环氧乙烷固定床反应器课程设计

化工与制药学院课题名称：年产万吨环氧乙烷固定床反应器设计学生姓名：陈正飞学生成绩:指导教师：杨昌炎摘要---------------------------Abstract----------------------------------------------------错误!未定义书签。第一章概述-----------------第二章环氧乙烷物化性质----------------------------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，在列管式固定床反应器中，用纯氧与乙烯反应，采用乙烯直接氧化生产环氧乙烷。本文主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、热量衡算确定了反应器的尺寸、传热面积、塔径等参数。同时，关注了安全生产、三废处理等问题并提出了相AbstractMeanwhile,theparameterssuchasthevolume,transferareaand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，因而其反应能力很强，且成本低、纯度高、易于加工利用，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、齐聚等反应的实现，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(EthyleneOxide)，是最简单的环状醚,分产量的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，主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]生产已经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，现在己基本上被氧化法直接氧化法又分为空气氧化法和氧气氧化法，其主要区厂家都采用氧气氧化法生产环氧乙烷，因为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、反应器的选型及尺寸的确定，计算压降、催化剂的用量等，设计出符合设计要求的反应器。第二章环氧乙烷物化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、透表1-1环氧乙烷的主要物理性质,%(体积)燃烧热(25℃,,kJ/kg-引发，且在一定条件下会在气相中传播，直到瞬时产生爆炸。环氧乙烷与含有活泼氢原子的化合物，如HO、HX、XCHCHOHnCHO(环氧乙烷）X(CHCHO)HCHOCHOHCHOCHCHOH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4)异构化反应环氧乙烷在三氧化二铝、磷酸、磷酸盐等催化剂存在下可CHOCHCHO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应之一，要极力避免，因为醛的存在增加了环氧乙烷提存净化的难度。5)与双键进行加成反应环氧乙烷和以下一些含双键的化合物可进行加成反应生成环状化合物，例如第三章环氧乙烷生产工艺及设计方案<2>乙烯次氯酸化生产氯乙醇时，同时副产二氧化碳,最低亦有2500,最低亦有2500。氯主反应器和副反应器，为使主反应器催化剂的活性保持在较高水平(63-75％)，通环氧乙烷生产的工艺参数主要有反应温度、反应压力、空间速度与空管线速度、装置.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，加快反应速率，提高反应器单位容积的产率，以强化生产。于提高反应压力，反应速度加快，相应就要提高反应器的换热速率，这样对反应器的结构就提出更高的要求。（4）原料配比与循环比％，循环比是指循环到主反应器的循环气占主吸收塔顶排出气体总量的百分数。在生产操作中通过正确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、副反应器生产负荷的分配。提高循环比，主反应器负荷增加。反之，副反应器负荷增加。生产中，应根据生产能力、动力消耗及其它工艺指标来确定适宜的循环比，通常为85—90％左右。（5）抑制剂乙烯直接氧化制环氧乙烷是一个平行串联反应过程，在乙烯环氧化过程中，乙烯的定额消耗，而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应热等措施外，在反应系统中还使用适量的副反应抑制剂。工在加压循环反应系统中，用量要少一些[7]。环氧乙烷生产装置的主要设备有反应器、吸收塔、反应系统的气-气换热器气冷却器。此次设计生产能力为年产万吨环氧乙烷固定床反应器，年工作时间为250℃下通过装有银催化剂的固定床反应器，直接氧化为环氧乙烷。环氧乙烷的生产系1)环氧乙烷的反应系统反应系统是以一种循环过程来操作的，以乙烯和氧气为原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，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。来的乙二醇水溶液以及从泵过来的工艺水进行吸收，保证吸收液的浓度恒定在%(wt％)，被吸收下来的环氧乙烷按一定的路线进到氧化物-水气体，然后经换热器进入环氧乙烷气提塔使环氧乙烷和水再沸器进行加热，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在环氧乙烷吸收塔中未被吸收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吸收剂池都使用通入65kg/cm压力蒸汽的蛇管进行加热，以防止环境温度下结冰图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包括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，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、2反应(4-1)为放热反应，在250℃时，每OCHON米CHONCH,计算出每小时进入反应12CHON0综上所述，气体进料为100kmol/h时，可生产环氧乙烷h。若要达到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。则实际进料量为×=h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CHONCHO00000000CHONCHO热DT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ACHON-----CHO---示表4-6各组分的C值(J/mol·K)CHONCHONCHO由《化工热力学》可查得真实气体与理想气体的比热之间关系的计算式CCHONT/Kp/MPaTPC/JmolK0表4-8出口气中各组分定压比热的压力校正参数pTPC0C0CXCHON-QNXCtCH XCHONCHO QNXCt则Q=××250=×1-07kJ/h可得反应器的换热量Q4=Q1+Q2－Q3=×107kJ/h9)第五章反应器的工艺参数优化(3)反应温度为250℃,操作压力为1MPa，空速为5000h；导出液出口温度235℃,导出液对管壁的给热系数为650W/m·K；(6)原料气进口温度S其中k0pRabappbaa)先求a和b的TCHON表5-2原料气交叉项a的计算CHONCHON-5PPT0.5V)RTP6m3mol1V1Z2Z1V1V211有V总13RV RAR=2-d4HAd4-41)[ ;HGm(5.4.1床层对壁面的给热系数对于氧化反应器，催化剂床层是被冷却的。此时催化剂床层与反应器内壁的给热dAV得得u1/K热其计算公式如下1tttt(5-15)又AQKtA10又ddbc所以，由公式(5-18)最-曲边高度H=L+2(h1+h2)=6000+2×(700+50)=固定床反应器工艺参数汇总℃℃℃℃%%催化剂总体积Vmmmm6总传热系数K所需传热面积Am实际传热面积Am反应器塔径D第七章安全生产氧气氧化法制环氧乙烷工艺中,乙烯氧化反应单导致火灾爆炸等重大事故的原因:主副反应均为放热反应;副反应为完应热为主反应的十几倍;温度升高将导致反应选择性下降,速率加快,系环氧乙烷生产安全的关键,建议工业生产中采用改善反应器结构、改良催化剂、改进换热方式、加入抑制剂以及采用比热容更大的甲烷气致稳、用沸水汽化代替彻热、采口附近反应管上层放一定高度的惰性载体稀催化剂,或放服球形载体催化剂气体走短路的缺点,气体搅动激增大换热面积及合理选择载热体以增大换热系在原料乙烯气体混合物中加入微量二氯乙烷抑制剂,可b.严格控制反应温度不超过290℃,反应压力不超过。迅速离开高温区；喇叭状还可以减少进入反应器种反应最好采用流化床反应器。由于所使用催化剂原因A、反应温度在240℃以下采用加压热水第八章三废治理与环境保护环氧乙烷装置工艺生产过程复杂，工艺条件非常苛刻，有高温、高压、低温、低压1、设有仪表信号声光报警和联锁，当生产操作5、设有可燃气体的报警器，信号集中在中控室，监视装置内可燃气体的泄漏情况在尾气排放的问题中，应当把产生的尾气通入放空第九章资金核算操作员工采用五班三倒制，每班操作人4人，主操一人，班长（44×3500+5×4500）×12第十章设计体