乙烯氧氯化法生产氯乙烯 化工工艺学课件

乙烯氧氯化法生产氯乙烯 化工工艺学课件 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?，临界温度142?，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-17.8?，与空气容易形成爆炸混合物，其爆炸范围为4,21.7,(体积)。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0.001g,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，—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500ppm。 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: CaC + 2HO ? Ca(OH) + CH 22222 CH + HCl ?CHCHCl 222 50年代前，电石是由焦炭与生石灰在电炉中加热生成: CaO+3C ? CaC + CO 2 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,CH十C1 ? CH C1—CHC1 22222 CH C1—CH C1 ? CH,CHC1十HC1 222 50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 CH=CH + Cl ? CHClCHCl 22222 (2)二氯乙烷裂解 2CHClCHCl ? 2CH=CHCl + 2HCl 222 (3)乙烯氧氯化 CH=CH + 2HCl + O ? CHClCHCl + HO 222222 总反应式 2CH=CH + Cl + O ? 2CH=CHCl + HO 222222 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反应量，使1,2—二氯乙烷裂解所生成的HCl恰好满足乙烯氧氯化所需的HCl。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: CH=CH + Cl ? CHClCHCl ?H , -171.7kJ,mo1 22222 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: CHClCHCl + Cl ? CHClCHCl + HCl 2222 CHClCHCl + Cl ? CHClCHCl + HCl 22222 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:CHClCHCl CH=CHCl + HCl ?H , 79.5kJ,mo1 222 此反应是吸热可逆反应。 副反应: CH=CHCl ?CH?CH + HCl 2 CH=CHCl + HCl ? CHCHCl 232 CHClCHCl ? H + 2HCl + 2C 222 n CH=CHCl 聚氯乙烯 2 (3)乙烯氧氯化部分 主反应:CH=CH + 2HCl + O ? CHClCHCl + HO ?H , -251kJ,mo1 222222 这是一个强放热反应。 副反应: CH=CH + 2O ? 2CO + 2HO 2222 CH=CH + 3O ? 2CO + 2HO 22222 CH=CHCl + HCl ? CHCHCl 232 CHClCHCl CH=CHCl CHClCHCl 22222 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FeCl。加入FeCl的主要作用是抑制取代反应，促进33 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γ—A1O为载体23的CuCl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2 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?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l,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 -4速深度裂解副反应，故原料中含铁量要求不大于10。水对反应虽无抑制作用，但为了防止 -6对炉管的腐蚀，水分含量控制在5×10以下。 (2)反应温度 二氯乙烷裂解是吸热反应，提高反应温度对反应有利。温度在450?时，裂解反应速度很慢，转化率很低，当温度升高到500?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600?，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500,550?。 (3)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(1MPa)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，CO和CO的生成量增多，2 副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 ?。 (2)反应压力 常压或加压反应皆可，一般在0.1,1MPa。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，CH:HC1:O,1:2:0.5(摩尔)。在正常操作情况下，242 CH稍有过量，O过量50,左右，以使HC1转化完全。实际原料配比为C H:HC1:O,2422421.05:2:0.75,0.85(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。CH稍过量，可保证HC1完全转化，但过量太多，尾气中CO和CO的含量242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C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、4 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—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FeCl。早期开发的乙烯直接氯化流程，大多采3 用低温工艺，反应温度控制在53?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FeCl 的补充是通过将FeCl溶解在循环液内，从氯化塔的上部加入，氯化液中334FeCl的浓度维持在2.5×l0左右。3 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FeCl和HCl，3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?，当反应压力为0.2,0.3MPa时，操作温度可控制在120 ?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)。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。 A-U型循环管;B-分离器;1-反应器;2-精馏塔 图6-16高温氯化法制取二氯乙烷的工艺流程 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,。 2(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?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。 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 图6-17二氯乙烷裂解制取氯乙烯的工艺流程 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。 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 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 来自二氯乙烷裂解装置的氯化氢预热至170?左右，与H一起进入加氢反应器(1)，在载于2 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—19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CO、CO和其它少量的氯代衍生物，以及末转化的乙烯、2 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?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。 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 图6-19二氯乙烷分离和精制部分工艺流程图 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,CH的HCl出口;2,空气入口;3,板式分布器;4,管式分布器;5,催化24 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。