苏州科技学院化工工艺设计说明书
4 工艺计算书
4.1 已知条件
原料乙烯年处理量为12万吨
用N2作为惰性致稳气时的原料气组成
组成 mol，% C2H4 18.00 O2 8.00 N2 50.50 CO2 9.13 CH4 0.59 C2H6 0.76 Ar 12.52 H2O 0.50 反应器的单程转化率： 选择性：
15.1% 83.8%
环氧乙烷的吸收率： 99.5%
O2中夹带Ar 0.00856mol，循环排放气中含Ar为12.85%，产品环氧乙烷中含Ar 0.00631 mol。
图2 乙烯催化氧化制取环氧乙烷得物料衡算框图
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 TC 脱除的二氧化碳 SRC 脱除二氧化碳的循环气
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W 排空废气 SPC 未脱除二氧化碳的循环气
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4.2 衡算过程
(1)根据生产任务，原料乙烯年处理量为12万吨，若按年工作日300天，每天开动设备24小时计算
12?104?103乙烯处理量==595.238kmol/h
300?24?28进入的原料气总量=595.38=3306.878kmol/h 18%衡算基准：以单位时间进入反应器的混合原料气3306.878kmol为基准 衡算范围：以下各步的衡算范围如图2虚线框所示
（2）以反应器为衡算范围，确定反应混合气(RP)组成 (A)反应器中的主要反应方程式：
主反应方程式:
平行副反应方程式：
(B) 原料混合气(MF)各组分摩尔数的变化
△(C2H4) 3306.878×18%×15.1%=89.8810kmol △(C2H4O) 89.8810×83.8%=75.3203kkmol △(CO2) 89.8810×(1-83.8%)×2=29.1214kmol △(H2O) 29.1214kmol
△(O2) 75.3203×1/2+29.1214×3/2=81.3423kmol
(C)反应混合气(RP)的组分含量
C2H4 3306.878×18%-89.8810=505.3570kmol O2 3306.878×8%-81.3423=183.2079kmol C2H4O 75.3203kmol
CO2 3306.878×9.13%+29.1214=331.0394kmol H2O 3306.878×0.50%+29.1214=45.6558kmol 其他气体未参加反应，故他们的量不变，同原料气 CH4 3306.878×0.59%=19.5106kmol N2 3306.878×50.50%=1169.9734kmol C2H6 3306.878×0.76%=25.1323kmol
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Ar 3306.878×12.52%=414.0211kmol
(D) 反应混合气的组成
由以上计算可得RP中混合物的总量(SRP)
RP=505.3570+183.2079+331.0394+19.5106+75.3203+45.6558+25.1323+414.0211+1669.9734=3269.2178 kmol 计算结果如下表：
组成 kmol Kmol,% 组成 kmol Kmol,% C2H4 505.3570 15.458 C2H6 25.1323 0.769 O2 183.2079 5.604 Ar 414.0211 12.664 N2 1669.9734 51.802 H2O 45.6558 1.397 CO2 CH4 331.0394 19.5106 10.126 C2H4O 75.3203 2.304 0.597
（3）以吸收塔为衡算范围，确定混合分离气(SP)的组成 (A) RP中各组分量的变化(即在产品P中的含量) △(C2H4O)： 75.3203×99.5%=74.9437kmol △(Ar) ： 74.9437×0.00631=0.4729kmol
△(H2O)： 45.6558kmol (即考虑水全部进入产品中 ) 由此可得，产品(P)中带出的物质总量（SP） P=74.9437+0.4729+45.6558=121.0724kmol
(B) SP中各组分的含量 利用衡算关系式：
RP(X) = SP(X) + P(X) X为SP中某组分 对C2H4O和Ar作物料衡算，得它们的含量如下
C2H4O： 75.3023-74.9437=0.3766kmol (数值较小，忽略不计) Ar ： 414.0211-0.4729=413.5482kmol H2O ： 45.6558-45.6558=0 其他气体的量不变。
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(C)确定SP的组成
由于SP的组成与循环排放气W组成相同，故SP中Ar的摩尔分数也为12.85%。可得SP中各组分的总量(SSP)
SP=413.5482/12.85%=3218.2739kmol 计算结果如下表：
组成 kmol C2H4 O2 N2 CO2 CH4 19.5106 0.606 505.3570 183.2079 1669.9734 331.0394 5.693 Ar 413.5482 12.850 51.890 H2O 0 0 10.286 C2H4O 0 0 Kmol,% 15.703 组成 kmol Kmol,% C2H6 25.1323 0.781
（4）确定新鲜原料(FF)和循环气(RC)组成
(A) 以整体为衡算范围，对Ar作物料衡算.设FF中O2为X kmol,C2H4为Y kmol;RC中 O2为 Z kmol，C2H4 为G kmol。
利用衡算式
FF(Ar) = P(Ar) + W(Ar) 可得
0.00856X =0.4729+ W×12.85% ①
(B) 以节点B为衡算范围，对C2H4和O2作物料衡算。利用衡算式 SP(x) = RC(x) + W(x) X为C2H4和O2 且W中各组分的组成与SP中各组分的组成相等，可得 对C2H4： 505.3570=G+ W×15.7030% ② 对O2 ： 183.2079 =Z+ W×5.6930% ③ (C) 以节点A为衡算范围，对C2H4和O2作物料衡算。
利用衡算式 MF(X) = FF(X) + RC(X) X为C2H4和O2 可得: 对C2H4： 595.2830=Y + G ④ 对O2 ： 264.550=X + Z ⑤ 联立以上五式，解得
X=81.4407 Y=90.1550 Z=183.1093 G=505.0830 W=1.7450 (D)确定FF的组成
由以上计算可知FF中： O2含量为81.4407kmol， C2H4含量为90.1550kmol，
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故FF中O2中的Ar夹带量为： 81.4407×0.00856=0.6971kmol 以节点B为衡算范围，对N2作物料衡算，利用衡算式 SP(N2) = RC(N2) + W(N2) 可得
RC(N2)=1669.9734-1.7450×51.890%=1669.0679kmol 以节点A为衡算范围，对N2作物料衡算，利用衡算式 MF(N2) = FF(N2) + RC(N2) 可得 FF(N2)=1669.9734-1669.0679=0.9055kmol 故FF中各组分的总量
FF=90.1550+81.4407+0.6971+0.9055=173.1983kmol 计算结果如下表：
组成 kmol Kmol,%
3 H4 90.1550 52.0507 47.022 C2O2 81.44N2 0.9055 0.523 Ar 0.6971 0.402 (E)确定RC的组成
由前面的计算已得RC中：O2：183.1093kmol,C2H4：505.0830kmol, N2：1669.0679kmol。
以节点A为衡算范围，对Ar作物料衡算，利用衡算式 MF(Ar) = FF(Ar) + RC(Ar) 可得: RC(Ar)=414.0211-0.6971=413.3240kmol
RC中其他组分的量与MF中相等。故RC中各组分的总量
RC=505.0830+183.1093+1669.0679+301.9180+19.5106+25.1323+414.0211+16.5344=3134.3766kmol
计算结果如下表：
组成 kmol KmoC2H4 505.0830 16.114 O2 183.1093 5.842 N2 1669.0679 53.250 CO2 301.9180 9.632 CH4 19.5106 0.622 第 15 页