化工设计：环氧乙烷的制取

- - -- z --.-..-可修编.-可修编-.目录一、设计任务书 2二、设计方案简介 3三、工艺流程草图及说明 6四、物料衡算 9五、计算结果一览表 16六、工艺流程说明 17七、附图 20八、参考文献 22设计任务书一、基本数据用N2作为惰性致稳气时的原料气组成组成C2H4O2N2CO2CH4C2H6ArH2OMol,15.007.0053.2710.550.630.8712.400.28%反应器的单程转化率选择性： 环氧乙烷的吸收率： 99.5%O2中夹带的Ar为Ar0.00631mol。二、课程设计容及要求（一）容1、对环氧乙烷反应系统的物料衡算；2、绘制环氧乙烷反应系统的工艺流程图（一）；3、绘制二氧化碳脱除系统的工艺流程图（一）；4、编制课程设计说明书（一份）。（二）具体要求-.-.1、环氧乙烷反应系统的物料衡算方法参考《基本有机化工工艺学》（吴指南主编）一书。2、绘制的带控制点的工艺流程图必须符合化工制图的规，并且字体必须工整。3、编制的课程设计说明书应对计算过程与工艺流程的选择以及控点的确定进行详细的说明和解释。设计方案简介环氧乙烷（简称EO）是最简单也是最重要的环氧化合物，环氧乙烷（简称EO）是最简单也是最重要的环氧化合物，活性剂，此外还用于制备乙醇胺类、乙二醇醚类等。一、反应过程分析：工业上生产环氧乙烷最早采用的方法是氯醇法，该法分两步进2-6%-7%（质量）2-Ca(OH)反应，生成2环氧乙烷。该法的优点是对乙烯的浓度要求不高，反应条件较缓和，Ag/α-AlO催化剂存在下直接氧化制取2 3环氧乙烷的工艺，可用空气氧化也可以用氧气氧化，氧气氧化法虽然主反应.主反应.-可修编-.-.-..-可修编.-可修编-.副反应择性的控制十分重要。副反应二、催化剂的选择：环氧化法生产环氧乙烷是一个强放热放应，为减少深度氧化的副反应，提高选择性，催化剂的选择非常重要。研究表明，只有在银催化剂催化下乙烯的环氧化反应才有较高的选择性。工业上使用的银催化剂是由活性组分，载体和助催化剂所组成。载体 载体的主要功能是分散活性组分和防止银微晶的半熔和烧结使其活性保持稳定由于乙烯环氧化过程存在平行副反应和连串副反应的竞争又是一强放热反应 故载体的表面结构及其导热性能对反应的选择性和催化剂颗粒部温度的分布有显著的影响载体表面积大活性比表面积大催化剂活性高但也有利于乙烯完全氧化反应的发生，甚至生成的环氧乙烷很少。载体如有空隙，由于反物在细空隙中的扩散速度慢产物环氧乙烷在空隙中浓度比主体浓度高，有利于连串副反应地进行。工业上为了控制反应速度和选择性均采用低比表面积无孔隙或粗空隙惰性物质作为载体并要求有较好的导热性能和较高的热稳定性工业上常用的载体又碳化硅氧化铝和含有少量氧化硅的α－氧化铝等。助催化剂 所采用的助催化剂有碱金属类碱土金属类和稀土元素化合物等。碱土金属类中，用得最广泛的是钡盐。在银催化剂中入少量钡盐可增加催化剂的抗熔结能力有利于提高催化剂的稳定性，延长其寿命并可提高活性。据研究两种或两种以上的助催化剂-.-..-可修编.-可修编-.起到协同作用，可提高选择性。抑制剂 在银催化剂中加入少量硒碲氯溴等对抑制二氧化碳的生成提高环氧乙烷的选择性有较好的效果工业上常在原料气中添加微量有机氯如二氯乙烷以提高催化剂的选择性调节温度三、反应器及混合器的选择：锁切断系统，热交换器安装需要有防爆措施。四、影响因素（反应条件）的分析：⑴反应温度乙烯环氧化过程中存在着平行的完全氧化副反应，影响转化率和选择性的主要因素是温度。温度过高，反应速度快、转化率高、选择性下降、催化剂活性衰退快、易造成飞温；温度过低，速度慢、生产能力小。所以要控制适宜温度，其与催化剂的选择性有关，一般控制的适宜温度在200-260℃。⑵反应压力2Mpa左右。⑶空速与温度相比该因素是次要的，但空速减小，转化率增高，选择性4000-8000/h左右，也有更高的。催化剂性能高反应热能及时移出时选择高空速，反之选择低空速。⑷原料纯度增大（H、C以上烷烃和烯烃）；③影响爆炸极限，如氩气是惰性气2 3体但其会使氧的爆炸极限浓度降低而且增加爆炸的危险性，氢也有同样的效应，故原料中的杂质含量要严格控制乙炔<5ppm,C以上烃3<1ppm,硫化物<1ppm,H<5ppm）。2⑸进入反应器的混合气配比由于反应的单程转化率较低故采用具有循环的乙烯环氧化过程，15-208循环使用，小部分送二氧化碳吸收装置，用碱洗法（热碳酸钾溶液）脱除掉副反应生成的二氧化碳。氧化碳，但不宜过多。⑹乙烯转化率单程转化率的控制与氧化剂的种类有关，用纯氧作氧化剂时，75-8430%—3570%以单程转化率也不能太低，否则会因循环气量过大而耗能增加。-.-..-可修编.-可修编-.工艺流程草图及说明(一)氧化反应部分一工艺流程草图二流程草图说明由于此反应为气固相反应，并且催化剂比较贵,所以选择列管式固定床反应器。反应放出大量的热,所以须采用换热介质进行换热，二流程草图说明由于此反应为气固相反应，并且催化剂比较贵,所以选择列管式固定床反应器。反应放出大量的热,所以须采用换热介质进行换热，1-2%，经热交换器利用其热排出的气体，大部分（约90%）循环使用，而一小部分需送入CO吸

2吸收装2 2-.-..-可修编.-可修编-.置的那一小部分气体在二氧化碳吸收塔中与来自再生塔的高温贫碳入再生塔，经加热，使碳酸氢钾分解为二氧化碳和碳酸钾，CO自塔2顶排出，再生后的贫碳酸氢钾-碳酸钾溶液循环回二氧化碳吸收塔。(二)环氧乙烷回收和精制部分经热交换利用其热质量关于能耗方面，除了反应选择性和反应热的利用等影响因素外，环氧乙烷吸收液的浓度和吸收水热量的利用，对能耗也有显著影响。乙烯催化氧化法制环氧乙烷的工艺需注意以下两点1、保障安全性用N或CH作致稳气。2 42、保障经济性对化工行业的生产工业来说，经济性是应首先考虑的重要因素。为满足此要求，应想办法使反应的选择性提高，催化剂的研究开发决制副反应的发生。还应考虑能量的利用率，想办法利用生产流程中各种位能的热量，充分节约资源，降低生产成本。物料衡算（一）由设计任务书已知数据如下：用N作为惰性致稳气时的原料气组成组成CHO组成CHONCOCHCHArHO2 422242 62Mol,%15.007.0053.2710.550.630.8712.400.28反应器的单程转化率选择性： 环氧乙烷的吸收率： 99.5%O中夹带的0.00856mol，循环排放气中含Ar为12.85%，产品环氧乙2-.-..-可修编.-可修编-.烷中含Ar0.00631mol。（二）乙烯催化氧化制取环氧乙烷得物料衡算框图：SRC 除TCCO2SPCD水 C CORC 2CH

脱除装置24FF MF RP SPO(Ar)2AN2

反应器

吸收塔 WBP(Ar)图（1）其中：FF 新鲜原料气 MF 原料混合气RP 反应混合气 SP 混合分离

环氧乙烷水溶液RC 循环气 P 产品环氧乙烷W 排空废气 SPC 未脱除二氧化碳的循环气TC 脱除的二氧化碳 SRC 脱除二氧化碳的循环气（三）衡算过程衡算基准：以进入反应器的混合原料气100mol为基准衡算围：以下各步的衡算围如图（1）虚线框所示主反应方程式:平行副反应方程式：主反应方程式:平行副反应方程式：(MF)各组分摩尔数的变化△(C

H) 100x15%×12.3%=1.8450mol2 4△(C

HO) 1.8450×73.8%=1.3616mol2 4-.-..-可修编.-可修编-.△(CO

) 1.8450×(1-73.8%)×2=0.9668mol△(H

2O) 0.9668mol2△(O

) 1.3616×1/2+0.9668×3/2=2.1310mol2(RP)的组分含量CH 100×15%-1.8450=13.1550mol2 4O 100×7%-2.1310=4.8690mol2CHO 1.3616mol2 4CO 100×10.55%+0.9668=11.5168mol2HO 100×0.28%+0.9668=1.2468mol2其他气体未参加反应，故他们的量不变，同原料气CH 100×0.63%=0.63mol4N 100×53.27%=53.27mol2CH 100×0.87%=0.87mol2 6Ar 100×12.40%=12.40mol反应混合气的组成由以上计算可得RPS)RPRP=13.1550+4.8690+11.5168+0.63+1.3616+1.2468+0.87+12.40+53.27=99.3192mol组成molMol,%组成molMol,%CHONCOCHCHArHOCHO2 422242 622 413.15504.869053.270011.51680.63000.870012.40001.24681.361613.2454.90253.63511.5960.6340.87612.4851.2551.3712、以吸收塔为衡算围，确定混合分离气(SP)的组成RP中各组分量的变化(即在产品P△(C

HO) 1.3616×99.5%=1.3548mol2 4△(Ar) 1.3458×0.00631=8.5488×10-3mol△(H

1.2468mol (即考虑水全部进入产品中)2由此可得，产品(P)中带出的物质总量（SP）P=1.3548+8.5488×10-3+1.2468=2.6101molSP利用衡算关系式：RP(X)=SP(XP(X) X为SP对CHOAr作物料衡算，得它们的含量如下2 4CHO 1.3616-1.3548=0.0068mol2 4Ar 12.4000-8.5488×10-3=12.3915molHO 1.2468-1.2468=02其他气体的量不变。SP的组成由于SP的组成与循环排放气W组成相同，故SP中Ar的摩尔分数也为12.85%。可得SP中各组分的总量(S)SPSP=12.3915/12.85%=96.4319mol组成molMol,%组成molMol,%CHONCOCHCHArHOCHO2 422242 622 413.15504.869053.270011.51680.63000.870012.39150013.6425.04955.24111.9430.6530.90212.850003、确定新鲜原料(FF)和循环气(RC)组成ArFF中

为Xmol,CH为Ymol;RC中O为Zmol，CH

为G

2 2 42 2 4利用衡算式FF(Ar)=P(ArW(Ar) 可得0.00856X=8.5488×10-3+W×12.85% ①以节点B为衡算围，对CH和O作物料衡算。利用衡算式2 4 2SP(x)=RC(xW(x) X为CH和O24 2且WSP中各组分的组成相等，可得对CH： 13.1550=G+W×13.6420% ②2 4对O ： 4.8690=Z+W×5.0490% ③2以节点A为衡算围，对CH和O作物料衡算。2 4 2利用衡算式 MF(X)=FF(X)+RC(X) X为CH和O可:24 2对CH： 15.0000=Y+G ④2 4对O ： 7.0000=X+Z ⑤2联立以上五式，解得X=2.1348 Y=1.8553 Z=4.8652 G=13.1447 W=0.0757FF由以上计算可知FF中：O2

含量为2.1348mol，CH含量为1.8553mol，2 4故FF中O2

中的Ar夹带量为： 2.1348×0.00856=0.0183mol以节点B为衡算围，对N2

作物料衡算，利用衡算式SP(N

)=RC(N)+W(N

) 可得2 2 2RC(N)=53.2700-0.0757x55.241%=53.2282mol2以节点A为衡算围，对N2

作物料衡算，利用衡算式MF(N

)=FF(N)+RC(N

) 可得2 2 2FF(N

)=53.2700-53.2282=0.0418mol2故FF中各组分的总量FF=1.8553+2.1348+0.0183+0.0418=4.0502mol组成molMol,%组成molMol,%CHONAr2 4221.85532.13480.04180.018345.80852.7091.0310.452RC由前面的计算已得RC中：O：4.8652mol,CH

：13.1447mol,2 2 4N：53.2282mol。2以节点A为衡算围，对Ar作物料衡算，利用衡算式MF(Ar)=FF(ArRC(Ar) 可得:RC中其他组分的量与MF中相等。故RC中各组分的总量RC=13.1447+4.8652+53.2282+10.5500+0.6300+0.8700+12.3817+0.2800=95.9498mol组成molMol,%组成molMol,%CHONCOCHCHArHOCHO2 422242 622 413.14474.865253.228210.55000.63000.870012.38170.2800013.7005.07155.47510.9950.6570.90712.9040.29204、确定未脱CO2

的循环气SPC的组成WCO2

的量 0.0757×11.943%=9.041×10-3mol(极少，略)由节点C处CO2

守衡，有：TC(CO)=SP(CO)-RC(CO)2 2 2得： TC(CO

)=11.5168-10.5500=0.9668mol2CO2

的脱除效率为70%则进入装置的CO2

量为： 0.9668/70%=1.3811molSRC中CO2

的量

)=1.3811×(1-70%)=0.4143mol2节点DCO2

平衡，有RC(CO

)=SRC(CO)+SPC(CO

) 可得：2 2 2SPC(CO

)=10.5500-0.4143=10.1357mol2入CO2

又SPC中各组分的组成与SP各组分相等，故SPC各组分总量SPC=10.1357/11.943%=84.8673mol因 SPC/(SP-W)=84.8673/(96.4319-0.0757)=88%所以从吸收塔出来进入循环的混合气有88脱除装置中。(B)因SPC与SP各组分组成相等，可得SPC中各物质的摩尔数（单位：mol）C

H：11.5776 O：4.285 CH：0.552 4 2 4CH：0.7655 CO：10.1357

：46.88 Ar：10.90542 6 2 2SPC组成的计算结果如下表：组成CHONCOCHCHArHOCHO2 422242 622 4mol11.57764.284946.881510.13570.55420.765510.905400-.-..-可修编.-可修编-.Mol,Mol,%13.6425.04955.24111.9430.6530.90212.850005、以节点D为衡算围，确定SRC的组成。利用， RC(x)=SP(x)+SRC(x) X为SRC中某组分可得SRC中各组分的量CH ：13.1447-11.5776=1.5671mol2 4O ： 4.8652-4.2849=0.5803mol2N ： 53.2282-46.8815=6.3467mol2CO： 10.5500-10.1357=0.41432CH ： 0.6300-0.5542=0.0758mol4CH ： 0.8700-0.7655=0.1045mol2 6Ar： 12.3817-10.9054=1.4763molHO： 0.2800-0=0.2800mol2故SRC中各组分的总量SRC=1.5671+0.5803+6.3467+0.4143+0.0758+0.1045+1.4763+0.2800=10.8450mol组成molMol,%组成molMol,%CHONCOCHCHArHOCHO2 422242 622 41.56710.58036.34670.41430.07580.10451.47630.2800014.4505.35158.5223.8200.6990.96413.6132.5820-.-..-可修编.-可修编-.数据校核及结果评价1、数据校核①总物料平衡 FF=P+W+TC其中FF=4.0502molP=2.6101molW=0.0757molTC=0.9668mol故 方程右边=3.6526mol≈方程左边②吸收塔物料平衡 RP=SP+P其中RP=99.3192molSP=96.4319molP=2.6101mol得 方程右边=99.0420mol≈方程左边③节点A物料平衡 MF=FF+RC其中FF=4.0502molRC=95.9498molMF=100mol有 方程右=100mol=方程左边④节点B(C)物料平衡 SP=W+RC+TC其中SP=96.4319molW=0.0757molRC=95.9498molTC=0.9668mol得 方程右边=96.9923mol≈方程左边⑤节点D物料平衡 RC=SRC+SPC其中RC=95.9498molSRC=10.8450molSPC=84.8673mol有 方程右边=95.7123mol≈方程左边2、结果评价以上在不同的衡算围对总气体量分别进行校核，计算的结果显示各种计算数据基本符合要求。虽有一些误差，但都在工程允许围。下面对误差进行分析。PCHO及微量的Ar，而在计算过程中2 4没有考虑那部分气体的量，视产品中仅有CHO和Ar，而且计算过程中2 4SP的气体总量及部分物质SP中HO和CHO的量视为零，因SPC与SP的组成相同，所以RC中的HO2 2 4 2考虑为从SRC中来，即从CO脱除装置中出来的循环气带出了少量的2

是循环使用的，只需一次输入2即可，但在实际生产中，W、TC以及P处都有少量N2

带出，故FF中需要夹带一定量的N进行补充。2组成组成CH24ONCOCH2224CH26ArHO2CHO24总计mol混合气molMol,%molRPMol,%SP13.6425.04955.24111.9430.6530.90212.85000100mol4.0502Mol,%100FFmolMol,%molMol,%molMol,%95.9498RC10084.8673100SPC10.8450100SRC计算结果一览表13.15504.869053.270011.51680.63000.870012.40001.24681.361699.319213.2454.90253.63511.5960.6340.87612.4851.2551.37110013.15504.869053.270011.51680.63000.870012.39150096.43191.85532.13480.04180000.01830045.80852.7091.0310000.4520013.14474.865253.228210.55000.63000.870012.38170.2800013.7005.07155.47510.9950.6570.90712.9040.292011.57764.284946.881510.13570.55420.765510.90540013.6425.04955.24111.9430.6530.90212.850001.56710.58036.34670.41430.07580.10451.47630.2800014.4505.35158.5223.8200.6990.96413.6132.5820工艺流程及控制点说明（一）工艺流程说明环氧乙烷反应系统工艺流程主流程原料流程原料乙烯、氧气和致稳氮气来自界区，他们与循环物料气的混合气体站(H-102)充分混合后，进入气－气换热器与反应生成的上部进入催化床层，在一定温度（2Mpa）下，进行氧化反应。吸收流程E-11）在吸收塔中，以水做吸收剂，吸收反应气体中的产物环氧乙烷。从吸收塔顶部出来的吸收气，一部分作为循环排放气排至蒸汽加热器（B-110）中烧掉：另一部分作为循环气与致稳气氮气进入循环压缩机（C-110）,加压后，混合气大约有十分之一送至二氧化碳脱除流程，脱除二氧化碳后，再返回至循环气系统：一部分经添加抑制剂二氯乙烷后，进入氧气混和器（H-102）,与原料乙烯，氧气混合，成为原料气。辅助流程热油循环流程乙烯的环氧化反应为放热反应，其副反应为乙烯完全氧化为二氧本工艺流程方案中，用矿物油做冷却剂，移走反应热。流程如下：连接。同时为了补充循环过程中的矿物油损失，应在设一热油储罐,并以2kg/cm2（G-115）输出，与反应器下部流出的高温热油混合后，油热泵（G-110）送入热油冷却器（E-110）,如此不断循环。蒸汽流程在热油冷却器（E-110）中，热油在换热冷却的同时产生高压蒸汽，一部分送至用户，另一部分进入蒸汽加热气（B-110）进一步提（0,减压变为低压蒸汽，作为流程中其它设备热源之用。抑制剂流程为抑制副反应，氧化反应过程中需有抑制剂二氯乙烷加入，用中压氮气作载气。抑制剂由抑制剂罐送入抑制剂蒸发器合器。二氧化碳脱除系统工艺流程1、脱二氧化碳循环气流程（，与来自再生塔后由塔顶排出，进入脱二氧化碳冷却器（D-211）的碳E-21进行再生处理。2、碳酸钾溶液循环系统接触塔（D-210）中，来自再生塔的贫碳酸钾溶液与循环气体中的二氧化碳重用，碳酸钾转化为碳酸氢钾，塔釜的富碳酸钾-碳酸氢钾溶液送至再生塔（D-220）的上部，再生后由塔釜经碳酸盐溶液泵（G-220）送入接触塔（D-210）上部循环使用。为补充循环回路中总的碳酸盐溶液，另设碳酸盐溶液槽及储槽。碳酸盐溶液槽中，脱盐水溶解固体碳酸钾。生成的碳酸钾溶液进入碳酸盐贮槽（，再生碳酸盐输送泵（）送出，与再生后的碳酸盐溶液混合后经碳酸盐溶液泵进入接触塔。3、再生塔流程（E-221）气液分离后，二氧化碳用2kg/cm2的低压蒸汽加热，冷（，消泡剂由此处送出与再生塔塔釜混合后，进入再沸器加热。（二）控制点说明环氧乙烷反应系统控制点1、蒸汽加热器（B-110）进气控制点：此控制点为一流量控制点，用以调节进入加热器的空气量，以便加热器的燃料充分燃烧。2、热油冷却器（E-110）出口蒸汽控制点：此控制点为液位控制点，通过控制冷却器出口蒸汽量，稳定热油冷却温度。3、热油储罐4、气-气换热器（F-115）液位控制点：此控制点为压力控制点，用以调节控制进口反应原料压力。56、吸收塔二氧化碳脱除系统控制点-.-.1、接触塔2、碳酸盐储槽3、接触塔分离罐（F-210）出液控制点：此控制点为液位控制点，通过调节送往再生塔的碳酸盐溶液量，稳定分离罐分离出的溶液位。4、再沸器加热蒸汽调节点：此控制点为流量控制点，通过5、直线分离器出口控制点：此控制点为流量控