《2022年年产l;万吨环氧乙烷的固定床反应器设计课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年年产l;万吨环氧乙烷的固定床反应器设计课程设计.docx（51页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、精选学习资料 - - - - - - - - - 年产 l.5 万吨环氧乙烷地固定床反应器设计目录摘 要 . 2Abstract . 2第一章 概述 . 2其次章环氧乙烷地性质. 52.1 物理性质 . 52.2 化学性质 . 6第三章 设计方案地确定 . 83.1 环氧乙烷地生产方法地确定. 83.2 催化剂地挑选 . 93.3 环氧乙烷生产工艺条件地确定. 93.3.1 反应温度 . 9 3.3.2 反应压力 . 9 3.3.3 空速 . 103.3.4 原料配比和循环比 . 103.3.5 抑制剂 . 11 3.3.6 稳固剂地挑选 . 113.4 环氧乙烷生产地工艺流程. 113.4.
2、1 工艺流程概述 . 11 第四章 工艺运算 . 144.1 设计条件 . 144.1.1 反应原理 . 14 4.1.2 原料组成 . 144.1.3 反应器条件 . 154.2 物料衡算 . 154.3 热量衡算 . 18 第五章 反应器地设计 . 235.1 催化剂地用量 . 235.2 确定氧化反应器地基本尺寸. 255.3 床层压力降地运算 . 265.4 传热面积地核算 . 275.4.1 床层对壁面地给热系数地运算. 275.4.2 总传热系数地运算 . 275.4.3 传热面积地核算 . 285.5 反应器塔径地确定 . 29 第六章 结论 . 31 参考文献 . 32 致谢
3、. 33名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 摘 要综述了环氧乙烷地性质、用途及生产方法.简介了直接氧化法合成环氧乙烷地方法及反应原理.以年产 l.5万吨环氧乙烷地固定床反应器设计为例,介绍固定床反应器工艺运算和结构运算情 况.依据设计条件和要求,通过物料恒算、热量恒算及其他工艺运算设计出年产 l.5万吨环氧乙烷 地固定床反应器,并确定反应器地选型和尺寸,运算压降,催化剂用量等,设计出符合要求地 反应器 .关键词 环氧乙烷；固定床反应器；物量衡算；能量衡算Abstract The nature use and prod
4、uction methods of Oxirane were simply introduced. Introduced direct oxidation synthesis methods of epoxy ethane and reaction principle.With fixed-bed reactor for producing Oxirane with an annual output of 15000 tons as example,the cajculation situations of process of fixed-bed reactor were introduce
5、d.In the design , wemainly calculated the process parameter and the size of the oxidized reactor. According to the design conditions and requirements , through constant calculate, heat material constant calculate and other process calculation designed annual l5,000 tons of epoxy ethane fixed-bed rea
6、ctor, and determined the reactor selection and size, calculate pressure drop, catalyst etc, designed to meet the requirements of the reactor.Keywords Oxirane ,Fixed-bed reactor,material balance, heat balance第一章 概述名师归纳总结 环氧乙烷 Oxirane 又名氧化乙烯 Ethylene Oxide ,是最简洁地环状醚.分子式 C2H4O,分子第 2 页,共 33 页- - - - - -
7、 -精选学习资料 - - - - - - - - - 量44.05.环氧乙烷是以乙烯为原料地主要石油化工产品之一 .世界乙烯总产量地 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地其次位重要化工产品 .环氧乙烷仍是重要地石油化工原料及有机和精细化工产品地中间体,主要用来生产乙二醇 乙烷已成为精细化工工业不行缺少地一种有机化工原料 1.随着精细化工地进展,环氧环氧乙烷早期采纳氯醇法工艺生产,20世纪 20岁月初, UCC 公司进行了工业化生产,之后 公司基于 Lefort 有关银催化剂地讨论成果,使用银催化剂,推出空气法乙烯直接氧化生产环氧 乙烷工艺 .50岁月末, Shell公
8、司采纳近乎纯氧代替空气作为生产环氧乙烷地氧原料,推出氧气法 乙烯直接氧化生产环氧乙烷工艺,经过不断改进,目前较先进地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,采纳乙烯直接氧化生产环氧乙烷 2-5.环氧乙烷是石油化学工业地重要产品,也是一种基本有机化工原料,用途很多,广泛用于 生产乙二醇、非离子表面活性剂、乙醇胺、乙二醇醚溶剂、医药中间体、油田化学品、农药乳化剂等各种精细化学品 .环氧乙烷地工业化生产已经有半个多世纪地历史,最早地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,现在己基本上被剔除了,取而代之地是 直接氧化法 .直接氧化法又分为空
9、气氧化法和氧气氧化法,其主要区分在于乙烯地氧化剂各不相 同.在环氧乙烷地生产进展过程中,生产技术和工艺过程都有不断地改进和革新,到目前为止,世界上几乎全部地环氧乙烷都是用乙烯直接氧化法生产地.直接氧化法中,第一显现地是空气氧化法,而后氧气氧化法问世,二者并行：近几十年来,很多厂家都采纳氧气氧化法生产环氧乙烷,由于氧气氧化法不需要空气净化系统,并且氧气氧化法地环氧乙烷收率高于空气氧化法,乙烯单耗较低 .由于用纯氧作氧化剂,连续引入系统地惰性气体大为削减,未反应地乙烯基本上可完全循环使用 .本设计采纳氧气直接氧化法,对原有地单元设备进行生产才能标定和技术经济评定 .在此基础上,查阅了大量资料,依据
10、设计条件,通过物料衡算、热量衡算、反应器地选型及尺寸地确名师归纳总结 定,运算压降、催化剂地用量等,设计出符合设计要求地反应器.第 3 页,共 33 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 其次章 环氧乙烷地性质2.1 物理性质表 1-1环氧乙烷地主要物理性质参数名称 数值沸点 101.3kPa,10.8 熔点 101.3lPa,112.5临界温度,195.8临界压力, Mpa 7.194临界密度, kg/m3 314折射率,7D 1.3597
11、空气中爆炸极限 101.3kPa, 体积 下限 2.6空气中爆炸极限 101.3kPa, 体积 上限 100燃烧热 25, 101.3kea,kJ/kg 29.648生成热蒸汽, kJ/mol 71.13生成热液体, kJ/mol 97.49熔解热, kJ/kg 117.86聚合热, kJ/kg 2091汽化热, 10.5 ,kJ/kg 580.58比热容 35 ,kJ/kg.K 1.96气相分解热, kJ/kg 1901着火点, K 702自燃点, K 644表面张力 20,mN/m 24.3热导率 25,J/cm.s.K 0.0001239粘度, mPa.S,00.3l粘度, mPa.S,
12、10 0.28常温下环氧乙烷为无色、具有甜醚味地气体.在较低地温度下环氧乙烷成为无色、透亮、易流名师归纳总结 动地液体 .易溶于水、醚和醇等有机溶剂.主要物理性质如表1.第 5 页,共 33 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 2.2 化学性质环氧乙烷地化学性质特别活泼,能与很多化合物进行反应,其反应主要是环氧乙烷开环与其它化合物进行加成反应,放出大量反应热,有地反应进行得特别猛烈,甚至产生爆炸 .很多反应产物是重要地有机化工及精细化工产品 .1分解反应气体环氧乙烷在约400时开头分解,主要生成CO 、CH4 以及 C2H6 、 C2H4 、 H2 、
13、C、CH3CHO 等.分解反应地第一步是环氧乙烷异构成乙醛.环氧乙烷地分解反应仍可以被引发,且在肯定条件下会在气相中传播,直到瞬时产生爆炸 .2加成反应环氧乙烷与含有活泼氢原子地化合物,如 ROH 、RSH、HCN 等进行加成反应,生产含与水反应H20 、 HX 、 NH3 、 RNH2 、R2NH 、 RCOOH 、OH 地化合物 其中 X为卤素, R为烷基或芳基 .环氧乙烷与水反应生成乙二醇,这是工业上生产乙二醇地方法.生成地乙二醇可以与环氧C2H4OH2OCH2 OHCH2OH 2-1该反应为放热反应,热效应为96.3kJ/mol. 反应过程不采纳催化剂乙烷连续作用生成二甘醇、三甘醇及多
14、甘醇.与醇类反应环氧乙烷与醇反应生成醚,其反应地最终产品是至少含一个羟基地醚 .XCH 2 CH 2 OH nC 2 H 4 O 环氧乙烷）X CH 2 CH 2 O n 1 H 2-2在乙二醇生产中生成部分二甘醇,三甘醇就是环氧乙烷进一步与乙二醇反应地产物 .假如进一步反应可以生成分子量更大地化合物 .与苯酚反应环氧乙烷与苯酚反应生成苯氧基乙醇.2OH 2-3C2H4OC 6H5OHC6H5 OCH2 CH其酯类是香料地定香剂、杀菌剂和驱虫剂.与氨反应环氧乙烷可以与氨反应生成一乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺,这是工业上制造乙醇胺地方法.该反应一般是在高压、较低温度和液相下进行地,三种产品地比例可
15、通过氨与环氧乙烷地摩名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 尔比例来调剂,氨过量有利于一乙醇胺地生成 .与酸反应环氧乙烷可与有机酸、无机酸反应生成相应地酯 二醇二硝酸酯是能在低温下引爆地炸药 .环氧乙烷与硝酸反应最为重要,生成地乙C2H4O2 HNO 3NO 2OCH2 CH2ONO 2 2-43氧化仍原反应在钠汞齐及催化剂存在下环氧乙烷加氢仍原生成乙醇,此反应没有工业意义.环氧乙烷在铂黑等催化剂存下可以有掌握地氧化成羟基乙酸,最终就被氧化成二氧化碳及水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异构化
16、为乙醛 .C 2 H 4 O CH 3 CHO 2-5在肯定地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地副反应之一,要极力防止,由于醛地存在增加了环氧乙烷提存净化地难度 .5与双键进行加成反应环氧乙烷和以下一些含双键地化合物可进行加成反应生成环状化合物,例如 R2C=O 、SC=S、02S=O、 RN=CO 、OS=O等 .6与格利雅试剂反应环氧乙烷与格利雅试剂反应可生成比原先烷基多两个碳原子地醇,这是试验室制备加长碳链醇地一种方法,羟基在链地端部 .（7齐聚反应环氧乙烷进行齐聚反应可生成冠醚,催化剂为含氟地路易斯酸.反应在室温、常压下进行.8与二甲醚反应在BF3作用下环氧乙烷与二
17、甲醚反应生成聚乙二醇二甲醚 量地均聚物,其产品广泛用作溶剂 6.该反应在工业上用来生产低分子名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 33 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第三章 设计方案地确定3.1 环氧乙烷地生产方法地确定目前,我国工业生产环氧乙烷地方法有氯醇法和乙烯氧化法两种,乙烯氧化法又分为乙烯 空气氧化法及乙烯氧气氧化法 .1氯醇法 氯醇法环氧乙烷生产分两步进行：氯气与水反应生成次氯酸,再与乙烯反应生成氯乙 醇；氯乙醇用石灰乳皂化生成环氧乙烷 .2直接氧化法直接氧化法,分为空气法和氧气法两种.这两种氧化方法均采纳列管式固定床反应器.反应器是关键性设备
18、,与反应成效亲密相关,其反应过程基本相同,都包括反应、吸取、汽提和蒸馏 精制等工序 7.空气氧化法：此方法用空气为氧化剂,因此必需有空气净扮装置,以防止空气中有害杂质带入反应器而影响催化剂地活性.空气法地特点是有两台或多台反应器串联,即主反应器和副反应器,为使主反应器催化剂地活性保持在较高水平 6375,通常以低转化率进行操作,保持在 2050范畴内 .氧气氧化法：氧气法不需要空气净化系统,而需要空气分别装置或有其它氧源 .由于用纯氧作氧化剂,连续引入系统地惰性气体大为削减,未反应地乙烯基本上可完全循环使用 .从吸取塔顶出来地气体必需经过脱碳以除去二氧化碳,然后循环返回反应器,不然二氧化碳浓度
19、超过15 mol ,将严峻影响催化剂地活性 .2环氧乙烷地生产方法比较环氧乙烷地生产方法各具特点 .氯醇法生产工艺地严峻缺点大致有：消耗氯气,排放大量污水,造成严峻污染；乙烯次氯酸化生产氯乙醇时,同时副产二氧化碳等副产物,在氯乙醇皂化时生产地环氧乙烷可异构化为乙醛,造成环氧乙烷缺失,乙烯单耗高；氯醇法生产地环氧乙烷,醛地含量很高,约为50007000mg/m3 ,最低亦有2500mg/m3. 氯醇法生产环氧乙烷,由于装置小、产量少、质量名师归纳总结 差、消耗高,因而成本也高,与大装置氧化法生产地高质量产品相比失去了市场竞争才能.采纳第 8 页,共 33 页氯醇法生产环氧乙烷地小型石油化工厂正在
20、受到严峻地挑战.故依据环保及成本地限制要求本试验采纳直接空气氧化法.- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 3.2 催化剂地挑选氧化法生产环氧乙烷地关键是催化剂地挑选.虽然大多数金属和金属氧化物催化剂都能使乙烯发生环氧化反应,但是生成环氧乙烷地挑选性很差,氧化结果主要生成二氧化碳和水 .只有银催化剂例外,在银催化剂上乙烯能挑选性地氧化成环氧乙烷,该催化剂在挑选性、强度、热稳定性和寿命等方面都有肯定地特色.近年来国内外对活性组分银地开发讨论取得了长足地进步.也有不少学者试图开发另一类金属取代银,但至今仍认为活性组分银是乙烯氧化生成环氧乙烷地正确催化剂 .3.3
21、 环氧乙烷生产工艺条件地确定环氧乙烷地生产受反应温度、反应压力、空间速度与空管线速度、原料配比和循环比、抑制剂等工艺条件地制约 .3.3.1 反应温度温度直接影响化学反应速度,在工业生产中,应依据反应过程地详细情形,实行相应措施,使反应温度掌握在相宜范畴之内,以期获得较高地收率.乙烯直接氧化生产环氧乙烷和其它多数反应一样,反应速度随温度上升而加快 .乙烯直接氧化过程地主、副反应都是强放热反应,且副反应 深度氧化 放热量是主反应地十几倍,因此,对反应过程地温度掌握要求特别严格 .当反应温度高时,一是转化率增加,这意味着乙烯氧化地总速率提高,二是生产环氧乙烷地挑选性降低,即更多地乙烯转化成二氧化碳
22、和水,因此,这时反应热量地急骤增加,不是使更多地乙烯被氧化,而是使反应过程地挑选性降低,副反应增加是更重要地缘由 .可见,当反应温度升高时,反应热量就会不成比例地突然增加,使反应过程失控,所以在生产中,对于氧化操作,一般均设有自动爱护装置,预防万一 作温度 .3.3.2 反应压力.此外,在催化剂使用初期,其活性较高,宜采纳较低地操名师归纳总结 乙烯直接氧化反应过程,主反应是体积削减地反应,副反应深度氧化 是体积不变地反应.第 9 页,共 33 页因此,采纳加压操作有利.因主、副反应基本上都是不行逆反应,故压力对主、副反应地平稳没- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - -
23、 - - 有太大影响 .目前,工业生产上采纳加压操作不是出于化学平稳地需要,其目地是提高乙烯和氧地分压,加快反应速率,提高反应器单位容积地产率,以强化生产.但应看到,由于提高反应压力,反应速度加快,相应就要提高反应器地换热速率,这样对反应器地结构就提出更高地要求 .3.3.3 空速空间速度简称空速,所谓空速是指单位时间内,通过单位体积催化剂地反应物地体积数量 .通常用每小时每升 或 m3催化剂通过地原料气地升 或 m3数来表示 .对于乙烯直接氧化过程,实践证明,提高空速,转化率会略有下降,而挑选性将有所上升,在肯定范畴内提高空速可提高设备地生产才能 .但空速也不宜太高,因此虽然产量提高,然而环
24、氧乙烷在反应气体中地含量很低,造成分别困难,动力消耗增加.空速也不宜太低,因此时虽然转化率增加,但挑选性下降,生产才能也下降 .另外,空速大小仍要依据催化剂地活性及制造方法、反应温度、压力和反应气体地组成等因素而定 .3.3.4 原料配比和循环比原料中乙烯与氧地配比对反应过程影响很大,其值主要打算于原料混合气地爆炸极限 .在混合气体中乙烯地爆炸下限是 2.05,在 2.056.5地乙烯浓度范畴内氧含量不得大于 71.实际生产中一种是选取低氧高乙烯配比,另一种是高氧低乙烯配比.从装置地生产才能和经济性来看,低氧高乙烯操作优于高氧低乙烯操作,因此,在可能地体积下,应尽量采纳低氧高乙烯操作 .在确定
25、相宜地配料比时,仍应留意到,提高乙烯含量可能会导致尾气中乙烯缺失过多而影响经济指标 .当乙烯含量接近 5时,操作不易掌握,反应温度增加很快,易产生飞温 .因此,必需依据详细情形,综合考虑各方面影响因素,来确定最相宜地配料比 .循环比是指循环到主反应器地循环气占主吸取塔顶排出气体总量地百分数 .在生产操作中,可通过正确把握循环比来严格掌握氧含量.在工艺设计中,循环比直接影响主、副反应器生产负名师归纳总结 荷地安排 .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,应依据生产能第 10 页,共 33 页力、动力消耗及其它工艺指标来确定相宜地循环比,通常为85-90左右 .- - -
26、- - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 3.3.5 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,相伴发生乙烯地深度氧化,并且生成地环氧乙烷也有少部分发生深度氧化.这不仅降低了环氧乙烷地产率,增加了乙烯地定额消耗,而且发生深度氧化地放热量很大,直接影响操作地稳固 .生产中除采纳优良地催化剂,掌握相宜地转化率及有限移出反应热等措施外,在反应系统中仍使用适量地副反应抑制剂 .工业上常用地抑制剂是 l,2-二氯乙烷 .在催化剂地预处理阶段,l,2-二氯乙烷地用量要多一些,而在加压循环反应系统中,用量要少一些 .3.3.6 稳固剂地挑选世界上生产环氧乙
27、烷地专利很多,使用地致稳剂有：氮气、甲烷、二氧化碳、乙烷等 .挑选致稳剂需要依据生产安全性、稳固性和经济效益情形来确定.目前世界上环氧乙烷专利商都先后将氮气致稳更新为甲烷致稳 .它与氮气致稳相比,不仅增加了生产过程地稳固性和安全性,而且有显著地经济效益 .3.4 环氧乙烷生产地工艺流程环氧乙烷生产装置地主要设备有反应器、吸取塔、反应系统地气-气换热器和循环气冷却器 .其设计生产才能为年产 1.5 万吨环氧乙烷,设计运转时间为 7200 小时年 .3.4.1 工艺流程概述本次设计采纳氧气氧化法进行环氧乙烷地生产,以氧气作为氧化剂,乙烯在 1MPa、250下通过装有银催化剂地固定床反应器,直接氧化
28、为环氧乙烷.环氧乙烷地生产系统分为三部分：反应系统、回收系统和二氧化碳脱除系统.下面逐一进行介绍.1环氧乙烷地反应系统 反应系统是以一种循环过程来操作地,以乙烯和氧气为原料使用甲烷致稳 .从外界贮罐来地 乙烯在过滤器中进行过滤,经换热器预热,然后按着肯定地路线进入混合器,与从环氧乙烷吸收塔顶部通过分别器分别出地循环气进行混合,乙烯混合器中地循环气进入压缩机地吸入口并名师归纳总结 在氧气混合器之前,由压缩机进行压缩.第 11 页,共 33 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 从外界来地氧气进料通过过滤器之后在流量掌握下进入氧气混合器 .为了能在进料之后和
29、开车期间牢靠地对氧气混合器进行吹扫,一个高压氮气压缩机及氮气吹扫罐连接在紧靠氧气混合站上游地氧气进料线上 .为掌握循环气中地二氧化碳浓度,一股循环气地分支物流被送往二氧化碳脱除工段 .从氧气混合器出来地含有乙烯和氧气地循环气,在换热器地管程进行加热后进入反应器 .在反应器地壳程用石蜡油来移走反应热,以掌握反应温度.含有环氧乙烷地氧化气进入附带地循环气/锅炉给水预热器,而后反应器出口全体流经循环器换热器地壳程,与反应器入口气体换热,被进一步冷却下来,之后循环气体进入循环气冷却器进行最终地冷却 .本反应使用一种气相状态地抑制剂来掌握反应活性,循环气在氧气进料混合器和循环气热交换器之间分叉转向压入装
30、有液体二氯乙烷地贮罐,使这股循环气中地二氯乙烷浓度达到饱和,然后在乙烯进料混合器和循环气压缩机之间再次进入反应循环气中 .反应进料不是肯定纯净,有必要依次从分别器下游定期排放惰性组分 .2环氧乙烷地回收系统从冷却器出来地氧化气进入到环氧乙烷吸取塔底部,使用从环氧乙烷气提塔底部过来地乙二醇水溶液以及从泵过来地工艺水进行吸取,保证吸取液地浓度恒定在 7.5wt ,被吸取下来地环氧乙烷按肯定地路线进到氧化物 氧乙烷气提塔使环氧乙烷和水进行分别/水闪蒸罐进一步闪蒸出惰性气体,然后经换热器进入环 .环氧乙烷蒸汽从塔顶出来经冷却器进行冷凝后收集在回流罐中,回流罐中地环氧乙烷用泵打出一部分返回到环氧乙烷气提塔顶部作回流用,另一部分 送往排气塔中脱除二氧化碳,塔底用再沸器进行加热,塔底中不含二氧化碳地环氧乙烷经冷却 器冷却后用泵送到环氧乙烷贮罐 .环氧乙烷气提塔顶部冷凝器中地不凝气送到惰性气体洗涤塔中,同闪