产万吨环氧乙烷的固定床反应器设计课程设计 .docx
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1、精品名师归纳总结年产 l.5 万吨环氧乙烷的固定床反应器设计目录摘 要2Abstract2第一章 概述2其次章 环氧乙烷的性质52.1 物理性质52.2 化学性质6第三章 设计方案的确定83.1 环氧乙烷的生产方法的确定83.2 催化剂的挑选93.3 环氧乙烷生产工艺条件的确定93.3.1 反应温度93.3.2 反应压力93.3.3 空速103.3.4 原料配比和循环比103.3.5 抑制剂113.3.6 稳固剂的挑选113.4 环氧乙烷生产的工艺流程113.4.1 工艺流程概述11第四章 工艺运算144.1 设计条件144.1.1 反应原理144.1.2 原料组成144.1.3 反应器条件1
2、54.2 物料衡算154.3 热量衡算18第五章 反应器的设计235.1 催化剂的用量235.2 确定氧化反应器的基本尺寸255.3 床层压力降的运算265.4 传热面积的核算275.4.1 床层对壁面的给热系数的运算275.4.2 总传热系数的运算275.4.3 传热面积的核算285.5 反应器塔径的确定29第六章 结论31参考文献32致谢33可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结摘 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 l.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运算和结构运算情形.依据设计条件和要求,通过
3、物料恒算、热量恒算及其他工艺运算设计出年产l.5 万吨环氧乙烷的固定床反应器,并确定反应器的选型和尺寸,运算压降,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AbstractThe nature use and production methods of Oxirane were simply introduced. Introduced direct oxidation synthesis methods of epoxy ethane and reaction principle.With fixed-bed reactor for produ
4、cing Oxirane with an annual output of 15000 tons as example, the cajculation situations ofprocess of fixed-bed reactor were introduced.In the design , wemainly calculated the processparameter and the size of the oxidized reactor.Accordingto the design conditionsand requirements , through constant ca
5、lculate, heat material constant calculate and other process calculation designed annual l5,000 tons of epoxy ethane fixed-bed reactor, and determined the reactor selection and size, calculate pressure drop, catalyst etc, designed to meet the requirements of the reactor.KeywordsOxirane ,Fixed-bed rea
6、ctor,material balance, heat balance第一章 概述环氧乙烷 Oxirane 又名氧化乙烯 Ethylene Oxide ,是最简洁的环状醚 .分子式 C2H4O ,分子可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结量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其次位重要化工产品.环氧乙烷仍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.随着精细化工的进展,环氧乙烷已成为精细化工工业不行缺少的一种有机化工原料1.环氧乙烷早期采纳氯醇法工艺生产,20世
7、纪 20岁月初, UCC 公司进行了工业化生产,之后公司基于 Lefort 有关银催化剂的讨论成果,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岁月末, Shell公司采纳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,采纳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
8、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,现在己基本上被剔除了,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,其主要区分在于乙烯的氧化剂各不相同.在环氧乙烷的生产进展过程中,生产技术和工艺过程都有不断的改进和革新,到目前为止,世界上几乎全部的环氧乙烷都是用乙烯直接氧化法生产的.直接氧化法中,第一显现的是空气氧化法,而后氧气氧化法问世,二者并行:近几十年来,很多厂家都采纳氧气氧化法生产环氧乙烷,由于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
9、续引入系统的惰性气体大为削减,未反应的乙烯基本上可完全循环使用 .本设计采纳氧气直接氧化法,对原有的单元设备进行生产才能标定和技术经济评定.在此基础上,查阅了大量资料,依据设计条件,通过物料衡算、热量衡算、反应器的选型及尺寸的确定,运算压降、催化剂的用量等,设计出符合设计要求的反应器.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结其次章 环氧乙烷的性质2.1 物理性质表 1-1环氧乙烷的主要物理性质空气中爆炸极限 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/kg2
10、9.648生成热蒸汽, kJ/mol71.13生成热液体, kJ/mol97.49熔解热, kJ/kg117.86聚合热, kJ/kg2091汽化热, 10.5 , kJ/kg580.58比热容 35 , kJ/kg.K1.96气相分解热, kJ/kg1901着火点, K702自燃点, K644表面张力 20 , mN/m24.3热导率 25 , J/cm.s.K0.0001239粘度, mPa.S, 00.3l粘度, mPa.S, 100.28参数名称数值沸点 101.3kPa,10.8熔点 101.3lPa , 112.5临界温度,195.8临界压力, Mpa7.194临界密度, kg/m
11、3314折射率,7D1.3597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、透亮、易流淌的液体 .易溶于水、醚和醇等有机溶剂.主要物理性质如表1.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2.2 化学性质环氧乙烷的化学性质特别活泼,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,有的反应进行得特别猛烈,甚至产生爆炸.很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时开头分解,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
12、乙烷异构成乙醛.环氧乙烷的分解反应仍可以被引发,且在肯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 .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.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结C 2H 4OH 2OCH 2OHCH2OH2-1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结该反应为放热反应,热效应为96.3kJ/mol. 反应过程不采纳催
13、化剂.生成的乙二醇可以与环氧乙烷连续作用生成二甘醇、三甘醇及多甘醇.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.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结XCH2CH 2OHnC2H 4O环氧乙烷)X CH 2CH 2O n 1 H2-2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结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.假如进一步反应可以生成分子量更大的化合物.与苯酚反应环氧乙烷与苯酚反应生成苯氧基乙醇.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结C2H 4OC6H 5OHC6H 5OCH 2CH 2OH2-3可编辑资
14、料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结其酯类是香料的定香剂、杀菌剂和驱虫剂.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可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结尔比例来调剂,氨过量有利于一乙醇胺的生成.与酸反应2HNO3NO2 O CH 2CH 2 O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.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结C2H 4ONO22-4可编辑资料 - - -
15、欢迎下载精品名师归纳总结3氧化仍原反应在钠汞齐及催化剂存在下环氧乙烷加氢仍原生成乙醇,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掌握的氧化成羟基乙酸,最终就被氧化成二氧化碳及水.4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.C 2H 4OCH 3CHO2-5在肯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,要极力防止,由于醛的存在增加了环氧乙烷提存净化的难度.(5) 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.(6) 与格利雅试
16、剂反应环氧乙烷与格利雅试剂反应可生成比原先烷基多两个碳原子的醇,这是试验室制备加长碳链醇的一种方法,羟基在链的端部.( 7齐聚反应环氧乙烷进行齐聚反应可生成冠醚,催化剂为含氟的路易斯酸.反应在室温、常压下进行. 8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.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结第三章 设计方案的确定3.1 环氧乙烷的生产方法的确定目前,我国工业生产环氧乙烷的方法有氯醇法和乙烯氧化法两种,乙烯氧化法又分为乙烯空气氧化法及乙烯氧气氧化法.(1) 氯醇法氯醇法环氧乙烷生产分两步进行:氯气
17、与水反应生成次氯酸,再与乙烯反应生成氯乙醇。氯乙醇用石灰乳皂化生成环氧乙烷.(2) 直接氧化法直接氧化法,分为空气法和氧气法两种.这两种氧化方法均采纳列管式固定床反应器.反应器是关键性设备,与反应成效亲密相关,其反应过程基本相同,都包括反应、吸取、汽提和蒸馏精制等工序 7.空气氧化法:此方法用空气为氧化剂,因此必需有空气净扮装置,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6375 ,通常以低转化率进行操作,保持在 2050范畴内 .氧气氧化法:氧气法不需要空气净化系统,而需要空气分别装置
18、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削减,未反应的乙烯基本上可完全循环使用 .从吸取塔顶出来的气体必需经过脱碳以除去二氧化碳,然后循环返回反应器,不然二氧化碳浓度超过15 mol ,将严峻影响催化剂的活性 . 2环氧乙烷的生产方法比较环氧乙烷的生产方法各具特点.氯醇法生产工艺的严峻缺点大致有:消耗氯气,排放大量污水,造成严峻污染。乙烯 次氯酸化生产氯乙醇时,同时副产二氧化碳等副产物,在氯乙醇皂化时生产的环氧乙烷可异构 化为乙醛,造成环氧乙烷缺失,乙烯单耗高。氯醇法生产的环氧乙烷,醛的含量很高,约为50007000mg/m3 ,最低亦有2500mg/m3. 氯醇法生产环
19、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失去了市场竞争才能.采纳氯醇法生产环氧乙烷的小型石油化工厂正在受到严峻的挑战.故依据环保及成本的限制要求本试验采纳直接空气氧化法.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结3.2 催化剂的挑选氧化法生产环氧乙烷的关键是催化剂的挑选.虽然大多数金属和金属氧化物催化剂都能使乙烯发生环氧化反应,但是生成环氧乙烷的挑选性很差,氧化结果主要生成二氧化碳和水.只有银催化剂例外,在银催化剂上乙烯能挑选性的氧化成环氧乙烷,该催化剂在挑选性、强度、热稳定性和寿命等方面都有肯定的特色.近年来国内外对活性组分银的开发讨
20、论取得了长足的进步.也有不少学者试图开发另一类金属取代银,但至今仍认为活性组分银是乙烯氧化生成环氧乙烷的正确催化剂 .3.3 环氧乙烷生产工艺条件的确定环氧乙烷的生产受反应温度、反应压力、空间速度与空管线速度、原料配比和循环比、抑制剂等工艺条件的制约.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,应依据反应过程的详细情形,实行相应措施,使反应温度掌握在相宜范畴之内,以期获得较高的收率.乙烯直接氧化生产环氧乙烷和其它多数反应一样,反应速度随温度上升而加快.乙烯直接氧化过程的主、副反应都是强放热反应,且副反应 深度氧化 放热量是主反应的十几倍,因此,对反应过程的温度掌握要求特别严格.
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