化工工艺学设计.docx

企麻寿吃HefeiUniversity化工工艺学课程设计题目：3万吨/年乙烯氧化制环氧乙烷反应系系别：化学材料及工程系班级：姓名：学号，队别：队员：2015-01-20教师：日期：目录1概述31.化工工艺设计的意义和主要内容31.LL意义31. i.2,内容4环氧乙烷基础知识和应用51.2.L环氧乙烷物理性质51.2, 2,环氧乙烷化学性质51.2 ,本设计的主要思路及创新点72 .工艺路线设计72. 1.氧化反应73. 2.二氧化碳脱除94. 3.反应过程分析105. 4.催化剂的选择116. 5.反应器及混合器的选择127. 6.工艺流程图123 .物料衡算133.1物性数据133.2设计依据143.3循环系统的物料衡算153.3.L计算依据153, 3.2.混合器164, 3,3.反应器164 .热量衡算225 .乙烯氧化固定床列管反应器计算225J.反应器设备计算245.2 确定氧化反应器的基本尺寸245.3 床层压力降的计算255.4 传热面积的核算265.5 5反应器塔径的确定276 .各组分吸收情况计算296J.环氧乙烷吸收塔296. 2.C02的吸收系统327 .总结32参考文献341概述化工工艺设计的意义和主要内容1.LL意义化工工艺设计是化工过程设计的核心，其目的是在于确定生产过程的工艺条件和相关设备的一系列工程技术问题。化工工艺设计是对产品的生产过程进行研究和规划，分析比较、选择最合适的方法，它包括原料路线和技术路线的选择、工艺流程设计、物料衡算、能量衡算、工艺设备的选型、非标设备的设计、车间平面及立面布置、化工管路设计等。1.1.2*内容工艺设计的依据是经批准的可行性研究报告、总体设计、工程设计合同书及设计基础资料。制定相应的工艺流程，其原则是选择先进可靠的工艺技术路线，进行方案比较，对方案进行优化，确定合理的工艺流程方案，选取合适的工艺设备，在考虑工艺流程方案时，应同时考虑到对废物的综合利用方案和必要的治理措施。进行工艺物料和热量平衡计算、绘制工艺流程图(PFD)、编制工艺设备数据表和公用工程平衡图，确定公用工程、环保的设计原则和排出物治理的基本。化工工艺设计的内容有：根据确定的方案，设计带控制点的工艺流程图；确定设计基准，进行物料衡算和热量衡算；进行设备的工艺计算、选型和实际布置；编制化工工艺设计说明书。在工艺设计的过程中，工艺专业要和外专业互提条件，条件表作为重要的技术文件，是主导专业设计的初步成果，是接受专业的设计依据。1. 2环氧乙烷基础知识和应用1. 2.1.环氧乙烷物理性质环氧乙烷（简称EO）,英文名称epoxyethane,又被称为氧化乙烯，也称恶烷，分子式：CM,分子量：44.05,沸点：10.4,熔点：-112.2,蒸汽压：145.91kPa/20oCo相对密度（水）=1：0.87,相对密度（空气）=1：1.52。在常温下为无色气体，低温时为无色易流动液体，在空气中的爆炸限（体积分数）为2.6%-100%,它易及水、醇、氨、胺、酚、卤化氢、酸及硫醇进行开环反应有乙酹的气味，其蒸气对眼和鼻粘膜有刺激性，有毒。环氧乙烷易自聚，尤其当有铁、酸、碱、醛等杂质或高温下更是如此，自聚时放出大量热，甚至发生爆炸，因此存放环氧乙烷的贮槽必须清洁，并保持在0以下。1.2.2. 环氧乙烷化学性质环氧乙烷在一定条件下，可及水、醇、氢卤酸、氨及氨的化合物等发生加成反应，其中及水发生水合反应生成乙二醇，是制备乙二醇的主要方法。当用甲醇、乙醇、丁醇等低级醇及环氧乙烷作用时，分别生成乙二醇一甲暇、乙二醇一乙触、乙二醇一丁®L应用：环氧乙烷可杀灭细菌（及其内抱子）、霉菌及真菌，因此可用于消毒一些不能耐受高温消毒的物品。环氧乙烷也被广泛用于消毒医疗用品诸如绷带、缝线及手术器具。环氧乙烷有杀菌作用，对金属不腐蚀，无残留气味，因此可用材料的气体杀菌剂。主要用于制造其他各种溶剂（如溶纤剂等），稀释剂,非离子型表面活性剂,合成洗涤剂、抗冻剂、消毒剂、增韧剂和增塑剂等。及纤维素发生羟乙基化可合成得水溶性树脂（其环氧乙烷含量约75%）。还可用作熏蒸剂、涂料增稠剂、乳化剂、胶黏剂和纸张上浆剂等。通常采用环氧乙烷-二氧化碳（两者之比为90：10）或环氧乙烷-二氯二氟甲烷的混合物，主要用于医院和精密仪器的消毒。环氧乙烷用熏蒸剂常用于粮食、食物的保藏。例如，干蛋粉的贮藏中常因受细菌的作用而分解，用环氧乙烷熏蒸处理，可防止变质，而蛋粉的化学成分，包括氨基酸等都不受影响。环氧乙烷易及酸作用，因此可作为抗酸剂添加于某些物质中，从而降低这些物质的酸度或者使用其长期不产生酸性。例如，在生产氯化丁基橡胶时，异丁烯及异戊二烯共聚物的溶液在氯化前如果加入环氧乙烷，则成品即可完全不用碱洗和水洗。由于环氧乙烷易燃及在空气中有广阔的爆炸浓度范围，它有时被用作燃料气化爆弹的燃料成份。环氧乙烷自动分解时能产生巨大能量，可以作为火箭和喷气推进器的动力，一般是采用硝基甲烷和环氧乙烷的混合物（60：40-95：5）o这种混合燃料燃烧性能好，凝固点低，性质比较稳定，不易引爆。总的来说，环氧乙烷的上述这等直接用途消费量很少，环氧乙烷作为乙烯工业衍生物仅次于聚乙烯，为第二位的重要产品。其重要性主要是以其为原料生产的系列产品。由环氧乙烷衍生的下游产品的种类远比各种乙烯衍生物多。环氧乙烷的毒性为乙二醇的27倍，及氨的毒性相仿。在体内形成甲醛、乙二醇和乙二酸，对中枢神经系统起麻醉作用，对粘膜有刺激作用，对细胞原浆有毒害作用。大部分的环氧乙烷被用于制造其它化学品，主要是乙二醇。乙二醇主要的最终用途是生产聚酯聚合物，也被用作汽车冷却剂及防冻剂。其次用于生产乙氧基化合物、乙醇胺、乙二醇雁、亚乙基胺、二甘醇、三甘醇、多甘醇、羟乙基纤维素、氯化胆碱、乙二醛、乙烯碳酸酯等下游产品。1.3.本设计的主要思路及创新点本设计采用银作催化剂氧气直接氧化法，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系统。2.工艺路线设计2.1. 氧化反应乙烯氧化过程，按氧化程度可分为选择氧化（部分氧化）和深度氧化（完全氧化）两种情况，乙烯分子中碳碳双键C=C具有突出的反应活性，在一定条件下可实现碳碳双键选择性氧化，生成环氧乙烷。但在通常的氧化条件下，乙烯的分子骨架容易被破坏，而发生深度氧化生成二氧化碳和水。为使乙烯氧化反应尽可能的约束在生成目的产物一环氧乙烷的方向上，目前工业上乙烯直接氧化生成EO的最佳催化剂均采用银催化剂。在银催化剂作用下的反应方程式如下：CH2-CH2G%+-Q1>/-101kJ/mol(1)另外，乙烯直接氧化还有副产物生成，其中C02和水最多。实验已证明这些副产物以两条不同的路线生成的。首先，乙烯直接氧化生成C02和水并伴随着许多寿命极短的部分氧化中间产物：C2H4+3022C02+2H20-1308.28kJmol这一反应用氯化物来加以抑制，该氯化物为催化剂抑制剂即1,2-二氯乙烷(EDC),EO自身有也一定的阻止进一步氧化的能力。C2H4+%Q一CH、CHoCGH&+O.?>2CH?C(4)在反应过程中如有碱金属或碱土金属存在时，将催化这一反应。C02还由EO氧化而得，这时它首先被异构为乙醛，然后很快被氧化为C0?和H2O0反应速度由EO异构化控制。C2H4OCH3O-CHOCHyCHO+%Q一2CQ+2H2O反应器副产物中除C0?和H2O以外还有微量的乙醛和甲醛。它们在精制单元中从EO和EG中分离掉，以上氧化反应均是放热反应。2. 2.二氧化碳脱除本装置采用碳酸盐溶液吸收CO2,以脱除氧化反应的副产物CO2,此吸收为化学吸收：K2C0;t+CO2+H2O-*2KHCO；t+26.166kJmol(7)应分五步进行：HnO=H+OHK2CO3=CO32-+2K+(9)H+COs2=HCO3-(10)K+HCO；=KHCO3)CO,+OH=HCO-(12)速度由第五步控制，在接近大气压下，用蒸汽汽提富碳酸盐液,将C(从系统中解析出来，排至大气：KHCo3KW+CO?十HQ(13)环氧乙烷(简称E0)是最简单也是最重要的环氧化合物，在常温下为气体，沸点10.5oCo可以及水、醇、雁及大多数有机溶剂以任意比混合。有毒，易自聚，尤其当有铁，酸，碱，醛等杂质或高温下更是如此，自聚时放出大量热，甚至发生爆炸，因此存放环氧乙烷的贮槽必须清洁，并保持在0以下。2. 3.反应过程分析应方程式如下:工业上生产环氧乙烷的方法是乙烯直接氧化法，在银催化剂上乙烯用空气或纯氧氧化。乙烯在Ag/口一Al催化剂存在下直接氧化制取环氧乙烷的工艺，可用空气氧化也可以用氧气氧化，氧气氧化法虽然安全性不如空气氧化法好，但氧气氧化法选择性较好，乙烯单耗较低，催化剂的生产能力较大，故大规模生产采用氧气氧化法。主要反主反应CH,=C+Qf>CH,-CH1（气N/O%st=-103.4kJmolW%tl=-107.2kJmol副反应CH2=CH2+3O1>2CO1+2HQ（气）Hm=-1324.6kJmolIJK=-1324*6kJmol由乙烯环氧化反应的动力学可知，乙烯完全氧化生成二氧化碳和水，该反应是强放热反应，其反应热效应要比乙烯环氧化反应大十多倍。故副反应的发生不仅使环氧乙烷的选择性降低，而且对反映热效应也有很大的影响。选择性下降，热效应就明显增加，如选择性下降移热慢，反应温度就会迅速上升，甚至产生飞温。所以反应过程中选择性的控制十分重要。2.2. 催化剂的选择环氧化法生产环氧乙烷是一个强放热放应，为减少深度氧化的副反应，提高选择性，催化剂的选择非常重要。研究表明，只有在银催化剂催化下乙烯的环氧化反应才有较高的选择性。工业上使用的银催化剂是由活性组分，载体和助催化剂所组成。载体载体的主要功能是分散活性组分和防止银微晶的半熔和烧结，使其活性保持稳定。由于乙烯环氧化过程存在平行副反应和连串副反应的竞争，又是一强放热反应，故载体的表面结构及其导热性能,对反应的选择性和催化剂颗粒内部温度的分布有显著的影响。载体表面积大，活性比表面积大，催化剂活性高但也有利于乙烯完全氧化反应的发生，甚至生成的环氧乙烷很少。载体如有空隙，由于反应物在细空隙中的扩散速度慢，产物环氧乙烷在空隙中浓度比主体浓度高，有利于连串副反应地进行。工业上为了控制反应速度和选择性，均采用低比表面积无孔隙或粗空隙惰性物质作为载体，并要求有较好的导热性能和较高的热稳定性。工业上常用的载体有碳化硅，Q一氧化铝和含有少量氧化硅的一氧化铝等。助催化剂所采用的助催化剂有碱金属类，碱土金属类和稀土元素化合物等。碱土金属类中，用得最广泛的是领盐。在银催化剂中加入少量领盐，可增加催化剂的抗熔结能力，有利于提高催化剂的稳定性，延长其寿命，并可提高活性。据研究两种或两种以上的助催化剂起到协同作用，可提高选择性。抑制剂在银催化剂中加入少量硒确氯溟等对抑制二氧化碳的生成，提高环氧乙烷的选择性有较好的效果。工业上常在原料气中添加微量有机氯如二氯乙烷，以提高催化剂的选择性，调节温度。2. 5.反应器及混合器的选择在配制混合气时，由于纯氧加入到循环气和乙烯的混合气中去，必须使氧和循环气迅速混合达到安全组成，如果混合不好很可能形成氧浓度局部超过极限浓度，进入热交换器时易引起爆炸危险。为此，混和器的设计极为重要，工业上是借多空喷射器对着混和气流的下游将氧高速度喷射到循环气和乙烯的混合气中，使他们迅速进行均匀混合。为了确保安全，需要用自动分析检测仪监视，并配制自动报警连锁切断系统，热交换器安装需要有防爆措施。3. 6.工艺流程图1 .环氧乙烷反应器2热交换器3.气体混合器4.环氧乙烷吸收塔5.C02吸收塔6.C02吸收液再生塔7.解吸塔8.再吸收塔9.脱气塔10精循塔11.环氧乙烷贮罐3.物料衡算3.1 物性数据表3.1物性数据表组分子式分子量常压沸点七号分氮N2-195.气28.01348MAr39,-185,气948087氧。231.-182.气998898甲CH：16.-162.烷042315乙C2H128.-103.烯053071I乙CzH.30.-88,6烷0688二CO244.-78,4氧碳00955II环氧烷C2H4044.052410.4I乙醛CH3CHO44.052420.40水H2O18.01521001乙二醇C2H6。262.0676197.34. 2设计依据1 .设计任务：年产3万吨环氧乙烷2 .高纯Eo收率:30%3 .乙烯单程转化率：10%5. EO的选择性:80%6. 二氧化碳的选择性：20%7. Eo吸收率:99.6%8. 排空气体比率：0.18%9. 以单位时间小时作为基准3.3循环系统的物料衡算3.3.L计算依据(1)原料氧气组成(mol%)：N2:0.0100Ar：0.2000O2:99.8000(2)原料乙烯组成(Inc)I%)：CW4:0.0500C2H4:99.8500C2W6:0.1000(3)原料甲烷组成(mol%)：N2:2.0000CH4:96.9000C2H4:0.5000Ca:0.6000(4)环氧乙烷吸收塔吸收液气比：2.00(5)二氧化碳吸收率：18.0%(6)符号说明：进料：F2-乙烯进料；Fl-氧气进料；F3-甲烷进料；F-混合器物料；ME-反应器物料；RE-排放物料；W-排放物产；R-循环物料(7)乙烯催化氧化制取环氧乙烷得物料衡算框图FF-新鲜原料气；MF-原料混合气；RP-反应混合气；S-混合分离气;RC-循环气：P-产品环氧乙烷；W-排空废气；SPC-未脱除二氧化碳的循环气；TC-脱除的二氧化碳；SRC-脱除二氧化碳的循环气3.3.2.混合器(1)循环气体的温度：79.00压力1.76MPa混合气出料温度:76. OOC压力1.76MPa进料气体被EO反应产品气体从78C加热到152,而产品气体从202C被冷却到138。(2)环氧乙烷吸收塔吸收率(%)：氮气：0.0050氨气：0.0010氧气：0.010甲烷：0.0100乙烯：0.0500乙烷：0.0020二氧化碳：1.3000环氧乙烷：99.6000水：65.2940乙二醇：100.0000(3)计算过程1)计算新鲜乙烯原料中乙烯量=220. 2620kmolh计划任务XlooooXIOoO开工率X44.0524X合成收率新鲜乙烯原料中甲烷的量=2202620X005%=0J103kmoFh99.85%新鲜乙烯原料中乙烷的量=220262°Xool%=0022映机。"99.85%新鲜乙烯原料的量=新鲜乙烯原料中乙烯量+新鲜乙烯原料中甲烷的量+新鲜乙烯原料中乙烷的量即：F2=220.2620+0.1103+0.0221=220.3944kmolh设：反应器的进料量为MF(kmol/h):新鲜甲烷原料量为F3：针对混合器列乙烯和甲烷的物料衡算方程，得：MFX30%=MFX30%X(110%)X(10.0005)×(1-%0.0018)+220.2620+F3X0.5MFX50%=MFX50%X(1-0.0001)×(1-0.0018)+0.1103+F3×96.9%(2)由(1)(2)两式联立可得MF=9268.1471F3=12.24632)设循环气中环氧乙烷的量为&。：反应器中的环氧乙烷的量为MFtt,;环氧乙烷的摩尔分率为力。；针对混合器列环氧乙烷的物料衡算方程，得：循环气中得环氧乙烷的量:反应器中的环氧乙烷的量；RFQ=MFEO=MFXyFO(3)反应器中环氧乙烷的量：MFEO=MFXyo+MFX先园x0.1X80%X(l-0.996)×(1-0.0018)(4)由以上两式得-MFX%。_0.1X0.8X(I-0.996)X(I-0.0018)MEXyCM一l-(l-0996)×(l-0.0018)解得:)eo=00°013)设：新鲜氧气原料的量为R(kmol/h)；针对混合器列氧气的物料衡算方程，得：反应器进料中的氧气量=新鲜氧气原料中的氧气量+循环气中的氧气量MEXyos=FXy,+R×ya循环气中的氧气量=反应器中的氧气量-反应消耗的氧气量-氧气的吸收量-氧气的排放量RXy02=MFXyo2-MFXy.×0.l×0.8×0.5MF×yC2H4×0.l×0.2X3X(1-0.0001)X(1-0.0018)即：R×8.32%=F1X99.8%+MFX8.32%MFX30%×0.l×0.8×0.5-MF×30%×0.l×0.2×3×(1-0.0001)X(1-0.0018)解得：F1=252.1495kmolh4)设：环氧乙烷吸收塔吸收的二氧化碳的吸收率为0；二氧化碳吸收解析塔二氧化碳的吸收率为g。针对混合器列二氧化碳的物料衡算方程，得：反应器中的二氧化碳的量:新鲜甲烷进料中的二氧化碳的量+循环气中的二氧化碳的量：MF×y)2=/×yco+R×yg¾«R×y,co2=MF×yto2+MF×yc2tl×0.1×0.2×2×(1-a®,)×(1-0.0018)X(1-a映)即：MFXyeO2=F3XO.6%+MF×yaj2+MF×30%XO.1XO.2X2X(1-0.013)X(I-0,00i8)×(1-0.18)解得：=0.05005)设：新鲜乙烯原料量为a；乙烷的吸收率为与此，针对混合器列乙烷的物料衡算方程，得：反应器中的乙烷的量=新鲜乙烯原料中的乙烷的量+循环气中的乙烷的量：MFXyG儿=与XyG4+"XyG也循环气中的乙烷的量=MfXyeM×(l-)×(l-018)即:MF×yc,wr=520.2138×0.1%+MF×jyc6×(1-0.002)×(l-0.18)解得：c2W6-0.01756)设：氮气的吸收率为、,；针对混合器列氮气的物料衡算方程，得：反应器中的氮气的量=新鲜氧气原料中的氮气的量+新鲜甲烷原料中的氮气的量+循环气中的氮气的量：MFX叫=耳X>K+弓r%+×>,循环气中氮气的量=MFXNn,×(1-,)x(1-0.0018)即MFXyM=509.9414×0.005%+16.38802%+MFX%、X(I-00005)x(1-0.0018)解得：2=0.01187)设：瀛气的吸收率为,%;针对混合器列氨气的物料衡算方程，得：反应器中的氢气的量=新鲜氧气原料中的氨气的量+循环气中的氨气的量MF×yAr=Fl×yr+R×yr循环气中的氢气的量=M尸XyArX(I-)Xa-0.0018)即：MpXyAr=509.9414×0.195%+F×yAr×(1-0.00001)×(1-0.0018)解得：以广0.03238)设：水的吸收率为勾户；循环气中水的摩尔分率为y"w，针对混合器列水的物料衡算方程，得：循环气中的水的量=反应器中的水的量+反应生成的水的量R×yH2O=MF×yHO÷MF×yCH×O.l×O.198×l×(l-a。)×(1-0.0018)反应器中水的摩尔分率：y%o=l-yfc11i-Jc2W4y°2-yc2c2w6-丁、-yAryE0=1-0.5-0.3-0.0832-0.05-0.0168-0.0112-0.0323-0.0001=0.0063又有：+F2+F3+R=MF,即R=MF-F-F2-F3得：R-6178.7647-252.1495-146.9295-8.1642=8657.2823kmolh即：R×yH2o=MF×0.0063+FX0.3X0.1X0.198X2X(1-0.64926)×(1-0.0018)得：yh2o=0.00683.3.3.反应器（1）反应温度为243C,压力为1.60MPa,反应物料由塔顶加入。（2）计算过程（y表示MF中各个组分的摩尔分率）1）反应器出口的乙烯的量:MFXyC网X（I-乙烯的单程转化率）=8414.4025×0.3X（1-10%）=2271.8887kmol/h2）反应器出口环氧乙烷=MFXyG",乙烯的单程转化率X环氧乙烷的选择性=8414.4025X0.3X10%X80%=201.9457kmol/h3）反应器出口二氧化碳=MFXy4X乙烯的单程转化率X二氧化碳的选择性X2+MFXyro2=8414.4025X0.3X10%X20%×2+8414.4025X8.32%=520.6833kmol/h4）反应器出口水量（反应中每生成一摩尔的二氧化碳同时生成一摩尔的水）所以：反应器出口=""X%箱+M"XTc,w4x乙烯单程转化率X二氧化碳选择性X2=8414.4025X0.0063+8414.4025X0.3X10%X20%X2=244.8591kmol/h5）反应器出口氧气量（混合器中氧气量-生成环氧乙烷消耗的氧气量-生成乙醛消耗氧气量-生成二氧化碳消耗的水量)即：反应器出口水量=MFXyo-MFXyC,从X乙烯单程转化率X环氧乙烷选择性X0.5MFX%HX乙烯单程转化率X二氧化碳择性X3=8414.4025X0.0832-8414.4025×0.3×10%×80%×0.5-8414.4025×0.3×10%×20%×3=448.9084kmol/h6)反应器出口氮气，氢气，甲烷，乙烷的量因为在反应器中这些物料没有发生变化，所以其量等于进口的量即：氮气=99.1063kmol/h氨气二271.7852kmol/h甲烷=295407.2013kmolh乙烷=147.2524kmolh4 .热量衡算(1)原料气带入的热量Ql原料气的入口温度为423.15K,以273.15K为基准温度，则QIWm-AXkJh)(4-4)计算结果列于表4-2中表4-1原料气带入的热量molK)G%92. 28450. 03403. 1380仇46.89000.05602.6265CO266.7140.07705.1375N44.6070.833037.158合计1.000045.0600由计算结果可知2=心NCPit入(4-5)由公式4-5可得Ql=I2621.60375X30.040×(483.15-273.15)-4.155×107kJh(2)反应热Qz在操作条件下，主副反应的热效应分别为主反应：C2H4+-O,C2H4O+25.19kJmol(4-6)副反应：C2W4+3O2ICO2+2W2O+315.9kJmol(4-7)则主反应的放的热量为：C21=223.5651×0.2x0.66×25.I9×103×4.I886=3.1137×IO6JlJ/A副反应的放热量为：Qi=223.5651×0.2×0.34×315.9×103×4.1886=2.0115×107总反应热为：02=02+Q22=(3.1137+2().115()×IO6=2.3229×01kJ/h(3)氧化气带出的热量5氧化气出口温度为507.15K,以273.15K为基准温度，则21-(4-)(kJ(4-8)q=aj%(49)由公式4-7可得Q=4373.8786×30.912×234=5.0724×107kJh(4)反应器的散热量Q1Q1+Q2=Q3+Q4(4-10)可得反应器散热量Q1=Q,+Q2-Q，=(4.155+2.3229一5.0724)X107=l.4055×107kJh5 .乙烯氧化固定床列管反应器计算5.1. 反应器设备计算在物料衡算和热量衡算的基础上，可以对反应部分主要设备的工艺参数进行优化计算。这一部分主要是反应器的工艺参数优化。设计生产能力：3万吨/年；生产过程安全系数：1.04；本设计采用一台反应器进行反应。已知：(1)每小时输入的原料气量总为12621.6038kmol/h；(2)以银为催化剂，颗粒为球形，d=5mm,空隙率£=0.48；(3)反应温度为234C,操作压力为1.6MPa,空速为4000/h；(4)反应器列管规格为44.9×3mm;(5)反应热用水带走，导出水进口温度210,导出水温度220C；(6)原料气进口温度为150C,氧化气出口温度为234。(7)计算催化剂床层体积进入反应器的气体总流量为12621.6038kmolh给定空速为4000/h12621.60322.44000= 51.9515/5. 2确定氧化反应器的基本尺寸对于列管式固定床反应器，首先应根据传热要求选定选择44 .9×3mm的不锈钢管作为反应器的反应管规格四，再求出反应管根数n反应管内径:di=44.9-3×2=38.9mm=0.0389m反应管根数nn=(5-10)-d2l-H土乙44=4091由公式(5TO)可得×O.O3892×10.69根4经圆整可得，反应管根数为4091根。45 3床层压力降的计算可查得如下计算公式:P G / Pgdp1-£ 1J50(l £)*+ 1.75G(5-11)式中便一床层压力降，kgm2；H-催化剂床层高度，m：G-质量流速，kgmj.s；q一气体密度，kg/11Ag-重力加速度，m/s；£固定床空隙率；4，一催化剂颗粒当量直径，m:"一气体粘度，Pa，S或(kg/ms)；本次设计所选用的催化剂为d:5mm的球型，计算其直径为d=0.005m=4.26×105Pas>=7.17kgm3由式5T1得AP =57.997.17×9.8×0.005"W 需"+35W=37390.08kgm2=0.374OMPa5 .4传热面积的核算对数平均温差公式为(5-1)导入温度导出温度原料入口温度反应出口温度温度七210220150234换热介质采用逆流，则由5-1得(234-210)-(220-210),234-210In220-150=22.41K又(5-13)则有/8.9544×IO6XIO3/23600x298.82x22.41=185.7164m2乂&=dLn(5-14)则有=3.14×0.032×9X631.54=570.2934m2可知AQA需，即实际传热面积大于按传热计算所需的传热面积,所以设计符合要求。5.5反应器塔径的确定查得塔经的计算公式侬3：D=t(nc-)+2h(5-15)式中D壳体内径，m；t-管中心距，m:几一横过管中心线的管数；5一管束中心线最外层管的中心至壳体内壁的距离r=1.368%=1368X0.0389=0.0530m;一般取6=(11.5)4,取5=1.34=1.3x0.0389=0.0506Om横过管中心线的管数为11c=l.Vn(5-16)由公式5T6,可得&=Lb同雨=703590h7U所以，由公式5-15可得力=O.O532(7O-l)+20.0506=3.772m本反应器取最小壁厚为20mm,故外径为D=3772+27.5x2=3827mm。故取反应器外径为3827mm05-2氧化反应器的参数名称数据原料进料量，kmol/h8414.4025产品产量，吨/年30000原料进口温度，150氧化气出口温度，C234水进口温度，e210水出口温度，220氧化反应器台数，台1氧化反应器直径，mm3827列管根数，根4091列管尺寸，mm38.9X3氧化反应器高度，mm12190换热面积，m2570.29346 .各组分吸收情况计算6.1. 环氧乙烷吸收塔(1)该塔用纯水作为吸收剂，吸收塔的温度为47,压力为1. 45MPa。(2)各组分的吸收率(%)：氮气：0.0050氨气：0.0010氧气：0.0100甲烷：0.0100乙烯：0.0500乙烷：0.0020二氧化碳：1.3000环氧乙烷：99.6000水：65.2940(3) Eo吸收塔吸收液汽比=2.0(4)计算过程(y表示RF中的摩尔分率，为吸收率)1)气体中各个组分的量a)出口环氧乙烷的量=进入吸收塔的环氧乙烷量X(I-环氧乙烷的吸收率)-RFeoX(1E0)=223.55055×(1-99.6%)=0.8942kmol/hb)出口乙烯的量=进入吸收塔的乙烯的量X(I-乙烯的吸收率)-RFcaiMQX(1。C2W40)=3596.9021×(1-0.05%)=3417.0570kmolhC)出口的二氧化碳的量=进入吸收塔的二氧化碳的量X(I-二氧化碳的吸收率)=RFCo2X(1c02)=846.9705X(1-1.30%)=770.8716kmol/hd)出口的氧气的量:进入吸收塔的氧气的量×(1-氧气的吸收率)=RFfaX(1。02)=680.5901×(1-0.01%)=673.2953kmol/he)出口的甲烷的量=进入吸收塔的甲烷的量×(1-甲烷的吸收率)=RFaMX(1CH4)=680.2076×(1-0.01%)=680.1396kmol/hf)出口的乙烷的量=进入吸收塔的乙烷的量X(I-乙烷的吸收率)=RFC2H4X(1aC2H4)=224.0056×(1-0.002%)=220.4716kmolhg)出口的氮气的量=进入吸收塔的氮气的量X(I-氮气的吸收率)=RFX2×(1一aJ=150.6738×(1-0.005%)=148.6519kmol/hh)出口的水蒸气的量=进入吸收塔的水蒸气的量X(I-水蒸气的吸收率)-RFh2qX(1a120)=168.6381×(1-65.294%)=127.4738kmol/h2)吸收剂的用量H(采用纯水做吸收剂)EO吸收塔吸收液汽比L/V=2.0塔内气体的平均流率V=进料量+塔顶气体量2塔内液体的平均流率L=吸收剂量H+（吸收剂量H+被吸收的量）2即：吸收剂的用量=（进料量+塔顶出口气体量）X液气比-被吸收的量/2得：吸收剂用量H=L（6110.5386+5882.1639）×3-（6110.5386-588.1479）×1.5/2解得:H=23277.7726kmol/h3）富液中各个组分的量a）环氧乙烷的量:进入吸收塔环氧乙烷量X环氧乙烷的吸收率=RFeo×CIEO=223.5566X99.6%=222.6564kmolhb）乙烯的量=进入吸收塔的乙烯的量乙烯的吸收率=RFC2H4XC2H4O=3596.9021X0.05%=0.2985ktolhC）二氧化碳的量=进入吸收塔的二氧化磷的量X二氧化碳的吸收率=RFCQ2XaCCe=846.9989X1.30%-11.0111kmolhd）氧气的量=进入吸收塔的氧气的量氧气的吸收率=RFO2X°?=494.9501X0.01%=0.0495kmolhe）甲烷的量=进入吸收塔的甲烷的展甲烷的吸收率=RFaMX4=680.2076X0.01%=0.06795kmol/hf）乙烷的量=进入吸收塔的乙烷的展乙烷的吸收率=RFC2H4X。C2H4=224.0057×0.002%=0.0045kmol/hg）氮气的量=进入吸收塔的氮气的量氮气的吸收率=RFX2XaN2=419.9330×0.005%=0.0210kmol/hh）水蒸气的量:进入吸收塔中吸收的水的量-吸收塔出口的水的量+吸收剂的用量=¾fj-160.7979+H=168.6381-160.7979+23272.727-23285.6244kmol/h6.2.CO2的吸收系统（I）CO2的吸收解吸过程为化学吸收，为使吸收快速进行，将原料气在进行预加热。Eo富吸收液经过预热到103后进入EO解吸塔顶部。(2)二氧化碳的吸收率=018(3)计算过程1)被吸收的物料的量=进料量X吸收率二氧化碳的吸收量=二氧化碳的进料量X二氧化碳的吸收率546.2541×0.18=98.3258kmol/h注：其他组分没有被吸收2)二氧化碳吸收系统中循环物料量=进料量-被吸收的量循环物料中二氧化碳的量=546.2541-98.3258=447.9283kmol/h注：由于其他组分未被吸收，所以循环物料中其他组分的量等于其进料量7总结本设计主要对环氧乙烷的氧化反应器进行了工艺和设备的参数进行计算为环氧乙烷装置的工艺设计提供参考。由于水平有限，设计中难免存在问题。本设计采用的主要思路和理论知识符合现代化工生产的最优原则，对于年产3万吨的设计比较符合实际，可靠，可行。通过化工工艺学课程设计，使学生能够综合运用本课程和前修课