反应工程乙烯空气氧化法制环氧乙烷课程设计(1)

第二章工艺流程图及说明

2.1 氧化反应部分

流程草图说明

由于此反应为气固相反应，并且催化剂比较贵,所以选择列管式固定床反应器。反应放出大量的热,所以须采用换热介质进行换热，根据反应的热效应求得反应的温度在180-250℃，因此选择矿物油作为换热介质，采用外部循环式换热。

V-204

带控制点的氧化流程图

第三章 物料衡算

由设计任务书已知数据如下：

原料气的组成

组分 42H C

2CO

2O 2N

含量（mol%) 3.4 7.7 5.6 83.3

原料进入反应器的温度为210°C

反应温度为250°C 反应压力为1MPa 乙烯转化率为26.0%；选择性为65%；空速为5000h -1 年工作时间7200小时，年产量20000吨 反应产物分离后回收率为90%

反应器内催化剂填充高度为管长95%，每根管长3米

采用间接换热方式：导出液进口温度230°C ，出口温度235°C,导出液对管壁的给热系数为650W/m 2·K

催化剂为球体，D=3mm,床层孔隙率为0.8

在250°C ，1MPa 下反应气体导热系数为0.0304W/m 2K,粘度为4.26×10-5PaS,密度为7.17Kg/m 3

3.1 乙烯催化氧化制取环氧乙烷得物料衡算框图：

其中：FF 新鲜原料气 MF 原料混合气 RP 反应混合气 SP 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

3.2 反应原理

乙烯和氧气在银催化剂上，于一定温度和压力下，直接氧化生产环氧乙烷，反应方程式可表为： （1）主反应：

O H C O H C 4224221

→+

反应为放热反应，在250°C 时，每生成一摩尔环氧乙烷要放出25．19kcal 的热量。

（2）在主反应进行的同时，还发生其它副反应，其中主要是乙烯的燃烧反应。

副反应：

O H CO O CH CH 22222223+→+= 反应为强放热反应，在250°C ，每反应一摩尔乙烯，可放出315.9kcal 的热量。

3.3 反应器的物料衡算

(1)反应部分的工艺参数环氧乙烷生产能力：2万吨/年； 年操作时间：7200

小时进入反应器的温度：210℃；反应温度：250℃乙烯转化率：26.0％； 选择性：65%反应空速：50001-h ;生产过程安全系数：1.05反应产物分离后回收率：90%

原料气的组成及各组分的分子量

组分 42H C

2CO

2O 2N

含量（mol%)

3.4 7.7 5.6 83.3

各组分的分子量如表所示：（均取自《石油化工基础数据手册》）

各组分的分子量

组分 42H C

2CO 2O 2N O H C 42 O H 2

分子量

28.054 44.010 31.999 28.013 44.054 18.015

(2)反应部分的基础计算

①以100kmol/h 气体进料为基准，根据已知原料气的组成，计算出每小时进入反应器的各种气体组分的摩尔数。

②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：

O H C O CH CH 422222

1

→+=

副反应：

O H CO O CH CH 22222223+→+= 已知乙烯转化率为26.0％，选择性为65％，进入反应器的乙烯量为3.4kmol/h ，所以

由主式有 消耗乙烯量：3.4×0.26×0.65＝0.5746kmol 消耗氧气量：0.5746×0.5＝0.2873kmol 生成环氧乙烷量：0.5746kmol

由副式有 消耗乙烯量：3.4×0.26×(1-0.65)=0.3094kmol 消耗氧气量：0.3094×3=0.9282kmol

生成二氧化碳量：0.2737×2=0.5474kmol 生成水量：0.3034×2=0.6068kmol

则可知 未反应的乙烯量：3.4-0.5746-0.3034=2.522kmol 未反应的氧气量：5.6-0.2873-0.9102=4.425kmol 出反应器的二氧化碳量：7.7+0.6068=8.3068kmol 出反应器的水量：0+0.6068=0.6068kmol

氮气、氩气和甲烷的量在反应过程中不发生变化，所以出口气体中各组分的量如表所示。

反应器入口和出口的气体量(kmol/h)

组分 42H C

2CO

2O

2N

O H C 42

O H 2

入口 3.4 7.7 5.6 83.3 0 0 出口

2.522

8.3068

4.425

83.3

0.5746

0.6068

(3)实际装置每小时生产的环氧乙烷可折算为

h kmol /056.700

9.0054.4472001027

=⨯⨯⨯

综上所述，气体进料为100kmol ／h 时，可生产环氧乙烷0.5746kmol/h 。若要达到560.48kmol/h 的环氧乙烷生产能力，则所需原料量为

h k m o l /83.219215746

.0100

056.07=⨯。为了保证所设计的装置能够达到所要求的生产

能力，必须考虑到原料损失等因素，一般取安全系数为1.05。 则实际进料量为 1.05×12192.83kmol/h ＝13412.113kmol/h (4)原料气与氧化气的组成计算

根据基准气体进料为100kmol/h 时的计算结果，可以折算出实际进料量为13412.113kmol/h 时的物料衡算情况。如表所示。

实际进料时的物料衡算

(a)原料气的物料衡算

组分

kmol/h kg/h mol% wt% 42H C

456.012 12792.956 3.4 3.24 2O

737.67

23604.58

5.5

5.98