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1、1化学反应工程课程设计环氧乙烷的性质作用以及应用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
2、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。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0.0
3、001239J/(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。 该反应为放热反应，热效应为963kJ/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
4、反应的最终产品是至少含一个羟基的醚。 与苯酚反应环氧乙烷与苯酚反应生成苯氧基乙醇。 (3)氧化还原反应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。 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，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、O
5、S=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。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，
6、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
7、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
8、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。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
9、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，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
10、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。近年来国内外对活性组分银的开发研究取得了长足的进步。也有不少学者试图开发另一类金属取代银，但至今仍认为活性组分银是乙烯氧化生成环氧乙烷的最佳催化剂。3.4环氧乙烷生产的工艺流程环氧乙烷生产装置的主要设备有反应器、吸收塔、反应系统的气-气换热器和循环气冷却器。其设计生产能力为
11、年产13400吨环氧乙烷，设计运转时间为287天年。3.4.1 工艺流程概述本次设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1MPa、250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。 4 设计条件工艺参数优化包括物料衡算和热量衡算两部分。物料衡算以质量守恒定律为基础，主要计算所需物料量和产品量，还可以算出物料的组成，确定物料中各组分在化学反应过程中的定量转化关系，并通过衡算求得原料的定额消耗。其计算依据是工艺流程图、在工厂采集的数据及设计时要求的和查得的各种参数。热量衡算以能量守恒定律及物料
12、衡算为基础，计算传入、传出的热量，从而确定公用工程的能耗以及传热面积。其计算依据与物料衡算相同。4.1 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： 反应为放热反应。（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： 反应为强放热反应。4.2 原料组成原料气的组成组分C2H4CO2O2N2含量（mol%)3.47.75.683.34.3 反应器条件原料进入反应器的温度为483K反应温度为523K反应压力为981kPa乙烯转化率为20%；选择性为66%；空速为5000h-1年工作时间287天，年产量13
13、400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5.7m，每根管长8m采用间接换热方式：导出液进口温度230C，出口温度235C,导出液对管壁的给热系数为0 = 2717kJ/(m2hK)催化剂为球体，D=5mm,床层孔隙率为0.8在523K，981MPa下反应气体导热系数为，粘度为，密度为7.17Kg/m34.4 物料衡算(1)反应部分的工艺参数环氧乙烷生产能力：13400吨/年； 年操作时间：287d;进入反应器的温度：483K； 反应温度：523K;乙烯转化率：20； 选择性：66%;反应空速：5000； 反应产物分离后回收率：90% .原料组成如表所，示： 原料气的组成及各组分的分子量组分C2H4CO2O2N2含量（mol%)3.47.75.683.3各组分的分子量如表所示：（基本有机化工工艺学）各组分的分子量组分C2H4CO2O2N2C2H4OH2O分子量28.05444.01031.99928.01344.05418.015(2)反应部分的基础计算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，计算结果列于下表中。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： (1) 副反应： (2)已知乙烯转化率为20，选择性为66，按年产13400吨环氧乙烷计算，考虑过程损失后每小时生产环氧
