年产5万吨环氧乙烷工艺设计

1、*科技大学毕业设计论文.PAGE III1*科技大学毕业设计论文 PAGE III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的工艺设计。本设计依据环氧乙烷生产工段的工艺过程，在生产理论的根底上，制定合理可行的设计方案。本文主要阐述了环氧乙烷在国民经济中的地位和作用、工业生产方法、生产原理、工艺流程。对主要设备如：混合器、反响器、环氧乙烷吸收塔、二氧化碳吸收系统，等进展物料衡算，对环氧乙烷反响器设备进展热量衡算，并对环氧乙烷反响器进展详细的设备计算和校核，确定操作参数、设备类型和材质，使用CAD绘制相应的工艺流程图，最后得出设备参数。关 键 词：环氧乙烷；工艺流程

2、；反响器；物料衡算。PROCESS DESIGN OF ETHYLENE O*IDE WITH ANNUAL OUTPUT OF 55,000 TONS ABSTRACTThe process of ethylene o*ide 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 e

3、thylene o*ide 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 mi*er, the reactor, the absorb tower of epo*yethane, and the absorb system of carbon di

4、o*ide have been calculated. Calculation of energy balance for the epo*yethane 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 epo*yethane rectif

5、ier was draw using CAD. Finally, correspond measures for the production process were given.KEY WORDS：epo*yethane；process；reactor；material balance。目 录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc29571 第1章 引言 PAGEREF _Toc29571 1 HYPERLINK l _Toc13591 1.1 MACROBUTTON AcceptAllChangesInDoc MACROBUTTON AcceptAllChanges

6、InDoc 环氧乙烷在国民经济中的地位和作用 PAGEREF _Toc13591 1 HYPERLINK l _Toc17939 1.2 MACROBUTTON AcceptAllChangesInDoc 环氧乙烷在国民经济中的地位和作用 PAGEREF _Toc17939 1 HYPERLINK l _Toc26474 1.2.1 生产技术 PAGEREF _Toc26474 1 HYPERLINK l _Toc17969 1.2.2 技术开展动向 PAGEREF _Toc17969 2 HYPERLINK l _Toc25194 1.3 环氧乙烷的市场需求状况 PAGEREF _Toc25

7、194 3 HYPERLINK l _Toc8518 第2章工艺概述 PAGEREF _Toc8518 4 HYPERLINK l _Toc13429 2.1 环氧乙烷的性质 PAGEREF _Toc13429 4 HYPERLINK l _Toc26942 2.1.1 EO的物理性质 PAGEREF _Toc26942 4 HYPERLINK l _Toc6806 2.1.2 EO的化学性质 PAGEREF _Toc6806 4 HYPERLINK l _Toc21794 2.2 生产方法的评述及选择 PAGEREF _Toc21794 4 HYPERLINK l _Toc16559 2.2

8、.1 氯醇法 PAGEREF _Toc16559 5 HYPERLINK l _Toc22438 2.2.2 直接氧化法 PAGEREF _Toc22438 5 HYPERLINK l _Toc17499 2.3 环氧乙烷的生产原理 PAGEREF _Toc17499 5 HYPERLINK l _Toc28192 2.3.1 氧化反响原理 PAGEREF _Toc28192 5 HYPERLINK l _Toc21269 2.3.2 二氧化碳脱除原理 PAGEREF _Toc21269 6 HYPERLINK l _Toc10136 2.4 设计方案简介 PAGEREF _Toc10136

9、7 HYPERLINK l _Toc24922 2.5 生产方法的评述及选择 PAGEREF _Toc24922 11 HYPERLINK l _Toc2531 第3章 物料衡算 PAGEREF _Toc2531 13 HYPERLINK l _Toc23500 3.1 物性数据 PAGEREF _Toc23500 13 HYPERLINK l _Toc23731 3.2 设计依据 PAGEREF _Toc23731 13 HYPERLINK l _Toc10887 3.3 循环系统的物料衡算 PAGEREF _Toc10887 13 HYPERLINK l _Toc29215 3.3.1 计

10、算依据 PAGEREF _Toc29215 14 HYPERLINK l _Toc24584 3.3.2 混合器 PAGEREF _Toc24584 15 HYPERLINK l _Toc110 3.3.3 反响器 PAGEREF _Toc110 19 HYPERLINK l _Toc30799 3.3.4 环氧乙烷吸收塔 PAGEREF _Toc30799 20 HYPERLINK l _Toc32548 3.3.5 CO2的吸收系统 PAGEREF _Toc32548 23 HYPERLINK l _Toc29228 第4章 热量衡算 PAGEREF _Toc29228 25 HYPERL

11、INK l _Toc18859 4.1 反响器的热量衡算 PAGEREF _Toc18859 25 HYPERLINK l _Toc7126 第5章 设备计算 PAGEREF _Toc7126 29 HYPERLINK l _Toc7181 5.1 反响器设备计算 PAGEREF _Toc7181 29 HYPERLINK l _Toc30003 5.2 确定氧化反响器的根本尺寸 PAGEREF _Toc30003 29 HYPERLINK l _Toc25232 5.3 床层压力降的计算 PAGEREF _Toc25232 30 HYPERLINK l _Toc23939 5.4 传热面积的

12、核算 PAGEREF _Toc23939 30 HYPERLINK l _Toc23355 5.5 反响器塔径确实定 PAGEREF _Toc23355 31 HYPERLINK l _Toc12110 参考文献 PAGEREF _Toc12110 34 HYPERLINK l _Toc16530 致 PAGEREF _Toc16530 36.1.1.1第1章 引言1.1 MACROBUTTON AcceptAllChangesInDoc MACROBUTTON AcceptAllChangesInDoc 环氧乙烷在国民经济中的地位和作用环氧乙烷(简称EO)，又称氧化乙烯，也称恶烷，是一种最简

13、单的环醚， 是乙烯工业衍生物中仅次于聚乙烯和聚氯乙烯的重要有机化工产品，是最简单最重要的环氧化物，在国民经济开展中具有举足轻重的地位和作用。从全球来看，环氧乙烷主要用作化学中间体，它主要消费于乙二醇，全球环氧乙烷产量的60%都转变为乙二醇，乙二醇可进一步加工成聚酯纤维和树脂。有13%的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。环氧乙烷的第二大销量是用于洗涤剂的产品。其它环氧乙烷的衍生产品有乙醇胺、溶剂、乙二醇醚类等。环氧乙烷也用作熏蒸消毒杀虫剂、杀菌剂以及医疗器械的消毒剂。2003年全球环氧乙烷消费量为1593.4万吨。19982003年年均消费增长率到达5.6%，预计20032

14、021年和20212021年又分别以4.6%和3.4%速率递增，即到2021年和2021年全球环氧乙烷需求量将分别到达1995.2万吨和2358.2万吨。我国由氯醇法生产环氧乙烷始于1960年代，由于氯醇法对乙烯质量要求不高，所以采用酒精发生乙烯和渣油裂解混合烯烃生产环氧乙烷在我国石油化工开展初期具有一定意义。随着大规模引进环氧乙烷装置的建成和投产，加上环保法规的日益严格，国小规模的氯醇法环氧乙烷装置已无生命力，于1993年下半年淘汰。因经济原因，早期引进的空气法环氧乙烷装置大多也改造为氧气法1，2。1.2 MACROBUTTON AcceptAllChangesInDoc 环氧乙烷在国民经济

15、中的地位和作用生产技术1922年UCC(联碳公司)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(壳牌公司)建成首套乙烯氧气氧化法工业装置。目前，全球环氧乙烷专利技术大局部为Shell、美国SD(科学设计公司)和UCC三家公司所垄断，这三家公司的技术占环氧乙烷总生产能力的90%以上。Shell、SD和UCC三家公司的乙烯氧化技术水平根本接近，但技术上各有特色。例如在催化剂方面，尽管载体、物理性能和制备略有差异，但水平比较接近，选择性均在80%以上；在工艺技术方面都有反响局部、脱CO2、环氧乙烷回收组成，但抑制剂选择、工艺流程上略有差异。目前国环氧乙烷

16、生产厂家均采用乙烯氧气氧化法生产技术，根本为引进技术。1.2.2 技术开展动向近年来，世界上环氧乙烷催化剂、工艺技术等方面有了新的进展。在催化剂方面，目前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，具有初始反响温度低(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国外20多家采用Shell技术或其他专利技术的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许多进展，例如近期SD公司开发的固载银及

17、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、氟和镧系金属助剂的催化剂，突破了以铼和过渡金属作助剂制备环氧乙烷银催化剂的传统方法。研制的催化剂在反响温度232255时，催化剂的环氧乙烷选择性可达81.9%84.6%。UCC公司报道了一系列催化剂研制专利，包括含锂、钠、钾、铷、铯、钡中至少一种阳离子助剂，含硫化物、氟化物阴离子助剂和选自BB族至少一种元素组成的减少环氧乙烷完全氧化反响的银催化剂。而性能最优异的是一种含银载体用硝酸钾和高锰酸钾溶液屡次浸渍制备的催化剂，这种银催化剂中含钾质量分数1.512mg/g，锰质量分数37.4mg/g

18、，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 环氧乙烷的市场需求状况我国最早以传统的乙醇为原料经氯醇法生产EO。20世纪70年代我国开场引进以生产聚酯原料乙二醇为目的产物的环氧乙烷/乙二醇联产装置，我国EO生产与应用已走上快速开展道路，至今已经引进十余套EO生产装置。2003年我国EO生产能力约为1200kt/a。随着我国聚酯与外表活性剂等领域的迅猛开展，EO远不能满足市场需求，因此有多家企业方案建立规模化EO生产装置，可以预计未来几年我国EO的生产能力将呈现迅速增加的势头。其中燕山石化于2004年将已有的70kt/a的生产能力扩大到250kt/a左右；扬巴一体化工程9套

19、核心装置中含有一套240kt/a的EO装置，于2004年建成投产；中海壳牌石化已在南海建立一套300kt/a EO生产装置，2005年建成投产；石化已新建一套300kt/a EO生产装置，2005年建成投产；另外*联化、独山子石化等企业均方案在未来几年建立规模化的EO生产装置。到2005年我国EO的生产能力将激增至2160kt/a，在未来两年国EO生产能力将翻一番，可见我国EO工业市场需求与开展前景之好。第2章工艺概述2.1 环氧乙烷的性质2.1.1 EO的物理性质环氧乙烷简称EO，英文名称epo*yethane，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

20、，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，在空气中的爆炸限体积分数为2.6%100%，它易与水、醇、氨、胺、酚、卤化氢、酸及硫醇进展开环反响有乙醚的气味，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，因此存放环氧乙烷的贮槽必须清洁，并保持在0以下。2.1.2 EO的化学性质由于环氧乙烷具有含氧三元环构造，性质非常活泼，极易发生开环反响，在一定条件下，可与水、醇、氢卤酸、氨及氨的化合物等发生加成反

21、响，其中与水发生水合反响生成乙二醇，是制备乙二醇的主要方法。当用甲醇、乙醇、丁醇等低级醇与环氧乙烷作用时，分别生成乙二醇甲醚、乙二醇乙醚、乙二醇丁醚。它们兼具醇和醚的性质，是优良的溶剂，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。与氢卤酸作用，环氧乙烷与氢卤酸在室温或更低的温度下反响，生成卤醇，可用于定量分析环氧乙烷及环氧乙烷型化合物。与氨反响可生成一乙醇胺、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 生产方法的评述及选择环氧乙烷的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的工业生产方法，分两步完成，首先由氯气和水反响生成次氯酸，次氯

22、酸与乙烯反响生成氯乙醇，然后氯乙醇与氢氧化钙皂化生成环氧乙烷。1922年UCC(联碳公司)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，现已根本被淘汰。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年法国催化剂公司的Lefort发现乙烯在银催化剂作用下可以直接氧化成环氧乙烷，经过进一步的研究与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公司首次采用此法建厂生产。1958年Shell(壳牌公司)建成首套乙烯氧气氧化法工业装置，生产本钱低，产品纯度可达99.99%。氧气氧化法与空气氧化法相比，工

23、艺流程稍短，设备较少，建厂投资少；氧化反响中催化剂的选择性高，反响温度比空气法低，对催化剂寿命的延长和维持生产的平稳操作较为有利。通常氧气氧化法的生产本钱比空气氧化法低10左右。由于氧气氧化法比空气氧化法有明显的优越性，因此目前世界上的环氧乙烷生产装置普遍采用氧气氧化法。3、4。5本设计数据均参考乙烯直接氧化法。综上所述，本设计采用乙烯直接氧化法。2.3 环氧乙烷的生产原理2.3.1 氧化反响原理乙烯氧化过程，按氧化程度可分为选择氧化局部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具有突出的反响活性，在一定条件下可实现碳碳双键选择性氧化，生成环氧乙烷。但在通常的氧化条件下，乙烯的分

24、子骨架容易被破坏，而发生深度氧化生成二氧化碳和水。为使乙烯氧化反响尽可能的约束在生成目的产物环氧乙烷的方向上，目前工业上乙烯直接氧化生成EO的最正确催化剂均采用银催化剂。在银催化剂作用下的反响方程式如下： (1)另外，乙烯直接氧化还有副产物生成，其中CO2和水最多。实验已证明这些副产物以两条不同的路线生成的。首先，乙烯直接氧化生成CO2和水并伴随着许多寿命极短的局部氧化中间产物：C2H4+3O2 2CO2+2H2O 1308.28kJ/mol (2)这一反响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自身有也一定的阻止进一步氧化的能力。 (3) (4)在反响过程中如

25、有碱金属或碱土金属存在时，将催化这一反响。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。反响速度由EO异构化控制。 (5) (6)反响器副产物中除CO2和H2O以外还有微量的乙醛和甲醛。它们在精制单元中从EO和EG中别离掉，以上氧化反响均是放热反响。692.3.2 二氧化碳脱除原理本装置采用碳酸盐溶液吸收CO2，以脱除氧化反响的副产物CO2，此吸收为化学吸收：K2CO3 + CO2 + H2O2KHCO3 + 26.166kJ/mol(7)应分五步进展：H2O=H+ + OH- (8)K2CO3=CO32- + 2K+ (9) H+ + CO32-=HCO3-

26、 (10) K+ + HCO3- =KHCO3 (11) CO2 + OH-=HCO3- (12)速度由第五步控制，在接近大气压下，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 设计方案简介环氧乙烷简称EO是最简单也是最重要的环氧化合物，在常温下为气体，沸点10.5。可以与水、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，因此存放环氧乙烷的贮槽必须清洁，并保持在0以下。环氧乙烷是以乙烯为原料产品中的第三大品种，仅次于聚乙烯和苯乙烯。它的用途是制取生

27、产聚酯树脂和聚酯纤维的单体、制备外表活性剂，此外还用于制备乙醇胺类、乙二醇醚类等。10 一、反响过程分析：工业上生产环氧乙烷最早采用的方法是氯醇法，该法分两步进展，第一步将乙烯和氯通入水中反响生成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-氯乙醇与Ca(OH)2反响，生成环氧乙烷。该法的优点是对乙烯的浓度要求不高，反响条件较缓和，其主要缺点是要消耗大量氯气和石灰，反响介质有强腐蚀性，且有大量含氯化钙的污水要排放。因此开发了乙烯直接氧化法，取代氯醇法。工业上生产环氧乙烷的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

28、乙烷的工艺，可用空气氧化也可以用氧气氧化，氧气氧化法虽然平安性不如空气氧化法好，但氧气氧化法选择000000003+6性较好，乙烯单耗较低，催化剂的生产能力较大，故大规模生产采用氧气氧化法。主要反响方程式如下：主反响副反响由乙烯环氧化反响的动力学可知，乙烯完全氧化生成二氧化碳和水，该反响是强放热反响，其反响热效应要比乙烯环氧化反响大十多倍。故副反响的发生不仅使环氧乙烷的选择性降低，而且对反映热效应也有很大的影响。选择性下降，热效应就明显增加，如选择性下降移热慢，反响温度就会迅速上升，甚至产生飞温。所以反响过程中选择性的控制十分重要。1113二、催化剂的选择：环氧化法生产环氧乙烷是一个强放热放应

29、，为减少深度氧化的副反响，提高选择性，催化剂的选择非常重要。研究说明，只有在银催化剂催化下乙烯的环氧化反响才有较高的选择性。工业上使用的银催化剂是由活性组分，载体和助催化剂所组成。载体 载体的主要功能是分散活性组分和防止银微晶的半熔和烧结，使其活性保持稳定。由于乙烯环氧化过程存在平行副反响和连串副反响的竞争，又是一强放热反响，故载体的外表构造及其导热性能，对反响的选择性和催化剂颗粒部温度的分布有显著的影响。载体外表积大，活性比外表积大，催化剂活性高但也有利于乙烯完全氧化反响的发生，甚至生成的环氧乙烷很少。载体如有空隙，由于反响物在细空隙中的扩散速度慢，产物环氧乙烷在空隙中浓度比主体浓度高，有利

30、于连串副反响地进展。工业上为了控制反响速度和选择性，均采用低比外表积无孔隙或粗空隙惰性物质作为载体，并要求有较好的导热性能和较高的热稳定性。工业上常用的载体有碳化硅，氧化铝和含有少量氧化硅的氧化铝等。助催化剂 所采用的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，用得最广泛的是钡盐。在银催化剂中参加少量钡盐，可增加催化剂的抗熔结能力，有利于提高催化剂的稳定性，延长其寿命，并可提高活性。据研究两种或两种以上的助催化剂起到协同作用，可提高选择性。抑制剂 在银催化剂中参加少量硒碲氯溴等对抑制二氧化碳的生成，提高环氧乙烷的选择性有较好的效果。工业上常在原料气中添加微量有机氯如二氯乙烷

31、，以提高催化剂的选择性，调节温度。三、反响器及混合器的选择：乙烯环氧化制环氧乙烷是一强放热反响，温度对反响的选择性十分敏感，对于这种反响最好采用流化床反响器，但因为细颗粒的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，故工业上普遍采用的是列管式固定床反响器，管放催化剂，管间走冷却介质。在配制混合气时，由于纯氧参加到循环气和乙烯的混合气中去，必须使氧和循环气迅速混合到达平安组成，如果混合不好很可能形成氧浓度局部超过极限浓度，进入热交换器时易引起爆炸危险。为此，混和器的设计极为重要，工业上是借多空喷射器对着混和气流的下游将氧高速度喷射到循环气和乙烯的混合气中，使他们迅速进展均匀混合

32、。为了确保平安，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措施。四、影响因素反响条件的分析： 反响温度乙烯环氧化过程中存在着平行的完全氧化副反响，影响转化率和选择性的主要因素是温度。温度过高，反响速度快、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，其与催化剂的选择性有关，一般控制的适宜温度在200260。 反响压力加压对氧化反响的选择性无显著影响，但可提高反响器的生产能力且有利于环氧乙烷的回收，故采用加压氧化法，但压力高对设备的要求高费用增加催化剂易损坏。故采用操作压力为2MPa左右。 空速与温度相比该

33、因素是次要的，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，也影响催化剂的空时收率和单位时间的放热量，故必须全面衡量，现在工业上采用的混合气空速一般为4000/h8000/h左右，也有更高的。催化剂性能高反响热能及时移出时选择高空速，反之选择低空速。 原料纯度原料其中的杂质可能给反响带来不利影响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，乙炔和银形成的乙炔银受热会发生爆炸性分解；使选择性下降铁离子；使反响热效应增大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的爆炸极限浓度降低而且增加爆炸的危险性，氢也有同样的效应，故原料中的杂质含量要严格控制乙炔5ppm，C3以上烃1ppm，硫化物1ppm，氢气A需，即实际传热面积大于按传热计算所需的传热面积，所以设计符合要求。5.5 反响器塔径确实定 查得塔经的计算公式20： 5-15式中D壳体径，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壁的距离； 一般取 ， 取管子按正三角形排列如以下图 图5-1 反响器列管排列示意图则横过管中心线的管数为 5-16由公式