環(huán)氧乙烷固定床反應(yīng)器課程設(shè)計(jì)

.z.-----總結(jié)資料課程設(shè)計(jì)說明書噸環(huán)氧乙烷固定床反響器設(shè)計(jì)1班-.z.**工程大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書系別化工與制藥學(xué)院班級(jí)有機(jī)一班學(xué)生陳正飛一、設(shè)計(jì)名稱二、任務(wù)根據(jù)設(shè)計(jì)條件通過物料衡算熱量衡算反響器的選型及尺寸確實(shí)定計(jì)算壓降、催化劑的用量等，設(shè)計(jì)出符合設(shè)計(jì)要求的反響器，并畫出設(shè)備的裝配圖。三、內(nèi)容1、概述2、環(huán)氧乙烷物化性質(zhì)3、設(shè)計(jì)方案4、設(shè)計(jì)條件5、工藝計(jì)算6、設(shè)計(jì)總結(jié)7、參考文獻(xiàn)四、方案進(jìn)度1、發(fā)題20152、第一階段：2015年1月3、第二階段：1月13日4、第三階段：1月19-日～1月指導(dǎo)教師楊昌炎教研室主任*生鵬目錄摘要IAbstractII第一章概述1第二章環(huán)氧乙烷物化性質(zhì)32.1物理性質(zhì)32.2化學(xué)性質(zhì)43.1環(huán)氧乙烷生產(chǎn)藝73.2環(huán)氧乙烷生產(chǎn)的設(shè)計(jì)方案83.3.2工藝參數(shù)83.3.3環(huán)氧乙烷生產(chǎn)工藝流程10第四章工藝計(jì)算134.1設(shè)計(jì)條件13反響原理13原料組成14反響器設(shè)計(jì)條件144.2物料衡算144.3熱量衡算17第五章反響器的工藝參數(shù)優(yōu)化215.1催化劑的用量215.2確定氧化反響器的根本尺寸255.3床層壓力降的計(jì)算265.4傳熱面積的核算27床層對壁面的給熱系數(shù)27總傳熱系數(shù)的計(jì)算28傳熱面積的核算285.5反響器塔徑確實(shí)定29第六章總結(jié)31第七章平安生產(chǎn)33第八章三廢治理與環(huán)境保護(hù)37第九章資金核算39第十章設(shè)計(jì)體會(huì)41-.z.摘要環(huán)氧乙烷是乙烯的衍生物，是重要的根本有機(jī)化工原料,廣農(nóng)藥乳化劑等各種精細(xì)化學(xué)品。目前較先進(jìn)的生產(chǎn)方法是用銀作催化劑，在列管式固定床反響器中，用純氧與乙烯反響，采用乙烯直接氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷。本文主要介紹了生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的原理、工藝設(shè)計(jì)條件，通過進(jìn)展物料衡算、熱量衡算確定了反響器的尺寸、傳熱面積、塔徑等參數(shù)。同時(shí)，關(guān)注了平安生產(chǎn)、三廢處理等問題并提出了相應(yīng)的解決措施。關(guān)鍵詞環(huán)氧乙烷乙烯直接氧化固定床反響器AbstractRacked-bedreactor-.z.概述乙烯是碳原子數(shù)最少的烯烴，由于它具有極其活潑的雙鍵構(gòu)造，因而其反響能力很強(qiáng)，且本錢低、純度高、易于加工利用，所以是有機(jī)化工中最重要的根本原料。通過乙烯的聚合、氧化、鹵化、烷基化、水合、羰基化、齊聚等反響的實(shí)現(xiàn)，可以得到一系列極有價(jià)值的乙烯衍生物，如環(huán)氧乙烷、乙二醇、乙醛、醋酸、醋酸乙烯、乙苯、聚乙烯等，由乙烯出發(fā)還可生產(chǎn)溶劑、外表活性劑、增塑劑、合成洗滌劑、農(nóng)藥、醫(yī)藥等。環(huán)氧乙烷(O*irane)又名氧化乙烯(EthyleneO*ide)，是最簡單的環(huán)狀醚,分子式C2H4O，分子量44.05。環(huán)氧乙烷是以乙烯為原料的主要石油化工產(chǎn)品之一。世界乙烯總產(chǎn)量的16％用來生產(chǎn)環(huán)氧乙烷，環(huán)氧乙烷是乙烯工業(yè)衍生物中僅次于聚乙烯的第二位重要化工產(chǎn)品。環(huán)氧乙烷還是重要的石油化工原料及有機(jī)和精細(xì)化工產(chǎn)品的中間體，主要用來生產(chǎn)乙二醇。隨著精細(xì)化工的開展，環(huán)氧乙烷已成為精細(xì)化工工業(yè)不可缺少的一種有機(jī)化工原料[1]環(huán)氧乙烷早期采用氯醇法工藝生產(chǎn)，20世紀(jì)20年代初，UCC公司進(jìn)展了工業(yè)化生產(chǎn)，之后公司基于Lefort有關(guān)銀催化劑的研究成果，使用銀催化劑，推出空氣法乙烯直接氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷工藝。50年代末，Shell公司采用近乎純氧代替空氣作為生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的氧原料，推出氧氣法乙烯直接氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷工藝，經(jīng)過不斷改進(jìn)，目前較先進(jìn)的生產(chǎn)方法是用銀作催化劑，在列管式固定床反響器中，用純氧與乙烯反響，采用乙烯直接氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷[25]。環(huán)氧乙烷是石油化學(xué)工業(yè)的重要產(chǎn)品，也是一種根本有機(jī)化工原料，用途很多，廣泛用于生產(chǎn)乙二醇、非離子外表活性劑、乙醇胺、乙二醇醚溶劑、醫(yī)藥中間體、油田化學(xué)品、農(nóng)藥乳化劑等各種精細(xì)化學(xué)品。環(huán)氧乙烷的工業(yè)化生產(chǎn)已經(jīng)有半個(gè)多世紀(jì)的歷史，最早的工業(yè)化生產(chǎn)方法是氯醇法，由于其存在腐蝕設(shè)備、污染環(huán)境和耗氯量大等一系列問題，現(xiàn)在己根本上被淘汰了，取而代之的是直接氧化法直接氧化法又分為空氣氧化法和氧氣氧化法，其主要區(qū)別在于乙烯的氧化劑各不一樣。在環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)開展過程中，生產(chǎn)技術(shù)和工藝過程都有不斷的改進(jìn)和革新，到目前為止，世界上幾乎所有的環(huán)氧乙烷都是用乙烯直接氧化法生產(chǎn)的。直接氧化法中，首先出現(xiàn)的是空氣氧化法，而后氧氣氧化法問世，二者并行：近幾十年來，許多廠家都采用氧氣氧化法生產(chǎn)環(huán)氧乙烷，因?yàn)檠鯕庋趸ú恍枰諝鈨艋到y(tǒng)，并且氧氣氧化法的環(huán)氧乙烷收率高于空氣氧化法，乙烯單耗較低。由于用純氧作氧化劑，連-.z.系統(tǒng)的惰性氣體大為減少，未反響的乙烯根本上可完全循環(huán)使用。本設(shè)計(jì)采用氧氣直接氧化法，對原有的單元設(shè)備進(jìn)展生產(chǎn)能力標(biāo)定和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)的選型及尺寸確實(shí)定，計(jì)算壓降、催化劑的用量等，設(shè)計(jì)出符合設(shè)計(jì)要求的反響器。第二章環(huán)氧乙烷物化性質(zhì)2.1物理性質(zhì)常溫下環(huán)氧乙烷為無色、具有甜醚味的氣體。在較低的溫度下環(huán)氧乙烷成為無色、透明、易流動(dòng)的液體。易溶于水、醚和醇等有機(jī)溶劑。表1-1環(huán)氧乙烷的主要物理性質(zhì)物理性質(zhì)數(shù)據(jù)10.8下限臨界溫度，℃ 195.8臨界壓力，Mpa 7.194-.z.臨界密度，kg/m3折射率，7D

3141.3597-.z.空氣中爆炸極限

2.6上限 100-.z.29.648蒸汽71.13-.z.液體97.49-.z.熔解熱，kJ/kg 聚合熱，kJ/kg 2091580.581.96氣相分解熱，kJ/kg 1901著火點(diǎn)，K 702自燃點(diǎn)，K 64424.30.00012390℃0.3l-.z.10℃0.2810℃0.28-.z.2.2化學(xué)性質(zhì)環(huán)氧乙烷的化學(xué)性質(zhì)非常活潑能與很多化合物進(jìn)展反響其反響主要是環(huán)氧乙烷開環(huán)與其它化合物進(jìn)展加成反響放出大量反響熱有的反響進(jìn)展得非常劇烈甚至產(chǎn)生爆炸。許多反響產(chǎn)物是重要的有機(jī)化工及精細(xì)化工產(chǎn)品。1)分解反響4以及C2H6、C2H4、H2、、CH3CO等分解反響的第一步是環(huán)氧乙烷異構(gòu)成乙醛環(huán)氧乙烷的分解反響還可以被引發(fā)，且在一定條件下會(huì)在氣相中傳播，直到瞬時(shí)產(chǎn)生爆炸。2)加成反響環(huán)氧乙烷與含有活潑氫原子的化合物，如H2O、H*、NH3、2、R2、為烷基或芳基)。環(huán)氧乙烷與水反響生成乙二醇，這是工業(yè)上生產(chǎn)乙二醇的方法。C2H4OH2OCH2OH該反響為放熱反響，熱效應(yīng)為96.3kJ/mol。反響過程不采用催化劑。生成的乙二醇可以與環(huán)氧乙烷繼續(xù)作用生成二甘醇、三甘醇及多甘醇。環(huán)氧乙烷與醇反響生成醚，其反響的最終產(chǎn)品是至少含一個(gè)羥基的醚。CH2CH2HnC2H4O環(huán)氧乙烷*CH2CH2O)n1H可為鹵素氫羥等,在乙二醇生產(chǎn)中生成局部二甘醇三甘就是環(huán)氧乙烷進(jìn)一步與乙二醇反響的產(chǎn)物。如果進(jìn)一步反響可以生成分子量更大的化合物。環(huán)氧乙烷與苯酚反響生成苯氧基乙醇。-.z.C2H4OC6H5OHC6H5OCH2CH2OH其酯類是香料的定香劑、殺菌劑和驅(qū)蟲劑。環(huán)氧乙烷可以與氨反響生成一乙醇胺二乙醇胺和三乙醇胺這是工業(yè)上制造乙醇胺的方法該反響一般是在高壓較低溫度和液相下進(jìn)展的三種產(chǎn)品的比例可通過氨與環(huán)氧乙烷的摩爾比例來調(diào)節(jié)，氨過量有利于一乙醇胺的生成。環(huán)氧乙烷可與有機(jī)酸、無機(jī)酸反響生成相應(yīng)的酯。環(huán)氧乙烷與硝酸反響最為重要，生成的乙二醇二硝酸酯是能在低溫下引爆的炸藥。C2H4O2HNO3OCH2CH2O3)氧化復(fù)原反響在鈉汞齊及催化劑存在下環(huán)氧乙烷加氫復(fù)原生成乙醇此反響沒有工業(yè)意義環(huán)氧乙烷在鉑黑等催化劑存下可以有控制地氧化成羥基乙酸，最終則被氧化成二氧化碳及水。4)異構(gòu)化反響環(huán)氧乙烷在三氧化二鋁、磷酸、磷酸鹽等催化劑存在下可異構(gòu)化為乙醛。C2H4OCH3CHO在一定的條件下銀催化劑也有此功能，這是乙烯氧化制環(huán)氧乙烷過程的副反響之一，要竭力防止，因?yàn)槿┑拇嬖谠黾恿谁h(huán)氧乙烷提存凈化的難度。5)與雙鍵進(jìn)展加成反響環(huán)氧乙烷和以下一些含雙鍵的化合物可進(jìn)展加成反響生成環(huán)狀化合物，例如6)與格利雅試劑反響環(huán)氧乙烷與格利雅試劑反響可生成比原來烷基多兩個(gè)碳原子的醇這是實(shí)驗(yàn)室制備加長碳鏈醇的一種方法，羥基在鏈的端部。7)齊聚反響環(huán)氧乙烷進(jìn)展齊聚反響可生成冠醚催化劑為含氟的路易斯酸反響在室溫常壓下進(jìn)展。-.z.8)與二甲醚反響在B3作用下環(huán)氧乙烷與二甲醚反響生成聚乙二醇二甲醚該反響在工業(yè)上用來生產(chǎn)低分子量的均聚物，其產(chǎn)品廣泛用作溶劑[7]。-.z.第三章3.1環(huán)氧乙烷生產(chǎn)藝目前我國工業(yè)生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的方法有氯醇法和直接氧化法兩種直接氧化法又分為乙烯空氣氧化法及乙烯氧氣氧化法。(1)氯醇法成氯乙醇；<2>氯乙醇用石灰乳皂化生成環(huán)氧乙烷。氯醇法生產(chǎn)工藝的嚴(yán)重缺點(diǎn)大致有<l>消氯氣排放大量污水造成嚴(yán)重污染；烷，醛的含量很高，約為，最低亦有2500 。氯氧化法生產(chǎn)的高質(zhì)量產(chǎn)品相比失去了市場競爭能力采用氯醇法生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的小型石油化工廠正在受到嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。直接氧化法分為空氣法和氧氣法兩種這兩種氧化方法均采用列管式固定床反響器。反響器是關(guān)鍵性設(shè)備，與反響效果密切相關(guān)，其反響過程根本一樣，都包括反響、吸收、汽提和蒸餾精制等工序?？諝庋趸ù朔椒ㄓ每諝鉃檠趸瘎┮虼吮仨氂锌諝鈨艋b置以防止空氣中有害雜質(zhì)帶入反響器而影響催化劑的活性空氣法的特點(diǎn)是有兩臺(tái)或多臺(tái)反響器串聯(lián)即主反響器和副反響器為使主反響器催化劑的活性保持在較高水平(63-75％)常以低轉(zhuǎn)化率進(jìn)展操作，保持在20-50％范圍內(nèi)。氧氣氧化法氧氣法不需要空氣凈化系統(tǒng)而需要空氣別離裝置或有其它氧源由于用純氧作氧化劑連續(xù)引入系統(tǒng)的惰性氣體大為減少未反響的乙烯根本上可完全循環(huán)使用。從吸收塔頂出來的氣體必須經(jīng)過脫碳以除去二氧化碳，然后循環(huán)返回反響器，不然二氧化碳濃度超過-.z.根據(jù)環(huán)保及本錢限制，本設(shè)計(jì)選用直接空氣氧化法。3.2環(huán)氧乙烷生產(chǎn)的設(shè)計(jì)方案催化劑由于選擇性在反響過程中的重要性所以要選擇選擇性好的催化劑銀催化劑對乙劑由活性組分銀載體和助催化劑組成助催化劑主要有堿金屬堿土金屬稀土金屬化合物等其作用是提高活性增大穩(wěn)定性延長壽命抑制劑的作用是抑制非目標(biāo)產(chǎn)烯氧化制環(huán)氧乙烷的特殊性要求載體比外表積低并且以大孔為主。工藝參數(shù)環(huán)比、抑制劑等。一樣反響速度隨溫度升高而加快乙烯直接氧化過程的主副反響都是強(qiáng)放熱反響且副反響深-.z.的反響因此采用加壓操作有利因主副反響根本上都是不可逆反響故壓力對主、副反響的平衡沒有太大影響。加快，相應(yīng)就要提高反響器的換熱速率，這樣對反響器的構(gòu)造就提出更高的要求?！?〕空速常用每小時(shí)每升或催化劑通過的原料氣的升或m3)數(shù)來表示對于乙烯直接氧化過程實(shí)踐證明，難，動(dòng)力消耗增加?？账僖膊灰颂?，因此時(shí)雖然轉(zhuǎn)化率增加，但選擇性下降，生產(chǎn)能力也下降。另外空速小還要根據(jù)催化劑的活性及制造方法反響溫壓力和反響氣體的組成等因素而定。原料中乙烯與氧的配比對反響過程影響很大，其值主要決定于原料混合氣的爆炸極限。在混合氣體中乙烯的爆炸下限是2.05％，在2.05—6.5％的乙烯濃度范圍內(nèi)氧含量不得大于71％實(shí)際生產(chǎn)中一種是選取低氧高乙烯配比另一種是高氧低乙烯配比。從裝置的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)性來看低氧高乙烯操作優(yōu)于高氧低乙烯操作因此在可能的體積下應(yīng)盡量采用低氧高乙烯操作在確定適宜的配料比時(shí)還應(yīng)注意到提高乙烯含量可能會(huì)導(dǎo)致尾氣中乙烯損失過多而影響經(jīng)濟(jì)指標(biāo)當(dāng)乙烯含量接近5％時(shí)操作面影響因素，來確定最適宜的配料比。力消耗及其它工藝指標(biāo)來確定適宜的循環(huán)比，通常為〔5〕抑制劑-.z.業(yè)上常用的抑制劑是等選擇致穩(wěn)劑需要根據(jù)生產(chǎn)平安性穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益情況來確定目前世界上環(huán)氧乙烷專利商都先后將氮?dú)庵路€(wěn)更新為甲烷致穩(wěn)它與氮?dú)庵路€(wěn)相比不僅增加了生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和平安性，而且有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。環(huán)氧乙烷生產(chǎn)工藝流程環(huán)氧乙烷生產(chǎn)裝置的主要設(shè)備有反響器、吸收塔、反響系統(tǒng)的氣-氣換熱器和循環(huán)氣冷卻器。此次設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為年產(chǎn)萬噸環(huán)氧乙烷固定床反響器，年工作時(shí)間為7200小時(shí)/年。本次設(shè)計(jì)采用氧氣氧化法進(jìn)展環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)以氧氣作為氧化劑乙烯在Ma、250℃下通過裝有銀催化劑的固定床反響器，直接氧化為環(huán)氧乙烷。環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)系統(tǒng)分為三局部：反響系統(tǒng)、回收系統(tǒng)和二氧化碳脫除系統(tǒng)。下面逐一進(jìn)展介紹。1)環(huán)氧乙烷的反響系統(tǒng)反響系統(tǒng)是以一種循環(huán)過程來操作的以乙烯和氧氣為原料使用甲烷致穩(wěn)從外界貯罐來的乙烯在過濾器中進(jìn)展過濾，經(jīng)換熱器預(yù)熱，然后按著一定的路線進(jìn)入混合器，與從環(huán)氧乙烷吸收塔頂部通過別離器別離出的循環(huán)氣進(jìn)展混合乙烯混合器中的循環(huán)氣進(jìn)入壓縮機(jī)的吸入口并在氧氣混合器之前，由壓縮機(jī)進(jìn)展壓縮。從外界來的氧氣進(jìn)料通過過濾器之后在流量控制下進(jìn)入氧氣混合器為了能在進(jìn)料之后和開車期間可靠地對氧氣混合器進(jìn)展吹掃一個(gè)高壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)及氮?dú)獯祾吖捱B接在緊靠氧氣混合站上游的氧氣進(jìn)料線上為控制循環(huán)氣中的二氧化碳濃度一股循環(huán)氣的分支物流被送往二氧化碳脫除工段[8]。從氧氣混合器出來的含有乙烯和氧氣的循環(huán)氣在換熱器的管程進(jìn)展加熱后進(jìn)入反應(yīng)器在反響器的殼程用石蠟油來移走反響熱以控制反響溫度含有環(huán)氧乙烷的氧化氣進(jìn)入附帶的循環(huán)氣鍋爐給水預(yù)熱器，而后反響器出口全體流經(jīng)循環(huán)器換熱器的殼程，-.z.與反響器入口氣體換熱被進(jìn)一步冷卻下來之后循環(huán)氣體進(jìn)入循環(huán)氣冷卻器進(jìn)展最后的冷卻。本反響使用一種氣相狀態(tài)的抑制劑來控制反響活性循環(huán)氣在氧氣進(jìn)料混合器和循環(huán)氣熱交換器之間分叉轉(zhuǎn)向壓入裝有液體二氯乙烷的貯罐使這股循環(huán)氣中的二氯乙烷濃度到達(dá)飽和然后在乙烯進(jìn)料混合器和循環(huán)氣壓縮機(jī)之間再次進(jìn)入反響循環(huán)氣中反響進(jìn)料不是絕對純潔，有必要依次從別離器下游定期排放惰性組分。2)環(huán)氧乙烷的回收系統(tǒng)從冷卻器出來的氧化氣進(jìn)入到環(huán)氧乙烷吸收塔底部使用從環(huán)氧乙烷氣提塔底部過來的乙二醇水溶液以及從泵過來的工藝水進(jìn)展吸收，保證吸收液的濃度恒定在7.5％(t％)吸收下來的環(huán)氧乙烷按一定的路線進(jìn)到氧化物-水閃蒸罐進(jìn)一步閃蒸出惰性氣體然后經(jīng)換熱器進(jìn)入環(huán)氧乙烷氣提塔使環(huán)氧乙烷和水進(jìn)展別離環(huán)氧乙烷蒸汽從塔頂出來經(jīng)冷卻器進(jìn)展冷凝后收集在回流罐中回流罐中的環(huán)氧乙烷用泵打出一局部返回到環(huán)氧乙烷氣提塔頂部作回流用另一局部送往排氣塔中脫除二氧化碳塔底用再沸器進(jìn)展加熱，塔底中不含二氧化碳的環(huán)氧乙烷經(jīng)冷卻器冷卻后用泵送到環(huán)氧乙烷貯罐。環(huán)氧乙烷氣提塔頂部冷凝器中的不凝氣送到惰性氣體洗滌塔中同閃蒸罐中閃蒸出的惰性氣體一起被洗滌后送往尾氣壓縮機(jī)吸入罐中再進(jìn)入尾氣壓縮機(jī)中壓縮經(jīng)二氧化碳脫除系統(tǒng)進(jìn)入環(huán)氧乙烷反響循環(huán)系統(tǒng)。在環(huán)氧乙烷吸收塔中未被吸收下來的環(huán)氧乙烷以及其它惰性氣體經(jīng)別離器進(jìn)一步別離之后送往乙烯混合器中循環(huán)使用。3)二氧化碳脫除系統(tǒng)來自尾氣壓縮機(jī)的一股氣流和尾氣壓縮機(jī)出口的氣流混合為一股進(jìn)入二氧化碳吸收塔的底部與從塔頂向下流動(dòng)的吸收劑在填料上充分接觸完成吸收后進(jìn)入二氧化碳水洗塔通過填料層和除霧器除掉氣流中夾帶的微量的鉀和礬的化合物微粒以防止這些物質(zhì)帶入反響器造成催化劑中毒這股氣流冷卻后返回到循環(huán)氣流中與其它物流混合。從二氧化碳吸收塔頂部流下的二氧化碳吸收劑在與循環(huán)氣接觸完成二氧化碳的吸收之后，在二氧化碳吸收塔底部靠壓差進(jìn)入閃蒸罐中，這時(shí)的吸收劑被稱為富吸收劑，富吸收劑在閃蒸罐中進(jìn)展減壓閃蒸閃蒸出來的氣體進(jìn)入尾氣壓縮機(jī)再吸入罐中經(jīng)尾氣壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)閃蒸后的吸收劑流向二氧化碳再生塔的頂部經(jīng)再沸-.z.器加熱后被吸收的二氧化碳就釋放出來排入大氣中再生后的吸收劑被稱為貧吸收劑貧吸收劑集聚于再生塔的底部被分為三股一股經(jīng)再沸器加熱循環(huán)一股經(jīng)泵在過濾器中過濾存貨使用余下的進(jìn)入貧吸收劑閃蒸罐中再次進(jìn)展閃蒸后由貧吸收劑泵打回吸收塔中進(jìn)展下一個(gè)循環(huán)[9]。水洗塔有兩個(gè)循環(huán)回路來移走氣體物流中的微量鉀和礬的化合物用二氧化碳水洗塔下部循環(huán)泵把塔底的液體抽出來經(jīng)一個(gè)冷卻器送到下部填料段的頂部用二氧化碳水洗塔上部的循環(huán)泵從上部填料段的底部抽出液體循環(huán)到上部填料段的底部抽出液體再循環(huán)到上部填料段的頂部兩個(gè)循環(huán)泵系統(tǒng)共用一臺(tái)公用的備用泵高壓工藝水通過一流量控制器補(bǔ)充到上部的循環(huán)回路中以便控制水洗塔中鉀的濃度用二氧化碳吸收劑罐和二氧化碳吸收劑池作為二氧化碳脫除系統(tǒng)運(yùn)行的必要裝置不管是吸收劑罐還是口出物產(chǎn)環(huán)氧乙烷浸漬塔水業(yè)工再吸收塔環(huán)氧乙烷解析塔機(jī)縮壓環(huán)循口出物產(chǎn)環(huán)氧乙烷浸漬塔水業(yè)工再吸收塔環(huán)氧乙烷解析塔機(jī)縮壓環(huán)循環(huán)氧乙烷洗滌塔接觸塔碳化氧二再生塔烯乙氣氧氧化反響器統(tǒng)系醇二乙去乙二醇進(jìn)料解析塔鉀氧化反響器統(tǒng)系醇二乙去乙二醇進(jìn)料解析塔鉀酸碳-.z.第四章工藝計(jì)算工藝參數(shù)優(yōu)化包括物料衡算和熱量衡算兩局部。物料衡算以質(zhì)量守恒定律為根底，主要計(jì)算所需物料量和產(chǎn)品量還可以算出物料的組成確定物料中各組分在化學(xué)反響過程中的定量轉(zhuǎn)化關(guān)系，并通過衡算求得原料的定額消耗。其計(jì)算依據(jù)是工藝流程圖、在工廠采集的數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)時(shí)要求的和查得的各種參數(shù)1012]。熱量衡算以能量守恒定律及物料衡算為根底計(jì)算傳入傳出的熱量從而確定公用工程的能耗以及傳熱面積。其計(jì)算依據(jù)與物料衡算一樣13]。4.1設(shè)計(jì)條件反響原理(1)乙烯和氧氣在銀催化劑上，于一定溫度和壓力下，直接氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷，反響方程式可表為：-.z.主反響：C2H4

1C2H4O2-.z.的熱量。反響(4-1)為放熱反響，在250℃時(shí)，每生成一摩爾環(huán)氧乙烷要放出25.19KJ-.z.-.z.副反響：CH2CH22H2O

(4-2)-.z.的熱量。-.z.原料組成表4-1原料氣的組成組分C2H4N23.47.75.683.3反響器設(shè)計(jì)條件原料進(jìn)入反響器的溫度為210℃反響溫度為250℃反響壓力為乙烯轉(zhuǎn)化率為5000h年工作時(shí)間7200小時(shí)，年產(chǎn)量噸反響產(chǎn)物別離后回收率為90%反響器內(nèi)催化劑填充高度為管長95%，每根管長6米采用間接換熱方式導(dǎo)出液進(jìn)口溫度230℃出口溫度235℃,導(dǎo)出液對管壁的給熱系數(shù)為2·K0.8在下反響氣體導(dǎo)熱系數(shù)為0.0304W/m2K,粘度為4.26×10度為7.17kg/m3。4.2物料衡算1)反響局部的工藝參數(shù)環(huán)氧乙烷生產(chǎn)能力：1.5萬噸/年；年操作時(shí)間：7200小時(shí)進(jìn)入反響器的溫度：210℃；反響溫度：250℃乙烯轉(zhuǎn)化率：21.0％；選擇性：67.6%反響空速：5000h1；生產(chǎn)過程平安系數(shù)：1.04-.z.-.z.反響產(chǎn)物別離后回收率：90%原料組成如表4-1所示。表4-1原料氣的組成-.z.組分C2H4N23.47.75.683.3各組分的分子量如表4-2所示：(均取自"石油化工根底數(shù)據(jù)手冊")[4]表4-2各組分的分子量組分C2H4N2C2H4OH2O分子量28.05444.01031.99928.01344.05418.0152)反響局部的根底計(jì)算器的各種氣體組分的摩爾數(shù)，計(jì)算結(jié)果列于表4-3中。1-.z.主反響：

CH2CH2＋O2C2H4O2-.z.副反響：

CH2CH23O22H2O2CO2

(4-2)-.z.由式(4-1)有×0.21×0.676=0.4827kmol消耗氧氣量：0.4827×0.5＝0.2414kmol由式(4-2)有可知氮?dú)鈿鍤夂图淄榈牧吭诜错戇^程中不發(fā)生變化所以出口氣體中各組分的量如表4-3所示。-.z.表4-3組分C2H4N2C2H4OH2O入口3.47.75.683.300出口2.724.6828.162483.30.44880.4624-.z.1.5107/h-.z.720044.0540.90綜上所述，氣體進(jìn)料為100kmol/h時(shí)，可生產(chǎn)環(huán)氧乙烷0.4827kmol/h。假設(shè)要到達(dá)35.03100/h0.4488為了保證所設(shè)計(jì)的裝置能夠到達(dá)所要求的生產(chǎn)能力，必須考慮到原料損失等因素，3)原料氣與出口氣的組成計(jì)算根據(jù)基準(zhǔn)氣體進(jìn)料為時(shí)的計(jì)算結(jié)果，可以折算出實(shí)際進(jìn)料量為表4-4實(shí)際進(jìn)料時(shí)的物料衡算(a)組分kg/hC2H428.054384.88010797.4243.43.2444.010633.91920284.7745.66.0831.999871.63938360.8327.7N228.0139429.553264150.06883.379.18C2H4O44.0540000H2O18.0150000合計(jì)333593.098100100(b)組分kg/hC2H428.0546203.022.692.593-.z.44.010528.512154.824.685.08131.999105.7429157.518.1812.189N228.0139429.4189425.5983.579.185C2H4O44.05454.21605.770.480.671H2O18.01551.95671.240.460.281合計(jì)11292.7239217.951001004.3熱量衡算反響器的熱量衡算參照"環(huán)氧乙烷與乙二醇生產(chǎn)"的步驟進(jìn)展[1417]。設(shè)原料氣帶熱損失時(shí)，有-.z.1)各組分的比熱-.z.-.z.PC0ACT23P

(4-4)-.z.上式中的各項(xiàng)系數(shù)值如表4-5所示。將各項(xiàng)系數(shù)代入上式，即可求得原料氣中各組表4-5各組分的定壓比熱系數(shù)值組分A58C2H45.7037321.438947-6.7284751.17919426.0082－0.234106－0.056194423.056660.5687698－3.1828150.6387703N229.47170－0.04765011.270622－0.4793994H2O32.415020.003422141.285147－0.4408350C2H4O2.223796－12.604382.612272p210℃,氧化氣溫度為250℃.在此條件下各組分的C0值如表4-6所p示-.z.p表4-6各組分的C0p組分C2H4N2原料氣60.831.143.829.6組分C2H4N2H2OC2H4O氧化氣64.331.445.029.835.578.0由"化工熱力學(xué)"可查得真實(shí)氣體與理想氣體的比熱之間關(guān)系的計(jì)算式0 0 0 1-.z.CpCpCpCpCpCp

(4-5)-.z.而和與的關(guān)系可在"化工熱力學(xué)"的圖3-10中查出。原料氣的溫度為P為P為查表計(jì)算，各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果如表4-7、4-8所示。比熱的單位為表4-7原料氣中各組分定壓比熱的壓力校正參數(shù)組分C2H4N2/K282.4154.6304.2126.2pc/5.0365.0467.3763.3943.1251.5883.8280.1990.1980.1360.2950.0850.0210.2250.0400/Jmol-1Kp0.6900.1590.5230.142C1/JKp0.6700.0240.5440C/JKp61.54731.26044.44529.742表4-8出口氣中各組分定壓比熱的壓力校正參數(shù)組分C2H4N2C2H4OH2O282.4154.6304.2126.2647.3469pc5.0365.0467.3763.39422.057.1941.8533.3841.7204.1450.808-.z.0.1990.1980.1360.2950.0450.1390.0850.0210.2250.0400.3440.2000p0.5650.1300.4061.6751.130C1p0.4190.0080.50203.1404.187Cp64.90131.53045.51929.91380.77537.467-.z.2)熱量衡算①原料氣帶入的熱量Q1原料氣的入口溫度為483.15niCpi)(kJ/h)i(4-6)-.z.計(jì)算結(jié)果列于表4-9中。表4-9原料氣帶入的熱量-.z.組分*ni*niCpiC2H461.5980.0342.09331.2340.0561.75144.4730.0773.422N229.7570.83324.775合計(jì)-1.0032.041-.z.由計(jì)算結(jié)果可知N*niCpit入(4-7)-.z.-.z.77

kJ/h-.z.(2) 在操作條件下，主副反響的熱效應(yīng)分別為-.z.主反響：CH1OCHO25.19kcal/-.z.2 4 2 2 2 4-.z.副反響：C2H42H2O315.9kcal/

(4-2)-.z.(以上兩式均由"環(huán)氧乙烷與乙二醇生產(chǎn)"查得)。-.z.主反響的放熱量為:Q21384.880.20.6625.191034.18865.765106/h-.z.-.z.副反響的放熱量為:Q22384.880.20.34315.91034.18863.465107/h-.z.-.z.總反響熱為：Q2Q21Q22(0.57651074.042107/h-.z.(3) 氧化氣出口溫度為523.15niCpi)(kJ/h)J (4-8)i計(jì)算結(jié)果列于表4-10中。表4-10出口氣帶出的熱量組分*ni*niCpiC2H464.8570.02691.74631.5630.04681.47645.5350.08183.723N229.9030.835024.977C2H4O79.7280.00480.388H2O38.0510.00460.172合計(jì)-1.0032.482-.z.由計(jì)算結(jié)果可知N*niCpi出(4-9)-.z.則=11292.7×32.482×250=9.171×10-7kJ/h(4) Q4(4-3)可得反響器的換熱量2.488×107kJ/h-.z.第五章反響器的工藝參數(shù)優(yōu)化在物料衡算和熱量衡算的根底上可以對反響局部主要設(shè)備的工藝參數(shù)進(jìn)展優(yōu)化計(jì)算。這一局部主要是反響器的工藝參數(shù)優(yōu)化18]。設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力：1.5萬噸/年；生產(chǎn)過程平安系數(shù)：1.04；年操作時(shí)間：7200小時(shí)；操作壓力:1Mpa；本設(shè)計(jì)采用一臺(tái)反響器進(jìn)展反響。空隙率0.8；-1；(5本反響器采用間接的換熱方式反響熱用油撤走導(dǎo)出液進(jìn)口溫度230℃，導(dǎo)出液出口溫度235℃，導(dǎo)出液對管壁的給熱系數(shù)為650W/m2(6原料氣進(jìn)口溫度為210℃氧化氣出口溫度為250℃250℃1Mp下反響氣體導(dǎo)熱系數(shù)為0.0304W/m2Kg/m3。5.1催化劑的用量-.z.催化劑總體積VR(m3)是決定反響器主要尺寸的根本依據(jù)，其計(jì)算公式如下所示：-.z.SRV(5-1)SRv總式中Vm3/h；總Sv—空速，h-.z.V-.z.pVba1Tb)(5-2)-.z.22.5-.z.a0.42748Rpcb0.08664pc

(5-3)(5-4)-.z.方程中參數(shù)a和b常采用混合規(guī)則：n n-.z.amyiyjaij

(5-5)-.z.i1j-.z.-.z.ni1(5-6)-.z.穿插項(xiàng)-.z.(aiaj)0.5k)

(5-7)-.z.ij其中kij0ij和-.z.T由表4-7知各物質(zhì)的Tc和pc-.z.表5-1原料氣的計(jì)算組分C2H4N2a/P.m60.5moli a7.86341.74036.46571.5577b/m3mol×105i4.03932.20692.97082.6784表5-2原料氣穿插項(xiàng)的計(jì)算組分C2H4N2C2H47.86343.69927.13043.4998-.z.1.74033.35441.64646.46573.1735N21.5577由計(jì)算結(jié)果可知-.z.am=1.902bm=2.721×10-5查化工熱力學(xué)，可知RK方程的直接迭代方程為〔5-2〕代入式〔5-2〕有以

bm=2.721×10-5環(huán)-.z.-.z.迭代的結(jié)果如表5-3表5-3-.z.V4.0169103m3Z2Z14.026759103m37.7270610-64.026801103m3-.z.有V總4.026801m345583.351m3/h-.z.所以，由公式(5-1)得-.z.m2計(jì)算公式如下所示:床層高度為H=6×95%=5.7m故5.2確定氧化反響器的根本尺寸對于列管式固定床反響器首先應(yīng)根據(jù)傳熱要求選定選擇32×3的不銹鋼管作為反響器的反響管規(guī)格再求出反響管根數(shù)n反響管內(nèi)徑di=2-3×2=26=0.026m反響管根數(shù)-.z.n4d2iHAd2i4(5-10)-.z.由公式(5-10)可得n

1.5990.026243011.7根-.z.經(jīng)圓整可得，反響管根數(shù)為3012根。氧化反響器裝置簡圖及列管的排列方式見下：圖5.1氧化反響器的裝置簡圖-.z.圖5.2列管的排列方式5.3床層壓力降的計(jì)算由"根本有機(jī)化學(xué)工程下冊"可查得如下計(jì)算公式-.z.G 1[151)1.75G]-.z.3H g3gdp dp-.z.kg/m2；H——催化劑床層高度，m：G——質(zhì)量流速，kg/m2·s；3g——?dú)怏w密度，/m；3g——重力加速度，m/s2；——固定床空隙率；dp-.z.d-.z.H5.7m0.8Gm333593.098Kg/h57.95Kg/(m2s)-.z.-5A 1.599m23600-5-.z.3g=7.173dp=0.005m -.z.-.z. 57.957.179.80.00510.80.834.2610(0.0051.7557.95)5.7-.z.37338.580kg/m25.4傳熱面積的核算床層對壁面的給熱系數(shù)1對于氧化反響器，催化劑床層是被冷卻的。此時(shí)催化劑床層與反響器內(nèi)壁的給熱系數(shù)1，可用下式(見"環(huán)氧乙烷與乙二醇生產(chǎn)")進(jìn)展計(jì)算：-.z.1didudp g)0.7e*p(4.6 p)

(5-12)-.z.g g di-.z.2式中1—床內(nèi)氣體的給熱系數(shù)，W/(m2K)；-.z.di—反響管內(nèi)徑，0.026m；dp-.z.g—通過床層的氣體的導(dǎo)熱0.0304W/(mK)；-.z.mu3g—通過床層的氣體的密度，7.17kg/m。3氣體的線速度可由公式-.z.A(5-13)-.z.-.z.得u45583.3517.919m/s36001.146-.z.總傳熱系數(shù)的計(jì)算以管外外表為基準(zhǔn)，不銹鋼反響管導(dǎo)熱系數(shù)取/(mC)，壁面污垢熱-.z.21.76102K/W，可以忽略。-.z.-.z.其計(jì)算公式如下K 11d2d2lnd21-.z.1 22-.z.參見"化工原理上冊"K 1 1 320.032ln321 -.z.802.271 26

217.97

26 650-.z./(m2K)傳熱面積的核算-.z.對數(shù)平均溫差公式為tmt2lnt2(5-15)-.z.(250(235-.z.tmln250230235210-.z.-.z.又Ktm(5-16)-.z.-.z.則有A 2.4881071031004.479m2-.z.需3600307.01922.41-.z.又dLn(5-17)-.z.-.z.則有3.140.032630121815.875m2-.z.可知A實(shí)>A需即實(shí)際傳熱面積大于按傳熱計(jì)算所需的傳熱面積所以設(shè)計(jì)符合要求。5.5反響器塔徑確實(shí)定-.