年产13400吨环氧乙烷的固定床第一反应器.doc

1、 辽宁科技学院 课 程 设 计 课程名称： 化学反应工程课程设计 学生姓名： 学号： 学 院： 生物医药与化学工程学院 班级： 指导教师： 2012 年 1 月 化学 反应工程课程设计 1 1 设计任务书 题目： 年产 13400 吨环氧乙烷的固定床第一反应器 1.设计条件 （ 1）技术指标 年工作 287 天，反 应后经分离、精制过程，回收率为 90%，第一反应器所生产产品占总产量的 90%，要求年产 13400 吨 （ 2）反应器操作条件 进料温度 483K、反应温度 523K、反应压力 981KPa、空速需查 5000h-1；转化率 20%，选择性 66% 。 （ 3）催化剂 球形催化剂

2、（以银为催化剂） DP =5mm，空隙率 =0.48 （ 4）反应器形式 第一反应器采用列管式固定床反应器，管径为 27mm2.5mm,管长 8mm,催化剂充填高度 5.7m。 （ 5）换热条件 采用道生油强制外循环换热，道生油进口温度 503K,出口温度 508K,道生油对管壁给热系数 0 = 2717Kj/(m2hK)。 （ 6）原料气组成 组分 C2H4 CO2 O2 N2 含量（ mol%） 3.4 7.7 5.6 83.3 2.设计要求 （ 1）搜集和整理物性数据，确定设计任务书中没有给定工艺参数； （ 2）反应过程的物料衡算与热量衡算； （ 3）反应器的主要工艺尺寸的确定、反应器内

3、管子数量计算； （ 4）催化剂用量和床层压力降的计算； （ 5）绘制有关图纸 3.设计成果 （ 1）设计说明书一份 设计说明书的内容应包括：设计任务书，摘要， Abstract,目录，概述 （环氧乙烷的性质），设计方案确定，工艺计算，设计结果汇总，设计评述与讨论，参考文献，致谢。 设计方案的确定：环氧乙烷生产方法的确定、催化剂的选择、生产工艺条件的确定（反应温度、压力、空速）环氧乙烷生产工艺流程。 工艺计算：反应原理、原料组成、反应器条件、物料衡算、热量衡算。 反应器设计：催化剂用量、反应器的基本尺寸、床层压力降计算、传热面积的核算（给热系数、总传热系数、传热面积的核算）反应器直径的确定 设计

4、评述与讨论：对自己完成的设计进行总结，取得了哪些成果，尚存在哪些问题或不足，以及改进的 意见和措施。 （ 2）设计图纸 生产系统的工艺流程图（ 2#图纸）；主设备图（ 2#图纸），以及温度转化率、压力与床层高度的曲线。 化学 反应工程课程设计 2 2 题目： 年产 13400 吨环氧乙烷的固定床第一反应器 摘 要 采用乙烯直接氧化法对年产 13400吨环氧乙烷的装置进行初步的工艺设计。主要对环氧乙烷的氧化反应器进行了工艺和设备尺寸的参数优化。 简介了直接氧化法合成环氧乙烷的方法及反应原理。根据设计条件和要求，通过物料恒算、热量恒算及其他工艺计算设计出年产 13400吨环氧乙烷的固定床反应器，并

5、确定反应器的选型和尺寸 ，计算压降，催化剂用量等，设计出符合要求的反应器。 关键词 :环氧乙烷；固定床反应器；设计计算 化学 反应工程课程设计 3 3 Topic： Annual output of 13400 tons of ethylene oxide, the first fixed-bed reactor Abstract This design presents a preliminary process design ofoxirane unit that using the direc oxidation of ethylene， call produced oxirane 13

6、400 tons every year In the design， wemainly calculated the process parameter and the size of the oxidized reactor Introduced direct oxidation synthesis methods of epoxy ethane and reaction principle.According to the design conditions and requirements，through constant calculate, heat material constan

7、t calculate and other process calculation designed annual l34,00 tons of epoxy ethane fixed-bed reactor, and determined the reactor selection and size, calculate pressure drop, catalyst etc, designed to meet the requirements of the reactor. Keywords Oxirane ,Fixed-bed reactor,Design and calculation

8、化学 反应工程课程设计 4 4 目录 1 概述 .5 2 环氧乙烷的性质 .6 2.1 物理性质 .6 2.2 化学性质 .6 3 设计方案及反应器型的确定 .8 3.1 环氧乙烷的生产方法的确定 .8 3.2 环氧乙烷生产工艺条件的确定 .9 3.2.1 反应温度 .9 3.2.2 反应压 力 .9 3.2.3 空速 .9 3.3 催化剂的选择 .9 3.4 环氧乙烷生产的工艺流程 . 10 3.4.1 工艺流程概述 . 10 4 设计条件 . 11 4.1 反应原理 . 11 4.2 原料组成 . 11 4.3 反应器条件 . 11 4.4 物料衡算 . 12 4.5 热量衡算 . 14

9、5 反应器的设计 . 17 5.1 计算催化剂床层体积 . 17 5.2 反应器 的管数计算与确定 . 17 5.3 第一反应器内径的确定 . 18 5.4 传热面积的核算 . 19 5.4.1 床层对壁面的给热系数 . 19 5.4.2 总传热系数的计算 . 20 5.4.3 传热面积的核算 . 20 5.4.4 床层压力降的计算 . 21 设计结果汇总 . 22 设计评述与总结 . 23 参考文献 . 24 化学 反应工程课程设计 5 5 1 概述 环氧乙烷 (Oxirane)又名氧化乙烯 (Ethylene Oxide)，是最简单的环状醚。分子式 C2H4O，分子量 44.05，易燃易爆

10、有毒的液体。 在环氧乙烷的生产发展过程中，生产技术和工艺过程都有不断的改进和革新，到目前为止，世界上几乎所有的环氧乙烷都是用乙烯直接氧化法生产的。直接氧化法中，首先出现的是空气氧化法，而后氧气氧化法问世，二者并行：近几十年来，许多厂家都采用氧气氧化法生产环氧乙烷，因为氧气氧化法不需要空气净化系统，并且氧气氧化法的环氧乙烷收率高于空气氧化法，乙烯单耗较低。由于用纯氧作氧化剂，连续引入系统的惰性气体大为减少，未反应的乙烯基 本上可完全循环使用。 本设计采用氧气直接氧化法，对原有的单元设备进行生产能力标定和技术经济评定。在此基础上，查阅了大量资料，根据设计条件，通过物料衡算、热量衡算、反应器的选型及

11、尺寸的确定，计算压降、催化剂的用量等，设计出符合设计要求的反应器。 化学 反应工程课程设计 6 6 2 环氧乙烷的性质 2.1 物理性质 常温下环氧乙烷为无色、具有甜醚味的气体。在较低的温度下环氧乙烷成为无色、透明、易流动的液体。易溶于水、醚和醇等有机溶剂，沸点为 283.5K， 熔点 161.7K,燃点 702K， 自燃点 844K， 爆炸范围为 3.6%-78%（体积分数），在空气中允许浓度为 150mg/kg，粘度在 10 时为 0.28mpa.s，热导率在 25 时 0.0001239J/(cm.s.k)，在标准状况下比热容为 1.96KJ/kg.K。 2.2 化学性质 环氧乙烷的化学

12、性质非常活泼，能与很多化合物进行反应，其反应主要是环氧乙烷开环与其它化合物进行加成反应，放出大量反应热，有的反应进行得非常剧烈，甚至产生爆炸。 (1)分解反应 气体环氧乙烷在约 400 时开始分解，主要生成 CO、 CH4以及 C2H6、 C2H4、 H2、C、 CH3CHO等 (2)加成反应 环氧乙烷与含有活泼氢原子的化合物，生产含 OH的化合物 与水反应 环氧乙烷与水反应生成乙二醇，这是工业上生产乙二醇的方法。 OHO H C HCHOHOHC 22242 该反应为放热反应，热效应为 96 3kJ/mol。反应过程不采用催化剂。 与醇类反应 环氧乙烷与醇反应生成醚，其反应的最终产品是至少含

13、一个羟基的醚。 HOCHCHXOHnCOHCHXCH n 1224222 )( 环氧乙烷） 与苯酚反应 环氧乙烷与苯酚反应生成苯氧基乙醇。 OHCHO C HHCOHHCOHC 22565642 (3)氧化还原反应 化学 反应工程课程设计 7 7 在钠汞齐及催化剂存在下环氧乙烷加氢还原生成乙醇，此反应没有工业意义。环氧乙烷在铂黑等催化剂存下可以有控制地氧化成羟基乙酸，最终则被氧化成二氧化碳及水。 (4)异构化反应 环氧乙烷在三氧化二铝、磷酸、磷酸盐等催化剂存在下可异构化为 乙醛。 C H OCHOHC 342 在一定的条件下银催化剂也有此功能，这是乙烯氧化制环氧乙烷过程的副反应之一，要极力避免

14、，因为醛的存在增加了环氧乙烷提存净化的难度。 (5)与双键进行加成反应 环氧乙烷和以下一些含双键的化合物可进行加成反应生成环状化合物，例如R2C=O、 SC=S、 O2S=O、 RN=CO、 OS=O等。 (6)与格利雅试剂反应 环氧乙烷与格利雅试剂反 应可生成比原来烷基多两个碳原子的醇，这是实验室制备加长碳链醇的一种办法，羟基在链的端部。 （ 7)齐聚反应 环氧乙烷进行齐聚反应可生成冠醚，催化剂为含氟的路易斯酸。反应在室温、常压下进行。 (8)与二甲醚反应 在 BF3作用下环氧乙烷与二甲醚反应生成聚乙二醇二甲醚。该反应在工业上用来生产低分子量的均聚物，其产品广泛用作溶剂。 化学 反应工程课程

15、设计 8 8 3 设计方案及反应器型的确定 3.1 环氧乙烷的生产方法的确定 目前，我国工业生产环氧乙烷的方法有氯醇法和乙烯氧化法两种，乙烯氧化法又分为乙烯空气氧化法及乙烯氧气氧化法。 (1)氯醇法 氯醇法环氧乙烷生产分两步进行： 氯气与水反应生成次氯酸，再与乙烯反应生成氯乙醇； 氯乙醇用石灰乳皂化生成环氧乙烷。 (2)直接氧化法 直接氧化法，分为空气法和氧气法两种。这两种氧化方法均采用列管式固定床反应器。反应器是关键性设备，与反应效果密切相关，其反应过程基本相同，都包括反应、吸收、汽提和蒸馏精制等工序。 空气氧化法：此方法用空气为氧化剂，因此必须有空气净化装置，以防止空气中有害杂质带入反应器

16、而影响催化剂的活性。通常以低转化率进行操作，保持在2050范围内。 氧气氧化法： 氧气法不需要空气净化系统，而需要空气分离装置或有其它氧源。由于用纯氧作氧化剂，连续引入系统的惰性气体大为减少，未反应的乙烯基本上可完全循环使用。从吸收塔顶出来的气体必须经过脱碳以除去二氧化碳，然后循环返回反应器，不然二氧化碳浓度超过 15 (mol )，将严重影响催化剂的活性。 (2)环氧乙烷的生产方法比较 环氧乙烷的生产方法各具特点。 氯醇法生产工艺的严重缺点大致有： 消耗氯气，排放大量污水，造成严重污染； 乙烯次氯酸化生产氯乙醇时，同时副产二氧化碳等副产物，在氯乙醇皂化时生产的环氧乙烷可异构化为乙醛，造成 环

17、氧乙烷损失，乙烯单耗高； 氯醇法生产的环氧乙烷，醛的含量很高，约为 50007000mg/m3，最低亦有 2500mg/m3。氯醇法生产环氧乙烷，由于装置小、产量少、质量差、消耗高，因而成本也高，与大装置氧化法生产的高质量产品相比失去了市场竞争能力。 故根据环保及成本的限制要求本实验采用直接空气氧化法、。 氧化法生产环氧乙烷的关键是催化剂的选择。虽然大多数金属和金属氧化物催化学 反应工程课程设计 9 9 化剂都能使乙烯发生环氧化反应，但是生成环氧乙烷的选择性很差，氧化结果主要生成二氧化碳和水。只有银催化剂例外，在银催化剂上乙烯能选择性地氧 化成环氧乙烷，该催化剂在选择性、强度、热稳定性和寿命等

18、方面都有一定的特色。 3.2 环氧乙烷生产工艺条件的确定 环氧乙烷的生产受反应温度、反应压力、空间速度与空管线速度、原料配比和循环比、抑制剂等工艺条件的制约。 3.2.1 反应温度 温度直接影响化学反应速度，在工业生产中，应根据反应过程的具体情况，采取相应措施，当反应温度高时，一是转化率增加，这意味着乙烯氧化的总速率提高，二是生产环氧乙烷的选择性降低，即更多的乙烯转化成二氧化碳和水，因此，这时反应热量的急骤增加，不是使更多的乙烯被氧化，而是使反应过程的选 择性降低，副反应增加是更重要的原因。此外，在催化剂使用初期，其活性较高，宜采用较低的操作温度。 3.2.2 反应压 力 乙烯直接氧化反应过程

19、，主反应是体积减少的反应，副反应 (深度氧化 )是体积不变的反应。因此，采用加压操作有利。 3.2.3 空速 空间速度简称空速，所谓空速是指单位时间内，通过单位体积催化剂的反应物的体积数量。通常用每小时每升 (或 m3)催化剂通过的原料气的升 (或 m3)数来表示。对于乙烯直接氧化过程，实践证明，提高空速，转化率会略有下降，而选择性将有所上升，在一定范围内提高空速可提高设备的生产能力 。 3.3 催化剂的选择 氧化法生产环氧乙烷的关键是催化剂的选择。虽然大多数金属和金属氧化物催化剂都能使乙烯发生环氧化反应，但是生成环氧乙烷的选择性很差，氧化结果主要生成二氧化碳和水。只有银催化剂例外，在银催化剂上乙烯能选择性地氧化成环氧乙烷，该催化剂在选择性、强度、热稳定性和寿命等方面都有一定的特色。近年来