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1、JINGCHU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY年产2万吨的银催化氧化乙烯合成环氧乙烷的反应器设计学 院：化工与药学院班 级：2012级化学工程与工艺1班学生姓名：肖畅学 号：2012402010110指导教师：郭孝天完成日期：2016年1月3日指导教师评语：成绩:教师签名:设计任务书一、设计题目和内容设计题目：年产 2 万吨的银催化氧化乙烯合成环氧乙烷的反应器设计 设计条件：银催化氧化乙烯合成环氧乙烷。表 1 原料气的组成组分C2H4CO2O2N2含量（m ol%）3.57.55.683.4生产规模：2 万吨/年反应温度为 240C反应压力为 1MPa空速为 5000h-1选
2、择性为 65%；年工作时间 7200 小时二、设计方法和步骤1、设计方案简介根据设计任务书所提供的条件和要求，通过对现有资料的分析对比，初步确 定工艺流程。对选定的工艺流程、主要设备的型式以及数值积分计算等进行简要 的论述。2、主要设备的工艺设计计算 反应的物料衡算、热量衡算 催化剂床层高度计算3、典型辅助设备的选型和计算:包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定4、制图：绘制主体设备图5、编写设计说明书三、设计成果的编制本课程的设计任务要求学生做设计说明书 1 份、图纸 1 张。各部分具体要求 如下：（一）设计说明书的内容与顺序：1、封面（包括题目、学生班级、学生姓名、指导教师
3、姓名等）2、设计任务书3、目录4、正文4.1 绪论：工艺生产技术方法及进展，反应动力学概述、设计任务的意义、 设计结果简述4.2 设计方案简介4.3 物料流程图及说明4.4 设计计算说明书（包括装置的工艺计算：物料衡算、热量衡算，反应器 床层计算）4.5 设计结果概要4.6 设计体会及今后的改进意见5、参考文献6、主要符号说明（必须注明意义和单位）说明书必须书写工整、图文清晰。说明书中所有公式必须写明编号。目录第1 章 绪论1第2 章 设计方案简介2第3 章 物流流程及说明3第4 章 设计计算说明书54.1 反应器的物料衡算54.2 反应器的热量衡算8第5 章 反应器的设计105.1 催化剂床
4、层体积和高度的计算105.2 确定氧化反应器的基本尺寸 115.3 床层压力降的计算125.4 传热面积的核算 125.4.1 床层对壁面的给热系数125.4.2 总传热系数的计算135.4.3 传热面积的核算135.5 反应器塔径的确定145.6 设备的壁厚计算155.6.1 釜体筒体壁厚计算155.7 附属设备计算165.7.1 支座的选择165.7.2 人孔165.7.3 接管及其法兰选择165.7.4 进料管175.7.5 温度计接管175.7.6 不凝气体排出管17第6 章 设计结果汇总17第7 章 设计评述与总结18第8 章 符号说明18参考文献20第 1 章 绪论环氧乙烷的工业化
5、生产已经有80多年的历史，20世纪20年代初，UCC公司首 次采用氯醇法工艺生产环氧乙烷并建立了工业化生产装置，但由于其存在腐蚀设 备、污染环境和耗氯量大等一系列问题。30年代后期，公司基于Lefort有关银催 化剂的研究成果，使用银催化剂，推出空气法乙烯直接氧化生产环氧乙烷工艺。 1958年，Shell公司采用氧气代替空气作为生产环氧乙烷的氧原料，推出氧气法 乙烯直接氧化生产环氧乙烷工艺，产品纯度可达99.99%。由于氧气氧化法比空气 氧化法有明显的优越性，目前国内外环氧乙烷的生产几乎全部采用的生产方法 是：以银作催化剂，在列管式固定床反应器中，用纯氧与乙烯反应，采用乙烯直 接氧化生产环氧乙
6、烷。目前全球环氧乙烷的生产由英荷Shell、美国SD（科学设计 公司）和UCC三家公司所垄断，约占环氧乙烷总生产能力的90%以上。这三家公司 的乙烯氧化技术水平基本接近，但技术上各有特色。例如在催化剂方面，尽管载 体、物理性能和制备略有差异，但水平比较接近选择性均在80%以上。在工艺技 术方面都由反应部分、脱CO2、环氧乙烷回收组成。但抑制剂选择、工艺流程上 略有差异。我国由氯醇法生产环氧乙烷始于1960年代，由于氯醇法对乙烯质量要求不 高，所以采用酒精发生乙烯和渣油裂解混合烯烃生产环氧乙烷在我国石油化工发 展初期具有一定意义。随着大规模引进环氧乙烷装置的建成和投产，加上环保法 规的日益严格，
7、国内小规模的氯醇法环氧乙烷装置已无生命力，于1993年下半年 淘汰。早期引进的空气法环氧乙烷装置大多也改造为氧气法。目前我国的生产装 置主要集中于上海石化，扬子石化，茂名石化和燕山石化等，基本上为引进技术。国内环氧丙烷用于聚醚多元醇的消费量占总消费量的85%，占据主导地位， PG/DMC%占8%。未来环氧丙烷消费中，聚醚仍然占主导地位，所占的比例有所上 升。由于涂料、胶粘剂、密封剂、弹性体等产品市场快速增长，聚醚在该领域将 会大有作为。随着我国汽车工业的发展，聚醚在车用聚氨酯部件中的需求迅速增 加。由此可见，环氧丙烷的市场前景是十分广阔的。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
8、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。第 2 章 设计方案简介目前，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、
9、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而影响催化剂的活性。空气法的特点是有两台或多台 反应器串联，即主反应器和副反应器，为使主反应器催化剂的活性保持在较高水 平（63-75），通常以低转化率进行操作，保持在 20-50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。
10、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5000-7000mg/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。采用氯醇法生产环 氧乙烷的小型石油化工厂正在受到严重的挑战。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。第 3 章 物流流程及说明本次设
11、计采用氧气氧化法进行环氧乙烷的生产，以氧气作为氧化剂，乙烯在IMPa、240C下通过装有银催化剂的固定床反应器，直接氧化为环氧乙烷。环氧 乙烷的生产系统分为三部分：反应系统、回收系统和二氧化碳脱除系统，如图所 示。循环压缩机应器应器环氧乙WW1碳酸钾去乙二醇系图 3-1 银催化氧化乙烯合成环氧乙烷工艺流程(1) 环氧乙烷的反应系统 反应系统是以一种循环过程来操作的，以乙烯和氧气为原料使用甲烷致稳。从外界贮罐来的乙烯在过滤器中进行过滤，经换热器预热，然后按着一定的路线 进入混合器，与从环氧乙烷吸收塔顶部通过分离器分离出的循环气进行混合，乙 烯混合器中的循环气进入压缩机的吸入口并在氧气混合器之前，
12、由压缩机进行压 缩。从外界来的氧气进料通过过滤器之后在流量控制下进入氧气混合器。为了能 在进料之后和开车期间可靠地对氧气混合器进行吹扫，一个高压氮气压缩机及氮 气吹扫罐连接在紧靠氧气混合站上游的氧气进料线上。为控制循环气中的二氧化 碳浓度，一股循环气的分支物流被送往二氧化碳脱除工段。从氧气混合器出来的含有乙烯和氧气的循环气，在换热器的管程进行加热后 进入反应器。在反应器的壳程用石蜡油来移走反应热，以控制反应温度。含有环 氧乙烷的氧化气进入附带的循环气/锅炉给水预热器，而后反应器出口全体流经 循环器换热器的壳程，与反应器入口气体换热，被进一步冷却下来，之后循环气 体进入循环气冷却器进行最后的冷却
13、。本反应使用一种气相状态的抑制剂来控制反应活性，循环气在氧气进料混合 器和循环气热交换器之间分叉转向压入装有液体二氯乙烷的贮罐，使这股循环气 中的二氯乙烷浓度达到饱和，然后在乙烯进料混合器和循环气压缩机之间再次进 入反应循环气中。反应进料不是绝对纯净，有必要依次从分离器下游定期排放惰 性组分。(2) 环氧乙烷的回收系统 从冷却器出来的氧化气进入到环氧乙烷吸收塔底部，使用从环氧乙烷气提塔 底部过来的乙二醇水溶液以及从泵过来的工艺水进行吸收，保证吸收液的浓度恒 定在7.5%(wt%),被吸收下来的环氧乙烷按一定的路线进到氧化物/水闪蒸罐 进一步闪蒸出惰性气体，然后经换热器进入环氧乙烷气提塔使环氧乙
14、烷和水进行 分离。环氧乙烷蒸汽从塔顶出来经冷却器进行冷凝后收集在回流罐中,回流罐中 的环氧乙烷用泵打出一部分返回到环氧乙烷气提塔顶部作回流用,另一部分送往 排气塔中脱除二氧化碳,塔底用再沸器进行加热,塔底中不含二氧化碳的环氧乙 烷经冷却器冷却后用泵送到环氧乙烷贮罐。环氧乙烷气提塔顶部冷凝器中的不凝气送到惰性气体洗涤塔中,同闪蒸罐中 闪蒸出的惰性气体一起被洗涤后送往尾气压缩机吸入罐中,再进入尾气压缩机中 压缩,经二氧化碳脱除系统进入环氧乙烷反应循环系统。在环氧乙烷吸收塔中未被吸收下来的环氧乙烷以及其它惰性气体经分离器 进一步分离之后送往乙烯混合器中循环使用。(3) 二氧化碳脱除系统来自尾气压缩机
15、的一股气流和尾气压缩机出口的气流混合为一股,进入二氧 化碳吸收塔的底部,与从塔顶向下流动的吸收剂在填料上充分接触完成吸收后, 进入二氧化碳水洗塔,通过填料层和除雾器,除掉气流中夹带的微量的钾和矾的 化合物微粒,以防止这些物质带入反应器造成催化剂中毒。这股气流冷却后返回 到循环气流中,与其它物流混合。从二氧化碳吸收塔顶部流下的二氧化碳吸收剂,在与循环气接触完成二氧化 碳的吸收之后,在二氧化碳吸收塔底部靠压差进入闪蒸罐中,这时的吸收剂被称 为富吸收剂，富吸收剂在闪蒸罐中进行减压闪蒸，闪蒸出来的气体进入尾气压缩 机，再吸入罐中，经尾气压缩机压缩后进入循环系统。闪蒸后的吸收剂流向二氧 化碳再生塔的顶部，经再沸器加热后，被吸收的二氧化碳就释放出来，排入大气 中。再生后的吸收剂被称为贫吸收剂，贫吸收剂集聚于再生塔的底部，被分为三 股，一股经再沸器加热循环，一股经泵在过滤器中过滤存货使用，余下的进入贫 吸收剂闪蒸罐中再次进行闪蒸后由贫吸收剂泵打回吸收塔中进行下一个循环。水洗塔有两个循环回路来移走气体物流中的微量钾和矾的化合物，用二氧化 碳水
