环氧乙烷乙二醇车间环氧乙烷合成工段工艺设计.doc
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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流环氧乙烷乙二醇车间环氧乙烷合成工段工艺设计.精品文档.环氧乙烷/乙二醇车间环氧乙烷合成工段工艺设计内容摘要本设计对年产6.0万吨环氧乙烷合成工段进行工艺设计。并对环氧乙烷的生产方法、生产原理、流程路线及主要设备等进行了论述和计算。 环氧乙烷是乙烯的重要衍生物，主要用作有机合成的中间体和原料，用于制造乙二醇、表面活性剂、洗涤剂、增塑剂以及树脂等。我国环氧乙烷生产能力有限，每年都要大量进口环氧乙烷产品来满足国内市场的需求。本设计的工艺流程分为四个系统，分别为:反应系统、环氧乙烷吸收解吸系统、二氧化碳吸收解吸系统和环氧乙烷精制系统。并以这四个系统为
2、主线，对工艺流程进行了叙述。采用aspen plus 软件对主要设备如：混合器，反应器，环氧乙烷吸收塔，二氧化碳吸收系统，环氧乙烷解吸塔，冷凝器，脱轻组分塔等进行物料衡算，对环氧乙烷反应器，进料-产品第一换热器，冷却器等设备进行热量衡算，并对环氧乙烷反应器，精制塔和换热器进行设备计算。关键词：环氧乙烷；反应器 ；换热器 Abstract目 录AbstractII第一章 引言11.1环氧乙烷在国民经济中的地位和作用11.2环氧乙烷生产技术发展动向11.2.1催化剂11.2.2工艺技术11.2.3国内动向21.3市场供需预测31.3.1国外市场31.3.2国内市场31.4结束语4第二章 工艺概述5
3、2.1环氧乙烷的性质52.1.1环氧乙烷的物理性质52.1.2环氧乙烷的化学性质52.2生产方法的评述及选择52.2.1氯醇法52.2.2直接氧化法52.3环氧乙烷的生产原理62.3.1氧化反应原理62.3.2二氧化碳脱除原理62.4工艺流程叙述72.5工艺设备表8第三章 工艺计算93.1 Aspen Plus简介93.2物性数据93.3 Aspen Plus设计依据93.4 Aspen Plus软件数据输入93.4.1物料输入参数93.4.2设备输入参数103.5流程图113.6物料衡算16表3.4 混合器 M101物料衡算结果表163.7热量衡算19第四章 设备计算224.1反应器R101
4、224.2精制塔234.2.1塔径的计算的基础数据；234.2.2填料的选择264.2.3塔径设计计算264.2.4填料层高度设计计算284.2.5 精制塔附属设备的选型284.3换热器20328第五章 安全、环保、能量利用305.1原料消耗表305.2能量消耗表305.3三废处理30第一章 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
5、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。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1。1.2 环氧乙烷生产技术发展动向1.2.1 催化剂近年来，世界上环氧乙烷在催化剂、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
6、，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222-255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
7、种阳离子助剂，含硫化物、氟化物阴离子助剂和选自BB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1.512mgg，锰质量分数37.4mgg，催化剂经21天运行试验后，环氧乙烷选择性可高达96.6%。1.2.2 工艺技术（1）环氧乙烷反应器目前，工业用平均单台反应器产能已从20世纪50年代不到1万ta增加至15万ta，在2005年世界计划建设的或者是待工业化的环氧乙烷生产装置中，平均单台反应器产能已达24万ta。Shell公司和SD公司均拥有单台反应器环氧乙烷产能24万ta的设计能力，并正
8、在沙特阿拉伯和其他地区使用这种技术建设48万ta规模的环氧乙烷装置。基于传统环氧乙烷生产存在能耗高、收率低的不足，国内外正在探索一种新型反应器。例如华东理工大学正在探索一种新型三相鼓泡淤浆床反应器。在气固相原颗粒催化剂反应动力学研究的基础上，研究了采用细颗粒催化剂及高沸点抗氧化溶剂作液相热载体，在180-230、2.1MPa条件下在三相鼓泡淤浆床反应器中用乙烯催化氧化合成环氧乙烷。反应结果显示，在上述工艺条件下、反应后系统内环氧乙烷质量分数为1.5%时，选择性可达87.87%。（2）乙烯回收技术美国膜技术回收乙烯专利技术已应用于我国上海石化股份有限公司等多套环氧乙烷装置，乙烯回收率达到88%。
9、除此之外，目前SD公司提出利用半渗透膜从循环气体中选择抽出氩气，然后把分出氩气后的富乙烯气体循环回反应器的新乙烯回收技术，以减少乙烯损失。Dow化学公司则提出用1个乙烯吸附和脱附的联合装置回收乙烯，吸附剂为高相对分子质量有机液态，如n-C12烷烃、n-C13烷烃。回收乙烯后的放空气体中乙烯体积分数仅为0.1%1.0%。（3）含氯抑制剂Shell公司已改用一氯乙烷作抑制剂，这是因为与二氯乙烷相比，一氯乙烷具有加入量较大，易于控制、毒性较小，在系统内形成氯化物杂质较少等优点，对设备尤其是不锈钢设备的长期使用更有利，而且添加一氯乙烷工艺更简单，不需要泵或载气加以输送，目前国内某些环氧乙烷装置也已采用
10、一氯乙烷作抑制剂，并获得较好效果。（4）催化剂装填技术惰性球对醛的生成具有促进作用，Shell公司为此提出了新的催化剂装填技术，即在催化剂的顶部用催化剂代替惰性球。该技术还具有压力降易调节，催化剂装填所用时间短，废旧催化剂回收时无需分离等优点。此外，在固定床反应工艺优化、防止反应气异物化、新致稳剂使用方面也有新的进展。1.2.3 国内动向在引进技术消化吸收基础上，我国已在佳木斯石油化工厂自行设计1.0万ta环氧乙烷生产装置。在催化剂国产化方面，燕山石化研究院开发的YS系列催化剂已在所有引进环氧乙烷装置上得到应用，并与Shell高活性催化剂S-863性能相当，优于SD的S-1105催化剂。最近该
11、院研制的新型环氧乙烷银催化剂“YS-8500”在通过中石化集团公司的鉴定之后，又成功地在北京东方化工厂环氧乙烷乙二醇装置上实现了工业应用。在连续72h考核中，各项指标均达到小试水平，其中选择性比“YS-7”催化剂(选择性为81.8%)高出1-2个百分点，产品质量符合用户要求。这是该院自1997年研制开发成功“YS-7”型银催化剂，并相继在国内5套环氧乙烷乙二醇生产装置上成功应用后的又一重大科研成果1。1.3 市场供需预测1.3.1 国外市场据斯坦福咨询公司2004年4月统计，2004年全球环氧乙烷总生产能力达到1706.5万ta，其中北美544.3万ta，占31.9%；南美39.4万ta，占2
12、.3%；西欧295.5万ta，占17.3%；东欧95.0万ta，占5.6%；中东233.2万ta，占13.7%；亚太地区499.1万ta，占29.2%。全球2003年环氧乙烷消费量为1593.4万t，比2002年增长8.4%。1.3.2 国内市场（1）环氧乙烷生产20世纪70年代，我国开始引进环氧乙烷乙二醇联产装置，至今，我国已引进11套装置。其中多数是环氧乙烷乙二醇联产，仅吉林联合化工厂是单独生产环氧乙烷而没有配套生产乙二醇，而中油吉化公司和独山子石化则全部用于生产乙二醇，不生产商品环氧乙烷。（2）环氧乙烷消费我国环氧乙烷主要用来联产乙二醇，商品环氧乙烷主要用作生产非离子表面活性剂、乙醇胺、
13、乙二醇醚、聚醚等，在医药、燃料、橡胶等领域也有应用。据统计，2004年我国环氧乙烷消费量为114万t，其中乙二醇77.4万t，占67.9%；非离子表面活性剂16.8万t，占14.8%；聚醚5.5万t，占4.8%；医药1.8万t，占1.6%；乙醇胺4.0万t，占3.5%；乙醇醚3.1万t，占2.7%；其他产品5.4万t，占4.7%。由于聚酯工业对乙二醇需求的大幅增长，所以2004年我国环氧乙烷需求量大幅增加，表观消费量达到429万t左右，而产能仅109.1万t/a，其中商品量36.55万t。尽管近年来我国当量环氧乙烷产能和产量有了较大的增加，但是仍然不能满足聚酯工业需要。由于环氧乙烷不易长途运输
14、，所以国内环氧乙烷进口量非常少，环氧乙烷市场巨大需求主要体现在以乙二醇为代表的下游产品上，而且近年来国内环氧乙烷主要下游产品进口数量又呈现快速增长的局面。乙二醇进口量正在逐年递增，2004年仅国内乙二醇的进口量高达339.1万t，以生产1t乙二醇需环氧乙烷0.75t的单耗计算，折合成环氧乙烷约为270万t。环氧乙烷的其他下游精细化工产品乙二醇醚、乙醇胺和表面活性剂等进口量也有不同程度的增长，这些下游产品根据其环氧乙烷单耗折合成环氧乙烷共约45万t，因而2004年环氧乙烷下游产品进口量折合环氧乙烷总量已达315万t。如我国环氧乙烷需求增长速率与国民经济增长速率8%相同步，以此推算，我国2010年
15、的环氧乙烷表观需求量将从2004年的429万t上升到680.8万t。为满足市场需求，我国有多家企业计划建设规模化环氧乙烷生产装置，可以预计未来几年我国环氧乙烷的生产能力将呈现迅速增加的势头。届时环氧乙烷供应情况将得到改善，国内在建和规划建设的环氧乙烷乙二醇装置产能达281万ta。 1.4 结束语环氧乙烷是重要有机化工原料，为满足聚酯工业所需乙二醇和其它下游产品，我国环氧乙烷生产必有较大幅度的增长。对此，提出如下设想和建议。 (1)在现有催化剂制备技术和反应器加工技术基础上，发展具自主知识产权的环氧乙烷生产技术。 (2)继续开发大型环氧乙烷设备制造技术，并建设40万-60万ta大型化生产装置，提
16、高环氧乙烷工业竞争力。 (3)加大下游精细化工产品的开发与应用，促进商品环氧乙烷的发展，从而使我国环氧乙烷生产在满足国内市场需求的同时，生产技术也可望达到世界先进水平，成为世界环氧乙烷生产大国2。第二章 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又叫氧化乙烯，分子式C2H4O，分子量为44.05，是无色具有烯烃芳香味的有刺激性气体，环氧乙烷是极易燃的，并与空气形成爆炸性混合物，即使在缺氧条件下加热也可引起爆炸危险。在空气中爆炸极为3-100%，能以任何比例与水、乙醇、醚以及多数有机溶剂混合，沸点为10.6，在低于10.6或压力下为无色液体，在流动状态下易挥发，由于反应性很
17、活泼，贮藏保管都要特别注意。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
18、生成聚乙二醇。2.2生产方法的评述及选择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。19
19、58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3。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
20、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： (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。(
21、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。(5)(6)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：K2CO3 + CO2 + H2O2KHCO3 + 6.4KCal/mol(7)应分五步进行：H2O=H+ + OH- (8)K2CO3=CO32- + 2K+ (9)H+ + CO32-=
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- 环氧乙烷 乙二醇 车间 合成 工段 工艺 设计
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