化學(xué)反應(yīng)工程課程設(shè)計(jì)：年產(chǎn)13400噸環(huán)氧乙烷的固定床第一反應(yīng)器

1、遼寧科技學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì)課程名稱： 化學(xué)反應(yīng)工程課程設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 學(xué) 院： 生物醫(yī)藥與化學(xué)工程學(xué)院 班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 2012年 1 月設(shè)計(jì)任務(wù)書題目：年產(chǎn)13400噸環(huán)氧乙烷的固定床第一反應(yīng)器1.設(shè)計(jì)條件（1）技術(shù)指標(biāo) 年工作287天，反應(yīng)后經(jīng)分離、精制過程，回收率為90%，第一反應(yīng)器所生產(chǎn)產(chǎn)品占總產(chǎn)量的90%，要求年產(chǎn)13400噸（2）反應(yīng)器操作條件進(jìn)料溫度483K、反應(yīng)溫度523K、反應(yīng)壓力981KPa、空速需查5000h-1；轉(zhuǎn)化率20%，選擇性66% 。（3）催化劑 球形催化劑（以銀為催化劑）DP =5mm，空隙率=0.48（4）反應(yīng)器形式 第一反應(yīng)器采用列管式固定床

2、反應(yīng)器，管徑為27mm×2.5mm,管長(zhǎng)8mm,催化劑充填高度5.7m。（5）換熱條件 采用道生油強(qiáng)制外循環(huán)換熱，道生油進(jìn)口溫度503K,出口溫度508K,道生油對(duì)管壁給熱系數(shù)0 = 2717Kj/(m2·h·K)。（6）原料氣組成組分C2H4CO2O2N2含量（mol%）3.47.75.683.32.設(shè)計(jì)要求（1）搜集和整理物性數(shù)據(jù)，確定設(shè)計(jì)任務(wù)書中沒有給定工藝參數(shù)；（2）反應(yīng)過程的物料衡算與熱量衡算；（3）反應(yīng)器的主要工藝尺寸的確定、反應(yīng)器內(nèi)管子數(shù)量計(jì)算；（4）催化劑用量和床層壓力降的計(jì)算；（5）繪制有關(guān)圖紙3.設(shè)計(jì)成果（1）設(shè)計(jì)說明書一份設(shè)計(jì)說明書的內(nèi)容應(yīng)包

3、括：設(shè)計(jì)任務(wù)書，摘要，Abstract,目錄，概述（環(huán)氧乙烷的性質(zhì)），設(shè)計(jì)方案確定，工藝計(jì)算，設(shè)計(jì)結(jié)果匯總，設(shè)計(jì)評(píng)述與討論，參考文獻(xiàn)，致謝。 設(shè)計(jì)方案的確定：環(huán)氧乙烷生產(chǎn)方法的確定、催化劑的選擇、生產(chǎn)工藝條件的確定（反應(yīng)溫度、壓力、空速）環(huán)氧乙烷生產(chǎn)工藝流程。工藝計(jì)算：反應(yīng)原理、原料組成、反應(yīng)器條件、物料衡算、熱量衡算。反應(yīng)器設(shè)計(jì)：催化劑用量、反應(yīng)器的基本尺寸、床層壓力降計(jì)算、傳熱面積的核算（給熱系數(shù)、總傳熱系數(shù)、傳熱面積的核算）反應(yīng)器直徑的確定設(shè)計(jì)評(píng)述與討論：對(duì)自己完成的設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，取得了哪些成果，尚存在哪些問題或不足，以及改進(jìn)的意見和措施。（2）設(shè)計(jì)圖紙生產(chǎn)系統(tǒng)的工藝流程圖（2#圖紙）；

4、主設(shè)備圖（2#圖紙），以及溫度轉(zhuǎn)化率、壓力與床層高度的曲線。題目：年產(chǎn)13400噸環(huán)氧乙烷的固定床第一反應(yīng)器摘 要 采用乙烯直接氧化法對(duì)年產(chǎn)13400噸環(huán)氧乙烷的裝置進(jìn)行初步的工藝設(shè)計(jì)。主要對(duì)環(huán)氧乙烷的氧化反應(yīng)器進(jìn)行了工藝和設(shè)備尺寸的參數(shù)優(yōu)化。 簡(jiǎn)介了直接氧化法合成環(huán)氧乙烷的方法及反應(yīng)原理。根據(jù)設(shè)計(jì)條件和要求，通過物料恒算、熱量恒算及其他工藝計(jì)算設(shè)計(jì)出年產(chǎn)13400噸環(huán)氧乙烷的固定床反應(yīng)器，并確定反應(yīng)器的選型和尺寸，計(jì)算壓降，催化劑用量等，設(shè)計(jì)出符合要求的反應(yīng)器。關(guān)鍵詞 :環(huán)氧乙烷；固定床反應(yīng)器；設(shè)計(jì)計(jì)算Topic：Annual output of 13400 tons of ethylene

5、 oxide, the first fixed-bed reactorAbstract This design presents a preliminary process design ofoxirane unit that using the direc oxidation of ethylene，call produced oxirane 13400 tons every yearIn the design，wemainly calculated the process parameter and the size of the oxidized reactor Introduced d

6、irect oxidation synthesis methods of epoxy ethane and reaction principle.According to the design conditions and requirements，through constant calculate, heat material constant calculate and other process calculation designed annual l34,00 tons of epoxy ethane fixed-bed reactor, and determined the re

7、actor selection and size, calculate pressure drop, catalyst etc, designed to meet the requirements of the reactor.Keywords Oxirane ,Fixed-bed reactor,Design and calculation目錄1概述52 環(huán)氧乙烷的性質(zhì)62.1物理性質(zhì)62.2化學(xué)性質(zhì)63設(shè)計(jì)方案及反應(yīng)器型的確定83.1 環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)方法的確定83.2 環(huán)氧乙烷生產(chǎn)工藝條件的確定93.2.1 反應(yīng)溫度93.2.2 反應(yīng)壓力93.2.3 空速93.3催化劑的選擇93.4環(huán)氧乙

8、烷生產(chǎn)的工藝流程103.4.1 工藝流程概述104 設(shè)計(jì)條件114.1 反應(yīng)原理114.2 原料組成114.3 反應(yīng)器條件114.4 物料衡算124.5 熱量衡算145反應(yīng)器的設(shè)計(jì)175.1 計(jì)算催化劑床層體積175.2 反應(yīng)器的管數(shù)計(jì)算與確定175.3 第一反應(yīng)器內(nèi)徑的確定185.4傳熱面積的核算19床層對(duì)壁面的給熱系數(shù)195.4.2 總傳熱系數(shù)的計(jì)算205.4.3 傳熱面積的核算205.4.4 床層壓力降的計(jì)算21設(shè)計(jì)結(jié)果匯總22設(shè)計(jì)評(píng)述與總結(jié)22參考文獻(xiàn)231 概述環(huán)氧乙烷(Oxirane)又名氧化乙烯(Ethylene Oxide)，是最簡(jiǎn)單的環(huán)狀醚。分子式C2H4O，分子量44.05

9、，易燃易爆有毒的液體。在環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)發(fā)展過程中，生產(chǎn)技術(shù)和工藝過程都有不斷的改進(jìn)和革新，到目前為止，世界上幾乎所有的環(huán)氧乙烷都是用乙烯直接氧化法生產(chǎn)的。直接氧化法中，首先出現(xiàn)的是空氣氧化法，而后氧氣氧化法問世，二者并行：近幾十年來，許多廠家都采用氧氣氧化法生產(chǎn)環(huán)氧乙烷，因?yàn)檠鯕庋趸ú恍枰諝鈨艋到y(tǒng)，并且氧氣氧化法的環(huán)氧乙烷收率高于空氣氧化法，乙烯單耗較低。由于用純氧作氧化劑，連續(xù)引入系統(tǒng)的惰性氣體大為減少，未反應(yīng)的乙烯基本上可完全循環(huán)使用。本設(shè)計(jì)采用氧氣直接氧化法，對(duì)原有的單元設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)能力標(biāo)定和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)定。在此基礎(chǔ)上，查閱了大量資料，根據(jù)設(shè)計(jì)條件，通過物料衡算、熱量衡算、反應(yīng)器的選

10、型及尺寸的確定，計(jì)算壓降、催化劑的用量等，設(shè)計(jì)出符合設(shè)計(jì)要求的反應(yīng)器。2 環(huán)氧乙烷的性質(zhì)2.1物理性質(zhì)常溫下環(huán)氧乙烷為無色、具有甜醚味的氣體。在較低的溫度下環(huán)氧乙烷成為無色、透明、易流動(dòng)的液體。易溶于水、醚和醇等有機(jī)溶劑，沸點(diǎn)為283.5K，熔點(diǎn)161.7K,燃點(diǎn)702K，自燃點(diǎn)844K，爆炸范圍為3.6%-78%（體積分?jǐn)?shù)），在空氣中允許濃度為150mg/kg，粘度在10時(shí)為，熱導(dǎo)率在25時(shí)0.0001239J/(cm.s.k)，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下比熱容為1.96KJ/kg.K。2.2化學(xué)性質(zhì)環(huán)氧乙烷的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，能與很多化合物進(jìn)行反應(yīng)，其反應(yīng)主要是環(huán)氧乙烷開環(huán)與其它化合物進(jìn)行加成反應(yīng)，放出

11、大量反應(yīng)熱，有的反應(yīng)進(jìn)行得非常劇烈，甚至產(chǎn)生爆炸。(1)分解反應(yīng)氣體環(huán)氧乙烷在約400時(shí)開始分解，主要生成CO、CH4以及C2H6、C2H4、H2、C、CH3CHO等(2)加成反應(yīng)環(huán)氧乙烷與含有活潑氫原子的化合物，生產(chǎn)含OH的化合物與水反應(yīng)環(huán)氧乙烷與水反應(yīng)生成乙二醇，這是工業(yè)上生產(chǎn)乙二醇的方法。 該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，熱效應(yīng)為963kJ/mol。反應(yīng)過程不采用催化劑。與醇類反應(yīng)環(huán)氧乙烷與醇反應(yīng)生成醚，其反應(yīng)的最終產(chǎn)品是至少含一個(gè)羥基的醚。 與苯酚反應(yīng)環(huán)氧乙烷與苯酚反應(yīng)生成苯氧基乙醇。 (3)氧化還原反應(yīng)在鈉汞齊及催化劑存在下環(huán)氧乙烷加氫還原生成乙醇，此反應(yīng)沒有工業(yè)意義。環(huán)氧乙烷在鉑黑等催化劑存下可

12、以有控制地氧化成羥基乙酸，最終則被氧化成二氧化碳及水。(4)異構(gòu)化反應(yīng)環(huán)氧乙烷在三氧化二鋁、磷酸、磷酸鹽等催化劑存在下可異構(gòu)化為乙醛。 在一定的條件下銀催化劑也有此功能，這是乙烯氧化制環(huán)氧乙烷過程的副反應(yīng)之一，要極力避免，因?yàn)槿┑拇嬖谠黾恿谁h(huán)氧乙烷提存凈化的難度。(5)與雙鍵進(jìn)行加成反應(yīng)環(huán)氧乙烷和以下一些含雙鍵的化合物可進(jìn)行加成反應(yīng)生成環(huán)狀化合物，例如R2C=O、SC=S、O2S=O、RN=CO、OS=O等。(6)與格利雅試劑反應(yīng)環(huán)氧乙烷與格利雅試劑反應(yīng)可生成比原來烷基多兩個(gè)碳原子的醇，這是實(shí)驗(yàn)室制備加長(zhǎng)碳鏈醇的一種辦法，羥基在鏈的端部。（7)齊聚反應(yīng)環(huán)氧乙烷進(jìn)行齊聚反應(yīng)可生成冠醚，催化劑為含

13、氟的路易斯酸。反應(yīng)在室溫、常壓下進(jìn)行。(8)與二甲醚反應(yīng)在BF3作用下環(huán)氧乙烷與二甲醚反應(yīng)生成聚乙二醇二甲醚。該反應(yīng)在工業(yè)上用來生產(chǎn)低分子量的均聚物，其產(chǎn)品廣泛用作溶劑。3設(shè)計(jì)方案及反應(yīng)器型的確定3.1 環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)方法的確定目前，我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的方法有氯醇法和乙烯氧化法兩種，乙烯氧化法又分為乙烯空氣氧化法及乙烯氧氣氧化法。(1)氯醇法 氯醇法環(huán)氧乙烷生產(chǎn)分兩步進(jìn)行：氯氣與水反應(yīng)生成次氯酸，再與乙烯反應(yīng)生成氯乙醇；氯乙醇用石灰乳皂化生成環(huán)氧乙烷。(2) 直接氧化法 直接氧化法，分為空氣法和氧氣法兩種。這兩種氧化方法均采用列管式固定床反應(yīng)器。反應(yīng)器是關(guān)鍵性設(shè)備，與反應(yīng)效果密切相關(guān)，其反應(yīng)

14、過程基本相同，都包括反應(yīng)、吸收、汽提和蒸餾精制等工序?？諝庋趸ǎ捍朔椒ㄓ每諝鉃檠趸瘎虼吮仨氂锌諝鈨艋b置，以防止空氣中有害雜質(zhì)帶入反應(yīng)器而影響催化劑的活性。通常以低轉(zhuǎn)化率進(jìn)行操作，保持在2050范圍內(nèi)。氧氣氧化法：氧氣法不需要空氣凈化系統(tǒng)，而需要空氣分離裝置或有其它氧源。由于用純氧作氧化劑，連續(xù)引入系統(tǒng)的惰性氣體大為減少，未反應(yīng)的乙烯基本上可完全循環(huán)使用。從吸收塔頂出來的氣體必須經(jīng)過脫碳以除去二氧化碳，然后循環(huán)返回反應(yīng)器，不然二氧化碳濃度超過15(mol)，將嚴(yán)重影響催化劑的活性。(2)環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)方法比較環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)方法各具特點(diǎn)。氯醇法生產(chǎn)工藝的嚴(yán)重缺點(diǎn)大致有：消耗氯氣，排放大量污

15、水，造成嚴(yán)重污染；乙烯次氯酸化生產(chǎn)氯乙醇時(shí)，同時(shí)副產(chǎn)二氧化碳等副產(chǎn)物，在氯乙醇皂化時(shí)生產(chǎn)的環(huán)氧乙烷可異構(gòu)化為乙醛，造成環(huán)氧乙烷損失，乙烯單耗高；氯醇法生產(chǎn)的環(huán)氧乙烷，醛的含量很高，約為50007000mg/m3，最低亦有2500mg/m3。氯醇法生產(chǎn)環(huán)氧乙烷，由于裝置小、產(chǎn)量少、質(zhì)量差、消耗高，因而成本也高，與大裝置氧化法生產(chǎn)的高質(zhì)量產(chǎn)品相比失去了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。故根據(jù)環(huán)保及成本的限制要求本實(shí)驗(yàn)采用直接空氣氧化法、。氧化法生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的關(guān)鍵是催化劑的選擇。雖然大多數(shù)金屬和金屬氧化物催化劑都能使乙烯發(fā)生環(huán)氧化反應(yīng)，但是生成環(huán)氧乙烷的選擇性很差，氧化結(jié)果主要生成二氧化碳和水。只有銀催化劑例外，在銀催

16、化劑上乙烯能選擇性地氧化成環(huán)氧乙烷，該催化劑在選擇性、強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和壽命等方面都有一定的特色。3.2 環(huán)氧乙烷生產(chǎn)工藝條件的確定環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)受反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、空間速度與空管線速度、原料配比和循環(huán)比、抑制劑等工藝條件的制約。3.2.1 反應(yīng)溫度溫度直接影響化學(xué)反應(yīng)速度，在工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)反應(yīng)過程的具體情況，采取相應(yīng)措施，當(dāng)反應(yīng)溫度高時(shí)，一是轉(zhuǎn)化率增加，這意味著乙烯氧化的總速率提高，二是生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的選擇性降低，即更多的乙烯轉(zhuǎn)化成二氧化碳和水，因此，這時(shí)反應(yīng)熱量的急驟增加，不是使更多的乙烯被氧化，而是使反應(yīng)過程的選擇性降低，副反應(yīng)增加是更重要的原因。此外，在催化劑使用初期，其活性較高，宜

17、采用較低的操作溫度。3.2.2 反應(yīng)壓力乙烯直接氧化反應(yīng)過程，主反應(yīng)是體積減少的反應(yīng)，副反應(yīng)(深度氧化)是體積不變的反應(yīng)。因此，采用加壓操作有利。3.2.3 空速空間速度簡(jiǎn)稱空速，所謂空速是指單位時(shí)間內(nèi)，通過單位體積催化劑的反應(yīng)物的體積數(shù)量。通常用每小時(shí)每升(或m3)催化劑通過的原料氣的升(或m3)數(shù)來表示。對(duì)于乙烯直接氧化過程，實(shí)踐證明，提高空速，轉(zhuǎn)化率會(huì)略有下降，而選擇性將有所上升，在一定范圍內(nèi)提高空速可提高設(shè)備的生產(chǎn)能力。3.3催化劑的選擇氧化法生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的關(guān)鍵是催化劑的選擇。雖然大多數(shù)金屬和金屬氧化物催化劑都能使乙烯發(fā)生環(huán)氧化反應(yīng)，但是生成環(huán)氧乙烷的選擇性很差，氧化結(jié)果主要生成二氧化

18、碳和水。只有銀催化劑例外，在銀催化劑上乙烯能選擇性地氧化成環(huán)氧乙烷，該催化劑在選擇性、強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和壽命等方面都有一定的特色。近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)活性組分銀的開發(fā)研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。也有不少學(xué)者試圖開發(fā)另一類金屬取代銀，但至今仍認(rèn)為活性組分銀是乙烯氧化生成環(huán)氧乙烷的最佳催化劑。3.4環(huán)氧乙烷生產(chǎn)的工藝流程環(huán)氧乙烷生產(chǎn)裝置的主要設(shè)備有反應(yīng)器、吸收塔、反應(yīng)系統(tǒng)的氣-氣換熱器和循環(huán)氣冷卻器。其設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為年產(chǎn)13400噸環(huán)氧乙烷，設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為287天年。3.4.1 工藝流程概述本次設(shè)計(jì)采用氧氣氧化法進(jìn)行環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)，以氧氣作為氧化劑，乙烯在1MPa、250下通過裝有銀催化劑的固定床反應(yīng)器，直接氧

19、化為環(huán)氧乙烷。環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)系統(tǒng)分為三部分：反應(yīng)系統(tǒng)、回收系統(tǒng)和二氧化碳脫除系統(tǒng)。如圖。 4 設(shè)計(jì)條件工藝參數(shù)優(yōu)化包括物料衡算和熱量衡算兩部分。物料衡算以質(zhì)量守恒定律為基礎(chǔ)，主要計(jì)算所需物料量和產(chǎn)品量，還可以算出物料的組成，確定物料中各組分在化學(xué)反應(yīng)過程中的定量轉(zhuǎn)化關(guān)系，并通過衡算求得原料的定額消耗。其計(jì)算依據(jù)是工藝流程圖、在工廠采集的數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)時(shí)要求的和查得的各種參數(shù)。熱量衡算以能量守恒定律及物料衡算為基礎(chǔ)，計(jì)算傳入、傳出的熱量，從而確定公用工程的能耗以及傳熱面積。其計(jì)算依據(jù)與物料衡算相同。4.1 反應(yīng)原理 乙烯和氧氣在銀催化劑上，于一定溫度和壓力下，直接氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷，反應(yīng)方程式可表為：

20、（1） 主反應(yīng)： 反應(yīng)為放熱反應(yīng)。（2）在主反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)，還發(fā)生其它副反應(yīng)，其中主要是乙烯的燃燒反應(yīng)。副反應(yīng)： 反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)。4.2 原料組成原料氣的組成組分C2H4CO2O2N2含量（mol%)3.47.75.683.34.3 反應(yīng)器條件原料進(jìn)入反應(yīng)器的溫度為483K反應(yīng)溫度為523K反應(yīng)壓力為981kPa乙烯轉(zhuǎn)化率為20%；選擇性為66%；空速為5000h-1年工作時(shí)間287天，年產(chǎn)量13400噸反應(yīng)產(chǎn)物分離后回收率為90%反應(yīng)器內(nèi)催化劑填充高度為管長(zhǎng)5.7m，每根管長(zhǎng)8m采用間接換熱方式：導(dǎo)出液進(jìn)口溫度230°C，出口溫度235°C,導(dǎo)出液對(duì)管壁的給熱系數(shù)為0

21、= 2717kJ/(m2·h·K)催化劑為球體，D=5mm,床層孔隙率為0.8在523K，981MPa下反應(yīng)氣體導(dǎo)熱系數(shù)為，粘度為，密度為7.17Kg/m34.4 物料衡算(1)反應(yīng)部分的工藝參數(shù)環(huán)氧乙烷生產(chǎn)能力：13400噸/年； 年操作時(shí)間：287d;進(jìn)入反應(yīng)器的溫度：483K； 反應(yīng)溫度：523K;乙烯轉(zhuǎn)化率：20； 選擇性：66%;反應(yīng)空速：5000； 反應(yīng)產(chǎn)物分離后回收率：90% .原料組成如表所，示： 原料氣的組成及各組分的分子量組分C2H4CO2O2N2含量（mol%)3.47.75.683.3各組分的分子量如表所示：（基本有機(jī)化工工藝學(xué)）各組分的分子量組分C

22、2H4CO2O2N2C2H4OH2O分子量28.05444.01031.99928.01344.05418.015(2)反應(yīng)部分的基礎(chǔ)計(jì)算根據(jù)已知原料氣的組成，計(jì)算出每小時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器的各種氣體組分的摩爾數(shù)，計(jì)算結(jié)果列于下表中。根據(jù)反應(yīng)方程式及已知數(shù)據(jù)，計(jì)算反應(yīng)器出口的氣體量。 主反應(yīng)： (1) 副反應(yīng)： (2)已知乙烯轉(zhuǎn)化率為20，選擇性為66，按年產(chǎn)13400噸環(huán)氧乙烷計(jì)算，考慮過程損失后每小時(shí)生產(chǎn)環(huán)氧乙烷量為WG:kg/h有第一反應(yīng)器加入乙烯的量FO為按原料氣組成，求得原料氣中個(gè)組分含量為： 在（1）中消耗乙烯量：334.5433×0.2×0.6644.1597kmol

23、/h 消耗氧氣量：44.1597×0.522.0799kmol/h 生成環(huán)氧乙烷量：44.1597kmol/h在(2)中消耗乙烯量：334.5433×0.2×(1-0.66)=22.7489kmol/h 消耗氧氣量：22.7489×3=68.2467kmol/h 生成二碳氧化量：22.7489×2=45.4978kmol/h 生成水量：22.7489×2=45.4978kmol/h則可知 未反應(yīng)的乙烯量：334.5433-44.1597-22.7489=267.6347kmol/h 未反應(yīng)的氧氣量：551.0125-22.0799-6

24、8.2467=460.6859kmol/h 出反應(yīng)器的二氧化碳量：45.4978+757.6422=803.1400kmol/h 出反應(yīng)器的水量：0+45.4978=45.4978kmol/h 出反應(yīng)器的環(huán)氧乙烷量：0+44.1597=44.1597kmol/h出反應(yīng)器的物料總量：267.6347+460.6859+803.1400+45.4978+ 44.1597+8196.3109=9817.4290kmol/h 氮?dú)饬吭诜磻?yīng)過程中不發(fā)生變化，所以出口氣體中各組分的量如表所示。反應(yīng)器入口和出口的氣體量(mol/%)組分入口3.47.75.683.300出口2.72618.18084.692

25、583.48730.44980.4634物料進(jìn)料出料(kmol/h)W(kg/h)F(kmol/h)W(kg/h)乙烯334.54339385.2777267.63477508.2239氧551.012517631.8490460.685914741.4881二氧化碳757.642233343.8332803.140035346.1914氮8196.3109229603.25748196.3109229603.2574環(huán)氧乙烷0044.15971945.4114水0045.4978819.6429合計(jì)9839.5089289964.217110432.3983289964.2151。4.5 熱

26、量衡算反應(yīng)器的熱量衡算（基準(zhǔn)溫度取298K) 反應(yīng)熱根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在298K時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱為。反應(yīng)器的熱量衡算，設(shè)原料氣帶入的熱量為Q1，氧化氣帶出的熱量為Q2，反應(yīng)熱為Qr，反應(yīng)器的撤熱量為Q，當(dāng)忽略熱損失時(shí)，有 Q1+Q2=Qr+Q (1)各組分的比熱由化工設(shè)計(jì)在熱量衡算中可知，在工程計(jì)算中，常使用物質(zhì)的平均定壓摩爾熱容CPf。假如物質(zhì)在T1到T2范圍內(nèi)的CP-T關(guān)系為一直線，可以證明，此溫度范圍內(nèi)的平均定壓熱容CPf等于溫度下物質(zhì)的熱容，也等于T1到T2溫度下物質(zhì)熱容CP1和CP2的算術(shù)平均值，一般來說，物質(zhì)的CP-T關(guān)系不是直線，但他的曲率并不大，只要計(jì)算時(shí)溫度范圍不大，常把曲線關(guān)系當(dāng)

27、做直線關(guān)系來近似處理，所以上述平均熱容的辦法可行。在物理化學(xué)書中差得不同溫度下的比熱容，如下表組分298K時(shí)/（JmolK)483K時(shí)/（JmolK)523K時(shí)/（JmolK)乙烯43.7261.8265.30氧氣29.35530.9031.31氮?dú)?9.1229.5229.70二氧化碳37.1144.0445.23環(huán)氧乙烷47.9177.93水33.57735.48由計(jì)算得平均熱容如下表組分（298K-483K）的（JmolK)(298K-523K)的（JmolK)乙烯52.6954.43氧氣30.1330.33氮?dú)?9.3229.41二氧化碳40.5841.17水34.53環(huán)氧乙烷62.9

28、2由熱量計(jì)算式 Q=mCPf(T1-T2)（1）氣體原料帶入的熱量Q1的計(jì)算 = 5.6479107kJ/h反應(yīng)后氣體產(chǎn)物帶走熱量的計(jì)算 =6.9056107kJ/h（3） 反應(yīng)熱的計(jì)算=103.3844.1597103+1323.122.7489103=3.4664107kJ/h（4） 傳給導(dǎo)生油的熱量的計(jì)算按熱量衡算原理（忽略散熱損失）反應(yīng)前后熱量守恒則則傳熱量為 5反應(yīng)器的設(shè)計(jì) 在物料衡算和熱量衡算的基礎(chǔ)上，可以對(duì)反應(yīng)部分主要設(shè)備的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。這一部分主要是反應(yīng)器的工藝參數(shù)優(yōu)化。 設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力：1.34萬噸/年年操作時(shí)間：287天6888小時(shí)；本設(shè)計(jì)采用兩臺(tái)反應(yīng)器并聯(lián)進(jìn)行反應(yīng)。

29、已知：(1)每小時(shí)輸入的原料氣量總為9839.5089kmol/h； (2)以銀為催化劑，顆粒為球形，d=5mm，空隙率； (3)反應(yīng)溫度為523K，操作壓力為1MPa，空速為5000h-1； (4)反應(yīng)器列管規(guī)格為27×2.5mm； (5)反應(yīng)熱用油撤走，導(dǎo)出液進(jìn)口溫度503K，導(dǎo)出液出口溫度508K； (6)原料氣進(jìn)口溫度為483K，氧化氣出口溫度為523K。5.1 計(jì)算催化劑床層體積進(jìn)入反應(yīng)器的氣體總流量為9839.5089Kmol/h，空速設(shè)為S=5000,則反應(yīng)器中催化劑的裝填體積為：由于氣體進(jìn)料則PV=nRT可計(jì)算 V= 5.2 反應(yīng)器的管數(shù)計(jì)算與確定對(duì)于列管式固定床反應(yīng)

30、器，首先應(yīng)根據(jù)傳熱要求選定選擇27mm的不銹鋼管作為反應(yīng)器的反應(yīng)管規(guī)格，再求出反應(yīng)管根數(shù)n。給定管子的規(guī)格，故管子的內(nèi)徑為 (根據(jù)化工原理（上）附表7.2<熱軋無縫鋼管>GB8163-87選擇)反應(yīng)管根數(shù)由于管長(zhǎng)l=8m，催化劑充填高度L=5.7m,所以反應(yīng)器管數(shù)n為(根）如果采用正三角形排列，取實(shí)際管數(shù)為N=3675根。5.3 第一反應(yīng)器內(nèi)徑的確定按三角形排列，取管心距t=1.5d00.0405m，最外端管心與反應(yīng)器的器壁距離e=60mm，則管排總截面積為反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)D為反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)D為取反應(yīng)器的內(nèi)徑D為2.700m5.4傳熱面積的核算5.4.1床層對(duì)壁面的給熱系數(shù) 對(duì)于氧化反應(yīng)器，

31、催化劑床層是被冷卻的。此時(shí)催化劑床層與反應(yīng)器內(nèi)壁的給熱系數(shù)，可用下式進(jìn)行計(jì)算： 式中床內(nèi)氣體的給熱系數(shù)，； 反應(yīng)管內(nèi)徑，m； 催化劑顆粒直徑，m； 通過床層的氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，； 氣體的粘度，kg/m·s： 氣體的線速度，m/s； 通過床層的氣體的密度，。氣體的線速度可由公式 得 由公式得 5.4.2 總傳熱系數(shù)的計(jì)算 以管外表面為基準(zhǔn)，碳鋼反應(yīng)管導(dǎo)熱系數(shù)取。其計(jì)算公式如下 參見化工原理（上）P209（6-117）由公式可得 5.4.3 傳熱面積的核算 對(duì)數(shù)平均溫差公式為（化工原理上P213(6-132)） 換熱介質(zhì)采用逆流，則由上式得 又 則有 又 則有可知A實(shí)>A需，即實(shí)際傳

32、熱面積大于按傳熱計(jì)算所需的傳熱面積，所以設(shè)計(jì)符合要求。5.4.4 床層壓力降的計(jì)算由基本有機(jī)化學(xué)工程(下冊(cè))可查得如下計(jì)算公式 式中P床層壓力降，； H 催化劑床層高度，m： G 質(zhì)量流速，kg/m2.s； 氣體密度，kg/m3； g重力加速度，m/s2； 固定床空隙率； 催化劑顆粒當(dāng)量直徑，m； 氣體粘度，Pa·S或(kg/m·s)；本次設(shè)計(jì)所選用的催化劑為d=5mm的球型，計(jì)算其直徑為 由上式得 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總氧化反應(yīng)器的參數(shù) 名稱數(shù)據(jù)原料進(jìn)料量9839.5089kmol/h產(chǎn)品產(chǎn)量13400噸/年原料進(jìn)口溫度483K氧化氣出口溫度523K催化劑用量7.9059m3導(dǎo)熱油

33、溫度進(jìn)口503K出口508K氧化反應(yīng)器臺(tái)數(shù)2氧化反應(yīng)器直徑2780mm列管根數(shù) 3675根列管尺寸27×2.5mm氧化反應(yīng)器高度5700mm換熱面積1447.0533m2設(shè)計(jì)評(píng)述與總結(jié) 本論文采用乙烯直接氧化法對(duì)年產(chǎn)1.34萬噸環(huán)氧乙烷的裝置進(jìn)行初步的工藝設(shè)計(jì)，主要對(duì)環(huán)氧乙烷的氧化反應(yīng)器進(jìn)行了工藝和設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算為環(huán)氧乙烷專置的工藝設(shè)計(jì)提供參考。氧化反應(yīng)器是環(huán)氧乙烷生產(chǎn)中的最重要設(shè)備，在操作溫度為523K、操作壓力為0.981MPa的工藝條件下，經(jīng)過物料衡算和熱量衡算決定采用兩套直徑為2.78m的列管式固定床反應(yīng)器并聯(lián)，列管總共有3675根，催化劑的床層高度為5.7米。壓強(qiáng)降和總傳熱系數(shù)核算結(jié)果表明，選型合理。 此次的設(shè)計(jì)選用的都為標(biāo)準(zhǔn)的材料，選用標(biāo)準(zhǔn)材料的優(yōu)點(diǎn)是在進(jìn)行維修時(shí)可以及時(shí)找到可以替換的材料，在生產(chǎn)中不會(huì)影響生產(chǎn)進(jìn)度，不會(huì)給工作人員帶來困難，減少了損失。 通過本次的設(shè)計(jì)，提高了我查閱文獻(xiàn)和自主設(shè)計(jì)的能力，同時(shí)還提高了我的計(jì)算機(jī)水平，鞏固了我的工程制圖知識(shí)。也加強(qiáng)了我的化學(xué)反應(yīng)工程的知識(shí)，加深了對(duì)環(huán)氧乙烷的知識(shí)的了解。此次的