【正文】 )~1( db ? ， 取 5 0 6 0 239。 5. 3 床 層 壓 力 降 的 計(jì) 算 可查得如下計(jì)算公式： ])1(150[13 GddgGHP ppg ????????? ??? ?? （ 511） 式中 ?P— 床層壓力降， 2kg/m ； H— 催化劑床層高度， m： G— 質(zhì)量流速， kg/； g? — 氣體密度， kg/m3； g— 重力加速度， m/s2； ? — 固定床空隙率； pd — 催化劑顆粒當(dāng)量直徑， m； ? — 氣體粘度， Pa 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。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 表 46 各組分的定壓比熱系數(shù)值 組分 A B10 C105 D108 42HC － 2O － － 2CO － 2N － － OH2 － OHC42 － － ②原料氣溫度為 150℃ ， 氧化氣溫度為 234℃ .在此條件下各組分的 Cp0值如表 47， 48 所示 表 47 原料氣各組分的 Cp0 值 (J/mol 3 . 3 . 5 C O 2 的 吸 收 系 統(tǒng) （ 1） CO2 的吸收解吸過程為化學(xué)吸收，為使吸收快速進(jìn)行，將原料氣在進(jìn)行預(yù)加熱。? = )0 0 1 ()1(]21 9 [ 2422 ?????????? OHHCOH yMFyMF ? 反應(yīng)器中水的摩爾分率： OHy2 =1 4CHy 42HCy 2Oy 2COy 62HCy 2Ny Ary EOy == 又有： F1+F2+F3+R=MF， 即 R=MF F1F2F3 得： R==即： ?? OHyR 239。39。3 COCOCO yRyFyMF ?????。 3. 3 循 環(huán) 系 統(tǒng) 的 物 料 衡 算 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 167。可借用多孔噴射器對(duì)著混合氣流的下游將氧高速噴射入循環(huán)氣和乙烯的混合氣中，使它們迅速進(jìn)行均勻混合。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(yīng)氣中的環(huán)氧乙烷。用空氣作氧化劑時(shí)，單程轉(zhuǎn)化率一般控制在 30%— 35%，選擇性可達(dá) 70%左右。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(chǎn)能力，所以其濃度也需控制。溫度過高，反應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)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(chǎn)能力小。據(jù)研究兩種或兩種以上的助催化劑起到協(xié)同作用，可提高選擇性。由于乙烯環(huán)氧化過程存在平行副反應(yīng)和連串副反應(yīng)的競爭，又是一強(qiáng)放熱反應(yīng)，故載體的表面 結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)熱性能，對(duì)反應(yīng)的選擇性和催化劑顆粒內(nèi)部溫度的分布有顯著的影響。主要反應(yīng)方程式如下： 主反應(yīng) 副反應(yīng) 由乙烯環(huán)氧化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)可知，乙烯完全氧化生成二氧化碳和水，該反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，其反應(yīng)熱效應(yīng)要比乙烯環(huán)氧化反應(yīng)大十多倍。 環(huán)氧乙烷是以乙烯為原料產(chǎn)品中的第三大品種，僅次于聚乙烯和苯乙烯。反應(yīng)速度由 EO 異構(gòu)化控制。 2 . 3 . 1 氧 化 反 應(yīng) 原 理 乙烯氧化過程，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。 氧氣氧化法與空氣氧化法相比，工藝流程稍短，設(shè)備較少，建廠投資少；氧化反應(yīng)中催化劑的選擇性高，反應(yīng)溫度比空氣法低，對(duì)催化劑壽命的延長和維持生產(chǎn)的平穩(wěn)操作 較為有利。 167。 2 . 1 . 2 EO 的 化 學(xué) 性 質(zhì) 由于環(huán)氧乙烷具有含氧三元環(huán)結(jié)構(gòu)，性質(zhì)非常活潑，極易發(fā)生開環(huán)反應(yīng)，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。到 2021 年我國 EO的生產(chǎn)能力將激增至 2160kt/a，在未來兩年內(nèi)國內(nèi) EO 生產(chǎn)能力將翻一番，可見我國 EO 工業(yè)市場需求與發(fā)展前景之好。 UCC 公司報(bào)道了一系列催化劑研制專利，包括含鋰、鈉、鉀、銣、銫、鋇中至少一種陽離子助劑，含硫化物、氟化物陰離子助劑和選自Ⅲ B— Ⅵ B族至少一種元素組成的減少環(huán)氧乙烷完全氧化反應(yīng)的銀催化劑。目前國內(nèi)環(huán)氧乙烷生產(chǎn)廠家均采用乙烯氧氣氧化法生產(chǎn)技術(shù)，基本為引進(jìn)技術(shù)。 167。環(huán)氧乙烷的第二大銷量是用于洗滌劑的產(chǎn)品。 確定氧化反應(yīng)器的基本尺寸 ................................................................. 29 167。 循環(huán)系統(tǒng)的物料衡算 .............................................................................. 13 167。 直接氧化法 ..................................................................................... 5 167。 生產(chǎn)技術(shù) ......................................................................................... 1 167。本設(shè)計(jì)依據(jù)環(huán)氧乙烷生產(chǎn)工段的工藝過程，在生產(chǎn)理論的基礎(chǔ)上，制定合理可行的設(shè)計(jì)方案。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） III 目 錄 第 1 章 引言 ................................................................................................................... 1 167。 EO 的化學(xué)性質(zhì) ............................................................................... 4 167。 生產(chǎn)方法的評(píng)述及選擇 ..........................................................................11 第 3 章 物料衡算 ........................................................................................................ 13 167。 CO2 的吸收系統(tǒng) ............................................................................ 23 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） IV 第 4 章 熱量衡算 ........................................................................................................ 25 167。1. 1 環(huán) 氧 乙 烷 在 國 民 經(jīng) 濟(jì) 中 的 地 位 和 作 用 環(huán)氧乙烷 (簡稱 EO)，又稱氧化乙烯，也稱惡烷，是一種最簡單的環(huán)醚， 是乙烯工業(yè)衍生物中僅次于聚乙烯和聚氯乙烯的重要有機(jī)化工產(chǎn)品，是最簡單最重要的環(huán)氧化物，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有舉足輕重的地位和作用。 我國由氯醇法生產(chǎn)環(huán)氧乙烷始于 1960 年代，由于氯醇法對(duì)乙烯質(zhì)量要求不高，所以采用酒精發(fā)生乙烯和渣油裂解混合烯烴生產(chǎn)環(huán)氧乙烷在我國石油化工發(fā)展初期具有一定意義。目前，全球環(huán)氧乙烷專利技術(shù)大部分為 Shell、美國 SD(科學(xué)設(shè)計(jì)公司 )和 UCC 三家公司所壟斷，這三家公司的技術(shù)占環(huán)氧乙烷總生產(chǎn)能力的90%以上。高選擇性催化劑系列產(chǎn)品為 S87 S882，催化劑初始選擇性分別為 85%和 88%。 2021年我國 EO 生產(chǎn)能力約為 1200kt/a。在常溫下為無色氣體，低溫時(shí)為無色易流動(dòng)液體，在空氣中的爆炸限（體積分?jǐn)?shù)）為 %— 100%，它易與水、醇、氨、胺、酚、鹵化氫、酸及硫醇進(jìn)行開環(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)氧乙烷本身還可開環(huán)聚合生成聚乙二醇。 2 . 2 . 2 直 接 氧 化 法 直接氧化法又可分為空氣氧化法和氧氣氧化法。 綜上所述，本設(shè)計(jì)采用乙烯直接氧化法。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 － (2) 這一反應(yīng)用氯化物來加以抑制，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。 2. 4 設(shè) 計(jì) 方 案 簡 介 環(huán)氧乙烷 （簡稱 EO）是最簡單也是最重要的環(huán)氧化合物，在常溫下為氣體，沸點(diǎn) ℃。因此開發(fā)了乙烯直接氧化法，取代氯醇法。研究表明，只有在銀催化劑催化下乙烯的環(huán)氧化反應(yīng)才有較高的選擇性。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 助催化劑 所采用的助催化劑有堿金屬類， 堿土金屬類和稀土元素化合物等。為此，混和器的設(shè)計(jì)極為重要，工業(yè)上是借多空噴射器對(duì)著混和氣流的下游將氧高速度噴射到循環(huán)氣和乙烯的混合氣中，使他們迅速進(jìn)行均勻混合。催化劑性能高反應(yīng)熱能及時(shí)移出時(shí)選擇高空速，反之選擇低空速。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(yīng)生成的二氧化碳。反應(yīng)放出大量的熱，所以須采用換熱介質(zhì)進(jìn)行換熱，根據(jù)反應(yīng)的熱效應(yīng)求得反應(yīng)的溫度在 180℃ — 250℃，因此選擇礦物油作為換熱介質(zhì)，采用外部循環(huán)式換熱。二氧化碳吸收 塔塔釜的富碳酸氫鉀 碳酸鉀溶液經(jīng)減壓入再生塔，經(jīng)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。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 第 3 章 物料衡算 167。 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 =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：22 39。2 HCHCHC yRyFyMF ????? 循環(huán)氣中的乙烷的量 = )()1(6262 ????? HCHCyMF ? 即： )0 0 1 ()0 0 0 0 (% 1 3 6262 ????????? HCHC yMFyMF 解得：62HCy= 6）設(shè)：氮?dú)獾奈章蕿?N?；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)獾牧?+循環(huán)氣中的氮?dú)獾牧浚? 622262 39。39。 表 反應(yīng)器物料衡算結(jié)果表 輸入物料 輸出物料 溫度℃ 150 234 壓力 MPa 序號(hào) 組分 分子量 摩爾 流量 kmol/h 摩爾 分率 % 質(zhì)量 流量 Kg/h 質(zhì)量 分率 % 摩爾 流 量 kmol/h 摩爾 分率 % 質(zhì)量 流量 Kg/h 質(zhì)量 分率 % 1 N2 2 Ar 3 O2 4 CH4 5 C2H4 6 C2H6 7 CO2 8 C2H4O 9 H2O 合計(jì) 167。 要求年產(chǎn)高純度環(huán)氧乙烷 萬噸，采用氧氣直接氧化法，進(jìn)行反應(yīng)器的熱量衡算。K 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 表 410 氧化氣中各組分定壓比熱的壓力校正參數(shù) 組分 42HC 2O 2CO 2N OH2 OHC42 cT cp rT rP ? 0pC? 1pC? pC (3)熱量衡算 ①原料氣帶入的熱量 Ql 原料氣的入口溫度為 K，以 K 為基準(zhǔn)溫度，則 )k J / h()(1 ? ?? i pii TTCnQ 基入 （ 44） 計(jì)算結(jié)果列于表 411 中 表 411 原料氣帶入的熱量 組分 Cp（ J／ mol 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Φ 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) n。 5. 5 反 應(yīng) 器 塔 徑 的 確 定 查得塔經(jīng)的計(jì)算公式 [20]： 39。故取反應(yīng)器外徑為 5200mm。 5. 4 傳 熱 面 積 的 核 算