年产5万吨环氧乙烷工艺设计

玫霸玫霸河南科技大学毕业设计（论文）作品编号：DG13485201600078972981*创作者*年产5.5万吨环氧乙工艺设计摘

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，在生产理论的基础上，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：环氧乙烷；工艺流程；反应器；物料衡算。

河南科技大学毕业设计（论文）OFETHYLENEOXIDEWITHANNUALABSTRACTTheprocessofoxidewithannualoutputof5,5000designedinthispaper.ontheactualprocessdesignschemedeveloped.Theofoxideinwasdiscussedinthistheproducetheprinciplewerebalanceofsuchas:themixer,reactor,theabsorbtoweroftheabsorbsystemofhavebeenCalculationoffortheepoxyethanereactorwereout.EquipmentofthereactorwerecarriedonTheparameters,materialsoftheequipmentswereupon,purityrectifierdrawusingCAD.Finally,correspondprocessgiven.KEY：epoxyethane；reactorbalance。I

河南科技大学毕业设计（论文）目

录第章引言......................................................................................................4环氧乙烷在国民经济中的地位和作用4§环氧乙烷在国民经济中的地位和作用5§生产技术...............................................................................§技术发展动向5§环氧乙烷的市场需求状况...............................................................6第章工艺概述...............................................................................................8§环氧乙烷的性质..............................................................................§EO的物理性质......................................................................§EO的化学性质......................................................................§生产方法的评述及选择§氯醇法...................................................................................9§直接氧化法...........................................................................§环氧乙烷的生产原理9§氧化反应原理§二氧化碳脱除原理§设计方案简介................................................................................12§生产方法的评述及选择16第章物料衡算19§物性数据§设计依据§循环系统的物料衡算§计算依据.............................................................................20§混合器.................................................................................§反应器.................................................................................§环氧乙烷吸收塔§的吸收系统...................................................................31II

河南科技大学毕业设计（论文）第章热量衡算33§反应器的热量衡算........................................................................33第章设备计算38§反应器设备计算............................................................................38§确定氧化反应器的基本尺寸.........................................................38§床层压力降的计算........................................................................39§传热面积的核算............................................................................40§反应器塔径的确定........................................................................41参考文献..........................................................................................................43致45III

河南科技大学毕业设计（论文）第章引言§1.乙在国民中位用环氧乙烷简称，又称氧化乙烯，也称恶烷，是一种最简单的环醚，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，在国民经济发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

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

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

万吨。19982003年年均消费增长率达到

5.6%，预计20032008年和20082013年又分别以4.6%和3.4%速率递增，即到2008年和年全球环氧乙烷需求量将分别达到我国由氯醇法生产环氧乙烷始于

万吨和2358.2万吨。1960年代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发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，国内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

2]

。4

河南科技大学毕业设计（论文）§2乙国济地位和作§1.2.1

生技术1922年碳公司)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)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部分为Shell、美国科学设计公司)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以上。

Shell和UCC三家公司的乙烯氧化技术水平基本接近，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应部分、脱

CO、环氧乙烷回收组成，但抑制剂选择、工艺流程上略有差异。目前国内环氧乙烷生产厂家均采用乙烯氧气氧化法生产技术，基本为引进技术。§1.2.

技发展动近年来，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

S861有初始反应温度低(218225)始选择性高、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内外20多家采用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初始选择性分别为85%和88%。

、，催化剂和UCC在新催化剂开发方面也取得许多进展，例如近期公司开发的固载银及含有碱金属、硫、氟和磷族元素

，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5

在反应温度

河南科技大学毕业设计（论文）232—时，催化剂的环氧乙烷选择性可达。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ⅢB—B族至少一种元素组成的减少环氧乙烷完全氧化反应的银催化剂。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多次浸渍制备的催化剂，这种银催化剂中含钾质量分数mg/g，锰质量分数mg/g，催化剂经21天运行试验后，环氧乙烷选择性可高达

。§3环氧乙烷的市场状况我国最早以传统的乙醇为原料经氯醇法生产

世纪70年代我国开始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，我国生产与应用已走上快速发展道路，至今已经引进十余套

生产装置。2003年我国生产能力约为1200

。随着我国聚酯与表面活性剂等领域的迅猛发展，能满足市场需求，因此有多家企业计划建设规模化

远不生产装置，可以预计未来几年我国

的生产能力将呈现迅速增加的势头其中北京燕山石化于2004年将已有的70

的生产能力扩大到250左右南京扬巴一体化工程9套核心装置中含有一套

的装置，于2004年建成投产；中海壳牌石化有限公司已在南海建设一套投产；上海石化已新建一套

生产装置，2005年建成kt/aEO生产装置，年建成投产；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的生产装置。到2005年我国的生产能力将激增至

在未来两年内国内EO生产能力将翻一番，见我国EO工业市场需求与发展前景之好。6

河南科技大学毕业设计（论文）7

224河南科技大学毕业设计（论文）第章工艺概述§1环氧乙烷的性质§2.1.1EO的性环氧乙烷（简称英文名称，又被称为氧化乙烯也称恶烷，分子式H子量点℃，熔点：-112.2，蒸汽压：

/20。相对密度()：0.87，相对密度(：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、酸及硫醇进行开环反应有乙醚的气味，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§2.1.2EO的性

0℃以下。由于环氧乙烷具有含氧三元环结构，性质非常活泼，极易发生开环反应，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应，中与水发生水合反应生成乙二醇，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。与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8

河南科技大学毕业设计（论文）可开环聚合生成聚乙二醇。§2生产方评述及选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，首先由氯气和水反应生成次氯酸，次氯酸与乙烯反应生成氯乙醇，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，现已基本被淘汰。§2.2.2

直氧化法直接氧化法又可分为空气氧化法和氧气氧化法。1931法国催化剂公司的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%。氧气氧化法与空气氧化法相比，工艺流程稍短，设备较少，建厂投资少；氧化反应中催化剂的选择性高，反应温度比空气法低，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成本比空气氧化法低

％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。

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。§3环氧乙烷的生产9

2224222242212§2.3.1

河南科技大学毕业设计（论文）氧反应原乙烯氧化过程，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

具有突出的反应活性，在一定条件下可实现碳碳双键选择性氧化，生成环氧乙烷。但在通常的氧化条件下，乙烯的分子骨架容易被破坏，而发生深度氧化生成二氧化碳和水。为使乙烯氧化反应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

的最佳催化剂均采用银催化剂。在银催化剂作用下的反应方程式如下：(1)另外乙烯直接氧化还有副产物生成，其中CO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，乙烯直接氧化生成和水并伴随着许多寿命极短的部分氧化中间产物：CH

2CO+2H

kJ/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，—二氯乙烷（EDCEO自身有也一定的阻止进一步氧化的能力。CCHCHO243(3)H2CH222(4)10

22252222223222522222232322332河南科技大学毕业设计（论文）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。CO还由氧化而得，这时它首先被异构为乙醛，然后很快被氧化为和HO。反应速度由异构化控制。HOCHO23(5)CHO2CO2H322(6)反应器副产物中除醛。它们在精制单元中从

CO和H以外还有微量的乙醛和甲和中分离掉，以上氧化反应均是放热反应。

[6~9]§2.3.2

二化碳脱本装置采用碳酸盐溶液吸收物CO，此吸收为化学吸收：

CO，以脱除氧化反应的副产K++H+

kJ/mol(7)应分五步进行：HO=H++-(8)K=CO

2K

+(9)H

+

3

=HCO

3

-(10)K

+

3

-

3(11)CO+OH

-

=HCO

3

-(12)速度由第五步控制，在接近大气压下，用蒸汽汽提富碳酸11

2322323223河南科技大学毕业设计（论文）盐液，将CO从系统中解析出来，排至大气：KHCOK+CO十HO(13)§4设计方案简介环氧乙烷（简称）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，并保持在下。

0℃以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。它的用途是制取生产聚酯树脂和聚酯纤维的单体、制备表面活性剂，此外还用于制备乙醇胺类、乙二醇醚类等一、反应过程分析：工业上生产环氧乙烷最早采用的方法是氯醇法，该法分两步进行，第一步将乙烯和氯通入水中反应生成

2-氯乙醇，氯乙醇水溶液浓度控制在

7%（质量;第二步使氯乙醇与反应，生成环氧乙烷。该法的优点是对乙烯的浓度要求不高，反应条件较缓和，其主要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αAlO催化剂存在下直接氧化制取环氧乙烷的工艺，可用空气氧化也可以用氧气氧化，氧气氧化法虽然安全性不如空气氧化法好，但氧气氧化法

选

择12

河南科技大学毕业设计（论文）000000000000000000000000000000000000000000000000000000000003+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。主要反应方程式如下：主反应副反应由乙烯环氧化反应的动力学可知，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，反应温度就会迅速上升，甚至产生飞温。所以反应过程中选择性的控制十分重要。

[11~13]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，为减少深度氧化的副反应，提高选择性，催化剂的选择非常重要。研究表明，只有在银催化剂催化下乙烯的环氧化反应才有较高的选择性。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应和连串副反应的竞争，又是一强放热反应，故载体的表面结构及其导热性能，对反应的选择性和催化剂颗粒内部温度的分布有显著的影响。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的发生，甚至生成的环氧乙烷很少。载体如有空隙，由于反应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，均采用低13

河南科技大学毕业设计（论文）比表面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，α－氧化铝和含有少量氧化硅的α－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。在银催化剂中加入少量钡盐，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

在银催化剂中加入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，以提高催化剂的选择性，调节温度。三、反应器及混合器的选择：乙烯环氧化制环氧乙烷是一强放热反应，温度对反应的选择性十分敏感，对于这种反应最好采用流化床反应器，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应器，管内放催化剂，管间走冷却介质。在配制混合气时，由于纯氧加入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达到安全组成，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措施。四、影响因素（反应条件）的分析：⑴反应温度乙烯环氧化过程中存在着平行的完全氧化副反应，影响转化率和选择性的主要因素是温度。温度过高，反应速度快、转14

223河南科技大学毕业设计（论文）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

260℃。⑵反应压力加压对氧化反应的选择性无显著影响，但可提高反应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MPa左右。⑶空速与温度相比该因素是次要的，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

40008000左右，也有更高的。催化剂性能高反应热能及时移出时选择高空速，反之选择低空速。⑷原料纯度原料其中的杂质可能给反应带来不利影响

：①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②使反应热效应增大（H、以上烷烃和烯烃）；③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<5

ppm，

C以上烃

ppm，

硫化物<1

ppm，氢<5ppm⑸进入反应器的混合气配比由于反应的单程转化率较低故采用具有循环的乙烯环氧化过程，进入反应器的混合气是由循环气和新鲜原料气混合而成的，其组成既影响经济效益也关系生产安全。氧的含量必须低于爆炸极限浓度，因乙烯的浓度影响氧的极限浓度而且影响催化剂的生产能力，所以其浓度也需控制。乙烯和氧浓度有一适15

河南科技大学毕业设计（论文）量值（如浓度过高，反应快，放热多，反应器的热负荷大，如放热和除热不能平衡，就会造成飞温），如果以氧气作氧化剂，为使反应不致太剧烈仍须加入致稳剂。以氮气作致稳剂时进入反应器的乙烯浓度可达

氧浓度为左右。由于反应的转化率比较低，为了充分利用原料从吸收塔出来的气体须循环。由于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。从吸收塔排出的气体，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）脱除掉副反应生成的二氧化碳。二氧化碳对环氧化反应有抑制作用，但适量提高其含量对反应的选择性有好处，且能提高氧的爆炸极限，故循环气中允许有一定量二氧化碳，但不宜过多。⑹乙烯转化率单程转化率的控制与氧化剂的种类有关，用纯氧作氧化剂时单程转化率一般控制在

择性可达84%或更高。用空气作氧化剂时，单程转化率一般控制

在30%—，选择性可达70%左右。单程转化率过高时，由于放热量大，温度升高快，会加快深度氧化，使环氧乙烷的选择性明显降低。因为工业上采用循环流程，所以单程转化率也不能太低，否则会因循环气量过大而耗能增加。§5生产方法的评述择()氧化反应部分一、工艺流程草图16

2222河南科技大学毕业设计（论文）二、流程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—，因此选择矿物油作为换热介质，采用外部循环式换热。由以上流程图可以看出，新鲜原料气与循环气混合后，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。自反应器流出的反应混合气中环氧乙烷的含量仅为

1%，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。由于环乙烷能以何比例混合，采用水做吸收剂................................................................................................................................................装置，用热碳酸钾溶液脱除掉副反应所生成的

CO。送入CO

2吸收装置的那一小部分气体在二氧化碳吸收塔中与来自再生塔的高温贫碳酸氢钾-碳钾溶液接触。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的气体经冷却，并分离出夹带的液体后，返回至循环系统。二氧化碳吸收塔塔釜的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，自塔顶排出，再生后的贫碳酸氢-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的工艺需注意以下两点1、保障全性17

2424河南科技大学毕业设计（论文）对此工艺，由于副反应为强放热反应，温度的控制尤为重要，若反应热未及时移走，就会导致温度难于控制，产生飞温现象。由于是氧气做氧化剂，还存在爆炸极限的问题，所以反应气体的混合至关重要。可借用多孔喷射器对着混合气流的下游将氧高速喷射入循环气和乙烯的混合气中，使它们迅速进行均匀混合。为控制氧气、乙烯的浓度在爆炸极限以内，也为使反应不致太剧烈，需采用惰性致稳气，可采用稳气。

N或作致2、保障济性对化工行业的生产工业来说，经济性是应首先考虑的重要因素。为满足此要求，应想办法使反应的选择性提高，催化剂的研究开发决定着反应的选择性，故应采用性能良好的催化剂，并用二氯化物来抑制副反应的发生。还应考虑能量的利用率，想办法利用生产流程中各种位能的热量，充分节约资源，降低生产成本。18

22222243222河南科技大学毕业设计（论文）第章物料衡算§1物性数据表

物性数据表

[16]序号

组分

分子式

分子量

常压沸点℃

氮气

N

2

28.0134

-195.8

氩气

Ar

39.9480

-185.87

氧气

O

2

31.9988

-182.98

甲烷

4

16.0423

-162.15

乙烯乙烷

CHCH

28.053030.0688

-103.71-88.6

二氧碳

CO

2

44.0095

-78.45

环氧烷乙醛水乙二醇

CHOCHOHCHO

44.052444.052418.015262.0676

§2设计依据1．设计务：年产5.5万吨环氧乙烷2．年工时间：7200小时3．高纯EO收率：4．乙烯程转化率：10%5的选择性：80%6．二氧碳的选择性：20%7吸收率：99.6%8．排空体比率：9．以单时间小时作为基准§3循环系统的物料19

21324213242§3.3.1

河南科技大学毕业设计（论文）计依据(1)原料氧气组成（

mol%

N:2

Ar

::99.8000(2)原料乙烯组成（

mol%

4

:

:2

CH:0.10002(3)原料甲烷组成(mol%)：N2CO2

:

CH:(4)环氧乙烷吸收塔收液气比：2.00(5)二氧化碳吸收率(6)符号说明：进料：F—乙烯进料；F—氧气进料；F—甲烷进料；F—混合器物料；MF—反应器物料；RF—排放物料；—排放物ii产R—循环物料(7)主反应：副反应：CH+3O

2CO+2H－

kJ/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：SRC

除D

SPC

CO

2C24O2N2

RCFFA

MF

反应器

RP

20

水吸收塔

SP

C

B

CO脱2W氧乙烷水溶液

河南科技大学毕业设计（论文）其中：FFRC

图物料衡算图新鲜原料气反应混合气循环气

MF

原料混合气混合分离气产品环氧乙烷W

排空废气

未脱除二氧化碳的循环气

脱除的二氧化碳

SRC脱除二氧化碳的循环气§3.3.2

混器）循环气体的温度：79.00℃压力混合气出料温度：压力1.76

进料气体被反应产品气体从℃加热到152，而产品气体从202℃被冷却到138℃。）环氧乙烷吸收塔吸收率（氮气：甲烷：乙烯：

氩气：乙烷：

氧气：二氧化碳：1.3000环氧乙烷：99.6000乙二醇：100.0000）计算过程1）计算鲜乙烯原料中乙烯量

水65.2940

计划任务×10000×1000开工率×44.0524×合成收率

××1000720044.0524×％kmol/h新鲜乙烯原料中甲烷的kmol/h

735.6559％

×0.05％=0.368421

23312331河南科技大学毕业设计（论文）新鲜乙烯原料中乙烷的kmol/h

735.6559％

×0.01％=0.7268新鲜乙烯原料的新鲜乙烯原料中乙烯料中甲烷的量新鲜乙烯原料中乙烷的量

+新鲜乙烯原即F设应器的进料量为MF(kmol/h)鲜甲烷原料量为；针对混合器列乙烯和甲烷的物料衡算方程，得：MF×％=MF×％×(1－10％)×－0.0005)×(1－

3

×

0.5

％(1)MF××50(1-0.0001)×(1-0.0018)+0.2605+F

3×％

(2)由）两式联立可得MF=16991.6030F=44.90332:循环气中环氧乙烷的量为

反应器中的环氧乙烷的量为MF；环氧乙烷的摩尔分率为EO

y

；针对混合器列环氧乙烷的物料衡算方程，得：循环气中得环氧乙烷的量=反应器中的环氧乙烷的量；R

MF=MFyEO

(3)反应器中环氧乙烷的量：=[EO

CH

0.180%](1-0.996)(1-0.0018)(4)由

以

上

两

式

得

：0.1y0.996)C解得：

=0.00013)设：新鲜氧气原料的量为

Fkmol/h针对混合器列22

O1OOO113O1OOO113CO2H河南科技大学毕业设计（论文）氧气的物料衡算方程，得：反应器进料中的氧气量原料中的氧气量循环气中的氧气量

=新鲜氧气MFyy״×y׳

O

循环气中的氧气量反应器中的氧气量-反应消耗的氧气量-氧气的吸收量气的排放量Ry׳yMFy

H

0.80.5-MFy

H

××0.2×3](1-0.0001)×(1-0.0018)即R×8.32=F×99.8×％×××0.5-MF×30％×0.1×0.2××(1-0.0018)解得：F4）设：氧乙烷吸收塔吸收的二氧化碳的吸收率为二氧化碳吸收解析塔二氧化碳的吸收率为。CO

CO

；针对混合器列二氧化碳的物料衡算方程，得：反应器中的二氧化碳的量

=新鲜甲烷进料中的二氧化碳的循环气中的二氧化碳的量：

MF

Fy'。CO循环气中二氧化碳的

=反应器中二氧化碳的量

+反应生成的二氧化碳的量-环氧乙烷吸收塔吸收的二氧化碳量-二氧化碳吸收解析塔二氧化碳的量：

-排放量Ry׳y+MFy

H

0.2(1-)CO×(1-0.0018)×(1-

CO

)即MFy=F×0.6y×300.1×××(1-0.013)×(1-0.0018)×(1-0.18)解得：=0.05005）设：鲜乙烯原料量为

F；乙烷的吸收率为

H

，针对混合器列乙烷的物料衡算方程，得：反应器中的乙烷的新鲜乙烯原料中的乙烷的量+循环气中的乙烷的量：

=MFH循环气中的乙烷的量=

HMFCH

CH

)23

河南科技大学毕业设计（论文）即

：y

H

.2138MFy

H

0.00002)0.0018解得：

C

2

6

=0.01756）设：气的吸收率为；针对混合器列氮气的物料衡算方程，得：反应器中的氮气的量

=新鲜氧气原料中的氮气的

+新鲜甲烷原料中的氮气的量+循环气中的氮气的量：

''

'

循环气中氮气的量=

N

N

(10.0018即MF

N

509.94140.005%16.38800.0018)N解得：N7）设：气的吸收率为；针对混合器列氩气的物料衡算方程，得：反应器中的氩气的量气中的氩气的量

=新鲜氧气原料中的氩气的

+循环MF

Ar

1

Ar

'

Ar循环气中的氩气的量=

MF

(1

)0.0018)即

：MFy

Ar

509.94140.195%y

Ar

0.00001)解得：y=0.0323Ar8）：吸为

O

率为

'

O

，针对混合器列水的物料衡算方程，得：的=量+量

'

HO

24

CO13123CO13123河南科技大学毕业设计（论文）[y

HO

MFy

H

0.10.1982]

HO

(10.0018反应器中水的摩尔分率：

O

=1-

-

CH

-

-y2

-

-

N

-y-Ar

EO3又有：F，即R=MF--F-F得即

：：R

'

H

[MF0.1980.64926)0.0018)得：

'

O

=0.0067计算结果见表3-2表混器物料衡算结果表原料氧气

原料乙烯

输入物料

原料甲烷

循环气

输出物料温度℃压力

40

30

10

79

76序号1

组分N

分子量28.0134

摩尔流量

摩尔分率

摩尔流量

摩尔分率

摩尔流量

摩尔分率

摩尔流量

摩尔分率

摩尔流量

摩尔分率23

ArO

39.948031.9988

1231.2678

1923.2920

4567

CHHH

16.042328.053030.068844.0095

43.5113

11514.36556199.05671155.5551

11558.24526934.94711155.8245

89

HOHO

44.052418.0152

1117.8941

小计

F=509.9414

F=736.7611

F44.9033

R=21641.450

23116.4090

合计

输入物料总量

25

河南科技大学毕业设计（论文）§3.3.3

反器）反应温度为243，压力为1.60，反应物料由塔顶加入。）计算过程（y表示MF中各个组分的摩尔分率）1

）

反

应

器

出

口

的

乙

烯

的

量

C

=23116.49044××(1-10)=6241.45242)反应器出口环氧乙烷

CH

烯的单程转化率的选择性=23116.49044××10％×80％kmol/h3应器出口二氧化碳=MFy

H

×乙烯的单程转化率×二氧化碳的选择性××y

=23116.49044××10％×20％×2+23116.49044×8.32=1430.44854反应器出口水量反应中每生成一摩尔的二氧化碳同时生成一摩尔的水）所以：反

应MF

C

器出烯单氧

口=23116.490440.0063+23116.490440.3％×％×2kmol/h5）反应出口氧气量（混合器中氧气量

-成环氧乙烷消耗的氧气量-生成乙醛消耗氧气量-生成二氧化碳消耗的水量）即：反应器出口水量MFy烯单程转化率氧乙烷选择性OCHy烯单程转化率氧化－=23116.49044××0.3×10％×26

2422426242河南科技大学毕业设计（论文）0.5××10％×3=1233.26486）反应出口氮气，氩气，甲烷，乙烷的量因为在反应器中这些物料没有发生变化，所以其量等于进口的量即：氮气kmol/h

氩

气

kmol/h甲=811558.2452kmol/h

乙

烷

kmol/h计算结果见表3.3。表反器物料衡算结果表输入物料

输出物料温度℃压力

序号组分

分子量

摩尔流量

摩尔质分率流

质量分率

摩尔流量

摩尔分率

质量流量

质量分率kmol/h

%Kg/h

%

kmol/h

%Kg/h

%

N

2

28.01340.01340.01180.0134

Ar

39.94800.032321947.02650.0549

O

2

31.99881923.29200.08320.053629006.97680.0726

4

16.04230.50000.3409

136292.1963

C28.05306934.94710.30000.3577128699.66840.3219C30.06880.01680.01750.0215

CO

2

44.00951155.82450.05000.061946264.01860.1157

CO44.05242.31160.000172.01620.00020.024018036.51760.0451HO18.01520.00480.02910.0139合计

§3.3.4

环乙烷吸）该塔用纯水作为吸收剂，吸收塔的温度为力为。27

℃，压

EOEOH4OOOEOEOH4OOO河南科技大学毕业设计（论文））各组分的吸收率（氮气：甲烷：乙烯：

氩气：乙烷：

氧气：二氧化碳：1.3000环氧乙烷：99.6000

水吸收塔吸收液汽比）计算过程（y表示中的摩尔分率，为吸收率）1）气体各个组分的量a)出口环氧乙烷的量进入吸收塔的环氧乙烷量环氧乙烷的吸收率）×(1－α)×(1-99.6kmol/hb)

出

口

乙

烯

的

量进入吸收塔的乙烯的量烯吸收率×(1－α

H

O

)=6587.7328×kmol/hc)出口的二氧化碳的量进吸收塔的二氧化碳的量氧化碳的吸收率)×－α)×％kmol/hd)

出

口

的

氧

气

的

量进入吸收塔的氧气的量气的吸收率)×(1－α)=1246.5020×％)=1233.1415kmol/h

出

口

的

甲

烷

的

量进入收塔的甲烷的量的收率×－α)28

NNHOHONNHOHO河南科技大学毕业设计（论文）=1245.8015×％kmol/hf)

出

口

的

乙

烷

的

量进入吸收塔的乙烷的量烷吸收率

H

×－α

)

×(1-0.002

％kmol/hg)

出

口

的

氮

气

的

量进入收塔的氮气的量气的吸收率）×(1－α)

×(1-0.005

％kmol/hh)

出

口

的

水

蒸

气

的

量进入吸收塔的水蒸气的量蒸的吸收率）×(1－α)×(1-65.2942)吸收剂的用量采用纯水做吸收剂)吸收塔吸收液汽比L/V=2.0塔内气体的平均流率V=

顶2塔

内

液

体

的

平

均

流

率

吸收剂量吸收剂量吸的量）即：吸收剂的用量=[（进料量塔顶出口气体量）气比-被吸收的量得：吸收剂用量H=[(16787.1940+16159.7909)解:H=42633.28333）富液各个组分的量29

EOOEOOCHN河南科技大学毕业设计（论文）a)环氧乙烷的量=进入吸收塔环氧乙烷量×环氧乙烷的吸收率×α×kmol/hb)乙烯的量=进入吸收塔的乙烯的量的吸收率

H

×αOC

H

O=6587.7328×％=3.1207kmol/h

二

氧

化

碳

的

量入吸收塔的二氧化碳的量氧化碳的吸收率×α

×％=42.9135kmol/hd)氧气的量=进入吸收塔的氧气的量气的吸收率×α

O

×(0.01=0.1233kmol/he)甲烷的量=进入吸收塔的甲烷的量的收率×α

=1245.8015×％=1.1536kmol/hf)乙烷的量=进吸收塔的乙烷的量的吸收率

×αHCH×0.002％=0.0081kmol/hg)氮气的量=进入收塔的氮气的量气吸收率×α

N

×0.005％=0.0136kmol/hh)水蒸气的量=进入吸收塔中吸收的水的量30

-吸收塔出口的

22河南科技大学毕业设计（论文）水的量吸收剂的用量RF

O

kmol/h表3.4环氧乙烷吸收塔物料衡算果表输入物料

输出物料进料气体

进料吸收剂

塔顶出口气体

塔釜出口吸收液温度℃压力MPa

47

35

35序号

组分

摩尔流量

摩尔分率

摩尔流量

摩尔分率

摩尔摩尔摩尔流量流量分率

摩尔分率123456789

NArOCHHHHHO小计

1233.264811558.26486241.45241430.4485

32633.283332633.2833

1233.141511535.13306238.33171411.852722084.4961

42.91350.00090.01270.986243428.51791.0000合计

输入物料总量

65503.6983

输出物料总量

65513.0140§3.3.5CO的系的吸收解吸过程为化学吸收，为使吸收快速进行，将原料气在进行预加热。EO富吸收液经过预热到103℃后进入解吸塔顶部。）二氧化碳的吸收率）计算过程1）被吸的物料的量进料量吸收率二氧化碳的吸收量二氧化碳的进料量氧化碳的吸收率1000.46540.18=180.0838kmol/h注其他组分没有被吸收2)二氧化碳吸收系统中循环物料量

=进料量-吸收的量的=1000.4654-180.0838=820.3816kmol/h31

河南科技大学毕业设计（论文）注：由于其他组分未被吸收，所以循环物料中其他组分的量等于其进料量表二氧化碳吸收系统物料衡算结果表输入物料二氧化碳吸收系统

输出物料吸收二氧化碳量

循环物料料温度℃压力MPa

79摩尔流量

摩尔

摩尔流量

摩尔

摩尔流量

摩尔序号

组分1234567891011

NArOCHHHHCHCHOHOH小计

8191.22864403.79921000.465493.723015564.3110

分率

分率1.0001.000

8191.22864403.799293.723015384.2275

分率合计

15564.311332

122422121224221212341234河南科技大学毕业设计（论文）第章热量衡算§1反应器的热量衡）乙烯以银催化剂氧化制环氧乙烷，主要反应为CCHCHO243

kmol/hCH+3O

2CO+2H）反应热为基准温度(298.15K)下的反应热。度为TT=234(507.15K)；

K

)度为出料温度T(507.15K)；转化率为，选择性为80%，空速为4000/h。要求年产高纯度环氧乙烷进行反应器的热量衡算。

5.5万吨，采用氧气直接氧化法设原料气带入的热量为

，氧化气带出的热量为

，反应热为，反应器的散热量为。当忽略热损失时，有+Q=Q(1)各组分的比热①查得理想气体的比热计算式

[17

P

ABTCT

上式中的各项系数值如表

所示。33

河南科技大学毕业设计（论文）表各分的定压比热系数值组分

A

B×10

D×10CH2

4

1.43894

－

O

2

26.0082

－

－

2

23.0566

－

N

2

29.4717

－0.0476

－HO4

32.4150－

－12.6044

－②原料气温度为150

℃

，氧化气温度为234

℃

.在此条件下各组分的

0

值如表4-7，4-8所示表原料气各组分的Cp0

值(K))组分原料气

CH2460.8000

O231.1000

243.8000

N229.6000表氧气各组分的Cp

值(J/mol·K)组分氧化气

CH2464.3000

O231.4000

245.0000

N229.8000

HO35.5000

H2478.0000可查得真实气体与理想气体的比热之间关系的计算式Cp

0p

p

0p

0p

1p）而Cp和Cp与Tr的关系可查出。原料气的温度为150+273.15423.15K，压力P为1MPa氧化气的温度为234+273.15507.15K，压力P为。查表计算，各项计算结果如表

4-94-10所示表原料气中各组分定压比热的压力校正数组分/K/MPaTrPr

CH24

O2

2

N2C

/

34

22河南科技大学毕业设计（论文）CC

//J

61.523031.2600注：比热的单位J/mol·K

44.4760

29.7380表4-10氧气中各组分定压比热的压校正参数组分TTrPrCC

CH2464.8870

O20.0084031.5340

2

N2

HO38.3210

H2481.0980热量衡算①原料气带入的热量Q

l原料气的入口温度为423.15K以K为基准温度，则C(T)(kJ/h)1ipi入基i）计算结果列于表4-11中表4-11原气带入的热量组分

Cp（／·K)

X

i

ni

piCH24O22N2合计

61.523031.260044.476029.7380-

24.772030.0400由计算结果可知Ct1nipi入）由公式

可得Q

=23116.4904

×××107kJ/h②反应热在操作条件下，主副反应的热效应分别为35

2121234河南科技大学毕业设计（论文）主

反

应：

1HOCH2424-5）副

反

应：

CO2H315.9kJ/mol24224-6）则主反应的放的热量为：Q409.4625.19

4.1886

副反应的放热量为:409.460.3422

4.18863.6842

7

kJ/h总

反

应

热

为：Q(5.702736.8416)22122

6

7

kJ/h③氧化气带出的热量Q

3氧化气出口温度为K，以273.15K为基准温度，则CT)(kJ/h)1ipi出基i4-6）计算结果列于表4-12中表氧气带出的热量组分

Cp／·K)

X

i

ni

piCH24O2CON2HOH24合计

64.887031.534045.532029.926038.321081.0980-

0.046800.046900.834900.004500.00460

24.985030.9120由计算结果可知NXCtnipi出）由公式4-7可得×××7④反应器的散热量Q

4+Q=Q）36

44123河南科技大学毕业设计（论文）可得反应器的散热量

=Q+Q×10

7

×10

7

37

河南科技大学毕业设计（论文）第章设备计算§1反应器设备计算在物料衡算和热量衡算的基础上，可以对反应部分主要设备的工艺参数进行优化计算。这一部分主要是反应器的工艺参数优化。设计生产能力：5.5万/年；生产过程安全系数：1.04；年操作时间：7200小时；本设计采用一台反应器进行反应。已知：(1)每小时入的原料气量总为

23116.4904；(2)以银为催化剂颗粒为球形d=5mm隙率

0.48[19](3)为234为速为4000/h；(4)反应器列管规格Φ×3mm；度220

(5)反应热用水带走导出水进口温度；℃

℃，导出水温(6)原料气进口温度℃，氧化气出口温度为234℃。(7)计算催化剂床层积VR进入反应器的气体总流量为给定空速为4000/h

V总Sv23116.4904VR

23116.490444000

=95.1500

m§2确定氧化反应器本尺寸38

河南科技大学毕业设计（论文）对于列管式固定床反应器，首先应根据传热要求选定选择44.9×的不锈钢管作为反应器的反应管规格反应管根数n。反应管内径：di=4