年产6万吨环氧乙烷工艺设计毕业论文经典Word文档格式.doc
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3.3.6二氧化碳的吸收系统 22
3.4环氧乙烷解析塔（T-203） 23
3.5环氧乙烷解析塔顶冷凝器（E-204） 25
3.6环氧乙烷解析塔塔顶冷凝器（E-205） 29
3.7脱轻组分塔（T-301） 30
第4章热量衡算 33
4.1设计依据 33
4.2反应器（R-101） 33
4.3产品第一冷却器（E-101） 34
4.4应器进料-产品换热器（E-102） 36
第5章设备计算 39
5.1理论塔板计算 39
5.2实际塔板数的确定 40
5.3塔径的计算 41
5.3.1精馏段 41
5.3.2提馏段 42
5.4塔高的计算 43
5.5塔板结构尺寸及溢流装置的确定 43
5.5.1堰长 43
5.5.2溢流堰高 44
5.5.3弓形降液管的宽度和面积 44
5.5.4降液管底隙高度 45
5.6塔板的布置 45
5.6.1塔板分布 45
5.6.2浮阀的数目与排列 46
5.6.3鼓泡区面积 46
5.6.4阀孔分布 47
5.6.5孔速及动能因数 47
5.6.6开孔面积和开孔率 47
第6章安全、环保及能量利用 49
6.1工艺设备一览表 49
6.2原料消耗表 49
6.3能量消耗表 49
6.4安全措施 50
6.5三废处理 50
结论 51
致谢 52
参考文献 53
摘要：
本设计是对年产6万吨环氧乙烷工艺设计。
采用乙烯在纯氧中直接氧化的方法制环氧乙烷，在实际生产理论的基础上，制定合理可行的设计方案。
本设计主要阐述了环氧乙烷在国民经济中的地位和作用、工业生产方法、生产原理、工艺流程。
并对对主要设备如：
混合器、反应器、环氧乙烷吸收塔、二氧化碳吸收系统，环氧乙烷解析塔，冷凝器，脱轻组分塔等进行物料衡算，对环氧乙烷反应器，产品第一换热器，进料-产品换热器，三个设备进行热量衡算。
EO精馏塔是环氧乙烷生产的重要设备，精馏塔采用F1型单溢流浮阀塔，溢流管为弓形降液管，设计确定全塔高度21m，塔板总数为31块，塔顶温度可设为45℃，塔釜温度可设为146℃，精馏段塔径为4m，塔板堰长2.8m，板上液层高度0.064m,阀孔数为1403个，相邻的两排中心孔距0.08m；
提馏段塔径为3.2m，塔板堰长2.24m，板上液层高度0.083m,阀孔数为809个，相邻的两排中心孔距0.087m。
关键词：
环氧乙烷工艺流程反应器物料衡算热量衡算
AnnualOutputof60,000TonsofEthyleneOxideProcessDesign
Abstract：
Thisdesignisannualoutputof60.000tonofethyleneoxideprocess.bydirectoxidationofethyleneinpureoxygenmethodofmanufacturingethyleneoxide,thefeasibledesignschemewassetdownaccordingtothetheoryofpracticalityproduction.
Inthisdesign,thepositionandthefunctioninthenationaleconomy,theproducemethodsinindustry,theprincipleofproduce,processprocedure.Forthemainequipmentsuchas:
mixtor,reactor,theabsorbtowerofepoxyethane,theabsorbsystemofcarbondioxide,thestripperofepoxyethane,condenser,thedehydrogenationcomponentsofthetoweretc.calculatingofmaterialbalanceweredone,calculationofenergybalancewerecarriedonfortheepoxyethanereactor,heatexchanger,andcondenserthreeequipmentinall.
EOdistillationcolumnisaimportantequipmentforproductionofethyleneoxide.Distillationcolumn
useF1thetype
single
overflowtower.overflowpipe
is
arched
downcomer.Itwasdesignedthattheheightofthefulltoweris21m.,thetotaloftheplatesare31,thetoptemperaturecouldbesetto45°
Candthetemperatureofreboilercanbesetto146°
C,rectifyingsectionofthetowerdiameteris4mplateweirlength2.8m,Theheightoftheon-boardliquidlayersis0.064m,thetotalofthevalveholeis1403,thelengthofplatesweiris2.24m,theheightofon-boardliquidlayers0.083m,thetotalofthevalveholeis809,thepitchoftwoadjacentrowsofcenteris0.087m.
Keywords:
EthyleneOxide;
Process;
Reactor;
MaterialBalance;
HeatBalance
52
引言
环氧乙烷是乙烯的衍生物，是重要的基本有机化工原料，主要用于生产聚酯产品及汽车用防冻剂的原料乙二醇。
环氧乙烷还可衍生出一些重要的精细化工中间体，应用范围遍及纺织、洗染、医药、电子、汽车等诸多领域。
环氧乙烷早期采用氯醇法工艺生产，20世纪20年代初，美国联合碳化合物公司（UnionCarbideCorp简称UCC）进行了工业化生产，该法的优点是对乙烯的纯度要求不高，反应条件较缓和，但生产过程中消耗大量石灰和氯气，反应介质有强腐蚀性，腐蚀设备，且有大量含氯化钙的污水生成，污染环境，产品纯度低，现已被淘汰。
之后公司基于Lefort有关银催化剂的研究成果，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（1958年），美国壳牌化学公司（ShellChemicalCompany简称Shell）公司有开发了氧气法，即乙烯直接氧化生产环氧乙烷的技术。
由于直接氧化法与氯乙醇法相比具有工艺流程简单，无腐蚀性，无大量废料排放，废热可合理利用等优点，故得到迅速发展。
由于氧气直接氧化法技术先进，适宜大规模生产，生产成本低，产品纯度低，产品纯度可达99.99%此外设备体积小，放空量少，排出的废气量只相当于空气氧化法的2%，相应的乙烯损失少，另外氧气氧化法流程比空气氧化法短，设备少，用纯氧氧化剂可提高进料浓度和选择性，生产成本大约为空气氧化法的90%；
同时氧气氧化法比空气氧化法反应温度低，有利于延长催化剂的使用寿命。
因此，近年来新建的大型装置均采用纯氧作氧化剂，逐渐取代了空气氧化而成为占绝对优势的工业生产。
本设计采用乙烯直接氧化法，即乙烯、纯氧、致稳剂甲烷和抑制剂，通入列管式固定床反应器（银催化剂作填料）中，在复合型银作催化剂表面反应生成环氧乙烷。
第1章国内外环氧乙烷的综述
1.1环氧乙烷在国民经济中的地位和作用
环氧乙烷（简称EO），又称氧化乙烯，也称恶烷，是一种最简单的环醚，是乙烯工业衍生物中仅此于聚乙烯和聚氯乙烯的重要有机化工产品，是最简单最重要的环氧化物，在国民经济发展中具有举足轻重的地位和作用。
从全球来看，环氧乙烷主要用作化学中间体，它主要消费于乙二醇，全球环氧乙烷产量的60%都转变为乙二醇，乙二醇可进一步加工成聚纤维和树脂。
有13%的环氧乙烷用于制造其它二醇类（如聚乙二醇、二甘醇和三甘醇等）。
环氧乙烷的第二大销量是用于洗涤剂的乙氧基化物产品。
其它环氧乙烷的衍生产品有乙醇胺、溶剂、乙二醇醚类等。
环氧乙烷也用作熏蒸消毒杀虫剂、杀菌剂以及医疗器械的消毒剂。
我国由氯乙醇法生产环氧乙烷始于1960年代，由于氯乙醇法对乙烯质量要求不高，所以采用酒精发生乙烯和渣油裂解混合烯烃生产环氧乙烷在我国石油化工发展初期具有一定意义。
随着大规模引进环氧乙烷装置的建成和投产，加上环保法规的日益严格，国内小规模的氯乙醇法环氧乙烷装置已无生命力，于1993年下半年淘汰。
因经济原因，早期引进的空气法环氧乙烷装置大多也改造为氧化法。
1.2环氧乙烷在国内外的发展动向
1.2.1生产技术
1922年UCC（联碳公司）建成首套氯乙醇法工业生产装置，1938年又建成了首套乙烯氧化法工业装置。
1958年Shell（壳牌公司）建成首套乙烯氧化法工业装置。
目前，全球环氧乙烷专利技术大[1]部分为Shell、美国SD（科学设计公司）和UCC三家公司所垄断，这三家公司的技术占环氧乙烷总生产能力的90%以上。
Shell、SD和UCC三家公司的乙烯氧化技术水平基本接近，但技术上各有特色。
例如在催化剂方面，尽管载体、物理性能和略有差异，但水平比较接近，选择性均在80%以上；
在工艺技术方面都有反应部分、脱二氧化碳、环氧乙烷回收组成，但抑制剂选择、工艺流程上略有差异。
目前国内外环氧乙烷生产厂家均采用乙烯氧化法生产技术，基本为引进技术。
1.2.2技术发展动向
近年来，世界上环氧乙烷催化剂、工艺技术等方面有了新的进展。
在催化剂方面，目前已形成高活性和高选择性两大系列工业化催化剂。
高活性催化剂系列产品为S860、S861、S862、S863，具有初始反应温度低（218-225℃）、初始选择性高（81%-83%）、活性和选择性下降速率慢等特点，该系列催化剂已应用于国内外20多家采用Shell技术或其他专利技术的环氧乙烷生产装置中。
高选择性催化剂系列产品为S879、S882，催化剂初始选择性分别为85%和88%。
SD和UCC在新催化剂开发方面也取得许多进展，例如近期SD公司开发的固载银及含有碱金属、硫、氟和磷族元素（P，Bi，Sb），固载银及含有碱金属、硫、氟或锡，固载银及含有碱金属、硫、氟和镧系金属助剂的催化剂，突破了以铼和过渡金属作助剂制备环氧乙烷银催化剂的传统方法。
研制的催化剂在反应温度232-255℃时，催化剂的环氧乙烷选择性可达81.9%—84.6%。
UCC公司报道了一系列催化剂研制专利，包括含锂、钠、钾、铷、铯、钡中至少一种阳离子助剂，含硫化物、氟化物阴离子助剂和选自ⅢB—ⅥB族至少一种元素组成的减少环氧乙烷完全氧化反应的银催化剂。
而性能最优异的是一种含银载体用硝酸钾和高锰酸钾溶液多次浸渍制备的催化剂，这种银催化剂中含钾质量分数1.512mg/g，锰质量分数37.4mg/g，催化剂经21天运行试验后，环氧乙烷选择性可高达96.6%。
1.3环氧乙烷的市场需求状况
我国最早以传统的乙醇为原料经氯醇法生产EO。
20世纪70年代我国开始引进以生产聚酯原料乙二醇为目的产物的环氧乙烷联产装置，我国EO生产与应用已走上快速发展道路，至今已经引进十余套EO生产装置。
2003年我国EO生产能力约为1200kt/a。
随着我国聚酯与表面活性剂等领域的迅猛发展，EO远不能满足市场需求，因此有多家企业计划建设规模化EO生产装置，可以预计未来几年我国EO的生产能力将呈现迅速增加的势头。
其中北京燕山石化于2004年将已有的70kt/a的生产能力扩大到250kt/a左右；
南京扬巴一体化工程9套核心装置中含有一套240kt/a的EO装置，于2004年建成投产；
中海壳牌石化有限公司已在南海建设一套300kt/aEO生产装置，2005年建成投产；
上海石化已新建一套300kt/aEO生产装置，2005年建成投产；
另外天津联化等企业均计划在未来几年内建设规模化的EO生产装置。
到2009年我国EO的生产能力将激增至6640kt/a，在未来几年内国内EO生产能力将翻几番，可见我国EO工业市场需求与发展前景之好。
第2章工艺概述
2.1环氧乙烷的性质
2.1.1环氧乙烷的物理性质
环氧乙烷[2]（简称EO），英文名称epoxyethane，又被称为氧化乙烯，也称恶烷，分子式：
C2H4O，分子量：
44.05，沸点：
10.4℃，熔点：
-112.2℃，蒸汽压：
145.91kPa（293.15K）。
相对密度（水）=1：
0.87，相对密度（空气）=1：
1.52。
在常温下为无色气体，低温时为无色易流动液体，在空气中的爆炸限（体积分数）为2.6%—100%。
2.1.2环氧乙烷的化学性质
由于环氧乙烷具有含氧三元环结构，性质非常活泼，极易发生开环反应，在一定条件下，可与水、醇、氢卤酸、氨及氨的化合物等发生加成反应，其中与水发生水合反应生成乙二醇，是制备乙二醇的主要方法。
当用甲醇、乙醇、丁醇等低级醇与环氧乙烷作用时，分别生成乙二醇—甲醚、乙二醇—乙醚、乙二醇—丁醚。
它们兼具醇和醚的性质，是优良的溶剂，用途很广泛，可溶解纤维酯如硝酸纤维酯、工业上称为溶纤剂。
与氢卤酸作用，环氧乙烷与氢卤酸在室温或更低的温度下反应，生成卤醇，可用于定量分析环氧乙烷及环氧乙烷型化合物。
与氨反应可生成一乙醇胺、二乙醇胺和三乙醇胺。
环氧乙烷本身还可开环聚合生成聚乙二醇。
2.2环氧乙烷的生产方法的评述及选择
环氧乙烷的工业生产方法有氯醇法和乙烯直接氧化法。
2.2.1氯乙醇法
氯醇法是早期的工业生产方法，分两步完成，首先由氯气和水反应生成次氯酸，次氯酸与乙烯反应生成氯乙醇，然后氯乙醇与氢氧化钙皂化生成环氧乙烷。
1922年UCC（联碳公司）建成首套氯醇法工业装置。
尽管氯醇法乙烯利用率高，但生产过程中消耗大量氯气，腐蚀设备，污染环境，产品纯度低，现已基本被淘汰。
2.2.2氧气氧化法
直接氧化法又可分为空气氧化法和氧气氧化法。
1931年法国催化剂公司的Lefort发现乙烯在银催化剂作用下可以直接氧化成环氧乙烷，经过进一步的研究与开发形成乙烯空气直接氧化法制环氧乙烷技术，1937年美国UCC公司首次采用此法建厂生产。
1958年Shell（壳牌公司）建成首套乙烯氧气氧化法工业装置，生产成本低，产品纯度可达99.99%。
氧气氧化法与空气氧化法相比，工艺流程稍短，设备较少，建厂投资少；
氧化反应中催化剂的选择性高，反应温度比空气法低，对催化剂寿命的延长和维持生产的平稳操作较为有利。
通常氧气氧化法的生产成本比空气氧化法低10％左右。
由于氧气氧化法比空气氧化法有明显的优越性，因此目前世界上的环氧乙烷生产装置普遍采用氧气氧化法。
综上所述，本设计采用乙烯直接氧化法。
2.3环氧乙烷的生产原理
2.3.1氧化反应原理
乙烯氧化过程，按氧化程度可分为选择氧化（部分氧化）和深度氧化（完全氧化）两种情况，乙烯分子中碳—碳双键〈C=C〉具有突出的反应活性，在一定条件下可实现碳—碳双键选择性氧化，生成环氧乙烷。
但在通常的氧化条件下，乙烯的分子骨架容易被破坏，而发生深度氧化生成二氧化碳和水。
为使乙烯氧化反应尽可能的约束在生成目的产物—环氧乙烷的方向上，目前工业上乙烯直接氧化生成EO的最佳催化剂均采用银催化剂。
在银催化剂作用下的反应方程式[3]如下：
另外，乙烯直接氧化还有副产物生成，其中CO2和水最多。
实验已证明这些副产物以两条不同的路线生成的。
首先，乙烯直接氧化生成CO2和水并伴随着许多寿命极短的部分氧化中间产物：
这一反应用氯化物来加以抑制，该氯化物为催化剂抑制剂即1,2—二氯乙烷（EDC），EO自身也有一定的阻止进一步氧化的能力。
在反应过程中如有碱金属或碱土金属存在时，将催化这一反应。
CO2还由EO氧化而得，这时它首先被异构为乙醛，然后很快被氧化为CO2和H2O。
反应速度由EO异构化控制。
反应器副产物中除CO2和H2O以外还有微量的乙醛和甲醛。
它们在精制单元中从EO和EG中分离掉，以上氧化反应均是放热反应。
2.3.2二氧化碳脱除原理
本装置采用碳酸盐溶液吸收CO2，以脱除氧化反应的副产物CO2，此吸收为化学吸收：
应分五步进行：
速度由第五步控制，在接近大气压下，用蒸汽汽提富碳酸盐液，将CO2从系统中解析出来，输送到二氧化碳储罐，解析的化学式为：
2.4工艺流程
工艺流程[4]概述，循环气首先与新鲜乙烯、甲烷经脱硫床下游的乙烯过滤器S-101混合，然后进入氧气混合喷嘴M-101，氧气经过滤器S-102除掉固体颗粒后在这里加入循环气中。
补充抑制剂后，反应器进料气体在E-102中被环氧乙烷反应产品气体从78℃加热到152℃。
被预热的反应器进料气体进入列管式环氧乙烷反应器R-101，在反应器中，乙烯和氧气在银催化剂床层上进行反应，主要生成环氧乙烷；
副产品有二氧化碳、水和微量的醛类。
反应产品气体经过两次冷却，在产品第一冷却器E-101中，通过产生中压蒸汽，反应产品气体被冷却到207℃，在进料/产品换热器E-102中被继续冷却。
冷却后的反应产品气体进到环氧乙烷吸收塔T-201。
用纯水洗涤以回收环氧乙烷。
在环氧乙烷吸收塔中吸收的环氧乙烷，在环氧乙烷解吸塔T-204内从富吸收液中解吸出来。
富吸收液离开环氧乙烷吸收塔的温度为78℃，然后进入环氧乙烷解析塔顶部，塔顶出料进入塔顶冷凝器，然后进入脱轻组分塔和环氧乙烷精馏塔。
环氧乙烷解吸塔设计能力可使吸收的环氧乙烷有99.95%解吸出来，其余0.05%的环氧乙烷随同塔釜液离开。
解吸环氧乙烷所需的蒸汽一部分来自汽提段，一部分来自为冷却反应釜所产生的中压蒸汽。
环氧乙烷吸收塔塔顶物经气液分离罐V-201进入循环气压缩机。
如果V-201罐的压力过高，罐的压力控制器也会启动紧急放空阀使循环气管路快速泄压。
气液分离器V-201出口引出一股较大的物流去二氧化碳吸收塔脱除二氧化碳。
处理后的气体离开二氧化碳脱除系统，与没有处理的循环气体重新混合后进入到环氧乙烷反应系统。
循环气中的二氧化碳用碳酸钾溶液吸收脱除。
为了减少二氧化碳吸收塔中吸收液的冷却及二氧化碳解吸塔中加热吸收剂所需的蒸汽，在环氧乙烷吸收塔塔顶气体进入二氧化碳解析塔之前应使其保持较高温度。
二氧化碳吸收塔塔顶气体出塔时的温度为110℃，已被水饱和。
在气液分离罐中V-202，这股气体经气体和液体分离，分离罐V-202温度为51℃，分离的气体进入循环气中回到反应部分，分离的液体进入二氧化碳解析塔管线。
V-202底部出口管线上有一个大的排泄阀，通往二氧化碳解吸塔的集水管。
当罐V-202的液位降到正常值时，阀门自动关闭。
二氧化碳解析塔解析出的气体在E-201中冷却后，进入气液分离罐V-203中，冷凝液体靠重力流入二氧化碳解吸塔。
来自气液分离罐V-203的液体和二氧化碳吸收塔塔底富液在二氧化碳解吸塔T-203中，用再沸器使之解吸，操作压力接近于大气压。
分离罐V-203中的二氧化碳气体输送到二氧化碳储罐。
环氧乙烷解吸塔顶蒸汽大约含60%的环氧乙烷和40%的水，和脱轻组分塔顶物一起进到解吸塔塔顶冷却器E-204中，温度从79℃被冷却到47℃。
不凝物主要是二氧化碳、乙烯和环氧乙烷。
在解吸塔顶冷却器E-205中被冷却到15℃，大部分环氧乙烷作为凝液回到缓冲罐V-204中。
缓冲罐中的物料，经泵打入脱轻组分塔T-301。
在脱轻组分塔中，二氧化碳、乙烯和其他溶解在环氧乙烷水溶液中的轻组分和部分环氧乙烷蒸汽一起脱除。
塔顶气去环氧乙烷回收装置以回收环氧乙烷。
在环氧乙烷精制塔T-302中,环氧乙烷从塔顶蒸出，塔顶气冷凝并过冷后，大部分凝液作为回流，一部分作为低纯度环氧乙烷产品进乙二醇反应器，这股物流含有微量杂质如二氧化碳和甲醛。
高纯度环氧乙烷产品侧线采出，经E-303进高纯度环氧乙烷贮罐。
环氧乙烷精馏塔塔釜主要是含有乙二醇、醛和至少30%wt环氧乙烷的水溶液，也送到乙二醇反应器。
第3章物料衡算
3.1物性数据
表3.1物性数据[5]表
Table3.1propertydatasheet
序号
组分
分子式
分子量
常压沸点
1
氮气
N2
28.0134
-195.8
2
氩气
Ar
39.948
-185.87
3
氧气
O2
31.9988
-182.98
4
甲烷
CH4
16.0423
-162.15
5
乙烯
C2H4
28.053
-103.71
6
乙烷
C2H6
30.0688
-88.6
7
二氧化碳
CO2
44.0095
-78.45
8
环氧乙烷
C2H4O
44.0524
10.4
9
甲醛
CH3CHO
20.4
10
水
H2O
18.0152
100
11
乙二醇
C2H6O2
62.0676
197.3
3.2设计依据
①设计任务：
年产6万吨环氧乙烷合成工艺
②年工作时间：
8000小时
③高纯环氧乙烷收率：
30%
④乙烯单程转化率：
10%
⑤环氧乙烷的选择性：
19.8%
⑥乙醛的选择性：
0.2%
⑦环氧乙烷的吸收率：
99.6%
⑧排空气体比率：
0.18%
3.3循环系统的物料衡算
3.3.1计算依据
①原料氧气的摩尔组成（%）：
N2：
0.005
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