管式反应器合成乙二醇单乙醚工艺的模拟研究.pdf

第32卷第1期
化学反应工程与工艺
Vol 32. No
2016年2月
Chemical Reaction Engineering and Technology
Feb.2016
文章编号:1001-7631(2016)01-0008-07
管式反应器合成乙二醇单乙醚工艺的模拟研究
安维中,姜集宝,林子昕,别海燕,朱建民2
1.中国海洋大学化学化工学院,山东青岛266100
2.辽宁奥克化学苿团,辽宁辽阳111003
摘要:为了开发新的乙氧基化工艺,提出和走立了三段管式反应器中试装置,用丁乙醇乙氧基化反应合成乙
二醇单乙瞇(GML)的模型开发和实验研究,并在 Aspen Plus软件平台上开展了装置运行的模拟研究。
考察了环氧乙烷(EO)加料位置、进料流量、醇烷比和换热方式等关键操作条件对环氧乙烷转化率、日标产
物选择性及反应器热点温度的影响规律,得到优化的操作模式和操作参数。研究表明:管式反应器内反应和
换热呈现复朱的耦合行为,沿管EO浓度分布是影响原料转化率、乙二醇単乙选择性、反应热移出和装置
安全性的关键因素,采用O多段加料和反应器多段冷却是提高装置稳定性和安全性的重要措施。
关键词:乙二醇单乙礎环氧乙烷乙気基化管式反应器
中图分类号:TQ203.2:TQ018
文献标识码:
乙二醇单乙醚( EGMEE)是环氧乙烷的重要行生物,由于其分子中有两个强溶解功能的基団
瞇键(亲油基)和羟基(亲水基),既可以溶解有机物小分子、大分子、合成或天然的高分子物质,
又可不同程度地与水或水溶性化合物互溶,因此被作为溶剂广泛应用于硝化纤维素、合成树脂和油漆
等工.业领域山。工业上,EGME主要是在催化剂作用ド通过乙醇乙氧基化反应合成?。从反应机理
分析,这一反应具有不可逆、平行-连串反应的特征,反应将生成一系列乙氧基化同系物,同时反应
物环氧乙烷(EO)易燃易爆、反应强放热,因此如何提高目标产物的选择性和保证装置交全操作成
为各种工艺研究的重要环节。
乙二醇醚合成的工艺主要有釜式反应工艺和连续管道反应工艺,其中连续管式反应器在工化上
最为常用。国外专利最早报道了管式反应器生产乙二醇醚的方法,该法可以通过控制醇烷比和产
物循环来实现理想的产物分布。国内也有相关的文献报道,如采用带夹套的静态混合器作为反应器?,
用于无机帔或有机碱的作用下连续合成乙二醇米醚的实验研究。工烨等通过建立乙氧基化管式反应
器的数学模型,研究了反应器中出现热点温度的规律,指出冷却剂进口温度是影响反应器温度分布的
主要因素。但注意到这些研究主要关注高加成乙氧基化产物的合成和装置的运行情況,并没有关注目
标产物的选择性和操作参数的优化问题。
为了开发新的乙氧基化工艺,辽宁奥克化学集团开展了管式反应器合成乙二醇单乙瞇的研发工作,
建成了用于模型开发和实验研究的中试装置。针对装置运行的安全性和操作优化问题,本工作开展装
置数学模型和模拟硏究,旨在阐释反应器操作参数的影响规律和取得优化的操作参数,为装置实验研
究和工业放大等提供理论和模型支持。
收稿日期:2015-10-22:修订日期:2015-11-24
作者简介:安维中(1968一),男,教授。上-mail: azhong(Cou.cdu.cns
基金项目:国家自然科学基金(51306166)。
第32卷第1期
安维中等.管式反应器合成乙二醇单乙醚工艺的模拟研究
1化学体系和反应动力学
乙二醇单乙醚出环氧乙烷和乙醇在催化剂作用下的乙氧基化反应合成,该反应为典型的不可逆、
竞争连串反应,具体反应方程式如下:
C2 H5OH+C2 H,O-C2H5OC2H4OH (EGMEE)
反应生成的乙二醇单乙瞇( GMEE,单醚)继续与环氧乙烷反应生成二る二醇单乙瞇( DEGMEE,
二醚)、三乙二醇单乙瞇( TEGMEE,三.瞇)等一系列加成产物,反应方程式如下:
C HSOC, H,OH+C, H,O-> C, HSOC, H,OC, H4OH (DEGMEE)
(2)
C2H, OC2H4OC2H,OH+C2 H,0- C2 H OC2H, OCH,OC2H4OH (TEGMEE
动力学研究发现,当乙醇和环氧乙烷的进料物质的量と比(醇烷比)大于6时,反应生成四乙.
醇単乙瞇及更高加成产物的量很少,所以本研究只考虑上述三个反应,其中反应(1)为主反应,其
余为副反应, EGMEE为目标产物,共余为副产物。另外,三个反应均为强放热反应,通过 Aspen软
件模拟计算得出其反应热(100℃条件ド)分别为97.2,996,101.4kJ/( mol EO)。
该反应体系的本征动力学实验在辽宁奥克化学集团完成,所用催化剂为均相碱催化剂,具体实验
方法可参考文献[8)]。实验结果表明,以上三个反应对反应物均为一级,动力学方程如ド:
ri =kuo Co
C.OII
(4)
ん
O EGMIEE
73=kC
EO-DEGMEE
(6)
式中,C为组分浓度, mol/m:k为表观反应速率常数,m(mols:r为各化学方程反应速率,mols
研究表明三个反应速率常数近似相等(依据乙氧基化反应机理),符合阿累尼鸟斯方程,其中指
前因子A0为1.38×105:反应活化能E为66.500kJ/imol
2工艺流程描述
图1为管式乙氧基化反应器工艺流程。(1)整个反应器出三段管壳式反应器组成(用R1、R2、
R3表示),反应物料走管程,冷却介质走売程;(2)管程由25根直径为16mm的管束组成,每段管
长10m,总反应体积约150L;(3)每段反应器设置一个EO进料口,每段反应器设置冷却介质进出
口:(4)装置设置闭路软水冷却换热系统,通过控制冷却介质流量和进出口温度来移出反应热和保证
反应器温度:(5)每段反应器物料的进出口分别设置测温点,沿管程均匀设置四个测温点(每隔2m
EO
OX
watcr
ethanol
RI
图1管式反应器流程
Fig 1 Schematic ofthe tubular reactor
C-coolcr: F-fluid mctc H-hcatcr: R-rcactor unit; I-tcmpcraturc indicator: l-prodluct tank; 2-cxpansion drum