乙烯氧氯化法生产氯乙烯.

乙烯氧氯化法生产氯乙烯一、概述1．氯乙烯的性质和用途氯乙烯在常温常压下是一种无色的有乙醚香味的气体，沸点-13.9°C, 临界温度142C，临界压力为5.12MPa,尽管它的沸点低，但稍加压力， 就可得到液体的氯乙烯氯乙烯易燃，闪点小于T7.8C，与空气容易 形成爆炸混合物，其爆炸范围为4〜21.7% （体积）o氯乙烯易溶于丙酮、 乙醇、二氯乙烷等有机溶剂，微溶于水，在水中的溶解度是O.OOlg/L氯乙烯具有麻醉作用，在20〜40%的浓度下，会使人立即致死，在10% 的浓度下，一小时内呼吸管内急动而逐渐缓慢，最后微弱以致停止呼吸慢性中毒会使人有晕眩感觉，同时对肺部有刺激，因此，氯乙烯在空气中的允许浓度为500ppmo氯乙烯是分子内包含氯原子的不饱和化合物由于双键的存在，氯乙烯 能发生一系列化学反应，工业应用最重要的化学反应是其均聚与共聚反 应氯乙烯是聚氯乙烯的单体，在引发剂的作用下，易聚合成聚氯乙烯氯 乙烯也可以和其它不饱和化合物共聚，生成高聚物，这些高聚物在工业 上和日用品生产上具有广泛的用途因此，氯乙烯的生产在有机化工生 产中占有重要的地位2．氯乙烯的生产方法 氯乙烯首先在工业上实现生产是在20世纪30年代，当时是使用电石水解成，乙炔和氯化氢进行加成反应得到的。

其化学反应方程式为：CaC2 + 2H20 — Ca(0H)2 + C2H2C2H2 + HCl CH2CHCl50年代前，电石是由焦炭与生石灰在电炉中加热生成：Ca0+3C CaC2 + C0随着氮乙烯需求量的增加，人们致力于寻找生产氯乙烯更廉价的原料来 源在50年代初期，乙烯成为生产氯乙烯更经济、更合理的原料实 现了由乙烯和氯气生产氯乙烯的工业生产路线该工艺包括乙烯直接氯 化生产二氯乙烷及二氯乙烷裂解生产氯乙烯随后，人们注意到二氯乙烷裂解过程，除生成氯乙烯外还生成氯化氢由此，工业界想到由氢化氢可以连同乙炔生产工艺一起生产氯乙烯CH 2 = CH2 十 C12 — CH 2C1—CH 2C1CH 2C1—CH 2C1 — CH 2 = CHC 1 十 HC1十 HCl — CH 2 = CHC150年代后期，开发出乙烯氧氯化工艺以适应不断增长的对氯乙烯的需求在这个过程中，乙烯、氧气和氯化氢反应生成二氯乙烷，和直接氯化过程结合在一起，两者所生成的二氯乙烷一并进行裂解得到氯乙烯，这种生产方法称为平衡法至今世界上虽仍有少量的氯乙烯来自于电石乙炔及乙炔—乙烯混合法， 而绝大部分氯乙烯是通过基于乙烯和氯气的平衡过程生产。

平衡氧氯化 生产工艺仍是已工业化的、生产氯乙烯单体最先进的技术，在世界范围 内，93％的聚氯乙烯树脂都采用由平衡氧氯化法生产的氯乙烯单体聚合 而成该法具有反应器能力大、生产效率高、生产成本低、单体杂质含 量少和可连续操作等特点二、反应原理乙烯氧氯化法生产氯乙烯，包括三步反应：（1）乙烯直接氯化CH2二CH2 + Cl2 — CH2C1CH2C1（2）二氯乙烷裂解2CH2C1CH2C1 — 2CH2=CHCl + 2HCl（3）乙烯氧氯化CH2=CH2+2HCl+O2—CH2ClCH2Cl+H2O总反应式2CH2=CH2 + Cl2 + O2 — 2CH2=CHCl + H2O其工艺过程示意如图6—14图6－14乙烯平衡氧氯化法生产氯乙烯的工艺流程此图可见，该法生产氯乙烯的原料只需乙烯、氯和空气（或氧），氯可以全部被利用，其关键是要计算好乙烯与氯加成和乙烯氧氯化两个反应的 应量，使1,2—二氯乙烷裂解所生成的HC1恰好满足乙烯氧氯化所需的 HC1这样才能使HCl在整个生产过程中始终保持平衡该法是目前世 界公认为技术先进、经济合理的生产方法现将三步反应原理分别进行 讨论：1．主、副反应（1）乙烯直接氯化部分主反应：CH2=CH2 + C12 — CH2C1CH2C1 △H = T71.7kJ／mo1该反应可以在气相中进行，也可以在溶剂中进行。

气相反应由于放热大，散热困难而不易控制，因此工业上采用在极性溶剂存在下的液相反应，溶剂为二氯乙烷副反应：CH2ClCHCl + Cl2 — CH2ClCHCl2 + HClCH2ClCHCl2 + Cl2 — CHCl2CHCl2 + HCl主要生成多氯乙烷乙烯中的少量甲烷和微量丙烯亦可发生氯代和加成反应形成相应副产物2）二氯乙烷裂解部分主反应：CH2C1CH2C1 CH2二CHCl + HCl △H = 79.5kJ/mol此反应是吸热可逆反应副反应：CH2=CHCl —CH三CH + HClCH2=CHCl + HCl — CH3CHC12CH2ClCH2Cl — H2 + 2HCl + 2Cn CH2=CHCl 聚氯乙烯（3）乙烯氧氯化部分△H =主反应：CH2二CH2 + 2HCl + 02 — CH2ClCH2Cl + H2O-25lkJ/mol 这是一个强放热反应副反应：CH2=CH2 + 202 — 2C0 + 2H20CH2=CH2 + 302 — 2C02 + 2H20CH2=CHCl + HCl — CH3CH2ClCH2ClCH2Cl CH2=CHCl CH2ClCHCl2还有生成其它氯衍生物的副反应反生。

这些副产物的总量仅为二氯乙烷生成量的1％以下2．催化剂乙烯液相氯化反应的催化剂常用FeCl3加入FeCl3的主要作用是抑制 取代反应，促进乙烯和氯气的加成反应，减少副反应增加氯乙烯的收率二氯乙烷裂解反应是在高温下进行，不需要催化剂乙烯氧氯化制二氯乙烷需在催化剂存在下进行工业常用催化剂是以Y— A1203为载体的CuCl2催化剂根据氯化铜催化剂的组成不同，可分为单组分催化剂、双组分催化剂、多组分催化剂近年来，发展了非 铜催化剂三、操作条件1．乙烯直接氯化部分(1) 原料配比乙烯与氯气的摩尔比常采用1.1:1.0略过量的乙烯可以保证氯气反应完全，使氯化液中游离氯含量降低，减轻对设备的腐蚀并有利于后处理同时，可以避免氯气和原料气中的氢气直接接触而引起的爆炸危险生产中控制尾气中氯含量不大于0.5%，乙烯含量小于1.5％2) 反应温度 乙烯液相氯化是放热反应，反应温度过高，会使甲烷氯化等反应加剧， 对主反应不利；反应温度降低，反应速度相应变慢，也不利于反应一 般反应温度控制在53°C左右3) 反应压力 从乙烯氯化反应式可看出，加压对反应是有利的但在生产实际中，若 采用加压氯化，必须用液化氯气的办法，由于原料氯加压困难，故反应 一般在常压下进行。

2．二氯乙烷裂解部分(1) 原料纯度 在裂解原料二氯乙烷中若含有抑制剂，则会减慢裂解反应速度并促进生 焦在二氯乙烷中能起强抑制作用的杂质是 1,2—二氯丙烷，其含量为0.1〜0.2%时，二氯乙烷的转化率就会下降4〜10%如果提高裂解温 度以弥补转化率的下降，则副反应和生焦量会更多，而且1,2—二氯丙 烷的裂解产物氯丙烯具有更强的抑制裂解作用杂质1,1—二氯乙烷对 裂解反应也有较弱的抑制作用其它杂质如二氯甲烷、三氯甲烷等，对 反应基本无影响铁离子会加速深度裂解副反应，故原料中含铁量要求 不大于 10-4水对反应虽无抑制作用，但为了防止对炉管的腐蚀，水 分含量控制在5X10-6以下2) 反应温度—氯乙烷裂解是吸热反应，提咼反应温度对反应有利温度在450 C时,裂解反应速度很慢，转化率很低，当温度升高到500°C左右，裂解反应速度显著加快但反应温度过高，二氯乙烷深度裂解和氯乙烯分解、聚合等副反应也相应加速当温度高于600C，副反应速度将显著大于主反应速度因此，反应温度的选择 应从二氯乙烷转化率和氯乙烯收率两方面综合考虑，一般为500〜550C3) 反应压力 二氯乙烷裂解是体积增大的反应，提高压力对反应平衡不利。

但在实际 生产中常采用加压操作，其原因是为了保证物流畅通，维持适当空速， 使温度分布均匀，避免局部过热；加压还有利于抑制分解生炭的副反应， 提高氯乙烯收率；加压还利于降低产品分离温度，节省冷量，提高设备 的生产能力目前，工业生产采用的有低压法(〜0.6MPa)、中压法(IMPa) 和高压法(〉1.5MPa)等几种4) 停留时间 停留时间长，能提高转化率，但同时氯乙烯聚合、生焦等副反应增多， 使氯乙烯收率降低，且炉管的运转周期缩短工业生产采用较短的停留 时间，以获得高收率并减少副反应通常停留时间为10s左右，二氯乙 烷转化率为 50〜60％3．乙烯氧氯化部分(1) 反应温度乙烯氧氯化反应是强放热反应，反应热可达251kJ/moI，因此反应温度的控制十分重要升高温度对反应有利，但温度过高，乙烯完全氧化反应加速，C02和CO的生成量增多，畐I」产物三氯乙烷的生成量也增加， 反应的选择性下降温度升高催化剂的活性组分CuCl2挥发流失快，催 化剂的活性下降快，寿命短一般在保证HCl的转化率接近全部转化的 前提下，反应温度以低些为好但当低于物料的露点时，HCl气体就会 与体系中生成的水形成盐酸，对设备造成严重的腐蚀。

因此，反应温度 一般控制在220〜300 °C2) 反应压力常压或加压反应皆可，一般在0.1〜1 MPa压力的高低要根据反应器的 类型而定，流化床宜于低压操作，固定床为克服流体阻力，操作压力宜 高些当用空气进行氧氯化时，反应气体中含有大量的惰性气体，为了 使反应气体保持相当的分压，常用加压操作3) 原料配比按乙烯氧氯化反应方程式的计量关系，C2H4:HC1:02 = 1:2:0.5(摩尔) 在正常操作情况下，C2H4稍有过量，02过量50%左右，以使HC1转化 完全实际原料配比为C 2H4:HC1:02=1.05:2:0.75〜0.85(摩尔)若 HC1过量，则过量的HCl会吸附在催化剂表面，使催化剂颗粒胀大，使 密度减小；如果采用流化床反应器，床层会急剧升高，甚至发生节涌现 象，以至不能正常操作C2H4稍过量，可保证HC1完全转化，但过量 太多，尾气中C0和C02的含量增加，使选择性下降氧的用量若过多，也会发生上述现象4) 原料气纯度原料乙烯纯度越高，氧氯化产品中杂质就越少，这对二氯乙烷的提纯十 分有利原料气中的乙炔、丙烯和 C4 烯烃含量必须严格控制因为它 们都能发生氧氯化反应，而生成四氯乙烯、三氯乙烯、1,2—二氯丙烷 等多氯化物，使产品的纯度降低而影响后加工。

原料气 HC1 主要由二氯 乙烷裂解得到，—般要进行除炔处理5) 停留时间要使 HCl 接近全部转化，必须有较长的停留时间，但停留时间过长会出 现转化率下降的现象这可能是由于在较长的停留时间里，发生了连串 副反应，二氯乙烷裂解产生HCl和氯乙烯在低空速下操作时，适宜的 停留时间一般为5〜10s四、工艺流程1．乙烯直接氯化生产二氯乙烷的工艺流程乙烯液相氯化生产二氯乙烷，催化剂为FeCl3早期开发的乙烯直接氯 化流程，大多采用低温工艺，反应温度控制在53°C左右乙烯液相氯 化生产二氯乙烷的工艺流程如图 6—15 所示乙烯液相氯化是在气液鼓泡塔反应器(1)中进行，氯化塔内部安装有套筒内件，内充以铁环和作为氯化液的二氯乙烷液体，乙烯和氯气从塔底 进入套筒内，溶解在氯化液中而发生加成反应生成二氯乙烷为了保证 气液相的良好接触和移除反应释放出的热量，在氯化塔外连通两台循环 冷却器(2)反应器中氯化液由内套筒溢流至反应器本体与套筒间环形 空隙，再用循环泵将氯化液从氯化塔下部引出，经过滤器(4)过滤后， 把反应生成的二氯乙烷送至洗涤分层器(5)，其余的经循环冷却器(2) 用水冷却除去反应热后，循环回氯化塔。

在反应过程中损失的 FeCl3 的 补充是通过将FeCl3溶解在循环液内，从氯化塔的上部加入，氯化液中 FeCl3的浓度维持在2.5X104左右图 6-15 乙烯液相氯化生产二氯乙烷工艺流程图1-氯化塔；2-循环冷却器；3-催化剂溶解槽；4-过滤器；5、6-洗涤分层器随着反应的进行，产物二氯乙烷不断地在反应器内积聚，通过反应器侧壁溢流口 将产生的氯化液移去，从而保证了反应器内的液面恒定反应产物经过滤器(4)过滤后，送入洗涤分层器(5、6)，在两级串联的洗涤分层器内经过两次洗涤，除去其中包含的少量FeC13和HC1,所得粗二氯乙烷送去精馏氯化塔顶部逸出的反应尾气经过冷却冷凝回收夹带的二氯乙烷后，送焚烧炉处理低温氯化法反应所释放出的大量热量没有得到充分利用，而且反应产物 夹带出的催化剂需经水洗处理，洗涤水需经汽提，故能耗较大；反应过 程中需不断补加催化剂，过程的污水还需专门处理为此，近年来开发 出高温工艺，使反应在接近二氯乙烷沸点的条件下进行二氯乙烷的沸 点为83.5°C,当反应压力为0.2〜0.3MPa时，操作温度可控制在120 °C 左右反应热靠二氯乙烷的蒸出带出反应器外，每生成 lmo1 二氯乙烷， 大约可产生6.5mo1二氯乙烷蒸气。

由于在液相沸腾条件下反应，未反 应的乙烯和氯会被二氯乙烷蒸气带走，而使二氯乙烷的收率下降为解决此问题，高温氯化反应器设计成一个U形循环管和一个分离器的组合体高温氯化法的工艺流程如图6—16 所示乙烯和氯通过喷散器在U形管上升段底部进入反应器(1),溶解于氯化 液中立即进行反应生成二氯乙烷，由于该处有足够的静压，可以防止反 应液沸腾至上升段的三分之二处，反应已基本完成，然后液体继续上 升并开始沸腾，所形成的气液混合物进入分离器(B)o离开分离器的二 氯乙烷蒸气进入精馏塔(2)，塔顶引出包括少量未转化乙烯的轻组分， 经塔顶冷凝器冷凝后，送入气液分离器气相送尾气处理系统，液相作 为回流返回精馏塔塔顶塔顶侧线获得产品二氯乙烷；塔釜重组分中含 有大量的二氯乙烷，大部返回反应器，少部分送二氯乙烷—重组分分离 系统，分离出三氯乙烷、四氯乙烷后，二氯乙烷仍返回反应器图6-16 高温氯化法制取二氯乙烷的工艺流程A-U型循环管；B-分离器；1-反应器；2-精馏塔高温氯化法的优点是二氯乙烷收率高，反应热得到利用；由于二氯乙烷是气相出料，不会将催化剂带出，所以不需要洗涤脱除催化剂，也不需补充催化剂；过程中没有污水排放。

尽管如此，这种型式的反应器要求严格控制循环速度，循环速 度太低会导致反应物分散不均匀和局部浓度过高，太高则可能使反应进行的不完 全，导致原料转化率下降与低温氯化法相比，高温氯化法可使能耗大大降低，原料利用率接近 99％，二 氯乙烷纯度可超过 99.99％o2．二氯乙烷裂解制氯乙烯工艺流程由乙烯液相氯化和氧氯化获得的二氯乙烷，在管式炉中进行裂解得产物氯乙烯 管式炉的对流段设置有原料二氯乙烷的预热管，反应管设置在辐射段二氯乙烷 裂解制氯乙烯的工艺流程如图 6—17所示用定量泵将精二氯乙烷从贮槽(1)送入裂解炉(2)的预热段，借助裂解炉 烟气将二氯乙烷物料加热并达到—定温度，此时有一小部分物料未气 化将所形成的气—液混合物送入分离器(3)，未气化的二氯乙烷经过 滤器(8)过滤后，送至蒸发器(4)的预热段，然后进该炉的气化段气化 气化后的二氯乙烷经分离器(3)顶部进入裂解炉(2)辐射段在 0.558MPa 和500〜550°C条件下，进行裂解获得氯乙烯和氯化氢裂解气出炉后， 在骤冷塔(5)中迅速降温并除炭为了防止盐酸对设备的腐蚀，急冷剂 不用水而用二氯乙烷，在此未反应的二氯乙烷会部分冷凝出塔气体再 经冷却冷凝，然后气液混合物一并进入氯化氢塔(6)，塔顶采出主要为 氯化氢，经致冷剂冷冻冷凝后送入贮罐，部分作为本塔塔顶回流，其余 送至氧氯化部分作为乙烯氧氯化的原料。

图 6-17 二氯乙烷裂解制取氯乙烯的工艺流程1-二氯乙烷贮槽；2-裂解反应炉；3-气液分离器；4-二氯乙烷蒸发器；5-骤冷塔；6-氯化氢塔；7-氯乙烯塔；8-过滤器骤冷塔塔底液相主要含二氯乙烷，还含有少量的冷凝氯乙烯和溶解氯化氢这股 物料经冷却后，部分送入氯化氢塔进行分离，其余返回骤冷塔作为喷淋液 氯化氢塔的培釜出料，主要组成为氯乙烯和二氯乙烷，其中含有微量氯 化氢，该混合液送入氯乙烯塔(7)，塔顶馏出的氯乙烯经用固碱脱除微 量氯化氢后，即得纯度为 99.9％的成品氯乙烯塔釜流出的二氯乙烷 经冷却后送至氧氯化工段，一并进行精制后，再返回裂解装置3．以空气作氧化剂的乙烯流化床氧氯化制二氯乙烷的工艺流程乙烯氧氯化反应部分的工艺流程如图6—18 所示图6-18 流化床乙烯氧氯化制二氯乙烷反应部分工艺流程图1-加氢反应器；2-汽水分离器；3-流化床反应器；4-催化剂贮槽；5-空气压缩机来自二氯乙烷裂解装置的氯化氢预热至170°C左右，与H2 —起进入加氢反应器(1)，在载于氧化铝上的钯催化剂存在下，进行加氢精制，使 其中所含有害杂质乙炔选择加氢为乙烯原料乙烯也顶热到一定温度， 然后与氯化氢混合后一起进入反应器(3)。

氧化剂空气则由空气压缩机 (5)送入反应器，三者在分布器中混合后进入催化床层发生氧氯化反应 放出的热量借冷却管中热水的汽化而移走反应温度则由调节汽水分离 器的压力进行控制在反应过程中需不断向反应器内补加催化剂，以抵 偿催化剂的损失氯乙烷的分离和精制部分的工艺流程如图6— 1 9所示自氧氯化反应器顶部出来的反应气含有反应生成的二氯乙烷，副产物C02、CO和其它少 量的氯代衍生物，以及末转化的乙烯、氧、氯化氢及惰性气体，还有主、 副反应生成的水此反应混合气进入骤冷塔(1)用水喷淋骤冷至90°C并 吸收气体中氯化氢，洗去夹带出来的催化剂粉末产物二氯乙烷以及其 它氯代衍生物仍留在气相，从骤冷塔顶逸出，在冷却冷凝器中冷凝后流 入分层器(4)，与水分层分离后即得粗二氯乙烷分出的水循环回骤冷 塔图 6-19 二氯乙烷分离和精制部分工艺流程图1-骤冷塔；2-废水汽提塔；3-受槽；4-分层器；5-低温冷凝器；6-汽液分离器； 7-吸收塔；8-解吸塔；9-碱洗罐；10-水洗罐；11-粗二氯乙烷贮槽；12-脱轻组分塔；13-二氯乙烷塔；14-脱重组分塔 从分层器出来的气体再经低温冷凝器(5)冷凝，回收二氯乙烷及其它氯 代衍生物，不凝气体进入吸收塔(7)，用溶剂吸收其中尚存的二氯乙烷 等后，含乙烯1％左有的尾气排出系统。

溶有二氯乙烷等组分的吸收液 在解吸塔(8)中进行解吸在低温冷凝器和解吸塔回收的二氯乙烷，一 并送至分层器自分层器(4)出来的粗二氯乙烷经碱洗罐(9)碱洗、水洗罐(10)后进入贮槽(11)， 然后在 3 个精馏塔中实现分离精制第一塔为脱轻组分塔(12)，以分离出轻组分；第二塔为二氯乙烷塔(13)，主要得成品二氯乙烷；第三塔是脱重组分塔，在减压 下操作，对高沸物进行减压蒸馏，从中回收部分二氯乙烷精制的二氯乙烷，送 去作裂解制氯乙烯的原料骤冷塔塔底排出的水吸收液中含有盐酸和少量二氯乙烷等氯代衍生物， 经碱中和后进入汽提塔进行水蒸气汽提，回收其中的二氯乙烷等氯代衍生物，冷凝后进入分析器空气氧化法排放的气体中尚含有 1％左右的乙烯，不再循环使用，故乙 烯消耗定额较高，且有大量排放废气污染空气，需经处理五、典型设备－流化床反应器图6—20流化床乙烯氧氯化反应器结构图1—C2H4的HC1出口； 2—空气入口； 3—板式分布器；4—管式分布器；5 — 催化剂入口； 6—反应器外壳；7—冷却管组；8—加压热水入口； 9—第三级 旋风分离器；10—反应气出口； 11、12—净化空气入口； 13—第二级旋风分 离器；14—第一级旋风分离器；15—人孔；16—高压水蒸汽出口催化剂在流化床反应器内处于沸腾状态，床层内又装有换热器，可以有 效地引出反应热，因此反应易于控制，床层温度分布均匀。

这种反应器 适用于大规模的生产，但缺点是催化剂损耗量大，单程转化率低流化 床反应器是钢制圆柱形容器，高度约为直径的十倍左右，其结构如图 6—20 所示在反应器底部水平插入空气进料管，进料管上方设置具有 多个喷嘴的板式分布器，用于均匀分布进入的空气在反应段设置了— 定数量的直立冷却管组，管内通入加压热水，使其汽化以移出反应热， 并产生相当压力的水蒸气在反应器上部设置三组三级旋风分离器，用 以分离回收反应气体所夹带的催化剂在生产中催化剂的磨损量每天约 有 0.1％，故需补加催化剂催化剂自气体分布器上方用压缩空气送入 反应器内 由于氧氯化反应过程有水产生，若反应器的某些部位保温不好，温度会下降，当 温度达到露点时，水就凝结，将使设备遇到严重的腐蚀因此，反应器各部位的 温度必须保持在露点以上知 识窗聚氯乙烯(PVC)工业技术进展情况聚氯乙烯工业技术进展大致可以分为以下三个方面：1、 在氯乙烯单体生产技术方面，采用乙烯作为原料，用直接氧氯化法生产出低 成本的氯乙烯2、 在PVC树脂生产技术方面，新技术的发展集中在进一步解决聚合体系的稳定 及防粘釜问题上，改进悬浮 PVC 树脂的粒径分布以及开发一些使用性能更好的专 用树脂，如更易于加工的聚氯乙烯薄膜专用树脂，性能更好的丙烯酸改性聚氯乙 烯型材专用树脂等。

3、 在 PVC 加工方面，现已研究出用聚丁烯改进制品冲击强度和热稳定性的新技 术，研制出粘结力强、耐风化性好的汽车车体防锈涂料，采用交联 PVC 发泡生产 出仪表仪表盘发泡板，开发出水性 PVC 涂料，防雾性能更好的的农膜，生产出高 强度的PVC地板夹，热变形温度高的超韧性PVC合金等据专家预测，2010年我国PVC需求量将超过10Mt,我国将迎来一个PVC技术和产能高速发展的新时期。