【《乙烯氧化环氧乙烷生产单元工艺设计》8000字】

乙烯氧化环氧乙烷生产单元工艺设计目录TOC\o"1-3"\h\u17531第1章引言 2321331.1环氧乙烷的性质及用途 28031.2国内外发展状况及趋势 351251.2.1国际发展状况 382851.2.2国际市场需求 445551.2.3国内发展前景 4163361.2.4国内市场需求 576201.3环氧乙烷的生产工艺 7161441.3.1 741341.3.2 727211.3.3 7276251.4本设计采用的生产工艺 818460第2章物料衡算 1073742.1原始数据 10262412.2 10263682.3 11281432.3.1 1172452.3.2 11292832.3.3 1232032.3.4 12269252.4循环及排放的物料衡算 1344832.5吸收塔的物料平衡 14243722.5.1、 14238032.5.2 1515943 1874042.5.3环氧乙烷的气液相浓度 18525第3章热量衡算 20300563.1反应器的热量衡算 203353.1.1 212943.2 22221903.2.1 22224993.2.2反应热 2330833.2.3 23206533.2.4 2415763.2.5产生蒸汽量 2410114第4章反应器的设计 25231124.1 25104744.1.1 25178814.1.2 27234204.2 271124.3 2777884.4 2888614.4.1 28116614.4.2 29287674.4.3 29159894.5 3031394.6 30183324.6.1 301154.7 31188724.7.1定性温度 31136304.7.2 32298524.7.3 32268504.7.4 3331694.7.5 346813第5章结论 36第1章引言1.1环氧乙烷的性质及用途环氧乙烷是一种无机化合物,其中的化学式为C2H4O,是一种具有毒性的致癌物质,以前曾经被用于制作杀菌药。环氧乙烷气体是易燃易爆,不适于长途移动,所以有严重的区域性。环氧乙烷主要用途是各种非非杂环醚类化合物的其中的一个,而且它也是最简单的非杂环醚和烃类化合物之一,是重要的非石油和天然化工产品。[1]由于环氧乙烷这类气体在一般低温下被人们称为固体无色或透明的化学液体,在常温下被人们称为液体无色或者透明具有类似醚类的刺激性或者气味的一种放射性化学气体,该类乙烷气体在30℃时气体蒸汽压很高,30℃时该类气体温度可以迅速到达141kpa,这种不同高度的气体蒸汽压就直接决定了对这些环氧乙烷气体进行高温熏蒸和消毒灭菌时在消毒时该类气体的化学穿透力相对比较强。[2]健康风险：这是一种中枢神经系统抑制剂，刺激物和一种原型毒素，急性中毒。患者有严重的冲动性头痛、呼吸困难等症状；严重的肌肉的悔恨，说话的障碍，共济的失调，出汗。反复接触会导致过敏长时间不重的接触可能会导致神经衰弱综合征和自主神经功能障碍的疾病。着火和爆炸危险：产品易燃、有毒、致癌、刺激、敏感。[3]而且环氧乙烷具有防腐的杀菌效果,不编码金属,也不会闻到其他的气味。它是可以作为材料气体细菌用途。环氧乙烷容易与酸反应,可以在水中加入抗酸剂等化学物质中,使酸长一段时间进行还原或者是不进行还原,例如在氯化丁基胶制备中,将环氧乙烷分别加入至异丁烯共聚物和异丁烯共聚物溶液中,再对其进行克隆,成品完全不必要酒精清洗和水洗。[4]乙烯的性质:烯烃是一种双键烃,其化学性质不稳定,可与多种物质一起用于氧化、卤化,烷基化、水合等。它们是化工和聚合物的重要原料,应用广泛。1.2国内外发展状况及趋势1.2.1国际发展状况近年来，随着中东和亚洲经济货币联盟（EMU）的建立和运行，世界环氧乙烷生产能力不断提高，全球环氧乙烷产量也从2012年的3.5亿吨增加到2017年的2644万吨和3267万吨，年均增长4，6%，目前生产环氧乙烷的工艺只有用于印刷环氧乙烷的银催化剂。陶氏和其他美国公司（陶氏化学有限公司于2001年加入j-ucc）和Fengetcatalyst、delbasf、意大利橡胶和其他公司。壳牌、美国、dogs和其他公司，其中生产环氧乙烷的工厂占总产量的90%以上,需要进一步提高塞尔维亚银催化剂生产的工艺和技术水平。[4]1.2.2国际市场需求2007年，环氧乙烷的总使用量达到1898.1万吨，2012年达到352万吨。北美、西欧、中东和亚洲的比例最高，分别为18.78%、西欧11.18%、中东28.61%、亚洲37.48%、中南美洲1.70%、中东欧2.25%。[5]预计2018-2022年，世界范围内：当量环氧乙烷新增产能约521万吨。北美增加195万吨/年；中东增加95万吨/年；东北亚增加175万吨/年；南亚增加56万吨/年。预计到2022年，全球环氧乙烷生产能力达到3940万吨/年，需求3280万吨/年左右。[8]1.2.3国内发展前景我国环氧乙烷工业生产始于20世纪60年代。以乙醇为原料，20世纪70年代末，随着SD公司和UCC公司的北京燕山石化公司和辽阳石化化纤公司引进的唯一一批环氧乙烷/环氧乙烷（EO/EG）两套装置的增加和管理，国内环氧乙烷需求量逐年增加，为满足市场需求，近年来国内许多企业都在建设或发展环氧乙烷生产能力，2013年12月下旬，相当于中国环氧乙烷的产能（商品产能除外，其中环氧乙烷生产乙二醇的能力达到503.7万吨/年，其中环氧乙烷的生产能力达到25.37万吨/年。2017年，工业环氧乙烷产能达到439.7万吨/年，年均增长22.26%，2020-2017年年均增长15.46%。[6]中国环氧乙烷的产能和利用率分布明显,主要是集中于华东、东北、华南等全国各地,2017年华东环氧乙烷商业产能为241.5万吨/年,占到全国商用环氧乙烷总量和生产能力的55%;其次是东北地区,年吨位以上的环氧乙烷生产能力68.6万吨,占到全国总量的16%;华南地区的环氧乙烷总量为6200t/a,占全国总环氧乙烷总量的14%。2015年至2019年，环氧乙烷的内部生产能力将增长5%至8%，过去五年，环氧乙烷的新增生产能力有70%是在现有生产能力的基础上增加的，但到2020年，新增有效生产能力仅为30%，中国环氧乙烷生产能力将增加72万吨，实际生产能力在430万吨左右，如表1-2所示。[15]在过去的几年里，他们家里的氧气一直由中石化和中石油管理，两个油的体积比自己和化学制品加在一起的体积要小，用来鉴别精细和化学制品，以及那些在地下勘探的人，他们自己增加了半年。一方面，乙烯产量快速增长的主要驱动力是乙烯生产的较大初始盈利能力，这是近年来我国乙烯生产链中性价比最高的一条；另一方面，从2018年第四季度开始，环氧乙烷仍比乙二醇有效，热电联产将增加环氧乙烷产量，减少产量，此外，民营企业的崛起是因为乙烯原料供应的日益增加，它主要依靠下游的生产环节，并将逐步转向EO，随着综合炼厂和化工厂的投产，未来同样如此。[7]1.2.4国内市场需求目前我国对环氧乙烷的表观消耗总量正在逐渐扩大。2005年,我国每年表观利用大于环氧乙烷的能源实际综合表观利用能源消耗燃料总量大约为123万吨,2010年和2013年分别快速扩大至达到296.2万吨和420万吨,同比上年同期增长约6.06%。2008-2013年表观商品消费年均快速增长率保持在13.97%左右。在目前的现代我国,环氧乙烷主要被广泛应用于加工制备醋酸乙二醇,通常我们采用的方法是先将环氧乙烷和乙二甲醇乙酯进行混合联产。剩余的羟基环氧乙烷乙醇可广泛应用于乙醇制备如聚乙氧基二氯化合物、聚醚多元醇、乙醇胺、乙二醇醚等,2013年我国总体乙醇消费结构变化如下如右图:其聚乙二醇约略仅占当年全世界总乙醇消费量的65.5%,乙氧基二氯化约略仅占10.0%,乙醇胺约略仅占7.5%,聚醚多元醇约略仅占5.5%,乙二醇醚约略仅占3.3%，其他消费约占4.5%。近年来，随着需求增速的回落，产能增速远高于需求增速，导致产能严重过剩，市场竞争加剧，2013年是我国环氧乙烷交易能力由严重瓶颈向产能过剩转变的历史性一年，新增产能的不断释放将延续产能过剩的局面目前，我国环氧乙烷产能持续增长，产能过剩降低了装置的开工负荷，加剧了市场供需失衡。下游产业链的快速发展暴露出创新不足、产品单一、新产品成本低、新功能开发不足、优质进口替代不足等问题。[9]乙醇胺是在环氧乙烷中产生的。我国减水剂总成本的一半以上为环氧乙烷，尤其是东北和华南地区；华北地坪降水剂和氯化胆碱；在我国，高效减水剂是牛磺酸和甲硝唑的主要生产基地；西南流为高效减水剂；秦国产业结构多样化，主要是减水剂和外活性剂，是醇醚和酒精的发源地。[10]乙烯的国内市场需求：乙烯产量的高低是目前衡量一个国家石化行业发展情况的重要指标之一,烯烃产量逐年递增,乙烯在石化行业中应用广泛,乙烯在石化行业中被认为是生产聚乙烯、乙烯橡胶、聚氯乙烯等最重要的各类有机化学品和原材料。醇、环氧乙烷和乙二醇、乙醛、内醛、内酸及其衍生物广泛应用于各种有机合成中;乙烯-卤化;乙烯可作为石油化工企业的参考气体和分析工具;它也可能是一些水果的环境气体。在生态学研究方面,乙烯酸酯能抑制茎的伸长,促进茎和根部生长强度加厚,促进茎的侧向生长;在现代农业上,乙烯酸酯作为一种天然内源性植物激素,主要是促进了果实和籽粒细胞生长及籽粒的成熟。它能加速叶片、花朵和果实的分泌,刺激芽分化,扰乱平静,刺激发芽,阻碍花器官的清除,刺激矮小植物,并鼓励随机根。据介绍,随着经济的发展,我国石化工业特别是乙烯工业的产量稳步增长,我国乙烯工业已成为国际里程碑。我国已建成多套燃煤生产的甲醇烯烃设备,其中神华工程项目每天可生产乙烯30万吨,丙炔酸30万吨。探戈计划;中央石化工业,原来聚烯乙烯每天可生产6万吨的聚烯烃,我国的创新正日益推进,对于乙烯工业来说,我国也是一个创新程度高、拥有专利等知识产权的国家,进一步提高了乙烯工业的创新能力。然而,考虑到国际化学技术的快速发展,中国也面临着挑战。2012年,受全球经济危机影响,美国最大经济体中国仍处于最低水平。欧洲第一发达国家仍然负债累累,亚洲第一发达国家也容易受到自然灾害、国际经济不景气和低油价等因素的影响,国际石化行业市场消费水平偏低,国际石化行业中心正在发生变化,这也将会对中国在未来几年带动世界石化产业中心产生很大的影响。我国石化行业目前正在面临一系列严峻挑战:一是乙烯装置规模小,能耗和物耗高,近年来我国建设了大型石化项目,如大型炼油、百万吨乙烯等,由于不可能实现高浓度的生产方式,我国主要依靠中低档产品的生产,石化产品产生的废气、废水、废渣比例很高。第四,虽然我国一直致力于创新型产业,但与其他国家相比,我国自主创新能力仍然不足,我国石化行业实践中出现的问题仍需纠正和完善,这也是委员会提出新的解决方案的原因。未来,虽然我国的乙烯产品和工业基本上可以自由,但目前的当量和消耗缺口还是比较大,这也说明了我国的乙烯产品和工业的潜力是无限的。通过推动科学发展和结构调整,中国的角色将发生历史性变化。1.3环氧乙烷的生产工艺1.3.1氯醇法包括以下两个反应：由于采用氯醇法的工业生产工艺技术落后,严重地直接污染了工业环境,加之氯醇生成的化学产物在各种工业过程中的化学腐蚀很大,在使用方面已经被放弃。1.3.2直接氧化法的反应如下因为主反应从第三步到第四步的相对较早广泛采用的盐酸氯化乙醇法而言,几乎不必再需要任何一种具有良好耐腐蚀性的处理装置,环境污染小，且其对于能源水的综合利用处理效率也非常高,是现今整个世界和地区我国现代建筑防水工业中被普遍推广应用的一种主流建筑水处理工艺技术。因为所以在需要生产使用的各种原材料中直接氧气的化学品质和空气纯度一般都会因此有着不同的物理差异,直接空气氧化反应法又根据使用原材料的不同又可以再一次细分为直接氧化反应法、空气直接进行氧化和空气氧化反应法，工业上食品生产使用出来的直接氧气主要成分是纯净的氢氧与环氯乙烯在银油等。[21]1.3.3通过将乙烯氧化氢水溶液氧化成二甲基乙烯来制备环氧乙烷的一种工艺。该反应采用间歇式反应器。加压4'josep65374;5mpa。,抑制剂型号为吡啶氮氧化物(pynox)。发生的反应如下：该氧化处理方法与其他传统工业氧化处理方法相比,更加的绿色环保,原料的利用率高,同时在操作上也更为安全,有待日后的现代工业化进程中发展。[13]1.4本设计采用的生产工艺这四个方面是乙烯环氧化的主要因素：(1)流体力学的研究结果显示,环氧乙烷反应中活性化能量比完全氧化反应中活性化能量小,反应速率快,反应的速度也会随着反应过程中温度的升高而变化,完全氧化的产物和副作用迅速减少。反应温度为100℃，几乎所有结果均为环氧乙酯，选择性接近100%，无实际意义[16]。(2)从反应气体产品中回收环氧乙烷，工业上主要采用加压氧化法，但在高压、设备高压下，高投资成本和快速损坏催化剂。工业工作压力约为2MPa。空间速度空间运动的速度不但直接影响到催化剂在空气中的转化效率和选择性,但同时存在着以一定时空效率为基础的热释放,因此有必要对其进行全面的测量。目目前在工业上所采用的混合气平均风速大约是7000h-1,性能良好。单向空气转化的效率控制与单向空气氧化剂的处理使用效率有关,而当我们采用单向氧化空气或使用液体氢氧作为单向空气氧化剂时,以纯氢和活性碳氢作为主要的单向氧化剂,单向空气转化的处理效率一般可以控制在30%~50%,选择性转化效率一般可以控制在70%,转化处理效率一般可以控制在12%~15%,选择性转化效率一般可以控制在83%~84%。[18](4)原料气的纯度原料气中杂质对氧化过程的主要负面影响是：首先，硫化物、银催化剂、乙炔等催化有毒物质与银形成乙炔-银容器；加热后发生爆炸分解；降低了选择性。(5)原料配比如果用干净的氧气作氧化剂，还需要稀释剂来减少反应，通常用氮气作稀释剂，如果乙烯与氧气的比例为20%65374；30，7%{阳极65374；8%的二氧化硅可以抑制环氧反应，但相应的二氧化硅含量有利于提高反应活性和氧爆程度，因此循环气中的二氧化碳含量可以小于9%，如果循环气中含有环氧乙烷，则反应受到抑制，导致氧气损失。因此，应尽可能去除循环气体中的环氧乙烷。乙烯的选择性氧化反应的过程大体上可以从原理角度来细分为两种:正常选择性氧化(部分选择性氧化)和高度选择性氧化(所有部分选择性氧化).在一定的选择性氧化条件下,双碳链体也可以直接通过进行选择性组织骨架容易被损伤,产生大量的二氧化碳和废气。[19]因此,乙烯被广泛地用作制备乙烯时间中直接进行氧化的主要原材料。1.5研究中可能会遇到的问题以及解决问题的方法1.5.1课题研究的过程中可能遇到的问题本课题涉及环氧乙烷的制取，但环氧乙烷对人体具有一定危害，因此在设计过程中要注意个人的防护问题，吸取了前人在同类探索中的经验，做好充足的准备。预计设计过程中可能遇到的问题主要有：(1)环氧乙烷灼伤皮肤；(2)深度氧化生成二氧化碳和水；(3)制得环氧乙烷浓度不高或者不纯等等。1.5.2问题解决的方法和措施基于以上问题，解决的方法和措施应为：环氧乙烷接触皮肤立即用水清洗,控制好氧化程度,认真参考文献资料,掌握基本原理及方法,在指导老师的帮助下,确定设计方案及操作方法,并认真仔细进行实验。另外,在设计过程中细心观察实验想象,积极寻找解决所遇到的问题途径与方法。

第2章物料衡算2.1原始数据参数数据参数数据进料温度/℃210反应压力/MPa1.65选择性69出料温度/℃250空速2850乙烯转化率32%2.2乙烯和氧气在银催化剂和一定温度和压力的作用下直接氧化生成环氧乙烷，反应方程式可表示为：：这个反应是，在250℃的时候，每生成都要放出的热量。在进行的同时，还发生了其他，其中主要是的。：反应为，在，每反应，可放出的热量。2.32.3.1原料组成如所示：组分数值(mol%)3.51235881.97525214.51239各组分的分子量如所示：组成O2C2H4H2OCO2C2H4ON2M31.99526428.0510318.02025444.01298744.05661328.0116522.3.2（1），根据所知的，计算出各个的每小时的（2）数值可有反应方程式反应计算得出。：：由式有；：；由式有：；：；：；：；：；未反应的氧气量：；：；出反应器的水量：出口气体中各如所示。（kmol/h）组成C2H4CO2O2C2H4ON2H2O3.52358-14.51239-81.975252-2.387520.69444613.0725280.7722235881.9752520.6944462.3.3可以折算为由上面的，若想要达到的生产能力，需要的为本设计装置的需要得到保障，所以必须考虑到的因素，取为1.05。则实际需要的为2.3.4以的进料计算，为的情况。如所示。（a）组分kmol/hkg/hmol%wt%6254.52175216.563.53.4325911.58829170.5614.516.24146534.444102964.328280.33合计178700.545107351.44100100（b）组分kmol/hkg/hmol%wt%C2H44467.51125090.282.52.44O223588.47754831.0413.214.72CO21358.1259757.280.761.17N2146534.444102964.328280C2H4O1393.8661329.840.781.20H2O1358.1224446.160.760.47合计178700.525128418.921001002.4循环及排放的物料衡算组分Kmol/hC2H42457.13O212973.66CO2746.97N280593.94C2H4O766.62H2O746.97组分Kmol/hC2H41053.06O25560.14CO2320.13N234540.26C2H4O328.55H2O320.132.5吸收塔的物料平衡环氧乙烷的分离一般来说，气体的溶解过程是放热的，由于体积变得很小，降温升压有利于气体的吸收；以75%（wt%）乙二醇水溶液为主吸收剂，压力233mpa。2.5.1、(1):，；，(2)普遍化逸度系数图法我们可以检测到φ,各个组分之间的参数和逸度可以通过计算活动结果如表所示(3)和有关.尽管，，和在高压吸附计算中仍有广泛应用。。则各组分的相平衡常数如所示。组分0.0850.0160.2250.0040.3440.420.210.220.25忽略13.967.3812.87.3忽略2.200.342.50.30忽略2.5.2相关数据如所示。(1)，N=∝，，所以有 由公式可得(2)，取操作的液气比为最小液气比的倍即。本次的设计取由公式可得在本设计的液气比下，关键组分的吸收因子为 由公式可得所以，理论板数 根据式可得可进为到块。(3)计算结果列于中。流量为：，为中。和也列于中吸收率数量（Kmol/h）(mol%)4467.510.0013670.0013676.14467.512.523588.470.00041640.00041619.8123588.4713.21358.120.0096600.00966013.111358.120.76146534.440.00021600.000216031.65146534.44821393.861.2950.99721389.961393.860.781358.12-0.81451106.191358.120.76合计178700.52-2556.82178700.52100。中：，， 与的之间的为:由公式可得(4)气体在塔内的为：液体在塔内的为： ，由公式可得吸收剂的用量为(5)的为 由公式可得各组分再塔釜的流量与组成组分59.314.0843.872.657100.136.8802.881.9792979.22.047139121.599.5593244.082.229(6）2.5.3环氧乙烷的气液相浓度①气相浓度入口: 由公式可得 由公式（2-17）可得出口:由公式（2-17）可得0.018x（1-0.9972）=②液相浓度所以，吸收液中环氧乙烷的质量分 由公式（2-18）可得。’吸收液在塔顶和塔釜的流量和组成如表2-14所示A)组分4467.51125090.282.52.4423588.47754831.0413.214.721358.1259757.280.761.17146534.444102964.3282801393.8661329.840.781.201358.1224446.160.760.47178700.525128418.92100100贫气的物料衡算组分4462.38125062.133.32.4823581.22754829.5413.814.971348.2456854.250.8810.28146532.964102961.438272.282.83116.2000.01250.691228.970.020.01合计175998.325041052.52100100第3章热量衡算3.1反应器的热量衡算所谓关于热量的均衡算法就是指我们根据国际能源热量守恒物理规则和热定律而对其所生产进行的一种关于热量均衡的数值计算,对任何一个建筑物料在室内生产的整个过程,其中所生产输入的输出热量都是对应为其生产输出的输入热量和所产生损失的输入热量比例之和。通过对计算热量的数值衡算,可以直接得到关于计算热量在整个空气工程中的一个综合利用、消耗和空气资源利用损失等具体情况,从而由此得出来可以推算出热量相当于计算热量在整个空气工程中的一个综合利用量的效果,以及对氧化。令，，，Q4为反应器的撤热量。，有3.1.1下面的计算式是的将下列代入上式中，任一温度T时原料气中各组分在的定压比热。（）（1）原料气Cp组分64.4331.3830.04（2）氧化气Cp组分66.9431.6730.1745.5635.35103.83.23.2.1计算的结果放在下面的表格中。组分C2H464.430.0352.255O231.380.1454.55N230.040.8224.63合计-1.0031.435将算出的结果带入到下面的式子中可以得到3.2.2反应热：：经过查资料可以得到主反应的放热量：经过查资料得到副反应的放热量：反应总共的是：3.2.3以273.15K为基准，523.1K为氧化器的出口时的温度，则表3-23氧化气带出的热量组分CpXniXniCpiC2H466.940.0251.6735O231.670.1324.18CO245.560.00760.346N230.170.8224.74H2O35.350.00780.276C2H4O103.80.00760.789合计-1.0032.0由可知(3-24)由公式出3.2.4(3-25)反应气的撤热量可以算得为3.2.5产生蒸汽量250℃为出口的温度，此时。为：由公式可得

第4章反应器的设计；4.1决定反应器主要尺寸的基本依据是催化剂的总体积，他的计算公式如下所示：=V总4.1.1其中：组分C2H4O2N27.86531.74031.55804.0398E-052.2072E-052.6787E-05代入式4-28中当时，的结果如表则，，有所以，由公式得4.1.2：为故4.2对于一些临界管式反应器和管式管件，认为应从整体传热和总性能的基本要求中选取的不锈钢管直接确定各类反应管和管件的规格。可以算得：可由下式算得