反应工程乙烯空气氧化法制环氧乙烷课程设计(1)(共13页)

1、PAGE 11 PAGE 15 第二章 工艺流程(n y li chn)图及说明2.1 氧化反应(fnyng)部分流程(lichng)草图说明由于此反应为气固相反应，并且催化剂比较贵,所以选择列管式固定床反应器。反应放出大量的热,所以须采用换热介质进行换热，根据反应的热效应求得反应的温度在180-250，因此选择矿物油作为换热介质，采用外部循环式换热。带控制点的氧化(ynghu)流程图第三章 物料(w lio)衡算由设计(shj)任务书已知数据如下：原料气的组成组分含量（mol%)3.47.75.683.3原料进入反应器的温度为210C反应温度为250C 反应压力为1MPa乙烯转化率为26.0

2、%；选择性为65%；空速为5000h-1年工作时间7200小时，年产量20000吨反应产物分离后回收率为90%反应器内催化剂填充高度为管长95%，每根管长3米采用间接换热方式：导出液进口温度230C，出口温度235C,导出液对管壁的给热系数为650W/m2K催化剂为球体，D=3mm,床层孔隙率为0.8在250C，1MPa下反应气体导热系数为0.0304W/m2K,粘度为4.2610-5PaS,密度为7.17Kg/m3反应器吸收塔CO2脱除装置CADBSPCSRC水W P (Ar)环氧乙烷水溶液SPRPMFFFRCC2H4O2(Ar)N2除 TCCO23.1 乙烯催化氧化制取环氧乙烷得物料衡算框

3、图： 其中(qzhng)：FF 新鲜原料气 MF 原料混合气 RP 反应(fnyng)混合气 SP 混合分离气 RC 循环气 P 产品(chnpn)环氧乙烷 W 排空废气 SPC 未脱除二氧化碳的循环气 TC 脱除的二氧化碳 SRC 脱除二氧化碳的循环气 3.2 反应原理 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：主反应： 反应为放热反应，在250C时，每生成一摩尔环氧乙烷要放出2519kcal的热量。（2）在主反应进行的同时，还发生其它副反应，其中主要是乙烯的燃烧反应。副反应： 反应为强放热反应，在250C，每反应一摩尔乙烯，可放出315.9kcal

4、的热量。3.3 反应器的物料(w lio)衡算(1)反应部分的工艺参数环氧乙烷生产能力：2万吨/年； 年操作时间：7200小时进入(jnr)反应器的温度：210；反应(fnyng)温度：250乙烯转化率：26.0； 选择性：65%反应空速：5000;生产过程安全系数：1.05反应产物分离后回收率：90% 原料气的组成及各组分的分子量组分含量（mol%)3.47.75.683.3各组分的分子量如表所示：（均取自石油化工基础数据手册）各组分的分子量组分分子量28.05444.01031.99928.01344.05418.015(2)反应部分的基础计算以100kmol/h气体进料为基准，根据已知原

5、料气的组成，计算出每小时进入反应器的各种气体组分的摩尔数。根据反应方程式及已知数据，计算反应器出口的气体量。 主反应： 副反应： 已知乙烯转化率为26.0，选择性为65，进入反应器的乙烯量为3.4kmol/h，所以由主式有 消耗乙烯量：3.40.260.650.5746kmol 消耗氧气量：0.57460.50.2873kmol 生成环氧乙烷量：0.5746kmol由副式有 消耗乙烯量：3.40.26(1-0.65)=0.3094kmol 消耗(xioho)氧气量：0.30943=0.9282kmol 生成(shn chn)二氧化碳量：0.27372=0.5474kmol 生成(shn chn

6、)水量：0.30342=0.6068kmol则可知 未反应的乙烯量：3.4-0.5746-0.3034=2.522kmol 未反应的氧气量：5.6-0.2873-0.9102=4.425kmol 出反应器的二氧化碳量：7.7+0.6068=8.3068kmol 出反应器的水量：0+0.6068=0.6068kmol 氮气、氩气和甲烷的量在反应过程中不发生变化，所以出口气体中各组分的量如表所示。反应器入口和出口的气体量(kmol/h)组分入口3.47.75.683.300出口2.5228.30684.42583.30.57460.6068(3)实际装置每小时生产的环氧乙烷可折算为 综上所述，气体

7、进料为100kmolh时，可生产环氧乙烷0.5746kmol/h。若要达到560.48kmol/h的环氧乙烷生产能力，则所需原料量为。为了保证所设计的装置能够达到所要求的生产能力，必须考虑到原料损失等因素，一般取安全系数为1.05。则实际进料量为 1.0512192.83kmol/h13412.113kmol/h(4)原料气与氧化气的组成计算 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13412.113kmol/h时的物料衡算情况。如表所示。实际进料时的物料衡算(a)原料气的物料衡算组分kmol/hkg/hmol%wt%456.01212792.9563.43.2

8、4737.6723604.585.55.981019.3244907.197.611.3611199.11313720.7983.579.4200000000合计13412.112395025.52100100（b)氧化(ynghu)气的物料衡算组分kmol/hkg/hmol%wt%307.268619.872.522.42540.1217283.844.434.86101240480.128.3011.3810187.11285239.0883.5580.1869.503061.890.570.8676.811383.730.630.30合计12192.8355768.53100100第四章

9、 热量(rling)衡算4.2 热量(rling)衡算原料气带入的热量Ql原料气的入口温度为483.15 K，以273.15 K为基准温度，则 （4-4）计算结果列于表4-10中。表4-10原料气带入的热量组分Cp（JmolK)61.5230.0342.09231.2600.0561.75144.4760.0773.42529.7380.83324.772合计-1.0030.040由计算结果可知(k zh) 由公式(gngsh)可得=13412.11330.04(483.15-273.15)=8.46107kJ/h 反应热Q2 在操作(cozu)条件下，主副反应的热效应分别为 主反应： 副反应

10、： (以上两式均由环氧乙烷与乙二醇生产查得)。查得主反应放热量为:副反应的放热量为: 总反应热为：氧化气带出的热量Q3氧化气出口温度为523.15 K，以273.15 K为基准温度，则 氧化气带出的热量组分Cp（JmolK)64.8870.02731.77131.5340.04681.47545.5320.04692.13529.9260.834924.98538.3210.00450.17281.0980.00460.373合计-1.0030.912由计算结果可知(k zh) 由公式(gngsh)可得=13412.11330. 912250=1.04108kJ/h 反应器的撤热量(rling

11、)Q4 Q1+Q2=Q3+Q4 可得反应器的撤热量Q4=Q1+Q2Q3(6.891+4.814-8.319)108=4.363107kJ/h第五章 反应器的设计 设计生产能力: 2万吨/年；生产过程安全系数：1.05；年操作时间：7200小时；本设计采用两台反应器并联进行反应。已知：(1)每小时输入的原料气量总为13412.113kmol/h； (2)以银为催化剂，颗粒为球形，d=3mm，空隙率； (3)反应温度为250，操作压力为1MPa，空速为5000h-1； (4)反应器列管规格为323.5mm； (5)反应热用油撤走，导出液进口温度230，导出液出口温度235； (6)原料气进口温度为

12、210，氧化气出口温度为250。由计算可知 代入运用直接迭代法，查化工热力学可知RK方程(fngchng)的直接迭代方程为 h=b/v=B/Z 当Z=1时，h=0.00677代入进行(jnxng)迭代计算迭代(di di)的结果如表Zh10.006771.001360.006761.00136则h=0.00676, Z=1.00136, V=b/h=2.721110-5/0.00676=4.025310-3m3/mol有所以， 由公式得(2)氧化反应器床层截面积A()及高度H(m)的计算 氧化反应器采用四套并联计算公式如下所示（由化工设计手册可查）: 床层高度为 故5.2 确定(qudng)氧

13、化反应器的基本尺寸对于列管式固定床反应器，首先应根据(gnj)传热要求选定选择323.5mm的不锈钢管作为反应(fnyng)器的反应管规格，再求出反应管根数n。反应管内径：di=32-3.52=25mm=0.025m (根据化工原理（上）附表7.2GB8163-87选择) 反应管根数 由公式可得根 经圆整可得，反应管根数为1936根。5.3 床层压力降的计算 由基本有机化学工程(下册)可查得如下计算公式 式中 P床层压力降， , H 催化剂床层高度，m： G 质量流速，kg/m2.s , 气体密度，kg/m3； g重力加速度，m/s2； 固定床空隙率； 催化剂颗粒当量直径/m； 气体粘度，Pa

14、S或(kg/ms)；本次设计所选用的催化剂为d=3mm的球型，计算其直径为 由式得 5.5 反应器塔径的确定(qudng) 查化工工艺设计(shj)手册有 式中D壳体内径(ni jn)，m； t管中心距，m； 横过管中心线的管数； 管束中心线最外层管的中心至壳体内壁的距离 ； 一般取 ,取管子按正三角形排列则 由公式5-19，可得所以，由公式可得本反应器取最小壁厚为20mm，故外径为。经圆整后反应器外径为2240mm。5.6 设备的壁厚计算5.6.1 釜体筒体壁厚计算根据工作条件，P=1MPa为设计内压。 筒体的设计厚度： 20.05mm 式中：d 圆筒设计(shj)厚度，mm ；Di 圆筒内

15、径(ni jn) ，mm ；P 内压设计(shj)压力，MPa ； 焊接接头系数，考虑到夹套的焊接取0.8；C2 腐蚀裕量，取 1 mm ；t材料许用应力：250 = 147 MPa 。考虑到钢板负偏差，初选C1 = 0.8 mm 。 所以，内压计算筒体壁厚：20.05 + 0.8 = 20.85mm，圆整后取21mm.校核筒体及封头水压实验，根据式 式中e=n-C=21-1-0.8=19.2mm PT=1.25P/ t=1.5MPa则 1.5（2240+19.2）/(219.2)=88.25MPa0.9s=0.90.8345=248MPaT，故满足要求。压力试验温度下的材料的许用应力正常工作温度下的材料的许用应力容器的设计压力则筒体外径DN=2240mm根据筒体由化工制图查得封头H=1115mm,壁厚取21mm.塔高：H0=2H+L=3000+21115=5230mm参考文献1毛东森，卢文奎，还氧乙烷(y wn)生产技术的新进展，石油 化工，1999 年第 28 卷，第 7 期，480483 2舒均杰基本(jbn)有机化工工艺学第2版北京：化学工业出版社，20043冯新 宣爱国(i gu).化工热力学.化学工