草酸二甲酯加氫制乙二醇節(jié)能優(yōu)化

趙波濤，張懷生

(1.陽泉煤業(yè)集團平定化工有限責任公司，山西 陽泉 045200；2.上海浦景化工技術(shù)股份有限公司，上海 201102)

草酸二甲酯加氫制乙二醇節(jié)能優(yōu)化

趙波濤1，張懷生2

(1.陽泉煤業(yè)集團平定化工有限責任公司，山西 陽泉 045200；2.上海浦景化工技術(shù)股份有限公司，上海 201102)

采用Aspen Plus軟件對草酸二甲酯(DMO)加氫制乙二醇工藝進行了模擬，在同樣原料消耗及產(chǎn)品規(guī)格(組成及流量不變)情況下，研究了優(yōu)化換熱、熱虹吸循環(huán)鍋爐給水、使用高效催化劑節(jié)能方案。結(jié)果表明，采用兩臺普通進出料換熱器不但操作費用低，且設(shè)備投資低；汽包鍋爐給水采用熱虹吸循環(huán)，不但節(jié)省設(shè)備投資及其占地，還可簡化工藝流程及降低操作費用；使用高效催化劑，降低循環(huán)氣量，可大大降低操作費用、公用工程消耗和設(shè)備投資。

草酸二甲酯；加氫；乙二醇；節(jié)能；優(yōu)化

乙二醇(EG)，主要用于生產(chǎn)聚酯纖維、防凍劑、不飽和聚酯樹脂、潤滑劑、增塑劑、非離子表面活性劑以及炸藥等，作為一種重要的有機化工原料，用途十分廣泛[1]。目前乙二醇大多以石油制品環(huán)氧乙烷為原料制得，該工藝流程長、設(shè)備多、能耗高，EG的生產(chǎn)成本高。我國能源具有石油資源匱乏、煤炭資源豐富的結(jié)構(gòu)特點，在石油資源日益短缺的形勢下，發(fā)展煤基合成氣制乙二醇的工藝路線具有非常重要的戰(zhàn)略意義，不僅可以降低對石油的依賴程度，同時還可以拓展煤化工路線，擴大對煤炭的清潔利用規(guī)模[2-3]。合成氣制備乙二醇工藝路線分兩步：第一步為合成氣制草酸二甲酯(DMO)；第二步為DMO加氫制乙二醇。其中第一步研究比較成熟；第二步DMO加氫國內(nèi)外研究較多，主要集中在以實驗為主的工藝條件、催化劑制備和本征動力學等方面的研究，關(guān)于DMO加氫制乙二醇節(jié)能研究較少[4-10]。

由于采用實驗研究節(jié)能優(yōu)化成本高、工作量大、耗時長，因此可采用計算機模擬研究優(yōu)化方案，以便節(jié)省人力、物力和財力。Aspen Plus是一款功能強大的化工流程模擬軟件，已廣泛用于化工設(shè)計、流程優(yōu)化，節(jié)能改造等領(lǐng)域。本文采用Aspen Plus對年產(chǎn)20萬噸乙二醇的草酸二甲酯加氫制乙二醇工藝進行研究，提出節(jié)能優(yōu)化方案，為裝置節(jié)能運行提供理論依據(jù)。

1 草酸二甲酯加氫制乙二醇工藝

圖1 草酸二甲酯加氫制乙二醇工藝流程圖

Fig.1 Process flow of hydrogenation of diethyl oxalate to ethylene glycol

未優(yōu)化草酸二甲酯(DMO)加氫制乙二醇工藝流程圖如圖1所示，新鮮氫氣與循環(huán)氣混合后進入進出料換熱器，與反應(yīng)產(chǎn)物進行換熱，再與DMO混合后，經(jīng)蒸汽加熱器進一步加熱至反應(yīng)溫度，進入反應(yīng)器。在反應(yīng)器里，DMO與氫氣發(fā)生反應(yīng)，主要生成乙二醇和甲醇，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)進出料換熱器，與反應(yīng)進料換熱，再經(jīng)水冷器冷卻后，進入氣液分離器進行分離，分離出的液相即為粗乙二醇產(chǎn)品，氣相大部分經(jīng)壓縮機壓縮后，與新鮮氫氣混合，在系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)，小部分放空以免惰性氣體在系統(tǒng)內(nèi)部累積。反應(yīng)器里反應(yīng)產(chǎn)生的熱量用于加熱鍋爐給水，副產(chǎn)蒸汽，鍋爐給水采用泵強制循環(huán)。

2 物性估算和熱力學方法選擇

2.1 物性估算

在Aspen Plus數(shù)據(jù)庫里只有部分草酸二甲酯物性，所缺物性由Aspen Plus基于UNIFAC方法進行估算，估算需輸入草酸二甲酯分子結(jié)構(gòu)和沸點；草酸二甲酯加氫制乙二醇工藝所涉及的其他組分物性均較完整。

2.2 熱力學方法選擇

由于草酸二甲酯(DMO)加氫流程中涉及到DMO、乙醇酸甲酯、甲醇、乙醇、水等形成的強非理想混合物，且反應(yīng)系統(tǒng)壓力較高，采用UNIFAC熱力學方法。

3 節(jié)能優(yōu)化

3.1 節(jié)能優(yōu)化目標

在原料消耗不變，獲得同樣產(chǎn)品規(guī)格(產(chǎn)品組成及流量不變)情況下，使裝置運行能耗最低，未優(yōu)化草酸二甲酯(DMO)加氫制乙二醇工藝流程圖如圖1所示，原料及產(chǎn)品規(guī)格如表1。

表1 原料及產(chǎn)品規(guī)格Table 1 Raw material and product specification

3.2 優(yōu)化換熱

未優(yōu)化流程中，新鮮氫氣與循環(huán)氣混合后，進入進出料換熱器與反應(yīng)產(chǎn)物進行換熱，以回收反應(yīng)產(chǎn)物熱量，由于循環(huán)氣量與新鮮氫氣量之比高達25左右，循環(huán)量相當大，致使進出料換熱器熱負荷很大。若采用一個換熱器回收反應(yīng)產(chǎn)物熱量，則由于換熱器負荷太大，傳熱系數(shù)及溫差較小，換熱器面積巨大，采用常規(guī)換熱器難以加工制造，一般采用高效專利換熱器，設(shè)備費昂貴，因此可采用兩個普通的進出料換熱器回收反應(yīng)產(chǎn)物熱量。具體流程配置為新鮮氫氣與循環(huán)氣混合后，先經(jīng)進出料換熱器I，與從進出料換熱器II出來的反應(yīng)產(chǎn)物進行換熱后，再與DMO混合，進入進出料換熱器II，與反應(yīng)器出來的反應(yīng)產(chǎn)物進行換熱，逐級回收反應(yīng)產(chǎn)物熱量，反應(yīng)氣最終經(jīng)蒸汽加熱器加熱至反應(yīng)所需溫度。優(yōu)化換熱后公用工程消耗對比如表2所示，蒸汽消耗節(jié)省42.3%，循環(huán)冷卻水消耗節(jié)省16.5%，若1噸蒸汽按120元，1噸循環(huán)冷卻水按0.35元計算，一年節(jié)省約1200萬元操作費用。經(jīng)詢價，優(yōu)化換熱后，采用兩臺普通進出料換熱器比采用一臺高效換熱器設(shè)備制造費降低約200萬元左右。

表2 公用工程消耗Table 2 Utility consumption

3.3 熱虹吸循環(huán)鍋爐給水

草酸二甲酯(DMO)加氫反應(yīng)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量由汽包鍋爐給水副產(chǎn)蒸汽帶走，汽包鍋爐給水既可采用泵強制循環(huán)，又可采用熱虹吸循環(huán)。由于采用熱虹吸循環(huán)，不但可以節(jié)省兩臺泵的投資、節(jié)省占地、簡化流程，還可節(jié)省操作費用。鍋爐給水循環(huán)泵電機功率約90kW，按1度電按0.7元計算，一年約可節(jié)省50萬元左右。

3.4 高效催化劑

與草酸二甲酯(DMO)相比，由于DMO加氫催化劑對氫氣的吸附能力很弱，同時為盡可能減少副反應(yīng)，提高乙二醇(EG)的收率和純度，反應(yīng)需在富氫狀態(tài)下進行，循環(huán)氣與新鮮氫氣量之比高達25左右，循環(huán)量相當大。由于大量循環(huán)氣在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，壓縮升壓時需耗電，預熱升溫時需消耗蒸汽，產(chǎn)物冷卻時需消耗冷卻水，同時高循環(huán)氣量導致整個反應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備尺寸變大， 100%循環(huán)量與80%循環(huán)量公用工程消耗對比如表3所示，因此，降低循環(huán)量不但可以大大降低操作費用和公用工程消耗，同時可以大大降低設(shè)備投資。而循環(huán)氣量的大小取決于催化劑性能，因此開發(fā)EG選擇性高，轉(zhuǎn)化率高、氫吸附能力強的DMO加氫高效催化劑是目前乙二醇工藝研究重點之一。

表3 公用工程消耗Table 3 Utility consumption

4 結(jié)論

采用Aspen Plus軟件對草酸二甲酯(DMO)加氫制乙二醇工藝進行了模擬，在保證原料消耗及產(chǎn)品規(guī)格(組成及流量不變)不變情況下，采用兩臺普通進出料換熱器不但操作費用低，且設(shè)備投資低；汽包鍋爐給水采用熱虹吸循環(huán)，不但節(jié)省設(shè)備投資及占地，還可簡化工藝流程及降低操作費用；使用高效催化劑，降低循環(huán)氣量，可大大降低操作費用、公用工程消耗和設(shè)備投資。

[1] 宋云英.國內(nèi)外乙二醇的供需現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].化工科技場,2007,30(2):20-24.

[2] 沈景馀.國外環(huán)氧乙烷/乙二醇技術(shù)進展[J].石油化工,2001,20(5):404-409.

[3] 黃衛(wèi)國，賀德華，劉金堯，等.非石油路線合成乙二醇方法論述[J].天然氣化工,1997,22(5):35-39.

[4] 張 博，計 揚，駱念軍，等.草酸烷基酯加氫合成乙二醇用復合載體催化劑及制備方法:中國,201110110222.5[P].2011-04-29.

[5] 駱念軍，計 揚，毛彥鵬，等.一種用于加氫反應(yīng)的催化劑及其制備方法和用途[P].中國:201110095855.3,2011-04-15.

[6] William J B,Charleston W V.Process for the preparation of ethylene glycol:US,428129[P].1985-02-04.

[7] Miyazaki Haruhiko,Hirai Kouichi,Uda Taizou,et al. Preparation of hydrogenation catalyst for preparing ethylene glycol:JP,57122941[P].1982-04-21.

[8] Thomas D J,Wehrli J T,Wainwright M S,et al. Hydrogenolysis of diethyl oxalate over copper-based catalysts[J]. Appl Catal A,1992,86(2):101-114.

[9] 李竹霞，錢志剛，趙秀閣，等.載體對草酸二甲酯加氫銅基催化劑的影響[J].華東理工大學學報,2005,31(1):27-31.

[10] 康文國，張 博，肖文德，等.草酸二甲酯加氫制乙二醇反應(yīng)器模擬分析[J].天然氣化工,2008,33(6):37-42.

(本文文獻格式：趙波濤，張懷生.草酸二甲酯加氫制乙二醇節(jié)能優(yōu)化[J].山東化工,2017,46(15):103-104,109.)

Energy Saving Optimization for Hydrogenation of Diethyl Oxalate to Ethylene Glycol

ZhaoBotao1,ZhangHuaisheng2

(1.Yangquan Coal Industry Group Pingding Chemical Co.,Ltd.,Yangquan 045200,China;2.Pujing Chemical Industry Co.,Ltd., Shanghai 201102,China)

Hydrogenation of diethyl oxalate to ethylene glycol process was simulated by using Aspen Plus software,investigated energy saving scheme such as optimizing heat exchange,circulating boiler feed water by thermo siphon,using high efficiency catalyst,based on the same raw material consumption and the same product specification (the same composition and flow rate). The results show that lower operation cost and lower equipment investment by using two ordinary feed effluent heat exchanger; circulating boiler feed water by thermo siphon not only no equipment investment and occupation area,but also can simplify process flow and reduce operation cost;reducing circulate gas flow rate can greatly reduce operation cost,utilities consumption and equipment investment by using high efficiency catalyst.

diethyl oxalate；hydrogenation；ethylene glycol；energy saving；optimization

2017-05-26

趙波濤(1973—)，男，陽泉煤業(yè)集團平定化工有限責任公司總工程師，主要從事煤化工事業(yè)，負責整個煤制乙二醇項目的建設(shè)和試車；通訊作者：張懷生。

TQ018

B

1008-021X(2017)15-0103-02