环氧乙烷固定床反应器专业课程设计.doc

化工与制药学院

课程设计阐明书

课题名称：年产 1.5万吨环氧乙烷固定床反映器设计
专业班级： 级有机与石油化工 1 班
学生学号：
学生姓名：陈正飞
学生成绩：
指引教师：杨昌炎
设计时间：.1.6—.01.20

武汉工程大学课程设计任务书

系别 化工与制药学院 班级 有机一班 学生 陈正飞

一、设计名称

年产吨环氧乙烷固定床反映器设计
二、任务
依照设计条件，通过物料衡算、热量衡算、反映器选型及尺寸拟定，计算压降、催化剂用量等，设计出符合设计规定反映器，并画出设备装配图。
三、内容
1、概述
2、环氧乙烷物化性质
3、设计方案
4、设计条件
5、工艺计算
6、设计总结
7、参照文献
四、筹划进度

1、发题 1月6日
2、第一阶段：1月6日～1月12日 工艺计算与设备计算
3、第二阶段：1月13日～1月18日 画图、撰写设计报告、答辩
4、第三阶段：1月19-日～1月20日 设计答辩

指引教师 杨昌炎 教研室主任 刘生鹏
目录

摘 要 I
Abstract II
第一章 概述 1
第二章 环氧乙烷物化性质 3
2.1 物理性质 3
2.2 化学性质 4
3.1 环氧乙烷生产艺 7
3.2 环氧乙烷生产设计方案 8
3.3.2 工艺参数 8
3.3.3 环氧乙烷生产工艺流程 10
第四章 工艺计算 13
4.1 设计条件 13
4.1.1 反映原理 13
4.1.2 原料构成 14
4.1.3 反映器设计条件 14
4.2 物料衡算 14
4.3 热量衡算 17
第五章 反映器工艺参数优化 21
5.1 催化剂用量 21
5.2 拟定氧化反映器基本尺寸 25
5.3 床层压力降计算 26
5.4 传热面积核算 27
5.4.1 床层对壁面给热系数a 27
5.4.2 总传热系数计算 28
5.4.3 传热面积核算 28
5.5 反映器塔径拟定 29
第六章 设计参数总结 31
第七章 安全生产 33
第八章 三废治理与环保 37
第九章 资金核算 39
第十章 设计体会 41

摘 要
环氧乙烷是乙烯衍生物，是重要基本有机化工原料,广泛用于生产乙二醇、农药乳化剂等各种精细化学品。当前较先进生产办法是用银作催化剂，在列管式固定床反映器中，用纯氧与乙烯反映，采用乙烯直接氧化生产环氧乙烷。本文重要简介了生产环氧乙烷原理、工艺设计条件，通过进行物料衡算、热量衡算拟定了反映器尺寸、传热面积、塔径等参数。同步，关注了安全生产、三废解决等问题并提出了相应解决办法。

核心词 环氧乙烷 乙烯 直接氧化 固定床反映器

Abstract
Ethylene Oxide is the derivative of ethylene，which is the important basic organic chemical raw material. It is widely utilized in producing varied fine chemicals like ethanediol，agricultural pesticide emulsifier，just name two. Advanced method we apply now is the direct oxidation reaction between pure oxide and ethylene with the catalyst of silver in Tube fixed-bed reactor.
In this them，we mainly introduce the principle and the condition of process design of producing ethylene oxide. Meanwhile，the parameters such as the volume，transfer area and reactor diameter are determined by calculating the material balance and energy balance. At the end of this thesis，we put safety issue and recycle issue of waste into discussion with proposing some measure to solve those problems.

Keywords Ethylene oxide，Ethylene，Racked-bed reactor

第一章 概述

乙烯是碳原子数至少烯烃，由于它具备极其活泼双键构造，因而其反映能力很 强，且成本低、纯度高、易于加工运用，因此是有机化工中最重要基本原料。通过乙 烯聚合、氧化、卤化、烷基化、水合、羰基化、齐聚等反映实现，可以得到一系列 极有价值乙烯衍生物，如环氧乙烷、乙二醇、乙醛、醋酸、醋酸乙烯、乙苯、聚乙烯 等，由乙烯出发还可生产溶剂、表面活性剂、增塑剂、合成洗涤剂、农药、医药等。
环氧乙烷(Oxirane) 又名氧化乙烯(Ethylene Oxide)，是最简朴环状醚,分子式 C2 H 4 O ，分子量44.05。 环氧乙烷是以乙烯为原料重要石油化工产品之一。世界乙烯总产量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第二位重要化工产品。环氧 乙烷还是重要石油化工原料及有机和精细化工产品中间体，重要用来生产乙二醇。
随着精细化工发展，环氧乙烷已成为精细化工工业不可缺少一种有机化工原料[1] 环氧乙烷初期采用氯醇法工艺生产，20世纪代初，UCC公司进行了工业化生产，之后公司基于Lefort关于银催化剂研究成果，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 乙烷氧原料，推出氧气法乙烯直接氧化生产环氧乙烷工艺，通过不断改进，当前较先 进生产办法是用银作催化剂，在列管式固定床反映器中，用纯氧与乙烯反映，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重要产品，也是一种基本有机化工原料，用途诸多，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。 环氧乙烷工业化生产已有半个多世纪历史，最早工业化生产办法是氯醇法，由于其存在腐蚀设备、污染环境和耗氯量大等一系列问题，当前己基本上被裁减了， 取而代之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，其重要区别在 于乙烯氧化剂各不相似。在环氧乙烷生产发展过程中，生产技术和工艺过程均有不断改进和革新，到当前为止，世界上几乎所有环氧乙烷都是用乙烯直接氧化法生产。直接氧化法中，首 先浮现是空气氧化法，而后氧气氧化法问世，两者并行：近几十年来，许多厂家都采 用氧气氧化法生产环氧乙烷，由于氧气氧化法不需要空气净化系统，并且氧气氧化法 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
系统 惰性气体大为减少，未反映乙烯基本上可完全循环使用。
本设计采用氧气直接氧化法，对原有单元设备进行生产能力标定和技术经济评
定。在此基本上，查阅了大量资料，依照设计条件，通过物料衡算、热量衡算、反映器 选型及尺寸拟定，计算压降、催化剂用量等，设计出符合设计规定反映器。

第二章 环氧乙烷物化性质
2.1 物理性质
常温下环氧乙烷为无色、具备甜醚味气体。在较低温度下环氧乙烷成为无色、透明、易流动液体。易溶于水、醚和醇等有机溶剂。
表1-1 环氧乙烷重要物理性质

物理性质 数据
沸点(101.3kPa)，℃ 10.8
熔点(101.3l(Pa)，℃下限 －112.5
临界温度，℃ 195.8
临界压力，Mpa 7.194

临界密度，kg/ m3
折射率，h 7 D
314
1.3597

空气中爆炸极限
(101.3kPa)，％(体积)
 2.6
上限 100

燃烧热(25℃，101.3kPa)，kJ/kg 29.648
蒸汽 71.13

生成热，kJ/mol
液体 97.49

熔解热，kJ/kg 117.86
聚合热，kJ/kg 2091
汽化热，(10.5℃)，kJ/kg 580.58
比热容(35℃)，kJ/(kg·K) 1.96
气相分解热，kJ/kg 1901
着火点，K 702
自燃点，K 644
表面张力(20℃)，mN/m(dyn/cm) 24.3
热导率(25℃)，J/(cm·s·K) 0.0001239
0℃ 0.3l

10℃ 0.28
粘度，mPa·s

2.2 化学性质

环氧乙烷化学性质非常活泼，能与诸多化合物进行反映，其反映重要是环氧乙烷 开环与其他化合物进行加成反映，放出大量反映热，有反映进行得非常激烈，甚至产 生爆炸。许多反映产物是重要有机化工及精细化工产品。
1)分解反映
气体环氧乙烷在约400℃时开始分解，重要生成CO、CH 4 以及 C2 H 6 、C2 H 4 、H 2 、C、CH3CHO 等。分解反映第一步是环氧乙烷异构成乙醛。环氧乙烷分解反映还可 以被引起，且在一定条件下会在气相中传播，直到瞬时产生爆炸。
2)加成反映
环氧乙烷与具有活泼氢原子化合物，如 H 2 O 、HX、NH3 、RNH 2 、R 2 NH 、RCOOH、ROH、RSH、HCN等进行加成反映，生产含－OH化合物(其中X为卤素，R 为烷基或芳基)。
(1)与水反映 环氧乙烷与水反映生成乙二醇，这是工业上生产乙二醇办法。

C2 H 4O + H 2O ® CH 2OH

该反映为放热反映，热效应为96.3kJ/mol。反映过程不采用催化剂。生成乙二醇 可以与环氧乙烷继续作用生成二甘醇、三甘醇及多甘醇。
(2)与醇类反映 环氧乙烷与醇反映生成醚，其反映最后产品是至少含一种羟基醚。
XCH 2CH 2OH + nC2 H 4O(环氧乙烷）® X (CH 2CH 2O)n+1 H

X可为卤素、氢、羟基等,在乙二醇生产中生成某些二甘醇，三甘醇就是环氧乙烷进 一步与乙二醇反映产物。如果进一步反映可以生成分子量更大化合物。
(3)与苯酚反映 环氧乙烷与苯酚反映生成苯氧基乙醇。

C2 H 4O + C6 H5OH ® C6 H5OCH 2CH 2OH

其酯类是香料定香剂、杀菌剂和驱虫剂。
(4)与氨反映 环氧乙烷可以与氨反映生成一乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺，这是工业上制造乙醇
胺办法。该反映普通是在高压、较低温度和液相下进行，三种产品比例可通过氨 与环氧乙烷摩尔比例来调节，氨过量有助于一乙醇胺生成。
(5)与酸反映 环氧乙烷可与有机酸、无机酸反映生成相应酯。环氧乙烷与硝酸反映最为重要，
生成乙二醇二硝酸酯是能在低温下引爆炸药。

C2 H 4O + 2HNO3 ® NO2 × O × CH 2CH 2 × O × NO2

3)氧化还原反映 在钠汞齐及催化剂存在下环氧乙烷加氢还原生成乙醇，此反映没有工业意义。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，最后则被氧化成二氧化碳及 水。
4)异构化反映 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。
C2 H 4O ® CH3CHO

在一定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副反映之 一，要极力避免，由于醛存在增长了环氧乙烷提存净化难度。
5)与双键进行加成反映
环氧乙烷和如下某些含双键化合物可进行加成反映生成环状化合物，例如
R2C=O、SC=S、02S=O、RN=CO、OS=O等。
6)与格利雅试剂反映 环氧乙烷与格利雅试剂反映可生成比本来烷基多两个碳原子醇，这是实验室制备
加长碳链醇一种办法，羟基在链端部。
7)齐聚反映 环氧乙烷进行齐聚反映可生成冠醚，催化剂为含氟路易斯酸。反映在室温、常压
下进行。

8)与二甲醚反映
在 BF3 作用下环氧乙烷与二甲醚反映生成聚乙二醇二甲醚。该反映在工业上用来生 产低分子量均聚物，其产品广泛用作溶剂[7] 。

第三章 环氧乙烷生产工艺及设计方案

3.1 环氧乙烷生产艺

当前，国内工业生产环氧乙烷办法有氯醇法和直接氧化法两种，直接氧化法又分 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：<1>氯气与水反映生成次氯酸，再与乙烯反映生
成氯乙醇；<2>氯乙醇用石灰乳皂化生成环氧乙烷。 氯醇法生产工艺严重缺陷大体有：<l>消耗氯气，排放大量污水，导致严重污染；
<2>乙烯次氯酸化生产氯乙醇时，同步副产二氧化碳等副产物，在氯乙醇皂化时生产 环氧乙烷可异构化为乙醛，导致环氧乙烷损失，乙烯单耗高；<3>氯醇法生产环氧乙

烷，醛含量很高，约为 5000---7000 ，最低亦有 2500 。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小型石 油化工厂正在受到严重挑战。
(2)直接氧化法 直接氧化法，分为空气法和氧气法两种。这两种氧化办法均采用列管式固定床反映
器。反映器是核心性设备，与反映效果密切有关，其反映过程基本相似，都涉及反映、吸取、汽提和蒸馏精制等工序。
空气氧化法：此办法用空气为氧化剂，因而必要有空气净化装置，以防止空气中有 害杂质带入反映器而影响催化剂活性。空气法特点是有两台或多台反映器串联，即 主反映器和副反映器，为使主反映器催化剂活性保持在较高水平(63-75％)，普通以低 转化率进行操作，保持在 20-50％范畴内。
氧气氧化法：氧气法不需要空气净化系统，而需要空气分离装置或有其他氧源。由 于用纯氧作氧化剂，持续引入系统惰性气体大为减少，未反映乙烯基本上可完全循 环使用。从吸取塔顶出来气体必要通过脱碳以除去二氧化碳，然后循环返回反映器， 否则二氧化碳浓度超过 15％(mol％)，将严重影响催化剂活性。

依照环保及成本限制，本设计选用直接空气氧化法。

3.2 环氧乙烷生产设计方案

3.2.1 催化剂

由于选取性在反映过程中重要性，因此要选取选取性好催化剂，银催化剂对乙 烯环氧化反映较好选取性，强度、热稳定性、寿命符合规定，因此用银催化剂。催化 剂由活性组分银、载体和助催化剂构成。助催化剂重要有碱金属、碱土金属、稀土金属 化合物等。其作用是提高活性、增大稳定性、延长寿命。抑制剂作用是抑制非目的产 物形成，重要有硒、碲、氯、溴等。载体重要功能是负载、分散活性组分，提高稳 定性。载体构造（特别是孔构造）对助剂活性发挥、选取性控制有极大影响（乙 烯氧化制环氧乙烷特殊性规定载体比表面积低并且以大孔为主）。

3.3.2 工艺参数

环氧乙烷生产工艺参数重要有反映温度、反映压力、空间速度与空管线速度、原料配比和循 环比、抑制剂等。
（1）反映温度 温度直接影响化学反映速度，在工业生产中，应依照反映过程详细状况，采用相应办法，使
反映温度控制在适当范畴之内，以期获得较高收率。乙烯直接氧化生产环氧乙烷和其他多数反映 同样，反映速度随温度升高而加快。乙烯直接氧化过程主、副反映都是强放热反映，且副反映(深 度氧化)放热量是主反映十几倍，因而，对反映过程温度控制规定十分严格。当反映温度高时， 一是转化率增长，这意味着乙烯氧化总速率提高，二是生产环氧乙烷选取性减少，即更多乙 烯转化成二氧化碳和水，因而，这时反映热量急骤增长，不是使更多乙烯被氧化，而是使反映 过程选取性减少，副反映增长是更重要因素。可见，当反映温度升高时，反映热量就会不成比 例骤然增长，使反映过程失控，因此在生产中，对于氧化操作，普通均设有自动保护装置.

乙烯直接氧化反映过程，主反映是体积减少反映，副反映(深度氧化)是体积不变 反映。因而，采用加压操作有利。因主、副反映基本上都是不可逆反映，故压力对主、副反映平衡没有太大影响。
当前，工业生产上采用加压操作不是出于化学平衡需要，其目是提高乙烯和氧分压，加 快反映速率，提高反映器单位容积产率，以强化生产。但应看到，由于提高反映压力，反映速度 加快，相应就要提高反映器换热速率，这样对反映器构造就提出更高规定。
（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反映物体积数量。通
惯用每小时每升(或)催化剂通过原料气升(或 m3 )数来表达。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，而选取性将有所上升，在一定范畴内提高空速可提高设备生产能 力。但空速也不适当太高，因而虽然产量提高，然而环氧乙烷在反映气体中含量很低，导致分离困 难，动力消耗增长。空速也不适当太低，因而时虽然转化率增长，但选取性下降，生产能力也下降。 此外，空速大小还要依照催化剂活性及制造办法、反映温度、压力和反映气体构成等因素而定。
（4）原料配比与循环比
原料中乙烯与氧配比对反映过程影响很大，其值重要决定于原料混合气爆炸 极限。在混合气体中乙烯爆炸下限是 2.05％，在 2. 05—6.5％乙烯浓度范畴内氧含 量不得不不大于 71％。实际生产中一种是选用低氧高乙烯配比，另一种是高氧低乙烯配比。 从装置生产能力和经济性来看，低氧高乙烯操作优于高氧低乙烯操作，因而，在也许 体积下，应尽量采用低氧高乙烯操作。在拟定适当配料比时，还应注意到，提高乙 烯含量也许会导致尾气中乙烯损失过多而影响经济指标。当乙烯含量接近 5％时，操作 不易控制，反映温度增长不久，易产生飞温。因而，必要依照详细状况，综合考虑各方 面影响因素，来拟定最适当配料比。
循环比是指循环到主反映器循环气占主吸取塔顶排出气体总量百分数。在生产操作中，可 通过对的掌握循环比来严格控制氧含量。在工艺设计中，循环比直接影响主、副反映器生产负荷 分派。提高循环比，主反映器负荷增长。反之，副反映器负荷增长。生产中，应依照生产能力、动 力消耗及其他工艺指标来拟定适当循环比，普通为 85—90％左右。
（5）抑制剂 乙烯直接氧化制环氧乙烷是一种平行串联反映过程，在乙烯环氧化过程中，乙

烯定额消耗，并且发生深度氧化放热量很大，直接影响操作稳定。生产中除采用优良催化 剂，控制适当转化率及有限移出反映热等办法外，在反映系统中还使用适量副反映抑制剂。工 业上惯用抑制剂是 l,2-二氯乙烷。在催化剂预解决阶段，l,2 一二氯乙烷用量要多某些，而在 加压循环反映系统中，用量要少某些[7]。
（6）致稳剂选取
世界上生产环氧乙烷专利诸多，使用致稳剂有：氮气、甲烷、二氧化碳、乙烷 等。选取致稳剂需要依照生产安全性、稳定性和经济效益状况来拟定。当前世界上环氧 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，不但增长了生产过 程稳定性和安全性，并且有明显经济效益。

3.3.3 环氧乙烷生产工艺流程

环氧乙烷生产装置重要设备有反映器、吸取塔、反映系统气-气换热器和循环 气冷却器。本次设计生产能力为年产 1.5万吨环氧乙烷固定床反映器，年工作时间 为 7200 小时/年。
本次设计采用氧气氧化法进行环氧乙烷生产，以氧气作为氧化剂，乙烯在 1MPa、250℃下通过装有银催化剂固定床反映器，直接氧化为环氧乙烷。环氧乙烷生产系 统分为三某些：反映系统、回收系统和二氧化碳脱除系统。下面逐个进行简介。
1)环氧乙烷反映系统 反映系统是以一种循环过程来操作，以乙烯和氧气为原料使用甲烷致稳。从外界
贮罐来乙烯在过滤器中进行过滤，经换热器预热，然后按着一定路线进入混合器， 与从环氧乙烷吸取塔顶部通过度离器分离出循环气进行混合，乙烯混合器中循环气 进入压缩机吸入口并在氧气混合器之前，由压缩机进行压缩。
从外界来氧气进料通过过滤器之后在流量控制下进入氧气混合器。为了能在进料 之后和开车期间可靠地对氧气混合器进行吹扫，一种高压氮气压缩机及氮气吹扫罐连接 在紧靠氧气混合站上游氧气进料线上。为控制循环气中二氧化碳浓度，一股循环气
分支物流被送往二氧化碳脱除工段[8] 。 从氧气混合器出来具有乙烯和氧气循环气，在换热器管程进行加热后进入反
应器。在反映器壳程用石蜡油来移走反映热，以控制反映温度。具有环氧乙烷氧化
气进入附带循环气锅炉给水预热器，而后反映器出口全体流经循环器换热器壳程，

与反映器入口气体换热，被进一步冷却下来，之后循环气体进入循环气冷却器进行最后 冷却。
本反映使用一种气相状态抑制剂来控制反映活性，循环气在氧气进料混合器和循 环气热互换器之间分叉转向压入装有液体二氯乙烷贮罐，使这股循环气中二氯乙烷 浓度达到饱和，然后在乙烯进料混合器和循环气压缩机之间再次进入反映循环气中。反 应进料不是绝对纯净，有必要依次从分离器下游定期排放惰性组分。
2)环氧乙烷回收系统 从冷却器出来氧化气进入到环氧乙烷吸取塔底部，使用从环氧乙烷气提塔底部过
来乙二醇水溶液以及从泵过来工艺水进行吸取，保证吸取液浓度恒定在 7.5％ (wt％)，被吸取下来环氧乙烷按一定路线进到氧化物-水闪蒸罐进一步闪蒸出惰性气 体，然后经换热器进入环氧乙烷气提塔使环氧乙烷和水进行分离。环氧乙烷蒸汽从塔顶 出来经冷却器进行冷凝后收集在回流罐中，回流罐中环氧乙烷用泵打出一某些返回到 环氧乙烷气提塔顶部作回流用，另一某些送往排气塔中脱除二氧化碳，塔底用再沸器进 行加热，塔底中不含二氧化碳环氧乙烷经冷却器冷却后用泵送到环氧乙烷贮罐。
环氧乙烷气提塔顶部冷凝器中不凝气送到惰性气体洗涤塔中，同闪蒸罐中闪蒸出 惰性气体一起被洗涤后送往尾气压缩机吸入罐中，再进入尾气压缩机中压缩，经二氧 化碳脱除系统进入环氧乙烷反映循环系统。
在环氧乙烷吸取塔中未被吸取下来环氧乙烷以及其他惰性气体经分离器进一步 分离之后送往乙烯混合器中循环使用。
3)二氧化碳脱除系统 来自尾气压缩机一股气流和尾气压缩机出口气流混合为一股，进入二氧化碳吸
收塔底部，与从塔顶向下流动吸取剂在填料上充分接触完毕吸取后，进入二氧化碳 水洗塔，通过填料层和除雾器，除掉气流中夹带微量钾和矾化合物微粒，以防止 这些物质带入反映器导致催化剂中毒。这股气流冷却后返回到循环气流中，与其他物流 混合。
从二氧化碳吸取塔顶部流下二氧化碳吸取剂，在与循环气接触完毕二氧化碳吸 收之后，在二氧化碳吸取塔底部靠压差进入闪蒸罐中，这时吸取剂被称为富吸取剂， 富吸取剂在闪蒸罐中进行减压闪蒸，闪蒸出来气体进入尾气压缩机，再吸入罐中，经 尾气压缩机压缩后进入循环系统。闪蒸后吸取剂流向二氧化碳再生塔顶部，经再沸

器加热后，被吸取二氧化碳就释放出来，排入大气中。再生后吸取剂被称为贫吸取 剂，贫吸取剂集聚于再生塔底部，被分为三股，一股经再沸器加热循环，一股经泵在 过滤器中过滤存货使用，余下进入贫吸取剂闪蒸罐中再次进行闪蒸后由贫吸取剂泵打
回吸取塔中进行下一种循环[9] 。 水洗塔有两个循环回路来移走气体物流中微量钾和矾化合物，用二氧化碳水洗
塔下部循环泵把塔底液体抽出来经一种冷却器送到下部填料段顶部。用二氧化碳水
洗塔上部循环泵从上部填料段底部抽出液体，循环到上部填料段底部，抽出液体 再循环到上部填料段顶部。两个循环泵系统共用一台公用备用泵。高压工艺水通过 一流量控制器补充到上部循环回路中，以便控制水洗塔中钾浓度。用二氧化碳吸取 剂罐和二氧化碳吸取剂池作为二氧化碳脱除系统运营必要装置。无论是吸取剂罐还是
口
出 物 产
环氧乙烷浸渍塔
水
业 工
再吸取塔
环氧乙烷解析塔
机
缩 压 环
循
环氧乙烷洗涤塔
接触塔
碳
化 氧 二
再生塔
烯
乙
气
氧
吸取剂池都使用通入 65 kg / cm2 压力蒸汽蛇管进行加热，以防止环境温度下结冰上 冻，用贫吸取剂过滤器循环泵和二氧化碳吸取剂池泵在系统和贮存器之间进行吸取剂 输送。

氧化反映器
统
系 醇 二
乙 去
乙二醇进料解析塔
钾
酸 碳
图 3-1 银催化氧化乙烯合成环氧乙烷工艺流程

第四章 工艺计算

工艺参数优化涉及物料衡算和热量衡算两某些。物料衡算以质量守恒定律为基本， 重要计算所需物料量和产品量，还可以算出物料构成，拟定物料中各组分在化学反映 过程中定量转化关系，并通过衡算求得原料定额消耗。其计算根据是工艺流程图、
在工厂采集数据及设计时规定和查得各种参数[10-12] 。 热量衡算以能量守恒定律及物料衡算为基本，计算传入、传出热量，从而拟定公
用工程能耗以及传热面积。其计算根据与物料衡算相似[13] 。

4.1 设计条件

4.1.1 反映原理

(1)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：

主反映：
C2 H 4 +
1
O2 ® C2 H 4O
2
(4-1)

热量。
反映(4-1)为放热反映，在 250℃时，每生成一摩尔环氧乙烷要放出 25.19KJ

(2)在主反映进行同步，还发生其他副反映，其中重要是乙烯燃烧反映。

副反映：
CH 2 = CH 2 + 3O2 ® 2CO2 + 2H 2O
(4-2)

反映(4-2)为强放热反映，在 250℃，每反映掉 1mol 乙烯，可放出 315.9KJ 热量。

4.1.2 原料构成

表 4-1 原料气构成

组分
C2 H 4
CO2
O2
N2
含量（mol%)
3.4
7.7
5.6
83.3

4.1.3 反映器设计条件

原料进入反映器温度为 210℃
反映温度为 250℃
反映压力为 1MPa

乙烯转化率为 21.0%；选取性为 67.6%；空速为 5000h -1

年工作时间 7200 小时，年产量 15000 吨 反映产物分离后回收率为 90% 反映器内催化剂填充高度为管长 95%，每根管长 6 米
采用间接换热方式：导出液进口温度 230℃，出口温度 235℃,导出液对管壁给热 系数为 650W/m 2 ·K
催化剂为球体，D=5mm,床层孔隙率为 0.8

在 250℃，1MPa 下反映气体导热系数为 0.0304 W/m2 × K ,粘度为 4.26×10 -5 Pa·S,密 度为 7.17 kg / m3 。

4.2 物料衡算

1)反映某些工艺参数
环氧乙烷生产能力： 1.5万吨/年； 年操作时间：7200 小时 进入反映器温度：210℃； 反映温度：250℃ 乙烯转化率：21.0％； 选取性： 67.6%
反映空速：5000 h-1 ； 生产过程安全系数：1.04

反映产物分离后回收率：90% 原料构成如表 4-1 所示。


表 4-1 原料气构成

组分
C2 H 4
CO2
O2
N2
含量(mol%)
3.4
7.7
5.6
83.3
各组分分子量如表 4-2 所示：(均取自《石油化工基本数据手册》)[4]
表 4-2 各组分分子量

组分
C2 H 4
CO2
O2
N2
C2 H 4O
H 2O
分子量
28.054
44.010
31.999
28.013
44.054
18.015
2)反映某些基本计算 (1)以100kmol/h气体进料为基准，依照已知原料气构成，计算出每小时进入反映
器各种气体组分摩尔数，计算成果列于表4-3中。
(2)依照反映方程式及已知数据，计算反映器出口气体量。
1

主反映：
CH 2 = CH 2 ＋
O2 ® C2 H 4 O
2
(4-1)

副反映：
CH 2 = CH 2 + 3O2 ® 2H 2 O + 2CO 2
(4-2)

已知乙烯转化率为20％，选取性为66％，进入反映器乙烯量为3.4kmol/h 由式(4-1)有 消耗乙烯量：3.4×0.21×0.676=0.4827kmol
消耗氧气量：0.4827×0.5＝0.2414kmol 生成环氧乙烷量：0.4827 kmol
由式(4-2)有 消耗乙烯量：3.4×0.21×(1-0.676)=0.2313kmol
消耗氧气量：0.2313×3=0.6939kmol 生成二氧化碳量：0.2313×2=0.4626kmol 生成水量：0.2313×2=0.4626kmol
可知 未反映乙烯量：3.4-0.4827-0.2313=2.686kmol 未反映氧气量：5.6-0.2244-0.6936=4.665kmol 出反映器二氧化碳量：7.7+0.4624=8.1626kmol 出反映器水量：0+0.4626=0.4626kmol
氮气、氩气和甲烷量在反映过程中不发生变化，因此出口气体中各组分量如表
4-3所示。

表4-3 反映器入口和出口气体量(kmol/h)

组分
C2 H 4
CO2
O2
N2
C2 H 4O
H 2O
入口
3.4
7.7
5.6
83.3
0
0
出口
2.72
4.682
8.1624
83.3
0.4488
0.4624
(3)实际装置每小时生产环氧乙烷可折算为

1.5´107

= 52.54kmol / h

7200 ´ 44.054 ´ 0.90

综上所述，气体进料为100kmol/h时，可生产环氧乙烷0.4827kmol/h。若要达到
52.54kmol/h环氧乙烷生产能力，则所需原料量为 35.03 ´100 = 10884.607kmol / h
0.4488
为了保证所设计装置可以达到所规定生产能力，必要考虑到原料损失等因素， 普通取安全系数为1.04。则实际进料量为1.04×10884.607＝11319.991kmol/h
3)原料气与出口气构成计算
依照基准 气体进料 为 100kmol/h 时计 算成果， 可以折算 出实际进 料量 为
10884.607kmol/h时物料衡算状况。如表4-4所示。
表4-4 实际进料时物料衡算

(a) 原料气物料衡算

组分
g/mol
kmol/h
kg/h
mol%
wt%
C2 H 4
28.054
384.880
10797.424
3.4
3.24
O2
44.010
633.919
20284.774
5.6
6.08
CO2
31.999
871.639
38360.832
7.7
11.50
N2
28.013
9429.553
264150.068
83.3
79.18
C2 H4O
44.054
0
0
0
0
H 2O
18.015
0
0
0
0
共计

11319.991
333593.098
100
100
(b) 出口气物料衡算

组分
g/mol
kmol/h
kg/h
mol%
wt%
C2 H 4
28.054
303.77
6203.02
2.69
2.593

O2
44.010
528.5
12154.82
4.68
5.081
CO2
31.999
105.74
29157.51
8.18
12.189
N2
28.013
9429.4
189425.59
83.5
79.185
C2 H4O
44.054
54.2
1605.77
0.48
0.671
H 2O
18.015
51.95
671.24
0.46
0.281
共计

11292.7
239217.95
100
100

4.3 热量衡算

反映器热量衡算参照《环氧乙烷与乙二醇生产》环节进行 [14-17] 。设原料气带
入热量为Q1，反映热为Q2，出口气带出热量为Q3，换热器互换热量为Q4。当忽视热损失时，有

1)各组分比热
Q1+Q2=Q3+Q4 (4-3)

(1)由《化工热力学》[5]可查得抱负气体比热计算式

P
C 0 = A + BT + CT 2 + DT 3
(4-4)

上式中各项系数值如表4-5所示。将各项系数代入上式，即可求得原料气中各组 分在任一温度T时定压比热。
表4-5 各组分定压比热系数值

组分
A
B×10
C×10 5
D×10 8
C2 H 4
5.703732
1.438947
-6.728475
1.179194
O2
26.0082
0.117472
－0.234106
－0.0561944
CO2
23.05666
0.5687698
－3.182815
0.6387703
N2
29.47170
－0.0476501
1.270622
－0.4793994
H 2O
32.41502
0.00342214
1.285147
－0.4408350
C2 H4O
－7.591119
2.223796
－12.60438
2.612272
p
(2)原料气温度为 210℃,氧化气温度为 250℃.在此条件下各组分 C0 值如表 4-6 所

示

p
表4-6 各组分 C0 值(J/mol·K)

组分
C2 H 4
O2
CO2
N2
原料气
60.8
31.1
43.8
29.6

组分
C2 H 4
O2
CO2
N2
H 2O
C2 H4O
氧化气
64.3
31.4
45.0
29.8
35.5
78.0
由《化工热力学》可查得真实气体与抱负气体比热之间关系计算式

0 0 0 1

Cp = Cp + DCp = Cp + DCp + wDCp
(4-5)

而 ΔCp0 和 ΔCp1 与 Tr 、Pr 关系可在《化工热力学》图 3-10 中查出。 原料气温度为 210+273.15＝483.15K，压力 P 为 1MPa；氧化气温度为
250+273.15＝523.15K,压力 P 为 1MPa。
查表计算，各项计算成果如表 4-7、4-8 所示。比热单位为 J/mol·K
表4-7 原料气中各组分定压比热压力校正参数

组分
C2 H 4
O2
CO2
N2
Tc / K