年产5.5万吨环氧乙烷工艺设计

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年产5.5万吨环氧乙烷工艺设计

摘 要

本文是对年产5.5万吨环氧乙烷合成工段的工艺设计。本设计依据环氧乙烷生产工段的工艺过程，在生产理论的基础上，制定合理可行的设计方案。

本文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。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，等进行物料衡算，对环氧乙烷反应器设备进行热量衡算，并对环氧乙烷反应器进行详细的设备计算和校核，确定操作参数、设备类型和材质，使用CAD绘制相应的工艺流程图，最后得出设备参数。

关 键 词：环氧乙烷；工艺流程；反应器；物料衡算。

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PROCESS DESIGN OF ETHYLENE OXIDE WITH

ANNUAL OUTPUT OF 55,000 TONS

ABSTRACT

The process of ethylene oxide with annual output of 5,5000 tons was designed in this paper. Based on the actual production process and production theory reasonable design scheme was developed.

The status and role of ethylene oxide in the national economy was discussed in this paper. Furthermore, the produce methods, the principle of produce and process were also interpred. Material balance of the main equipments, such as: the mixer, the reactor, the absorb tower of epoxyethane, and the absorb system of carbon dioxide have been calculated. Calculation of energy balance for the epoxyethane reactor were also carried out. Equipment calculations and checking of the reactor were carried on detail. The parameters, types and materials of the equipments were confirmed. Based upon, the high purity epoxyethane rectifier was draw using CAD. Finally, correspond measures for the production process were given.

KEY WORDS：epoxyethane；process；reactor；material balance。

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目 录

第1章 引言 ....................................................................................................... 1

§1.1 环氧乙烷在国民经济中的地位和作用 .............................................. 1 §1.2 环氧乙烷在国民经济中的地位和作用 ............................................ 1

§1.2.1 生产技术 ................................................................................ 1 §1.2.2 技术发展动向 ........................................................................ 2 §1.3 环氧乙烷的市场需求状况 ................................................................ 3 第2章 工艺概述 ............................................................................................... 4

§2.1 环氧乙烷的性质 ............................................................................... 4

§2.1.1 EO的物理性质 ....................................................................... 4 §2.1.2 EO的化学性质 ....................................................................... 4 §2.2 生产方法的评述及选择 ................................................................... 4

§2.2.1 氯醇法 .................................................................................... 5 §2.2.2 直接氧化法 ............................................................................ 5 §2.3 环氧乙烷的生产原理 ....................................................................... 5

§2.3.1 氧化反应原理 ........................................................................ 5 §2.3.2 二氧化碳脱除原理................................................................. 6 §2.4 设计方案简介 ................................................................................... 7 §2.5 生产方法的评述及选择 ................................................................. 11 第3章 物料衡算 ............................................................................................. 13

§3.1 物性数据 ........................................................................................ 13 §3.2 设计依据 ........................................................................................ 13 §3.3 循环系统的物料衡算 ..................................................................... 13

§3.3.1 计算依据 .............................................................................. 14 §3.3.2 混合器 .................................................................................. 15 §3.3.3 反应器 .................................................................................. 19 §3.3.4 环氧乙烷吸收塔 .................................................................. 20 §3.3.5 CO2的吸收系统 .................................................................... 23

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第4章 热量衡算 ............................................................................................. 25

§4.1 反应器的热量衡算 ......................................................................... 25 第5章 设备计算 ............................................................................................. 29

§5.1 反应器设备计算 ............................................................................. 29 §5.2 确定氧化反应器的基本尺寸 .......................................................... 29 §5.3 床层压力降的计算 ......................................................................... 30 §5.4 传热面积的核算 ............................................................................. 30 §5.5 反应器塔径的确定 ......................................................................... 31 参考文献 ........................................................................................................... 34 致 谢 ................................................................................. 错误！未定义书签。

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第1章 引言

§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次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酯纤维和树脂。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。

2003年全球环氧乙烷消费量为1593.4万吨。1998—2003年年均消费增长率达到5.6%，预计2003—2008年和2008—2013年又分别以4.6%和3.4%速率递增，即到2008年和2013年全球环氧乙烷需求量将分别达到1995.2万吨和2358.2万吨。

我国由氯醇法生产环氧乙烷始于1960年代，由于氯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气法[1，2]。

§1.2 环氧乙烷在国民经济中的地位和作用

§1.2.1 生产技术

1

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1922年UCC(联碳公司)建成首套氯醇法工业装置。1938年又建成了首套乙烯空气氧化法工业装置。1958年Shell(壳牌公司)建成首套乙烯氧气氧化法工业装置。目前，全球环氧乙烷专利技术大部分为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、物理性能和制备略有差异，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CO2、环氧乙烷回收组成，但抑制剂选择、工艺流程上略有差异。目前国内环氧乙烷生产厂家均采用乙烯氧气氧化法生产技术，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、氟和或锡，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%。

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§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/乙二醇联产装置，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/a EO生产装置，2005年建成投产；上海石化已新建一套300kt/a EO生产装置，2005年建成投产；另外天津联化、独山子石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2005年我国EO的生产能力将激增至2160kt/a，在未来两年内国内EO生产能力将翻一番，可见我国EO工业市场需求与发展前景之好。

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第2章 工艺概述

§2.1 环氧乙烷的性质

§2.1.1 EO的物理性质

环氧乙烷（简称EO），英文名称epoxyethane，又被称为氧化乙烯，也称恶烷，分子式：C2H4，分子量：44.05，沸点：10.4℃，熔点：-112.2℃，蒸汽压：145.91kPa/20℃。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%，它易与水、醇、氨、胺、酚、卤化氢、酸及硫醇进行开环反应有乙醚的气味，其蒸气对眼和鼻粘膜有刺激性，有毒。环氧乙烷易自聚，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，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。 §2.1.2 EO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 生产方法的评述及选择

4

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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 直接氧化法

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。[3、4。5]

本设计数据均参考乙烯直接氧化法。 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，

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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如下：

(1)

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：

C2H4+3O2 2CO2+2H2O －1308.28kJ/mol (2) 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自身有也一定的阻止进一步氧化的能力。

C2H4?1O2?CH3CHO

2C2H4?O2?2CH2O

(3) (4)

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。

C2H4O?CH3O?CHO

(5) (6)

CH3CHO?5O2?2CO2?2H2O

2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。[6~9] §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：

K2CO3 + CO2 + H2O→2KHCO3 + 26.166kJ/mol

6

(7)

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热一段时间后，从反应器上部进入催化床层。自反应器流出的反应混合气中环氧乙烷的含量仅为1%—2%，经热交换器利用其热量并进行冷却后，进入环氧乙烷吸收塔。由于环氧乙烷能以任何比例与水混合，故采用水做吸收剂以吸收反应气中的环氧乙烷。从吸收塔排出的气体，大部分（约90%）循环使用，而一小部分需送入CO2吸收装置，用热碳酸钾溶液脱除掉副反应所生成的CO2。送入CO2吸收装置的那一小部分气体在二氧化碳吸收塔中与来自再生塔的高温贫碳酸氢钾-碳酸钾溶液接触。在二氧化碳作用下转化为碳酸氢钾。自二氧化碳吸收塔塔顶排出的气体经冷却，并分离出夹带的液体后，返回至循环系统。二氧化碳吸收塔塔釜的富碳酸氢钾-碳酸钾溶液经减压入再生塔，经加热，使碳酸氢钾分解为二氧化碳和碳酸钾，CO2自塔顶排出，再生后的贫碳酸氢钾-碳酸钾溶液循环回二氧化碳吸收塔。

乙烯催化氧化法制环氧乙烷的工艺需注意以下两点 1、保障安全性

对此工艺，由于副反应为强放热反应，温度的控制尤为重要，若反应热未及时移走，就会导致温度难于控制，产生飞温现象。由于是氧气做氧化剂，还存在爆炸极限的问题，所以反应气体的混合至关重要。可借用多孔喷射器对着混合气流的下游将氧高速喷射入循环气和乙烯的混合气中，使它们迅速进行均匀混合。为控制氧气、乙烯的浓度在爆炸极限以内，也为使反应不致太剧烈，需采用惰性致稳气，可采用N2或CH4作致稳气。[15]

2、保障经济性

对化工行业的生产工业来说，经济性是应首先考虑的重要因素。为满足此要求，应想办法使反应的选择性提高，催化剂的研究开发决定着反应的选择性，故应采用性能良好的催化剂，并用二氯化物来抑制副反应的发生。

还应考虑能量的利用率，想办法利用生产流程中各种位能的热量，充分节约资源，降低生产成本。

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第3章 物料衡算

§3.1 物性数据

表3.1 物性数据表[16]

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

组分 氮气 氩气 氧气 甲烷 乙烯 乙烷 二氧碳 环氧烷 乙醛 水 乙二醇

分子式 N2 Ar O2 CH4 C2H4 C2H6 CO2 C2H4O CH3CHO H2O C2H6O2

分子量 28.0134 39.9480 31.9988 16.0423 28.0530 30.0688 44.0095 44.0524 44.0524 18.0152 62.0676

常压 沸点℃ -195.8 -185.87 -182.98 -162.15 -103.71 -88.6 -78.45 10.4 20.4 100 197.3

§3.2 设计依据

1．设计任务：年产5.5万吨环氧乙烷 2．年工作时间：7200小时 3．高纯EO收率：30% 4．乙烯单程转化率：10% 5．EO的选择性：80% 6．二氧化碳的选择性：20% 7．EO吸收率：99.6% 8．排空气体比率：0.18% 9．以单位时间小时作为基准

§3.3 循环系统的物料衡算

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§3.3.1 计算依据

(1)原料氧气组成（mol%）：

N2: 0.0100

Ar: 0.2000 O2: 99.8000

C2H6: 0.1000

(2)原料乙烯组成（mol%）：

CH4: 0.0500 C2H4: 99.8500 (3)原料甲烷组成(mol%)：

N2:2.0000

CH4: 96.9000 C2H4: 0.5000 CO2:0.6000

(4)环氧乙烷吸收塔吸收液气比：2.00 (5)二氧化碳吸收率：18.0% (6)符号说明：

进料：F2—乙烯进料；F1—氧气进料；F3—甲烷进料；F—混合器物料；

MFi—反应器物料；RFi—排放物料；W—排放物产；R—循环物料

(7)主反应：

副反应：C2H4+3O2 2CO2+2H2O －1308.28kJ/mol (8)物料衡算图

乙烯催化氧化制取环氧乙烷得物料衡算框图：

SRC D RC SPC 水 MF 反应器 RP 吸收塔 SP B 图3.1 物料衡算图

C 除TC CO2 CO2脱除装C2H4 O2(ArFF A W (Ar)环氧乙烷水溶液

N2 14

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其中：FF 新鲜原料气 MF 原料混合气 RP 反应混合气 SP 混合分离气

RC 循环气 P 产品环氧乙烷 W 排空废气 SPC 未脱除二氧化碳的循环气 TC 脱除的二氧化碳 SRC 脱除二氧化碳的循环气 §3.3.2 混合器

（1）循环气体的温度：79.00℃ 压力1.76MPa混合气出料温度：76.00℃压力1.76MPa进料气体被EO反应产品气体从78℃加热到152℃， 而产品气体从202℃被冷却到138℃。

（2）环氧乙烷吸收塔吸收率（%）： 氮气：0.0050 乙烯：0.0500 烷：99.6000 （3）计算过程

1）计算新鲜乙烯原料中乙烯量

计划任务×10000×10005.5×10000×1000= = =735.6559 kmol/h 开工率×44.0524×合成收率7200×44.0524×30％新鲜乙烯原料中甲烷的量=

735.6559

×0.05％=0.3684 kmol/h

99.85％

735.6559

×0.01％=0.7268 kmol/h

99.85％

氩气：0.0010

氧气：0.010

甲烷：0.0100

环氧乙

乙烷：0.0020 水：65.2940

二氧化碳：1.3000

乙二醇：100.0000

新鲜乙烯原料中乙烷的量=

新鲜乙烯原料的量=新鲜乙烯原料中乙烯量+新鲜乙烯原料中甲烷的量+新鲜乙烯原料中乙烷的量

即：F2=520.2138+0.2605+0.5210=736.7611kmol/h

设：反应器的进料量为MF(kmol/h)；新鲜甲烷原料量为F3；针对混合器列乙烯和甲烷的物料衡算方程，得：

MF×30％=MF×30％×(1－10％)×(1－0.0005)×(1－0.0018)+520.2138+F3×0.5％ (1) MF×50％=MF×50％×(1-0.0001)×(1-0.0018)+0.2605+F3×96.9％ (2)

由（1）（2）两式联立可得MF=16991.6030

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F3=44.9033

2）设:循环气中环氧乙烷的量为REO；反应器中的环氧乙烷的量为MFEO；环氧乙烷的摩尔分率为yEO；针对混合器列环氧乙烷的物料衡算方程，得：

循环气中得环氧乙烷的量=反应器中的环氧乙烷的量；

REO=MFEO=MF?yEO 反应器中环氧乙烷的量：

(3)

MFEO=[MF?yEO+MF?yC2H4?0.1?80%]?(1-0.996) ?(1-0.0018) 由以上两式得：

MF?yEO0.1?0.8?(1?0.996)?(1?0.0018)?

MF?yC2H41?(1?0.996)?(1?0.0018)(4)

解得：yEO=0.0001

3)设：新鲜氧气原料的量为F1（kmol/h）； 针对混合器列氧气的物料衡算方程，得：反应器进料中的氧气量=新鲜氧气原料中的氧气量+循环气中的氧气量

MF×yO2=F1×y?O2+R×y?O2

循环气中的氧气量=反应器中的氧气量-反应消耗的氧气量-氧气的吸收量-氧气的排放量

R×y?O2=[MF×yO2－MF×yC2H4×0.1×0.8×0.5-MF×yC2H4×0.1×0.2×3]×(1-0.0001)×(1-0.0018)

即：R×8.32％=F1×99.8％+[MF×8.32％－MF×30％×0.1×0.8×0.5-MF×30％×0.1×0.2×3]×(1-0.0001)×(1-0.0018)

解得：F1 =693.4110kmol/h

4）设：环氧乙烷吸收塔吸收的二氧化碳的吸收率为?CO2；二氧化碳吸收解析塔二氧化碳的吸收率为?'CO2。

针对混合器列二氧化碳的物料衡算方程，得：

反应器中的二氧化碳的量=新鲜甲烷进料中的二氧化碳的量+循环气中的二氧化碳的量：MF?yCO2?F3?y''CO?R?y'CO2。

循环气中二氧化碳的量=反应器中二氧化碳的量+反应生成的二氧化碳的量-环氧乙烷吸收塔吸收的二氧化碳量-排放量-二氧化碳吸收解析塔二氧化碳的量：

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R×y?CO2=[MF×yCO2+MF×yC2H4×0.1×0.2×2]×(1-?CO2)×(1-0.0018)×(1-?'CO2)

即：MF×yCO2=F3×0.6％+[MF×yCO2 +MF×30％×0.1×0.2×2]×(1-0.013)×(1-0.0018)×(1-0.18)

解得：

yCO2=0.0500

5）设：新鲜乙烯原料量为F2；乙烷的吸收率为?C2H6，针对混合器列乙烷的物料衡算方程，得：反应器中的乙烷的量=新鲜乙烯原料中的乙烷的量+循环气中的乙烷的量：

MF?yC2H6?F2?y''C2H6?R?y'C2H6

循环气中的乙烷的量=MF?yC2H6?(1??C2H6)?(1?0.0018)

即：MF?yCH?520.2138?0.1%?MF?yCH?(1?0.00002)?(1?0.0018)

2626解得：

yC2H6=0.0175

6）设：氮气的吸收率为?N2；针对混合器列氮气的物料衡算方程，得： 反应器中的氮气的量=新鲜氧气原料中的氮气的量+新鲜甲烷原料中的氮气的量+循环气中的氮气的量：

MF?yN26?F1?y''N2?F3?y'''N2?R?y'N26

循环气中氮气的量=MF?yN?(1??N)?(1?0.0018)

22即

MF?yN2?509.9414?0.005%?16.3880?2%?MF?yN2?(1?0.00005)?(1?0.0018)

解得：yN2=0.0118

7）设：氩气的吸收率为?N2；针对混合器列氩气的物料衡算方程，得： 反应器中的氩气的量=新鲜氧气原料中的氩气的量+循环气中的氩气的量

MF?yAr?F1?y''Ar?R?y'Ar

循环气中的氩气的量=MF?yAr?(1??Ar)?(1?0.0018)

即：MF?yAr?509.9414?0.195%?MF?yAr?(1?0.00001)?(1?0.0018)

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解得：yAr=0.0323

8）设：水的吸收率为?H2O；循环气中水的摩尔分率为yH2O，针对混合

'器列水的物料衡算方程，得：

循环气中的水的量=反应器中的水的量+反应生成的水的量

R?y'H2O=[MF?yHO?MF?yCH?0.1?0.198?2]?(1??HO)?(1?0.0018)

2242反应器中水的摩尔分率：

yH2O=1-

yCH4-yC2H4-yO-yCO-yC2H6-yN-yAr-yEO

222=1-0.5-0.3-0.0832-0.05-0.0168-0.0112-0.0323-0.0001=0.0063 又有：F1+F2+F3+R=MF， 即R=MF- F1-F2-F3

得：R=16991.60299-509.9414-520.9953-16.3880=21641.4150kmol/h 即：R?y'H2O?[MF?0.0063?MF?0.3?0.1?0.198?2]?(1?0.64926)?(1?0.0018)

得：yH2O=0.0067 计算结果见表3-2

表3.2 混合器物料衡算结果表

'

温度℃ 压力MPa 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9

组分 N2 Ar O2 CH4 C2H4 C2H6 CO2 C2H4O H2O

分子量 28.0134 39.9480 31.9988 16.0423 28.0530 30.0688 44.0095 44.0524 18.0152 小计 合计

输入物料

原料氧气 40 2.75 摩尔流量 kmol/h 0.0347 1.3521 692.0242

F1=509.9414

摩尔 分率 % 0.0001 0.0020 0.9980 1.0000

原料乙烯 30 2.55 摩尔流量 kmol/h

0.3684 735.6559 0.7368 F2=736.7611

摩尔 分率 % 0.0005 0.9985 0.0010 1.0000

原料甲烷

10 2.55

摩尔

摩尔流量

分率

kmol/h

% 0.8981 43.5113 0.2245 0.2694 F3= 44.9033

0.0200 0.9690 0.0050 0.0060 1.0000

循环气 79 1.76

摩尔流量 kmol/h 271.8418 745.3105 1231.2678 11514.3655 6199.0567 403.8018 1155.5551 2.3116 117.8491 R= 21641.450

摩尔 分率 % 0.0120 0.0344 0.0567 0.5318 0.2871 0.0179 0.0533 0.0001 0.0067 1.0000

输出物料 76 1.76

摩尔流量 kmol/h 272.7746 746.6626 1923.2920 11558.2452 6934.9471 404.5386 1155.8245 2.3116 1117.8941 23116.4090

摩尔 分率 % 0.0118 0.0323 0.0832 0.5000 0.3000 0.0175 0.0500 0.0001 0.0051 1.0000

输入物料总量 MF=23116.4904

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§3.3.3 反应器

（1）反应温度为243℃，压力为1.60MPa，反应物料由塔顶加入。 （2）计算过程（y表示MF中各个组分的摩尔分率） 1）反应器出口的乙烯的量=MF?yC2H4?(1?乙烯的单程转化率）

=23116.49044×0.3×(1-10％) =6241.4524 kmol/h

2) 反应器出口环氧乙烷

=MF?yC2H4?乙烯的单程转化率?环氧乙烷的选择性

=23116.49044×0.3×10％×80％ =554.7958 kmol/h

3）反应器出口二氧化碳=MF×yC2H4×乙烯的单程转化率×二氧化碳的选择性×2+MF×yCO2

=23116.49044×0.3×10％×20％×2+23116.49044×8.32％ =1430.4485 kmol/h

4）反应器出口水量（反应中每生成一摩尔的二氧化碳同时生成一摩尔的水）所以： 反应器出口=

MF?yH2O?MF?yC2H4?乙烯单程转化率?二氧化碳选择性?2

=23116.49044×0.0063+23116.49044×0.3×10％×20％×2 =672.6899 kmol/h

5）反应器出口氧气量（混合器中氧气量-生成环氧乙烷消耗的氧气量-生成乙醛消耗氧气量-生成二氧化碳消耗的水量）

即：反应器出口水量

?MF?yO2?MF?yC2H4?乙烯单程转化率?环氧乙烷选择性?0.5

－

MF?yC2H4?乙烯单程转化率?二氧化碳择性?3

=23116.49044×0.0832－23116.49044×0.3×10％×80％×0.5 －23116.49044×0.3×10％×20％×3 =1233.2648 kmol/h

6）反应器出口氮气，氩气，甲烷，乙烷的量

因为在反应器中这些物料没有发生变化，所以其量等于进口的量 即：氮气=272.2700 kmol/h

氩气=746.6626 kmol/h

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甲烷=811558.2452 kmol/h 计算结果见表3.3。

乙烷=404.5396 kmol/h

表3.3 反应器物料衡算结果表

温度℃ 压力MPa 序号 组分 分子量 1 2 3 4 5 6 7 8 9

N2 Ar O2

摩尔 流量 kmol/h

输入物料 150 1.76 摩尔 质量 分率 流量 % Kg/h

输出物料

234 1.47 摩尔 质量 分率 流量 % Kg/h

质量

分率 % 摩尔 流量 kmol/h 质量 分率 %

28.0134 272.7746 0.0112 5349.4200 0.0134 272.2700 0.0118 5349.4200 0.0134 39.9480 746.6626 0.0323 21947.0265 0.0549 746.6626 0.0323 21947.0265 0.0549 31.9988 1923.2920 0.0832 45236.7474 0.1131 1233.2648 0.0536 29006.9768 0.0726

11558.264

0.5000 136292.1963 0.3409 8

CH4 16.0423 11558.2452 0.5000 136292.1963 0.3409

C2H4 28.0530 6934.9471 0.3000 142999.6316 0.3577 6241.4524 0.2700 128699.6684 0.3219 C2H6 30.0688 404.5396 0.0168 8607.6996 0.0215 404.5396 0.0175 8607.6996 0.0215 CO2 44.0095 1155.8245 0.0500 37380.2502 0.0935 1430.4485 0.0619 46264.0186 0.1157 C2H4O 44.0524

2.3116

0.0001

72.0162

0.0002 554.7958 0.0240 18036.5176 0.0451

H2O 18.0152 117.8941 0.0063 1927.6386 0.0048 672.6899 0.0291 5564.1913 0.0139 合计

23116.4904

§3.3.4 环氧乙烷吸收塔

（1）该塔用纯水作为吸收剂，吸收塔的温度为47℃，压力为1.45MPa。 （2）各组分的吸收率（%）： 氮气：0.0050 乙烯：0.0500

氩气：0.0010

氧气：0.0100

甲烷：0.0100

环氧乙

乙烷：0.0020

二氧化碳：1.3000

烷：99.6000 水：65.2940

（3）EO吸收塔吸收液汽比=2.0

（4）计算过程（y表示RF中的摩尔分率，?为吸收率） 1）气体中各个组分的量

a)出口环氧乙烷的量=进入吸收塔的环氧乙烷量?（1-环氧乙烷的吸收率）

=RFEO×(1－α

EO)

=409.4333×(1-99.6％)=2.2192 kmol/h

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b)出口乙烯的量=进入吸收塔的乙烯的量?(1?乙烯的吸收率)

=RFC2H4O×(1－α

C2H4O)

=6587.7328×(1-0.05％)=6238.3317 kmol/h

c)出口的二氧化碳的量

=进入吸收塔的二氧化碳的量?(1?二氧化碳的吸收率) =RFCO2×(1－α

CO2)

=1551.228×(1-1.30％)=1411.8527 kmol/h

d)出口的氧气的量=进入吸收塔的氧气的量?(1?氧气的吸收率)

=RFO2×(1－α

O2)

=1246.5020×(1-0.01％)=1233.1415 kmol/h

e)出口的甲烷的量=进入吸收塔的甲烷的量?(1?甲烷的吸收率)

=RFCH4×(1－α

CH4)

=1245.8015×(1-0.01％)=11535.1230 kmol/h

f)出口的乙烷的量 =进入吸收塔的乙烷的量?(1?乙烷的吸收率)

=RFC2H4×(1－α

C2H4)

=410.2668×(1-0.002％)=403.7942 kmol/h

g)出口的氮气的量=进入吸收塔的氮气的量?(1?氮气的吸收率）

=RFN2×(1－α

N2)

=275.9593×(1-0.005％)=272.2564 kmol/h

h)出口的水蒸气的量=进入吸收塔的水蒸气的量?(1?水蒸气的吸收率） =RFH2O×(1－α

H2O)

=308.8609×(1-65.294％)=233.4638 kmol/h 2)吸收剂的用量H(采用纯水做吸收剂) EO吸收塔吸收液汽比L/V=2.0 塔内气体的平均流率V=

进料量?塔顶气体量

2塔内液体的平均流率L=

吸收剂量H?(吸收剂量H?被吸收的量）

2即：吸收剂的用量=[（进料量+塔顶出口气体量）?液气比-被吸收的量]/2 得：吸收剂用量

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