[发明专利]一种环氧乙烷水合制乙二醇的热泵反应精馏工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种环氧乙烷水合制乙二醇的热泵反应精馏工艺，属于有机化工技术领域。

背景技术

乙二醇是一种重要的有机化工原料，应用领域涉及生产聚酯纤维、防冻剂、不饱和聚酯树脂、润滑剂、增塑剂、非离子表面活性剂以及炸药等。工业上有多种生产乙二醇的方法，其中环氧乙烷水合制乙二醇法是当今工业上采用的主要方法。环氧乙烷水合的反应式可表示为：

C₂H₄O+H₂O→C₂H₆O₂（EG）

反应生成的乙二醇（EG）还会和环氧乙烷继续反应生成二乙二醇（DEG）、三乙二醇等副产品。

C₂H₄O+ C₂H₆O₂→C₄H₁₀O₃（DEG）

 C₂H₄O+ C₄H₁₀O₃→C₆H₁₄O₄（MEG）

…………

以上反应的典型特征是：（1）为不可逆的平行-连串反应，反应将生成一系列不同环氧乙烷加成数的同系物；（2）反应强放热，每摩尔环氧乙烷开环放热量大约为100 kJ；（3）产物的沸点差大，一般情况下每加成一个环氧乙烷，产物的沸点增大约40℃。

据报道，全球约70% 的环氧乙烷水合反应装置采用SD和Shell 公司的技术。该技术采用 (20~25)：1的水和环氧乙烷的进料摩尔比，在150~200℃，0.8~2.0MPa条件下制备乙二醇，环氧乙烷转化率接近100%，乙二醇选择性89~90%，主要副产物是二乙二醇和三乙二醇。该技术的主要缺点是水和环氧乙烷的进料配比高，生产中大量的能量用于蒸发产品中的水分，能源耗费巨大，同时单乙二醇选择性偏低。而当采用 (6~15)：1低水比时，乙二醇选择性又会降低。因此，国内外研究者积极开展了环氧乙烷水合反应技术的研究，希望能够减少反应原料的水环比、降低分离能耗和提高乙二醇的选择性。

反应精馏是上世纪80年代发展起来的一种新兴化工过程强化技术。该技术将反应和分离这两个化学工程领域中最为关键的过程耦合于同一设备单元中，成为革新传统单元操作的一项代表性技术，被认为是过程强化的先驱者。有公开文献报道应用反应精馏合成乙二醇的方法，如文献《AIChE J》，2008年4月，第24卷，第2期。该文献将水合反应和产物分离集成在一个反应精馏塔中进行，塔设置反应段和提馏段，水从反应精馏塔的上部进料，环氧乙烷从反应段的下部进料，也可以从反应区多段进料。该方法的优点是水和环氧乙烷的进料比很低（接近1），乙二醇的选择性高（达到90%以上），但该方法在实际应用时也存在诸多困难。比如，该方法反应精馏塔的操作压力为0.1Mpa，反应温度为373-393K，而工业实践表明，此条件下环氧乙烷水合反应速率很慢，装置难以达到高的产能。而如果提高塔的操作压力和反应温度，塔釜产物的温度将随之提高，分离困难将成为方法实施的制约因素。

中国专利CN1657514A公开了一种环氧乙烷水合制乙二醇的反应精馏工艺，其特点是在一个反应精馏塔中同时进行环氧乙烷水合反应与乙二醇分离的两个过程。该方法中水和环氧乙烷的进料摩尔比为（1. 0~3.0）：1，反应温度170~220℃，反应压力以绝压计为0.8~2.0MPa。该专利工艺的优点是水和环氧乙烷的进料摩尔比要比管式反应器降低很多，但也存在反应和分离的匹配困难，水转化率不高和系统能耗高等缺点。具体说，为了提高环氧乙烷的反应速率，需要反应精馏塔在比较高的压力和温度下操作，但这将导致塔釜产品的温度升高，进而导致再沸器加热介质温度的升高和操作费用的增大，甚至找不到经济的加热介质。举例来说，按该专利的方法（实施例3），塔操作压力1.2Mpa，水和环氧乙烷的进料比为2.8:1时，塔釜产物中的水摩尔分数占到约65%（水的转化率不高，后序分离能耗高），塔釜温度为206℃。如果在压力不变化的情况下，期望水的比例降低到10%，则塔釜温度将超过270℃，这需要昂贵的加热介质，其经济性将变差。所以，如何实现反应和分离的优化匹配是环氧乙烷水合反应精馏技术开发需要解决的关键问题。

发明内容