關(guān)于環(huán)氧乙烷生產(chǎn)工藝的探討

龔勇(中國(guó)化學(xué)賽鼎寧波工程有限公司 浙江 寧波 315048)

環(huán)氧乙烷是現(xiàn)代社會(huì)中普遍使用的一種重要的有機(jī)化工原料，它由乙烯衍生而來(lái)，主要用于生產(chǎn)供汽車防凍劑使用的乙二醇原料。除此以外，在電子產(chǎn)業(yè)、化工產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域，環(huán)氧乙烷及其衍生品也發(fā)揮著重要的作用。

環(huán)氧乙烷生產(chǎn)工藝的研究始于上個(gè)世紀(jì)20年代，到如今發(fā)展已快接近100個(gè)年頭。從一開(kāi)始的氯醇法工藝生產(chǎn)，再到銀催化空氣直接氧化生成法，再到后來(lái)的氧化法等。經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)，目前應(yīng)用面最廣、被業(yè)內(nèi)所公認(rèn)的生產(chǎn)工藝是用純氧與乙烯在銀催化劑的情況下直接制取環(huán)氧乙烷。

環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)工藝不斷地發(fā)展進(jìn)步，目前已經(jīng)到了一個(gè)較高的水平。這其中的改進(jìn)過(guò)程也經(jīng)歷了不少的變化。主要分為工藝流程上的改進(jìn)和反應(yīng)器的改進(jìn)兩種。下面將分別介紹下這兩種改進(jìn)方法。

一、反應(yīng)氣的改進(jìn)

1.提高反應(yīng)器中乙烯的比例

乙烯是生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的直接和重要的原料之一。在一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程中，反應(yīng)空氣的大小、所占有的比例都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。對(duì)于乙烯來(lái)說(shuō)也不例外，在反應(yīng)器中，乙烯的比例將直接影響到最后轉(zhuǎn)化成環(huán)氧乙烷的效率和整個(gè)反應(yīng)的穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)的情況下，由于工藝及技術(shù)水平的限制，在反應(yīng)器中乙烯的比例一般維持在30%及以下的水平中，最后生成環(huán)氧乙烷的轉(zhuǎn)化率大概達(dá)到8%，而選擇性能夠達(dá)到大于80%的水平。隨著人們研究水平的加深和科學(xué)技術(shù)水平的提高，新的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)被提了出來(lái)。在氮氧混合物的情況下，我們可以大幅度地提高乙烯的體積分?jǐn)?shù)，達(dá)到40%-85%左右。這樣除了可以小幅度提高環(huán)氧乙烷的轉(zhuǎn)化率以外，對(duì)于整個(gè)反應(yīng)的穩(wěn)定性和選擇生成性的提高也有很大的意義。

2.降低乙烯成本

生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的成本由原料成本、工程成本、人力資源成本等等因素組成。在這些因素之中，原料成本的影響最大，而原料里的乙烯成本則是最主要的影響因素。通過(guò)選用低成本的乙烯原料和對(duì)生產(chǎn)工藝流程的優(yōu)化可以有效地減少生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的成本。對(duì)生產(chǎn)工藝流程優(yōu)化的一個(gè)最有效的例子便是提高實(shí)驗(yàn)使用的銀催化劑的整體性能。銀催化劑整體性能的提高能夠延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)、使乙烯和氧氣等充分反應(yīng)，從而提升環(huán)氧乙烷的轉(zhuǎn)化率和穩(wěn)定性，達(dá)到很好的效果。

3.使用純度高的氧氣

在剛開(kāi)始使用普通空氣生產(chǎn)的階段，雜質(zhì)較多、利用率低下。隨著研究的深入和技術(shù)水平的提高，人們有能力制取高純度的氧氣去參與反應(yīng)，從而有效地解決了上述問(wèn)題。除此以外，使用高純度的氧氣還能促進(jìn)廢氣的重復(fù)利用，對(duì)降低成本很有好處。

4.制劑生產(chǎn)過(guò)程的副反應(yīng)

從深層次上來(lái)說(shuō)，阻止生產(chǎn)工藝流程獲得較高的環(huán)氧乙烷轉(zhuǎn)化率和穩(wěn)定性的一個(gè)重要原因就是乙烯直接氧化反應(yīng)產(chǎn)生的副反應(yīng)。主要有乙烯深度氧化反應(yīng)和反應(yīng)器異構(gòu)化等。

乙烯深度氧化反應(yīng)本質(zhì)上是乙烯的燃燒反應(yīng)，會(huì)生產(chǎn)二氧化碳和水等。對(duì)于這種副反應(yīng)的解決措施是在反應(yīng)過(guò)程中選擇添加微量的含氯化合物，如一氯乙烷等，通過(guò)氯和銀催化劑的特性原理可證明這個(gè)辦法可有效地解決這個(gè)問(wèn)題。另一種副反應(yīng)便是反應(yīng)器的異構(gòu)化，可采用優(yōu)化反應(yīng)器、降低冷卻區(qū)溫度的方法加以解決。

5.控制反應(yīng)器中水和雜質(zhì)的比例

反應(yīng)器中水蒸氣和雜質(zhì)的存在對(duì)整個(gè)的生產(chǎn)反應(yīng)有著巨大的影響。根據(jù)科學(xué)研究表明，把水蒸氣含量控制在0.13%以下，把乙烷、乙炔、一氧化碳等雜質(zhì)分別控制在0.5%、15μL/L、100μL/L以內(nèi)的話，才能保證反應(yīng)的進(jìn)行處在可控的范圍內(nèi)。

二、反應(yīng)器的改進(jìn)

1.加快反應(yīng)器的啟動(dòng)速度

上文已經(jīng)提到過(guò)，環(huán)氧乙烷生產(chǎn)過(guò)程中銀催化劑的選用將對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生很大的影響。因此，全面提升銀催化劑的使用性能是很重要的，最重要的兩點(diǎn)是要保證銀催化劑的活性和使用壽命。在反應(yīng)開(kāi)始之前，將銀催化劑裝填制反應(yīng)器之后，我們可以選用預(yù)氯技術(shù)達(dá)到提升活性和壽命的目的，在某些情況下預(yù)氯技術(shù)能夠提升銀催化劑的活性，而在所有的情況下都能夠提高反應(yīng)器的啟動(dòng)速度，從而可以延長(zhǎng)銀催化劑和反應(yīng)器的使用壽命。

2.提高反應(yīng)器的導(dǎo)熱效率

溫度是一個(gè)反應(yīng)中最核心最重要的控制性因素，溫度控制不好將會(huì)給生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)十分不利的影響。環(huán)氧乙烷是一種結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、受溫度影響較大的物質(zhì)。現(xiàn)在正在被廣泛使用的反應(yīng)器是列管式固定床反應(yīng)器。采用螺旋形流體傳熱模式對(duì)傳統(tǒng)導(dǎo)熱方法進(jìn)行改進(jìn)，從而是整個(gè)環(huán)氧乙烷的反應(yīng)過(guò)程處在一個(gè)幾乎恒溫的環(huán)境中，具有很好的效果。

3.氧化劑的裝填方法

傳統(tǒng)的反應(yīng)器構(gòu)造中，將銀催化劑充滿并覆蓋在全部的反應(yīng)管道上是普遍采用的做法，它成本雖然較高，但是可以保證反應(yīng)進(jìn)行的效率。近年來(lái)，有科學(xué)家通過(guò)科學(xué)的研究提出可以將催化劑按某種規(guī)律進(jìn)行裝填，在保證效率的情況下解決成本。這樣的想法開(kāi)始受到了人們的關(guān)注。

4.反應(yīng)器的參數(shù)

反應(yīng)器具有一系列的操作參數(shù)對(duì)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性都有很大的影響。通過(guò)科學(xué)計(jì)算，建立正確的模型進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化對(duì)于反應(yīng)器整體性能的優(yōu)化具有很重要的意義。除此以外，隨著科學(xué)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，反應(yīng)器也開(kāi)始向著大型化和新型化邁進(jìn)。

三、排氣中乙烯的回收

回收產(chǎn)物中未反應(yīng)的乙烯，既能乙烯的再利用，也能減少環(huán)境污染。傳統(tǒng)的回收方法由于技術(shù)水平不高、操作水平不規(guī)范等原因存在著腐蝕、浪費(fèi)等一系列問(wèn)題。基于吸附分析法對(duì)傳統(tǒng)回收方法進(jìn)行改進(jìn)形成的變壓吸附法則有效地解決了這些問(wèn)題，還具有簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。

綜上所述，通過(guò)環(huán)氧乙烷生產(chǎn)裝置的不斷運(yùn)行，其生產(chǎn)工藝根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)情況可以不斷進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而使得整個(gè)生產(chǎn)流程更加完善，技術(shù)更加成熟。這些優(yōu)化在減少能源消耗以及增加生產(chǎn)的效益利潤(rùn)等方面都有非常積極的作用。對(duì)整個(gè)環(huán)氧乙烷生產(chǎn)技術(shù)的革新意義重大。

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