关于环氧乙烷生产工艺的探讨

2022-09-10

环氧乙烷是现代社会中普遍使用的一种重要的有机化工原料, 它由乙烯衍生而来, 主要用于生产供汽车防冻剂使用的乙二醇原料。除此以外, 在电子产业、化工产业等领域, 环氧乙烷及其衍生品也发挥着重要的作用。

环氧乙烷生产工艺的研究始于上个世纪20年代, 到如今发展已快接近100个年头。从一开始的氯醇法工艺生产, 再到银催化空气直接氧化生成法, 再到后来的氧化法等。经过不断的改进, 目前应用面最广、被业内所公认的生产工艺是用纯氧与乙烯在银催化剂的情况下直接制取环氧乙烷。

环氧乙烷的生产工艺不断地发展进步, 目前已经到了一个较高的水平。这其中的改进过程也经历了不少的变化。主要分为工艺流程上的改进和反应器的改进两种。下面将分别介绍下这两种改进方法。

一、反应气的改进

1. 提高反应器中乙烯的比例

乙烯是生产环氧乙烷的直接和重要的原料之一。在一个化学反应的过程中, 反应空气的大小、所占有的比例都会对实验的结果产生很大的影响。对于乙烯来说也不例外, 在反应器中, 乙烯的比例将直接影响到最后转化成环氧乙烷的效率和整个反应的稳定性。

传统的情况下, 由于工艺及技术水平的限制, 在反应器中乙烯的比例一般维持在30%及以下的水平中, 最后生成环氧乙烷的转化率大概达到8%, 而选择性能够达到大于80%的水平。随着人们研究水平的加深和科学技术水平的提高, 新的反应器结构被提了出来。在氮氧混合物的情况下, 我们可以大幅度地提高乙烯的体积分数, 达到40%-85%左右。这样除了可以小幅度提高环氧乙烷的转化率以外, 对于整个反应的稳定性和选择生成性的提高也有很大的意义。

2. 降低乙烯成本

生产环氧乙烷的成本由原料成本、工程成本、人力资源成本等等因素组成。在这些因素之中, 原料成本的影响最大, 而原料里的乙烯成本则是最主要的影响因素。通过选用低成本的乙烯原料和对生产工艺流程的优化可以有效地减少生产环氧乙烷的成本。对生产工艺流程优化的一个最有效的例子便是提高实验使用的银催化剂的整体性能。银催化剂整体性能的提高能够延长反应时长、使乙烯和氧气等充分反应, 从而提升环氧乙烷的转化率和稳定性, 达到很好的效果。

3. 使用纯度高的氧气

在刚开始使用普通空气生产的阶段, 杂质较多、利用率低下。随着研究的深入和技术水平的提高, 人们有能力制取高纯度的氧气去参与反应, 从而有效地解决了上述问题。除此以外, 使用高纯度的氧气还能促进废气的重复利用, 对降低成本很有好处。

4. 制剂生产过程的副反应

从深层次上来说, 阻止生产工艺流程获得较高的环氧乙烷转化率和稳定性的一个重要原因就是乙烯直接氧化反应产生的副反应。主要有乙烯深度氧化反应和反应器异构化等。

乙烯深度氧化反应本质上是乙烯的燃烧反应, 会生产二氧化碳和水等。对于这种副反应的解决措施是在反应过程中选择添加微量的含氯化合物, 如一氯乙烷等, 通过氯和银催化剂的特性原理可证明这个办法可有效地解决这个问题。另一种副反应便是反应器的异构化, 可采用优化反应器、降低冷却区温度的方法加以解决。

5. 控制反应器中水和杂质的比例

反应器中水蒸气和杂质的存在对整个的生产反应有着巨大的影响。根据科学研究表明, 把水蒸气含量控制在0.13%以下, 把乙烷、乙炔、一氧化碳等杂质分别控制在0.5%、15μL/L、100μL/L以内的话, 才能保证反应的进行处在可控的范围内。

二、反应器的改进

1. 加快反应器的启动速度

上文已经提到过, 环氧乙烷生产过程中银催化剂的选用将对整个实验产生很大的影响。因此, 全面提升银催化剂的使用性能是很重要的, 最重要的两点是要保证银催化剂的活性和使用寿命。在反应开始之前, 将银催化剂装填制反应器之后, 我们可以选用预氯技术达到提升活性和寿命的目的, 在某些情况下预氯技术能够提升银催化剂的活性, 而在所有的情况下都能够提高反应器的启动速度, 从而可以延长银催化剂和反应器的使用寿命。

2. 提高反应器的导热效率

温度是一个反应中最核心最重要的控制性因素, 温度控制不好将会给生产过程带来十分不利的影响。环氧乙烷是一种结构不稳定、受温度影响较大的物质。现在正在被广泛使用的反应器是列管式固定床反应器。采用螺旋形流体传热模式对传统导热方法进行改进, 从而是整个环氧乙烷的反应过程处在一个几乎恒温的环境中, 具有很好的效果。