环氧乙烷的制取

《化工工艺设计》课程设计说明书乙烯制取环氧乙烷生产工艺设计姓名：张正元学科、专业：应用化学0911学号：0920109124指导教师：刘垚完成日期：2012年7月1日苏州科技学院SuzhouUniversityofScienceandTechnolog苏州科技学院化工工艺设计说明书I目录1、设计任务书.......................................................11.1基本数据......................................................11.2课程设计内容及要求............................................11.2.1内容......................................................11.2.2具体要求..................................................12、设计方案简介.....................................................12.1反应过程分析..................................................22.2催化剂的选择..................................................22.3反应器及混合器的选择：........................................32.4影响因素（反应条件）的分析....................................33、工艺流程草图及说明..............................................53.1氧化反应部分..................................................53.1.1工艺流程草图..............................................53.1.2流程草图说明..............................................53.2环氧乙烷回收和精制部分........................................64、物料衡算.........................................................64.1由设计任务书已知数据..........................................64.2乙烯催化氧化制取环氧乙烷得物料衡算框图........................74.3衡算过程......................................................74.3.1确定反应混合气(RP)组成....................................84.3.2确定混合分离气(SP)的组成..................................94.3.3确定新鲜原料(FF)和循环气(RC)组成..........................94.4.4确定未脱CO2的循环气SPC的组成............................114.4.5确定SRC的组成...........................................115、数据校核及结果评价..............................................125.1数据校核.....................................................125.2结果评价.....................................................126、计算结果一览表..................................................13苏州科技学院化工工艺设计说明书II7、工艺流程及控制点说明............................................147.1工艺流程说明.................................................147.1.1环氧乙烷反应系统工艺流程.................................147.1.2二氧化碳脱除系统工艺流程.................................157.2控制点说明...................................................157.2.1环氧乙烷反应系统控制点...................................157.2.2二氧化碳脱除系统控制点...................................16参考文献...........................................................16苏州科技学院化工工艺设计说明书11、设计任务书1.1基本数据原料乙烯年处理量为12万吨用N2作为惰性致稳气时的原料气组成组成C2H4O2N2CO2CH4C2H6ArH2OKmol,%15.007.0053.2710.550.630.8712.400.28反应器的单程转化率：12.3%选择性：73.8%环氧乙烷的吸收率：99.5%O2中夹带Ar0.00856mol，循环排放气中含Ar为12.85%，产品环氧乙烷中含Ar0.00631mol。1.2课程设计内容及要求1.2.1内容1、对环氧乙烷反应系统的物料衡算；2、绘制环氧乙烷反应系统的工艺流程图（一张）；3、绘制二氧化碳脱除系统的工艺流程图（一张）；4、编制课程设计说明书（一份）。1.2.2具体要求1、环氧乙烷反应系统的物料衡算方法参考《基本有机化工工艺学》（吴指南主编）一书。2、绘制的带控制点的工艺流程图必须符合化工制图的规范，并且字体必须工整。3、编制的课程设计说明书应对计算过程与工艺流程的选择以及控点的确定进行详细的说明和解释。2、设计方案简介环氧乙烷CH2CH2O（简称EO）是最简单也是最重要的环氧化合物，在常温下为气体，沸点10.5℃。可以与水、醇、醚及大多数有机溶剂以任意比混合。有毒，易自聚，尤其当有铁，酸，碱，醛等杂质或高温下更是如此，自聚时放出大量热，苏州科技学院化工工艺设计说明书2甚至发生爆炸，因此存放环氧乙烷的贮槽必须清洁，并保持在0℃以下。环氧乙烷是以乙烯为原料产品中的第三大品种，仅次于聚乙烯和苯乙烯。它的用途是制取生产聚酯树脂和聚酯纤维的单体、制备表面活性剂，此外还用于制备乙醇胺类、乙二醇醚类等。2.1反应过程分析工业上生产环氧乙烷最早采用的方法是氯醇法，该法分两步进行，第一步将乙烯和氯通入水中反应生成2-氯乙醇，2-氯乙醇水溶液浓度控制在6%-7%（质量）;第二步使2-氯乙醇与Ca(OH)2反应，生成环氧乙烷。该法的优点是对乙烯的浓度要求不高，反应条件较缓和，其主要缺点是要消耗大量氯气和石灰，反应介质有强腐蚀性，且有大量含氯化钙的污水要排放。因此开发了乙烯直接氧化法，取代氯醇法。工业上生产环氧乙烷的方法是乙烯直接氧化法，在银催化剂上乙烯用空气或纯氧氧化。乙烯在Ag/α-Al2O3催化剂存在下直接氧化制取环氧乙烷的工艺，可用空气氧化也可以用氧气氧化，氧气氧化法虽然安全性不如空气氧化法好，但氧气氧化法选择性较好，乙烯单耗较低，催化剂的生产能力较大，故大规模生产采用氧气氧化法。主要反应方程式如下：主反应副反应由乙烯环氧化反应的动力学可知，乙烯完全氧化生成二氧化碳和水，该反应是强放热反应，其反应热效应要比乙烯环氧化反应大十多倍。故副反应的发生不仅使环氧乙烷的选择性降低，而且对反映热效应也有很大的影响。选择性下降，热效应就明显增加，如选择性下降移热慢，反应温度就会迅速上升，甚至产生飞温。所以反应过程中选择性的控制十分重要。2.2催化剂的选择环氧化法生产环氧乙烷是一个强放热放应，为减少深度氧化的副反应，提高选择性，催化剂的选择非常重要。研究表明，只有在银催化剂催化下乙烯的环氧化反应才有较高的选择性。工业上使用的银催化剂是由活性组分，载体和助催化剂所组成。载体载体的主要功能是分散活性组分和防止银微晶的半熔和烧结，使其CH2CH2+O2CH2CH2O12(气)298103.4/kkJmol523107.2/kkJmolCH2CH2O23CO2OH222(气)5231324.6/kkJmol2981324.6/kkJmol++苏州科技学院化工工艺设计说明书3活性保持稳定。由于乙烯环氧化过程存在平行副反应和连串副反应的竞争，又是一强放热反应，故载体的表面结构及其导热性能，对反应的选择性和催化剂颗粒内部温度的分布有显著的影响。载体表面积大，活性比表面积大，催化剂活性高但也有利于乙烯完全氧化反应的发生，甚至生成的环氧乙烷很少。载体如有空隙，由于反应物在细空隙中的扩散速度慢，产物环氧乙烷在空隙中浓度比主体浓度高，有利于连串副反应地进行。工业上为了控制反应速度和选择性，均采用低比表面积无孔隙或粗空隙惰性物质作为载体，并要求有较好的导热性能和较高的热稳定性。工业上常用的载体又碳化硅，α－氧化铝和含有少量氧化硅的α－氧化铝等。助催化剂所采用的助催化剂有碱金属类，碱土金属类和稀土元素化合物等。碱土金属类中，用得最广泛的是钡盐。在银催化剂中加入少量钡盐，可增加催化剂的抗熔结能力，有利于提高催化剂的稳定性，延长其寿命，并可提高活性。据研究两种或两种以上的助催化剂起到协同作用，可提高选择性。抑制剂在银催化剂中加入少量硒碲氯溴等对抑制二氧化碳的生成，提高环氧乙烷的选择性有较好的效果。工业上常在原料气中添加微量有机氯如二氯乙烷，以提高催化剂的选择性，调节温度。2.3反应器及混合器的选择乙烯环氧化制环氧乙烷是一强放热反应，温度对反应的选择性又甚敏感，对于这种反应最好采用流化床反应器，但因为细颗粒的银催化剂易结块也易磨损，流化质量很快恶化，催化剂效率急速下降，故工业上普遍采用的是列管式固定床反应器，管内放催化剂，管间走冷却介质。在配制混合气时，由于纯氧加入到循环气和乙烯的混合气中去，必须使氧和循环气迅速混合达到安全组成，如果混合不好很可能形成氧浓度局部超过极限浓度，进入热交换器时易引起爆炸危险。为此，混和器的设计极为重要，工业上是借多空喷射器对着混和气流的下游将氧高速度喷射到循环气和乙烯的混合气中，使他们迅速进行均匀混合。为了确保安全，需要用自动分析检测仪监视，并配制自动报警连锁切断系统，热交换器安装需要有防爆措施。2.4影响因素（反应条件）的分析⑴反应温度乙烯环氧化过程中存在着平行的完全氧化副反应，影响转化率和选择性的主要因素是温度。温度过高，反应速度快、转化率高、选择性下降、催化剂活性衰退快、易造成飞温；温度过低，速度慢、生产能力小。所以要控制适宜温度，其与催化剂的选择性有关，一般控制的适宜温度在200-260℃。⑵反应压力加压对氧化反应的选择性无显著影响，但可提高反应器的生产能力且有利于环氧乙烷的回收，故采用加压氧化法，但压力高对设备的要求高费用增加催化剂易损坏。故采用操作压力为2Mpa左右。苏州科技学院化工工艺设计说明书4⑶空速与温度相比该因素是次要的，但空速减小，转化率增高，选择性也要降低，而且空速不仅影响转化率和选择性，也影响催化剂的空时收率和单位时间的放热量，故必须全面衡量，现在工业上采用的混合气空速一般为4000-8000/h左右，也有更高的。催化剂性能高反应热能及时移出时选择高空速，反之选择低空速。⑷原料纯度原料其中的杂质可能给