【導讀】本文是對年產(chǎn)萬噸環(huán)氧乙烷合成工段的工藝設計。乙烷生產(chǎn)工段的工藝過程，在生產(chǎn)理論的基礎上，制定合理可行的設計方案。生產(chǎn)原理、工藝流程。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，和材質(zhì)，使用CAD繪制相應的工藝流程圖，最后得出設備參數(shù)。KEYWORDS：epoxyethane；process；reactor；materialbalance。

　　

【正文】 料 溫度 ℃ 79 壓力 MPa 序號 組分 摩爾流量kmol/h 摩爾 分率 摩爾流量 kmol/h 摩爾分率 摩爾流量 kmol/h 摩爾 分率 1 N2 2 Ar 3 O2 4 CH4 5 C2H4 6 C2H6 7 CO2 8 C2H4O 9 CH3CHO 10 H2O 11 C2H6O2 小計 合計 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 25 第 4 章 熱量衡算 167。 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。 反應器內(nèi)進料 溫 度 為 T1=150 ℃ () ，反應溫度為 T=234 ℃()； 出料溫度 T2=234℃ ()； 轉(zhuǎn)化率為 10%，選擇性為 80%，空速為 4000/h。 要求年產(chǎn)高純度環(huán)氧乙烷 萬噸，采用氧氣直接氧化法，進行反應器的熱量衡算。 設原料氣帶入的熱量為 Q1，氧化氣帶出的熱量為 Q2，反應熱為 Q3，反應器的散熱量為 Q4。當忽略熱損失時，有 Q1+Q2=Q3+Q4 (41) (1)各組分的比熱 ①查得理想氣體的比 熱計算式 [1 18] 320 D TCTBTAC P ???? (42) 上式中的各項系數(shù)值如表 46 所示。 河南科技大學畢業(yè)設計（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/molK)) 組分 42HC 2O 2CO 2N 原料氣 表 48 氧化氣各組分的 Cp0 值 (J/molK) 組分 42HC 2O 2CO 2N OH2 OHC42 氧化氣 可查得真實氣體與理想氣體的比熱之間關系的計算式 1000 ppppp CCCCCCp ???????? ? （ 43） 而Δ Cp0 和Δ Cp1 與 Tr 、 Pr 的關系可查出。 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。 查表計算，各項計算結果如表 4 410 所示 表 49 原料氣中各組分定壓比熱的壓力校正參數(shù) 組分 42HC 2O 2CO 2N KTc/ MPapc / rT rP ? 110 KmolJ/ ??? pC 111 / ?? ??? KmolJC p 11/ ?? ?? KmolJC p 注：比熱的單位為 J/molK 河南科技大學畢業(yè)設計（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 為基準溫度，則 )k J / h()(1 ? ?? i pii TTCnQ 基入 （ 44） 計算結果列于表 411 中 表 411 原料氣帶入的熱量 組分 Cp（ J／ mol K) niX piniCX 42HC 2O 2CO 2N 合計 由計算結果可知 入tCNXQ pini?1 （ 45） 由公式 45 可得 1Q = ()= 107kJ/h ②反應熱 Q2 在操作條件下，主副反應的熱效應分別為 主反應： kJ / m 42242 ??? （ 45） 副反應： k J / m o 22242 ???? OHCOOHC （ 46） 則主反應的放的熱量為： k J / 6321 ????????Q 副反應的放熱量為 : k J / 7322 ????????Q 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 28 總反應熱為： k J / h102 5 4 )8 4 1 0 2 ( 7622212 ??????? Q ③氧化氣帶出的熱量 Q3 氧化氣出口溫度為 K，以 K 為基準溫度，則 )k J / h()(1 ? ?? i pii TTCnQ 基出 （ 46） 計算結果列于表 412 中 表 412 氧化氣帶出的熱量 組分 Cp（ J／ mol K) niX piniCX 42HC 2O 2CO 2N OH2 OHC42 合計 由計算結果可知 出tCNXQ pini?3 （ 47） 由公式 47 可得 3Q = 234= 107kJ/h ④反應器的散熱量 Q4 Q1+Q2=Q3+Q4 （ 48） 可得反應器的散熱量 Q4=Q1+Q2 － Q3＝ (+) 107=107kJ/h 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 29 第 5 章 設備計算 167。 5. 1 反 應 器 設 備 計 算 在物料衡算和熱量衡算的基礎上，可以對反應部分主要設備的工藝參數(shù)進行優(yōu)化計算。這 一部分主要是反應器的工藝參數(shù)優(yōu)化。 設計生產(chǎn)能力： 萬噸 /年；生產(chǎn)過程安全系數(shù)： ；年操作時間：7200 小時；本設計采用一臺反應器進行反應。 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℃ 。 (7)計算催化劑床層體積vSVVR 總? 進入反應器的氣體總流量為 kmol/h 給定空速為 4000/h 40 00 22 .4423 11 6 .4 90 4VR ??= 167。 5. 2 確 定 氧 化 反 應 器 的 基 本 尺 寸 對于列管式固定床反應器，首先應根據(jù)傳熱要求選定選擇Φ 3mm的不銹鋼管作為反應器的反應管規(guī)格 [ 20]，再求出反應管根數(shù) n。 反應管內(nèi)徑： di= 2== 反應管根數(shù) n 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 30 iiRdHdV22 4A4n ????? ?? （ 510） 由公式 (510)可得 7 4 9 3 .1 11 0 .6 49 5 .1 5n2???? ? 根 經(jīng)圓整可得，反應管根數(shù)為 7495 根。 167。 5. 3 床 層 壓 力 降 的 計 算 可查得如下計算公式： ])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 — 催化劑顆粒當量直徑， m； ? — 氣體粘度， Pa S 或 (kg/m s)； 本次設計所選用的催 化劑為 d=5mm 的球型，計算其直徑為 ?d ?H ?? s)00kg / ( kg / 22 ????? AmG 5 ??? ?? 3kg/?? 由式 511 得 ) )(150( 53 ????????????? ?P 0 M P g / 7 3 9 0 2 ?? 167。 5. 4 傳 熱 面 積 的 核 算 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(zhì)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。 167。 5. 5 反 應 器 塔 徑 的 確 定 查得塔經(jīng)的計算公式 [20]： 39。2)1( bntD c ???? （ 515） 式中 D— 殼體內(nèi)徑， m； t— 管中心距， m； — 橫過管中心線的管數(shù)； 39。b — 管束中心線最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離 2 ???? dt； 一般取 239。 )~1( db ? ， 取 5 0 6 0 239。 ???? db 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 32 管子按正三角形排列如下圖 圖 51 反應器列管排列示意圖 則橫過管中心線的管數(shù)為 nnc ? （ 516） 由公式 516，可得 969 5 .2 37 4 9 ???? 所以，由公式 515 可得 5 . 1 5 5 m5 0 )196(5 3 ??????D 本反應器取最小壁厚為 20mm，故外徑為 mm005227 . 52515539。 ????D 。故取反應器外徑為 5200mm。 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 33 54 氧化反應器的參數(shù) 名稱 數(shù)據(jù) 原料進料量， kmol/h 產(chǎn)品產(chǎn)量，噸 /年 55000 原料進口溫度，℃ 150 氧化氣出口溫度，℃ 234 水進口溫度，℃ 210 水出口溫度，℃ 220 氧化反應器臺 數(shù)，臺 1 氧化反應器直徑， mm 5200 列管根數(shù)，根 4795 列管尺寸， mm 3 氧化反應器高度， mm 12190 換熱面積， m2 河南科技