CN102086146B - 一种采用绝热反应体系的草酸酯加氢制取乙二醇的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种草酸酯加氢制乙二醇的反应工艺，该工艺采用绝热反应器作为加氢反应器，并利用反应热加热反应物料，在实现高转化率和选择性的情况下，达到减少能耗，节约成本的目的。
Description
技术领域
本发明涉及乙二醇的制备技术，特别涉及一种采用绝热反应体系以草酸酯为原料催化加氢制乙二醇的工艺方法，属于化工生产领域。
背景技术
乙二醇（EG）是一种重要的有机化工原料，可用于生产聚酯纤维、防冻剂、增塑剂、非离子表面活性剂等。
以草酸酯（草酸二甲酯或草酸二乙酯）为原料催化加氢合成乙二醇最早由美国ARCO公司申请专利，采用Cu-Cr催化剂，一定压力下草酸酯汽化后与氢气混合在催化剂的作用下反应生成乙二醇，然而由于Cr元素对人体和环境都有极大的危害，因此目前人们多采用Cu-SiO2为催化剂。该反应是典型的气—固相放热反应，以不同草酸酯为原料制乙二醇的反应热见表1。
表1 不同草酸酯制备乙二醇的反应热
| 原料 | Δ r H 298K | Δ r H 478K |
| 草酸二甲酯 | -31.07 | -37.06 |
| 草酸二乙酯 | -115.16 | -124.37 |
目前草酸酯催化加氢合成乙二醇的研究以及工业装置中多采用换热式固定床反应器（如列管反应器），黄当晆等人利用内径为27 mm不锈钢管为反应器，进行规模200 mL（催化剂用量）左右的单管模式实验，草酸二乙酯的转化率为99.8%，乙二醇收率达到95.3%，催化剂连续运转了1134 h（工业催化，1996，（4）：24~29）。王保明等人（CN 101462961A）采用内径为43 mm不锈钢管为反应器，装填2000 mL催化剂，得到纯度为98.5%的乙二醇产品。肖文德等人改用U型不锈钢管为反应器，采用导热油从外部加热，重点考察了反应动力学（石油化工，2007，36（4）：340~344）。在这些反应体系中，需要用单独的加热器对反应物料进行加热，而且大量的热量随反应尾气被排放掉，浪费大量的热能，增加生产成本。
发明内容
本发明的目的在于：为用户提供一种采用绝热反应体系、以草酸酯为原料、加氢制取乙二醇的工艺方法，其优点是能充分利用反应尾气预热，有效的降低了整个工艺的能耗，节约了设备成本、提高了生产能力。
本发明的目的是通过实施下述技术方案来实现的：
－种采用绝热反应体系、以草酸酯为原料、加氢制取乙二醇的工艺方法，采用由预热器、汽化器和绝热反应器所组成的绝热反应设备系统，制取乙二醇的步骤如下：
笫－步，将氢气或氢气与惰性气体的混合气体输入预热器1使之预热；
笫二步，将草酸二乙酯和乙醇的混合溶液输入汽化器使之汽化；
笫三步，将预热的氢气或氢气与惰性气体的混合气体，从预热器1中引出输入至汽化
器与气相的草酸二乙酯和乙醇混合成原料混合气；
笫四步，将汽化器中的原料混合气引出输入到预热器2，将原料混合气加热；
笫五步，将加热后的原料混合气从预热器2引出输入到绝热反应器中，在绝热反应
器中布置有催化剂床，原料混合气在绝热反应器中经催化剂的作用下发生反应，生成主要含有乙醇、乙二醇的反应气；
笫六步，将反应气引至预热器2，通过热交换用反应气的余热加热进入预热器2中的原
料混合气；
笫七步，将经过笫－次热交换后温度降低后的反应气，从预热器2中引出送至预热器
1，通过热交换将反应气的剩余余热提供给氢气或氢气与惰性气体的混合气使其预热；同时，反应气失去热量后降温冷凝成液态，从预热器1中引出；
笫八步，分离引出的液相反应气，除回收乙醇外得到了高转化率的乙二醇产品。
附加技术特征在于：
催化剂装载于两个同心圆构成的环隙中，圆筒体中间沿轴向装有气体分布器，气体由气体分布器吹出沿径向通过催化剂床层，气体可采用离心流动亦可采用向心流动，并且中心管和催化剂床层外环隙中流体的流向可以相同也可以相反。
1. 催化加氢的反应器选用绝热式固定床反应器，绝热式反应器下部装有栅板，催化剂均匀地填在反应器里。所采用的绝热式反应器，可以是轴向绝热式反应器也可以是径向绝热式反应器，可以是单段绝热式反应器，也可以是多段绝热式反应器的组合。
a) 多段绝热反应器是将几个反应器串联起来，中间通过管路连接，这样有利于控制温度。有的催化剂绝热温升很大，会导致反应区间轴向温度分布不均匀，并且绝热温升太大，会使催化剂本生烧坏，或者产物不能承受那么高的温度发生分解或者发生深度反应。采用多段的，可以在每段反应器之间进料，比如原来是100 L催化剂，现在分成4段，就是用4个小的绝热反应器，每段25 L，进料也可以分成4段进料。同时由于绝热反应器出口气温度会升高，在分段进料后，进料的物料温度低，因此把第一段出口的料与第二段进口的料混合后，温度自然会下降，或者用冷激的手段控制温度，所以第二个绝热反应器入口温度会与第一个反应器入口温度保持相同，同理第3，第4也一样。也就是说，只要能够使用单段绝热反应器的就可以使用多段绝热反应器。
b) 与轴向反应器相比，径向绝热反应器只是气体流通的面积增加了，而流通的距离缩短了，减小了压降。就本反应的反应条件来说来说，这个区别对反应的影响可以忽略不计，因此本发明也可以用径向反应器实施。
2. 草酸酯加氢制乙二醇是放热反应，反应尾气的温度会明显高于反应入口气体温度，因此本发明利用反应尾气的热量预热反应入口气体，最大限度的降低反应能耗。
本发明的有益效果：充分利用反应热，减少能耗，节约成本。因为绝热式反应器结构简单，占地面积小，与列管式固定床反应器相比，绝热式反应器单位体积内装填的催化剂量大，可大幅度提高生产能力。而且利用尾气预热反应入口气体，进一步节约了热量。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
附图1是本发明使用单段绝热反应器的工艺流程简图，其中1~2为预热器，3为汽化器，4为绝热反应器，5~12为管路。
氢气或氢气和惰性气体（如氮气、氩气等）的混合气体由管路5进入预热器1，与来自管路11的反应尾气发生热交换，经加热后的气体通过管路6进入汽化器3。草酸二乙酯和乙醇的混合溶液由高压液体进料泵（图中未标出）经管路7泵入汽化器3，草酸二乙酯经汽化后与氢气一起由管路8进入预热器2，混合气在预热器2中被来自管路10的反应尾气加热，然后经管路9进入绝热反应器4，在反应器中与催化剂接触反应后，尾气再经管路10依次通过预热器2和预热器1与原料气发生热交换后，冷凝后由管路12收集液相产物。
附图2是本发明使用多段绝热反应器的工艺流程简图，其中1~2为预热器，3为汽化器，4为两段绝热反应器，5~15为管路，16为温控阀，17为温度传感器。
氢气或氢气和惰性气体（如氮气、氩气等）的混合气体由管路5进入预热器1，与来自管路11的反应尾气发生热交换，经加热后的气体通过管路6进入汽化器3。草酸二乙酯和乙醇的混合溶液由高压液体进料泵（图中未标出）经管路7泵入汽化器1，草酸二乙酯经汽化后与氢气一起由管路8进入预热器2，混合气在预热器2中被来自管路10的反应尾气加热，然后经管路9进入绝热反应器4与第一段催化剂接触反应，从第二段催化剂开始，每一段催化剂上部都有温度传感器17测量温度，根据所需要的温度通过温控阀16调节阀门的开度。由于反应物流经过第一段催化剂后温度升高，温控阀通入的是冷物料，因此可实现通过温控阀的开度控制进入第二段的物料的温度。其余各段操作类似。其中多段反应器的最后一段要控制反应器出口的温度，同样用温度传感器17测量温度，根据所需要的温度调节温控阀16的开度。反应尾气经管路10依次通过预热器2和预热器1与原料气发生热交换后，冷凝后由管路12收集液相产物。
图3为单段轴向绝热反应器的示意图，其中1是反应物进口，2是产物出口。
图4为单段径向绝热反应器的示意图，其中1是反应物进口，2是产物出口。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的上述发明内容作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。
实施例1：
反应器采用单层轴向绝热式固定床反应器的生产工艺如图1所示，绝热反应器为单层轴向绝热反应器，如图3所示。反应器是内径16 cm，高60 cm的圆筒体，在反应器中部装入5 L的Cu/SiO2催化剂（催化剂中Cu占催化剂重量百分比为25%），催化剂经压片成型后为直径6 mm，高度为6 mm的圆柱体。反应器两端装有与催化剂等粒度的瓷环，以草酸二乙酯为原料加氢制乙二醇，应压力为1.5 MPa。氢气与氮气的混合气通过管路5进入预热器1，氢氮混合气的流速为30 m3/h（氢气和氮气的摩尔比为1:4），经预热后的气体经管路6进入汽化器3。草酸二乙酯和无水乙醇的混合溶液通过管路7进入汽化器3，液体进料量为11 kg/h，其中草酸二乙酯与乙醇的摩尔比为1:7。
草酸二乙酯和乙醇汽化后，与氢氮混合气一起由汽化器3顶部流出，控制汽化器3出口温度为142±1 oC，反应混合气由汽化器3出来后再进入预热器2，经过预热器进一步加热，混合气体被加热至181 oC。加热后混合气进入绝热反应器4与催化剂接触反应后，由于反应是放热反应，反应器出口尾气温度升高至210 oC。反应尾气由绝热反应器4出来后首先经过预热器2用于加热反应原料混合气，经热交换后反应尾气温度由210 oC降至171 oC。然后此温度的反应尾气再经过预热器1加热来自管路5的气体，反应尾气进一步冷凝后取出液相产物，经分析液相产物中含乙酸乙酯（质量分数）0.23%，乙醇86.2%，乙二醇12.7%，水0.42%，乙醇酸乙酯0.51%，2-甲基-1,3-二氧环戊烷0.03%。根据分析结果草酸二乙酯的转化率为100%，乙二醇的平均选择性为94.9%。
为了实施这个生产工艺，发明人自己建了装置，一套采用换热式反应器和一套采用绝热式反应器。采用列管反应器的装置的设备成本为5.2万元，而采用绝热反应器的装置的设备成本为2.2万元（单段）并且我们订做的绝热反应器能装20 L催化剂，列管反应器的只能装8 L催化剂。如果把绝热反应器缩小到8 L价格会更便宜。因此，采用绝热反应器，可节约设备成本58%以上。
实施例2：
反应器采用单层径向绝热式固定床反应器的生产工艺，流程如图1所示，绝热反应器如图4所示，反应器是内径20 cm，高60 cm圆筒体。催化剂装载于径向绝热反应器的两个同心圆构成的环隙中，圆筒体中间沿轴向装有气体分布器，气体由气体分布器吹出沿径向通过催化剂床层。反应器中催化剂装入5 L的Cu/SiO2催化剂（催化剂中Cu占催化剂重量百分比为25%），催化剂经压片成型后为直径6 mm，高度为6 mm的圆柱体。反应器两端装有与催化剂等粒度的瓷环，以草酸二乙酯为原料加氢制乙二醇，应压力为1.5 MPa。
反应流程及实验条件与实施例1相同。经分析液相产物中含乙酸乙酯（质量分数）0.34%，乙醇86.2%，乙二醇12.4%，水0.43%，乙醇酸乙酯0.60%，2-甲基-1,3-二氧环戊烷0.03%。根据分析结果草酸二乙酯的转化率为100%，乙二醇的平均选择性为92.7%。
实施例3：
反应器采用两段轴向绝热式固定床反应器，其流程如图2所示，每个反应器是内径16 cm，高60 cm圆筒体。在每个反应器中部装入2.5 L的Cu/SiO2催化剂（催化剂中Cu占催化剂重量百分比为25%），催化剂经压片成型后为直径6 mm，高度为6 mm的圆柱体。反应器两端装有与催化剂等粒度的瓷环，以草酸二乙酯为原料加氢制乙二醇，应压力为1.5 MPa。
氢气与氮气的混合气通过管路5进入预热器1，氢氮混合气的流速为30 m3/h（氢气和氮气的摩尔比为1:4），经预热后的气体经管路6进入汽化器3。草酸二乙酯和无水乙醇的混合溶液通过管路7进入汽化器3，液体进料量为11 kg/h，其中草酸二乙酯与乙醇的摩尔比为1:7。
草酸二乙酯和乙醇汽化后，与氢氮混合气一起由汽化器3顶部流出，控制汽化器3出口温度为143 oC，反应混合气由汽化器3出来后再进入预热器2，经过预热器进一步加热，混合气体被加热至182 oC。加热后混合气进入绝热反应器4与第一段催化剂接触反应，由于是放热反应，物流经过第一段反应器后温度升高，通过温度传感器17控制温控阀16开度，保持第二段催化剂床层的入口温度为182 oC。由于反应是放热反应，经过第二段催化剂，反应尾气温度升高至198 oC。反应尾气由绝热反应器4出来后首先经过预热器2用于加热反应原料混合气，经热交换后反应尾气温度由198 oC降至171 oC。然后此温度的反应尾气再经过预热器1加热来自管路5的气体，反应尾气进一步冷凝后取出液相产物，经分析液相产物中含（质量分数）乙酸乙酯0.49%，乙醇87.0%，乙二醇12.2%，水0.22%，乙醇酸乙酯0.07%，2-甲基-1,3-二氧环戊烷0.02%。根据分析结果草酸二乙酯的转化率为100%，乙二醇的平均选择性为91.2%。
采用本工艺流程，若采用实施例1和2的单段绝热反应器，每生产1 t乙二醇，预热器1和预热器2处可分别节约能量2.08 × 103 kJ和1.07 × 103 kJ。若采用实施例3的两段绝热反应器，每生产1 t乙二醇，预热器1和预热器2处可分别节约能量1.43 × 103 kJ和1.07 × 103 kJ。
本工艺流程节约的能量是根据实验结果，根据不同工艺计算的。
节约能量的计算公式为Q = m × Cp × (T2 – T1)，式中：Q是根据反应规模，以每小时产乙二醇的量计算的能量，J h-1；m是通过换热器混合物料的流量，mol h-1；Cp是混合物的定压摩尔热容（查相关物性手册），J mol-1 K-1 （这里和后面本公式内出现的K均为开尔文温度）；T2是换热器出口温度（以预热器2为例，就是管路9中物料温度），K；T1是换热器入口温度（以预热器2为例，就是管路8中物料温度），K。因为本流程利用出口处物料加热反应物料，节省了传统流程中用蒸汽包加热所需的热量，所以节省的热量就是加热物料所需的热量。
Claims (7)
1.一种草酸酯加氢制乙二醇的反应工艺，其特征在于：使用绝热反应体系，利用反应热加热反应物料。
2.如权利要求1所述的反应工艺，其特征在于：绝热反应体系主要由绝热反应器，预热器，汽化器以及其它附属设备组成。
3.如权利要求2所述的反应工艺，其特征在于：绝热反应器是轴向绝热反应器或径向绝热反应器。
4.如权利要求2或3所述的反应工艺，其特征在于：绝热反应器为单段或者多段的任意组合。
5.如权利要求2所述的反应工艺，其特征在于：气体进入绝热反应器前通过汽化器和预热器预热。
6.如权利要求1所述的反应工艺，其特征在于：利用反应热加热物料是指利用反应尾气的热量预热反应入口气体的热量，最大限度的降低反应能耗。
7. 根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于：充分利用反应热，将由加氢反应器流出的温度较高的反应尾气用于预热反应器入口气体和汽化器入口气体。
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