环氧己烷反应器设计(4)

河南城建学院化学反应工程课程设计

第四章 设计条件

工艺参数优化包括物料衡算和热量衡算两部分。物料衡算以质量守恒定律为基础，主要计算所需物料量和产品量，还可以算出物料的组成，确定物料中各组分在化学反应过程中的定量转化关系，并通过衡算求得原料的定额消耗。其计算依据是工艺流程图、在工厂采集的数据及设计时要求的和查得的各种参数。

热量衡算以能量守恒定律及物料衡算为基础，计算传入、传出的热量，从而确定公用工程的能耗以及传热面积。其计算依据与物料衡算相同。 4.1 反应原理

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： （1）主反应： C2H4?12O2?C2H4O （4-1）

反应(4-1)为放热反应，在250°C时，每生成一摩尔环氧乙烷要放出25．19KJ的热量。

（2）在主反应进行的同时，还发生其它副反应，其中主要是乙烯的燃烧反应。

副反应：

CH2?CH2?3O2?2CO2?2H2O （4-2） 反应(4-2)为强放热反应，在250°C，每反应掉一摩尔乙烯，可放出315.9KJ的热量。 4.2 原料组成

表4.1 原料气的组成

组分 含量（mol%)

C2H4

CO2

O2

N2

3.4 7.7 5.6 83.3

 

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4.3 反应器条件

原料进入反应器的温度为210°C 反应温度为250°C 反应压力为1MPa

乙烯转化率为23.5%；选择性为65%；空速为5000h-1 年工作时间7200小时，年产量140000吨 反应产物分离后回收率为90%

反应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°C，出口温度235°C,导出液对管壁的给热系数为650W/m2·K

催化剂为球体，D=5mm,床层孔隙率为0.8

在250°C，1MPa下反应气体导热系数为0.0304W/m2K,粘度为4.26×10-5PaS,密度为7.17Kg/m3 4.4 物料衡算

4.4.1 反应器的物料衡算

(1)反应部分的工艺参数

环氧乙烷生产能力：14万吨/年； 年操作时间：7200小时 进入反应器的温度：210℃； 反应温度：250℃ 乙烯转化率：23.5％； 选择性：65% 反应空速：5000h?1； 生产过程安全系数：1.04 反应产物分离后回收率：90%

原料组成如表4-2所示：

表4-2 原料气的组成及各组分的分子量

组分 含量（mol%)

C2H4

CO2

O2

N2

3.4 7.7 5.6 83.3

各组分的分子量如表4-3所示：（均取自《石油化工基础数据手册》）

 

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表4-3 各组分的分子量

组分 分子量

C2H4

CO2

O2

N2

C2H4O

H2O

28.054 44.010 31.999 28.013 44.054 18.015

(2)反应部分的基础计算

①以100kmol/h气体进料为基准，根据已知原料气的组成，计算出每小时进入反应 器的各种气体组分的摩尔数，计算结果列于表5—3中。 ②根据反应方程式及已知数据，计算反应器出口的气体量。 主反应： CH2?CH2? 副反应：

CH2?CH2?3O2?2CO2?2H2O (4-4) 已知乙烯转化率为23.5％，选择性为65％，进入反应器的乙烯量为3.4kmol/h，所以 由式(4-3)有 消耗乙烯量：3.4×0.235×0.65＝0.51935kmol 消耗氧气量：0.51935×0.5＝0.25968kmol 生成环氧乙烷量：0.51935kmol

由式(4-4)有 消耗乙烯量：3.4×0.235×(1-0.65)=0.27965kmol 消耗氧气量：0.27965×3=0.83895kmol 生成二氧化碳量：0.27965×2=0.5593kmol 生成水量：0.27965×2=0.5593kmol

则可知 未反应的乙烯量：3.4-0.51935-0.27965=2.601kmol 未反应的氧气量：5.6-0.25968-0.83895=4.501kmol 出反应器的二氧化碳量：7.7+0.5593=8.259kmol 出反应器的水量：0+0.5593=0.559kmol

氮气、氩气和甲烷的量在反应过程中不发生变化，所以出口气体中各组分的量如表4-4所示。

 

 

12O2?C2H4O (4-3)

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表4-4 反应器入口和出口的气体量(kmol/h)

组分 入口 出口

C2H4

CO2

O2

N2

C2H4O H2O

3.4 2.601

7.7 8.259

5.6 4.501

83.3 83.3

0 0.519

0 0.559

(3)实际装置每小时生产的环氧乙烷可折算为

14?1077200?44.054?0.90?485.03kmol/h

综上所述，气体进料为100kmol／h时，可生产环氧乙烷0.519kmol/h。若要达到485.03kmol/h的环氧乙烷生产能力，则所需原料量为

485.03?1000.519?93391.74kmol/h

为了保证所设计的装置能够达到所要求的生产能力，必须考虑到原料损失等因素，一般取安全系数为1.04。

则实际进料量为1.04×93391.74＝97127.41kmol/h (4)原料气与氧化气的组成计算

根据基准气体进料为100kmol/h时的计算结果，可以折算出实际进料量为97127kmol/h时的物料衡算情况。如表4-5所示。

表4-5 实际进料时的物料衡算

(a)原料气的物料衡算

组分

C2H4

O2kmol/h 3302.33 5439.13

kg/h 92643.57 174046.72 329142.43 2266451.43

0 0 2842284.15

mol% 3.4 5.6 7.7 83.3 0 0 100

wt% 3.24 6.08 11.50 79.18 0 0 100

 

CO2N27478.81 80907.13

0 0 97127.41

 

C2H4O

H2O

合计

（b)氧化气的物料衡算

组分

C2H4

O2kmol/h 2518.42 4358.10

kg/h 70651.75 139454.84

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mol% 2.601 4.501

wt% 2.35 4.89

 

 

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CO2N2

7996.79 80907.13 502.53 541.25 96825.19

351938.73 2266451.43 22138.02 9750.62 2860385.39

8.259 83.56 0.519 0.559 100

12.35 79.28 0.78 0.34 100

 

C2H4O

H2O

合计

4.5 热量衡算

4.5.1 反应器的热量衡算

反应器的热量衡算参照《环氧乙烷与乙二醇生产》的步骤进行。设原料气带入的热量为Q1，氧化气带出的热量为Q2，反应热为Q3，反应器的撤热量为Q4。当忽略热损失时，有

Q1+Q3=Q2+Q4 (4-1) (1)各组分的比热

①由《化工热力学》可查得理想气体的比热计算式

CP?A?BT?CT02?DT3 (4-2)

上式中的各项系数值如表4-6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时的定压比热。

表4-6 各组分的定压比热系数值

组分

C2H4

O2A 5.703732 26.0082

B×10 1.438947 0.117472 0.5687698 －0.0476501 0.00342214 2.223796

C×105 －6.728475 －0.234106 －3.182815 1.270622 1.285147 －12.60438

D×108 1.179194 －0.0561944 0.6387703 －0.4793994 －0.4408350 2.612272

 

CO2N223.05666 29.47170

 

H2O32.41502 －7.591119

C2H4O

②原料气温度为210°C,氧化气温度为250°C.在此条件下各组分的Cp0值如表4-7所示

表4-7 各组分的Cp0值(J/mol·K)

 

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