5.1.6. Получение винилхлорида

Винилхлорид (хлористый винил, хлорэтен, монохлорэтилен) CH2=CH-Cl - бесцветный газ с эфирным запахом; т. пл. 114.6 К, т. кип. 259,2 К, хорошо рас-творим в обычных органических растворителях.

Винилхлорид является основным продуктом хлорорганического синтеза, на его получение в различных странах расходуется до 20-35% хлора.

Основным потребителем винилхлорида является производство поливи-нилхлорида, который по объему выпуска занимает второе место после поли-этилена. В начале 1990-х годов ежегодные темпы роста его производства в ми-ре составляли 5%. Общий объем его мирового производства в 2000 г. достиг 25 млн т.

Поливинилхлорид находит применение в различных отраслях промыш-ленности, в том числе в строительстве, электротехнике и электронике, в произ-водствах целлюлозы и бумаги, эластомеров и волокнообразующих полимеров, настилов для пола, одежды, обуви. Самым крупным потребителем поливинил-хлорида является производство труб для газо- и водопроводов, на которое рас-ходуется до 20-55% полимера. Интенсивно увеличивается использование поли-винилхлорида в качестве заменителя дерева. Суммарный объем производства поливинилхлорида в России составляет ~ 550 тыс. т/год, или ~2% мирового промышленного производства.

Исходным углеводородным сырьем для производства винилхлорида яв-ляется этан, этилен или ацетилен.

Существует четыре промышленных способа получения винилхдорида:

1. Сбалансированный двухстадийный метод, включающий стадии прямого

хлорирования этилена

CH2=CH2 + Cl2 CH2Cl—CH2Cl

или его окислительного хлорирования

CH2=CH2 + 2HCl + 0,5O2 CH2Cl—CH2Cl + H2O

до 1,2-дихлорэтана с последующим пиролизом до винилхлорида и хлорида во-дорода

ClCH2—CH2Cl CH2=CHCl + HCl

Образовавшийся хлорид водорода направляется на окислительное хлори-рование этилена.

2. Комбинированный метод на основе этилена и ацетилена, состоящий из

стадий прямого хлорирования этилена до дихлорэтана с последующим его

пиролизом до винилхлорида и хлорида водорода:

CH2=CH2 + Cl2 C2H4Cl2,

C2H4Cl2 CH2=CHCl + HCl.

Образовавшийся хлорид водорода используют для гидрохлорирования аце-

тилена до винилхлорида

CHCH + HCl CH2=CHCl

или суммарно

CH2=CH2 + CHCH + Cl2 2CH2=CHCl

3. Комбинированный метод на основе легкого бензина, включающий ста-дии пиролиза бензина с получением смеси этилена и ацетилена примерно в сте-хиометрическом соотношении с последующим гидрохлорированием смеси до винилхлорида и хлорированием оставшегося этилена до дихлорэтана.

Дихлорэтан затем подвергают пиролизу до винилхлорида с рециклом об-разовавшегося хлорида водорода.

4. Гидрохлорирование ацетилена:

CHCH + HCl CH2=CHCl

Из всех перечисленных методов наиболее широкое распространение в промышленности получил метод синтеза винилхлорида на основе этилена. На-пример, в США в 1989 г. практически весь винилхлорид получают этим мето-дом.

Сбалансированный метод синтеза винилхлорида

на основе этилена

В основе сбалансированного метода лежат три химические реакции:

- прямое хлорирование этилена до дихлорэтана;

- окислительное хлорирование этилена до дихлорэтана;

- пиролиз дихлорэтана до винилхлорида.

Прямое хлорирование этилена. Важнейшую роль в сбалансированном процессе получения винилхлорида играет стадия прямого хлорирования этиле-на. Именно на этой стадии образуется дополнительное количество дихлорэтана, необходимое для подачи на стадию пиролиза. Соотношение количеств продук-тов прямого и окислительного хлорирования обычно близко к 1:1.

Реакция прямого хлорирования этилена, катализируемая кислотами Льюиса, протекает по механизму электрофильного присоединения согласно уравнению:

С2Н4 + С12 С2Н4С12 Н = 188 кДж/моль.

Взаимодействие хлора и этилена происходит в среде кипящего дихлорэ-тана при 363-383 К. Заместительного хлорирования этилена с образованием три- и полихлоридов этана можно избежать путем проведения реакции при 323-343 К. Использование ингибиторов (кислород, хлорид железа) позволяет пони-зить температуру реакции до 313-333 К при практически 100%-ной селективно-сти по дихлорэтану.

Принципиальная технологическая схема процесса прямого хлорирования этилена представлена на рис. 5.1.

Р ис. 5.1. Принципиальная технологическая схема процесса прямого хлорирова-

ния этилена и ректификации дихлорэтана

1, 3, 4 – ректификационные колонны; 2 - реактор; 5 – реактор хлорирова-

ния.

Потоки: I – хлор; II – этилен; III – абгазы; IV – на переработку; V – на сжи-

гание; VI – товарный дихлорэтан; VII – дихлорэтан на промывку; VIII –

легкокипящие продукты на переработку

Окислительное хлорирование этилена. Основной стадией в производ-стве винилхлорида сбалансированным методом является окислительное хлори-рование этилена. Все промышленные процессы оксихлорирования этилена мо-гут быть разделены по двум главным признакам: проведение процесса на не-подвижном или в кипящем слое" катализатора и использование в качестве

"

окислителя чистого кислорода или воздуха. В настоящее время большинство крупных мировых производителей винилхлорида применяют процесс в "кипя-щем слое".

Оксихлорирование этилена проводят в газовой фазе при 600-615 К и дав-лении 150 кПа на стационарном или в "кипящем слое" катализатора. В качестве катализатора используют хлориды меди, калия, натрия и других металлов на носителях, однако промышленный катализатор представляет собой хлорид ме-ди (II), нанесенный на сферический оксид алюминия. Содержание меди в ката-лизаторе составляет 4-6% (масс.). В качестве окислителя используют воздух или кислород. Применение кислорода позволяет в десятки раз снизить объем отходящих газов и дает возможность проводить процесс при более низкой тем-пературе. Кроме того, удлиняется срок службы катализатора и повышается производительность установки. Несмотря на высокую стоимость чистого ки-слорода, в промышленности наблюдается тенденция перевода действующих установок с воздуха на кислород.

Принципиальная технологическая схема процесса оксихлорирования представлена на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Принципиальная технологическая схема процесса получения 1,2-

дихлорэтана (ДХЭ) оксихлорированием этилена

1 - реактор; 2 - закалочная колонна; 3 - холодильник; 4 – нейтрализатор; 5, 6

– ректификационные колонны; 7 – насос; 8 – сборник; 9 - кипятильник.

Потоки: I –хлорид водорода; II – воздух; III – этилен; IV – продукт на аб-

сорбцию; V – сточные воды; VI – вода; VII – NaOH; VIII – легкая фракция;

IX – 1,2-ДХЭ; X – кубовые остатки

В трубчатый реактор 1 подают этилен, хлорид водорода и воздух; при 483-533 К происходит реакция в присутствии катализатора хлорида меди, нане-сенного на оксид алюминия или алюмосиликат. Применяется небольшой избы-ток этилена. В закалочной колонне 2 отделяют HCl, из которого получают ки-слоту. Инертные газы уходят сверху сборника 8, верхний слой которого посту-пает в колонну 2; хлорсодержащий продукт нейтрализуют и промывают в ко-лонне 4, а затем разделяют на легкую фракцию и дихлорэтан в колоннах 5 и 6. Кубовые остатки отводят. В колонне 5 происходит также осушка влажного ди-хлорэтана азеотропной перегонкой.

Пиролиз дихлорэтана. Целевой продукт сбалансированного процесса – винилхлорид - образуется на стадии дегидрохлорирования (пиролиз) дихлорэ-тана.

Пиролиз дихлорэтана проводят при 723-793 К и давлении 2 МПа:

СlCH2—CH2Cl CH2=CHCl + HCl

Степень конверсии дихлорэтана за один проход составляет 50-60% с се-лективностью по винилхлориду 96-99%.

Пиролиз дихлорэтана протекает по радикальноцепному механизму. Реак-ция начинается с разрыва связи С—Сl в молекуле дихлорэтана и образования свободных радикалов, которые далее способствуют развитию цепи – отрыв атома Н радикалом Сl^ от молекулы дхлорэтана и молекулярный распад 1,2-

дихлорэтильного радикала. Реакция обрыва цепи происходит при рекомбина-ции радикалов:



CH2Cl—CH2Cl CH2Cl—CH2 + Сl^



С1^ + CH2Cl—CH2Cl CH2Cl—CHCl + HCl



CH2Cl—CHCl CH2=CHCl + Сl^



С1^ + CH2Cl—CHCl CH2Cl—CHCl2

Основное влияние на скорость пиролиза дихлорэтана оказывает темпера-тура. На рис. 5.3 показана зависимость конверсии дихлорэтана от температуры.

Р ис. 5.3. Зависимость степени конверсии ди-

хлорэтана от температуры процесса.

Значительное влияние на скорость

процесса и состав продуктов могут ока-зывать добавки инициирующего и ингибирующего действия. На стадию пиро-лиза обычно поступает дихлорэтан, содержащий не менее 99,2% основного ве-щества. В качестве примесей, как правило, содержатся хлорэтаны, хлорэтены и бензол. В табл. 5.2. и 5.3 приведены примеры инициирующего и ингибирующе-го действия некоторых веществ.

Таблица 5.2

Инициирующая активность некоторых соединений

при температуре процесса 648 К в проточном реакторе

Количество Степень конверсии

Инициатор

инициатора, % (мас.) дихлорэтана, %

Без инициатора (термический 0 0,8

пиролиз)

Оксид азота 1,0 1,8

Диоксид азота 1,0 3,6

Тетраэтилсвинец 0,1 8,4

Тетраэтилсвинец + хлор 0,1+0,1 8,5

Гексахлорэтан 1,0 12,4

Диоксид азота + хлор 0,5 + 0.5 20,5

Гексахлорэтан 2,5 25,0

Гексахлорэтан + хлор 2,5 + 0,1 32,0

Оксид азота + хлор 0,5 + 0,5 55,9

Хлор 0,5 56,1

1,0 63,7

Хлористый нитрозил 1,0 66,3

Кислород 1,0 67,9

1,5 71,0

Таблица 5.3

Ингибирующая активность некоторых соединений

при температуре процесса 773 К в дифференциальном реакторе

	Количество ингибито-	Конверсия
Ингибитор	ра, % (мас.)	дихлорэтана,	%
Без ингибитора (термический пиролиз) 1,1 -дихлорэтан	0,0 0,1	41,2 21,2

1,2-дихлорпропан	0,1	24,2
Бензол	0,3	27,5
1,2,3-трихлорпропан	0,1	28,0
Бензол	0,1	29,0
Хлористый аллил	0,1	31,0
Бензол	0,5	32,5

Сбалансированный метод получения винилхлорида на основе этилена разработан Ю.А. Трегером (НИИ «Синтез», Россия). Этот способ реализован в промышленном масштабе на ряде предприятий в России и за рубежом.

Одностадийный процесс синтеза винилхлорида из этилена

(процесс фирмы "Стаффер")

Фирма "Стаффер" осуществила одностадийный процесс термохлорирования этилена до винилхлорида при 625-775 К и давлении 0,35-1,4 МПа. В качестве катализаторов термохлорирования этилена использовались железо, щелочные и щелочноземельные металлы и их оксиды, хлорид меди в смеси с асбестом, рас-плавы хлоридов меди и другие композиции. Объединение стадий хлорирования и пиролиза () представляет некоторые трудности, так как

термохлорирование

параметры этих процессов существенно различаются. Разработанный для тер-мохлорирования реактор состоит из трех секций, в одной из которых происхо-дит пиролиз дихлорэтана, поступающего из реактора оксихлорирования, во второй - термохлорирование этилена до винилхлорида и дихлорэтана, а в треть-ей - завершается пиролиз дихлорэтана, непревратившегося в первых двух сек-циях.

Двухстадийный процесс синтеза винилхлорида

из этилена

Одним из недостатков описанной выше технологической схемы получе-ния винилхлорида является ее многостадийность. Значительные трудности свя-заны с процессом термического дегидрохлорирования дихлорэтана вследствие затрат большого количества тепла и образования побочных продуктов: ацети-лена, бутадиена, хлоропрена, а также интенсивного смоло- и коксообразования. Естественным путем снижения энергии активации и, соответственно, темпера-туры процесса является применение катализаторов. Кроме того, в самом сба-лансированном процессе скрыта возможность использования тепла экзотерми-ческой реакции оксихлорирования этилена (238,8 кДж/моль) для осуществле-ния эндотермической реакции дегидрохлорирования дихлорэтана (71,2 кДж/моль). Очевидно, что можно совместить эти процессы в одной реакцион-ной зоне либо сбалансировать их по теплообмену.

Принципиальная технологическая схема совмещенного процесса пред-ставлена на рис. 5.4.

Р ис. 5.4. Принципиальная технологическая схема совмещенного процесса получе-

ния винилхлорида из этилена

1 - реактор; 2 - котел-утилизатор; 3 - закалочная колонна; 4,9 - хо-

лодильники; 5, 10 - сепараторы; 6, 8, 14 - сборники; 7 - смеситель; 11 - скруб-

бер; 12 - абсорбционная колонна.

Потоки: I - этилен; II - хлорид водорода; III - воздух; IV – вода; V – пар; VI

– слив; VII – щелочной раствор; VIII –NaOH; IX – дихлорэтан на отмывку;

X – абгазы; XI – дихлорэтан; XII – смесь дихлорэтана и винилхлорида.

Совмещенный процесс получения винилхлорида протекает в кожухот-рубном реакторе на стационарном слое катализатора. В реактор 1, заполненный катализатором, под давлением 0,4 МПа подают этилен, хлорид водорода и воз-дух, подогретые до 423 К. Реакция протекает при 623 К. Основные показатели процесса приведены ниже.

Селективность по винилхлориду, %…………… 54

Селективность по СО и СО2, %…………………. 5

Степень конверсии, %

этилена ……………………………………76

хлорида водорода ……………………….. 66

кислорода …………………………………91

Процесс получения винилхлорида состоит из двух основных стадий: пря-мого хлорирования этилена и совмещенного процесса окислительного хлори-рования этилена и пиролиза дихлорэтана.

В ходе реакции в реакторе 1 происходит выделение тепла, для снятия ко-торого в межтрубное пространство подается теплоноситель. Регенерация теп-лоносителя осуществляется в котле-утилизаторе 2. Выходящие из реактора ре-акционные газы, содержащие органический продукты (, 1,2-

винилхлорид

дихлорэтан, этилхлорид, дихлорэтилены и др.), оксиды углерода, пары воды, азот и непрореагировавшие этилен, хлорид водорода, кислород при 623 К по-ступают в куб закалочной колонны 3. Температура газов в колонне снижается до 383-393 К.

Охлажденные и нейтрализованные газы из верхней части закалочной ко-лонны 3 поступают в конденсатор 4, в котором происходит частичная конден-сация влаги и дихлорэтана. Конденсат поступает на разделение фаз в аппарат 5, из которого дихлорэтан направляется в сборник дихлорэтана сырца 8, а вода - в смеситель 7 для приготовления раствора щелочи. Газовый поток, содержащий винилхлорид, этилен, не сконденсировавшиеся органические продукты, влагу, инертные газы, поступает в холодильник 9, в котором охлаждается до 278 К, проходит через сепаратор 10 и скруббер 11, где высушивается до содержания влаги 10-20 частей на 1 млн. и далее направляется в абсорбционную колонну 12.

При суммарной степени превращения этилена в винилхлорид, равной 89%, процесс становится конкурентоспособным по отношению к традиционно-му сбалансированному процессу.

Синтез винилхлорида из этана

Современные производства винилхлорида как из этилена, так и из ацети-лена характеризуются высокими выходами и относительные низкими капита-ловложениями. Поэтому дальнейшее усовершенствование процесса должно пойти по пути выбора дешевого и доступного углеводородного сырья. Таким сырьем является этан.

В НИИ "Синтез" под руководством Ю.А. Трегера разработан процесс по-лучения винилхлорида из этана, который включает следующие стадии:

- оксихлорирование этана до винилхлорида и этилена;

- хлорирование этилена до дихлорэтана;

- пиролиз дихлорэтана;

- переработка хлорорганических продуктов с получением три- и перхло-рэтилена.

Все стадии процесса, исключая оксихлорирование этана, аналогичны со-ответствующим стадиям сбалансированного процесса получения винилхлорида из этилена.

Окислительное хлорирование этана - гетерогенно-каталитический про-цесс, включающий ряд последовательно-параллельных реакций.

В зависимости от условий проведения реакции могут образовываться различные хлорпроизводные этана и этилена. Синтез винилхлорида протекает в интервале температуры 723-823 К. При более низких температурах (573-623 К) основными продуктами реакции являются этилхлорид и дихлорэтан, выход ви-нилхлорида невелик.

Процесс окислительного хлорирования этана сопровождается образова-нием этилена и хлорэтиленов в результате сопряжения реакций заместительно-го и аддитивного хлорирования с реакциями дегидрирования и дегидрохлори-рования хлоралканов. Различные пути образования винилхлорида и его даль-нейших превращений можно описать следующей схемой:

C2H6 + HCl + O2

	CO + CO2

	C2H5Cl	C2H4Cl2	C2H3Cl3	и	т.д.
	-HCl	-HCl	-HCl
	С2H4	C2H3Cl	C2H2Cl2	и	т.д.

CO + CO2

Винилхлорид образуется только в результате дегидрохлорирования 1,2-дихлорэтана. В процессе оксихлорирования этана происходит значительное об-разование оксидов углерода за счет окисления углеводородов и хлоруглеводо-родов. Блок-схема получения винилхлорида (ВХ) из этана представлена ниже (схема 5.1)

Оксихлорирование этана осуществляется в кипящем слое катализатора при температуре 820 К и давлении 0,2 МПа. В качестве катализатора использу-ют силикагель, пропитанный хлоридами меди и калия.

Схема 5.1

Этан HCl

газ

ВХ

Оксихлори-Абсорбция хлор-Ректификация

ВХ-сырец

рование органических ВХ

этана продуктов

О2 35% Соляная к-та

ЭтиленHClВХ-сырец

газ

	Жидкофазное	Ректифи-		Пиролиз
Cl	ДХЭ-сырец		ДХЭ-рект.
2	хлорирование	кация		ДХЭ
	этилена	ДХЭ

	Хлорпроизводные С2

Cl2	Перхлорирование	Сжигание	Соляная к-та	Отгон лег-HCl
	кубовых	отходов		ких фракций газ

Соляная к-та

Тетрахлорэтаны ПХЭ

Гидрохлорирование ацетилена

В основе метода получения винилхлорида гидрохлорированием ацетиле-на лежит каталитическая реакция, протекающая с большим выделением тепла:

CHCH + HCl CH2=CHCl Н = 112,9 кДж/моль

Этот способ отличается простотой технологического оформления про-цесса, низкими капиталовложениями, высокой селективностью по винилхлори-ду, однако способ не нашел широкого промышленного применения в связи с высокой стоимостью ацетилена. Карбидный ацетилен может конкурировать с этиленом как сырье для производства винилхлорида, если его стоимость не превышает стоимости этилена более на 40%.

Гидрохлорирование ацетилена проводят обычно в присутствии хлорида ртути, нанесенного в количестве 10-15% на активированный уголь, в стацио-нарном слое катализатора при 425-535 К и давлении 0,2-1,5 МПа. Степень пре-вращения ацетилена составляет 98,5% с селективностью по винилхлориду 98%.

Хотя многие каталитические системы проявляют высокую активность, в настоящее время в промышленности применяется только катализатор на основе HgCl2 (сулема), несмотря на его высокую токсичность. Для повышения удер-живающей способности активированного угля по отношению к хлориду ртути вводятся добавки аминов.

Принципиальная технологическая схема процесса представлена на рис. 5.5.

Р ис. 5.5. Принципиальная технологическая схема получения винилхлорида гид-

рохлорированием ацетилена

1 – фильтр; 2, 3 – смесители; 4 – реактор; 5 – теплообменник; 6 – адсор-

бер; 7 – теплообменник; 8 – компрессор; 9, 10– ректификационные колонны;

11 - колонна щелочной осушки и нейтрализации.

Потоки: I – ацетилен; II – хлорид водорода; III – NaOH; IV – вода; V – ви-

нилхлорид; VI – сточные воды; VII – отходы на сжигание

Ацетилен после компримирования, осушки и очистки проходит через фильтр 1 и под давлением до 70 кПа поступает на смешение с хлоридом водо-рода в аппараты 2 и 3. Полученная смесь газов с температурой до 308 К посту-пает в реактор гидрохлорирования 4. Трубки реактора заполнены катализато-ром - сулема на носителе. Тепло реакции снимается водой или диэтиленглико-лем, циркулирующим в межтрубном пространстве с последующим охлаждени-ем в теплообменнике 5. Выходящий из реактора газ подается в адсорбер 6 для очистки от соединений ртути и после охлаждения в теплообменнике 7 компрес-сором 8 подается на ректификацию в колонны 9 и 10. Винилхлорид поступает затем в колонну щелочной осушки и нейтрализации 11.

В НИИ "Синтез" разработан промышленный процесс гидрохлорирования ацетилена в "кипящем слое" катализатора. Технологическая схема состоит из следующих стадий:

- гидрохлорирование ацетилена;

- очистка и осушка реакционного газа;

- абсорбция винилхлорида из реакционного газа;

-гидрохлорирование абгазного ацетилена;

- ректификация винилхлорида