草酸二甲酯加氢制乙二醇节能优化

赵波涛，张怀生

(1.阳泉煤业集团平定化工有限责任公司，山西 阳泉 045200；2.上海浦景化工技术股份有限公司，上海 201102)

草酸二甲酯加氢制乙二醇节能优化

赵波涛1，张怀生2

(1.阳泉煤业集团平定化工有限责任公司，山西 阳泉 045200；2.上海浦景化工技术股份有限公司，上海 201102)

采用Aspen Plus软件对草酸二甲酯(DMO)加氢制乙二醇工艺进行了模拟，在同样原料消耗及产品规格(组成及流量不变)情况下，研究了优化换热、热虹吸循环锅炉给水、使用高效催化剂节能方案。结果表明，采用两台普通进出料换热器不但操作费用低，且设备投资低；汽包锅炉给水采用热虹吸循环，不但节省设备投资及其占地，还可简化工艺流程及降低操作费用；使用高效催化剂，降低循环气量，可大大降低操作费用、公用工程消耗和设备投资。

草酸二甲酯；加氢；乙二醇；节能；优化

乙二醇(EG)，主要用于生产聚酯纤维、防冻剂、不饱和聚酯树脂、润滑剂、增塑剂、非离子表面活性剂以及炸药等，作为一种重要的有机化工原料，用途十分广泛[1]。目前乙二醇大多以石油制品环氧乙烷为原料制得，该工艺流程长、设备多、能耗高，EG的生产成本高。我国能源具有石油资源匮乏、煤炭资源丰富的结构特点，在石油资源日益短缺的形势下，发展煤基合成气制乙二醇的工艺路线具有非常重要的战略意义，不仅可以降低对石油的依赖程度，同时还可以拓展煤化工路线，扩大对煤炭的清洁利用规模[2-3]。合成气制备乙二醇工艺路线分两步：第一步为合成气制草酸二甲酯(DMO)；第二步为DMO加氢制乙二醇。其中第一步研究比较成熟；第二步DMO加氢国内外研究较多，主要集中在以实验为主的工艺条件、催化剂制备和本征动力学等方面的研究，关于DMO加氢制乙二醇节能研究较少[4-10]。

由于采用实验研究节能优化成本高、工作量大、耗时长，因此可采用计算机模拟研究优化方案，以便节省人力、物力和财力。Aspen Plus是一款功能强大的化工流程模拟软件，已广泛用于化工设计、流程优化，节能改造等领域。本文采用Aspen Plus对年产20万吨乙二醇的草酸二甲酯加氢制乙二醇工艺进行研究，提出节能优化方案，为装置节能运行提供理论依据。

1 草酸二甲酯加氢制乙二醇工艺

图1 草酸二甲酯加氢制乙二醇工艺流程图

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

未优化草酸二甲酯(DMO)加氢制乙二醇工艺流程图如图1所示，新鲜氢气与循环气混合后进入进出料换热器，与反应产物进行换热，再与DMO混合后，经蒸汽加热器进一步加热至反应温度，进入反应器。在反应器里，DMO与氢气发生反应，主要生成乙二醇和甲醇，反应产物经进出料换热器，与反应进料换热，再经水冷器冷却后，进入气液分离器进行分离，分离出的液相即为粗乙二醇产品，气相大部分经压缩机压缩后，与新鲜氢气混合，在系统内部循环，小部分放空以免惰性气体在系统内部累积。反应器里反应产生的热量用于加热锅炉给水，副产蒸汽，锅炉给水采用泵强制循环。

2 物性估算和热力学方法选择

2.1 物性估算

在Aspen Plus数据库里只有部分草酸二甲酯物性，所缺物性由Aspen Plus基于UNIFAC方法进行估算，估算需输入草酸二甲酯分子结构和沸点；草酸二甲酯加氢制乙二醇工艺所涉及的其他组分物性均较完整。

2.2 热力学方法选择

由于草酸二甲酯(DMO)加氢流程中涉及到DMO、乙醇酸甲酯、甲醇、乙醇、水等形成的强非理想混合物，且反应系统压力较高，采用UNIFAC热力学方法。

3 节能优化

3.1 节能优化目标

在原料消耗不变，获得同样产品规格(产品组成及流量不变)情况下，使装置运行能耗最低，未优化草酸二甲酯(DMO)加氢制乙二醇工艺流程图如图1所示，原料及产品规格如表1。

表1 原料及产品规格Table 1 Raw material and product specification

3.2 优化换热

未优化流程中，新鲜氢气与循环气混合后，进入进出料换热器与反应产物进行换热，以回收反应产物热量，由于循环气量与新鲜氢气量之比高达25左右，循环量相当大，致使进出料换热器热负荷很大。若采用一个换热器回收反应产物热量，则由于换热器负荷太大，传热系数及温差较小，换热器面积巨大，采用常规换热器难以加工制造，一般采用高效专利换热器，设备费昂贵，因此可采用两个普通的进出料换热器回收反应产物热量。具体流程配置为新鲜氢气与循环气混合后，先经进出料换热器I，与从进出料换热器II出来的反应产物进行换热后，再与DMO混合，进入进出料换热器II，与反应器出来的反应产物进行换热，逐级回收反应产物热量，反应气最终经蒸汽加热器加热至反应所需温度。优化换热后公用工程消耗对比如表2所示，蒸汽消耗节省42.3%，循环冷却水消耗节省16.5%，若1吨蒸汽按120元，1吨循环冷却水按0.35元计算，一年节省约1200万元操作费用。经询价，优化换热后，采用两台普通进出料换热器比采用一台高效换热器设备制造费降低约200万元左右。

表2 公用工程消耗Table 2 Utility consumption

3.3 热虹吸循环锅炉给水

草酸二甲酯(DMO)加氢反应为放热反应，反应产生的热量由汽包锅炉给水副产蒸汽带走，汽包锅炉给水既可采用泵强制循环，又可采用热虹吸循环。由于采用热虹吸循环，不但可以节省两台泵的投资、节省占地、简化流程，还可节省操作费用。锅炉给水循环泵电机功率约90kW，按1度电按0.7元计算，一年约可节省50万元左右。

3.4 高效催化剂

与草酸二甲酯(DMO)相比，由于DMO加氢催化剂对氢气的吸附能力很弱，同时为尽可能减少副反应，提高乙二醇(EG)的收率和纯度，反应需在富氢状态下进行，循环气与新鲜氢气量之比高达25左右，循环量相当大。由于大量循环气在系统内循环，压缩升压时需耗电，预热升温时需消耗蒸汽，产物冷却时需消耗冷却水，同时高循环气量导致整个反应系统设备尺寸变大， 100%循环量与80%循环量公用工程消耗对比如表3所示，因此，降低循环量不但可以大大降低操作费用和公用工程消耗，同时可以大大降低设备投资。而循环气量的大小取决于催化剂性能，因此开发EG选择性高，转化率高、氢吸附能力强的DMO加氢高效催化剂是目前乙二醇工艺研究重点之一。

表3 公用工程消耗Table 3 Utility consumption

4 结论

采用Aspen Plus软件对草酸二甲酯(DMO)加氢制乙二醇工艺进行了模拟，在保证原料消耗及产品规格(组成及流量不变)不变情况下，采用两台普通进出料换热器不但操作费用低，且设备投资低；汽包锅炉给水采用热虹吸循环，不但节省设备投资及占地，还可简化工艺流程及降低操作费用；使用高效催化剂，降低循环气量，可大大降低操作费用、公用工程消耗和设备投资。

[1] 宋云英.国内外乙二醇的供需现状及发展前景[J].化工科技场,2007,30(2):20-24.

[2] 沈景馀.国外环氧乙烷/乙二醇技术进展[J].石油化工,2001,20(5):404-409.

[3] 黄卫国，贺德华，刘金尧，等.非石油路线合成乙二醇方法论述[J].天然气化工,1997,22(5):35-39.

[4] 张 博，计 扬，骆念军，等.草酸烷基酯加氢合成乙二醇用复合载体催化剂及制备方法:中国,201110110222.5[P].2011-04-29.

[5] 骆念军，计 扬，毛彦鹏，等.一种用于加氢反应的催化剂及其制备方法和用途[P].中国: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.

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[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，钱志刚，赵秀阁，等.载体对草酸二甲酯加氢铜基催化剂的影响[J].华东理工大学学报,2005,31(1):27-31.

[10] 康文国，张 博，肖文德，等.草酸二甲酯加氢制乙二醇反应器模拟分析[J].天然气化工,2008,33(6):37-42.

(本文文献格式：赵波涛，张怀生.草酸二甲酯加氢制乙二醇节能优化[J].山东化工,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

赵波涛(1973—)，男，阳泉煤业集团平定化工有限责任公司总工程师，主要从事煤化工事业，负责整个煤制乙二醇项目的建设和试车；通讯作者：张怀生。

TQ018

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