毕业设计7万吨年环氧乙烷精馏塔设计

7万吨/年环氧乙烷精馏塔设计摘要根据北京化工大学毕业设计要求,并结合生产实际，选择浮阀塔精馏分离环氧乙烷水溶液为设计课题。

选用F1型单溢流浮阀塔为分离设备，以质量守恒定律、物料衡算和热力学定律为依据，对精馏塔及其辅助设备进行了工艺和设备的设计参数计算，得出精馏塔采用F1型单溢流浮阀塔，溢流管为弓形降液管，设计确定全塔高度21m，塔板总数为31块，塔顶温度可设为45℃，塔釜温度可设为146℃，精馏段塔径为4m，塔板堰长2.8m，板上液层高度0.064m, 阀孔数为1403个，相邻的两排中心孔距0.08m；提馏段塔径为3.2m，塔板堰长2.24m，板上液层高度0.083m, 阀孔数为809个，相邻的两排中心孔距0.087m。

并通过塔板校核验算，认为设计的精馏塔符合要求；气液负荷性能图也说明该装置操作弹性合理。

关键词：环氧乙烷；精馏；回流比；工艺设计；校核目录第1章前言 (4)第1.1节环氧乙烷概述 (4)第1.2节环氧乙烷生产方法 (5)1.2.1 氯醇法 (5)1.2.2 直接氧化法 (5)第1.3节设计任务及目标 (6)第2章设计内容框架 (7)第3章设计简介 (8)第3.1节精馏原理 (8)第3.2节装置流程的确定 (8)第3.3节操作压力的选择 (8)第3.4节浮阀标准 (9)第4章精馏塔设计参数确定 (10)第4.1节物料衡算 (10)4.1.1 精馏塔的物料衡算 (10)4.1.2 精馏塔塔顶、塔釜、进料板温度的计算 (11)4.1.3 塔顶温度的求取 (12)4.1.4 塔釜温度的求取 (12)4.1.5 进料板温度的确定 (13)第4.2节回流比、操作线方程、实际板数的确定 (14)4.2.1 相对挥发度 (14)4.2.2 最小回流比的求取 (14)4.2.3 适宜回流比 (14)4.2.4 操作线方程 (14)4.2.5 理论板的计算和实际塔板数的确定 (14)4.2.6 实际塔板数的确定 (16)第4.3节塔径的计算 (16)4.3.1 精馏段 (16)4.3.2 提馏段 (17)第4.4节塔高的计算 (19)第4.5节塔板结构尺寸及溢流装置的确定 (19)4.5.1 堰长 (19)4.5.2 溢流堰高 (19)4.5.3 弓形降液管的宽度和面积：Wd 和Af (20)4.5.4 降液管底隙高度:ho ........................................... 21 第4.6节 塔板的布置 . (21)4.6.1 塔板分布 (21)4.6.2 浮阀的数目与排列 (22)4.6.3 鼓泡区面积 (22)4.6.4 阀孔分布 (23)4.6.5 孔速及动能因数：0u 和0F (23)4.6.6 开孔面积和开孔率 ............................................ 23 第4.7节 塔板校核 (24)4.7.1 气体通过浮阀塔板的压降：hp (24)4.7.2 液泛 (24)4.7.3 雾沫夹带 .................................................... 25 第4.8节 负荷性能图的计算 . (26)4.8.1 雾沫夹带线 (26)4.8.2 液泛线 (27)4.8.3 液相负荷上限线 (28)4.8.4 漏液线 (28)4.8.5 液相负荷下限线 (28)4.8.6 操作弹性 .................................................... 29 第4.9节 热量衡算 (29)4.9.1 塔顶冷凝器换热面积的确定 (29)4.9.2 冷却水消耗量 (29)4.9.3 冷凝器 (29)4.9.4 再沸器 (30)第5章 辅助设备及选型与计算 .......................................... 31 第5.1节 管道尺寸的确定 (31)5.1.1 塔顶蒸汽馏出管线 (31)5.1.2 塔顶冷凝液管线 (31)5.1.3 原料入口管尺寸 (31)5.1.4 再沸器升气管 ............................................... 32 第5.2节 回流罐的确定 ............................................... 32 第5.3节 回流泵的选择 ............................................... 32 第5.4节 安全附件 (33)第6章 结 论 (35)重要符号一览表 (37)参考文献 (39)致 谢 (40)第1章前言第1.1节环氧乙烷概述环氧乙烷是重要的石油化工产品，是乙烯工业衍生物中仅次于聚乙烯和聚氯乙烯的重要有机化工原料。

2009年，全世界环氧乙烷产能已达到2200万吨，产量约为2000万吨。

由于近年来对环氧乙烷的需求旺盛，每年环氧乙烷产能的增长量都在100万吨左右。

环氧乙烷常温常压下为无色气体，气味似醚，在低于10.7℃时是无色易流动的液体，其蒸汽对眼和鼻粘膜有刺激性，与水、酒精、乙醚相互混溶，化学性质非常活泼，能与许多化合物起加成反应。

环氧乙烷为易燃、易爆、有毒液体，沸点在10.5℃，闪点-17.8℃，易溶于水和有机溶剂，与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限为2.6%-100%（体积），爆炸危险性极大。

环氧乙烷特殊的三元环结构决定了环氧乙烷的特殊反应活性，能与许多物质发生开环反应，遇水则缓慢反应生成乙二醇，在精馏过程中会发生聚合反应，异构化反应和水合反应，高温下发生分解反应。

在生产、储存、运输、使用过程中，防火防爆工作极为重要，必须进行全面危害识别、风险评估，制定并落实可靠安全措施，确保安全生产。

表1-1 环氧乙烷的物性数据项目数值项目数值沸点（101.325kPa）, K 283.6 燃烧热, (298K,101.3kPa), kJ/mol 1.304熔点, K 160.65 生成热,kJ/mol密度(20℃), g/cm30.8711 蒸汽71.13折射率, n D7 1.3597 液体97.49临界压力, MPa 7.23 着火温度, K 702临界温度, K 468.9 自燃温度, K 644爆炸极限（空气中）, %（体积） 2.6-100 表面张力（293K), mN/m 24.3闪点，Tag法,开杯，K ＜255 黏度，mPa.s 273K 0.31比热容(298K), kJ/(kg.K) 1.96 283K 0.28环氧乙烷是一种重要的有机合成原料，主要用于生产乙二醇；其次也用于生产非离子型表面活性剂、聚醚多元醇、乙醇胺类、环氧乙烷醚类、多胺类、羟乙基纤维素、氯化胆碱和具有特殊功能的液体等，主要应用于洗涤、印染、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，在需求持续增加的带动下，国内环氧乙烷新项目不断上马，环氧乙烷生产能力稳步增加。

第1.2节环氧乙烷生产方法环氧乙烷的工业化生产已经有近1个世纪的历史，在其生产发展过程中，生产技术和工艺过程都有不断的改进和革新最早的工业化生产方法是氯醇法，由于其存在产量低、质量差、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。

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，其主要区别在于乙烯的氧化剂各不相同。

1.2.1 氯醇法环氧乙烷氯醇法生产分两步进行：首先氯气与水反应生成次氯酸，再与乙烯反应生成氯乙醇；然后氯乙醇用石灰乳皂化生成环氧乙烷。

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已失去了市场竞争能力。

1.2.2 直接氧化法乙烯直接氧化法，分为空气直接氧化法和氧气直接氧化法。

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。

（1）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。

空气法的特点是有两台或多台反应器串联，即主反应器和副反应器，为使主反应器催化剂的活性保持在较高水平(63~75％)，通常以低转化率进行操作，保持在20~50％范围内。

（2）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二氧化碳，然后循环返回反应器，二氧化碳的摩尔分数超过15％，将严重影响催化剂的活性。

氧气氧化法无论是在生产工艺、生产设备、产品收率、反应条件上都具有明显的优越性，因此目前世界上的环氧乙烷/乙二醇装置普遍采用氧气氧化法生产。

但是由于氧气氧化法采用纯氧作原料，因此在氧气价格上涨时，对氧气法生产环氧乙烷的生产总费用会有一定的影响，而空气法就不存在氧气价格变动带来的总费用变动问题，而且氧气法对原料的纯度要求很高，如氧气纯度低，就会显著增加含烃放空气体的数量，造成乙烯单耗提高。

尽管如此，通常氧气氧化法的生产成本要比空气氧化法低10%左右近几十年来，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。

国内环氧乙烷的生产始于20世纪60年代，采用以乙醇为原料的氯醇法工艺生产环氧乙烷。

20世纪70年代后期，随着北京燕山石油化工公司和辽阳石油化纤公司分别引进了美国SD公司和美国UCC公司的两套环氧乙烷/乙二醇联产生产装置的建成投产，国内环氧乙烷的生产改为以乙烯为原料进行生产。

第1.3节设计任务及目标本毕业设计是依据北京化工大学成人教育学院毕业设计大纲和设计任务书，选择6.1万吨/年环氧乙烷精馏塔设计为课题，采用氧气直接氧化法生产环氧乙烷，以操作简单、能耗低、操作弹性大的浮阀塔为分离设备，确定环氧乙烷提纯单元工艺流程，并进行物料衡算、热量衡算及相关设备工艺计算，力求使精馏塔塔顶温度、塔釜、进料板及泡点温度，塔顶、塔釜物料流量，塔板数、操作回流比等相关设计参数达到最佳理想操作状态。

第2章设计内容框架本设计的年产6.1万吨环氧乙烷精馏塔设计内容框架如下：(1) 精馏塔的物料衡算；(2) 塔板数的确定；(3) 精馏塔的工艺条件及有关物件数据的计算；(4) 精馏塔的塔体工艺尺寸计算；(5) 塔板主要工艺尺寸的计算；(6) 塔板的流体力学验算；(7) 塔板负荷性能图；(8) 精馏塔接管尺寸计算；(9) 绘制生产工艺流程图；(10)总结。