5万吨/年环氧乙烷固定床设计
前 言
环氧乙烷(Oxirane)又名氧化乙烯(Ethylene Oxide)，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[2-5]。
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，连续引入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。
1 文献综述
1.1 环氧乙烷的性质 1.1.1 物理性质
表1.1 环氧乙烷的主要物理性质 参数名称 沸点(101.3kPa)，℃
熔点(101.3l(Pa)，℃ 临界温度，℃ 临界压力，Mpa 临界密度，kg/m3 折射率，?7D
空气中爆炸极限(101.3kPa)，％(体积)下限 空气中爆炸极限(101.3kPa)，％(体积)上限
燃烧热(25℃，101.3kea)，kJ/kg
生成热蒸汽，kJ/mol 生成热液体，kJ/mol 熔解热，kJ/kg 聚合热，kJ/kg 汽化热，(10.5℃)，kJ/kg
比热容(35℃)，kJ/(kg.K)
参数名称 气相分解热，kJ/kg
着火点，K
数值 10.8
－112.5 195.8 7.194 314 1.3597 2.6 100 29.648 71.13 97.49 117.86 2091 580.58 1.96
续表1.1 数值 1901 702
自燃点，K 表面张力(20℃)，mN/m 热导率(25℃)，J/(cm.s.K) 粘度，mPa.S，0℃ 粘度，mPa.S，10℃
644 24.3 0.0001239 0.3l 0.28
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。主要物理性质如表1。
1.1.2 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H20、HX、NH3、RNH2、R2NH、RCOOH、ROH、RSH、HCN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?CH2OHCH2OH (2-1) 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 (2-2)
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 (2-3) 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 (2-4) (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。