化工工藝學(xué)設(shè)計(jì).

1、Hefei Un iversity 化工工藝學(xué)課程設(shè)計(jì) 題目: 3萬(wàn)噸/年乙烯氧化制環(huán)氧乙烷反應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系別： 化學(xué)材料與工程系 班級(jí): 姓名: 學(xué)號(hào): 隊(duì)別: 隊(duì)員: 教師: 目錄 1. 概述 3 1.1. 化工工藝設(shè)計(jì)的意義和主要內(nèi)容 3 1.1.1. 意義 3 1.1.2. 內(nèi)容 3 1.2 環(huán)氧乙烷基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用 4 1.2.1. 環(huán)氧乙烷物理性質(zhì) 4 1.2.2. 環(huán)氧乙烷化學(xué)性質(zhì) 4 1.3. 本設(shè)計(jì)的主要思路及創(chuàng)新點(diǎn) 5 2. 工藝路線設(shè)計(jì) 6 2.1. 氧化反應(yīng) 6 2.2. 二氧化碳脫除 7 2.3. 反應(yīng)過(guò)程分析 7 2.4. 催化劑的選擇 8 2.5. 反應(yīng)器及混合器的

2、選擇 9 2.6. 工藝流程圖 9 3. 物料衡算 10 3.1 物性數(shù)據(jù) 10 3.2 設(shè)計(jì)依據(jù) 10 3.3 循環(huán)系統(tǒng)的物料衡算 11 3.3.1. 計(jì)算依據(jù) 11 3.3.2. 混合器 12 3.3.3. 反應(yīng)器 12 4. 熱量衡算 16 5. 乙烯氧化固定床列管反應(yīng)器計(jì)算 16 5.1. 反應(yīng)器設(shè)備計(jì)算 17 5.2 確定氧化反應(yīng)器的基本尺寸 17 5.3 床層壓力降的計(jì)算 18 5.4 傳熱面積的核算 19 5.5 反應(yīng)器塔徑的確定 20 6. 各組分吸收情況計(jì)算 21 6.1. 環(huán)氧乙烷吸收塔 21 6.2. CO2 的吸收系統(tǒng) 24 7. 總結(jié) 24 參考文獻(xiàn) 25 1. 概述

3、 1.1. 化工工藝設(shè)計(jì)的意義和主要內(nèi)容 1.1.1. 意義 化工工藝設(shè)計(jì)是化工過(guò)程設(shè)計(jì)的核心， 其目的是在于確定生產(chǎn)過(guò)程的工藝條 件和相關(guān)設(shè)備的一系列工程技術(shù)問(wèn)題。 化工工藝設(shè)計(jì)是對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行研 究和規(guī)劃，分析比較、選擇最合適的方法，它包括原料路線和技術(shù)路線的選擇、 工藝流程設(shè)計(jì)、物料衡算、能量衡算、工藝設(shè)備的選型、非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)、車(chē)間 平面及立面布置、化工管路設(shè)計(jì)等。 1.1.2. 內(nèi)容 工藝設(shè)計(jì)的依據(jù)是經(jīng)批準(zhǔn)的可行性研究報(bào)告、 總體設(shè)計(jì)、 工程設(shè)計(jì)合同書(shū)及 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料。制定相應(yīng)的工藝流程，其原則是選擇先進(jìn)可靠的工藝技術(shù)路線， 進(jìn)行方案比較，對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化， 確定合理的工藝流程方

4、案， 選取合適的工藝設(shè) 備，在考慮工藝流程方案時(shí)， 應(yīng)同時(shí)考慮到對(duì)廢物的綜合利用方案和必要的治理 措施。進(jìn)行工藝物料和熱量平衡計(jì)算、繪制工藝流程圖 （PFD）、編制工藝設(shè)備數(shù) 據(jù)表和公用工程平衡圖，確定公用工程、環(huán)保的設(shè)計(jì)原則和排出物治理的基本。 化工工藝設(shè)計(jì)的內(nèi)容有： 根據(jù)確定的方案，設(shè)計(jì)帶控制點(diǎn)的工藝流程圖； 確定設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，進(jìn)行物料衡算和熱量衡算； 進(jìn)行設(shè)備的工藝計(jì)算、選型和實(shí)際布置； 編制化工工藝設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 在工藝設(shè)計(jì)的過(guò)程中， 工藝專(zhuān)業(yè)要和外專(zhuān)業(yè)互提條件， 條件表作為重要的技 術(shù)文件，是主導(dǎo)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)的初步成果，是接受專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)依據(jù)。 1.2 環(huán)氧乙烷基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用 1.2.1. 環(huán)氧

5、乙烷物理性質(zhì) 環(huán)氧乙烷（簡(jiǎn)稱(chēng)E0）,英文名稱(chēng)epoxyethane又被稱(chēng)為氧化乙烯，也稱(chēng)惡 烷，分子式：C2H4，分子量：44.05,沸點(diǎn)：104C，熔點(diǎn)：-1122C，蒸汽壓： 145.91kPa/20C。相對(duì)密度（水）=1: 0.87,相對(duì)密度（空氣）=1: 1.52。在常溫下為 無(wú)色氣體，低溫時(shí)為無(wú)色易流動(dòng)液體，在空氣中的爆炸限（體積分?jǐn)?shù)）為 2.6% 100%，它易與水、醇、氨、胺、酚、鹵化氫、酸及硫醇進(jìn)行開(kāi)環(huán)反應(yīng)有乙醚 的氣味，其蒸氣對(duì)眼和鼻粘膜有刺激性，有毒。環(huán)氧乙烷易自聚，尤其當(dāng)有鐵、 酸、堿、醛等雜質(zhì)或高溫下更是如此，自聚時(shí)放出大量熱，甚至發(fā)生爆炸，因此 存放環(huán)氧乙烷的貯槽必須

6、清潔，并保持在0C以下。 1.2.2. 環(huán)氧乙烷化學(xué)性質(zhì) 環(huán)氧乙烷在一定條件下，可與水、醇、氫鹵酸、氨及氨的化合物等發(fā)生加成 反應(yīng)，其中與水發(fā)生水合反應(yīng)生成乙二醇， 是制備乙二醇的主要方法。 當(dāng)用甲醇、 乙醇、丁醇等低級(jí)醇與環(huán)氧乙烷作用時(shí)， 分別生成乙二醇甲醚、 乙二醇乙醚、 乙二醇丁醚。 應(yīng)用： 環(huán)氧乙烷可殺滅細(xì)菌（及其內(nèi)孢子） 、霉菌及真菌，因此可用于消毒一些不 能耐受高溫消毒的物品。 環(huán)氧乙烷也被廣泛用于消毒醫(yī)療用品諸如繃帶、 縫線及 手術(shù)器具。 環(huán)氧乙烷有殺菌作用， 對(duì)金屬不腐蝕，無(wú)殘留氣味，因此可用材料的氣體殺 菌劑。主要用于制造其他各種溶劑 （如溶纖劑等 ）,稀釋劑 ,非離子型表面

7、活性劑 ,合 成洗滌劑、抗凍劑、消毒劑、增韌劑和增塑劑等。與纖維素發(fā)生羥乙基化可合成 得水溶性樹(shù)脂 （其環(huán)氧乙烷含量約 75%）。還可用作熏蒸劑、 涂料增稠劑、乳化劑、 膠黏劑和紙張上漿劑等。通常采用環(huán)氧乙烷 -二氧化碳（兩者之比為 90： 10）或 環(huán)氧乙烷 -二氯二氟甲烷的混合物，主要用于醫(yī)院和精密儀器的消毒。環(huán)氧乙烷 用熏蒸劑常用于糧食、食物的保藏。 例如，干蛋粉的貯藏中常因受細(xì)菌的作用而 分解，用環(huán)氧乙烷熏蒸處理，可防止變質(zhì)，而蛋粉的化學(xué)成分，包括氨基酸等都不受影響。 環(huán)氧乙烷易與酸作用， 因此可作為抗酸劑添加于某些物質(zhì)中， 從而降低這些 物質(zhì)的酸度或者使用其長(zhǎng)期不產(chǎn)生酸性。例如， 在

8、生產(chǎn)氯化丁基橡膠時(shí)， 異丁烯 與異戊二烯共聚物的溶液在氯化前如果加入環(huán)氧乙烷， 則成品即可完全不用堿洗 和水洗。 由于環(huán)氧乙烷易燃及在空氣中有廣闊的爆炸濃度范圍， 它有時(shí)被用作燃料氣 可以作為火箭和噴氣 60：40-95：5）。這 化爆彈的燃料成份。 環(huán)氧乙烷自動(dòng)分解時(shí)能產(chǎn)生巨大能量， 推進(jìn)器的動(dòng)力，一般是采用硝基甲烷和環(huán)氧乙烷的混合物（ 種混合燃料燃燒性能好，凝固點(diǎn)低，性質(zhì)比較穩(wěn)定，不易引爆?？偟膩?lái)說(shuō)，環(huán)氧 乙烷的上述這等直接用途消費(fèi)量很少， 環(huán)氧乙烷作為乙烯工業(yè)衍生物僅次于聚乙 烯，為第二位的重要產(chǎn)品。 其重要性主要是以其為原料生產(chǎn)的系列產(chǎn)品。 由環(huán)氧 乙烷衍生的下游產(chǎn)品的種類(lèi)遠(yuǎn)比各種乙烯

9、衍生物多。 環(huán)氧乙烷的毒性為乙二醇的 27 倍，與氨的毒性相仿。在體內(nèi)形成甲醛、乙二醇和乙二酸，對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng) 起麻醉作用，對(duì)粘膜有刺激作用，對(duì)細(xì)胞原漿有毒害作用。 大部分的環(huán)氧乙烷被用于制造其它化學(xué)品， 主要是乙二醇。 乙二醇主要的最 終用途是生產(chǎn)聚酯聚合物， 也被用作汽車(chē)?yán)鋮s劑及防凍劑。 其次用于生產(chǎn)乙氧基 化合物、乙醇胺、乙二醇醚、亞乙基胺、二甘醇、三甘醇、多甘醇、羥乙基纖維 素、氯化膽堿、乙二醛、乙烯碳酸酯等下游產(chǎn)品。 1.3. 本設(shè)計(jì)的主要思路及創(chuàng)新點(diǎn) 本設(shè)計(jì)采用銀作催化劑氧氣直接氧化法， 對(duì)原有的單元設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)能力標(biāo) 定和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)定。在此基礎(chǔ)上，查閱了大量資料，根據(jù)設(shè)計(jì)條件，通

10、過(guò)物料衡 算、熱量衡算、反應(yīng)器的選型及尺寸的確定，計(jì)算壓降、催化劑的用量等，設(shè)計(jì) 出符合設(shè)計(jì)要求的反應(yīng)系統(tǒng)。 2. 工藝路線設(shè)計(jì) 2.1.氧化反應(yīng) 乙烯氧化過(guò)程，按氧化程度可分為選擇氧化（部分氧化）和深度氧化（完全 氧化）兩種情況，乙烯分子中碳碳雙鍵 C=C具有突出的反應(yīng)活性，在一定條件 下可實(shí)現(xiàn)碳碳雙鍵選擇性氧化，生成環(huán)氧乙烷。 但在通常的氧化條件下，乙烯的 分子骨架容易被破壞，而發(fā)生深度氧化生成二氧化碳和水。為使乙烯氧化反應(yīng)盡 可能的約束在生成目的產(chǎn)物一環(huán)氧乙烷的方向上， 目前工業(yè)上乙烯直接氧化生成 EO的最佳催化劑均采用銀催化劑。在銀催化劑作用下的反應(yīng)方程式如下： ch2ch2 +匕欲

11、|） /-101 kJ/mol o 另外，乙烯直接氧化還有副產(chǎn)物生成, 其中 CO2和水最多。實(shí)驗(yàn)已證明這 些副產(chǎn)物以?xún)蓷l不同的路線生成的。首先, 乙烯直接氧化生成CO2和水并伴隨 著許多壽命極短的部分氧化中間產(chǎn)物: C2H4+3O2 2CO2+2H2O 1308.28kJ/mol 這一反應(yīng)用氯化物來(lái)加以抑制，該氯化物為催化劑抑制劑即 1, 2二氯乙 烷（EDC），EO自身有也一定的阻止進(jìn)一步氧化的能力。 C2H412O2 CH 3CHO C2H4 O2 2CH 2。 在反應(yīng)過(guò)程中如有堿金屬或堿土金屬存在時(shí)，將催化這一反應(yīng) CO2 CO2還由EO氧化而得，這時(shí)它首先被異構(gòu)為乙醛，然后很快被氧化

12、為 和H2O。反應(yīng)速度由EO異構(gòu)化控制。 C2H 4O CH 3O -CHO CH 3CHO 52O2 、2CO2 2H2O 反應(yīng)器副產(chǎn)物中除CO2和H2O以外還有微量的乙醛和甲醛。它們?cè)诰茊?兀中從EO和EG中分離掉，以上氧化反應(yīng)均是放熱反應(yīng)。 22二氧化碳脫除 本裝置采用碳酸鹽溶液吸收C02,以脫除氧化反應(yīng)的副產(chǎn)物C02,此吸收為 化學(xué)吸收： K2CO3 + C02 + H202KHCO3 + 26.166kJ/mol(7) 應(yīng)分五步進(jìn)行： + - H2O=H + 0H(8) K2C03=C032 + 2K (9) + 2 H + C032 =HC03-(10) K+ + HCO3- =

13、KHCO3(11) CO2 + OH- =HCO3- (12) 速度由第五步控制，在接近大氣壓下，用蒸汽汽提富碳酸鹽液，將C02從 系統(tǒng)中解析出來(lái)，排至大氣： KHCO3 K2CO3+CO2十 H20 (13) CHaCllj 環(huán)氧乙烷(簡(jiǎn)稱(chēng)E0)是最簡(jiǎn)單也是最重要的環(huán)氧化合物，在常溫下 為氣體，沸點(diǎn)10.5C?？梢耘c水、醇、醚及大多數(shù)有機(jī)溶劑以任意比混合。 有毒, 易自聚，尤其當(dāng)有鐵，酸，堿，醛等雜質(zhì)或高溫下更是如此，自聚時(shí)放出大量熱， 甚至發(fā)生爆炸，因此存放環(huán)氧乙烷的貯槽必須清潔，并保持在0C以下。 2.3.反應(yīng)過(guò)程分析 工業(yè)上生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的方法是乙烯直接氧化法，在銀催化劑上乙烯用空氣或

14、純氧氧化。乙烯在 Ag/ a AI2O3催化劑存在下直接氧化制取環(huán)氧乙烷的工藝， 可用空氣氧化也可以用氧氣氧化，氧氣氧化法雖然安全性不如空氣氧化法好，但 氧氣氧化法選擇性較好，乙烯單耗較低，催化劑的生產(chǎn)能力較大，故大規(guī)模生產(chǎn) 主反應(yīng) 副反應(yīng) 采用氧氣氧化法。主要反應(yīng)方程式如下: ch 上+ciij（氣 2 / O ZVf/科虬e 103+ 4kJ/mol A/ P-產(chǎn)品環(huán)氧乙烷；W排空廢氣；SPC未脫除二氧化碳的循環(huán)氣；TC-脫除的二氧 化碳； SRC脫除二氧化碳的循環(huán)氣 3.32混合器 (1) 循環(huán)氣體的溫度：79.00C壓力1.76MPa混合氣出料溫度：76.00C壓 力1.76MPa進(jìn)料

15、氣體被EO反應(yīng)產(chǎn)品氣體從78C加熱到152C,而產(chǎn)品氣體從 202 C被冷卻到138 C。 (2) 環(huán)氧乙烷吸收塔吸收率(%)： 氮?dú)猓?.0050 氬氣：0.0010 氧氣：0.010 甲烷：0.0100 乙烯：0.0500 乙烷：0.0020 氧化碳：1.3000 環(huán)氧乙烷: 99.6000 水：65.2940 乙二醇：100.0000 (3) 計(jì)算過(guò)程 1) 計(jì)算新鮮乙烯原料中乙烯量 1*10000*1000 =220.2620kmol/h _ 計(jì)劃任務(wù)X10000X000 開(kāi)工率 X44.0524 X合成收率7200*44.0524*30% 新鮮乙烯原料中甲烷的量=220.2620 0

16、.05% =0.1103kmol/h 99.85% 新鮮乙烯原料中乙烷的量=220.2620 0.01% =0.0221kmol/h 99.85% 新鮮乙烯原料的量=新鮮乙烯原料中乙烯量+新鮮乙烯原料中甲烷的量+新 鮮乙烯原料中乙烷的量 即：F2=220.2620+0.1103+0.0221=220.3944kmol/h 設(shè)：反應(yīng)器的進(jìn)料量為 MF(kmol/h);新鮮甲烷原料量為F3；針對(duì)混合器列 乙烯和甲烷的物料衡算方程，得: MFX 30 % =MFX 30 % X(1 10% ) *1 0.0005) (X 0.0018)+220.2620+X).5% (1) MFX 50% =MFX

17、 50% X(1-0.0001) (X0.0018)+0.1103+Fs 96.9%(2) 由(1) (2)兩式聯(lián)立可得 MF=9268.1471F3=12.2463 2) 設(shè)循環(huán)氣中環(huán)氧乙烷的量為 Reo ;反應(yīng)器中的環(huán)氧乙烷的量為 MFe。; 環(huán)氧乙烷的摩爾分率為yE。；針對(duì)混合器列環(huán)氧乙烷的物料衡算方程，得: 循環(huán)氣中得環(huán)氧乙烷的量=反應(yīng)器中的環(huán)氧乙烷的量; REO = MFeo =MF yEO 反應(yīng)器中環(huán)氧乙烷的量: MFeo=MFyEO + MFyc2H40.1 80% (1-0.996)(1-0.0018) 由以上兩式得. MF x yEo _ 0.仆0.8漢(1 0.996 (1

18、0.0018) 式得 MF - 1 -(1 - 0.996) (1 -0.0018 解得：yEo =0.0001 3) 設(shè)：新鮮氧氣原料的量為F1 (kmol/h);針對(duì)混合器列氧氣的物料衡算方 程，得：反應(yīng)器進(jìn)料中的氧氣量=新鮮氧氣原料中的氧氣量+循環(huán)氣中的氧氣量 MFX yo2=F1 Xy?O2+RXy/O2 循環(huán)氣中的氧氣量=反應(yīng)器中的氧氣量-反應(yīng)消耗的氧氣量-氧氣的吸收量- 氧氣的排放量 RXyo2=MFXyo2-MFXyc2H4X).1 X.8 X.5-MF Xc2H40.1 X.2 X X1-0.0001) (X 1-0.0018) 即：RX8.32% =F199.8% +MFX8

19、.32% MFX 30% 0.1 X0.8 0.5-MF 30% X0.1 0.2 3 *1-0.0001) (K0.0018) 解得：F1 =252.1495kmol/h 4) 設(shè)：環(huán)氧乙烷吸收塔吸收的二氧化碳的吸收率為? CO2 ;二氧化碳吸收 解析塔二氧化碳的吸收率為CQ。 針對(duì)混合器列二氧化碳的物料衡算方程，得： 反應(yīng)器中的二氧化碳的量 二新鮮甲烷進(jìn)料中的二氧化碳的量+循環(huán)氣中的二 氧化碳的量： MF yCO2 = F3 y co R y co2。 I RXy?o2=MFXyco2+MFX yc2H4.1 X.2 X X1co2 ) X1-0.0018) (X cq ) 即：MFX y

20、co2=F3X0.6% +MFXyco2 +MFX30% X0.1 X0.2 2 *1-0.013) (K0.0018) N1-0.18)解得：co =0.0500 5) 設(shè)：新鮮乙烯原料量為 F2；乙烷的吸收率為gh6，針對(duì)混合器列乙烷 的物料衡算方程，得：反應(yīng)器中的乙烷的量 =新鮮乙烯原料中的乙烷的量+循環(huán) 氣中的乙烷的量：MF yc2H6 = F2 y C2H6 R yc?% 循環(huán)氣中的乙烷的量=MF yc2H6 ( - : c2h6) (1-0.0018) 即：MF yC2H6 = 520.21380.1% MF yc(1 -0.00002 )(1 -0.0018) 解得：yc2H6

21、=0.0175 6) 設(shè)：氮?dú)獾奈章蕿?n2 ；針對(duì)混合器列氮?dú)獾奈锪虾馑惴匠?，得?反應(yīng)器中的氮?dú)獾牧?新鮮氧氣原料中的氮?dú)獾牧?新鮮甲烷原料中的氮?dú)?的量+循環(huán)氣中的氮?dú)獾牧浚篗F匯yN26 = E匯y 2十F3匯y矚+ R匯y咚 循環(huán)氣中氮?dú)獾牧?MF yN2(1 -N2)(1-0.0018) 即 MF x yN2 =509.9414x0.005% +16.38807% + MF x 加2 乂 (1 0.00005 況(1。務(wù) 解得：Yn2 =0.0118 7) 設(shè)：氬氣的吸收率為:n2 ；針對(duì)混合器列氬氣的物料衡算方程，得： 反應(yīng)器中的氬氣的量=新鮮氧氣原料中的氬氣的量+循環(huán)氣中的氬

22、氣的量 MF yAr = F y Ar R y Ar 循環(huán)氣中的氬氣的量=MF yAr (1 -二Ar) (1-0.0018) 即：MF yAr =509.94140.195% MF yAr (1 0.00001) (1 0.0018) 解得：yAr =0.0323 8) 設(shè)：水的吸收率為h2o ;循環(huán)氣中水的摩爾分率為yH2。，針對(duì)混合器 列水的物料衡算方程，得： 循環(huán)氣中的水的量=反應(yīng)器中的水的量+反應(yīng)生成的水的量 R yH2O=MF yH2o MFyc2H4 0.1 0.198 1 (1-： H20) (1-0.0018) 反應(yīng)器中水的摩爾分率： yH2O =1- yCH4 -滄出-y

23、O 2 - yCO2 - yC2H 6 - y N 2 - yAr - yEO =1-0.5-0.3-0.0832-0.05-0.0168-0.0112-0.0323-0.0001=0.0063 又有：Fi+F2+F3+R=MF , 即 R=MF- F1-F2-F3 得：R=6178.7647-252.1495-146.9295-8.1642=8657.2823kmol/h R yH20=MF 0.0MF 0.3 0.1 0.12 (10.6) (10.0)0 得：yH2。=0.0068 3.3.3.反應(yīng)器 （1）反應(yīng)溫度為243E，壓力為1.60MPa,反應(yīng)物料由塔頂加入 （2）計(jì)算過(guò)程（y

24、表示MF中各個(gè)組分的摩爾分率） 1） 反應(yīng)器出口的乙烯的量=MF yc2H4 （1 -乙烯的單程轉(zhuǎn)化率） =8414.4025 X 0.3 X （1-10 %） =2271.8887 kmol/h 2）反應(yīng)器出口環(huán)氧乙烷 =MF xyC2H4江乙烯的單程轉(zhuǎn)化率 環(huán)氧乙烷的選擇性 =8414.4025 X 0.3 X 10%X 80% =201.9457 kmol/h 3）反應(yīng)器出口二氧化碳=MFX yC2H4X乙烯的單程轉(zhuǎn)化率X二氧化碳的選擇性 X 2+MFX y CO2 =8414.4025 X 0.3 X 10%X 20%X 2+8414.4025 X 8.32 % =520.6833 k

25、mol/h 4）反應(yīng)器出口水量（反應(yīng)中每生成一摩爾的二氧化碳同時(shí)生成一摩爾的水） 所以： 反應(yīng)器出口 MF yH2O MF yC2H4乙烯單程轉(zhuǎn)化率 二氧化碳選擇性 =8414.4025 X 0.0063+8414.4025 X 0.3 X 10%X 20%X 2 =244.8591 kmol/h 5）反應(yīng)器出口氧氣量（混合器中氧氣量-生成環(huán)氧乙烷消耗的氧氣量-生成 乙醛消耗氧氣量-生成二氧化碳消耗的水量） 即：反應(yīng)器出口水量 二MF y2 -MF yc2H4乙烯單程轉(zhuǎn)化率環(huán)氧乙烷選擇性 0.5 MF yC2H4乙烯單程轉(zhuǎn)化率 二氧化碳擇性 3 =8414.4025 X 0.0832 8414

26、.4025 X 0.3 X 10%X 80%X 0.5 8414.4025 X 0.3 X 10%X 20%X 3 =448.9084 kmol/h 6) 反應(yīng)器出口氮?dú)?，氬氣，甲烷，乙烷的?因?yàn)樵诜磻?yīng)器中這些物料沒(méi)有發(fā)生變化，所以其量等于進(jìn)口的量 即：氮?dú)?99.1063 kmol/h氬氣=271.7852 kmol/h 甲烷=295407.2013kmol/h乙烷=147.2524kmol/h 4. 熱量衡算 (1)原料氣帶入的熱量Qi 原料氣的入口溫度為423.15 K,以273.15 K為基準(zhǔn)溫度，則 Q=：Z nCpi(T入-T基)(kJ/h(4-4) i 計(jì)算結(jié)果列于表4-2中

27、表4-1原料氣帶入的熱量 組分 Cp (J/ mol K) Xni X ni C pi C2H4 92.2845 0.0340 3.1380 O2 46.8900 0.0560 2.6265 CO 2 66.714 0.0770 5.1375 N2 44.607 0.8330 37.158 合計(jì) - 1.0000 45.0600 由計(jì)算結(jié)果可知 QNXniCpit 入(4-5) 由公式 4-5 可得 Q1=12621.60375 30.040 (483.15-273.15)=4.155 107kJ/h (2) 反應(yīng)熱Q2在操作條件下，主副反應(yīng)的熱效應(yīng)分別為 、 1 主反應(yīng)：C2H402 -；

28、C2H4O 25.19kJ/mol(4-6) 2 副反應(yīng)：C2H4 3o2 、2CO2 2h2O 315.9kJ/mol(4-7) 則主反應(yīng)的放的熱量為： Q21=223.56510.20.6625.191034.1886 = 3.11371 06kJ /h 副反應(yīng)的放熱量為： Q21=223.56510.20.34315.91034.1886 =2.0115107kJ/h 總反應(yīng)熱為： 67 Q2 =Q21 Q22(3.1137 20.1150)10 =2.3229 10 kJ / h (3) 氧化氣帶出的熱量Q3 氧化氣出口溫度為507.15 K,以273.15 K為基準(zhǔn)溫度，則 Q1nC

29、pi(T出-T基)(k J/h(4-8) i Q3 二 NXnQpit出(4-9) 由公式 4-7 可得 Q3=4373.8786 80.912 234=5.0724 X07kJ/h (4) 反應(yīng)器的散熱量Q4 Q什 Q2=Q3+Q4(4-10) 可得反應(yīng)器散熱量 Q4=Q1+Q2 - Q3= (4.155+2.3229- 5.0724) 107=1.4055 107kJ/h 5. 乙烯氧化固定床列管反應(yīng)器計(jì)算 5.1. 反應(yīng)器設(shè)備計(jì)算 在物料衡算和熱量衡算的基礎(chǔ)上，可以對(duì)反應(yīng)部分主要設(shè)備的工藝參數(shù)進(jìn)行 優(yōu)化計(jì)算。這一部分主要是反應(yīng)器的工藝參數(shù)優(yōu)化。 設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力：3萬(wàn)噸/年；生產(chǎn)過(guò)程安全系數(shù)

30、：1.04 ;本設(shè)計(jì)采用一臺(tái)反 應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)。 已知：(1)每小時(shí)輸入的原料氣量總為 12621.6038 kmol/h; 以銀為催化劑，顆粒為球形，d=5mm,空隙率；=0.48 ; 反應(yīng)溫度為234E，操作壓力為1.6MPa,空速為4000/h; 反應(yīng)器列管規(guī)格為44.9 X 3mm (5) 反應(yīng)熱用水帶走，導(dǎo)出水進(jìn)口溫度 210C，導(dǎo)出水溫度220C； 原料氣進(jìn)口溫度為150C，氧化氣出口溫度為234Eo 計(jì)算催化劑床層體積VR-丫總 Sv 進(jìn)入反應(yīng)器的氣體總流量為12621.6038kmol/h 給定空速為 4000/h 12621.6038 22.4 4000 = 51.9519m3

31、 5.2確定氧化反應(yīng)器的基本尺寸 對(duì)于列管式固定床反應(yīng)器，首先應(yīng)根據(jù)傳熱要求選定選擇44.9 X 3mm的 不銹鋼管作為反應(yīng)器的反應(yīng)管規(guī)格20，再求出反應(yīng)管根數(shù)no 反應(yīng)管內(nèi)徑：di=44.9-3 X 2=38.9mm=0.0389m (5-10) 反應(yīng)管根數(shù)n n 二 ! 2 : 2 d i H - d i 44 由公式(5-10)可得 51.9519 兀2 0.0 38910.69 4 =4091 根 經(jīng)圓整可得，反應(yīng)管根數(shù)為4091根。 5.3床層壓力降的計(jì)算 可查得如下計(jì)算公式: 150(1一 A 1.75G dp (5-11 ) 式中？P床層壓力降，kg/m2 ； H 催化劑床層咼度

32、，m G 質(zhì)量流速，kg/m2.s ; 訂氣體密度,kg/m3; g重力加速度，m/s2; :固定床空隙率； dp 催化劑顆粒當(dāng)量直徑，m J氣體粘度，Pa- S或(kg/m s)； 57.99 7.17 9.8 0.005 1一0.8(150 (1 0.8) 4.26 10 廠( 0.8 0.005 1.75 57.99) 5.7 本次設(shè)計(jì)所選用的催化劑為 d=5mrtl勺球型，計(jì)算其直徑為d = 0.005m H = 10.69m； = 0.48 m 354898.60kg/h _ “er 2、 G257.9900kg/(m s) A 1.7m2 3600 -4.26 10Pas =7.1

33、7kg/m3 由式5-11得 = 37390.08kg/m2 =0.3740MPa 5.4傳熱面積的核算 對(duì)數(shù)平均溫差公式為 選 (5-1 ) 導(dǎo)入溫度 導(dǎo)出溫度 原料入口溫度 反應(yīng)出口溫度 溫度C 210 220 150 234 換熱介質(zhì)采用逆流，則由5-1得 (234-210)-(220-210) _22 41K ,234 210 In 220-150 則有A需 = Q4 K ：tm (5-13) 63 8.9544 1010 12 3600 298.82 22.41 2 = 185.7164m (5-14) 則有 a實(shí)二3.14 0.032 9 631.54 = 570.2934m2 可

34、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反應(yīng)器塔徑的確定 查得塔經(jīng)的計(jì)算公式20: D =t (nc -1) 2b( 5-15) 式中d殼體內(nèi)徑，m t管中心距，m nc 橫過(guò)管中心線的管數(shù)； b 管束中心線最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離 t 二 1.368d2 1.368 0.0389 二 0.0530m ； 一般取 b=(11.5)d2 ， 取 b=1.3d2=1.3 0.0389 = 0.05060m 橫過(guò)管中心線的管數(shù)為 nc=1.1、n( 5-16) 由公式 5-16，可得 % =1.1 4091 二 70.3590 ： 70 所以，由公式

35、 5-15可得D =0.0532 (70 -1廠2 0.0506 = 3.772m本反應(yīng)器 取最小壁厚為20mm故外徑為D = 3772 + 27.5x 2 = 3827 mm。故取反應(yīng)器外徑 為 3827mm 5-2氧化反應(yīng)器的參數(shù) 名稱(chēng) 數(shù)據(jù) 原料進(jìn)料量，kmol/h 8414.4025 產(chǎn)品產(chǎn)量，噸/年 30000 原料進(jìn)口溫度，C 150 氧化氣出口溫度，C 234 水進(jìn)口溫度，C 210 水出口溫度，C 220 氧化反應(yīng)器臺(tái)數(shù)，臺(tái) 1 氧化反應(yīng)器直徑，mm 3827 列管根數(shù)，根 4091 列管尺寸，mm 38.9 X 3 氧化反應(yīng)器高度，mm 12190 換熱面積，m 570.29

36、34 6. 各組分吸收情況計(jì)算 6.1. 環(huán)氧乙烷吸收塔 (1) 該塔用純水作為吸收劑，吸收塔的溫度為47C，壓力為1.45MPa (2) 各組分的吸收率(%: 氮?dú)猓?.0050氬氣：0.0010氧氣：0.0100甲烷：0.0100 乙烯：0.0500乙烷：0.0020二氧化碳：1.3000 環(huán)氧乙烷：99.6000 水：65.2940 (3) EO吸收塔吸收液汽比=2.0 （4）計(jì)算過(guò)程（y表示RF中的摩爾分率，:-為吸收率） 1）氣體中各個(gè)組分的量 a）出口環(huán)氧乙烷的量二進(jìn)入吸收塔的環(huán)氧乙烷量（1-環(huán)氧乙烷的吸收率） =RFeoX （1 a ec） =223.55055 X （1-99.

37、6 % ）=0.8942 kmol/h b）出口乙烯的量=進(jìn)入吸收塔的乙烯的量（1 -乙烯的吸收率） = RFc2H4X (1 a C2H4() =3596.9021 X (1-0.05 % )=3417.0570kmol/h c）出口的二氧化碳的量 =進(jìn)入吸收塔的二氧化碳的量（1 -二氧化碳的吸收率） =RFC02X （1 一 a co） =846.9705X （1-1.30 % ）=770.8716 kmol/h d）出口的氧氣的量=進(jìn)入吸收塔的氧氣的量（1 -氧氣的吸收率） = RF)2X (1 一 a 02) =680.5901 X (1-0.01 % )=673.2953 kmol/

38、h e）出口的甲烷的量=進(jìn)入吸收塔的甲烷的量（1 -甲烷的吸收率） =REh4X （1 a ch） =680.2076 x （1-0.01 % ）=680.1396 kmol/h f）出口的乙烷的量=進(jìn)入吸收塔的乙烷的量（1 -乙烷的吸收率） = RFC2H4X （1 a c2h） =224.0056 X （1-0.002 % ）=220.4716kmol/h g）出口的氮?dú)獾牧?進(jìn)入吸收塔的氮?dú)獾牧浚? -氮?dú)獾奈章剩?=RFf2X （1 一 a N2） =150.6738 X （1-0.005 % ）=148.6519 kmol/h h）出口的水蒸氣的量=進(jìn)入吸收塔的水蒸氣的量（1 -水

39、蒸氣的吸收率） =RF H2oX (1 一 a H2( =168.6381 X （1-65.294 % ）=127.4738 kmol/h 2）吸收劑的用量H（采用純水做吸收劑） EO吸收塔吸收液汽比L/V=2.0 塔內(nèi)氣體的平均流率V進(jìn)料量塔頂氣體量 2 塔內(nèi)液體的平均流率L=吸收劑量H（吸收劑量H 被吸收的量） 2 即：吸收劑的用量=（進(jìn)料量+塔頂出口氣體量）液氣比-被吸收的量/2 得：吸收劑用量 H=（6110.5386+5882.1639）3-（6110.5386-588.1479）1.5/2 解得:H=23277.7726 kmol/h 3）富液中各個(gè)組分的量 a）環(huán)氧乙烷的量=進(jìn)入吸收塔環(huán)氧乙烷量X環(huán)氧乙烷的吸收率 =RFeoX a eo =223.5566 X 99.6 % =222.6564kmol/h b）乙烯的量=進(jìn)入吸收塔的乙烯的量乙烯的吸收率 = RFc2H4oX a C2H4O =3596.9021 X 0.05 % =0.2985 kmol/h c）二氧化碳的量=進(jìn)入吸收塔的二氧化碳的量二氧化碳的吸收率 = RFcO2X a co2 =846.9989 X 1.30 % =11.0111kmol/h d）氧氣的量=進(jìn)入吸收塔的氧氣的量氧氣的吸收率