![点击分享此内容可以赚币 分享](/master/images/share_but.png)
学位论文—年产l.5万吨环氧乙烷的固定床反应器设计课程设计.doc
《学位论文—年产l.5万吨环氧乙烷的固定床反应器设计课程设计.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《学位论文—年产l.5万吨环氧乙烷的固定床反应器设计课程设计.doc(34页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、年产l.5万吨环氧乙烷的固定床反应器设计年产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3第二章 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 催化剂的选择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 稳定剂的选择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 工艺计算154.1 设计条件154.1.1 反应原理154.1.2 原料组成154.
2、1.3 反应器条件164.2 物料衡算164.3 热量衡算19第五章 反应器的设计245.1 催化剂的用量245.2 确定氧化反应器的基本尺寸265.3 床层压力降的计算275.4 传热面积的核算285.4.1 床层对壁面的给热系数的计算285.4.2 总传热系数的计算285.4.3 传热面积的核算295.5 反应器塔径的确定30第六章 结论32参考文献33致谢34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计算和结构计算情况。 根据设计条件和要求,通过物料恒算、热量恒算及其他工艺
3、计算设计出年产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,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Abstract The 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 producing Oxirane wi
4、th an annual output of 15000 tons as example,the cajculation situations of process of fixed-bed reactor were introduced.In the design,wemainly calculated the process parameter and the size of the oxidized reactor. According to the design conditions and requirements,through constant calculate, heat m
5、aterial 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.Keywords Oxirane ,Fixed-bed reactor,material
6、balance, heat balance 第一章 概述环氧乙烷(Oxirane)又名氧化乙烯(Ethylene Oxide),是最简单的环状醚。分子式C2H4O,分子量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第二位重要化工产品。环氧乙烷还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。随着精细化工的发展,环氧乙烷已成为精细化工工业不可缺少的一种有机化工原料1。环氧乙烷早期采用氯醇法工艺生产,20世纪20年代初,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
7、研究成果,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年代末,Shell公司采用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,采用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
8、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。直接氧化法又分为空气氧化法和氧气氧化法,其主要区别在于乙烯的氧化剂各不相同。在环氧乙烷的生产发展过程中,生产技术和工艺过程都有不断的改进和革新,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: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。本设计采用氧气直接氧化法,对原有的单元
9、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器。第二章 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 参数名称数值沸点(101.3kPa), 10.8 熔点(101.3l(Pa),112.5临界温度,195.8临界压力,Mpa 7.194临界密度,kg/m3 314折射率, 1.3597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/kg 29.6
10、48生成热蒸汽,kJ/mol71.13生成热液体,kJ/mol97.49熔解热,kJ/kg 117.86聚合热,kJ/kg2091汽化热,(10.5),kJ/kg580.58比热容(35),kJ/(kg.K) 1.96气相分解热,kJ/kg 1901着火点,K702自燃点,K644表面张力(20),mN/m24.3热导率(25),J/(cm.s.K)0.0001239粘度,mPa.S,00.3l粘度,mPa.S,10 0.28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、透明、易流动的液体。易溶于水、醚和醇等有机溶剂。主要物理性质如表1。2.2 化学性质环氧乙烷的化学
11、性质非常活泼,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)分解反应气体环氧乙烷在约400时开始分解,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乙烷异构成乙醛。环氧乙烷的分解反应还可以被引发,且在一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
12、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。 (2-1)该反应为放热反应,热效应为96.3kJ/mol。反应过程不采用催化剂。生成的乙二醇可以与环氧乙烷继续作用生成二甘醇、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。 (2-2)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。如果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。 (2-3)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
13、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尔比例来调节,氨过量有利于一乙醇胺的生成。与酸反应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。 (2-4)(3)氧化还原反应在钠汞齐及催化剂存在下环氧乙烷加氢还原生成乙醇,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控制地氧化成羟基乙酸,最终则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。 (2-5)在一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,
14、要极力避免,因为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)与格利雅试剂反应环氧乙烷与格利雅试剂反应可生成比原来烷基多两个碳原子的醇,这是实验室制备加长碳链醇的一种办法,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。第三章 设计方案的确定3.1 环氧乙烷
15、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7。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
16、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范围内。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,不然二氧化碳浓度超过15(mol),将严重影响催化剂的活性。(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重缺点大致有:消耗氯气,排放大量污水,造成严重污染;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
17、可异构化为乙醛,造成环氧乙烷损失,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能力。采用氯醇法生产环氧乙烷的小型石油化工厂正在受到严重的挑战。故根据环保及成本的限制要求本实验采用直接空气氧化法。3.2 催化剂的选择氧化法生产环氧乙烷的关键是催化剂的选择。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选择性很差,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选择性地氧
18、化成环氧乙烷,该催化剂在选择性、强度、热稳定性和寿命等方面都有一定的特色。近年来国内外对活性组分银的开发研究取得了长足的进步。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最佳催化剂。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,应根据反应过程的具体情况,采取相应措施,使反应温度控制在适宜范围之内,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,反应速度随温度升高而加快。乙烯直接氧化过程的主、副
19、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,对反应过程的温度控制要求十分严格。当反应温度高时,一是转化率增加,这意味着乙烯氧化的总速率提高,二是生产环氧乙烷的选择性降低,即更多的乙烯转化成二氧化碳和水,因此,这时反应热量的急骤增加,不是使更多的乙烯被氧化,而是使反应过程的选择性降低,副反应增加是更重要的原因。可见,当反应温度升高时,反应热量就会不成比例的骤然增加,使反应过程失控,所以在生产中,对于氧化操作,一般均设有自动保护装置,预防万一。此外,在催化剂使用初期,其活性较高,宜采用较低的操作温度。3.3.2 反应压力乙烯直接氧化反应过程,主反应是体积减少的反应,副反应
20、(深度氧化)是体积不变的反应。因此,采用加压操作有利。因主、副反应基本上都是不可逆反应,故压力对主、副反应的平衡没有太大影响。目前,工业生产上采用加压操作不是出于化学平衡的需要,其目的是提高乙烯和氧的分压,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m3)催化剂通过的原料气的升(或m3)数来表示。对于乙烯直接氧化过程,实践证明,提高空速,转化率会略有下降,而选择性将
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 学位 论文 年产 环氧乙烷 固定床反应器 设计 课程设计
![提示](https://www.zixin.com.cn/images/bang_tan.gif)
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【胜****】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【胜****】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。