【《环氧乙烷生产的物料衡算和热量衡算计算案例》5700字】

环氧乙烷生产的物料衡算和热量衡算计算案例目录TOC\o"1-3"\h\u294941环氧乙烷生产工艺的基本论述 2133471.1环氧乙烷的性质 2161751.1.1环氧乙烷的物理性质 218531.1.2环氧乙烷的化学性质 3152161.2环氧乙烷的生产方法 3250751.3环氧乙烷的生产原理 4113991.3.1反应原理 4153921.3.2CO2脱除机理 55831.4环氧乙烷的工艺流程 5184712物料平衡计算 620462.1物性数据 6176112.2反应设计依据 7182672.3循环系统的物料衡算 7191882.3.1计算依据 7152932.3.2混合器的物料衡算 8241442.3.3反应器的物料衡算 1283843热量衡算 13413.1热量衡算计算过程 13159233.2反应器的热量衡算 15158644设备选型与计算 16258364.1反应器设备的工艺计算 16167594.2确定氧化反应器的基本尺寸 17110264.3床层压力降的计算 17220724.4传热面积的核算 1811219附图1工艺流程图 2114608 2128059附图2反应器设备图 2126592 221环氧乙烷生产工艺的基本论述1.1环氧乙烷的性质1.1.1环氧乙烷的物理性质环氧乙烷（ethyleneoxide）简称EO，别名有恶烷和氧丙环等。分子式C2H4O，相对分子质量44.05g/mol；外观与性状和温度大小有关，颜色均是无色，常温状态是气体，低温状态下是透明液体；沸点是10.6℃，易溶解于水和部分有机溶剂；相对密度在水为1时是0.87，相对蒸汽密度在空气为1时是1.52；临界温度是195.8℃，属于低压液化气体；饱和蒸气压在30℃时可达到141kPa。EO具有不稳定性，熔点为-112.2℃，闪点-17.8℃，容易发生爆炸危害当与空气接触时，若遇到明火，还会燃烧，爆炸极限在3%-100%。另外，由于EO自聚速度缓慢，可能会发生堵塞设备情况，而且达到一定温度会发生爆炸性降解，所以要保持在一个低温环境中。1.1.2环氧乙烷的化学性质EO是一种活性很高的有机物，在很多反应中三元环被打开，较容易发生聚合、异构化反应，会产生一些列链长增加、水溶性增大的聚乙二醇衍生物；在痕量的酸或碱作用下，有利于水解反应的发生；与甲醇等低级醇会生成作为溶纤剂的乙二醇－甲醚等；较低温度状态下，与氢卤酸反应，生成卤醇[6]。1.2环氧乙烷的生产方法1.2.1氯醇法早在20世纪初期，UCC采用氯醇法工艺进行环氧乙烷工业化生产，在上世纪这种方法得到广泛应用。反应原理是氯气和水反应，生成次氯酸。然后将乙烯和生成的物质混合反应，得到2-氯乙醇和盐酸，再选用氢氧化钙对生成的物质进行皂化处理，经过精制等生成纯的环氧乙烷[7]。该生产方法对原料乙烯品质要求不高，工艺流程简单，在当时被人们所广泛采用。然而反应过程耗氯大，排出难处理的废酸废水导致水源和环境污染严重；在进行第一步成产工艺生成氯乙醇时，会有盐酸、二氧化碳之类副产物对设备造成腐蚀等影响[7]。另外，这种方法乙烯单耗高，装置小，产量较低，成本也高，并且甲醛的质量分数也高，含量容易超标。所以，在高品质高产量的氧化法生产环氧乙烷面前，EO氯醇法便失去竞争力慢慢退出市场。1.2.1乙烯直接氧化法此生产方法有两种，空气直接氧化法、氧气直接氧化法。（1）空气直接氧化法：利用乙烯与氧气反应，空气作为氧化剂，但由于空气中存在有害杂质，会在生产过程中带入反应器，活性受到影响，所以需要用到空气净化除杂装置。该方法在生产过程中是两台及以上的反应器串联，为了使主催化剂的活性始终保持在较高的水平，环氧乙烷的转化率和效益提高。这就大大提高了生产成本的投入，依然存在一些弊端。（2）氧气直接氧化法：经过了解，有一种方法是使原料气在常规条件下与银接触，催化剂的选择性有两个预设值。当催化剂选择性低于第一个时，调整空速在6000-10000h-1。高于第二个时要将其回到常规条件，继续反应，最后预设值要大于第一预设值。此法通过优化银催化剂选择性，提高了生产经济性[8]。本设计工艺采用纯氧或者其他氧源为氧化剂，设计空速范围在4000-8000h-1，银做催化剂，接连引入，可以减少其中的惰性气体含量，这样可以提高乙烯的利用率，没有反应完全及未参与反应的乙烯再经循环过程使用。通过CH4和N2作为致稳剂，使得进料气中的氧气保持在一个高浓度状态。二氧化碳的浓度使催化剂选择性受到一定的影响。所以将二氧化碳浓度稳定在一定范围内，以提高选择性，增大产率[9]。氧气氧化法和空气氧化法两者相比，在氧化反应、吸收处理、蒸馏精制等工序方面过程基本一致。前者在生产工艺、设备、反应条件相对后者又有着相对的优势。前者需要分离装置，CO2脱碳处理系统，较少的反应器；后者需要空气净化系统等，而且涉及多个副反应器和二次吸收系统，使得耗资增加。所以，能够看出氧气氧化法流程短些，所用设备较少，投入成本低点。另外，氧气法中EO的收率高，乙烯单耗也低。在反应温度方面，氧气法温度较低，更有利于催化剂寿命的延长，也使生产过程保持相对稳定。因此，现代生产工艺更倾向于选择氧气直接氧化法生产EO。1.3环氧乙烷的生产原理1.3.1反应原理工业生产过程中，乙烯氧化过程在一般情况下更偏向发生深度氧化，乙烯的分子骨架和碳键被破坏，生成二氧化碳和水。若只想使氧化反应被束缚在最目的产物EO方向上，在实际工业生产操作中，以银作催化剂，在高温、高压下，乙烯和氧气氧化部分生成EO。该步反应方程式如下：乙烯和氧反应不仅生成环氧乙烷，还继续发生深度反应。同时，目的产物是一条路径，而副产品二氧化碳等是另一条途径，两者独立进行，先是二氧化碳和水的直接生成，也跟着生成一些氧化中间产物[10]。因为要抑制乙烯深度反应发生的过程，便向其中加入少量反应抑制剂1,2二氯乙烷，阻止CO2和H2O的生成。在反应过程中，最先可能发生同分异构反应，生成EO的同分异构体乙醛，接着二氧化碳和水氧化生成，要格外注意环氧乙烷异构化操纵着反应速度。通过上述反应式知，在反应器中会伴随着少量的甲醛（含量小于1%）和乙醛副产物的生成。它们需要在相关操作中从环氧乙烷和乙二醇中分离出来。1.3.2CO2脱除机理本装置通过在碳酸盐溶液方面进行改进，以碳酸钾溶液吸收二氧化碳[11]，此过程为：此反应可表示为如下五步，第五步主要控制反应速度。1.4环氧乙烷的工艺流程在实际工艺生产过程中，首先是原料乙烯和氧气进入氧化装置，按一定比例在混合器中混合，混合后气体与循环气经过热交换器预热。在固定床反应器中，进行催化反应。在该反应过程中需要加入抑制剂二氯乙烷来抑制反应生成二氧化碳和水[12]。生成的环氧乙烷等反应器出料利用热量，经过冷却器冷却，利用工艺水对进入环氧乙烷吸收塔塔底的环氧乙烷进行吸收，被吸收的环氧乙烷按照一定路线以气体形式释放。产物经冷却后经压缩机进入二氧化碳吸收装置。副反应产生的二氧化碳气体被脱除（进入二氧化碳脱除装置中的气体在吸收塔中与碳酸钾溶液反应，以控制二氧化碳浓度维持稳定），剩余气体再经循环压缩机返回系统，继续补充乙烯和氧气，进行循环使用。其工艺流程框图如下：图1工艺流程框图2物料平衡计算2.1物性数据表1物性数据表序号组分分子量沸点/℃1氮气（N2）28.0134-195.82氩气（Ar）39.9480-185.873氧气（O2）31.9988-182.984水（H2O）18.01521005甲烷（CH4）16.0423-162.156乙烯（C2H4）28.0530-103.717乙烷（C2H6）30.0688-88.68二氧化碳（CO2）44.0095-78.459环氧乙烷（C2H4O）44.052410.410乙醛（CH3CHO）44.052411乙二醇（C2H6O2）62.0676197.32.2反应设计依据设计题目：年产7000吨环氧乙烷生产工艺设计已知：每年工作时间：6000h生产周期：24h乙烯单程转化率：11.5%环氧乙烷选择性：82%二氧化碳选择性：20%高纯环氧乙烷收率：30%环氧乙烷吸收率：99.5%二氧化碳吸收率：18%环氧乙烷吸收塔吸收气液比：0.5排空气比率：0.18%2.3循环系统的物料衡算2.3.1计算依据1.原料乙烯摩尔组成成分（mol%）CH4：0.0500C2H4：99.8000C2H6：0.15002.原料氧气摩尔组成成分（mol%）N2：0.0070Ar：0.1930O2：99.80003.原料甲烷摩尔组成成分（mol%）N2：1.9000CH4：97.0000C2H4：0.5000CO2：0.60004.主反应：副反应：物料衡算图图2物料衡算图其中：F1乙烯的进料；F2氧气的进料；F3甲烷的进料；F混合器物料；MF反应器物料；RF排出的物料；W排放产品；R循环的物料。2.3.2混合器的物料衡算在循环反应器中，温度是78.0℃，混合器出料温度是75.0℃，压力是1.6MPa。进料气体在被环氧乙烷反应过程中，温度从77℃增加到150℃，产品气体温度则降低，从200℃冷却降至140℃[13]。计算过程：（1）新鲜乙烯原料中乙烯含有量[14]：同理，可得：新鲜乙烯原料中甲烷含有量=新鲜乙烯原料中乙烷含有量=令新鲜乙烯原料的量为F1，则有：MF表示进入反应器原料量；F3表示新鲜甲料的量，则由物料衡算方程列式：新鲜CH4原料中C2H4含有量有：新鲜CH4原料中CH4含有量有：联立上述两式可得 REO表示循环气中EO的量，MFEO表示反应器中EO的量，yEO表示EO的摩尔分率，由物料衡算方程式得：EO在循环气中的量=EO在反应器中的量 EO在反应器中的量为：联立两式得：yEO=0.00014F2表示新鲜O2原料的量，则混合器中O2物料衡算方程：循环气中O2含有量有：得：（4）用αCO2表示EO吸收塔中CO2吸收率，α’CO2表示EO解析塔中CO2吸收率。由物料衡算方程得：循环气中CO2的量=在反应器进料中CO2的量-新鲜CH4进料中CO2的量则有：由上式可得：解得：yCO2=0.0582（5）用F1表示新鲜C2H4原料的量，αC2H6表示C2H6吸收率，由物料衡算方程得：C2H6在新鲜C2H4原料中含有量=C2H6在反应器中含有量-C2H6在循环气中含有量解得：（6）用αN2表示反应中N2的吸收率，可得：解得：用αAr表示Ar的吸收率，有：反应中Ar的含量=Ar在新鲜O2原料中的含量+Ar在循环气中的含量解得：设：用αH2O表示H2O的吸收率；用y’H2O表示循环气中H2O的摩尔分率。反应生成的H2O的含量+反应器中H2O的含量=循环气中H2O的含量反应器中水的摩尔分率：由F1+F2+F3+R=MF可得：解得表2混合器输入物料衡算结果表组分原料氧气摩尔流量摩尔分数kmol/hmol/%原料甲烷摩尔流量摩尔分数kmol/hmol/%原料乙烯摩尔流量摩尔分数kmol/hmol/%循环气摩尔流量摩尔分数kmol/hmol/%Ar0.06800.0019337.62660.0157O235.1490.9980139.00280.0580N22.5×10-30.000070.04610.001934.27140.0143CO20.01460.0060146.91160.0613CH42.35710.97000.04420.00051258.93400.5253C2H40.01220.005088.27130.9980668.17210.2788C2H60.13270.001572.85660.0304H2O14.85890.0062C2H4O0.23970.0001合计F2=35.221F3=2.431F1=88.451R=2396.601表3混合器输出物料衡算结果表组分ArO2N2CO2CH4C2H4C2H6H2OC2H4O合计摩尔流量kmol/h37.5882209.888634.3087146.82111261.35756.8172.90602.77500.25232522.70摩尔分数%0.01490.08320.01360.05820.50000.30000.02890.00110.00011.00002.3.3反应器的物料衡算 （1）令反应过程中的压力为1.5MPa，反应所需的温度为240℃。（2）用y代表MF中各个组分的摩尔分率反应器出口C2H4含量同理得：反应器出口EO含量反应器出口CO2含量=反应器出口H2O含量反应器出口处O2含量而Ar、N2、C2H6、CH4的量在反应器中没有变化，所以出口量与进口量相等。N2含量=34.3087（kmol/h）CH4含量=1261.36（kmol/h）Ar含量=37.5882（kmol/h）C2H6含量=72.9060（kmol/h）3热量衡算3.1热量衡算计算过程乙烯和氧气反应制环氧乙烷，主要反应为：令反应器中的反应温度T为240℃（573.15K），反应的基准温度T1为298.15K，进入料温度T2为158℃，排出料温度T3为240℃。热量衡算可以确定设备的热负荷，由此可以作为计算设备选型中工艺尺寸大小的依据。由能量守恒定律知：Q1+Q2=Q3+Q4(忽略热损失)Q1：反应器中原料气带入的热量Q2：反应热Q3：氧化气带走的热量Q4：反应器的散热量又知比热容公式为：（1）可知：表4各组分的定容比热系数组分ab×10c×105d×108O226.00820.1175-0.2341-0.0562N229.4717-0.04771.2706-0.4794CO223.05670.5688-3.18280.6388H2O32.41500.00341.2851-0.4408C2H45.70371.4389-6.72851.1792C2H4O-7.59112.2238-12.60442.6123原料气温度为158℃，氧化气温度为240℃。在该温度下各组分的Cp0值如下表所示：表5原料气所含组分的Cp0值（J/mol·K）组分C2H4CO2N2O2Cp0（J/mol·K）56.165542.171029.392330.5926表6氧化气所含组分的Cp0值（J/mol·K）组分C2H4CO2N2O2H2OC2H4OCp0（J/mol·K）63.403944.722429.721331.344035.376376.8457（3）查得真实气体与理想气体热容公式为[15]：其中，ω为偏心因子，∆Cp0为普遍化定压热容差，∆Cp1为为普遍化定压热容差的校正参数。原料气的进料温度为158℃（431.15K），压力为1MPa；氧化气的温度为240℃（513.15K），压力为1.6MPa。查阅资料可知计算公式有[13]，计算结果如下表：表7原料气中各组分定压比热的压力校正参数组分C2H4CO2N2O2Pc/MPa5.0367.3763.3945.046Tc/K282.4304.2126.2154.6Pr0.19860.13560.29460.1982Tr1.52671.41733.41642.7888ω0.08500.22500.04000.0190ΔCp0/（J/mol·K）0.96230.75310.19870.2071ΔCp1/（J/mol·K）1.04601.00420.00000.0628Cp/（J/mol·K）57.216743.150029.920030.8009表8氧化气中各组分定压比热的压力校正参数组分C2H4CO2N2O2H2OC2H4OPc/MPa5.0367.3763.3945.04622.0507.194Tc/K282.4304.2126.2154.6647.3469.0Pr0.31770.21690.47140.31710.07260.2224Tr1.81711.68694.06623.31920.79281.0941ω0.08500.22500.04000.02100.33400.2000ΔCp0/（J/mol·K）0.87860.66940.20080.20502.30122.7196ΔCp1/（J/mol·K）0.73220.71130.00000.01677.32205.0208Cp/（J/mol·K）64.344745.551829.922131.549440.123080.5695上表数值为计算所得，与实际值偏差在2%-3%。3.2反应器的热量衡算（1）原料气的温度为158℃，基准温度为0℃（273.15K），有将已知数据带入，计算结果如下表。表9原料气带进的热量组分Cp/（J/mol·K）XiXiCiC2H457.21670.0352.0026CO243.15000.0622.6753N229.59140.82024.2649O230.80090.0832.5565总计1.00031.5029可得，则（2）Q2在温度为158℃条件下，主副反应的热效应有：主：副：总反应热=主反应放热量+副反应放热量，即Q3为氧化气带走的热量，氧化气的出口温度为240℃，基准温度为0℃（273.15K），有将已知数据带入，计算结果如下表。表10氧化气带走的热量组分Cp/（J/mol·K）XiXiCpiC2H464.34470.02731.7566CO245.55180.04692.1336N229.92210.834924.9820O231.54940.04681.4765H2O40.12300.00450.1806C2H4O80.56950.00460.3706总计1.000030.8999将数据代入公式可得（4）Q4为反应器的散热量因为Q1+Q2=Q3+Q4，所以Q4=Q1+Q2-Q3=[(1.3059+2.5486)-1.9472]×107=1.9073×107（kJ/h）4设备选型与计算依据物料衡算与热量衡算，在计算了设备的尺寸大小后，从工艺设备中选出满足生产要求的设备用于生产，并对其参数进行优化，是整个生产中的关键。4.1反应器设备的工艺计算已知本设计生产任务为年产7000吨环氧乙烷，选用氧气直接氧化法，年工作时间是6000h；根据计算可知每小时输入的原料气量为2522.70kmol/h；反应温度是240℃；操作压力是1.6MPa；根据反应器处理的量，设计使用一台反应器进行操作。已知在该设计中空速Sv取4000/h，在标准状态下的物料流量V为：V=2522.70×22.4=56508.48m3/h催化剂总体积[16]为：4.2确定氧化反应器的基本尺寸本次设计采用列管式固定