课程设计 环氧乙烷生产工艺设计

化工工艺学课程设计设计题目：环氧乙烷生产工艺设计8物料衡算四15六、工艺流程21七、参考文献22一、设计方案简介 二工艺流程草图及说明计算结果概要五、工艺流程说明一、设计方案简介环氧乙烷（沸点105C）是最简单也是最重要的环氧化合物其用途是制取生产聚酯树脂和聚酯纤维的单体制备表面活性剂，此外还用于制备乙醇胺类、乙二醇醚类等。反应过程分析：ZZ1工业上生产环氧乙烷的方法是乙烯氧化法，在银催化剂上乙烯用空气或纯氧氧化。乙烯在Ag/a-AJOs催化剂存在下直接氧化制取环氧乙烷的工艺，可用空气氧化也可以用氧气氧僦 氧气氧化法虽然Z3Z3安全性不如空气氧化法好，但氧气氧化法选择性较好，乙烯单耗较ZZ1Z3ZZ1低，催化剂的生产能力较大，故大规模生产采用氧气氧化法由乙烯环氧化反应的动力学图示可知乙烯完全氧化生成二氧化ZZ1ZZ1ZZ1碳和水，该反应是强放热反应其反应热效应要比乙烯环氧化反应大CHaCH + 寺6气2 /0星尸咖L 1的川町和心十多倍。也用廿豁gc 1=3 lC7+2tJ/fri0l CHi=CH3 + 3O3一 2GOs +2H,q （弋） 少化你=-甘嗣KkJ/mo】 b5Sjk=亠 1321,6k）/mol副反应的发生不仅使环氧乙烷的选择性降低，而且对反应热效 应也有很大的影响。选择性下降热效应明显增加故反应过程中选择 性的控制十分重要。如选择性下降移热慢，反应温度就会迅速上升， 甚至产生飞温。2、催化剂的选择：由于选择性在反应过程中的重要性，所以要选择选择性好的催化剂，银催化剂对乙烯环氧化反应较好的选择性，强度、热稳定性、 寿命符合要求，所以用银催化剂。催化剂由活性组分银、载体和助催化剂组成。助催化剂主要有碱金属、碱土金属、稀土金属化合物等。其作用是提高活性、增大稳定性、延长寿命。抑制剂的作用是抑制非分散活性组分，提高稳定性。载体的结构（特别是孔结构）对助剂活 性的发挥、选择性控制有极大的影响（乙烯氧化制环氧乙烷的特殊性 要求载体比表面积低并且以大孔为主）。3、反应压力：加压对氧化反应的选择性无显著影响，但可提高反应器的生产ZZ1能力且有利于环氧乙烷的回收，故采用加压氧化法，但压力高对设备 的要求高费用增加催化剂易损坏。故采用操作压力为2 Mpa左右。4、反应温度及空速的影响：影响转化率和选择性的主要因素是温度。温度过高，反应速度快、转化率高、选择性下降、催化剂活性衰退快、易造成飞温；温度 过低，速度慢、生产能力小。所以要控制适宜温度，其与催化剂的选 择性有关，一般控制的适宜温度在200-260C。另一个因素是空速，与温度相比次因素是次要的，但空速减小，转化率增高，选择性也要降低，而且空速不仅影响转化率和选择性， 也影响催化剂得空时收率和单位时间的放热量，故必须全面衡量，现ZZ1工业上采用的混合起空速一般为 7000/h 左右，也有更高。以氧气作 氧化剂单程转化率控制在 12-15%，选择性可达 75-80%后更高。5、原料纯度及配比：原料其中的杂质可能给反应带来不利影响：使催化剂中毒而活如SMow&ssslalBSK slsriSSSNSSslKlKSSSSHmffi -(ulddsv H.EddI-lVIKUlddI-lvssw littssgs-ssssssffi喪los愷蛊雇搂2 w_Ftf_.寸USIS$I suss iwtfisSSK3 selwsswiMUOIMU&sas_s (m) 1s SHMUms ss %06) 0舉 erSsi91 olMui SMrwsffiliNfiKitaRsffisfrss Birges哒w%8 尺s (asws 管管f il Is )6、反应器的选择：由于此反应为气固相反应，并且催化剂比较贵所以选择固定床反应器。反应放出大量的热所以须换热介质进行换热，采用对外换热 式换热，根据反应的热效应求得反应的温度在180-250C,所以选 择矿物油作为换热介质。反应器为列管式固定床反应器，采用外部循 环式换热。7、能耗：关于能耗方面，除了反应选择性和反应热的利用等影响因素外，环氧乙烷吸收液的浓度和吸收水热量的利用，对能耗也有显著影响。在环氧乙烷吸收系统和解吸收系统设置多个换热器，以回收不同位能 的热量；低位能热量的回收和利用，降低吸收水温度以提高吸收效率，ZZ1提高吸收液中环氧乙烷的浓度，减少循环水量，二氧化碳系统热量的收和利用等，均可降低能耗。二、工艺流程草图及说明（一）氧气氧化法反应部分ZZ11、工艺流程草q 4 J-环覽己烧起鮮港图fi-12 筑气事低械反应潜分的H艺哺F!E握合鬲丄2尅文ft鹉：J胚应嚣斗亠坏菠己疣啧 收塔I 5JLfcatSSUKWi E-二當比臥腋汝威再生霜1、安全性的保障:对此工艺，由于副反应为强放热反应，温度的控制尤为重要，若反应热未及时移走，就会导致温度难于控制，产生飞温现象。由于是氧气做氧化剂还存在爆炸极限的问题所以反应气体的混合至关重=ZZ1要.可借用多孔喷射器对着混合气流的下游将氧高速喷射入循环气和r3sssm 啸怅菌胆e毓丄1任矍站ssifi盒 ossissssm ffisisswls SS3攫ROKBSSSSa-sss& oss.zuzsIff fs暑4ES嫌K ss& Ensttis ,s .ssisss SSMU OISMS iMrsssssssum OKiiM_lssuMusrumsf 8 與 8 SMiiass城 ar SSKSl osgr9is烹sw SSISissHms osss三、物料衡算一）、已知数据（i）用N作为惰性致稳剂时的原料气组成组成C2H4O2N2CO2CH4C2H6ArH2Omol，%15 007.0053 2710 5506308712.40028反应器的单程转化率： 12.3%选择性：73.8%环氧乙烷的吸收率：99.5%02中夹带Ar 0.00856 mol 循环排放气中含Ar为12.85%，产品环氧乙烷中含Ar 0.00631 mol。组成C2H4O2N2CO2CH4C2H6ArH2Omol,%25 00780-6.4153 79007690003反应器的单程转化率： 8.14%选择性：73.8%环氧乙烷的吸收率： 99.5%o2中夹带Ar 0.00856 mol 循环排放气中含Ar为12.85%，产品 环氧乙烷中含Ar 0.00631 mol。二）、乙烯催化氧化制环氧乙烷物料衡算框图XT-2其中：FF新鲜原料气MF混合原料气RP混合反应气SP混合分离气RC循环气P产品环氧乙烷SPC未脱除二氧化碳的循ZZ1环气OE89 窝I-IH89966+%83XOOI-I:滋oE89I-lsI-lI-lH8996o+%ss6I-lxooI-l: KSUOU19I-I9 叫1-1- SSou!0698GHOI-lmI-lG%zxooI-l: oulssI-lmI-lHsk8I-lsl-lxooI-l: S-S3 dM-OEOMdHSXSS.O+sxss . -OU189966H2X ( ) XSP8I-I-oUJ9I-l9cnI-lH%8cnl专 81-1- &SNSSoulsk8I-lH%E&I-lx%sI-lxooI-l:M養毀ZHEnl定昌二益二就2 UH會ctpEOE二當窝s0唸盘曰H】QIK-J-+-5H-3 IQE/fspferHlOES眾SL Nlm驛H0? UHuizHT*C5tHQo 噸 uinnI u -ioI-l- ss ss X川)-OEmsO.OHWmso.ox3M.W8 康叫I-IH%S66X9I-I9ml-ICMN53.6359XCMud6cn&1-lH (ds)M萨口93豊s%S8Q sOE808900.0H8 康叫29l-l9cnl-l-Ns ox:u 任 dsMgox:。 任 d+Msohy 任 dsuMsohu任 dE ohb 决oEssm&-lH6 康80064. zl-l:MV 任 dsMsas霞 dDgt+MS任 dsuMs任 dW sit凄组成CH24O2CO2CH4CHO24CH2 6ArN2mol, %13.6425.04911.9430.6500.90212.55.2485(3)确定新鮮原料FF及循环气RC的组成设 FF 中 0 为 x mol，C H 为 y mol，RC 中 O 为 z mol ，2242C H 为 s mol24以整体为衡算范围，对Ar作物料衡算新鮮原料中Ar的量等于产品中夹带的Ar 的量与排放气中 Ar的量之和。即：0.00856x=00O85488+Wx12.85%以吸收塔为衡算范围，分别对O.CH作物料衡算.RP中O(CH)224224的量等于 RC中O (CH )的量与排放气W中O (CH)的量之224224和。且排放气W各物质的组成与SP中的组成相同。对 O 有：4869025=z+Wx5.049%2对 C H 有：13155=s+Wx13.642%24根据A点物料平衡,MF=FF+RC由A点。2平衡，有：7=x+z由A点CH 平衡,有：15=y+s24联立上述五式，解得：w=007789molx=21679moly=1.8556molz=4.8321mols=12.1444mol即新鮮原料FF中O为21679mol ,CH为1.8556mol224Oul#t-IPOH8Z9966U1-I8mr-I-ss.ou 4OMS rsg.ou 1.Oulr-Ir-I8cn1-IH%0/8Z9960- ss.ou ssou 10卜9S_S.OU屋同故當H蚤 0U18Z996.0HSS01-IOOZ91-IS1-II-I- Ns.ou S1.SS80U任亠|/| risss.ou 任您 M80Q 任 UM r$+Mg.ou SSNMS.0U 任 dS f ,ou 匪 8 蚤(NNLDLT) LD6CN 19XCM9sOoCMXCN6 CNO寸X9LO9OCM o66OCM oE o LT)寸Xzu3*o EOU1S9Z6.WHWS.S+SW+WW.O+S+R.O+3.O+S3+33.MW0 92 ssol-l- 8 Z8O一 H w8Z6oulI-lSEZI-ldgI-lo.ow : 5S & 哥 sms. Ms 任 UM+MS& &S.0 任岀 hms4HI/I黑匪賀 OU198I-I00H9S8000X6ZI-I7MS&S&他O 1s SPC 4 CO SB :2105504143H101357mo一spcdlrsp spc 舟 coDr11943%101357、l 严943%H84867mo一SPC、SPH84867、9643153H88% att12% 多 COspcdlrsp spcEl莒-Hs唧： (1B13: 50-)C H : ll5776 O : 4285 CH : 055 C H2 4 2 4 20.7655CO : 10.1357 N : 46.88 A：10.90542 2田 C 耐 RCUSRC+SPCs那 cosnsall山 SRCseB:295.9765OO4.867U1 严 1095mo-(商：30-)1C2H44 込2O2313g2O57InN2CH :严5668 0:0.5471 CH :008 H 0:0.282 4 2 4 2 CH :01045 CO :04143 N :639 A：严47562 6 2 2（四）、数据校核及结果评价1）、校核数据总物料衡算：FF=P+W吸收塔物料衡算: RP=SP+P结点A物料衡算：MF=FF+RC结点 C 物料衡算：RC=SPC+SRC根据上述物料衡算式对总气体量及各物质的量分别进行校核，计算结 果基本符合上式。（2）、结果评价在实际工艺过程中，由于在环氧乙烷吸收塔中，水也溶解了其它zzi微量气体，所以产品 P 中并非仅有环氧乙烷及微量的氩，而在计算过 程中没有考虑那部分气体的量，视产品中仅有环氧乙烷和氩，所以导 致SP的气体总量及部分物质的量不精确，但误差很小，并不影响整成相同，所以RC中的水考虑为从SRC中来，即从CO2脱除装置中 出来的循环气带出了少量的水，从而满足水的平衡。!1!计算结果概要物料衡算结果一览表合FFMFRPSPSPCSRCRCW气组成C2H4mol1.8561513.1613.1611.581.56713.14mol , %45.91513.2513.6413.6414.113.7。2mol2.16874.8694.8694.2850.5474.832mol , %53.674.95.0495.0494.925.037N2mol53.2753.2753.2746.886.3953.27mol , %53.2753.6455.2455.2457.555.5CO2mol10.5511.5211.5210.140.4141.55mol , %10.5511.611.9411.943.7310.99CH4mol0.630.630.630.550.080.63mol , %0.630.6340.650.650.720.656C2H6mol0.870.870.870.7650.1050.87mol , %0.870.8760.9020.9020.940.906Armol0.01912.412.412.3910.911.47612.38mol , %0.4612.412.4912.8512.8513.312.9H2Omol0.281.247000.280.28mol , %0.281.255000.280.28C2H4Omol01.362002.50.292mol , %013710000总计4.04210099.3296.4384.86711.1195.980.719(mol)五、工艺流程及控制点说明（一）工艺流程环氧乙烷反应系统工艺流程1、 主要流程1） 原料流程原料乙烯、氧气和致稳氮气来自界区，它们与循环物料气的混合ZZ1气体在氧气混合站（H-102 ）充分混合后进入气-气换热器（E-111）与反应生成气换热后，从充填银催化剂的列管式固定床反应器（D-110 ）的上部进入催化床层，在一定温度（220260C）和压 力（2Mpa）下，进行氧化反应。2） 吸收流程已反应的气体自氧化反应器（D-110 ）下部流出，进入气-气换热器（ E-111 ） ，被反应原料气冷却后进入环氧乙烷水吸收塔D-115)。在吸收塔中，以水做吸收剂，吸收反应气体中的产物环氧乙烷。吸收剂自塔上部进入，环氧乙烷吸收液自塔中部流出，进入环氧乙烷精制流程。为提高环氧乙烷的吸收率，从吸收塔顶部排出的气体，再送入塔zzi下部，进行循环吸收。从吸收塔顶部出来的吸收气，一部分作为循环排放气排至蒸气加热器（B-110 ）中烧掉；另一部分作为循环气与致稳气氮气进入循环压缩机（C-110 ） 加压后，混合气大约有十分之一送至二氧化碳脱ZZ1除流程，脱除二氧化碳，再返回至循环气系统；一部分经添加抑制剂ZZ1二氯乙烷后，进入氧气混合器（H-102 ） 与原料乙烯、氧气混合，成为原料气。2、 辅助流程1） 热油循环流程乙烯的环氧化反应为放热反应，其副反应为乙烯完全氧化为二氧Z3Z3化碳和水的反应，是强放热反应。在反应过程中应及时将所产生的反 应热移走，否则不仅会使选择性下降，甚至会产生飞温现象。本方案 中，用矿物油作冷却剂，移走反应热。循环载热的热油经热油冷却器（E-110 ）冷却后，进入氧化反应器（D-110 ）的上部，吸收反应热后从反应器下部流出。由于此时热 油温度较高，为防止热膨胀使输油管变形扈与热油膨胀罐（F-110 ）连接。同时为了补充循环过程中的矿物油损失，设一热油贮罐（F-115 ），并以2kg/cm的蒸气加热，经加热的热油由输送泵（G-115 ）打出，与反应器下部流出的高温热油混合后，由热油泵（G-110 ）送入热油冷却器（E-110 ） 如此不断循环。(80口丄)SISI orlrss Xs (UCH) SiloffiN (OI-II-IJ)s sss iessf ml (om巴 li oii卑喘損(oI-lI-lcn) :任(0I-II-I.I1J) KISSsi A)61181 OUH平 8 乂幅swiHHtfln厳任(0.0 OSSKi (000)affiw ii81rsssrg*i ofittiwirsi% 8 x sls Al-ll-lrllJ) KISMUi 3300. 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