Технология получения винилхлорида

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

по дисциплине «Основы технологии производства органических веществ»

на тему: «Технология получения винилхлорида из этилена сбалансированным по хлору способом»



ВВЕДЕНИЕ

Важнейшей областью химической технологии органических веществ является промышленное производство хлорорганических соединений и продуктов. Среди них ведущее место принадлежит винилхлориду, как уникальному в промышленности продукту. На его выработку в развитых странах расходуют до 35% производимого молекулярного хлора и до 90% 1,2-дихлорэтана.

Стабильное повышение роста производства винилхлорида определяется широким применением полимеров и сополимеров на его основе, обладающих при относительно низкой стоимости ценными потребительскими свойствами - химической стойкостью, устойчивостью к атмосферным воздействиям, негорючестью. Широкое распространение изделий из винилхлорида и его сополимеров стимулирует непрекращающееся совершенствование технологий и увеличение мощностей его производства. винилхлорид ацетилен этан

В связи с этим, актуальной задачей производства винилхлорида становится улучшение его качественных и количественных показателей. Реализацию этой задачи возможно осуществить, модернизируя отдельные стадии производства винилхлорида, используя наиболее экономически и экологически усовершенствованные технологии.

Целью курсовой работы является рассмотрение технологии получения винилхлорида из этилена сбалансированным по хлору способом.

При написании курсовой работы были поставлены следующие задачи:

- изучить основные характеристики винилхлорида;

- рассмотреть промышленное производство, технологические аспекты;

- проанализировать побочные продукты и методы их утилизации;

- изучить технологию получения винилхлорида из этилена сбалансированным по хлору способом,

- рассмотреть теоретические основы процесса, технологическое оформление, принципы в технологии получения;

Потребность винилхлорида, как вещества, обуславливается созданием процессов которые учитывают как экономические, так и экологические аспекты. Выбор метода производства этого вещества является важной задачей.

Основные источники информации, используемые для решения поставленной цели: статьи в специальных изданиях, материалы информационных сайтов, научные труды отечественных и зарубежных авторов в области технологии производства органических веществ, методические пособия, рекомендации и инструкции.



1. ОСНОВНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВИНИЛХЛОРИДА

1.1 Применение

Промышленное производство винилхлорида входит в первую десятку производства крупнейших многотонажных продуктов основного органического синтеза; при этом почти весь производимый объём используется для дальнейшего синтеза полихлорвинила (ПВХ), мономером которого и является винилхлорид.

Из поливинилхлорида готовят листовые материалы и трубы (винипласт), пленки, заменители кожи, «перхлорвиниловую» смолу и т.д. Из сополимеров хлористого винила с винилиденхлоридом СН₂=ССl₂ и акрилонитрилом СН₂=СНСN вырабатывают синтетические волокна (саран, виньон). Он служит также промежуточным продуктом для синтеза 1,1,2-трихлорэтана, винилиденхлорида, метилхлороформа[1]

1.2 Физические свойства

Винилхлорид (хлористый винил, хлорэтен, монохлорэтилен) при нормальных условиях представляет собой бесцветный газ со слабым сладковатым запахом, напоминающим запах хлороформа.

Порог ощущения запаха в воздухе составляет приблизительно 3000 частей на миллион. Малорастворим в воде (около 0,95% масс. при 15--85 °С), легко растворим в спирте, хлороформе и дихлорэтане, растворим в диэтиловом эфире. Винилхлорид обладает крайне высокой канцерогенной активностью.[2]



1.3 Химические свойства

Винилхлорид -- достаточно активное химическое соединение, чьи химические свойства определяются как наличием двойной связи, так и атома хлора. Наибольший интерес представляет собой реакция полимеризации винилхлорида, имеющая огромное практическое значение.[3]

1.3.1 Реакции присоединения по двойной связи

Хлористый винил достаточно легко реагирует с хлором как в жидкой, так и газовой фазе, образуя 1,1,2-трихлорэтан:

Винилхлорид присоединяет галогенводороды по двойной связи в соответствии с правилом Марковникова только в присутствии катализаторов (хлорид железа (III), хлорид цинка и др.) при повышенной температуре, образуя 1,1-дигалогеналканы:

Йодистый водород присоединяется к винихлориду в присутствии каталитического количества йода с образованием 1-хлор-1-иодэтана:

С водным раствором хлора винилхлорид реагирует, образуя хлорацетальдегид:



Вступает в реакцию Фриделя-Крафтса с бензолом в присутствии хлорида алюминия, образуя 1,1-дифенилэтан: [4]

1.3.2 Реакции замещения по атому хлора

Традиционные реакции замещения, типичные для многих галогенуглеводородов, для винилхлорида не доступны. Обычно, под действием оснований, особенно при нагревании, вместо замещения протекают реакции полимеризации или элиминирования. Тем не менее, в присутствии солей палладия можно осуществить нуклеофильное замещение по атому хлора: таким образом удаётся получить винилалкоголяты, а также простые и сложные виниловые эфиры:

Реакцию замещения с алкоголятом натрия можно провести и без катализатора в достаточно жёстких условия: при длительном нагревании в закрытом автоклаве при температуре около 100 °С:



В обычных условиях винилхлорид не образует реактивы Гриньяра, однако в среде тетрагидрофурана удалось получить винилмагнийгалогениды (Реактивы Нормана):

В дальнейшем, винилмагнийхлорид можно использовать для синтеза широкого спектра винилпроизводных, например:

1.3.3 Реакция полимеризации

В отсутствии кислорода и света при обычных условиях чистый винилхлорид может существовать достаточно долго, не претерпевая каких-либо изменений; однако появление свободных радикалов, вызываемое как фотохимически, так и термохимически, приводит к его быстрой полимеризации.



2. ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО: ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

На 2010 год существуют четыре основных способа получения винилхлорида, реализованные в промышленных масштабах. Винилхлорид можно получить различными способами:[5]

1. гидрохлорированием ацетилена в газовой или жидкой фазах в присутствии катализатора.

2. дегидрохлорированием 1,2-дихлорэтана (в жидкой фазе) гидроксидом натрия в водной или спиртовой среде:

СН₂С1 - СН₂С1 + NaOH?> СН₂ = CHCl + NaCl + Н₂0 (2.3.2.)

3. термическим дегидрохлорированием 1,2-дихлорэтана в паровой фазе в присутствии катализаторов, инициаторов или без них:

СН₂C1 = CH₂С1 > CH₂=CHCl+HCl (2.3.3.)

4. хлорированием этилена в газовой фазе в объеме, либо в присутствии катализатора, например оксида алюминия:

CH₂=CH₂+Cl₂>CH₂=CHCl+HCl (2.3.4.)

КАК соотносятся перечисленные реакции с разд 2.1, 2.2, 2.3,2.4.

Рассмотрим несколько наиболее распространенных промышленных способов производства винилхлорида из ацетилена и этилена.

Сырьем для получения винилхлорида являются этилен и хлор

Этилемн (по ИЮПАК: этен) -- органическое химическое соединение, описываемое формулой С₂H₄. Является простейшим алкеном (олефином). При нормальных условиях -- бесцветный горючий газ со слабым запахом. Частично растворим в воде (25,6 мл в 100 мл воды при 0°C), этаноле (359 мл в тех же условиях). Хорошо растворяется в диэтиловом эфире и углеводородах. Содержит двойную связь и поэтому относится к ненасыщенным или непредельным углеводородам. Играет чрезвычайно важную роль в промышленности, а также является фитогормоном. Этилен -- самое производимое органическое соединение в мире; общее мировое производство этилена в 2008 году составило 113 миллионов тонн и продолжает расти на 2--3 % в год. Этилен обладает наркотическим действием.

Хлор- желто-зеленый газ с резким удушающим запахом; t_пл. -100,98°С, t_кип. -33,97 °С. Один из наиболее химически активных элементов, он непосредственно взаимодействует со всеми металлами и большинством неметаллов (образуя хлориды), лишь реакция хлора с О₂, N₂ требует специальных методов активации - УФ облучения или электроразряда, в остальных случаях достаточно простого нагревания. Практически весь производимый в мире хлор получают электрохимическим методом -электролизом водного раствора NaCl или, гораздо реже, КСl. Другие продукты электролиза - щелочь (1,13 т NaOH на 1 т С1₂) и Н₂.

2.1 Получение винилхлорида из ацетилена

Метод каталитического гидрохлорирования ацетилена, в котором ацетилен получался реакцией карбида кальция с водой, был первым коммерческим процессом получения винилхлорида.

Краткое описание технологии производства:

Произведенный, очищенный и осушенный ацетилен (содержание влаги не более 1,5 г/м³) смешивают с очищенным и высушенным хлороводородом в соотношении примерно 1,0:1,1. Эта смесь газов подаётся в верхнюю часть трубчатого реактора, трубы которого заполнены катализатором, представляющим собой активированный уголь, пропитанный двухлористой ртутью HgCl₂ (10--15 %). Реактор изготавливается из углеродистой стали; высота труб составляет 3--6 метров, диаметр: 50--80 м. Температура в области реакции: 150--180 °C. После реактора реакционные газы подаются в специальную колонну, орошаемую соляной кислотой для извлечения двухлористой ртути. После первой абсорбционной колонны реакционные газы подаются в следующую, где орошаются водой и раствором щелочи для отделения хлороводорода, ацетальдегида и углекислого газа. После этого газы охлаждаются в конденсаторе для удаления воды и подаются на ректификацию для удаления высококипящих примесей. Полученный винилхлорид на последней стадии пропускается через колонну, заполненную твердым едким натром для полного обезвоживания и нейтрализации.[5]

По состоянию на 1987 год, доля метода каталитического газофазного гидрохлорирования ацетилена в производственных мощностях по выпуску винилхлорида в США составляла 32,3 % (405,6 тыс. тонн). В 2001 году американская химическая корпорация Borden остановила своё последнее производство на основе ацетилена в Луизиане, США. Помимо экономических соображений, метод каталитического гидрохлорирования ацетилена является экологически небезопасным, так как используемая в производстве ртуть, несмотря на рециркуляцию, неизбежно с газообразными отходами и сточными водами попадает в окружающую среду. В 2002 году в России такие выбросы составили около 31 кг. Метод каталитического гидрохлорирования ацетилена в настоящий момент достаточно широко распространён только в Китае из-за богатых запасов угля, наличия дешёвой гидроэлектроэнергии, а также дефицита природного газа, являющегося главным сырьём для производства этилена. C 2003 по 2008 год метод вновь вызвал к себе интерес из-за значительного роста мировых цен на нефть и газ, однако экономический кризис 2008 года вновь сделал метод прямого окислительного хлорирования этилена наиболее привлекательным с экономической точки зрения.



2.2 Комбинированный процесс получения винилхлорида из ацетилена и этилена

Экономические показатели процесса можно улучшить и за счет комбинирования двух других способов производства винилхлорида: из этилена и ацетилена, когда НС1, выделяющийся при пиролизе 1,2-дихлорэтана, используется для гидрохлорирования ацетилена.

В этом процессе 50 % ацетилена заменяется на этилен, а хлорид водорода квалифицированно применяется в этом же процессе, следовательно, полностью используется хлор. Комбинированный процесс позволяет снизить себестоимость винилхлорида на 6--7 % по сравнению с ацетиленовым процессом.

Как известно, ацетилен и этилен получаются одновременно, например в процессе Мектрокрекинга. Вместе с тем, винилхлорид может быть получен как из этилена, так и из ацетилена. В связи с этим была предложена технология получения винилхлорида в комбинированном процессе. При этом предусматривается, что на первом этапе получается 1,2-дихлорэтан прямым хлорированием этилена и гидрохлорированием ацетилена с использованием НС1, выделяющегося при хлорировании этилена. На втором этапе осуществляется дегидрохлорирование 1,2-дихлорэтана с получением винилхлорида. Получение 1,2-дихлорэтана хлорированием этилена; процесс гидрохлорирования ацетилена с получением винилхлорида и процесс дегидрохлорирования 1,2-дихлорэтана были рассмотрены ранее. Следовательно, нет необходимости рассматривать полную технологическую схему, так как она состоит из трех указанных подсистем, стадий очистки и ректификации.[6]

Комбинированный метод на основе этилена и ацетилена заключается в совмещении реакции хлорирования этилена и последующей деструкции дихлорэтана с реакцией гидрохлорирования ацетилена и использованием для последней хлороводорода со стадии термического разложения. Метод позволил заменить половину ацетилена на более дешёвый этилен, а также утилизировать хлороводород, тем самым довести почти до 100 % полезное использование хлора.

2.3 Метод окислительного хлорирования этана

Идея использовать этан для синтеза винилхлорида была реализована в 1965--1967 годах на опытном производстве компаний The Lummus Co. и Armstrong Cork Co.. Технология прямого оксихлорирования в присутствии хлорида меди (I) получила название Transcat Process. Процесс проходил при 450--550 °C и давлении 1 МПа; степень конверсии этана достигала 65--70 %. Метод впоследствии был оптимизирован компанией ICI, которая снизила температурный диапазон проведения синтеза и предложила другой катализатор. В мае 1998 года компания EVC International NV (Нидерланды) запустила опытный проект мощностью 1000 тонн в год на заводе в Вильгельмсхафене (Германия) с целью опробирования и последующего продвижения на рынке запатентованного процесса окислительного хлорирования этана, или Ethane-to-VCM-Process. Предполагалось, что этот проект будет технологическим прорывом и станет началом работы над полномасштабным заводом, который, как ожидалось, будет запущен в 2003 году. По данным производителя, температура процесса составляет менее 500 °C, степень конверсии сырья -- 100 % по хлору, 99 % по кислороду и более чем 90 % по этану; выход винилхлорида превышает 90 %. В сентябре 1999 года EVC подписала с компанией Bechtel Group, Inc. (США) соглашение о постройке полноценного производства в Вильгельмсхафене, однако из-за финансовых проблем проект не был осуществлён. После поглощения в 2001 году корпорацией INEOS компании EVC дальнейшая судьба проекта Ethane-to-VCM-Process не известна.[7]



2.4 Сбалансированный по хлору метод на основе этилена

2.4.1 Общее описание метода

В настоящее время самым современным и наиболее эффективным с экономической точки зрения является сбалансированный процесс окислительного хлорирования этилена. В 2006 году более 95 % винилхлорида было произведено этим методом.

В основанном на этилене процессе, винилхлорид получается пиролизом дихлорэтана, который в свою очередь синтезируется каталитической реакцией хлора с этиленом. Хлороводород, получаемый в результате дегидрохлорирования дихлорэтана, вступает в реакцию с кислородом и этиленом в присутствии медного катализатора, образуя дихлорэтан и тем самым, уменьшая расход элементарного хлора, используемого для прямого хлорирования этилена. Этот процесс известен как оксихлорирование. Для получения товарного продукта, винилхлорид очищают дистилляцией, а побочные хлорорганические продукты либо выделяют для получения растворителей, либо подвергают термодеструкции для вовлечения хлороводорода обратно в процесс.

Метод сбалансированный по хлору на основе этилена является самой современной, распространённой и экономически наиболее эффективной технологией производства. Технология базируется на использовании дешевого и доступного этилена и хлора. Однако остальные способы, хоть и являются устаревшими, до сих пор существуют на многих предприятиях, ориентированных (по разным причинам) на использование дорогостоящего ацетилена.

Среди рассмотренных методов более подробно рассматривается производство винилхлорида из этилена сбалансированным по хлору способом.



2.5 Побочные продукты и методы их утилизации

Кубовые остатки после ректификации 1,2-дихлорэтана и винилхлорида представляют собой в основном смесь полихлоридов этана и этилена и смолистые вещества. На 1т винилхлорида в процессе гидрохлорирования ацетилена получается 20 кг побочных продуктов, в комбинированном процессе из ацетилена и этилена- 80кг, в сбалансированном процессе 50-110кг.

Побочные продукты после осветления можно использовать частично для переработки в три- и перхлорэтилен, частично в четыреххлористый углерод. Вторичные кубовые остатки(10-20 %) сжигаются, при этом получается хлористый водород, который можно использовать для оксихлорирования этилена или гидрохлорирования ацетилена.[8]



3. ПРОИЗВОДСТВО ВИНИЛХЛОРИДА ИЗ ЭТИЛЕНА СБАЛАНСИРОВАННЫМ ПО ХЛОРУ СПОСОБОМ

Процесс получения винилхлорида сбалансированным методом из этилена состоит из шести стадий:

1. синтез 1,2-дихлорэтана прямым жидкофазным хлорированием этилена,

2. синтез 1,2-дихлорэтана окислительным каталитическим хлорированием этилена,

3. промывка, осушка, ректификация 1,2-дихлорэтана,

4. термическое обьемное дегидрохлорирование 1,2-дихлорэтана,

5. разделение продуктов дегидрохлорирования 1,2-дихлорэтана,

6. ректификация винилхлорида.

3.1 Теоретические основы процесса

Сбалансированный по хлору способ получения винилхлорида из этилена базируется на трех основных реакциях.

Следовательно, он является комбинацией трех процессов: прямого аддитивного хлорирования этилена в 1,2 -дихлорэтан, термического дегидрохлорирования 1,2- дихлорэтана в винилхлорид и окислительного хлорирования этилена в 1,2 -дихлорэтан с помощью хлороводорода, образовавшегося при дегидрохлориировании.[9]

Оксихлорирование протекает с выделением значительного количества тепла, тогда как пиролиз протекает с поглощением значительного количества тепла, а HCl, получаемый при пиролизе, используется в процессе оксихлорирования. Следовательно, необходимо подобрать условия для проведения этих реакций в одном аппарате, что позволит приблизить процесс к адиабатическому и обеспечит протекание процесса пиролиза, т.е. реализовать совмещенно- комбинированный процесс получения 1,2-дихлорэтана и винилхлорида. Этот процесс требует больших затрат энергии. К тому же он имеет низкую селективность. Зависимость изменения энергии Гиббса этой реакции дегидрохлорирования представлена на рис.1 как видно из рис. 1, изменение знака энергии происходит для этой реакции при =500 К, а выше этой температуры преимущественно протекает отщепление НС1. Реакция 2 протекает медленно по молекулярному механизму.

Интерес к термическому дегидрохлорированию был вызван возможностью замены прежнего метода отщепления НС1 под действием щелочи. Этот способ используется также для получения винилиденхлорида и других продуктов. Но в этом процессе образуется много сточных вод (щелочных), а также отходов соли (он требует большого расхода щелочи).

Термическое дегидрохлорирование позволило устранить эти недостатки: реакция протекает при температуре 500°С только под воздействием температуры или в присутствии небольшого количества хлора (в качестве инициатора) и гетерогенных контактов. Поскольку процесс эндотермический, его, как правило, осуществляют в трубчатых реакторах, обогреваемых топочными газами. Такой способ производства винилхлорида оказался более экономичным (на 30 %) по сравнению с щелочным дегидрохлорированием 1,2-дихлорэтана и на 14 % -- по сравнению с гидрохлорированием ацетилена.

В этом совмещенном процессе из этилена, хлора и кислорода получается винилхлорид в отсутствие НС1. При этом и себестоимость получаемого мономера снижается на 25--30 % по сравнению с методом, основанным на гидрохлорировании ацетилена.

В этом совмещенном процессе из этилена, хлора и кислорода получается винилхлорид в присутствии HCl. При этом и себестоимость получаемого мономера снижается на 25-30% по сравнению с методом, основанным на гидрохлорировании ацетилена.



3.2 Технологическое оформление процесса получения винилхлорида сбалансированным по хлору методом

Технологическое оформление процесса получения винилхлорида сбалансированным по хлору методом

Первой стадией этого комбинированного процесса является прямое хлорирование этилена до 1,2-дихлорэтана, которая осуществляется в колонном аппарате 1. Хлор и этилен подаются в нижнюю часть хлоратора через соответствующие барботеры.

Хлоратор до определенного уровня заполняют катализаторным раствором(FeCl₃ в 1,2-дихлорэтане). Теплота реакции в нем отводится за счет испарения 1,2-дихлорэтана. Пары 1,2-дихлорэтана конденсируются в холодильнике-конденсаторе 2 и конденсат собирается в сборнике 3. Далее часть конденсата в виде рецикла возвращается в хлоратор 1 для отвода тепла и поддержания определенного уровня. В данном случае наблюдается типичный жидкофазный процесс, в котором теплота реакции отводится за счет испарения продукта. Но это тепло не используется. Более того, образуется большое количество нагретой воды. Следовательно, необходимо вводить систему использования теплоты реакции. Остальная часть конденсата направляется на ректификацию в колонну 16. Кроме того, в сборнике 3 отделяются растворенные газы, которые во избежание потерь 1,2-дихлорэтана дополнительно охлаждают рассолом в холодильнике 2, а затем очищают и выводят из системы.

Процесс оксихлорирования осуществляется в реакторе 5 под давлением 0,5 МПа и при температуре 200--280°С. Катализатор в нем находится в псевдоожиженном слое. Чистый этилен, рециркулирующий газ, воздух и хлорид водорода смешиваются предварительно в смесителе 4. Способ смешения и соотношение компонентов должны быть таковыми, чтобы не образовывались взрывоопасные смеси.

В реакторе 5 тепло отводится за счет встроенного змеевика, в котором испаряется водный конденсат. В результате образуется технический пар, который используется в этом же производстве, например при ректификации.

Полученная реакционная парогазовая смесь, содержащая непрореагировавшие этилен, кислород, хлорид водорода, 1,2-дихлорэтан и инертные газы, поступает в нижнюю часть холодильника- смешения 7. Последний орошается водной смесью 1,2-дихлорэтана, циркулирующей через теплообменник 8 насосом 9. Часть раствора хлороводородной кислоты непрерывно отводится из системы. Естественно, эта кислота загрязнена 1,2-дихлорэтаном и поэтому может быть использована при его производстве или должна быть очищена от него для последующего использования.

Охлажденную парогазовую смесь направляют в скруббер 10 для нейтрализации оставшегося НС1. Скруббер орошается раствором NaOH, который подается насосом 9. Часть щелочного раствора непрерывно выводится из системы (этот раствор содержит щелочь, соль и растворенный 1,2-дихлорэтан). Поэтому необходимо разработать способы очистки и утилизации всех продуктов из этого раствора.

В скруббере 10 парогазовая смесь очищается от НС1 и С0₂ и окончательно охлаждается в холодильнике-конденсаторе 2. Конденсат отделяется от газов в сепараторе 11 поступает во флорентийский сосуд 12, в котором более тяжелый 1,2-дихлорэтан отделяется от воды. Эта вода используется для разбавления щелочи.

Циркулирующий газ (смесь этилена, кислорода и инертных веществ) компрессором 13 возвращается в смеситель 4. Чтобы избежать накопления инертов в системе, часть газа выводится из системы для очистки от унесенного 1,2-дихлорэтана. Так как 1,2-дихлорэтан, выходящий из флорентийского сосуда 12, содержит воду (по растворимости), то он направляется в колонну 14 для гетеро- азеотропной осушки. Верхний водный слой флорентийского сосуда также может быть использован для приготовления щелочи или должен быть очищен от 1,2-дихлорэтана гетероазеотропной ректификацией. При этом 1,2-дихлорэтан будет отделен от воды в виде гетероазеотропа.

Таким образом, в ректификационную колонну 16 направляют 1,2-дихлорэтан, полученный как хлорированием, так и оксихлорированием этилена. В этой колонне 1,2-дихлорэтан отделяется от высших хлоридов, которые могут применяться в качестве растворителя. Очищенный же 1,2-дихлорэтан может использоваться в качестве полупродукта при производстве винилхлорида. В этом случае он собирается в емкости 17, а из нее компрессором 13 направляется в печь 18, в которой при давлении 1,5--2,0 МПа и температуре 500 °С он пиролизуется до винилхлорида и НС1.[7]

После пиролиза реакционная парогазовая смесь проходит холодильник-смешения 19. Этот холодильник орошается захоложенным в холодильнике 8 1,2-дихлорэтаном. Парогазовая смесь далее охлаждается в холодильнике-конденсаторе 2 и направляется в ректификационную колонну 20. Эта колонна, работающая под давлением, предназначена для отделения НС1. При этом давлении НС1 конденсируется и может возвращаться в виде флегмы, а несконденсированные газы после сепаратора (главным образом НС1) воз вращаются в смеситель 4 для проведения оксихлорирования. Кубовый продукт колонны 20 (главным образом винилхлорид и 1,2-дихлорэтан) направляется в ректификационную колонну 21 через дроссельный вентиль 6. В этой колонне в качестве дистиллята выделяется мономерный винилхлорид (99,9 %-ной чистоты). Кубовый продукт, главным образом 1,2-дихлорэтан, возвращается в колонну 16.

3.3 Принципы в технологии получения винилхлорида сбалансированным по хлору методом

Технология получения винилхлорида сбалансированным по хлору методом (комбинация хлорирования и оксихлорирования этилена с термическим дегидрохлорированием 1,2-дихлорэтана) выступает одним из наиболее интересных примеров реализации принципов создания технологий 00 и НХС. Технология является непрерывной. По химической составляющей ее, несмотря на наличие трех отдельных реакторных подсистем, можно отнести к двух- стадийной. Это вызвано тем, что каждая из цепей химических превращений, ведущих к винилхлориду, состоит из двух стадий: оксихлорирование + термический пиролиз и хлорирование + термический пиролиз.

Эти два параллельных процесса связаны, во-первых, рециркуляционным потоком по хлороводороду, что позволяет почти полностью его утилизировать, а во-вторых, общей стадией термического пиролиза, использующей как дихлорэтан оксихлорирования, так и дихлорэтан хлорирования этилена. Суммарные потери хлора составляют всего 11--12 кг, а этилена 23--36 кг на тонну товарного винилхлорида. Большая доля потерь этилена связана с процессом его полного окисления на стадии оксихлорирования (около 19 кг на тонну винилхлорида), а хлора на стадии очистки сточных вод и оксихлорирования (4--6 и 3,4--3,7 кг на тонну винилхлорида соответственно). Таким образом, комбинирование двух процессов в одной технологии позволяет с использованием рециркуляции по образующемуся хлороводороду свести потери сырья к минимуму и одновременно обеспечить эффективную защиту окружающей среды от хлора и хлороводорода. В данном случае реализуется принцип организации рециркуляционных потоков по компонентам. Другой иллюстрацией данного принципа служит рецикл по 1,2-дихлорэтану, охватывающий аппараты 16-21 технологической схемы. Этот поток обеспечивает полную конверсию 1,2-дихлорэтана на стадии термического пиролиза и используется из-за того, что конверсия за один проход на этой стадии не превышает 48--50 %.

Технология базируется на использовании дешевого и доступного этилена и хлора. Обладает высокой эффективностью в целом, хотя отдельные ее составляющие различаются по этому показателю. Например, хлорирование этилена обладает более высокой селективностью по сравнению с оксихлорированием и тем более с термическим пиролизом. Стадии оксихлорирования и хлорирования имеют высокие конверсии за один проход. Рециркуляция части реакционных газов на стадии оксихлорирования связана в основном с необходимостью обеспечения газодинамического и концентрационного режимов аппарата с кипящим слоем. Более того, в настоящее время доказано, что введение в исходные реагенты продуктов полного окисления дает возможность повысить селективность оксихлорирования.

Эффективное использование тепла (принципы разработки процессов с низким энергопотреблением полноты использования энергии системы) в данной технологии достигается не только за счет ее утилизации в подсистеме ректификационного разделения, но и за счет обеспечения теплообмена между экзотермичными (хлорирование, оксихлорирование) и эндотермичными (пиролиз) стадиями процесса.

Принцип полноты выделения продуктов из реакционной смеси используется достаточно полно, поскольку как целевой продукт, так и 1,2-дихлорэтан, направляемый на пиролиз, должны иметь высокую чистоту.

В рассматриваемой технологии используется принцип минимального расходования воды, так как в ней практически отсутствуют промывные скрубберы, а хлороводород выделяют в ректификационной колонне при повышенном давлении. Использование для хлорирования этилена совмещенного процесса позволяет по сравнению с традиционными реакторами наиболее интенсивно применять низкопотенциальное тепло хлорирования для предварительного фракционирования продуктов реакции (снижение энергозатрат на выделение 1,2-дихлорэтана на 50-70 %). Кроме того, снижается почти в три раза выход высококипящих полихлоридов.

Важной составляющей технологии является реализация принципа полноты использования газовых потоков и очистки газовых выбросов. Это связано с высокой токсичностью хлора и его соединений. В первую очередь технология обеспечивает утилизацию хлороводорода за счет реакции оксихлорирования этилена. Реакционные аппараты снабжены не только водяными, но и рассольными конденсаторами, которые дают возможность снизить выбросы хлорорганических продуктов в атмосферу за счет более высокой степени их конденсации при пониженных температурах. Выделение хлороводорода из реакционной массы пиролиза проводится ректификацией, что дает возможность непосредственно организовать его рецикл на стадию оксихлорирования, избежать процессов абсорбции его водой и, соответственно, кислотных и солевых стоков. Наконец, технология позволяет создавать линии большой единичной мощности. Реакционные подсистемы оксихлорирования и пиролиза и используемые в них реакционные аппараты дают возможность их проектирования на любую требуемую производительность. Реализация этого принципа для стадии хлорирования может быть осуществлена за счет применения параллельно работающих жидкофазных хлораторов, так чтобы вся технологическая цепочка представляла собой линию большой единичной мощности.[8]



4. МИРОВОЕ ПРОИЗВОДСТВО ВИНИЛХЛОРИДА

Винилхлорид является одним из крупнейших по объему органических полупродуктов мирового химического производства, уступая лишь этилену (113 млн. тонн в 2008 году), пропилену (73 млн. тонн в 2008 году), этанолу (52 млн. тонн в 2008 году), бензолу (41 млн. тонн в 2008 году), метанолу (40 млн. тонн в 2008 году), терефталевой кислоте (39 млн. тонн в 2008 году). Производство винилхлорида является третьим после полиэтилена и окиси этилена по значимости направлением использования этилена как важнейшего химического сырья и составляет 11,9 % его мирового потребления (по данным на 2008 год). Мировое производство винилхлорида в 2008 году составило около 36,7 млн. тонн (99 % по отношению к 2007 году), что составляет 85 % всех мировых производственных мощностей (в 2007 году -- 90 %). По прогнозным данным компании SRI Consulting, текущее сокращение потребления прекратится и в ближайшие пять лет (до 2013 года) будет наблюдаться рост потребления в размере 3,4 % в год и 2,5 % в последующие пять лет (с 2013 по 2018 гг.)

Крупнейшим потребителем винилхлорида в мире является Китай: около 30% всего мирового производства; на втором месте США и Канада, приблизительно с 20 % (по состоянию на 2008 год) Крупнейшим производителем винилхлорида в мире (по объёму производственных мощностей) являются США: 8,24 млн тонн по данным на 2003 год (для сравнения -- в 1967 году мощности составляли 1,26 млн тонн, а в 1960 году всего 0,67 млн. тонн) [10]

Вклад России в мировое производство винилхлорида довольно скромный: около 1,5 % от годового глобального выпуска и место во второй двадцатке стран-производителей (по состоянию на 2008 год). При этом технологическое оснащение серьёзно отстаёт от мирового: почти 30 % мощностей используют устаревшую ацетиленовую технологию. Производство винилхлорида в России практически полностью (более 99 % всего объёма) ориентировано на выпуск поливинилхлорида, являясь при этом одним из крупнейших направлений потребления хлора в российской химической промышленности (18 % по данным на 2004 год). В 2010--2013 годах компанией ООО «РусВинил» планируется ввод в эксплуатацию комплекса по производству ПВХ (включая и производство винилхлорида) в Кстовском районе Нижегородской области мощностью 330 тыс. тонн в год. Учредителями совместного предприятия являются компания «Сибур» и бельгийская компания SolVin -- совместная дочерняя компания международной химико-фармацевтической группы Solvay и немецкого концерна BASF.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе изучения были проанализированы и систематизированы имеющиеся литературные данные, относящиеся к производству винилхлорида; изучены основные характеристики винилхлорида; рассмотрены промышленное производство, технологические аспекты; изучена технология получения винилхлорида из этилена сбалансированным по хлору способом, теоретические основы процесса, технологическое оформление, принципы в технологии получения винилхлорида.

Так, рассмотренный метод синтеза винилхлорида гидрохлорированием ацетилена в настоящее время мало перспективен, хотя существующие установ-ки еще эксплуатируются. Причиной этого является применение дорого-стоящего ацетилена, что при получении винилхлорида дополняется высокой токсичностью сулемы, а при синтезе хлоропрена - низким выходом продукта.

Комбинированный процесс на основе ацетилена и этилена позволяет снизить себестоимость винилхлорида на 6--7 % по сравнению с ацетиленовым процессом. Метод позволил заменить половину ацетилена на более дешёвый этилен, а также утилизировать хлороводород, тем самым довести почти до 100 % полезное использование хлора.

В последнее время все описанные методы синтеза хлористого винила вытесняются другим комбинированным способом, сбалансированном по хлору, при котором полностью исключается применение ацетилена и добавляется стадия аддитивного оксихлорирования этилена. С учетом роста потребности в поливинилхлориде в России чрезвычайно актуальным является создание производств винилхлорида большой мощности по сбалансированной схеме на основе относительно дешевого этан-этиленового сырья.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Потехин В.М., Потехин В.В. Основы теории химических процессов технологии органических веществ и нефтепереработки: учебник для вузов/В.М. Потехин.-2-е изд., испр. и доп.- М.: Химиздат, 2007.- 944 с.

2. Органическая химия перевод с нем./Под ред. проф. В.М. Потапова.- М.: Химия, 2014.-832с.

3. Физер Л., Физер М. Органическая химия углубленный курс том.1 перевод с англ. /Под ред. д.х.н. Н. С. Вульфсона.- М.: Химия, 1999.- 688с.

4. Дьячкова Т. П., Орехов В.С Химическая технология органических веществ : учеб. пособие /Т.П. Дьячкова, В.С.Орехов. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2012. - 172 с.

5. Писаренко А.П., Хавин З.Я. Курс органической химии: учебник для нехимических спец. Вузов/А.П.Писаренко, З.Я.Хавин.-4-е изд., перераб. и доп.- М.: Высшая школа, 2005.- 527с.

6. Тимофеев В.С., Серафимов Л.А. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза: учеб. пособие для вузов /В.С.Тимофеев, Л.А.Серафимов. - 2-е изд., перераб. - М.: Высшая школа, 2011. - 536 с.

7. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического синтеза/Н.Н. Лебедев. - М.: Химия, 1988. - 582 с.

8. Кутепов А.М., Бондарева Т.И. Общая химическая технология/А.М. Кутепов, Т.И. Бондарева. - М.; ИКЦ «Академкнига» 2004. -357с.

9. Промышленные хлорорганические продукты / Под ред. Л.А. Ошина. - М.: Химия, 1978. - 656 с.

10.Юкельсон И.И. Технология основного органического синтеза/И.И.Юкельсон. - М.: Химия, 2010. - 648с.

11. Флид М.Р., Трегер Ю.А. Винилхлорид: химия и технология/М.Р. Флид, Ю.А. Трегер. -- М.: Калвис, 2008. -- 584с.

12. Потапов В.М. Органическая химия: Учебник для техникумов/В.М.Потапов.-4-е изд., перераб. и доп.- М.: Химия, 2002.- 448с.

13. Дядченко В.П., Трушков И.В. Синтетические методы органической химии/В.П.Дядченко, И.В.Трушков. -- М.: МГУ им. Ломоносова, Химический факультет, 2014. -- С. 47.

14. Мухленов И.П. Общая химическая технология/И.П.Мухленов.- М.: Альянс, 2009.- 255с.

15. Травень В. Ф. Органическая химия: Учебник для вузов/ В. Ф. Травень. -- М.: ИКЦ «Академкнига», 2004.-583с.

16. Пат 2250891Россия МПК⁷ С07С21/06,С07С17/25.Способ получения винилхлорида Институт катализа им Г.К. Борескова. Сибирского отделения Российской академии наук, Бальжинимаев Б.С., Паукштис Е.А., Загуруйко А.Н., Симонова Л.Г., Малышева Л.В опубл. 26.12.2003

17. Пат 2133729 Россия C07C17/154, C07C21/06 способ каталитического оксихлорирования этана до винилхлорида. ЭФК Технологи АГ, Иан Майкл Клег; Рей Хардман опубл. 27.07.1999

18. Пат 2072976 Россия C07C21/06, C07C17/02, C07C17/156 Способ получения винилхлорида Научно-исследовательский институт "Синтез" с конструкторским бюро Занавескин Л.Н.; Трегер Ю.А.; Феофанова Н.М.; Пащенко Л.Е опубл. 10.02.1997

Размещено на Allbest.ru