环氧乙烷水合制乙二醇新工艺及其过程模拟研究

论文摘要

环氧乙烷（Ethylene oxide, EO）是乙烯衍生物中一种重要的基本有机化工原料和合成中间体，其中最大的应用领域是与水反应合成乙二醇（EG）。针对现有工艺均存在水和环氧乙烷摩尔配比大、乙二醇的选择性较低、分离能耗高及流程复杂等缺点，本文提出并开展EO水合制取乙二醇过程强化新工艺及其过程模拟研究工作，旨在为新工艺的设计和技术开发提供理论依据和模型支持。（1）在分析现有环氧乙烷水合制乙二醇工艺的现状和反应过程特点的基础上，提出一种利用热泵反应精馏技术强化水合反应、利用热耦合精馏技术强化产物分离的过程强化新工艺。传统EO水合反应精馏塔的反应段和提馏段在同一塔体中，反应段通常在高温高压下进行，对应的分离段也需要在高温下操作，因此导致系统操作费用很高。针对这一问题，本文提出一种热泵反应精馏的工艺，该工艺中水合反应在高压操作的反应精馏塔中进行，未转化反应物和产品的分离在低压操作的汽提塔中进行，两塔之间设置节流减压阀和压缩机，反应精馏塔的塔底液体混合物经减压阀减压降温后直接做为汽提塔的液相回流，汽提塔的塔顶蒸汽经压缩机压缩升温升压后直接作为反应精馏塔的上升蒸汽，以此实现高温高压反应和低温低压分离的同步进行，从而可有效降低系统的操作费用。针对产物分离阶段中间组分乙二醇含量大，轻组分水和重组分二乙二醇含量小、混合物沸点差大的特点，本文提出产物分离的热耦合精馏工艺。其中预分馏塔用于使中间组分非清晰分割，最终产物在主塔中进行提纯，以此简化了流程和降低了产品的分离能耗。（2）利用Aspen plus模拟软件，对新工艺过程进行了模拟和分析，揭示了参数之间的耦合行为和过程基本规律。对热泵反应精馏系统进行模拟，研究了进料比、操作压力、汽提塔再沸器负荷等操作参数对乙二醇选择性的影响，得到反应精馏塔及汽提塔适宜的操作条件，得到塔内温度、汽液相组成、汽液相流量分布。结果表明，在反应精馏塔操作压力为1Mpa、设置8块塔板、进料水烷比为1.11；汽提塔操作压力为0.1Mpa、设置7块塔板、再沸比为10的条件下，反应精馏塔中EO转化率达到100%，水的转化率达到83.3%，目标产物EG选择性为91%。建立了通过简捷设计法取得模拟初值，用严格模拟法进行核算的热耦合精馏塔的模拟方法，通过模拟取得了塔适宜的设备参数和操作参数，得到塔内温度、汽液相组成及汽液相摩尔流量的分布。结果表明，在操作压力为0.1Mpa、预分馏塔设8块塔板、主塔设35块塔板，主塔回流比为14条件下，可实现产品的分离，其中目标产物由主塔侧线出料，纯度达到99%以上。对工艺的技术经济性进行了初步评价。结果表明，本文提出的热泵反应精馏工艺耦合热耦合精馏工艺的技术和经济性要远优于现有工艺，表现为水烷比更低，反应热能得到直接利用，系统能耗更低，可同时实现高的原料转化率和目标产物选择性，体现出很好的应用开发价值。本文研究成果将为这一工艺的设计、试验研究、操作控制和模拟放大等奠定重要理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 1 文献综述
• 1.1 原料与产品
• 1.1.1 环氧乙烷
• 1.1.2 乙二醇
• 1.2 乙二醇合成工艺技术进展
• 1.2.1 引言
• 1.2.2 环氧乙烷催化水合法
• 1.2.3 碳酸乙烯酯法合成乙二醇技术
• 1.2.4 基于合成气工艺
• 1.2.5 反应精馏技术
• 1.3 化工过程强化技术及其研究进展
• 1.3.1 反应精馏技术
• 1.3.2 热泵精馏技术
• 1.3.3 热耦合精馏技术
• 1.4 本文研究内容
• 2 环氧乙烷水合制乙二醇新工艺
• 2.1 环氧乙烷水合制乙二醇过程分析
• 2.1.1 反应动力学
• 2.1.2 反应体系主要物性参数
• 2.2 现有 EO 水合制乙二醇反应精馏工艺
• 2.3 EO 制乙二醇热泵反应精馏新工艺流程
• 2.3.1 引言
• 2.3.2 工艺流程图
• 2.3.3 工艺过程描述
• 2.4 工艺特点及创新
• 2.5 本章小结
• 3 热泵反应精馏系统过程模拟与分析
• 3.1 反应精馏塔模拟与分析
• 3.1.1 进料比的影响及确定
• 3.1.2 压力的影响及确定
• 3.1.3 再沸器负荷影响及确定
• 3.1.4 精馏塔操作参数的确定
• 3.1.5 压缩机与减压阀参数确定
• 3.1.6 塔内汽液相组成分布
• 3.1.7 塔内反应速率分布
• 3.1.8 塔内温度分布
• 3.1.9 塔内汽液相摩尔流量分布
• 3.2 汽提塔模拟与分析
• 3.2.1 塔内汽液相组成分布
• 3.2.2 塔内温度分布
• 3.2.3 塔内汽液相摩尔流量分布
• 3.3 本章小结
• 4 热耦合精馏塔模拟与分析
• 4.1 简捷设计
• 4.1.1 “三塔”模型的简捷设计
• 4.1.2 “二塔”模型的操作参数确定
• 4.1.3 完全热耦合塔的操作参数确定
• 4.2 预分馏塔模拟与分析
• 4.2.1 塔内汽液相组成分布
• 4.2.2 塔内温度分布
• 4.2.3 塔内汽液相摩尔流量分布
• 4.3 主塔模拟与分析
• 4.3.1 塔内汽液相组成分布
• 4.3.2 塔内温度分布
• 4.3.3 塔内汽液相摩尔流量分布
• 4.4 技术经济性分析
• 4.4.1 技术分析
• 4.4.2 经济分析
• 4.5 本章小结
• 5 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历