【正文】 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 31 對數(shù)平均溫差公式為 2121ln tttttm??????? （ 512） 導入溫度 導出溫度 原料入口溫度 反應出口溫度 溫度℃ 210 220 150 234 換熱介質采用逆流，則由 512 得 1 5 0202 2 1 02 3 4ln)2 1 0202()0122 3 4( ????????mt 又 mtKQA ??? 4需 （ 513） 則有 237 2/ ??? ???需A 又 nLdA ?????實 （ 514） 則有 20 0 5 6 61 7 3 590 3 ?????實A 可知 A 實 A 需 ，即實際傳熱面積大于按傳熱計算所需的傳熱面積，所以設計符合要求。 已知： (1)每小時輸入的原料氣量總為 kmol/h； (2)以銀為催化劑，顆粒為球形， d=5mm，空隙率 ?? ； [19] (3)反應溫度為 234℃，操作壓力為 ，空速為 4000/h； (4)反應器列管規(guī)格為Φ 3mm； (5)反應熱用水帶走，導出水進口溫度 210℃ ，導出水溫度 220℃ ； (6)原料氣進口溫度為 150℃ ，氧化氣出口溫度為 234℃ 。 原料氣的溫度為 150+＝ ，壓力 P 為 1MPa；氧化氣的溫度為 234+＝ ，壓力 P 為 1MPa。 4. 1 反 應 器 的 熱 量 衡 算 （ 1）乙烯以銀催化劑氧化制環(huán)氧乙烷，主要反應為 C H OCHOHC 3242 21 ?? + kmol/h C2H4+3O2 2CO2+ kmol/h （ 2）反應熱為基準溫度 T0=25℃ ()下的反應熱。 3 . 3 . 3 反 應 器 （ 1）反應溫度為 243℃，壓力為 ，反應物料由塔頂加入。1 NNNN yRyFyFyMF ??????? 循環(huán)氣中氮氣的量 = )0 0 1 ()1(22 ????? NNyMF ? 即)()(%% 22 ??????????? NN yMFyMF 解得：2Ny= 7）設：氬氣的吸收率為2N?；針對混合器列氬氣的物料衡算方程，得： 反應器中的氬氣的量 =新鮮氧氣原料中的氬氣的量 +循環(huán)氣中的氬氣的量 ArArAr yRyFyMF 39。39。 （ 2）環(huán)氧乙烷吸收 塔吸收率（ %）： 氮氣： 氬氣： 氧氣： 甲烷： 乙烯： 乙烷： 二氧化碳： 環(huán) 氧 乙烷： 水： 乙二醇： （ 3）計算過程 1）計算新鮮乙烯原料中乙烯量 = 計劃任務 10000 1000開工率 合成收率 = 10000 10007200 30％ = kmol/h 新鮮乙烯原料中甲烷的量 =％ ％ = kmol/h 新鮮乙烯原料中乙烷的量 =％ ％ = kmol/h 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=++=設：反應器的進料量為 MF(kmol/h)；新鮮甲烷原料量為 F3；針對混合器列乙烯和甲烷的物料衡 算方程，得： MF 30％ =MF 30％ (1－ 10％ ) (1－ ) (1－ )++F3 ％ (1) MF 50％ =MF 50％ () ()++F3 ％ (2) 由（ 1）（ 2）兩式聯(lián)立可得 MF= 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 16 F3= 2）設 :循環(huán)氣中環(huán)氧乙烷的量為 EOR ；反應器中的環(huán)氧乙烷的量為 EOMF ；環(huán)氧乙烷的摩爾分率為 EOy ；針對混合器列環(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 =反應器中的環(huán)氧乙烷的量； EOR = EOMF =MF? EOy (3) 反應器中環(huán)氧乙烷的量： EOMF =[ ?MF EOy + ?MF 42HCy ? ? 80%]? () ? () (4) 由以上兩式得：)()(1 )()( ???? ???????? HC EOyMF yMF 解得： EOy = 3)設：新鮮氧氣原料的量為 F1（ kmol/h）； 針對混合器列氧氣的物料衡算方程，得：反應器進料中的氧氣量 =新鮮氧氣原料中的氧氣量 +循環(huán)氣中的氧氣量 MF yO2=F1 y?O2+R y?O2 循環(huán)氣中的氧氣量 =反應器中的氧氣量 反應消耗的氧氣量 氧氣的吸收量 氧氣的排放量 R y?O2=[MF yO2－ MF yC2H4 yC2H4 3] () () 即： R ％ =F1 ％ +[MF ％－ MF 30％ 30％ 3] () () 解得： F1 =4）設：環(huán)氧乙烷吸收塔吸收的二氧化碳的吸收率為2CO?；二氧化碳吸收解析塔二氧化碳的吸收率為 239。為滿足此要求，應想辦法使反應的選擇性提高，催化劑的研究開發(fā)決定著反應的選擇性，故應采用性能良好的催化劑，并用二氯化物來抑制副反應的發(fā)生。在二氧化碳作用下轉化為碳酸氫鉀。 167。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)。故采用操作壓力為 2MPa 左右。 三、反應器及混合器的選擇： 乙烯環(huán)氧化制環(huán)氧乙烷是一強放熱反應，溫度對反應的選擇性十分敏感，對于這種反應最好采 用流化床反應器，但因為細顆粒的銀催化劑易結塊也易磨損，流化質量很快惡化，催化劑效率急速下降，故工業(yè)上普遍采用的是列管式固定床反應器，管內放催化劑，管間走冷卻介質。工業(yè)上為了控制反應速度和選擇性，均采用低比表面積無孔隙或粗空隙惰性物質作為載體，并要求有較好的導熱性能和較高的熱穩(wěn)定性。所以反應過程中選擇性的控制十分重要。第二步使 2氯乙醇與 Ca(OH)2 反應，生成環(huán)氧乙烷。 [ 6~9] 167。在銀催化劑作用下的反應方程式如下： (1) 另外，乙烯直接氧化還有副產(chǎn)物生成，其中 CO2 和水最多。 [ 4。盡管氯醇法乙烯利用率高，但生產(chǎn)過程中消耗大量氯氣，腐蝕設備，污染環(huán)境，產(chǎn)品純度低，現(xiàn)已基本被淘汰。與氫鹵酸作用，環(huán)氧乙烷與氫鹵酸在室溫或更低的溫度下反應，生成鹵醇，可用于定量分析環(huán) 氧乙烷及環(huán)氧乙烷型化合物。 2 . 1 . 1 EO 的 物 理 性 質 環(huán)氧乙烷（簡稱 EO），英文名稱 epoxyethane，又被稱 為氧化乙烯，也稱惡烷，分子式： C2H4，分子量： ，沸點： ℃，熔點： ℃，蒸汽壓： ℃。 1. 3 環(huán) 氧 乙 烷 的 市 場 需 求 狀 況 我國最早以傳統(tǒng)的乙醇為原料經(jīng)氯醇法生產(chǎn) EO。在催化劑方面，目前已形成高活性和高選擇性兩大系列工業(yè)化催化劑。 1938 年又建成了首套乙烯空氣氧化法工業(yè)裝置。 2021 年全球環(huán)氧乙烷消費量為 萬噸。 反應器塔徑的確定 .................................................................................. 31 參考文獻 ....................................................................................................................... 34 致 謝 ............................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 反應器 ........................................................................................... 19 167。 二氧化碳脫除原理 ........................................................................ 6 167。 環(huán)氧乙烷的性質 ........................................................................................ 4 167。 關 鍵 詞 ：環(huán)氧乙烷；工藝流程；反應器；物料衡算。對主要設備如：混合器、反應器、環(huán)氧乙烷吸收塔、二氧化碳吸收系統(tǒng)，等進行物料衡算，對環(huán)氧乙烷反應器設備進行熱量衡算，并對環(huán)氧乙烷反應器進行詳細的設備計算和校核，確定操作參數(shù)、設備類型和材質，使用 CAD 繪制相應的工藝流程圖，最后得出設備參數(shù)。 環(huán)氧乙烷的市場需求狀況 ....................................................................... 3 第 2 章 工藝概述 .......................................................................................................... 4 167。 氧化反應原理 ................................................................................. 5 167。 混合器 ........................................................................................... 15 167。 傳熱面積的核算 ...................................................................................... 30 167。環(huán)氧乙烷也用作熏蒸消毒殺蟲劑、殺菌劑以及醫(yī)療器械的消毒劑。 1 . 2 . 1 生 產(chǎn) 技 術 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 2 1922 年 UCC(聯(lián)碳公司 )建成首套氯醇法工業(yè)裝置。 技 術 發(fā) 展 動 向 近年來，世界上環(huán)氧乙烷催化劑、工藝技術等方面有了新的進展。 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 3 167。 2. 1 環(huán) 氧 乙 烷 的 性 質 167。它們兼具醇和醚的性質，是優(yōu)良的溶劑，用途很廣泛，可溶解纖維酯如硝酸纖維酯、工業(yè)上稱為溶纖劑。 1922 年 UCC(聯(lián)碳公司 )建成首套氯醇法工業(yè)裝置。由于氧氣氧化法比空氣氧化法有明顯的優(yōu)越性，因此目前世界上的環(huán)氧乙烷生產(chǎn)裝置普遍采用氧氣氧化法。為使乙烯氧化反應盡可能的約束在生成目的產(chǎn)物 — 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。它們在精制單元中從 EO 和 EG 中分離掉，以上氧化反應均是放熱反應。 [ 10] 一、反應過程分析： 工業(yè)上生產(chǎn)環(huán)氧乙烷最早采用的方法是氯醇法，該法分兩步進行，第一步將乙烯和氯通入水中反應生成 2氯乙醇， 2氯乙醇水溶液濃度控制在 6%— 7%（質量） 。選擇性下降，熱效應就明顯增 加，如選擇性下降移熱慢，反應溫度就會迅速上升，甚至產(chǎn)生飛溫。載體如有空隙，由于反應物在細空隙中的擴散速度慢，產(chǎn)物環(huán)氧乙烷在空隙中濃度比主體濃度高，有利于連串副反應地進行。工業(yè)上常在原料氣中添加微量有機氯如二氯乙烷，以提高催化劑的選擇性，調節(jié)溫度。 ⑵ 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(chǎn)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。以氮氣作致穩(wěn)劑時進入反應器的乙烯濃度可達 15%— 20%，氧濃度為 8%左右。因為工業(yè)上采用循環(huán)流程，所以 單程轉化率也不能太低，否則會因循環(huán)氣量過大而耗能增加。送入 CO2 吸收裝置的那一小部分氣體在二氧化碳吸收塔中與來自再生塔的高溫貧碳酸氫鉀 碳酸鉀溶液接觸。 [15] 保障經(jīng)濟性 對化工行業(yè)的生產(chǎn)工業(yè)來說，經(jīng)濟性是應首先考慮的重要因素。 3 . 3 . 2 混 合 器 （ 1）循環(huán)氣體的溫度： ℃ 壓力 混合氣出料溫度： ℃壓力 進料氣體被 EO 反應產(chǎn)品氣體從 78℃加熱到 152℃， 而產(chǎn)品氣體從 202℃被冷卻到 138℃。CO? ) 即： MF yCO2=F3 ％ +[MF yCO2 +MF 30 ％ 2]() () () 解得：2COy= 5）設：新鮮乙烯原料量為 F2；乙烷的吸收率為62HC?，針對混合器列乙烷的物料衡算方程，得：反應器中的乙烷的量 =新鮮乙烯原料中的乙烷的量 +循環(huán)氣中的乙烷的量： 626262 39。39。 = 計算結果見表 32 表 混合器物料衡算結果表 輸入物料 輸出物料 原料氧氣 原料乙烯 原料甲烷 循環(huán)氣 溫度℃ 40 30 10 79 76