課程設計環(huán)氧乙烷生產工藝設計

化工工藝學課程設計設計題目：環(huán)氧乙烷生產工藝設計目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、 設計方案簡介 2\o"CurrentDocument"二、 工藝流程草圖及說明 6\o"CurrentDocument"三、物料衡算 8\o"CurrentDocument"四、 計算結果概要 15\o"CurrentDocument"五、 工藝流程說明 15六、 工藝流程圖 21\o"CurrentDocument"七、參考文獻 22一、設計方案簡介環(huán)氧乙烷（沸點10.5°C）是最簡單也是最重要的環(huán)氧化合物，其用途是制取生產聚酯樹脂和聚酯纖維的單體、制備表面活性劑，此外還用于制備乙醇胺類、乙二醇醚類等。L反應過程分析：工業(yè)上生產環(huán)氧乙烷的方法是乙烯氧化法，在銀催化劑上乙烯用空氣或純氧氧化。乙烯在Ag/a-Al2O3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，催化劑的生產能力較大，故大規(guī)模生產采用氧氣氧化法由乙烯環(huán)氧化反應的動力學圖示可知乙烯完全氧化生成二氧化碳和水，該反應是強放熱反應，其反應熱效應要比乙烯環(huán)氧化反應大副反應的發(fā)生不僅使環(huán)氧乙烷的選擇性降低，而且對反應熱效應也有很大的影響。選擇性下降熱效應明顯增加，故反應過程中選擇性的控制十分重要。如選擇性下降移熱慢，反應溫度就會迅速上升，甚至產生飛溫。2、催化劑的選擇:由于選擇性在反應過程中的重要性，所以要選擇選擇性好的催化劑，銀催化劑對乙烯環(huán)氧化反應較好的選擇性，強度、熱穩(wěn)定性、壽命符合要求，所以用銀催化劑。催化劑由活性組分銀、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產物的形成，主要有硒、碲、氯、溴等。載體的主要功能是負載、分散活性組分，提高穩(wěn)定性。載體的結構（特別是孔結構）對助劑活性的發(fā)揮、選擇性控制有極大的影響（乙烯氧化制環(huán)氧乙烷的特殊性要求載體比表面積低并且以大孔為主）。3、 反應壓力：加壓對氧化反應的選擇性無顯著影響，但可提高反應器的生產能力且有利于環(huán)氧乙烷的回收，故采用加壓氧化法，但壓力高對設備的要求高費用增加催化劑易損壞。故采用操作壓力為2Mpa左右。4、 反應溫度及空速的影響：影響轉化率和選擇性的主要因素是溫度。溫度過高，反應速度快、轉化率高、選擇性下降、催化劑活性衰退快、易造成飛溫；溫度過低，速度慢、生產能力小。所以要控制適宜溫度，其與催化劑的選擇性有關，一般控制的適宜溫度在200-260C。另一個因素是空速，與溫度相比次因素是次要的，但空速減小，轉化率增高，選擇性也要降低，而且空速不僅影響轉化率和選擇性，也影響催化劑得空時收率和單位時間的放熱量，故必須全面衡量，現(xiàn)工業(yè)上采用的混合起空速一般為7000/h左右，也有更高。以氧氣作氧化劑單程轉化率控制在12-15%，選擇性可達75-80%后更高。5、原料純度及配比：原料其中的雜質可能給反應帶來不利影響：使催化劑中毒而活性下降，如乙炔和硫化物使催化劑永久中毒，乙炔和銀形成的乙炔銀受熱會發(fā)生爆炸性分解；使選擇性下降（鐵離子）；使反應熱效應增大（H2、C3以上烷烴和烯烴）；影響爆炸極限，如氬氣是惰性氣體但其會使氧的爆炸極限濃度降低而且增加爆炸的危險性，氫也有同樣的效應，故原料中的雜質含量要嚴格控制。（乙炔＜5ppm,C3以上烴＜1ppm,硫化物＜1ppm,H2＜5ppm）進入反應器的混合氣組成：由于反應的單程轉化率較低故采用具有循環(huán)的乙烯環(huán)氧化過程，進入反應器的混合氣是由循環(huán)氣和新鮮原料氣混合而成的，其組成既影響經濟效果也關系生產安全。氧的含量必須低于爆炸極限濃度，因乙烯的濃度影響氧的極限濃度而且影響催化劑的生產能力，所以其濃度也需控制。乙烯和氧濃度有一適量值（如濃度過高，反應快，放熱多，反應器的熱負荷大，如放熱和除熱不能平衡，就造成飛溫），以氧為氧化劑為使反應不致太劇烈仍須加入稀釋劑，以氮作稀釋劑進反應器的乙烯濃度可達15-20%，氧濃度為8%左右。由于反應的轉化率比較低，為了充分利用原料從吸收塔出來的氣體須循環(huán)，由于循環(huán)氣中含有雜質和反應副產物所以需要在循環(huán)之前將一部分有害氣體排除，即脫除二氧化碳。從吸收塔排出的氣體，大部分（90%）循環(huán)使用，小部分送二氧化碳吸收裝置，用堿洗法（熱碳酸鉀溶液）脫除掉副反應生成的二氧化碳。二氧化碳對環(huán)氧化反應有抑制作用，但適量提高其含量對反應的選擇性有好處，且提高氧的爆炸極限，故循環(huán)氣中允許有一定量二氧化碳，但不宜過多，因反應產生二氧化碳所以須脫除。6、 反應器的選擇：由于此反應為氣固相反應，并且催化劑比較貴所以選擇固定床反應器。反應放出大量的熱所以須換熱介質進行換熱，采用對外換熱式換熱，根據(jù)反應的熱效應求得反應的溫度在180-250C，所以選擇礦物油作為換熱介質。反應器為列管式固定床反應器，采用外部循環(huán)式換熱。7、 能耗：關于能耗方面，除了反應選擇性和反應熱的利用等影響因素外，環(huán)氧乙烷吸收液的濃度和吸收水熱量的利用，對能耗也有顯著影響。在環(huán)氧乙烷吸收系統(tǒng)和解吸收系統(tǒng)設置多個換熱器，以回收不同位能的熱量；低位能熱量的回收和利用，降低吸收水溫度以提高吸收效率，提高吸收液中環(huán)氧乙烷的濃度，減少循環(huán)水量，二氧化碳系統(tǒng)熱量的回收和利用等，均可降低能耗。、工藝流程草圖及說明-）、氧氣氧化法反應部分1、工藝流程草圖:）、流程草圖說明乙烯催化氧化法制環(huán)氧乙烷的工藝需注意以下兩點；1、安全性的保障：對此工藝，由于副反應為強放熱反應，溫度的控制尤為重要，若反應熱未及時移走，就會導致溫度難于控制，產生飛溫現(xiàn)象。由于是氧氣做氧化劑，還存在爆炸極限的問題，所以反應氣體的混合至關重要?？山栌枚嗫讎娚淦鲗χ旌蠚饬鞯南掠螌⒀醺咚賴娚淙胙h(huán)氣和乙烯的混合氣中，使它們迅速進行均勻混合。為控制氧氣、乙烯的濃度在爆炸極限以內，也為使反應不致太劇烈，需采用惰性致穩(wěn)氣，可采用N2或CH4做致穩(wěn)氣。2、生產經濟性的保障:對化工行業(yè)的生產工業(yè)來說，經濟性是應考慮的重要因素。為滿足此要求，應想辦法使反應的選擇性提高，故應采用性能良好的催化劑，催化劑的研究開發(fā)決定著反應的選擇性。并用抑制二氯化烷來抑制副反應的發(fā)生。還應考慮能量的利用律，想辦法利用生產流程中各種位能的熱量，充分節(jié)約資源，降低生產成本。新鮮原料氧氣和新鮮原料乙烯與循環(huán)氣混合后，經過熱交換器預熱一段時間后，從反應器上部進入催化床層。自反應器流出的反應氣環(huán)氧乙烷含量僅1-2%，經熱交換器利用其熱量并進行冷卻后，進入環(huán)氧乙烷吸收塔。由于環(huán)氧乙烷能以任何比例與水混合，故采用水做吸收劑以吸收反應氣中的環(huán)氧乙烷。從吸收塔排出的氣體，大部分（約90%）循環(huán)使用，而一小部分需送CO2吸收裝置，用熱碳酸鉀溶液脫除掉副反應所生成的CO2。送CO2吸收裝置那一小部分氣體在二氧化碳吸收塔中與來自再生塔的熱的貧碳酸氫鉀-碳酸鉀溶液接觸。在二氧化碳作用下轉化為碳酸氫鉀。自二氧化碳吸收塔塔頂排出的氣體經冷卻，并分離出夾帶的液體后，返回至循環(huán)系統(tǒng)。二氧化碳吸收塔塔釜的富碳酸氫鉀-碳酸鉀溶液經減壓入再生塔，經加熱，使碳酸氫鉀分解為二氧化碳和碳酸鉀，CO2自塔頂排出，再生后的貧碳酸氫鉀-碳酸鉀溶液循環(huán)回二氧化碳吸收塔。三、物料衡算一）、已知數(shù)據(jù)

（1）用N2作為惰性致穩(wěn)劑時的原料氣組成組成C2H4O2N2CO2CH4C2H6ArH2Omol，%15.007.0053.2710.550.630.8712.400.28反應器的單程轉化率：12.3%選擇性：73.8%環(huán)氧乙烷的吸收率：99.5%O2中夾帶Ar0.00856mol，循環(huán)排放氣中含Ar為12.85%，產品環(huán)氧乙烷中含Ar0.00631mol。2）用CH4作為惰性致穩(wěn)氣時的原料氣組成組成C2H4O2N2CO2CH4C2H6ArH2Omol，%25.007.80-6.4153.790.076.900.03反應器的單程轉化率：8.14%選擇性： 73.8%環(huán)氧乙烷的吸收 99.5%率：O2中夾帶Ar0.00856mol，循環(huán)排放氣中含Ar為12.85%，產品環(huán)氧乙烷中含Ar0.00631mol。：）、乙烯催化氧化制環(huán)氧乙烷物料衡算框圖：）、乙烯催化氧化制環(huán)氧乙烷物料衡算框圖MFMF——混合原料氣SP——混合分離氣P—產品環(huán)氧乙烷—SPC——未脫除二氧化碳的循圖-2其中： 一新鮮原料氣FF—RP——混合反應氣RC——循環(huán)氣W——排空廢氣環(huán)氣 一SRC 脫除二氧化碳后的循環(huán)氣（三）、衡算過程衡算基準：進入反應器的混合氣100mol衡算范圍：以下各步的衡算范圍如圖-1所示反應器中的反應:混合氣中乙烯的轉化量：100X15%x12.3%=1.845mol生成環(huán)氧乙烷的量：1.845x73.8%=1.3616mol生成二氧化碳的量：1.845x（1-73.8%）x2=0.9668mol生成水的量：0.9668mol消耗氧氣的量：1.3616x1/2+0.9668x3/2=2.1310mol由此可得反應混合氣RP的組成：乙烯：100x15%-1.845=13.155mol氧氣：100x7%-2.1310=4.8690mol環(huán)氧乙烷：1.3616mol二氧化碳：100x10.55%+0.9668=11.5168mol水：100x0.28%+0.9668=1.2468mol其他氣體因未參與反應，故它們的量仍與原料氣一樣。所以反應氣出口的氣體組成（RP）為：13.155+4.8690+11.5168+1.24678+1.3616+53.27+0.63+12.4+0.87=99.3192mol組成CH24O2CO2CH4CHO24HO2CH26ArN2mol，%13.2454.911.5950.6341.3711.2550.87612.48553.635（2）以吸收塔為衡算范圍來確定SP的組成在吸收塔中，99.5%的環(huán)氧乙烷被吸收，故產品中環(huán)氧乙烷的量為：1.3616x99.5%=1.3548環(huán)氧乙烷中夾帶的Ar的量：1.3548x0.00631=0.008549mol對Ar作物料衡算，RP中Ar的量二SP中Ar的量+產品P夾帶的Ar的量.?.SP中Ar的量：12.4-0.008549=12.39145mol對CHO作物料衡算，RP中CHO的量二SP中CHO的量+P中24 24 24CHO的量.SP中CHO的量：24 2 41.36161-1.3548=0.006808mol，很小，故不考慮。SP中H2O的量不計，其他氣體的量不變。（單位：mol）C2H4：13.155O2：4.8690CH4：0.63 H2O：1.2468CH：0.87 CO：11.5168N:53.272 6 2 2???SP中與W各物質的組成相同，SP中Ar占12.85%.?.吸收塔出口的氣體量（SP）=12.39145/12.85%=96.4315mol組成CH24O2CO2CH4CHO24CH26ArN2mol，%13.6425.04911.9430.6500.90212.8555.24

、確定新鮮原料FF及循環(huán)氣RC的組成設FF中。2為xmol,C2H4為ymol,RC中O2為zmol，CH為smol24以整體為衡算范圍，對Ar作物料衡算新鮮原料中Ar的量等于產品中夾帶的Ar的量與排放氣中Ar的量之和。TOC\o"1-5"\h\z即：0.00856x=0.0085488+WX12.85% ——①以吸收塔為衡算范圍，分別對0、CH作物料衡算，RP中O(CH)2 24 2 24的量等于RC中0(CH)的量與排放氣W中0(CH)的量之2 2 4 2 2 4和。且排放氣W各物質的組成與SP中的組成相同。對02有：4.869025二z+WX5.049% ——②對C2H4有：13.155二s+WX13.642% ——③根據(jù)A點物料平衡，MF=FF+RC由A點。2平衡，有：7=x+z ——④由A點C2H4平衡，有：15=y+s ——⑤聯(lián)立上述五式，解得：w=0.07789molx=2.1679moly=1.8556molz=4.8321mols=12.1444mol即新鮮原料FF中。為2.1679mol，CH為1.8556mol新鮮原料中2 24。2夾帶的Ar的量：2.179x0.00856=0.0186mol由A點Ar平衡，MF中Ar的量=FF中。2夾帶的Ar的量+RC中（單位：mol）CH:24CH:（單位：mol）CH:24CH:0.63 H0：42RC中其他物質的量與MF中的量一樣。13.1444 0：4.832120.28C2H6：0.87 CO2：10.55N2：53.27Ar:12.381循環(huán)氣體的組成（RC）為：13.1444+4.8321+0.63+0.28+0.87+10.55+53.27+12.381=95.9765mol組成CH24O2CO2CH4HO2CH26ArN2mol，%13.6955.03710.990.6560.2920.90612.955.5（4）、確定未脫除CO2的循環(huán)氣SPC的組成根據(jù)B點CO平衡，SP中CO的量二脫除的CO的量+循環(huán)氣RC2 2 2中CO2的量，又循環(huán)氣RC中CO2的量與混合原料氣MF中CO2的量相同。?.?脫除的CO2的量：11.51678-10.55=0.96678mol根據(jù)工藝條件，可設CO2脫除裝置中CO2的脫除效率為70%，則送入CO2脫除裝置中CO2的量為：0.96678/70%=1.3811mol???脫除CO2后的循環(huán)氣SRC中CO2的量為：1.3811-0.96678=0.4143mol根據(jù)C點CO平衡，RC中CO的量二SRC中CO的量+SPC中CO2222的量???SPC中CO2的量:10.55-0.4143=10.1357mol?.?SPC與SP中各物質的組成相同，故SPC中CO2占11.943%..?未脫除⑴2的循環(huán)氣（SPC）的總量:10?1357/11?943%=84.867molSPC/SP=84.867/96.43153=88%，即從吸收塔出來的混合氣有88%直接循環(huán)，有12%送入CO脫除裝置中根據(jù)SPC與SP中其它物質的組成相同可得SPC中各物質的量，如下所示:單位：mol)CH:根據(jù)SPC與SP中其它物質的組成相同可得SPC中各物質的量，如下所示:單位：mol)CH:2411.5776O:4.2852CH:0.554CH：260.7655N:46.882Ar:10.90545)、根據(jù)C點物料平衡來確定脫除O后的循環(huán)氣SRC的組成由C由C點物料平衡有RC=SRC+SPC脫除CO2脫除CO2后95?9765-84.867=11?1095mol的循環(huán)氣SRC的總星根據(jù)C點各物質平衡可得SRC中各物質的量CH：1.566824CH:260.1045組成CH24O：根據(jù)C點各物質平衡可得SRC中各物質的量CH：1.566824CH:260.1045組成CH24O：0.54712CO：20.4143CO2CH4CH:0.084N2：6.39^756CH2 6 1HO2Ar14.14.923.730.722.50.9413.3單位：

mol)O0.2857.5（四）、數(shù)據(jù)校核及結果評價（1）、校核數(shù)據(jù)總物料衡算：FF=P+W吸收塔物料衡算：RP=SP+P結點A物料衡算：MF=FF+RC 結點C物料衡算：RC=SPC+SRC根據(jù)上述物料衡算式對總氣體量及各物質的量分別進行校核，計算結果基本符合上式。（2） 、結果評價在實際工藝過程中，由于在環(huán)氧乙烷吸收塔中，水也溶解了其它微量氣體，所以產品P中并非僅有環(huán)氧乙烷及微量的氬，而在計算過程中沒有考慮那部分氣體的量，視產品中僅有環(huán)氧乙烷和氬，所以導致SP的氣體總量及部分物質的量不精確，但誤差很小，并不影響整體結果。在計算過程中，將SP中水的量視為零，因SPC與SP的組成相同，所以RC中的水考慮為從SRC中來，即從CO脫除裝置中出來的循環(huán)氣帶出了少量的水，從而滿足水的平衡。四、計算結果概要物料衡算結果,覽表

氣組成CH24mol1.8561513.1613.1611.581.56713.14mol,%45.91513.2513.6413.6414.113.7O2mol2.16874.8694.8694.2850.5474.832mol,%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,%0.630.6340.650.650.720.656CH26mol0.870.870.870.7650.1050.87mol,%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總計4.04210099.3296.4384.86711.1195.980..719(mol)五、工藝流程及控制點說明（一）工藝流程環(huán)氧乙烷反應系統(tǒng)工藝流程1、 主要流程（1）原料流程原料乙烯、氧氣和致穩(wěn)氮氣來自界區(qū)，它們與循環(huán)物料氣的混合氣體在氧氣混合站（H-102）充分混合后，進入氣-氣換熱器（E-111）與反應生成氣換熱后，從充填銀催化劑的列管式固定床反應器（D-110）的上部進入催化床層，在一定溫度（220?260。0和壓力（2Mpa）下，進行氧化反應。（2）吸收流程已反應的氣體自氧化反應器（D-110）下部流出，進入氣-氣換熱器（E-111），被反應原料氣冷卻后進入環(huán)氧乙烷水吸收塔（D-115）。在吸收塔中，以水做吸收劑，吸收反應氣體中的產物環(huán)氧乙烷。吸收劑自塔上部進入，環(huán)氧乙烷吸收液自塔中部流出，進入環(huán)氧乙烷精制流程。為提高環(huán)氧乙烷的吸收率，從吸收塔頂部排出的氣體，再送入塔下部，進行循環(huán)吸收。從吸收塔頂部出來的吸收氣，一部分作為循環(huán)排放氣排至蒸氣加熱器（B-110）中燒掉；另一部分作為循環(huán)氣與致穩(wěn)氣氮氣進入循環(huán)壓縮機（C-110），加壓后，混合氣大約有十分之一送至二氧化碳脫除流程，脫除二氧化碳，再返回至循環(huán)氣系統(tǒng)；一部分經添加抑制劑二氯乙烷后，進入氧氣混合器（H-102），與原料乙烯、氧氣混合，成為原料氣。2、 輔助流程（1）熱油循環(huán)流程乙烯的環(huán)氧化反應為放熱反應，其副反應為乙烯完全氧化為二氧化碳和水的反應，是強放熱反應。在反應過程中應及時將所產生的反應熱移走，否則不僅會使選擇性下降，甚至會產生飛溫現(xiàn)象。本方案中，用礦物油作冷卻劑，移走反應熱。循環(huán)載熱的熱油經熱油冷卻器（E-110）冷卻后，進入氧化反應器（D-110）的上部，吸收反應熱后從反應器下部流出。由于此時熱油溫度較高，為防止熱膨脹使輸油管變形，應與熱油膨脹罐（F-110）連接。同時為了補充循環(huán)過程中的礦物油損失，設一熱油貯罐（F-115），并以2kg/cm的蒸氣加熱，經加熱的熱油由輸送泵（G-115）打出，與反應器下部流出的高溫熱油混合后，由熱油泵（G-110）送入熱油冷卻器（E-110），如此不斷循環(huán)。2）、蒸汽流程在熱油冷卻器（E-110）中，熱油在換熱冷卻的同時產生高壓蒸汽，一部分送至用戶，另一部分進入蒸汽加熱器（B-110）進一步提高起熱位。蒸汽加熱器（B-110）以燃料油及吸收塔中排出的循環(huán)排放氣等作燃料，通入空氣燃燒，來加熱蒸汽，產生高熱位蒸汽，經循環(huán)壓縮機（C-110），減壓變?yōu)榈蛪赫羝鳛榱鞒讨衅渌O備熱源之用。（3）、抑制劑流程為抑制副反應，氧化反應過程中需有抑制劑二氯乙烷（EDC）加入，用中壓氮氣作載氣。抑制劑由抑制劑罐（F-1308）送入抑制劑蒸發(fā)器（F-30A），經加熱蒸發(fā)與壓縮后的致穩(wěn)氣、循環(huán)氣混合，進入混合器。二氧化碳脫除系統(tǒng)工藝流程1、 脫二氧化碳循環(huán)氣流程經循環(huán)壓縮機（C-110）加壓后，循環(huán)氣的一部分進入接觸塔（D-210），與來自再生塔（D-220）的碳酸鉀溶液作用，脫去CO2后又塔頂排出，進入脫二氧化碳冷卻器（E-211），經冷卻后，夾帶著冷凝的K2CO3溶液的循環(huán)氣進入接觸分離罐（F-210）進行氣液分離。分離出來的氣體作為循環(huán)反應氣送至環(huán)氧乙烷反應系統(tǒng)，分離出來的液體則送入再生塔（D-220）進行再生處理。2、 碳酸鹽溶液循環(huán)流程接觸塔（D-210）中，來自再生塔的貧K2CO3-KHCO3溶液與循環(huán)氣體中的CO2作用，K2CO3轉化為KHCO3塔釜的富KHCO3-K2CO3溶液送至再生塔（D-220）的上部，再生后由塔釜經碳酸鹽溶液泵（G-220）送入接觸塔（D-210）上部，循環(huán)使用。為補充循環(huán)回路中的碳酸鹽溶液，另設碳酸鹽溶液溶解槽及貯槽。碳酸鹽溶液溶解槽（F-231）中，脫鹽水溶解固體碳酸鉀。生成的K2CO3溶液送入碳酸鹽貯槽（F-230），再由碳酸鹽輸送泵（G-230）送出，與再生后的碳酸鹽溶液混合經碳酸鹽溶液泵（G-220）送入接觸塔。3、 再生塔流程再生塔中，吸收二氧化碳后的碳酸鹽溶液加熱再生，生成的二氧化碳由塔頂排出，經再生塔冷卻器（E-221）氣液分離后，二氧化碳排空，再生塔冷卻器及直線分離器分離出的碳酸鹽溶液送入再生塔再生。再生塔塔釜的再沸器（E-220）用2kg/cm的低壓蒸汽加熱，冷凝液送入再沸器凝液罐（F