環(huán)氧乙烷化工工藝的制作過程

李曉娟

【摘 要】環(huán)氧乙烷在化工產(chǎn)業(yè)內(nèi)的合成技術(shù)，是將氣態(tài)氧氣與乙烷在催化劑的作用下完成化合，形成環(huán)氧乙烷的過程。這種方適用于工業(yè)化工生產(chǎn)環(huán)氧乙烷。是典型的物質(zhì)催化氧化技術(shù)的結(jié)晶。

【關(guān)鍵詞】化學(xué)反應(yīng)；環(huán)氧乙烷；反應(yīng)速率

1.化學(xué)反應(yīng)依據(jù)

在有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中很多實(shí)驗(yàn)是分成的進(jìn)行的，就乙烯氧化得到環(huán)氧乙烷的實(shí)驗(yàn)來說，氧氣的含量就決定了反映的種類，氧氣的含量低或純度低就是乙烯的不完全氧化，洋氣的純度高就是完全氧化。通常條件下由于乙烯碳原子之間的雙鍵活性很強(qiáng)，所以一般對乙烯和氧氣的反應(yīng)進(jìn)行中只是簡單的氧化，氧化很徹底記得到了水和二氧化碳，不符合化學(xué)工業(yè)制取環(huán)氧乙烷的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，因此控制氧化條件是一襲碳原子之間雙鍵斷裂形成環(huán)氧乙烷。在化學(xué)反應(yīng)中催化劑是改變化學(xué)反應(yīng)速率的一種物質(zhì)，它本身不參與化學(xué)反應(yīng)所以反應(yīng)前后質(zhì)量不變，在乙烯和氧化制取環(huán)氧乙烷的實(shí)驗(yàn)中，大多氧化催化劑催化效果不好，是反應(yīng)不能正常進(jìn)行得不到環(huán)氧乙烷，只能使乙烯和氧氣消耗增加原材料浪費(fèi)，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中只有惰性金屬銀單質(zhì)才是具備良好催化的作用催化劑。

2.反應(yīng)影響因素

有機(jī)化學(xué)反應(yīng)是受到很多方面因素影響的，本實(shí)驗(yàn)針對乙烯氧化制取環(huán)氧乙烷，其影響化學(xué)反應(yīng)的因素有溫度、反應(yīng)物濃度、反應(yīng)氣壓等幾方面。

2.1溫度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響

在大多是化學(xué)反應(yīng)試驗(yàn)中溫度都是影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素之一，增加溫度就會(huì)加快反應(yīng)速率、使反應(yīng)更加徹底。在本實(shí)驗(yàn)內(nèi)也不例外，有機(jī)化學(xué)的化學(xué)反應(yīng)中往往有很多副反應(yīng)伴隨，因此其產(chǎn)物并不單一，本試驗(yàn)為有機(jī)物氧化化學(xué)反應(yīng)制取氧化物，因此副反應(yīng)主要為乙烯與氧氣反應(yīng)生成二氧化碳和水，因此在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中單一的升高溫度是不可取的，不論是副反應(yīng)還是正反應(yīng)都是會(huì)隨著溫度增加分子運(yùn)動(dòng)更加劇烈的，但是由于不同的實(shí)驗(yàn)受到試驗(yàn)溫度的影響不同，因此我們可以選擇一個(gè)環(huán)氧乙烷生成率相對最大的溫度對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行溫度設(shè)定。當(dāng)反應(yīng)溫度在100時(shí)，產(chǎn)物中幾乎全部是環(huán)氧乙烷，選擇性接近100%，但反應(yīng)速率甚慢，轉(zhuǎn)化率很小，沒有現(xiàn)實(shí)意義。隨著溫度增加，反應(yīng)速率加快，轉(zhuǎn)化率增加，選擇性下降，放出的熱量也愈大，所以必須考慮移出反應(yīng)熱的措施。適宜的反應(yīng)溫度與催化劑活性有關(guān)，權(quán)衡轉(zhuǎn)化率和選擇性之間的關(guān)系，工業(yè)上反應(yīng)溫度一般控制在220～260℃。

2.2壓力對化學(xué)反應(yīng)速率的影響

在乙烯氧化的實(shí)驗(yàn)中不論正副反應(yīng)都是不可逆的，因此反應(yīng)可以在熱力學(xué)上理解為氧化放出能量并不可逆轉(zhuǎn)。應(yīng)為實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)物是氣體因此增加反應(yīng)裝置的壓力有助于環(huán)氧乙烷的生成和收集，因此在現(xiàn)在工業(yè)利用乙烯氧化制取環(huán)氧乙烷大多采用加壓的方法，但是由于壓力過大對裝置就會(huì)有損壞，因此選擇合適的壓力和合格的裝置是很重要的。目前工業(yè)上采用的操作壓力為2MPa左右。

2.3催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響

空間速度的大小不僅影響轉(zhuǎn)化率和選擇性，也影響催化劑空時(shí)收率和單位時(shí)間的放熱量，故必須全面衡量，目前工業(yè)上采用的混合氣空速一般為7000h-1左右，有更高的。單程轉(zhuǎn)化的控制與所用氧化劑有關(guān)，當(dāng)用空氣作氧化劑時(shí)，單程轉(zhuǎn)化率控制在30～50%，選擇性達(dá)70%左右，若用純氧作氧化劑，轉(zhuǎn)化率控制在12～15%，選擇性可達(dá)83～84%。

3.化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)比例及純度

3.1反應(yīng)物純度

原料氣中的雜質(zhì)對氧化過程帶來的不利影響主要有：一是催化劑中毒，例如，硫化物等能使銀催化劑永久性中毒，乙炔能與銀形成乙炔銀，受熱會(huì)發(fā)生爆炸性分解；二是選擇性下降，例如，原料氣中帶有鐵離子，會(huì)加速環(huán)氧乙烷異構(gòu)化為乙醛的副反應(yīng)，從而使選擇性下降；三是反應(yīng)熱效應(yīng)增大，四是影響爆炸極限。故原料氣中上述各類有害雜質(zhì)的含量必須嚴(yán)格控制。在原料乙烯中要求乙炔<5×10-6g/L、C3以上烴<1×10-5g/L、硫化物<=""p="">

3.2反應(yīng)物比例

由于所用氧化劑不同，對進(jìn)反應(yīng)器混合氣體的組成要求也不同。用空氣作氧化劑時(shí)，空氣中有大量惰性氣體氮存在，乙烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以5%左右為宜，氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%左右。當(dāng)以純氧為氧化劑時(shí)為使反應(yīng)不致太劇烈，仍需采用稀釋劑，一般是以氮作為稀釋劑，進(jìn)反應(yīng)器的混合氣中，乙烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)20～30%，氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)7～8%。二氧化碳對環(huán)氧化反應(yīng)有抑制作用，但含量適當(dāng)對提高反應(yīng)的選擇性有好處，且可提高氧的爆炸極限（ 質(zhì)量分?jǐn)?shù)），故在循環(huán)氣中允許含有9%以下的二氧化碳。循環(huán)氣中如含有環(huán)氧乙烷對反應(yīng)也有抑制作用，并會(huì)造成氧化損失，故在循環(huán)氣中的環(huán)氧乙烷應(yīng)盡可能除去。

4.反應(yīng)進(jìn)行過程

乙烯的直接氧化過程可用空氣或氧氣作為氧化劑。用空氣進(jìn)行氧化時(shí)，需要兩個(gè)反應(yīng)器，才能使乙烯獲得最大利用率。用氧氣進(jìn)行氧化，則反應(yīng)可一步完成，就只需要一個(gè)反應(yīng)器。自高空吸入的空氣，經(jīng)壓縮機(jī)加壓，再經(jīng)堿洗塔及水洗塔進(jìn)行凈化，除去氯、硫等雜質(zhì)，防止銀催化劑中毒，然后按一定流量進(jìn)入混合器。

純度98%以上的乙烯與循環(huán)乙烯混合，經(jīng)壓縮機(jī)加壓后，進(jìn)入第一混合器，再與空氣、微量二氯乙烷[約（1～2）×10-6] 充分混合，控制乙烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3～3.5%。原料氣與反應(yīng)器出來的反應(yīng)氣體進(jìn)行換熱后，進(jìn)入第一反應(yīng)器。

反應(yīng)器為列管式固定床反應(yīng)器，管內(nèi)充填銀催化劑，管間走熱載體。乙烯與空氣中的氧在240～290℃、1～2MPa 及催化劑的作用下，生成環(huán)氧乙烷和一些副產(chǎn)物。乙烯的轉(zhuǎn)化率約為30%，選擇性65～70%，收率約20%左右。反應(yīng)時(shí)所放出的熱量，由管間的載熱體帶走。

反應(yīng)氣經(jīng)與原料氣換熱，再經(jīng)串聯(lián)的水冷卻器及鹽水冷卻器將溫度降低至5～10℃，然后進(jìn)入第一吸收塔。該塔頂部用5～10℃的冷水噴淋，吸收反應(yīng)氣中含有的環(huán)氧乙烷。從吸收塔頂出來的尾氣中還含有很多未反應(yīng)的乙烯，經(jīng)減壓后，將其中約85～90%的尾氣回壓縮機(jī)的增壓段壓縮后循環(huán)使用，其余部分送往第二混合器。

在第二混合器中通入部分新鮮乙烯、空氣及微量二氯乙烷，控制乙烯的濃度為2%，混合氣體經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入第二反應(yīng)器。混合氣中的乙烯和空氣中的氧在220～260℃、1MPa 左右壓力下進(jìn)行反應(yīng)。乙烯的轉(zhuǎn)化率為60～70%，選擇性為65%左右，收率在47%以上。反應(yīng)后的氣體經(jīng)換熱及冷卻后進(jìn)入第二吸收塔，用5～10℃低溫水吸收環(huán)氧乙烷，尾氣放空。

第一、二吸收塔中的吸收液約含2～3%的環(huán)氧乙烷，經(jīng)減壓后進(jìn)汽提塔進(jìn)行汽提，從塔頂?shù)玫?5～90%濃度的環(huán)氧乙烷，送至精餾系統(tǒng)先經(jīng)脫輕組分塔除去輕餾分，再經(jīng)精餾塔除去重組分，得到純度為99%的環(huán)氧乙烷成品。

乙烯直接氧化法的產(chǎn)品質(zhì)量高，對設(shè)備無腐蝕，但此法對乙烯的要求高，純度必須在98%以上。

5.結(jié)語

在當(dāng)今社會(huì)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)氧乙烷大多數(shù)采用乙烯氧化的方法，因?yàn)橐蚁┭趸磻?yīng)制取環(huán)氧乙烷的有機(jī)氧化實(shí)驗(yàn)副反應(yīng)少、副產(chǎn)物與制取物質(zhì)分離簡單，而且反應(yīng)復(fù)雜情況地比較容易掌控，但是這種有機(jī)物反應(yīng)制取環(huán)氧乙烷的方法也有其自身的弊端，由于乙烯是可以燃燒的與空氣混合在一定溫度的恒定體積容器里就容易發(fā)生劇烈的爆炸，帶來嚴(yán)重的安全問題，另外在反應(yīng)裝置加壓的過程中也容易由于氣壓過大、或者化學(xué)反應(yīng)裝置不合格、被氧化產(chǎn)生爆炸，因此就要求采取這種方法制取環(huán)氧乙烷的化工企業(yè)注意規(guī)范操作和設(shè)備檢修和審核。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

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