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1、工艺计算更改数据2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1.5万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与结构计算情况。根据设计条件与要求，通过物料恒算、热量恒算及其他工艺计算设计出年产1.5万吨环氧乙烷的固定床反应器，并确定反应器的选型与尺寸，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AbstractThenatureuseandproductionmethodsofOxiraneweresimplyintroduced.Introduceddirectoxidat
2、ionsynthesismethodsofepoxyethaneandreactionprinciple.Withfixed-bedreactorforproducingOxiranewithanannualoutputof15000tonsasexample,theCajculationsituationsofprocessoffixed-bedreactorwereintroduced.Inthedesign,wemainlycalculatedtheprocessparameterandthesizeoftheoxidizedreactor.Accordingtothedesigncon
3、ditionsandrequirements,throughconstantcalculate,heatmaterialconstantcalculateandotherprocesscalculationdesignedannual15,000tonsofepoxyethanefixed-bedreactor,anddeterminedthereactorselectionandsize,calculatepressuredrop,catalystetc,designedtomeettherequirementsofthereactor.KeywordsOxirane,Fixed-bedre
4、actor,materialbalance,heatbalance第一章概述本设计使用乙块法，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氯乙烯的要紧物理性质参数名称数值沸点(101.3kPa),-13.9熔点(101.31(Pa),-159.7临界温度，142临界压力，Mpa5.25空气中爆炸极限(IoL3kPa),%(体积)下限3.633空气中爆炸极限(101.3kPa),%(体积)上限热导率(25),J(cm.s.K)0.0001239氯乙烯为无
5、色、易液化气体在压力下更易爆炸，贮运时务必注意容器的密闭及氮封，并应添加少量阻聚剂。要紧物理性质如表1。2.2化学性质氯乙烯的化学性质非常活泼，能与很多化合物进行反应，其反应要紧是氯乙烯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)催化加氢氯乙烯在钳、钿或者银等金属催化剂的存在下，能够与氢加成二生成烷烧。CH2=CHCUH2CH3CH2Cl(2)加成反应氯乙烯与含有活泼氢原子的化合物，如H2O、HX、NH3、RNH2、R2NHRCOOHROHRSH、HCN等进行力口成反应，生产含一OH的化合物(其中X为卤素，R
6、为烷基或者芳基)。与卤化氢的加成氯乙烯能够与卤化氢再爽检出发生加成作用，生成2.氯乙烷。CH2=CHCl+HClCH3CHCl2与gS。；的加成氯乙烯能够与浓硫酸反应，生成氯乙烷基硫酸。CH2=CHCUH2SO4CH3CHClOSOy与水的加成在通常情况下，由于水中之子浓度太低，水不能直接与氯乙烯加成。但在酸的催化下，水也能够与氯乙烯加成而的醇。CH2=CHCl+H2OCh3CHCIOH与卤素反应氯乙烯容易与氯或者漠发生加成反应。碘通常不与氯乙烯发生反应。氟与氯乙烯的反应太剧烈，往往得到碳链断裂的各类产物，毫无实际意义。CH2=CHCl+Cl2Ch2CICHCI2(3)氧化反应氯乙烯易被氧化。
7、按所用氧化剂与反应条件的不一致，要紧在双键位置上发生反应，得到各类氧化产物。空气氧化催化E工业上，在银或者氧化银催化剂的作用下，氯乙烯可被空气氧化为I-氯环氧乙烷。高镒酸钾氧化稀的高镒酸钾溶液在低温时即可氧化氯乙烯，使在双键位置引入2个顺式的羟基，生成连二醇。CH2=CHCl+MnO4CH2OHCHCIOH假如用酸性高镒酸钾溶液，浓度很高或者者过量太多，则能够使生成的二醇继续氧化，继而生成氯甲酸与二氧化碳。(4)臭氧化反应将含有臭氧的空气与氯乙烯混合，臭氧即与氯乙烯作用，生成臭氧化物。某些臭氧化物在加热的情况下易发生爆炸，但通常能够不经分离而进行下一步水解反应。臭氧化物与水作用即水解为醛或者酮
8、。(5)聚合反应氯乙烯能够在引发剂或者催化剂的作用下，双键断裂而相互加成，得到聚氯乙烯。聚氯乙烯耐酸，耐碱，抗腐蚀，具有良好的电绝缘性，它是目前大量生产的优良高分子材料。第三章设计方案的确定3.1 氯乙烯的生产方法的确定我国生产氯乙烯的方法要紧由下列几种CH2=CH2+CI2CH2CICH2CI二氯乙烷热裂解生成氯乙烯的反应式为：CICH2CH2CICH2=CHCI+HCI反应是强烈的吸热反应，在管式裂解炉中进行，反应温度500550,压力0.61.5MPa；操纵二氯乙烷单程转化率为50%70%,以抑制副反应的进行。要紧副反应为：CH2=CHCIHC三CH+HCICH2=CHCI+HCIfCl
9、CH2CH2CICICH2CH2CI2CH2+2HCICH2=CH2+2HCI+12O2CICH2CH2CI+H2O(2)乙焕法CH三CH+HCI-CH2=CHCI其过程可分为乙快的制取与精制，氯乙烯的合成与产物精制三部分。(3)乙烯直接氯化法这是石油化工进展后以石油为基础开发的生产工艺。此法的最大缺点是伴随反应生成了大量的1,2二氯乙烷，产率较低。CH2=CH2+CI2-CH2=CHCI+HCI(4)乙烯氯化裂解法这是为解决乙烯直接氯化法存在的问题而开发的生产工艺，此法产率高。CH2=CH2+CI2-CH2CICH2CICH2CICH2CICH2=CHCI+HCI乙烯氯化平衡法比较乙烯氯化裂
10、解法与乙烯氧氯化法，能够发现，乙烯氯化裂解法产生氯化氢，乙烯氧氯化法消耗氯化氢。假如将两种方法结合起来,让乙烯氯化裂解法与乙烯氧氯化法的第一步按照一定的比例生产，能够使氯化氢变为中间产物，这是世界上生产氯乙烯的要紧方法。不久的将来，我国的氯乙烯生产将要紧使用这种方法。混合烯焕法本设计使用的是乙快法。3.2 催化剂的选择乙快法生产氯乙烯的关键是催化剂的选择。尽管大多数金属与金属氧化物催化剂都能使乙焕发生加成反应，但是生成氯乙烯的选择性很差。只有银催化剂例外，在氧化汞催化剂上乙快能选择性地与氯化氢加成而得到氯乙烯，该催化剂在选择性、强度、热稳固性与寿命等方面都有一定的特色。3.3 环氯乙烷生产工艺
11、条件的确定氯乙烯的生产受反应温度、反应压力、空间速度与空管线速度、原料配比与循环比等工艺条件的制约。3.3.1 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，使反应温度操纵在适宜范围之内，以期获得较高的收率。乙快与氯化氢反应生成氯乙烯的反应为放热反应，故反应温度的操纵极为关键。在反应初期，应提高温度，加快乙快与氯化氢的反应速度，保证反应的快速进行。当温度提高到一定程度时，为了提高氯乙烯的产率，如今应将低温度。3.3.2 反应压力乙快加成反应过程，主反应是体积减少的反应，副反应是体积不变的反应。因此，使用加压操作有利。因主、副反应基本上都是不可逆反应，故
12、压力对主、副反应的平衡没有太大影响。目前，工业生产上使用加压操作不是出于化学平衡的需要，其目的是提高乙块与氯化氢的分压，加快反应速率，提高反应器单位容积的产率，以强化生产。但应看到，由于提高反应压力，反应速度加快,相应就要提高反应器的换热速率，这样对反应器的结构就提出更高的要求。3.3.3 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（或者11?）催化剂通过的原料气的升（或者?）数来表示。关于乙块加成过程，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，在一定范围内提高空速可提高设备的生产能力。但空速也不宜太高，因此尽管产量提高
13、，然而环氧乙烷在反应气体中的含量很低，造成分离困难，动力消耗增加。空速也不宜太低，因如今尽管转化率增加，但选择性下降，生产能力也下降。另外，空速大小还要根据催化剂的活性及制造方法、反应温度、压力与反应气体的构成等因素而定。3.3.4 原料配比原料中乙焕与氯化氢的配比对反应过程影响很大，其值要紧决定于原料混合气的爆炸极限。在混合气体中乙块的爆炸下限是3.6%,在3.633%的乙焕浓度范围内氯化氢含量不得大于71%。实际生产中一种是选取低氯化氢高乙焕配比,另一种是高氯化氢低乙快配比。本设计乙焕与氯化氢的配比为1:1.Io3.3.5 稳固剂的选择世界上生产氯乙烯的专利很多，使用的致稳剂有：氮气、甲烷
14、、二氧化碳、乙烷等。选择致稳剂需要根据生产安全性、稳固性与经济效益情况来确定。目前世界上环氧乙烷专利商都先后将氮气致稳更新为甲烷致稳。它与氮气致稳相比,不仅增加了生产过程的稳固性与安全性，而且有显著的经济效益。3.4 环瓶乙烷生产的工艺流程氯乙烯生产装置的要紧设备有反应器、汲取塔、反应系统的气-气换热器与循环气冷却器。其设计生产能力为年产8万吨环氯乙烯，设计运转时间为7200小时/年。3.4.1 工艺流程概述第四章工艺计算工艺参数计算包含物料衡算与热量衡算两部分。物料衡算以质量守恒定律为基础，要紧计算所需物料量与产品量，还能够算出物料的构成，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
15、过衡算求得原料的定额消耗。其计算根据是工艺流程图、在工厂采集的数据及设计时要求的与查得的各类参数。热量衡算以能量守恒定律及物料衡算为基础，计算传入、传出的热量，从而确定公用工程的能耗与传热面积。其计算根据与物料衡算相同。4、1反应的设计条件年产量12万吨/年，年工作日：300天（即年工作日7200小时）原料构成（wt%）乙快气（wt%）:C2H2=99,N2=0.97,H2O=0.03氯化氢（wt%）:HCl=99,N2=0.97,H2O=0.03合成反应设计条件：乙燃气/氯化氢=1:1.1,空速40,合成氯乙烯的乙焕转化率：97.6%,生成VC选择性：99%,乙焕转化二氯乙烷的选择性：0.9
16、%。串联转化，一次转化率68%,温度150C,进料温度80,转化后温度110；二次转化率28.6%,温度为140,进料与出料温度设Il（H：,进口水温97C,出口水温102,不急热缺失,导出液对管壁的传热系数为：650Wm2.K催化剂为圆柱状，3rnX6rnm,床层空隙率为O.50.8,反应器内催化剂填充高度为管长的95%,每根管长300Omm,转化器的直径有中2400、3000、3200.4、2反应原理在氯化汞做催化剂，一定温度与101.325kPa下，乙快与氯化氢加成直接合成氯乙烯.反应方程式可表示为：主反应：CH三CH+HClCH2=CHCI+124.8kJmol副反应：CH三CH+2H
17、ClCH2CH2Cl2CH三CH+H2OCHyCHO4、3物料衡算由原料构成（wt%）乙快气（wt%）:C2H2=99,N2=0.97,H2O=0.03氯化氢（wt%）:”67=99,M=0.97,凡。=003得:表41乙快气的构成组分C2H2N”H2O总量mol%0.99060.00900.00041.0000表42氯化氢的构成组分HClH2O总量mol%0.98680.01260.00061.0000反应部分的基础计算由乙快气/氯化氢=1:1.1,以进料气中乙快气为100kmoVh为基准，则氯化氢为IlOkmO1/h。由此易得：表4一3原料混合气的构成组分C2H2HClNiH2O总量kmo
18、l/h99.0600108.5482.2860.106210.0000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：CH三CH+HClCH2=CHCl(1)副反应：CH三CH+2HClCH2CH2Cl2(2)已知一次转化率68%,生成VC选择性：99%,乙快转化二氯乙烷的选择性：0.90%,进入反应器的乙焕量为99.060Okmolh,氯化氢108.548kmolh,氮气2.286kmolh,水0.106kmolh,因此消耗乙快量：99.060068%=67.3608kmolh由反应式有消耗乙快量：99.060068%X99%=66.6872kmolh生成Ve量：66.6872km
19、olh消耗氯化氢量：66.6872kmolh由反应式有消耗乙快量：99.060068%X0.9%=0.6062kmolh消耗氯化氢量：20.6062=1.2125kmolh则可知未反应的乙块量：99.0600-67.3608=31.6992kolh未反应的氯化氢量：108.548-66.68721.2125=40.6483kmolh氮气在反应中不发生反应，因此第一次反应后出口气体中各组分的量如表44所示。表44第一个反应器入口与出口的气体量(kmolh)组分HClN2H2O氯乙烯二氯乙烷入口99.0600108.5482.26080.10600出口31.699240.64832.26080.1
20、0666.68720.6062合成氯乙烯的乙焕转化率：97.6%,生成VC选择性：99%,乙快转化二氯乙烷的选择性：0.9%,进入反应器的乙焕量为99.060OkmOIh,氯化氢108.548kmolh,氮气2.2608kmolh,水0.106kmolh,因此消耗乙烘量：99.060097.6%=96.6826kmolh由反应式有消耗乙快量：99.060097.6%X99%=95.7157kmolh生成VC量：95.7157kmolh消耗氯化氢量：95.7157kmolh由反应式有消耗乙快量：99.060097.6%X0.9%=0.8701kmol/h生成二氯乙烷量：0.870Ikmol/h消
21、耗氯化氢量：20.8701=1.7403kmolh则可知未反应的乙块量：99.0600-96.6826=2.3774kolh未反应的氯化氢量：108.54895.7157-L7403=11.092kmolh出反应器的水蒸汽量：0.106氮气在反应中不发生反应，因此第二个反应器反应后出口气体中各组分的量如表45所示。表45第二个反应器入口与出口的构成构成C2H2HClH2O氯乙烯二氯乙烷入口31.699240.64832.26080.10666.68720.6062出口2.377411.0922.26080.10695.71570.8701实际装置每小时生产的氯乙烯可折算为121077200 6
22、2.5= 266.67匕。/0综上所述，进料气体中乙快气为100kmolh,可生产氯乙烯95.7157kmolh.若要达到266.67kmolh的氯乙烯生产能力，贝!进料气中乙焕气体为266.67*100/95.7157=278.60kmol摩尔流量表而组分QH2HClH2O氯乙烯乙氯烷二总进料278.60305.286.4290.2980.00000.0000590.67转化后89.152114.326.35830.2983185.861.7049397.6935出料6.686231.1956.3580.298266.672.447313.6542质量流量表Zg/力组分C2H2HClN2H2
23、氯乙烯二氯乙烷总进料7243.611142.72180.0125.3640018571.7转化后2317.9524172.68178.03245.369411616.25165.375318455.66出料173.84121138.618178.0245.36416666.88237.35918400.08摩尔流量表“。/%组分C2H2HClN?H2O氯乙烯二氯乙烷总进料0.4716680.5168370.0108840.000505001转化后0.2241730.2874580.0159880.000750.4673450.0042871出料0.0213170.0994570.0202710
24、.000950.8502040.00780214、4反应器的热量衡算设原料气带入的热量为反应器出料带出的热量值,反应热0，反应器的撤走热量0。当忽略热缺失时，有Q+Q=Q+(41)各组分的比热C2H2HClH2O氯乙烯二氯乙烷8047.95529.59829.81175.51060.20984.85811049.28729.38129.24876.19468.34889.129(1)反应器一原料气带入的热量2原料气的入口温度为353.15K,以273.15K为基准温度，则1=nfC7-Xv)(4-2)I计算结果列于表410中。表410原料气带入的热量组分C2H2HClH2O合计CPi47.95
25、529.59829.81175.510Xni0.47170.51690.01090.00051.0000x,Qpi22.6213.2310.3250.037836.2138由计算结果可知Q=NXniCpitx(4-3)由公式4-3可得Q=590.67X36.2138X(353.15-273.15)=1.711x1(/反应热Q在操作条件下，主副反应的热效应分别为主反应：CH三CH+HClCH2=CHCl+6ikcalmol(4一4)副反应：CH三CH+2HClCH3=CHCI/17.9kcalmol(45)则主反应的放热量为：21=590.6768%99%631034.1886=1.051081
26、1z副反应的放热量为：21=590.6768%0.9%X63IO3X4.1886=9.5IO5H/?总反应的放热量为：Q2=21+22=10.5IO79.5IO5=10.595O1kJh转化后气体带出的热量03转化后气体带出的温度为383.15K,以273.15K为基准温度，则Qi=C*出-TJkJlh)(47)/计算结果列于表411中。组分C2H2HCl&H2O氯乙烯二氯乙烷合计CPi49.28729.38129.24876.19468.34889.129Xni0.22420.28750.01610.00070.46730.00431.0000XKPi11.05018.4470.47090.
27、053331.9390.383352.3437由计算结果可知Q=叫CM(48)由公式48可得Q3=397.69X52.3437(383.15-273.15)=2.29IO6V/反应器的撤热量12=34(49)可得反应器的撤热量：。4=9+。2-。3=L711Xm+10.595x1()7-2.29106=10.54107WA(2)反应器二原料气带入的热量2原料气的入口温度为383.15K,以273.15K为基准温度，则Q=E叩*入-TJkJh)(42)计算结果列于表412中。蛆C2H2HClH2O氯乙烯二氯乙烷合计CPi49.28729.38129.24876.19468.34889.129XM
28、0.22420.28750.01610.00070.46730.00431.0000XKPi11.05018.447040.470890.0533431.9390.3832552.3437由计算结果可知Q=NXniCpitx(48)由公式48可Ql=397.6952.3437(383.15-273.15)=2.29106J反应热Q2在操作条件下，主副反应的热效应分别为主反应：CH三CH+HClCH2=CHCl+&kcal/mol(44)副反应：CH三CH+2HClCHi=CHCl1+171.9kcalmol(4一5)则主反应的放热量为：G21=(266.67-187.86)63103x4.18
29、86=2.08x107VA副反应的放热量为：22=(2.447-1.7049)171.9XIO34.1886=5.34105Uh总反应的放热量为：Q2=Q21+Q22=2.08XIO7+5.34IO5=2.1334107Wh转化后气体带出的热量。3转化后气体带出的温度为383.15K,以273.15K为基准温度，则03=%C您-罩W)(47)/计算结果列于表411中。组分C2H2HClN2H2O氯乙烯二氯乙烷合计CPi49.28729.38129.24876.19465.34889.129Xni0.02130.09950.02030.00090.85020.00781.0000XKPi1.04
30、982.923410.593730.0685755.560.695260.89由计算结果可知2=入(48)Q3=313.65460.89(383.15-273.15)=2.1106JA反应器的撤热量Q31+2=34(49)可得反应器的撤热量：Q4=QQ2-Q3=2.29106+2.1334107-2.1IO6=2.1524O1kJh第五章反应器的设计在物料衡算与热量衡算的基础上，能够对反应部分要紧设备的工艺参数进行优化计算。这一部分要紧是反应器的工艺参数优化。5、1催化剂的用量催化剂总体积匕（二）是决定反应器要紧尺寸的基本根据，其计算公式如下所示（由化工设计手册可查）：匕W（51）式中一进料气
31、流量，/力；Sv空速，z,o反应器一（1）进料的体积流量匕立方型状态方程RK用于气体混合物的吃,查化工热力学可知RK方程P= RTav-b TV(V+b)(52)其中(53)p2y2.5=0.42748-PcZ?=0.08664丝(54)Pc方程中参数a与b常使用混合规则:m=(55)=l7=1=JA(56)=l交叉项=(,ay)05(1-kij)(57)其中&=O先求.与2由表51知各物质的心与外代入(53)与(54)计算结果如表52组分3HClH2O氯乙烯二氯乙烷TClK308.3324.6126.2647.3429.7523.15PCiMPu6.1408.3093.39422.055.6
32、035.066表52各组分的q与bi组分C2H2HClH2O氯乙烯二氯乙烷ai8.0326.7511.55814.28520.18536.512瓦3.61688E-052.81403E-052.6784E-052.11459E-055.52425E-057.43857E-05表53组分交叉项的计算组分C2H2HClN2H2O氯乙烯二氯乙烷C2H28.0327.3643.53710.71212.73317.125HCl6.7513.2439.82011.67315.7001.5584.7185.6087.542H2O14.28516.98122.838氯乙烯20.18527.148二氯乙烷36.
33、512由计算结果可知r=X,A，=1r=l=0.476328.032+0.47630.51247.364+0.47630.01()93.537+0.47630.(X)0510.712+0.512426.751+0.51240.01093.243+0.51240.00059.8200.010921.5580.01090.00054.718+0.00052X14.285=5.4336=3i=l=(0.47633.61688+0.51242.81403+0.01092.6784+0.00052.11459)10-5=3.1949105代入式5-2有运用直接迭代法，查化工热力学可知RK方程的直接迭代方
34、程为-K)、(5-8)pTV(Vn+b)v=8.314x353.153,1949):10-5.4336(匕3.1949x1011OOw,1=1=0.4763120.55+0.5124l72.5l+0.0109l98.52+0.0005355=148.15PsMH出二%Mz=l=0.2039X120.55+0.2545X172.5l+0.0166l98.52+0.0005X258.9+0.5192l22.70+0.005X110.45+0.0003102.78=136.07PQs/=浓进M出)=T(148.15+136.07)=142.11aP5空隙率取0.8,由式511得口一1.75GPggdpLdP_0.03182.85l-0.8150x(l-0.8)142.1IxlO
