乙烷合成工段工艺设计。本设计依据环氧乙烷生产工段工艺过程，在生产理论基础上，制订合理可行设计方案。本文关键叙述了环氧乙烷在国民经济中地位和作用、工业生产方法、生产原理、工艺步骤。对关键设备如：混合器、反应器、环氧乙烷吸收塔、二氧化碳吸收系统，等进行物料衡算，对环氧乙烷反应器设备进行热量衡算，并对环氧乙烷反应器进行具体设备计算和校核，确定操作参数、设备类型和材质，使用CAD绘制对应工艺步骤图，最终得出设备参数。关 键 词：环氧乙烷；工艺步骤；反应器；物料衡算。PROCESS DESIGN OF ETHYLENE OXIDE WITH ANNUAL OUTPUT OF 55,000 TONS ABSTRACTThe process of ethylene oxide with annual output of 5,5000 tons was designed in this paper. Based on the actual production process and production theory reasonable design scheme was developed.The status and role of ethylene oxide in the national economy was discussed in this paper. Furthermore, the produce methods, the principle of produce and process were also interpred. Material balance of the main equipments, such as: the mixer, the reactor, the absorb tower of epoxyethane, and the absorb system of carbon dioxide have been calculated. Calculation of energy balance for the epoxyethane reactor were also carried out. Equipment calculations and checking of the reactor were carried on detail. The parameters, types and materials of the equipments were confirmed. Based upon, the high purity epoxyethane rectifier was draw using CAD. Finally, correspond measures for the production process were given.KEY WORDS：epoxyethane；process；reactor；material balance。目 录第1章 引言11.1 环氧乙烷在国民经济中地位和作用11.2 环氧乙烷在国民经济中地位和作用11.2.1 生产技术11.2.2 技术发展动向21.3 环氧乙烷市场需求情况3第2章 工艺概述42.1 环氧乙烷性质42.1.1 EO物理性质42.1.2 EO化学性质42.2 生产方法评述及选择42.2.1 氯醇法52.2.2 直接氧化法52.3 环氧乙烷生产原理52.3.1 氧化反应原理52.3.2 二氧化碳脱除原理62.4 设计方案介绍72.5 生产方法评述及选择11第3章 物料衡算133.1 物性数据133.2 设计依据133.3 循环系统物料衡算133.3.1 计算依据143.3.2 混合器153.3.3 反应器193.3.4 环氧乙烷吸收塔203.3.5 CO2吸收系统23第4章 热量衡算254.1 反应器热量衡算25第5章 设备计算295.1 反应器设备计算295.2 确定氧化反应器基础尺寸295.3 床层压力降计算305.4 传热面积核实305.5 反应器塔径确实定31参考文件34致 谢36第1章 引言1.1 环氧乙烷在国民经济中地位和作用环氧乙烷(简称EO)，又称氧化乙烯，也称恶烷，是一个最简单环醚， 是乙烯工业衍生物中仅次于聚乙烯和聚氯乙烯关键有机化工产品，是最简单最关键环氧化物，在国民经济发展中含有举足轻重地位和作用。从全球来看，环氧乙烷关键用作化学中间体，它关键消费于乙二醇，全球环氧乙烷产量60%全部转变为乙二醇，乙二醇可深入加工成聚酯纤维和树脂。有13%环氧乙烷用于制造其它二醇类（如聚乙二醇、二甘醇和三甘醇等）。环氧乙烷第二大销量是用于洗涤剂产品。其它环氧乙烷衍生产品有乙醇胺、溶剂、乙二醇醚类等。环氧乙烷也用作熏蒸消毒杀虫剂、杀菌剂和医疗器械消毒剂。全球环氧乙烷消费量为1593.4万吨。1998年均消费增加率达成5.6%，估计和又分别以4.6%和3.4%速率递增，即到和全球环氧乙烷需求量将分别达成1995.2万吨和2358.2万吨。中国由氯醇法生产环氧乙烷始于1960年代，因为氯醇法对乙烯质量要求不高，所以采取酒精发生乙烯和渣油裂解混合烯烃生产环氧乙烷在中国石油化工发展早期含有一定意义。伴随大规模引进环氧乙烷装置建成和投产，加上环境保护法规日益严格，中国小规模氯醇法环氧乙烷装置已无生命力，于1993年下六个月淘汰。因经济原因，早期引进空气法环氧乙烷装置大多也改造为氧气法1，2。1.2 环氧乙烷在国民经济中地位和作用1.2.1 生产技术1922年UCC(联碳企业)建成首套氯醇法工业装置。1938年又建成了首套乙烯空气氧化法工业装置。1958年Shell(壳牌企业)建成首套乙烯氧气氧化法工业装置。现在，全球环氧乙烷专利技术大部分为Shell、美国SD(科学设计企业)和UCC三家企业所垄断，这三家企业技术占环氧乙烷总生产能力90%以上。Shell、SD和UCC三家企业乙烯氧化技术水平基础靠近，但技术上各有特色。比如在催化剂方面，尽管载体、物理性能和制备略有差异，但水平比较靠近，选择性均在80%以上；在工艺技术方面全部有反应部分、脱CO2、环氧乙烷回收组成，但抑制剂选择、工艺步骤上略有差异。现在中国环氧乙烷生产厂家均采取乙烯氧气氧化法生产技术，基础为引进技术。1.2.2 技术发展动向多年来，世界上环氧乙烷催化剂、工艺技术等方面有了新进展。在催化剂方面，现在已形成高活性和高选择性两大系列工业化催化剂。高活性催化剂系列产品为S860、S861、S862、S863，含有初始反应温度低(218225)、初始选择性高(81%83%)、活性和选择性下降速率慢等特点，该系列催化剂已应用于中国外20多家采取Shell技术或其它专利技术环氧乙烷生产装置中。高选择性催化剂系列产品为S879、S882，催化剂初始选择性分别为85%和88%。SD和UCC在新催化剂开发方面也取得很多进展，比如近期SD企业开发固载银及含有碱金属、硫、氟和磷族元素(P，Bi，Sb)，固载银及含有碱金属、硫、氟和或锡，固载银及含有碱金属、硫、氟和镧系金属助剂催化剂，突破了以铼和过渡金属作助剂制备环氧乙烷银催化剂传统方法。研制催化剂在反应温度232255时，催化剂环氧乙烷选择性可达81.9%84.6%。UCC企业报道了一系列催化剂研制专利，包含含锂、钠、钾、铷、铯、钡中最少一个阳离子助剂，含硫化物、氟化物阴离子助剂和选自BB族最少一个元素组成降低环氧乙烷完全氧化反应银催化剂。而性能最优异是一个含银载体用硝酸钾和高锰酸钾溶液数次浸渍制备催化剂，这种银催化剂中含钾质量分数1.512mg/g，锰质量分数37.4mg/g，催化剂经21天运行试验后，环氧乙烷选择性可高达96.6%。1.3 环氧乙烷市场需求情况中国最早以传统乙醇为原料经氯醇法生产EO。20世纪70年代中国开始引进以生产聚酯原料乙二醇为目标产物环氧乙烷/乙二醇联产装置，中国EO生产和应用已走上快速发展道路，至今已经引进十余套EO生产装置。中国EO生产能力约为1200kt/a。伴随中国聚酯和表面活性剂等领域迅猛发展，EO远不能满足市场需求，所以有多家企业计划建设规模化EO生产装置，能够估计未来几年中国EO生产能力将展现快速增加势头。其中北京燕山石化于将已经有70kt/a生产能力扩大到250kt/a左右；南京扬巴一体化工程9套关键装置中含有一套240kt/aEO装置，于建成投产；中海壳牌石化已在南海建设一套300kt/a EO生产装置，建成投产；上海石化已新建一套300kt/a EO生产装置，建成投产；另外天津联化、独山子石化等企业均计划在未来几年内建设规模化EO生产装置。到中国EO生产能力将激增至2160kt/a，在未来两年内中国EO生产能力将翻一番，可见中国EO工业市场需求和发展前景之好。第2章 工艺概述2.1 环氧乙烷性质2.1.1 EO物理性质环氧乙烷（简称EO），英文名称epoxyethane，又被称为氧化乙烯，也称恶烷，分子式：C2H4，分子量：44.05，沸点：10.4，熔点：-112.2，蒸汽压：145.91kPa/20。相对密度(水)=1：0.87，相对密度(空气)=1：1.52。在常温下为无色气体，低温时为无色易流动液体，在空气中爆炸限（体积分数）为2.6%100%，它易和水、醇、氨、胺、酚、卤化氢、酸及硫醇进行开环反应有乙醚气味，其蒸气对眼和鼻粘膜有刺激性，有毒。环氧乙烷易自聚，尤其当有铁、酸、碱、醛等杂质或高温下更是如此，自聚时放出大量热，甚至发生爆炸，所以存放环氧乙烷贮槽必需清洁，并保持在0以下。2.1.2 EO化学性质因为环氧乙烷含有含氧三元环结构，性质很活泼，极易发生开环反应，在一定条件下，可和水、醇、氢卤酸、氨及氨化合物等发生加成反应，其中和水发生水合反应生成乙二醇，是制备乙二醇关键方法。当用甲醇、乙醇、丁醇等低级醇和环氧乙烷作用时，分别生成乙二醇甲醚、乙二醇乙醚、乙二醇丁醚。它们兼具醇和醚性质，是优良溶剂，用途很广泛，可溶解纤维酯如硝酸纤维酯、工业上称为溶纤剂。和氢卤酸作用，环氧乙烷和氢卤酸在室温或更低温度下反应，生成卤醇，可用于定量分析环氧乙烷及环氧乙烷型化合物。和氨反应可生成一乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺。环氧乙烷本身还可开环聚合生成聚乙二醇。2.2 生产方法评述及选择环氧乙烷工业生产方法有氯醇法和乙烯直接氧化法。2.2.1 氯醇法氯醇法是早期工业生产方法，分两步完成，首先由氯气和水反应生成次氯酸，次氯酸和乙烯反应生成氯乙醇，然后氯乙醇和氢氧化钙皂化生成环氧乙烷。1922年UCC(联碳企业)建成首套氯醇法工业装置。尽管氯醇法乙烯利用率高，但生产过程中消耗大量氯气，腐蚀设备，污染环境，产品纯度低，现已基础被淘汰。2.2.2 直接氧化法直接氧化法又可分为空气氧化法和氧气氧化法。1931年法国催化剂企业Lefort发觉乙烯在银催化剂作用下能够直接氧化成环氧乙烷，经过深入研究和开发形成乙烯空气直接氧化法制环氧乙烷技术，1937年美国UCC企业首次采取此法建厂生产。1958年Shell(壳牌企业)建成首套乙烯氧气氧化法工业装置，生产成本低，产品纯度可达99.99%。氧气氧化法和空气氧化法相比，工艺步骤稍短，设备较少，建厂投资少；氧化反应中催化剂选择性高，反应温度比空气法低，对催化剂寿命延长和维持生产平稳操作较为有利。通常氧气氧化法生产成本比空气氧化法低10左右。因为氧气氧化法比空气氧化法有显著优越性，所以现在世界上环氧乙烷生产装置普遍采取氧气氧化法。3、4。5本设计数据均参考乙烯直接氧化法。总而言之，本设计采取乙烯直接氧化法。2.3 环氧乙烷生产原理2.3.1 氧化反应原理乙烯氧化过程，按氧化程度可分为选择氧化（部分氧化）和深度氧化（完全氧化）两种情况，乙烯分子中碳碳双键C=C含有突出反应活性，在一定条件下可实现碳碳双键选择性氧化，生成环氧乙烷。但在通常氧化条件下，乙烯分子骨架轻易被破坏，而发生深度氧化生成二氧化碳和水。为使乙烯氧化反应尽可能约束在生成目标产物环氧乙烷方向上，现在工业上乙烯直接氧化生成EO最好催化剂均采取银催化剂。在银催化剂作用下反应方程式以下： (1)另外，乙烯直接氧化还有副产物生成，其中CO2和水最多。试验已证实这些副产物以两条不一样路线生成。首先，乙烯直接氧化生成CO2和水并伴伴随很多寿命极短部分氧化中间产物：C2H4+3O2 2CO2+2H2O 1308.28kJ/mol (2)这一反应用氯化物来加以抑制，该氯化物为催化剂抑制剂即1， 2二氯乙烷（EDC），EO本身有也一定阻止深入氧化能力。 (3) (4)在反应过程中如有碱金属或碱土金属存在时，将催化这一反应。CO2还由EO氧化而得，这时它首先被异构为乙醛，然后很快被氧化为CO2和H2O。反应速度由EO异构化控制。 (5) (6)反应器副产物中除CO2和H2O以外还有微量乙醛和甲醛。它们在精制单元中从EO和EG中分离掉，以上氧化反应均是放热反应。692.3.2 二氧化碳脱除原理本装置采取碳酸盐溶液吸收CO2，以脱除氧化反应副产物CO2，此吸收为化学吸收：K2CO3 + CO2 + H2O2KHCO3 + 26.166kJ/mol(7)应分五步进行：H2O=H+ + OH- (8)K2CO3=CO32- + 2K+ (9) H+ + CO32-=HCO3- (10) K+ + HCO3- =KHCO3 (11) CO2 + OH-=HCO3- (12)速度由第五步控制，在靠近大气压下，用蒸汽汽提富碳酸盐液，将CO2从系统中解析出来，排至大气：KHCO3K2CO3+CO2十H2O (13)2.4 设计方案介绍环氧乙烷（简称EO）是最简单也是最关键环氧化合物，在常温下为气体，沸点10.5。能够和水、醇、醚及大多数有机溶剂以任意比混合。有毒，易自聚，尤其当有铁，酸，碱，醛等杂质或高温下更是如此，自聚时放出大量热，甚至发生爆炸，所以存放环氧乙烷贮槽必需清洁，并保持在0以下。环氧乙烷是以乙烯为原料产品中第三大品种，仅次于聚乙烯和苯乙烯。它用途是制取生产聚酯树脂和聚酯纤维单体、制备表面活性剂，另外还用于制备乙醇胺类、乙二醇醚类等。10 一、反应过程分析：工业上生产环氧乙烷最早采取方法是氯醇法，该法分两步进行，第一步将乙烯和氯通入水中反应生成2-氯乙醇，2-氯乙醇水溶液浓度控制在6%7%（质量）;第二步使2-氯乙醇和Ca(OH)2反应，生成环氧乙烷。该法优点是对乙烯浓度要求不高，反应条件较缓解，其关键缺点是要消耗大量氯气和石灰，反应介质有强腐蚀性，且有大量含氯化钙污水要排放。所以开发了乙烯直接氧化法，替换氯醇法。工业上生产环氧乙烷方法是乙烯直接氧化法，在银催化剂上乙烯用空气或纯氧氧化。乙烯在Ag/Al2O3催化剂存在下直接氧化制取环氧乙烷工艺，可用空气氧化也能够用氧气氧化，氧气氧化法即使安全性不如空气氧化法好，但氧气氧化法选择性很好，乙烯单耗较低，催化剂生产能力较大，故大规模生产采取氧气氧化法。关键反应方程式以下：主反应副反应由乙烯环氧化反应动力学可知，乙烯完全氧化生成二氧化碳和水，该反应是强放热反应，其反应热效应要比乙烯环氧化反应大十多倍。故副反应发生不仅使环氧乙烷选择性降低，而且对反应热效应也有很大影响。选择性下降，热效应就显著增加，如选择性下降移热慢，反应温度就会快速上升，甚至产生飞温。所以反应过程中选择性控制十分关键。1113二、催化剂选择：环氧化法生产环氧乙烷是一个强放热放应，为降低深度氧化副反应，提升选择性，催化剂选择很关键。研究表明，只有在银催化剂催化下乙烯环氧化反应才有较高选择性。工业上使用银催化剂是由活性组分，载体和助催化剂所组成。载体 载体关键功效是分散活性组分和预防银微晶半熔和烧结，使其活性保持稳定。因为乙烯环氧化过程存在平行副反应和连串副反应竞争，又是一强放热反应，故载体表面结构及其导热性能，对反应选择性和催化剂颗粒内部温度分布有显著影响。载体表面积大，活性比表面积大，催化剂活性高但也有利于乙烯完全氧化反应发生，甚至生成环氧乙烷极少。载体如有空隙，因为反应物在细空隙中扩散速度慢，产物环氧乙烷在空隙中浓度比主体浓度高，有利于连串副反应地进行。工业上为了控制反应速度和选择性，均采取低比表面积无孔隙或粗空隙惰性物质作为载体，并要求有很好导热性能和较高热稳定性。工业上常见载体有碳化硅，氧化铝和含有少许氧化硅氧化铝等。助催化剂 所采取助催化剂有碱金属类，碱土金属类和稀土元素化合物等。碱土金属类中，用得最广泛是钡盐。在银催化剂中加入少许钡盐，可增加催化剂抗熔结能力，有利于提升催化剂稳定性，延长其寿命，并可提升活性。据研究两种或两种以上助催化剂起到协同作用，可提升选择性。抑制剂 在银催化剂中加入少许硒碲氯溴等对抑制二氧化碳生成，提升环氧乙烷选择性有很好效果。工业上常在原料气中添加微量有机氯如二氯乙烷，以提升催化剂选择性，调整温度。三、反应器及混合器选择：乙烯环氧化制环氧乙烷是一强放热反应，温度对反应选择性十分敏感，对于这种反应最好采取流化床反应器，但因为细颗粒银催化剂易结块也易磨损，流化质量很快恶化，催化剂效率急速下降，故工业上普遍采取是列管式固定床反应器，管内放催化剂，管间走冷却介质。在配制混合气时，因为纯氧加入到循环气和乙烯混合气中去，必需使氧和循环气快速混合达成安全组成，假如混合不好很可能形成氧浓度局部超出极限浓度，进入热交换器时易引发爆炸危险。为此，混和器设计极为关键，工业上是借多空喷射器对着混和气流下游将氧高速度喷射到循环气和乙烯混合气中，使她们快速进行均匀混合。为了确保安全，需要用自动分析检测仪监视，并配制自动报警连锁切断系统，热交换器安装需要有防爆方法。四、影响原因（反应条件）分析： 反应温度乙烯环氧化过程中存在着平行完全氧化副反应，影响转化率和选择性关键原因是温度。温度过高，反应速度快、转化率高、选择性下降、催化剂活性衰退快、易造成飞温；温度过低，速度慢、生产能力小。所以要控制适宜温度，其和催化剂选择性相关，通常控制适宜温度在200260。 反应压力加压对氧化反应选择性无显著影响，但可提升反应器生产能力且有利于环氧乙烷回收，故采取加压氧化法，但压力高对设备要求高费用增加催化剂易损坏。故采取操作压力为2MPa左右。 空速和温度相比该原因是次要，但空速减小，转化率增高，选择性也要降低，而且空速不仅影响转化率和选择性，也影响催化剂空时收率和单位时间放热量，故必需全方面衡量，现在工业上采取混合气空速通常为4000/h8000/h左右，也有更高。催化剂性能高反应热能立即移出时选择高空速，反之选择低空速。 原料纯度原料其中杂质可能给反应带来不利影响14：使催化剂中毒而活性下降，如乙炔和硫化物使催化剂永久中毒，乙炔和银形成乙炔银受热会发生爆炸性分解；使选择性下降（铁离子）；使反应热效应增大（H2、C3以上烷烃和烯烃）；影响爆炸极限，如氩气是惰性气体但其会使氧爆炸极限浓度降低而且增加爆炸危险性，氢也有一样效应，故原料中杂质含量要严格控制（乙炔5ppm，C3以上烃1ppm，硫化物1ppm，氢气5ppm）。 进入反应器混合气配比因为反应单程转化率较低故采取含有循环乙烯环氧化过程，进入反应器混合气是由循环气和新鲜原料气混合而成，其组成既影响经济效益也关系生产安全。氧含量必需低于爆炸极限浓度，因乙烯浓度影响氧极限浓度而且影响催化剂生产能力，所以其浓度也需控制。乙烯和氧浓度有一适量值（如浓度过高，反应快，放热多，反应器热负荷大，如放热和除热不能平衡，就会造成飞温），假如以氧气作氧化剂，为使反应不致太猛烈仍须加入致稳剂。以氮气作致稳剂时进入反应器乙烯浓度可达15%20%，氧浓度为8%左右。因为反应转化率比较低，为了充足利用原料从吸收塔出来气体须循环。因为循环气中含有杂质和反应副产物，所以需要在循环之前将一部分有害气体排除，即脱除二氧化碳。从吸收塔排出气体，大部分（90%）循环使用，小部分送二氧化碳吸收装置，用碱洗法（热碳酸钾溶液）脱除掉副反应生成二氧化碳。二氧化碳对环氧化反应有抑制作用，但适量提升其含量对反应选择性有好处，且能提升氧爆炸极限，故循环气中许可有一定量二氧化碳，但不宜过多。 乙烯转化率单程转化率控制和氧化剂种类相关，用纯氧作氧化剂时，单程转化率通常控制在12%15%，选择性可达75%84%或更高。用空气作氧化剂时，单程转化率通常控制在30%35%，选择性可达70%左右。单程转化率过高时，因为放热量大，温度升高快，会加紧深度氧化，使环氧乙烷选择性显著降低。因为工业上采取循环步骤，所以单程转化率也不能太低，不然会因循环气量过大而耗能增加。2.5 生产方法评述及选择(一)氧化反应部分 一、工艺步骤草图二、步骤草图说明因为此反应为气固相反应，而且催化剂比较贵，所以选择列管式固定床反应器。反应放出大量热，所以须采取换热介质进行换热，依据反应热效应求得反应温度在180250，所以选择矿物油作为换热介质，采取外部循环式换热。由以上步骤图能够看出，新鲜原料气和循环气混合后，经过热交换器预热一段时间后，从反应器上部进入催化床层。自反应器流出反应混合气中环氧乙烷含量仅为1%2%，经热交换器利用其热量并进行冷却后，进入环氧乙烷吸收塔。因为环氧乙烷能以任何百分比和水混合，故采取水做吸收剂以吸收反应气中环氧乙烷。从吸收塔排出气体，大部分（约90%）循环使用，而一小部分需送入CO2吸收装置，用热碳酸钾溶液脱除掉副反应所生成CO2。送入CO2吸收装置那一小部分气体在二氧化碳吸收塔中和来自再生塔高温贫碳酸氢钾-碳酸钾溶液接触。在二氧化碳作用下转化为碳酸氢钾。自二氧化碳吸收塔塔顶排出气体经冷却，并分离出夹带液体后，返回至循环系统。二氧化碳吸收塔塔釜富碳酸氢钾-碳酸钾溶液经减压入再生塔，经加热，使碳酸氢钾分解为二氧化碳和碳酸钾，CO2自塔顶排出，再生后贫碳酸氢钾-碳酸钾溶液循环回二氧化碳吸收塔。乙烯催化氧化法制环氧乙烷工艺需注意以下两点1、保障安全性对此工艺，因为副反应为强放热反应，温度控制尤为关键，若反应热未立即移走，就会造成温度难于控制，产生飞温现象。因为是氧气做氧化剂，还存在爆炸极限问题，所以反应气体混合至关关键。可借用多孔喷射器对着混合气流下游将氧高速喷射入循环气和乙烯混合气中，使它们快速进行均匀混合。为控制氧气、乙烯浓度在爆炸极限以内，也为使反应不致太猛烈，需采取惰性致稳气，可采取N2或CH4作致稳气。152、保障经济性对化工行业生产工业来说，经济性是应首先考虑关键原因。为满足此要求，应想措施使反应选择性提升，催化剂研究开发决定着反应选择性，故应采取性能良好催化剂，并用二氯化物来抑制副反应发生。还应考虑能量利用率，想措施利用生产步骤中多种位能热量，充足节省资源，降低生产成本。第3章 物料衡算3.1 物性数据表3.1 物性数据表16序号组分分子式分子量常压沸点1氮气N228.0134-195.82氩气Ar39.9480-185.873氧气O231.9988-182.984甲烷CH416.0423-162.155乙烯C2H428.0530-103.716乙烷C2H630.0688-88.67二氧碳CO244.0095-78.458环氧烷C2H4O44.052410.49乙醛CH3CHO44.052420.410水H2O18.015210011乙二醇C2H6O262.0676197.33.2 设计依据1设计任务：年产5.5万吨环氧乙烷2年工作时间：7200小时3高纯EO收率：30%4乙烯单程转化率：10%5EO选择性：80%6二氧化碳选择性：20%7EO吸收率：99.6%8排空气体比率：0.18%9以单位时间小时作为基准3.3 循环系统物料衡算3.3.1 计算依据(1)原料氧气组成（mol%）：: 0.0100: 0.: 99.8000(2)原料乙烯组成（mol%）：: 0.0500: 99.8500: 0.1000(3)原料甲烷组成(mol%)：:2.0000: 96.9000: 0.5000:0.6000(4)环氧乙烷吸收塔吸收液气比：2.00(5)二氧化碳吸收率：18.0%(6)符号说明：进料：F2乙烯进料；F1氧气进料；F3甲烷进料；F混合器物料；反应器物料；排放物料；W排放物产；R循环物料(7)主反应：副反应：C2H4+3O2 2CO2+2H2O 1308.28kJ/mol(8)物料衡算图乙烯催化氧化制取环氧乙烷得物料衡算框图：反应器吸收塔CO2脱除装置CADBSPCSRC水W (Ar)环氧乙烷水溶液SPRPMFFFRCC2H4O2(Ar)N2除TCCO2图3.1 物料衡算图其中：FF 新鲜原料气 MF 原料混合气 RP 反应混合气 SP 混合分离气 RC 循环气 P 产品环氧乙烷 W 排空废气 SPC 未脱除二氧化碳循环气 TC 脱除二氧化碳 SRC 脱除二氧化碳循环气3.3.2 混合器（1）循环气体温度：79.00 压力1.76MPa混合气出料温度：76.00压力1.76MPa进料气体被EO反应产品气体从78加热到152， 而产品气体从202被冷却到138。（2）环氧乙烷吸收塔吸收率（%）：氮气：0.0050氩气：0.0010氧气：0.010甲烷：0.0100乙烯：0.0500乙烷：0.0020二氧化碳：1.3000环氧乙烷：99.6000 水：65.2940乙二醇：100.0000（3）计算过程1）计算新鲜乙烯原料中乙烯量=735.6559 kmol/h新鲜乙烯原料中甲烷量=0.05=0.3684 kmol/h新鲜乙烯原料中乙烷量=0.01=0.7268 kmol/h新鲜乙烯原料量=新鲜乙烯原料中乙烯量+新鲜乙烯原料中甲烷量+新鲜乙烯原料中乙烷量即：F2=520.2138+0.2605+0.5210=736.7611kmol/h设：反应器进料量为MF(kmol/h)；新鲜甲烷原料量为F3；针对混合器列乙烯和甲烷物料衡算方程，得：MF30=MF30(110)(10.0005)(10.0018)+520.2138+F30.5 (1)MF50=MF50(1-0.0001)(1-0.0018)+0.2605+F396.9 (2)由（1）（2）两式联立可得MF=16991.6030F3=44.90332）设:循环气中环氧乙烷量为；反应器中环氧乙烷量为；环氧乙烷摩尔分率为；针对混合器列环氧乙烷物料衡算方程，得：循环气中得环氧乙烷量=反应器中环氧乙烷量；=MF (3)反应器中环氧乙烷量：=+0.180%(1-0.996) (1-0.0018)(4)由以上两式得：解得：=0.00013)设：新鲜氧气原料量为F1（kmol/h）； 针对混合器列氧气物料衡算方程，得：反应器进料中氧气量=新鲜氧气原料中氧气量+循环气中氧气量MFyO2=F1yO2+RyO2循环气中氧气量=反应器中氧气量-反应消耗氧气量-氧气吸收量-氧气排放量RyO2=MFyO2MFyC2H40.10.80.5-MFyC2H40.10.23(1-0.0001)(1-0.0018)即：R8.32=F199.8+MF8.32MF300.10.80.5-MF300.10.23(1-0.0001)(1-0.0018)解得：F1 =693.4110kmol/h4）设：环氧乙烷吸收塔吸收二氧化碳吸收率为；二氧化碳吸收解析塔二氧化碳吸收率为。针对混合器列二氧化碳物料衡算方程，得：反应器中二氧化碳量=新鲜甲烷进料中二氧化碳量+循环气中二氧化碳量：。循环气中二氧化碳量=反应器中二氧化碳量+反应生成二氧化碳量-环氧乙烷吸收塔吸收二氧化碳量-排放量-二氧化碳吸收解析塔二氧化碳量：RyCO2=MFyCO2+MFyC2H40.10.22(1-)(1-0.0018)(1-)即：MFyCO2=F30.6+MFyCO2 +MF300.10.22(1-0.013)(1-0.0018)(1-0.18)解得：=0.05005）设：新鲜乙烯原料量为F2；乙烷吸收率为，针对混合器列乙烷物料衡算方程，得：反应器中乙烷量=新鲜乙烯原料中乙烷量+循环气中乙烷量：循环气中乙烷量=即：解得：=0.01756）设：氮气吸收率为；针对混合器列氮气物料衡算方程，得：反应器中氮气量=新鲜氧气原料中氮气量+新鲜甲烷原料中氮气量+循环气中氮气量：循环气中氮气量=即解得：=0.01187）设：氩气吸收率为；针对混合器列氩气物料衡算方程，得：反应器中氩气量=新鲜氧气原料中氩气量+循环气中氩气量循环气中氩气量=即：解得：=0.03238） 设：水吸收率为；循环气中水摩尔分率为，针对混合器列水物料衡算方程，得：循环气中水量=反应器中水量+反应生成水量=反应器中水摩尔分率：=1-=1-0.5-0.3-0.0832-0.05-0.0168-0.0112-0.0323-0.0001=0.0063又有：F1+F2+F3+R=MF， 即R=MF- F1-F2-F3得：R=16991.60299-509.9414-520.9953-16.3880=21641.4150kmol/h即：得：=0.0067计算结果见表3-2表3.2 混合器物料衡算结果表输入物料输出物料原料氧气原料乙烯原料甲烷循环气温度4030107976压力MPa2.752.552.551.761.76序号组分分子量摩尔流量kmol/h摩尔分率%摩尔流量kmol/h摩尔分率%摩尔流量kmol/h摩尔分率%摩尔流量kmol/h摩尔分率%摩尔流量kmol/h摩尔分率%1N228.01340.03470.00010.89810.0200271.84180.0120272.77460.01182Ar39.94801.35210.0020745.31050.0344746.66260.03233O231.9988692.02420.99801231.26780.05671923.29200.08324CH416.04230.36840.000543.51130.969011514.36550.531811558.24520.50005C2H428.0530735.65590.99850.22450.00506199.05670.28716934.94710.30006C2H630.06880.73680.0010403.80180.0179404.53860.01757CO244.00950.26940.00601155.55510.05331155.82450.05008C2H4O44.05242.31160.00012.31160.00019H2O18.0152117.84910.00671117.89410.0051小计F1=509.94141.0000F2=736.76111.0000F3=44.90331.0000R=21641.4501.000023116.40901.0000累计输入物料总量MF=23116.49043.3.3 反应器（1）反应温度为243，压力为1.60MPa，反应物料由塔顶加入。（2）计算过程（y表示MF中各个组分摩尔分率）1）反应器出口乙烯量=23116.490440.3(1-10)=6241.4524 kmol/h2) 反应器出口环氧乙烷 =