环氧乙烷固定床反应器课程设计

-化工与制药学院课程设计说明书课题名称：年产1.5万吨环氧乙烷固定床反响器设计专业班级：2011级有机与石油化工1班学生*：1106170104学生*：陈正飞学生成绩:指导教师：杨昌炎设计时间：. z.-*工程大学课程设计任务书系别化工与制药学院班级有机一班学生陈正飞一、设计名称年产吨环氧乙烷固定床反响器设计二、任务根据设计条件，通过物料衡算、热量衡算、反响器的选型及尺寸确实定，计算压降、催化剂的用量等，设计出符合设计要求的反响器，并画出设备的装配图。三、内容1、概述2、环氧乙烷物化性质3、设计方案4、设计条件5、工艺计算6、设计总结7、参考文献四、方案进度1、发题2015年1月6日2、第一阶段：2015年1月6日1月12日工艺计算与设备计算3、第二阶段：1月13日1月18日画图、撰写设计报告、辩论4、第三阶段：1月19-日1月20日设计辩论指导教师杨昌炎教研室主任*生鹏目录摘 要IAbstractII第一章概述1第二章环氧乙烷物化性质32.1物理性质32.2化学性质43.1环氧乙烷生产艺73.2环氧乙烷生产的设计方案83.3.2工艺参数83.3.3环氧乙烷生产工艺流程10第四章工艺计算134.1设计条件13反响原理13原料组成14反响器设计条件144.2物料衡算144.3热量衡算17第五章反响器的工艺参数优化215.1催化剂的用量215.2确定氧化反响器的根本尺寸255.3床层压力降的计算265.4传热面积的核算27床层对壁面的给热系数a27总传热系数的计算28传热面积的核算285.5反响器塔径确实定29第六章 设计参数总结31第七章平安生产33第八章三废治理与环境保护37第九章 资金核算39第十章设计体会41. z.-摘 要环氧乙烷是乙烯的衍生物，是重要的根本有机化工原料,广泛用于生产乙二醇、农药乳化剂等各种精细化学品。目前较先进的生产方法是用银作催化剂，在列管式固定床反响器中，用纯氧与乙烯反响，采用乙烯直接氧化生产环氧乙烷。本文主要介绍了生产环氧乙烷的原理、工艺设计条件，通过进展物料衡算、热量衡算确定了反响器的尺寸、传热面积、塔径等参数。同时，关注了平安生产、三废处理等问题并提出了相应的解决措施。关键词 环氧乙烷 乙烯 直接氧化 固定床反响器AbstractEthylene O*ide is the derivative of ethylene, which is the important basic organic chemical raw material. It is widely utilized in producing varied fine chemicals like ethanediol, agricultural pesticide emulsifier, just name two. Advanced method we apply now is the direct o*idation reaction between pure o*ide and ethylene with the catalyst of silver in Tube fi*ed-bed reactor.In this them, we mainly introduce the principle and the condition of process design of producing ethylene o*ide. Meanwhile, the parameters such as the volume, transfer area and reactor diameter are determined by calculating the material balance and energy balance. At the end of this thesis, we put safety issue and recycle issue of waste into discussion with proposing some measure to solve those problems.KeywordsEthylene o*ide, Ethylene, Racked-bed reactor. z.-第一章 概述乙烯是碳原子数最少的烯烃，由于它具有极其活泼的双键构造，因而其反响能力很强，且本钱低、纯度高、易于加工利用，所以是有机化工中最重要的根本原料。通过乙烯的聚合、氧化、卤化、烷基化、水合、羰基化、齐聚等反响的实现，可以得到一系列极有价值的乙烯衍生物，如环氧乙烷、乙二醇、乙醛、醋酸、醋酸乙烯、乙苯、聚乙烯等，由乙烯出发还可生产溶剂、外表活性剂、增塑剂、合成洗涤剂、农药、医药等。环氧乙烷(O*irane) 又名氧化乙烯(Ethylene O*ide)，是最简单的环状醚,分子式 C2 H 4 O ，分子量44.05。环氧乙烷是以乙烯为原料的主要石油化工产品之一。世界乙烯总产量的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的第二位重要化工产品。环氧乙烷还是重要的石油化工原料及有机和精细化工产品的中间体，主要用来生产乙二醇。随着精细化工的开展，环氧乙烷已成为精细化工工业不可缺少的一种有机化工原料1 环氧乙烷早期采用氯醇法工艺生产，20世纪20年代初，UCC公司进展了工业化生产，之后公司基于Lefort有关银催化剂的研究成果，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年代末，Shell公司采用近乎纯氧代替空气作为生产环氧乙烷的氧原料，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，目前较先进的生产方法是用银作催化剂，在列管式固定床反响器中，用纯氧与乙烯反响，采用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的重要产品，也是一种根本有机化工原料，用途很多，广泛用于生产乙二醇、非离子外表活性剂、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。环氧乙烷的工业化生产已经有半个多世纪的历史，最早的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为空气氧化法和氧气氧化法，其主要区别在于乙烯的氧化剂各不一样。在环氧乙烷的生产开展过程中，生产技术和工艺过程都有不断的改进和革新，到目前为止，世界上几乎所有的环氧乙烷都是用乙烯直接氧化法生产的。直接氧化法中，首先出现的是空气氧化法，而后氧气氧化法问世，二者并行：近几十年来，许多厂家都采用氧气氧化法生产环氧乙烷，因为氧气氧化法不需要空气净化系统，并且氧气氧化法的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. z.-系统的 惰性气体大为减少，未反响的乙烯根本上可完全循环使用。本设计采用氧气直接氧化法，对原有的单元设备进展生产能力标定和技术经济评定。在此根底上，查阅了大量资料，根据设计条件，通过物料衡算、热量衡算、反响器的选型及尺寸确实定，计算压降、催化剂的用量等，设计出符合设计要求的反响器。第二章环氧乙烷物化性质2.1物理性质常温下环氧乙烷为无色、具有甜醚味的气体。在较低的温度下环氧乙烷成为无色、透明、易流动的液体。易溶于水、醚和醇等有机溶剂。表1-1 环氧乙烷的主要物理性质物理性质数据沸点(101.3kPa)，10.8熔点(101.3l(Pa)，下限112.5临界温度，195.8临界压力，Mpa7.194. z.-临界密度，kg/m3折射率，h 7D3141.3597. z.-空气中爆炸极限(101.3kPa)，(体积)2.6上限100. z.-燃烧热(25，101.3kPa)，kJ/kg29.648蒸汽71.13. z.-生成热，kJ/mol液体97.49. z.-熔解热，kJ/kg117.86聚合热，kJ/kg2091汽化热，(10.5)，kJ/kg580.58比热容(35)，kJ/(kgK)1.96气相分解热，kJ/kg1901着火点，K702自燃点，K644外表张力(20)，mN/m(dyn/cm)24.3热导率(25)，J/(cmsK)0.000123900.3l. z.-10 0.28粘度，mPas. z.-2.2化学性质环氧乙烷的化学性质非常活泼，能与很多化合物进展反响，其反响主要是环氧乙烷开环与其它化合物进展加成反响，放出大量反响热，有的反响进展得非常剧烈，甚至产生爆炸。许多反响产物是重要的有机化工及精细化工产品。1)分解反响气体环氧乙烷在约400时开场分解，主要生成CO、CH4以及C2H6、C2H4、H2 、C、CH3CHO等。分解反响的第一步是环氧乙烷异构成乙醛。环氧乙烷的分解反响还可以被引发，且在一定条件下会在气相中传播，直到瞬时产生爆炸。2)加成反响环氧乙烷与含有活泼氢原子的化合物，如H2O、H*、NH3、RNH2、R2NH、RCOOH、ROH、RSH、H等进展加成反响，生产含OH的化合物(其中*为卤素，R为烷基或芳基)。(1)与水反响环氧乙烷与水反响生成乙二醇，这是工业上生产乙二醇的方法。C2H4O+ H2O CH2OH该反响为放热反响，热效应为96.3kJ/mol。反响过程不采用催化剂。生成的乙二醇可以与环氧乙烷继续作用生成二甘醇、三甘醇及多甘醇。(2)与醇类反响环氧乙烷与醇反响生成醚，其反响的最终产品是至少含一个羟基的醚。*CH2CH2OH + nC2H4O(环氧乙烷 *(CH2CH2O)n+1H*可为卤素、氢、羟基等,在乙二醇生产中生成局部二甘醇，三甘醇就是环氧乙烷进一步与乙二醇反响的产物。如果进一步反响可以生成分子量更大的化合物。(3)与苯酚反响环氧乙烷与苯酚反响生成苯氧基乙醇。. z.-C2H4O+ C6H5OH C6H5OCH2CH2OH其酯类是香料的定香剂、杀菌剂和驱虫剂。(4)与氨反响环氧乙烷可以与氨反响生成一乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺，这是工业上制造乙醇胺的方法。该反响一般是在高压、较低温度和液相下进展的，三种产品的比例可通过氨与环氧乙烷的摩尔比例来调节，氨过量有利于一乙醇胺的生成。(5)与酸反响环氧乙烷可与有机酸、无机酸反响生成相应的酯。环氧乙烷与硝酸反响最为重要，生成的乙二醇二硝酸酯是能在低温下引爆的炸药。C2H4O+ 2HNO3 NO2 O CH2CH2 O NO23)氧化复原反响在钠汞齐及催化剂存在下环氧乙烷加氢复原生成乙醇，此反响没有工业意义。环氧乙烷在铂黑等催化剂存下可以有控制地氧化成羟基乙酸，最终则被氧化成二氧化碳及水。4)异构化反响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为乙醛。C2H4O CH3CHO在一定的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的副反响之一，要竭力防止，因为醛的存在增加了环氧乙烷提存净化的难度。5)与双键进展加成反响环氧乙烷和以下一些含双键的化合物可进展加成反响生成环状化合物，例如R2C=O、SC=S、02S=O、RN=CO、OS=O等。6)与格利雅试剂反响环氧乙烷与格利雅试剂反响可生成比原来烷基多两个碳原子的醇，这是实验室制备加长碳链醇的一种方法，羟基在链的端部。7)齐聚反响环氧乙烷进展齐聚反响可生成冠醚，催化剂为含氟的路易斯酸。反响在室温、常压下进展。. z.-8)与二甲醚反响在BF3作用下环氧乙烷与二甲醚反响生成聚乙二醇二甲醚。该反响在工业上用来生产低分子量的均聚物，其产品广泛用作溶剂7。. z.-第三章环氧乙烷生产工艺及设计方案3.1环氧乙烷生产艺目前，我国工业生产环氧乙烷的方法有氯醇法和直接氧化法两种，直接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展：氯气与水反响生成次氯酸，再与乙烯反响生成氯乙醇；氯乙醇用石灰乳皂化生成环氧乙烷。氯醇法生产工艺的严重缺点大致有：消耗氯气，排放大量污水，造成严重污染；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的环氧乙烷可异构化为乙醛，造成环氧乙烷损失，乙烯单耗高；氯醇法生产的环氧乙烷，醛的含量很高，约为5000-7000，最低亦有2500。氯醇法生产环氧乙烷，由于装置小、产量少、质量差、消耗高，因而本钱也高，与大装置氧化法生产的高质量产品相比失去了市场竞争能力。采用氯醇法生产环氧乙烷的小型石油化工厂正在受到严重的挑战。(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用列管式固定床反响器。反响器是关键性设备，与反响效果密切相关，其反响过程根本一样，都包括反响、吸收、汽提和蒸馏精制等工序。空气氧化法：此方法用空气为氧化剂，因此必须有空气净化装置，以防止空气中有害杂质带入反响器而影响催化剂的活性。空气法的特点是有两台或多台反响器串联，即主反响器和副反响器，为使主反响器催化剂的活性保持在较高水平(63-75)，通常以低转化率进展操作，保持在20-50范围内。氧气氧化法：氧气法不需要空气净化系统，而需要空气别离装置或有其它氧源。由于用纯氧作氧化剂，连续引入系统的惰性气体大为减少，未反响的乙烯根本上可完全循环使用。从吸收塔顶出来的气体必须经过脱碳以除去二氧化碳，然后循环返回反响器，不然二氧化碳浓度超过15(mol)，将严重影响催化剂的活性。. z.-根据环保及本钱限制，本设计选用直接空气氧化法。3.2环氧乙烷生产的设计方案催化剂由于选择性在反响过程中的重要性，所以要选择选择性好的催化剂，银催化剂对乙烯环氧化反响较好的选择性，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目标产物的形成，主要有硒、碲、氯、溴等。载体的主要功能是负载、分散活性组分，提高稳定性。载体的构造特别是孔构造对助剂活性的发挥、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外表积低并且以大孔为主。工艺参数环氧乙烷生产的工艺参数主要有反响温度、反响压力、空间速度与空管线速度、原料配比和循环比、抑制剂等。1反响温度温度直接影响化学反响速度，在工业生产中，应根据反响过程的具体情况，采取相应措施，使反响温度控制在适宜范围之内，以期获得较高的收率。乙烯直接氧化生产环氧乙烷和其它多数反响一样，反响速度随温度升高而加快。乙烯直接氧化过程的主、副反响都是强放热反响，且副反响(深度氧化)放热量是主反响的十几倍，因此，对反响过程的温度控制要求十分严格。当反响温度高时，一是转化率增加，这意味着乙烯氧化的总速率提高，二是生产环氧乙烷的选择性降低，即更多的乙烯转化成二氧化碳和水，因此，这时反响热量的急骤增加，不是使更多的乙烯被氧化，而是使反响过程的选择性降低，副反响增加是更重要的原因。可见，当反响温度升高时，反响热量就会不成比例的骤然增加，使反响过程失控，所以在生产中，对于氧化操作，一般均设有自动保护装置. z.-乙烯直接氧化反响过程，主反响是体积减少的反响，副反响(深度氧化)是体积不变的反响。因此，采用加压操作有利。因主、副反响根本上都是不可逆反响，故压力对主、副反响的平衡没有太大影响。目前，工业生产上采用加压操作不是出于化学平衡的需要，其目的是提高乙烯和氧的分压，加快反响速率，提高反响器单位容积的产率，以强化生产。但应看到，由于提高反响压力，反响速度加快，相应就要提高反响器的换热速率，这样对反响器的构造就提出更高的要求。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的反响物的体积数量。通常用每小时每升(或)催化剂通过的原料气的升(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，而选择性将有所上升，在一定范围内提高空速可提高设备的生产能力。但空速也不宜太高，因此虽然产量提高，然而环氧乙烷在反响气体中的含量很低，造成别离困难，动力消耗增加。空速也不宜太低，因此时虽然转化率增加，但选择性下降，生产能力也下降。另外，空速大小还要根据催化剂的活性及制造方法、反响温度、压力和反响气体的组成等因素而定。4原料配比与循环比原料中乙烯与氧的配比对反响过程影响很大，其值主要决定于原料混合气的爆炸极限。在混合气体中乙烯的爆炸下限是2.05，在2. 056.5的乙烯浓度范围内氧含量不得大于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。从装置的生产能力和经济性来看，低氧高乙烯操作优于高氧低乙烯操作，因此，在可能的体积下，应尽量采用低氧高乙烯操作。在确定适宜的配料比时，还应注意到，提高乙烯含量可能会导致尾气中乙烯损失过多而影响经济指标。当乙烯含量接近5时，操作不易控制，反响温度增加很快，易产生飞温。因此，必须根据具体情况，综合考虑各方面影响因素，来确定最适宜的配料比。循环比是指循环到主反响器的循环气占主吸收塔顶排出气体总量的百分数。在生产操作中，可通过正确掌握循环比来严格控制氧含量。在工艺设计中，循环比直接影响主、副反响器生产负荷的分配。提高循环比，主反响器负荷增加。反之，副反响器负荷增加。生产中，应根据生产能力、动力消耗及其它工艺指标来确定适宜的循环比，通常为8590左右。5抑制剂乙烯直接氧化制环氧乙烷是一个平行串联反响过程，在乙烯环氧化过程中，乙. z.-烯的定额消耗，而且发生深度氧化的放热量很大，直接影响操作的稳定。生产中除采用优良的催化剂，控制适宜的转化率及有限移出反响热等措施外，在反响系统中还使用适量的副反响抑制剂。工业上常用的抑制剂是l,2-二氯乙烷。在催化剂的预处理阶段，l,2一二氯乙烷的用量要多一些，而在加压循环反响系统中，用量要少一些7。6致稳剂选择世界上生产环氧乙烷的专利很多，使用的致稳剂有：氮气、甲烷、二氧化碳、乙烷等。选择致稳剂需要根据生产平安性、稳定性和经济效益情况来确定。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的稳定性和平安性，而且有显著的经济效益。环氧乙烷生产工艺流程环氧乙烷生产装置的主要设备有反响器、吸收塔、反响系统的气-气换热器和循环气冷却器。此次设计生产能力为年产1.5万吨环氧乙烷固定床反响器，年工作时间为7200 小时/年。本次设计采用氧气氧化法进展环氧乙烷的生产，以氧气作为氧化剂，乙烯在1MPa、250下通过装有银催化剂的固定床反响器，直接氧化为环氧乙烷。环氧乙烷的生产系统分为三局部：反响系统、回收系统和二氧化碳脱除系统。下面逐一进展介绍。1)环氧乙烷的反响系统反响系统是以一种循环过程来操作的，以乙烯和氧气为原料使用甲烷致稳。从外界贮罐来的乙烯在过滤器中进展过滤，经换热器预热，然后按着一定的路线进入混合器，与从环氧乙烷吸收塔顶部通过别离器别离出的循环气进展混合，乙烯混合器中的循环气进入压缩机的吸入口并在氧气混合器之前，由压缩机进展压缩。从外界来的氧气进料通过过滤器之后在流量控制下进入氧气混合器。为了能在进料之后和开车期间可靠地对氧气混合器进展吹扫，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的氧气进料线上。为控制循环气中的二氧化碳浓度，一股循环气的分支物流被送往二氧化碳脱除工段8。从氧气混合器出来的含有乙烯和氧气的循环气，在换热器的管程进展加热后进入反应器。在反响器的壳程用石蜡油来移走反响热，以控制反响温度。含有环氧乙烷的氧化气进入附带的循环气锅炉给水预热器，而后反响器出口全体流经循环器换热器的壳程，. z.-与反响器入口气体换热，被进一步冷却下来，之后循环气体进入循环气冷却器进展最后的冷却。本反响使用一种气相状态的抑制剂来控制反响活性，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有液体二氯乙烷的贮罐，使这股循环气中的二氯乙烷浓度到达饱和，然后在乙烯进料混合器和循环气压缩机之间再次进入反响循环气中。反响进料不是绝对纯洁，有必要依次从别离器下游定期排放惰性组分。2)环氧乙烷的回收系统从冷却器出来的氧化气进入到环氧乙烷吸收塔底部，使用从环氧乙烷气提塔底部过来的乙二醇水溶液以及从泵过来的工艺水进展吸收，保证吸收液的浓度恒定在7.5(wt)，被吸收下来的环氧乙烷按一定的路线进到氧化物-水闪蒸罐进一步闪蒸出惰性气体，然后经换热器进入环氧乙烷气提塔使环氧乙烷和水进展别离。环氧乙烷蒸汽从塔顶出来经冷却器进展冷凝后收集在回流罐中，回流罐中的环氧乙烷用泵打出一局部返回到环氧乙烷气提塔顶部作回流用，另一局部送往排气塔中脱除二氧化碳，塔底用再沸器进展加热，塔底中不含二氧化碳的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的不凝气送到惰性气体洗涤塔中，同闪蒸罐中闪蒸出的惰性气体一起被洗涤后送往尾气压缩机吸入罐中，再进入尾气压缩机中压缩，经二氧化碳脱除系统进入环氧乙烷反响循环系统。在环氧乙烷吸收塔中未被吸收下来的环氧乙烷以及其它惰性气体经别离器进一步别离之后送往乙烯混合器中循环使用。3)二氧化碳脱除系统来自尾气压缩机的一股气流和尾气压缩机出口的气流混合为一股，进入二氧化碳吸收塔的底部，与从塔顶向下流动的吸收剂在填料上充分接触完成吸收后，进入二氧化碳水洗塔，通过填料层和除雾器，除掉气流中夹带的微量的钾和矾的化合物微粒，以防止这些物质带入反响器造成催化剂中毒。这股气流冷却后返回到循环气流中，与其它物流混合。从二氧化碳吸收塔顶部流下的二氧化碳吸收剂，在与循环气接触完成二氧化碳的吸收之后，在二氧化碳吸收塔底部靠压差进入闪蒸罐中，这时的吸收剂被称为富吸收剂，富吸收剂在闪蒸罐中进展减压闪蒸，闪蒸出来的气体进入尾气压缩机，再吸入罐中，经尾气压缩机压缩后进入循环系统。闪蒸后的吸收剂流向二氧化碳再生塔的顶部，经再沸. z.-器加热后，被吸收的二氧化碳就释放出来，排入大气中。再生后的吸收剂被称为贫吸收剂，贫吸收剂集聚于再生塔的底部，被分为三股，一股经再沸器加热循环，一股经泵在过滤器中过滤存货使用，余下的进入贫吸收剂闪蒸罐中再次进展闪蒸后由贫吸收剂泵打回吸收塔中进展下一个循环9。水洗塔有两个循环回路来移走气体物流中的微量钾和矾的化合物，用二氧化碳水洗塔下部循环泵把塔底的液体抽出来经一个冷却器送到下部填料段的顶部。用二氧化碳水洗塔上部的循环泵从上部填料段的底部抽出液体，循环到上部填料段的底部，抽出液体再循环到上部填料段的顶部。两个循环泵系统共用一台公用的备用泵。高压工艺水通过一流量控制器补充到上部的循环回路中，以便控制水洗塔中钾的浓度。用二氧化碳吸收剂罐和二氧化碳吸收剂池作为二氧化碳脱除系统运行的必要装置。不管是吸收剂罐还是口出 物 产环氧乙烷浸渍塔水业 工再吸收塔环氧乙烷解析塔机缩 压 环循环氧乙烷洗涤塔接触塔碳化 氧 二再生塔烯乙气氧吸收剂池都使用通入65kg/cm2压力蒸汽的蛇管进展加热，以防止环境温度下结冰上冻，用贫吸收剂过滤器循环泵和二氧化碳吸收剂池泵在系统和贮存器之间进展吸收剂的输送。氧化反响器统系 醇 二乙 去乙二醇进料解析塔钾酸 碳图3-1 银催化氧化乙烯合成环氧乙烷工艺流程. z.-第四章工艺计算工艺参数优化包括物料衡算和热量衡算两局部。物料衡算以质量守恒定律为根底，主要计算所需物料量和产品量，还可以算出物料的组成，确定物料中各组分在化学反响过程中的定量转化关系，并通过衡算求得原料的定额消耗。其计算依据是工艺流程图、在工厂采集的数据及设计时要求的和查得的各种参数10-12。热量衡算以能量守恒定律及物料衡算为根底，计算传入、传出的热量，从而确定公用工程的能耗以及传热面积。其计算依据与物料衡算一样13。4.1设计条件反响原理(1)乙烯和氧气在银催化剂上，于一定温度和压力下，直接氧化生产环氧乙烷，反响方程式可表为：. z.-主反响：C2H4+1O2 C2H4O2(4-1). z.-的热量。反响(4-1)为放热反响，在250时，每生成一摩尔环氧乙烷要放出25.19KJ. z.-(2)在主反响进展的同时，还发生其它副反响，其中主要是乙烯的燃烧反响。. z.-副反响：CH2 = CH2+ 3O2 2CO2+ 2H2O(4-2). z.-反响(4-2)为强放热反响，在250，每反响掉1mol乙烯，可放出315.9KJ的热量。. z.-原料组成表4-1 原料气的组成组分C2H4CO2O2N2含量mol%)3.47.75.683.3反响器设计条件原料进入反响器的温度为210反响温度为250反响压力为1MPa乙烯转化率为21.0%；选择性为67.6%；空速为5000h-1年工作时间7200 小时，年产量15000吨反响产物别离后回收率为90% 反响器内催化剂填充高度为管长95%，每根管长6 米采用间接换热方式：导出液进口温度230，出口温度235,导出液对管壁的给热系数为650W/m2K催化剂为球体，D=5mm,床层孔隙率为0.8在250，1MPa下反响气体导热系数为0.0304W/m2 K,粘度为4.2610-5PaS,密度为7.17kg/m3。4.2物料衡算1)反响局部的工艺参数环氧乙烷生产能力：1.5万吨/年；年操作时间：7200 小时进入反响器的温度：210；反响温度：250乙烯转化率：21.0；选择性：67.6%反响空速：5000h-1；生产过程平安系数：1.04. z.-. z.-反响产物别离后回收率：90% 原料组成如表4-1 所示。表4-1 原料气的组成. z.-组分C2H4CO2O2N2含量(mol%)3.47.75.683.3各组分的分子量如表4-2 所示：(均取自石油化工根底数据手册)4表4-2 各组分的分子量组分C2H4CO2O2N2C2H4OH2O分子量28.05444.01031.99928.01344.05418.0152)反响局部的根底计算(1)以100kmol/h气体进料为基准，根据原料气的组成，计算出每小时进入反响器的各种气体组分的摩尔数，计算结果列于表4-3中。(2)根据反响方程式及数据，计算反响器出口的气体量。1. z.-主反响：CH2 = CH2O2 C2H4O2(4-1). z.-副反响：CH2 = CH2 + 3O2 2H2O+ 2CO2(4-2). z.-乙烯转化率为20，选择性为66，进入反响器的乙烯量为3.4kmol/h由式(4-1)有消耗乙烯量：3.40.210.676=0.4827kmol消耗氧气量：0.48270.50.2414kmol 生成环氧乙烷量：0.4827kmol由式(4-2)有消耗乙烯量：3.40.21(1-0.676)=0.2313kmol消耗氧气量：0.23133=0.6939kmol生成二氧化碳量：0.23132=0.4626kmol生成水量：0.23132=0.4626kmol可知未反响的乙烯量：827-0.2313=2.686kmol未反响的氧气量：5.6-0.2244-0.6936=4.665kmol出反响器的二氧化碳量：7.7+0.4624=8.1626kmol出反响器的水量：0+0.4626=0.4626kmol氮气、氩气和甲烷的量在反响过程中不发生变化，所以出口气体中各组分的量如表4-3所示。. z.-表4-3反响器入口和出口的气体量(kmol/h)组分C2H4CO2O2N2C2H4OH2O入口3.47.75.683.300出口2.724.6828.162483.30.44880.4624(3)实际装置每小时生产的环氧乙烷可折算为. z.-1.5107= 52.54kmol/h. z.-7200 44.054 0.90综上所述，气体进料为100kmol/h时，可生产环氧乙烷0.4827kmol/h。假设要到达52.54kmol/h的环氧乙烷生产能力，则所需原料量为35.03100= 10884.607kmol/h0.4488为了保证所设计的装置能够到达所要求的生产能力，必须考虑到原料损失等因素，一般取平安系数为1.04。则实际进料量为1.0410884.60711319.991kmol/h3)原料气与出口气的组成计算根据基准气体进料为100kmol/h时的计算结果，可以折算出实际进料量为10884.607kmol/h时的物料衡算情况。如表4-4所示。表4-4 实际进料时的物料衡算(a) 原料气的物料衡算组分g/molkmol/hkg/hmol%wt%C2H428.054384.88010797.4243.43.24O244.010633.91920284.7745.66.08CO231.999871.63938360.8327.711.50N228.0139429.553264150.06883.379.18C2H4O44.0540000H2O18.0150000合计11319.991333593.098100100(b)出口气的物料衡算组分g/molkmol/hkg/hmol%wt%C2H428.054303.776203.022.692.593. z.-O244.010528.512154.824.685.081CO231.999105.7429157.518.1812.189N228.0139429.4189425.5983.579.185C2H4O44.05454.21605.770.480.671H2O18.01551.95671.240.460.281合计11292.7239217.951001004.3热量衡算反响器的热量衡算参照环氧乙烷与乙二醇生产的步骤进展14-17。设原料气带入的热量为Q1，反响热为Q2，出口气带出的热量为Q3，换热器交换的热量为Q4。当忽略热损失时，有. z.-1)各组分的比热Q1+Q2=Q3+Q4(4-3). z.-(1)由化工热力学5可查得理想气体的比热计算式. z.-PC0 = A+ BT+ CT2+ DT3(4-4). z.-上式中的各项系数值如表4-5所示。将各项系数代入上式，即可求得原料气中各组分在任一温度T时的定压比热。表4-5 各组分的定压比热系数值组分AB10C105D108C2H45.7037321.438947-6.7284751.179194O226.00820.1174720.2341060.0561944CO223.056660.56876983.1828150.6387703N229.471700.04765011.2706220.4793994H2O32.415020.003422141.2851470.4408350C2H4O7.5911192.22379612.604382.612272p(2)原料气温度为210,氧化气温度为250.在此条件下各组分的C0值如表4-6 所示. z.-p表4-6各组分的C0值(J/molK)组分C2H4O2CO2N2原料气60.831.143.829.6组分C2H4O2CO2N2H2OC2H4O氧化气64.331.445.029.835.578.0由化工热力学可查得真实气体与理想气体的比热之间关系的计算式0001. z.-Cp= Cp+ DCp= Cp+ DCp+ wDCp(4-5). z.-而Cp0和Cp1与Tr、Pr的关系可在化工热力学的图3-10 中查出。原料气的温度为210+273.15483.15K，压力P为1MPa；氧化气的温度为250+273.15523.15K,压力P为1MPa。查表计算，各项计算结果如表4-7、4-8 所示。比热的单位为J/molK表4-7 原料气中各组分定压比热的压力校正参数组分C2H4O2CO2N2Tc/K282.4154.6304.2126.2pc/MPa5.0365.0467.3763.394Tr1.7113.1251.5883.828Pr0.1990.1980.1360.295w0.0850.0210.2250.040DC0/J mol-1 K-1p0.6900.1590.5230.142DC1/J mol-1 K-1p0.6700.0240.5440C /J mol-1 K-1p61.54731.26044.44529.742表4-8 出口气中各组分定压比热的压力校正参数组分C2H4O2CO2N2C2H4OH2OTc282.4154.6304.2126.2647.3469pc5.0365.0467.3763.39422.057.194Tr1.8533.3841.7204.1450.8081.115. z.-Pr0.1990.1980.1360.2950.0450.139w0.0850.0210.2250.0400.3440.200DC0p0.5650.1300.4060.1131.6751.130DC1p0.4190.0080.50203.1404.187Cp64.90131.53045.51929.91380.77537.467. z.-2)热量衡算原料气带入的热量Q1原料气的入口温度为483.15 K，以273.15K为基准温度，则Q1= niCpi(T入- T基)(kJ/h)i(4-6). z.-计算结果列于表4-9中。表4-9 原料气带入的热量. z.-组分CpJ/molK)*ni*niCpiC2H461.5980.0342.093O231.2340.0561.751CO244.4730.0773.422N229.7570.83324.775合计-1.0032.041. z.-由计算结果可知Q1= N*niCpit入(4-7).