反应工程乙烯空气氧化法制环氧乙烷课程设计.docx

第二章工艺流程图及说明氧化反应部分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，根据反应的热效应求得反应的温度在180-250°C，因此选择矿物油作为换热介质，采用外部循环式换热带控制点的氧化流程图第三章物料衡算由设计任务书已知数据如下：原料气的组成组分CH24CO2O2N2含量（mol%）3.47.75.683.3原料进入反应器的温度为210°C反应温度为250°C反应压力为IMPa乙烯转化率为26.0%；选择性为65%；空速为5000h-1年工作时间7200小时，年产量20000吨反应产物分离后回收率为90%反应器内催化剂填充高度为管长95%，每根管长3米采用间接换热方式：导出液进口温度230°C,出口温度235°C,导出液对管壁的给热系数为650W/m2・K催化剂为球体，D=3mm,床层孔隙率为0.8在250°C,IMPa下反应气体导热系数为0.0304W/m2K,粘度为4.26X10-5PaS,密度为7.17Kg/m33.1 乙烯催化氧化制取环氧乙烷得物料衡算框图：其中：FF新鲜原料气MF原料混合气RP反应混合气SP混合分离气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3.2 反应原理乙烯和氧气在银催化剂上，于一定温度和压力下，直接氧化生产环氧乙烷，反应方程式可表为：（1）主反应：1CH+—OTCHO242224反应为放热反应，在250°C时，每生成一摩尔环氧乙烷要放出25．19kcal的热量。

2）在主反应进行的同时，还发生其它副反应，其中主要是乙烯的燃烧反应副反应：CH=CH+30T2CO+2HO22222反应为强放热反应，在250°C,每反应一摩尔乙烯，可放出315.9kcal的热量反应器的物料衡算反应部分的工艺参数环氧乙烷生产能力：2万吨/年；年操作时间：7200小时进入反应器的温度：210°C；反应温度：250°C乙烯转化率：26.0%；选择性：65%反应空速：5000h-i;生产过程安全系数：1・05反应产物分离后回收率：90%原料气的组成及各组分的分子量组分CH24CO2O2N2含量(mol%)3.47.75.683.3各组分的分子量如表所示：(均取自《石油化工基础数据手册》各组分的分子量组分CHCO242°2NCHO224HO2分子量28.05444.01031.99928.01344.05418.015(1) 反应部分的基础计算① 以100kmol/h气体进料为基准，根据已知原料气的组成，计算出每小时进入反应器的各种气体组分的摩尔数② 根据反应方程式及已知数据，计算反应器出口的气体量主反应：1CH=CH+—OTCHO222224副反应：CH=CH+3OT2CO+2HO22222已知乙烯转化率为26.0%，选择性为65%，进入反应器的乙烯量为3.4kmol/h,所以由主式有消耗乙烯量：3.4X0.26X0・65=0.5746kmol消耗氧气量：0.5746X0.5=0・2873kmol生成环氧乙烷量：0.5746kmol由副式有消耗乙烯量：3.4X0.26X(1-0.65)=0.3094kmol消耗氧气量：0.3094X3=0.9282kmol生成二氧化碳量：0.2737X2=0・5474kmol生成水量：0.3034X2=0.6068kmol则可知未反应的乙烯量：3.4-0.5746-0.3034=2.522kmol未反应的氧气量：5.6-0.2873-0.9102=4.425kmol出反应器的二氧化碳量：7.7+0.6068=8.3068kmol出反应器的水量：0+0.6068=0.6068kmol氮气、氩气和甲烷的量在反应过程中不发生变化，所以出口气体中各组分的量如表所示。

反应器入口和出口的气体量(kmol/h)组分CH24C2O2N2CHO24H2入口3.47.75.683.300出口2.5228.30684.42583.30.57460.6068(3)实际装置每小时生产的环氧乙烷可折算为=70.056kmol/h2x1077200x44.054x0.90综上所述，气体进料为100kmol/h时，可生产环氧乙烷0.5746kmol/h若要达到560.48kmol/h的环氧乙烷生产能力，则所需原料量为70.056X100=12192.83km0h为了保证所设计的装置能够达到所要求的生产0.5746能力，必须考虑到原料损失等因素，一般取安全系数为1.05则实际进料量为1.05X12192・83kmol/h=13412・113kmol/h(4)原料气与氧化气的组成计算根据基准气体进料为100kmol/h时的计算结果，可以折算出实际进料量为13412.113kmol/h时的物料衡算情况如表所示实际进料时的物料衡算(a)原料气的物料衡算组分kmol/hkg/hmol%wt%CH24456.01212792.9563.43.24O2737.6723604.585.55.98CO21019.3244907.197.611.36N211199.11313720.7983.579.42CHO240000H2O0000合计13412.112395025.52100100(b)氧化气的物料衡算组分kmol/hkg/hmol%wt%CH24307.268619.872.522.42O2540.1217283.844.434.86CO2101240480.128.3011.38N210187.11285239.0883.5580.18CHO2469.503061.890.570.86H2O76.811383.730.630.30合计12192.8355768.53100100第四章热量衡算4.2热量衡算①原料气带入的热量Q]原料气的入口温度为483.15K,以273.15K为基准温度，则Q=2nC(T-T)(kJ/h1ipi入基i(4-4)计算结果列于表4-10中。

表4-10原料气带入的热量组分Cp(J/mol•K)XXcninipiCH61.5230.0342.092O231.2600.0561.751CO244.4760.0773.425N229.7380.83324.772合计—1.0030.040由计算结果可知Q=NXCt1nipi入由公式可得Q「13412.113X30.04X(483.15—273・15)=8・46X107kJ/h②反应热Q在操作条件下，主副反应的热效应分别为2主反应：1CH+—OTCHO+25.19kcal/mol242224副反应：CH+3OT2CO+2HO+315.9kcal/mol24222(以上两式均由《环氧乙烷与乙二醇生产》查得)查得主反应放热量为:Q=456.012x0.26x0.65x25.19x103x4.1886=8.13x106kJ/h21副反应的放热量为:Q=456・012x0.35x0.26x315.9x103x4.1886=5.49x107kJ/h22总反应热为：Q2=Q21+Q22=6.303x107kJ/h氧化气带出的热量Q3氧化气出口温度为523.15K,以273.15K为基准温度，则Q=丫nC(T-T)(kJ/h)1ipi出基i氧化气带出的热量组分Cp(J/mol•K)XniCH64.8870.02731.77124O231.5340.04681.475CO245.5320.04692.135N229.9260.834924.985H2O38.3210.00450.172CHO2481.0980.00460.373合计-1.0030.912由计算结果可知Q=NXCt3nipi出由公式可得Q3=13412・113X30.912X250=1・04X108kJ/h④反应器的撤热量Q4Q+Q=Q+Q1234可得反应器的撤热量Q=Q+Q2—Q=(6.891+4.814-8.319)X108=4.363X107kJ/h413第五章反应器的设计设计生产能力:2万吨/年；生产过程安全系数：1.05；年操作时间：7200小时；本设计采用两台反应器并联进行反应。

已知：(1)每小时输入的原料气量总为13412.113kmol/h；以银为催化剂，颗粒为球形，d=3mm，空隙率£=0.5；反应温度为250，操作压力为1MPa，空速为5000h-1；反应器列管规格为32X3.5mm；反应热用油撤走，导出液进口温度230，导出液出口温度235r；原料气进口温度为210r，氧化气出口温度为250r由计算可知a二1.94766b二2.7211E-05代入运用直接迭代法，查《化工热mm力学》可知RK方程的直接迭代方程为1_Ah-B(1+h)h=b/v=B/Z=0.00677bp2.7211x10-5x1x106B==RT8.314x483.152.7211x1(0x1x106(8.314》x(483.15)2-当Z=1时，h=0.00677代入进行迭代计算迭代的结果如表Zh10.006771.001360.006761.00136则h=0・00676,Z=1.00136,V二b/h=2・7211X10-5/0.00676=4.0253X10-3m3/mol有V=13412.113kmol/hx4.0253x10-3m3.mol-1=53987・78m3/h53987.78所以，由公式得VR=5000=9m3(2)氧化反应器床层截面积A(m2)及高度H(m)的计算氧化反应器采用四套并联计算公式如下所示(由《化工设计手册》可查):H=Vr4AH=3x95%=2.85m床层高度为故A=Vr=竺=0.95m2故H4x5.75.2确定氧化反应器的基本尺寸对于列管式固定床反应器，首先应根据传热要求选定选择32X3.5mm的不锈钢管作为反应器的反应管规格，再求出反应管根数n。

反应管内径：d=32-3・5X2=25nim=0・025m（根据《化工原理（上）附表7.2〈热轧无缝钢管＞GB8163-87选择）反应管根数Vn=r-•d2-H4i=1935.30根0.95由公式可得n==x0.02524经圆整可得，反应管根数为1936根床层压力降的计算由《基本有机化学工程》（下册）可查得如下计算公式Hp-g-d£3gpApG1-£.[150(1-£)卩+1.75G]式中AP——床层压力降，。