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1、年产l.5万吨环氧乙烷的固定床反应器设计年产l.5万吨环氧乙烷的固定床反应器设计目录摘 要2Abstract2第一章 概述3第二章 环氧乙烷的性质52.1 物理性质52.2 化学性质6第三章 设计方案的确定83.1 环氧乙烷的生产方法的确定83.2 催化剂的选择93.3 环氧乙烷生产工艺条件的确定93.3.1 反应温度93.3.2 反应压力93.3.3 空速103.3.4 原料配比和循环比103.3.5 抑制剂113.3.6 稳定剂的选择113.4 环氧乙烷生产的工艺流程113.4.1 工艺流程概述11第四章 工艺计算154.1 设计条件154.1.1 反应原理154.1.2 原料组成154.
2、1.3 反应器条件164.2 物料衡算164.3 热量衡算19第五章 反应器的设计245.1 催化剂的用量245.2 确定氧化反应器的基本尺寸265.3 床层压力降的计算275.4 传热面积的核算285.4.1 床层对壁面的给热系数的计算285.4.2 总传热系数的计算285.4.3 传热面积的核算295.5 反应器塔径的确定30第六章 结论32参考文献33致谢34摘 要综述了环氧乙烷的性质、用途及生产方法。简介了直接氧化法合成环氧乙烷的方法及反应原理。以年产l.5万吨环氧乙烷的固定床反应器设计为例，介绍固定床反应器工艺计算和结构计算情况。 根据设计条件和要求，通过物料恒算、热量恒算及其他工艺
3、计算设计出年产l.5万吨环氧乙烷的固定床反应器，并确定反应器的选型和尺寸，计算压降，催化剂用量等，设计出符合要求的反应器。关键词 环氧乙烷；固定床反应器；物量衡算；能量衡算Abstract The nature use and production methods of Oxirane were simply introduced. Introduced direct oxidation synthesis methods of epoxy ethane and reaction principle.With fixed-bed reactor for producing Oxirane wi
4、th an annual output of 15000 tons as example，the cajculation situations of process of fixed-bed reactor were introduced.In the design，wemainly calculated the process parameter and the size of the oxidized reactor. According to the design conditions and requirements，through constant calculate, heat m
5、aterial constant calculate and other process calculation designed annual l5,000 tons of epoxy ethane fixed-bed reactor, and determined the reactor selection and size, calculate pressure drop, catalyst etc, designed to meet the requirements of the reactor.Keywords Oxirane ,Fixed-bed reactor,material
6、balance, heat balance 第一章 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。环氧乙烷是以乙烯为原料的主要石油化工产品之一。世界乙烯总产量的16用来生产环氧乙烷，环氧乙烷是乙烯工业衍生物中仅次于聚乙烯的第二位重要化工产品。环氧乙烷还是重要的石油化工原料及有机和精细化工产品的中间体，主要用来生产乙二醇。随着精细化工的发展，环氧乙烷已成为精细化工工业不可缺少的一种有机化工原料1。环氧乙烷早期采用氯醇法工艺生产，20世纪20年代初，UCC公司进行了工业化生产，之后公司基于Lefort有关银催化剂的
7、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。50年代末，Shell公司采用近乎纯氧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，经过不断改进，目前较先进的生产方法是用银作催化剂，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烷2-5。环氧乙烷是石油化学工业的重要产品，也是一种基本有机化工原料，用途很多，广泛用于生产乙二醇、非离子表面活性剂、乙醇胺、乙二醇醚溶剂、医药中间体、油田化学品、农药乳化剂等各种精细化学品。环氧乙烷的工业化生产已经有半个多世纪的历史，最早的工业化生产方法是氯醇法，由于其存在腐蚀设备、污染环境和耗氯量大等
8、一系列问题，现在己基本上被淘汰了，取而代之的是直接氧化法。直接氧化法又分为空气氧化法和氧气氧化法，其主要区别在于乙烯的氧化剂各不相同。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
9、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。第二章 环氧乙烷的性质2.1 物理性质表1-1环氧乙烷的主要物理性质 参数名称数值沸点(101.3kPa)， 10.8 熔点(101.3l(Pa)，112.5临界温度，195.8临界压力，Mpa 7.194临界密度，kg/m3 314折射率， 1.3597空气中爆炸极限(101.3kPa)，(体积)下限2.6空气中爆炸极限(101.3kPa)，(体积)上限100燃烧热(25，101.3kea)，kJ/kg 29.6
10、48生成热蒸汽，kJ/mol71.13生成热液体，kJ/mol97.49熔解热，kJ/kg 117.86聚合热，kJ/kg2091汽化热，(10.5)，kJ/kg580.58比热容(35)，kJ/(kg.K) 1.96气相分解热，kJ/kg 1901着火点，K702自燃点，K644表面张力(20)，mN/m24.3热导率(25)，J/(cm.s.K)0.0001239粘度，mPa.S，00.3l粘度，mPa.S，10 0.28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。主要物理性质如表1。2.2 化学性质环氧乙烷的化学
11、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。许多反应产物是重要的有机化工及精细化工产品。(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。分解反应的第一步是环氧乙烷异构成乙醛。环氧乙烷的分解反应还可以被引发，且在一定条件下会在气相中传播，直到瞬时产生爆炸。(2)加成反应环氧乙烷与含有活泼氢原子的化合物，如H20、HX、NH3、RNH2、R2NH、RCOOH、ROH、RSH、HCN等进行加成反应，生产含OH的化合物(其中X为卤素，R
12、为烷基或芳基)。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。 (2-1)该反应为放热反应，热效应为96.3kJ/mol。反应过程不采用催化剂。生成的乙二醇可以与环氧乙烷继续作用生成二甘醇、三甘醇及多甘醇。与醇类反应环氧乙烷与醇反应生成醚，其反应的最终产品是至少含一个羟基的醚。 (2-2)在乙二醇生产中生成部分二甘醇，三甘醇就是环氧乙烷进一步与乙二醇反应的产物。如果进一步反应可以生成分子量更大的化合物。与苯酚反应环氧乙烷与苯酚反应生成苯氧基乙醇。 (2-3)其酯类是香料的定香剂、杀菌剂和驱虫剂。与氨反应环氧乙烷可以与氨反应生成一乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺，这是工业上制造乙醇胺
13、的方法。该反应一般是在高压、较低温度和液相下进行的，三种产品的比例可通过氨与环氧乙烷的摩尔比例来调节，氨过量有利于一乙醇胺的生成。与酸反应环氧乙烷可与有机酸、无机酸反应生成相应的酯。环氧乙烷与硝酸反应最为重要，生成的乙二醇二硝酸酯是能在低温下引爆的炸药。 (2-4)(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。 (2-5)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，
14、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、02S=O、RN=CO、OS=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6。第三章 设计方案的确定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，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
