乙烯直接氯化法生產(chǎn)二氯乙烷過(guò)程熱力學(xué)分析

張學(xué)坤

[摘 要]二氯乙烷是氯乙烯單體的重要生產(chǎn)原料，主要有直接氯化法、平衡氧氯化法等。本文以乙烯直接氯化法生產(chǎn)二氯乙烷過(guò)程為研究對(duì)象，對(duì)過(guò)程中的熱力學(xué)進(jìn)行分析，認(rèn)清乙烯直接氯化過(guò)程本質(zhì)，挖掘節(jié)能潛力，降低能耗，優(yōu)化二氯乙烷過(guò)程中的熱力學(xué)效率，達(dá)到節(jié)能降耗目的。

[關(guān)鍵詞]氯化法；二氯乙烷；乙烯；熱力學(xué)；對(duì)外做功

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ222.23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）41-0272-01

就國(guó)內(nèi)外來(lái)看，二氯乙烷生產(chǎn)采用乙烯直接氯化法是世界二氯乙烷生產(chǎn)的主要方向，人們關(guān)注二氯乙烷生產(chǎn)的同時(shí)，也更加關(guān)注過(guò)程中的節(jié)能降耗問(wèn)題。為此，基于熱力學(xué)分析方法和依據(jù)，分析了乙烯直接氯化法生產(chǎn)二氯乙烷過(guò)程中的理想功、有效能等具體情況，然后提出了節(jié)能降耗方法，優(yōu)化二氯乙烷生產(chǎn)過(guò)程。

二、乙烯直接氯化法生產(chǎn)二氯乙烷過(guò)程中的理想功分析

分析乙烯直接氯化法生產(chǎn)二氯乙烷過(guò)程中的理想功，主要分為兩種情況，具體情況如下：

第一種情況：原料、產(chǎn)品在25攝氏度和狀態(tài)下，理想功。

第二種情況：典型生產(chǎn)狀態(tài)下的理想功。這一種狀態(tài)下的原料、產(chǎn)品都處于不同溫度條件。當(dāng)達(dá)到100%轉(zhuǎn)化率時(shí)，生成的選擇性為99.5%。同時(shí)，加入適量的，防止處于爆炸限外。在這一生產(chǎn)過(guò)程中，理想功。

在以上兩種情況下，二氯乙烷生產(chǎn)過(guò)程中理論上都會(huì)對(duì)外作功，而且第一種狀況時(shí)的理想功為原料、產(chǎn)品的化學(xué)有效能之差。但是實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，由于分離過(guò)程能耗及一些不可逆轉(zhuǎn)損失等，不僅不能對(duì)外作功，反而會(huì)消耗一定的能量?；诖耍瑢?duì)二氯乙烷生產(chǎn)過(guò)程熱力學(xué)進(jìn)行分析，找到降低過(guò)程能耗的有效方法。

三、乙烯高溫直接氯化生產(chǎn)二氯乙烷過(guò)程中的熱力學(xué)分析

乙烯直接氯化生產(chǎn)二氯乙烷的方法有高溫直接氯化法和低溫直接氯化法，其中高溫直接氯化法流程簡(jiǎn)單，反應(yīng)熱利用效率高，有一定節(jié)能效果。在這里，利用Vinnolit公司推出的高溫直接氯化法進(jìn)行二氯乙烷生產(chǎn)，其工藝流程具體為：將氯氣放入反應(yīng)設(shè)備的噴射器內(nèi)，在循環(huán)二氯乙烷中溶解。乙烯經(jīng)過(guò)分布器后，與溶解了氯氣的循環(huán)二氯乙烷一同進(jìn)入反應(yīng)設(shè)備的混合器內(nèi)，受催化劑影響，氯氣與乙烯直接發(fā)生反應(yīng)，生成二氯乙烷?；谶@一生產(chǎn)工藝，對(duì)高溫直接氯化生產(chǎn)二氯乙烷過(guò)程中的有效能利用率進(jìn)行分析計(jì)算，評(píng)價(jià)有效能利用的高低。

（一）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

有效能利用分析要用到的數(shù)據(jù)包括基準(zhǔn)物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)、輸入物流的工藝參數(shù)和熱力學(xué)數(shù)據(jù)、輸出物流的工藝參數(shù)和熱力學(xué)數(shù)據(jù)等。

（二）有效能利用率計(jì)算與分析

利用乙烯高溫直接氯化生產(chǎn)二氯乙烷，過(guò)程中的有效能計(jì)算利用前文提及的相關(guān)計(jì)算公式。結(jié)果分為兩種情況，第一種是含有化學(xué)有效能，第二種是沒(méi)有化學(xué)有效能，分別為87.7%和2.35%。

從計(jì)算結(jié)果可以看出來(lái)，有效能利用率高低與所選用的環(huán)境條件、基準(zhǔn)等密切相關(guān)。雖然計(jì)入化學(xué)有效能的利用率達(dá)到了87.7%，看上去很高，但是實(shí)際上當(dāng)把二氯乙烷作為產(chǎn)品時(shí)，有效能利用率是比較低的，損失掉的有效能高達(dá)。之所以有如此高的有效能損耗，主要原因如下：

第一，化學(xué)反應(yīng)的不可逆轉(zhuǎn)性。乙烯高溫直接氯化生產(chǎn)二氯乙烷是一個(gè)快速、非均相的反應(yīng)過(guò)程，由于這一過(guò)程的不可逆轉(zhuǎn)性，產(chǎn)生了大量的有效能損失，在整個(gè)有效能損失中占比一半以上。

第二，沒(méi)有充分利用低溫位熱能。高溫直接氯化反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)終溫達(dá)110攝氏度，壓力。閃蒸發(fā)后，溫度降低到99攝氏度，此時(shí)形成了兩種低溫位熱源。其中，110攝氏度下的熱源利用冷卻水進(jìn)行冷卻處理，99攝氏度下的熱源利用冷卻水進(jìn)行冷凝處理，兩種低溫位熱源都沒(méi)有得到充分利用，進(jìn)而產(chǎn)生了一定有效能損失，約在總損失中占比1/5左右。

第三，循環(huán)比較高，使有效能利用率下降。由于氯氣、乙烯在二氯乙烷中的溶解率比較低，常溫下溶解根本達(dá)到生產(chǎn)要求[1]。為保證溶解效果，一般都采用比較高的循環(huán)比，高溫直接氯化法的循環(huán)比就很高，約120左右。在如此高的循環(huán)比下，需要輸入更多的能量，進(jìn)而引起有效能利用率降低。

四、乙烯高溫直接氯化法生產(chǎn)二氯乙烷過(guò)程中的節(jié)能降耗方法

（一）充分利用低溫位物流熱能

經(jīng)過(guò)以上分析可知，乙烯高溫直接氯化法生產(chǎn)二氯乙烷過(guò)程中產(chǎn)生了兩個(gè)低溫位物流熱能，由于不超過(guò)140攝氏度，不能進(jìn)行低壓蒸氣再做功，所以只能將其作為加熱介質(zhì)?；诖?，改變反應(yīng)條件和閃蒸條件，以形成不同溫位和的壓力的閃蒸氣，并在蒸氣與環(huán)境間安裝卡諾熱機(jī)，促進(jìn)低溫位熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣ΓM(jìn)而降低有效能消耗。但是以現(xiàn)有技術(shù)條件看，還無(wú)法改變反應(yīng)不可逆轉(zhuǎn)產(chǎn)生的能量消耗影響，所以這一節(jié)能設(shè)想只是理論上，有待加強(qiáng)技術(shù)研究。

（二）采用化工靜態(tài)混合技術(shù)

為提高有效能利用率，采用化工靜態(tài)混合技術(shù)，這是一種先進(jìn)的管式反應(yīng)技術(shù)，以靜態(tài)混合反應(yīng)器為核心[2]。將該種技術(shù)應(yīng)用于乙烯直接氯化生產(chǎn)二氯乙烷過(guò)程中，能夠強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱，促進(jìn)乙烯直接氯化反應(yīng)，控制副反應(yīng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用化工靜態(tài)混合技術(shù)時(shí)，輸入功耗、循環(huán)液冷卻和閃蒸氣冷凝的熱損失情況都有所改善，提高了1%左右。目前，化工靜態(tài)混合技術(shù)已經(jīng)比較成熟，其應(yīng)用于乙烯直接氯化生產(chǎn)二氯乙烷是可行的，能降低過(guò)程中的有效能損失率，提高有效能利用率。

五、結(jié)論

經(jīng)過(guò)以上內(nèi)容分析，得出以下結(jié)論：

第一，乙烯高溫直接氯化生產(chǎn)二氯乙烷時(shí)，計(jì)化學(xué)有效能情況下的有效能利用率為87.7%，不計(jì)化學(xué)有效能情況下的有效能利用率為2.35%。

第二，二氯乙烷生產(chǎn)過(guò)程有效能損失的主要原因包括三個(gè)方面：化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的不可逆轉(zhuǎn)性、低溫位熱能未充分利用、高循環(huán)比等。

第三，結(jié)合有效能損失原因，提出采用化工靜態(tài)混合技術(shù)和利用低溫位熱源等節(jié)能措施。其中，化工靜態(tài)混合技術(shù)的節(jié)能措施是可行的，能提高1%左右。而低溫位熱源利用研究還不成熟，有待進(jìn)一步研究，所以目前不建議采用這種節(jié)能措施，應(yīng)當(dāng)采用技術(shù)條件比較成熟的化工靜態(tài)混合技術(shù)，能達(dá)到提高有效能利用率的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳協(xié)舜.干氣直接氯化制備二氯乙烷的工藝開(kāi)發(fā)[D].華東理工大學(xué)，2012.

[2] 劉云龍.年產(chǎn)5000噸1，1，2-三氯乙烷生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)[D].江西師范大學(xué)，2015.endprint