乙氧基化反应工艺条件的优化措施分析

刘思佳 周伟 王建红

摘 要：文章基于对乙氧基化反应机理及反应特点分析，进而探讨催化剂、反应温度、反应压力与传质等因素对乙氧基化反应速率的影响；并通过对乙氧基化反应回路换热器热量衡算，探讨了乙氧基化反应工艺条件的优化。

关键词：乙氧基化；反应；热量；优化

近二十年来，石油化工产业得到了较为快速的发展，尤其是以石油化学品环氧乙烷（EO）及其衍生物等非离子表面活性剂产品得到可极为广泛的应用。例如，醇醚系列产品在洗涤剂、清洁剂、纺织、印染、涂料、化妆品、造纸、皮革、石油、农药以及燃料等多个工业领域应用范围不断扩大。非离子表面活性剂的生产过程中，乙氧基化反应是其中主要反应，因此其生产流程工艺与反应装置对于醇醚生产的作用极为关键。近几年，我国市场对于非离子表面活性剂需求呈爆发性增长，而目前醇醚生产能力难以满足市场的需求量，因此，许多企业为满足发展需要，迫切地需要对现有的乙氧基化反应工艺及其装置开展技术更新研究与扩容改造探讨。面对越来越饥饿的市场需求，基于现有的乙氧基化反应装置与生产技术，对其工艺条件进行优化，切实提高乙氧基化反应装置的生产效能有着十分重要意义。

一、乙氧基化反应及其工艺特征

乙氧基化反应，指的是环氧乙烷（EO）与醇、酸、碱等含有活泼氢化合物，发生连续的开环聚合反应。在开环聚合反过程中，使EO发生反应的物质叫作起始剂，起始剂不同，反应得到的乙氧基化产物也不同。乙氧基化反应所得的产物一般为线性高分子化合物，工业生产过程中使用的乙二醇醚类、乙二醇、聚乙二醇、乙醇胺等非离子表面活性剂都是基于乙氧基化反应生产的，这些活性剂大都具备较好的溶解性、分散性、保湿性以及渗透性等特殊性能，因此基于乙氧基化反应生产的非离子表面活性剂在材料加工、印染建筑等工业领域有着十分广泛的应用。

乙氧基化反应是在强酸、强碱或者其他催化剂条件下起始剂与E0发生开环聚合反应，在反应中仅包括链引发和链增长两个反应步骤，直至反应物完全消耗才是反应结束。EO具备活泼的化学性质，可以与多种物质产生化学发应，在开环反应中会释放大量热量。所以乙氧基化反应具有以下几个重要特征：

（一）副反应多

EO除了与起始剂反应物发生反应之外，还可以在反应产物继续发生聚合反应。乙氧基化反应目的是获得高分子乙氧基化产物，但是其反应过程产生的小分子会大大干扰乙氧基化物的纯度。而且EO还会与反应物料中的一些含有活泼氢的杂质反应生成不必要的杂质，影响产品纯度。

（二）安全性要求高

易燃易爆、有毒，是反应物EO的特点，是国家列入甲A级危险化学品中的一类化学品，气态的EO浓度过大时还会发生“自聚现象”，产生大量的热量，极易在反应中形成高聚热点，一不注意就会发生剧烈爆炸。因此乙氧基化反应必须做好氮气保护、防爆工艺采等安全控制措施。

（三）剧烈放热现象

乙氧基化反应过程会产生剧烈的放热现象，EO开环需要释放约为100kJ/mol的热量，不同反应起始剂有着不同的热量释放，如生产聚乙二醇的放热量约为92kJ/mol，乙二醇单甲醚反应热量约为104kJ/mol，脂肪醇醚反应放热量可达134kJ/mol。必须将这些反应热及时排出才能确保生产装置安全、稳定，所以乙氧基化反应工艺装置必须要求具备可靠的排热、换热体系作为支撑。

二、乙氧基化反应速率影响因素分析

乙氧基化反应周期大概包括了加料、反应、卸料与中间过程等待等环节，每个环节的时间都会产品生产周期产生影响，其中影响最大的因素就是反应时间，也就是EO的聚合速度。乙氧基化反应属于典型的链增长催化加成反应，为提高链增长速率与整体反应速率，必须选择合适的工艺条件作为保障，才能得到有效的乙氧基化产物。以下就从催化剂、温度、压力及传热等四个方面对乙氧基化反应速率的影响因素进行分析。

（一）催化剂

乙氧基化反应中的催化剂分为强碱性、酸性以及碱土金属三大类，催化剂严重影响着乙氧基化反应速度，并且不同的催化剂下有着不同的反应机理。酸性催化剂得到的是窄分布产品，而且副产物较多，还会腐蚀设备，所以工业化上的应用较少。强碱性催化剂下得到的是宽分布产品，目前在工业上的应用较为广泛。至于碱土金属类催化剂大多是属于新型乙氧基化催化剂，主要是钡、镁、钙等金属氢氧化物，以及附以羧酸、醛、酮等为促进剂，进行催化反应，催化的过程较为复杂，大多用于特定产品的反应。

（二）温度

乙氧基化反应速率受温度影响较大，温度越高反应速率越快，副反应也跟着越多。而温度达200℃时，能够使各种催化剂的活性越来越接近，所以乙氧基化反应温度通常会控制在140℃～180℃。

（三）压力

乙氧基化反应的加成聚合是一个由小分子合成大分子的过程。反应压力越大，有助于提升反应速率，然而过高的压力也会诱发其他副反应和提高设备造价，操作的危险性也会大大增加。所以，乙氧基化反应压力通常控制在0.2～0.5MPa为宜。

（四）传质

乙氧基化反应是一个加聚放热的过程，反应物料混合的均匀程度对整体反应速率、温度、产物分子质量分布宽窄情况息息相关。一般来说，传质效果越好，E0分布的越均匀，产物的窄化程度越高，使副产物含量大幅降低，可见，传质好坏对产品质量与反应速率有着直接影响。

三、现有乙氧基化装置的优化设想

反应装置中的催化劑、温度、压力以及传质等的因素，限制着装置的生产能力。经过以上分析可知，对于现有乙氧基化装置的工业生产实践而言，其工艺条件的优化设想有以下几点：

首先，可通过提高操作温度、压力来使EO聚合速率有所提升，进而提升乙氧基化的反应速率；其次通过改变反应器内的喷嘴分布，来使反应物间传质效果得到有效提高，进而提升乙氧基化的反应速率；此外，还可以通过对循环回路换热器进行热量衡算，改变换热介质与换热方式，实现对乙氧基化反应工艺条件的优化。

在目前的生产装置设备条件下，对于温度、压力的控制已达到最大上限，通过循环回路换热器的热量衡算，改变换热介质与换热方式，对于乙氧基化反应工艺条件优化有着较大的可行性意义。目前工业乙氧基化反应使用的工艺循环回路换热器多为U型管式换热器，以导热油作为冷却介质。由于产品的冷却反应黏度较大走壳程，而导热油走的是管程。强放热是乙氧基化反应的特点，EO的聚合速率依赖于外循环的乙氧基化装置的移热系统，而外循环物料的流量、循环的换热介质及其流量温度、换热器的类型及换热效果，以及相关的外部循环容积等都是乙氧基化反应装置换热系统中的关键参数。现有工艺条件下，多是以冷却水冷却、蒸汽加热导热油等间接的方式进行导热油与乙氧基化反应产物之间热交换。以不改变循环回路换热器的基本参数为前提，以改变换热介质的方式进行直接的换热来增强换热器的换热效果，快速移走反应热，进而提升EO反应的聚合速率，有效缩短乙氧基化反应的时间，提高目标产物量。相关专家学者通过理论计算可知得出：在反应的换热量不变，若换热介质为冷却水，其用量约为导热油的48%；在保持换热介质量不变，冷却水作为换热介质其换热效果约为导热油的2.1倍。

参考文献：

[1]王起超.乙氧基化反应选择性催化合成乙二醇单丁醚[J].大连理工大学，2016.

[2]向珏贻.乙氧基化反应器的技术进展[J].能源化工，2016，37（4）：11-15.

[3]崔洋.乙氧基化反应过程控制方案[J].日用化学品科学，2016（08）：35-38.