环氧丙烷反应器设计1 第一工段反应器设计11 概述环氧丙烷PropyleneOxide简称PO又名甲基环氧乙烷或氧化丙烯是无色具有 醚类气味的易燃液体分子式C3H6O分子量5808熔点-1121e沸点342e相对密度 0859折射率13664闪点-37e与水部分互溶与乙醇乙醚等互溶化学性质活泼其蒸 气在空气中能自燃或爆炸环氧丙烷是除了聚丙烯和丙烯腈以外的第三大丙烯衍 生物是重要的基本有机化工原料主要用于聚醚多元醇非离子表面活性剂碳酸丙 烯酯和丙二醇的生产是精细化工产品的重要原料 广泛应用于汽车建筑食品烟草医药及化妆品等行业目前国外环氧丙烷生产技术主要有氯醇法乙苯共氧化法POSM法异丁烷共氧 化法POTAB法异丙苯氧化法CHP法过氧化氢直接氧化法HPPO法 氧气直接氧化 法其中氯醇法 PO SM 法 PO TAB 法 CH P 法 HPPO 法已经实现工业化 氧气直接 氧化法正处于实验阶段12 氯醇法共氧化法异丙苯法过氧化氢法技术优缺点对比氯醇法共氧化法异丙苯法过氧化氢法技术优缺点对比见表1表 1 氯醇法共氧化法异丙苯法过氧化氢法技术优缺点对比生产工艺 优点 缺点 氯醇法 1 工艺成熟流程简单2操作负荷弹性大3 选择性好 4 对 原料丙烯的纯度要求不高 5 安全性高 6投资少7 有成本竞争力 1 水耗大 2 产生大量废水及废渣 每生产 1t 环氧丙烷产生 40 50 t 含氯化物废水和 2 1 tCaCl2 3 消耗大量氯 气和石灰原料 污染环 境 4 产生的次氯酸对 设备的腐蚀严重 共氧化法PO SM 法PO T BA 法 1 共氧化法克服了氯 醇法腐蚀废水量大缺 点 2 产品成本低 联 产品分摊成本 3 环 境污染小 1 工艺流程长 2 原料 品种多 3 丙烯纯度要 求高 4 工艺操作压力 高 5 设备造价高 设 备材质多采用合金钢 6 联产 2 2 2 5t 苯乙烯或 2 3 t 叔丁醇 受市场因素制约7 废水含 C OD 高 异丙苯氧化法CH P 法 与氯醇法相比 1 不需要氯气 减少了设备腐蚀 2 废水量少与共氧法相比 1 无副产品 使用异丙苯替代了乙苯 异丙苯循环使用 2 不联产苯乙烯无需辅加设备 3 装置投资少 比共氧化法低1 3 生产过程中产生大量A-甲基苯乙烯增加循环回收装置 过氧化氢氧化法H PPO 法 1 工艺流程简单 2 产品收率高 无副产品3 无污染 属清洁工原料辅助原料产品的主要技术规格表 1-3 主要工艺物料消耗与规格名称 规格 用量 丙烯 工业级22万ta 双氧水工业级18万ta 甲醇工业级 xxxta氢气 纯氢气 11 万 ta22 原辅料规格及消耗配比表 2 原辅料规格及消耗配比原辅料 规格 配比原料双氧水 工业级原料 丙烯 工业级 原料丙烷工业级原料 甲醇 工业级催化剂 TS-17323 产品质量标准2-1 产品规格等级项目 指标优等品一等品 合格水分质 量分数00200201 醛质量分数 001 003 01 环氧乙烷质量分数 00101 03 GB14491-2001产品外观要求透明液体无可见机械杂质工业用环氧丙烷应符合表 1-1 规格要求表 2-2 产品技术要求项目 指标 优等品 一等品 合格 色度铂 -钴色号号 W 5 10 20 酸度质量分数以乙酸计算 W 001 003 001GB14491-2001环氧丙烷主要用与聚醚多元醇的生产和丙二醇和一些非离子表面活性剂这些靖西化工产品所以对于环氧丙烷的规格要求就要严格的多我们在项目生产中 会严格把持产品的纯度和质量3 反应工段工艺简介4 反应工段工艺计算本工艺［4］是在压力为03MPa温度为55°C下在TS-1上进行的等温液固相催 化反应41 催化反应过程的物料衡算411 计算用原始数据此处所选的 8 原始数据均为年产 30 万吨环氧丙烷的中间试验数据进入反应 器时甲醇含量约为 7226丙烯含量约为 1093 摩尔分数412 化学反应主反应［5］平行反应表 5 反应中涉及到的物质的相对分子质量32 34 42 44 18 58CH3OH H2O2 C3H6 C3H8 H2O C3H6O413 物料衡算过程96催化合成甲醛过程是一个连续流动反应在定态下其物料衡算基本公式 本工艺计算［6］以生产 30 万吨甲醛按 300 天计工业级别的甲醛质量分数为 则每小时一个反应器生产工业级别的环氧丙烷的质量其物质的量为并以其为基准4131 反应器进口物料的计算根据表3 表5 中各组分的数据计算可得纯甲醇的物质的量 10133kmolh水物质的量 18281kmolh丙烯 153226kmolh丙烷 9428kmolh双氧水 36264kmolh表6 原料液的组成及含量物质 摩尔分数 物质的量 kmolh CH3OH 7226 10133 H2O2259 36264 H2O 1303 18281 C3H6 1093 153226C3H8 07 9428 NH305 7243 4132 反应器出口物料的计算 甲醇的物质的量 10133kmolh生成环氧丙烷的物质的量 34814kmolh水的物质的量 217623kmolh未反应的双氧水的物质的量 1451kmolh丙烯的物质的量 1184kmolh丙烷的物质的量 9427kmolh丙二醇甲醚的物质的量 068kmolh表 7 反应器出口主要气体的组成及含量物质 摩尔分数 物质的量 kmolh CH3OH 84 10133 C3H6O 1534814 H2O91 217623 H2O2 006 1451 PE 004 1022C3H8O2-2 001 068 NH3 002 7243 C3H6 50 1184 42 合成甲醛过程的热量衡算热量衡算过程以 03MPa 下的液体为计算基准反应液体于常压下进入反应器在催化剂作用下进行恒温反应反应器出口气体以离开反应器总的热量衡算式为421 各物质比热容的计算每个组分的热容与温度的函数式即 CpabTcT2表 8 各物质平均温度为的物性物质 C3H8 1837 250-1500 C3H68256 250-1500 H2O 1907 250-1500 CH3OH250-1500 CpC3H818372816X 10-1T—1319X 10-8T2CpC3H682562174X 10-1T —09692 X 10-6T2Cp32241907 X 10-3T—10057 X 10-6T2Cp21147084X10-3T—2586X10-6T2把 T27350323K 带入上述公式得 同理可计算其他物质的比热容其结果如下表表 9 各物质在平均温度为的物质 C3H8 C3H6 H2O CH3OH C3H6O H2O2 9424 78207318 4133 13799 50284422 各物质焓值的计算计算焓热量是时在等温条件下反应的参考态32315°C03Mpa 又双氧水的消耗量为由得即为了维持反应器内温度为32315C应每小时从反应器移走的热量43 用量的确定列管式固定床反应器的壳程走冷凝水移走反应放出的热量使冷凝水从20 C升温到40 C表 10 冷凝水的物性数据名称平均分子量密度比热容导热系数 冷凝水 18 9957 4178 0618 由得冷凝水用量在工程上要确定反应器的几何尺寸首先得确定一定生产能力下所需的催化 剂容积再根据工程实验所提供的反应器资料最后确定出反应器的几何尺寸522 催化剂容积的计算5221 催化剂用量的计算 合成环氧丙烷的反应是一个气固相催化反应催化剂的用量需要根据反应工 程上通过单位催化剂列物料衡算的动力学方程才能得出合成甲醛的动力学方程为其中PO 环氧丙烷式中各物质摩尔分数的计算合成环氧丙烷的反应在双氧水转化率为 84 时到达平衡达平衡时双氧水的摩 尔浓度为求解动力学方程由定义有查得令即则两边同时积分得其中用辛普森数值积分法求解定积分数值积分法为其中实用于奇数个数据点n为偶数f的角标代表选取数据点的编号且点与点之间等间距表 11 与的关系0 012 024 036 048 060 072 0841515 1786 2203 2857 4167 7992因此催化剂所需质量 反应采用的催化剂为钛硅分子筛催化剂成粒状粒度为 6mm 堆密度为比表面 积为 54 故反应所需的体积523 列管根数的确定 由催化剂所算得反应器体积太小反应物流量过大故选择用停留时间与流量 的关系得出反应器总体积一小时的体积流量反应时间取十分钟反应器体积根据中间试验的结果列管规格为 管长为 L18m解方程得n2475根524 列管式固定床反应器壳体内径的确定由公式[11]式中 D 壳体内径 mmt 管中心距 mm横过管束中心线的管束b 一般取 mm管子采用正三角形排列故带入公式得标准化后核算过程管长和壳径应相适应一般取 LD 为 46对该反应器因此所设计的反应器符合实际情况实际催化剂用量53 等温固定床列管式反应器的设计计算结果表 12 等温固定床列管式反应器的设计计算结果序号 项目 数据 123456781112 列管式反应器入口温度 列管式反应器出口温度 反应压力 原料甲醇的量 原料丙烯的量 原料水的量 催化剂床层高度 塔径 催化剂用量 列管根数 列管规格管子排列方式50°C50 °C03MPa10133kmolh 153236kmolh 18281kmolh 18m 38m 58048kg2107根① 57X25mm三角形排列第二工艺工段反应器设计4 反应工段工艺计算本工艺［4］是在压力为03MPa温度为55°C下在TS-1上进行的等温液固相催 化反应41 催化反应过程的物料衡算411 计算用原始数据此处所选的8原始数据均为年产30万吨环氧丙烷的中间试验数据进入反应 器时甲醇含量约为766丙烯含量约为58摩尔分数412 化学反应主反应［5］平行反应表 5 反应中涉及到的物质的相对分子质量32 34 42 44 18 58CH3OH H2O2 C3H6 C3H8 H2O C3H6O413 物料衡算过程催化合成环氧丙烷过程是一个连续流动反应在定态下其物料衡算基本公式此设备的进料为第一设备以生产 50 万吨甲醛按300 天计工业级别的环氧丙烷质量分数为 96则每小时一个反应器生产工业级别的环氧丙烷的质量其物质的量为并以其为基准4131 反应器进口物料的计算根据表3 表5 中各组分的数据计算可得纯甲醇的物质的量 9840670kmolh水物质的量 2171248kmolh丙烯 744475kmolh丙烷 45823molh双氧水 10879kmolh氨水 29432kmolh表6 原料液的组成及含量物质 摩尔分数 物质的量 kmolh CH3OH 9221 9840670H2O2 01 10879 H2O 1303 217124 C3H6 698 744475C3H8。