环氧乙烷固定床反应器课程设计报告.docx
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环氧乙烷固定床反应器课程设计报告.docx
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环氧乙烷固定床反应器课程设计报告
化工与制药学院
课程设计说明书
课题名称:
年产1.5万吨环氧乙烷固定床反应器设计
专业班级:
2011级有机与石油化工1班
学生学号:
1106170104
学生XX:
陈正飞
学生成绩:
指导教师:
杨昌炎
设计时间:
2015.1.6—2015.01.20
XX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应器设计
二、任务
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,并画出设备的装配图。
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、参考文献
四、计划进度
1、发题2015年1月6日
2、第一阶段:
2015年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
指导老师杨昌炎教研室主任X生鹏
摘要
环氧乙烷是乙烯的衍生物,是重要的基本有机化工原料,广泛用于生产乙二醇、农药乳化剂等各种精细化学品。
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。
本文主要介绍了生产环氧乙烷的原理、工艺设计条件,通过进行物料衡算、热量衡算确定了反应器的尺寸、传热面积、塔径等参数。
同时,关注了安全生产、三废处理等问题并提出了相应的解决措施。
关键词环氧乙烷乙烯直接氧化固定床反应器
Abstract
EthyleneOxideisthederivativeofethylene,whichistheimportantbasicorganicchemicalrawmaterial.Itiswidelyutilizedinproducingvariedfinechemicalslikeethanediol,agriculturalpesticideemulsifier,justnametwo.AdvancedmethodweapplynowisthedirectoxidationreactionbetweenpureoxideandethylenewiththecatalystofsilverinTubefixed-bedreactor.
Inthisthem,wemainlyintroducetheprincipleandtheconditionofprocessdesignofproducingethyleneoxide.Meanwhile,theparameterssuchasthevolume,transferareaandreactordiameteraredeterminedbycalculatingthematerialbalanceandenergybalance.Attheendofthisthesis,weputsafetyissueandrecycleissueofwasteintodiscussionwithproposingsomemeasuretosolvethoseproblems.
KeywordsEthyleneoxide,Ethylene,Racked-bedreactor
第一章概述
乙烯是碳原子数最少的烯烃,由于它具有极其活泼的双键结构,因而其反应能力很强,且成本低、纯度高、易于加工利用,所以是有机化工中最重要的基本原料。
通过乙烯的聚合、氧化、卤化、烷基化、水合、羰基化、齐聚等反应的实现,可以得到一系列极有价值的乙烯衍生物,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(EthyleneOxide),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[25]。
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
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。
第二章环氧乙烷物化性质
2.1物理性质
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。
表1-1环氧乙烷的主要物理性质
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,Mpa7.194
临界密度,kg/m3
折射率,η7D
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/kg29.648
蒸汽71.13
生成热,kJ/mol
液体97.49
熔解热,kJ/kg117.86
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/kg1901
着火点,K702
自燃点,K644
表面X力(20℃),mN/m(dyn/cm)24.3
热导率(25℃),J/(cm·s·K)0.0001239
0℃0.3l
粘度,mPa·s
2.2化学性质
环氧乙烷的化学性质非常活泼,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H2O、HX、NH3、RNH2、R2NH、RCOOH、ROH、RSH、H等进行加成反应,生产含-OH的化合物(其中X为卤素,R为烷基或芳基)。
(1)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。
C2H4O+H2O→CH2OH
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。
(2)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。
XCH2CH2OH+nC2H4O(环氧乙烷)→X(CH2CH2O)n+1H
X可为卤素、氢、羟基等,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。
(3)与苯酚反应环氧乙烷与苯酚反应生成苯氧基乙醇。
C2H4O+C6H5OH→C6H5OCH2CH2OH
其酯类是香料的定香剂、杀菌剂和驱虫剂。
(4)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。
(5)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。
C2H4O+2HNO3→NO2⋅O⋅CH2CH2⋅O⋅NO2
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。
C2H4O→CH3CHO
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,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[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
目前,我国工业生产环氧乙烷的方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>氯气与水反应生成次氯酸,再与乙烯反应生
成氯乙醇;<2>氯乙醇用石灰乳皂化生成环氧乙烷。
氯醇法生产工艺的严重缺点大致有:
<2>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可异构化为乙醛,造成环氧乙烷损失,乙烯单耗高;<3>氯醇法生产的环氧乙
烷,醛的含量很高,约为5000
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