年产6万吨环氧乙烷的固定床反应器设计徐凯终极版Word下载.docx

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Abstract

Thiscourseisdesignedtocompletethetaskofproducing60,000tonsofethyleneoxidefixedbedreactordesign.Productionprocessusesethyleneoxideoxygenoxidationmethod.Accordingtotheknowndesignconditions,usingAspenplussoftwaretosimulatetheoxidationofethyleneoxidereactorprocessformaterialbalanceandheatbalanceanddeterminethestructureofafixedbedreactoranddimensions,usingcomputergraphicssoftwaretodrawtheAUTOCADreactorequipmentassemblydrawings.Thedesignofthereactorshellinnerdiameterof1.6m,andtubenumber7,595,tubesize25×

6000,catalystpackedheight5700mm,thecatalystisasphere,D=5mm,thebedporosityof0.5,thereactorthecatalystfillingheightis95%ofthetubelength,eachtubelength6m.Heattransfermethodusingindirectheat,theactualreactorheattransferarea3577.245㎡,greaterthanthetheoreticalheattransferarea,tocompletetheappropriatechemicalproductionrequirements,isconsistentwiththedesignstandardsofdesignsolutions.

Keywords:

Ethyleneoxide,Fixed-bedreactor,materialbalance,heatbalance

第1章概述

环氧乙烷又名氧化乙烯（EthyleneOxide），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2章环氧乙烷的性质和用途

2.1环氧乙烷的性质

2.1.1物理性质

表2.1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

29.648

生成热蒸汽，kJ/mol

71.13

生成热液体，kJ/mol

97.49

熔解热，kJ/kg

117.86

聚合热，kJ/kg

2091

汽化热，（10.5℃），kJ/kg

580.58

比热容（35℃），kJ/（kg.K）

1.96

气相分解热，kJ/kg

1901

着火点，K

702

自燃点，K

644

表面张力（20℃），mN/m

24.3

热导率（25℃），J/（cm.s.K）

0.0001239

粘度，mPa.S，0℃

0.3l

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。

2.1.2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。

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为烷基或芳基）。

①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。

②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。

③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。

④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。

⑤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）

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。

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，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。

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。

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。

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]。

2.2环氧乙烷的发展

全球来看，环氧乙烷主要用作化学中间体，它主要消费于乙二醇，全球环氧乙烷产量的60%都转变为乙二醇，乙二醇可进一步加工成聚酯纤维和树脂。

另外，乙二醇用作防冻剂配方成分。

有13%的环氧乙烷用于制造其它二醇类（如聚乙二醇、二甘醇和三甘醇等）。

环氧乙烷的第二大销量是用于洗涤剂的乙氧基化物产品。

其它环氧乙烷的衍生产品有乙醇胺、溶剂，乙二醇醚类等。

环氧乙烷也用作熏蒸消毒杀虫剂、杀菌剂以及医疗器械的消毒剂[1]。

环氧乙烷（EO）是一种重要的石化产品，有机合成原料，是乙烯工程的重要下游产品之一，用途广泛，主要用于生产乙二醇，还可以衍生出几十种重要的精细石油化工中间体，广泛应用于洗染、电子、医药、农药、纺织、造纸、汽车、石油开采与炼制等众多领域，近年来消费增长迅速，。

1989年世界EO生产能力为895万吨/年，1992年为988万吨/年，1995年增加到1032万吨/年，预计到2000年将达到1420万吨/年。

我国目前已建成投产的12套大型EO装置，总生产能力为87.5万吨/年，占全国总生产能力91.35%，到2000年EO生产能力将达到108万吨/年。

近年来世界EO用于乙二醇（EO）生产的比例逐年下降，用于开发生产精细化学品的比例有所上升。

日本触媒化学公司50%的EO用来生产精细化学品。

目前全世界只有65%EO用来生产乙二醇，35%用来生产精细化学品。

我国EO主要用于生产乙二醇，占总消费的78%左右，作为其它的化工利用约占22%。

我国高附加值、高技术的EO系